中國古代文化史 · 第十七章 古代科學技術成就

一提起中國古代的科學發明，人們馬上就會想到四大發明——造紙術、印刷術、指南針和火藥。這四大發明無疑是極其偉大的，它們對世界文明的發展曾經有過巨大的影響。造紙術的發明為人類提供了質地優良、方便而又經濟的書寫材料，極大地促進了人類文化的保存、傳播、延續和發展。印刷術、指南針和火藥的西傳，則成為促進歐洲近代文藝復興和科學革命的有力槓桿。英國著名科學家、哲學家弗·培根（Francis Bacon, 1561—1626）認為：「這三種發明已經在世界範圍內把事物的全部面貌和情況都改變了：第一種（按：指印刷術）是在學術方面，第二種（按：指火藥）是在戰事方面，第三種（按：指指南針）是在航行方面。並由此又引起難以數計的變化來，竟至任何帝國、任何教派、任何星辰對人類事務的力量和影響都仿佛無過於這些機械性的發現了。」［1］但是我們也應該看到，四大發明畢竟是中國科技文化史上很小的一部分，僅僅知道四大發明，對於了解中國文化史還是遠遠不夠的。 縱觀中國幾千年的科技文化史，我們可以自豪地說，中國古代的科學技術成就是極其光輝燦爛的，在一個相當長的歷史時期中一直居於世界領先的地位，對於整個世界的文明進化作出過傑出的貢獻。英國科學史家貝爾納說，中國「許多世紀以來，一直是人類文明和科學的巨大中心之一」［2］。英國著名的中國科技史家李約瑟也指出：「中國在公元3世紀到13世紀之間保持一個西方所望塵莫及的科學知識水平。」［3］ 同時，從中國古代的科技發展史中，我們也可以看到，我們祖先所取得的成就是多方面的。這些成就幾乎遍及科技領域的各個分支，從數學、物理、化學、天文、地理、生物以及醫學等學科，到建築、冶金、紡織、機械、造船、航海、造紙、印刷、陶瓷等技術領域，無不有著相當突出的成就，而令舉世所讚嘆。李約瑟博士曾以有關機械和其他技術的發明和傳播為例，比較了古代世界各文明古國與中國的成就，指出中國古代的技術發明比其他文明古國要多得多，而且「這些發明在公元1世紀到18世紀期間先後傳到了歐洲和其他地區」。在列舉了中國的26項技術發明之後，李約瑟又說：「我寫到這裡用了句點，因為26個字母都已經用完了，可是還有許多例子，甚至還有重要的例子可以列舉。」［4］ 的確，中國古代科學和技術方面的發明為數之多，在古代世界上是無與倫比的。僅就技術方面的發明來說，用26個英文字母為序是不足以列舉的。有鑒於此，本章只能是著重介紹中國古代主要的科學技術成就，不可能面面俱到，而且受篇幅限制，這些介紹也只能是簡要的和提綱式的，這是必須事先說明的。由於在本書中，另闢有農學、天文、地理、建築、陶瓷、交通工具等專章，故這些方面的成就本章不再贅述。當然，這些方面的成就，也都包括在中國古代科學技術成就的範疇之中，這也是必須申明的。 第一節 別樹一幟的中國數學 在世界古代數學中，古希臘歐幾里得幾何學的輝煌成就可說是家喻戶曉，為人們所熟知了。但是，對於中國古代數學的成就，人們卻知之甚少，或知之不詳。其實，中國古代數學的成就同樣是極其輝煌的，並對人類文明的發展做出了特殊的貢獻。 在計算數學方面，中國大約在商周時期已經有了四則運算，到春秋戰國時期整數和分數的四則運算已相當完備。其中，出現於春秋時期的正整數乘法歌訣「九九歌」，堪稱是先進的十進位記數法與簡明的中國語言文字相結合之結晶，這是任何其他記數法和語言文字所無法產生的。從此，「九九歌」成為數學的普及和發展的基礎之一，一直延續至今。其變化只是古代的「九九歌」從「九九八十一」開始，到「二二如四」止，而現在是由「一一如一」到「九九八十一」。 與此同時，中國發明了特有的計算工具和方法，即用「算籌」進行計算。「籌」是一些粗細、長短一樣的小竹棍，也有用木或骨製成的，後來還有用鐵等金屬製作的。用算籌表示數目，有兩種形式，即縱式和橫式： 在表示數字時，用縱式代表個、百、萬位的數，用橫式代表十、千位的數，遇零則用空位表示，如此就可以用算籌擺出任何自然數。如1804，是。用算籌進行計算，叫做「籌算」。即通過算籌的擺列，進行加減乘除以至開平方、開立方等的運算，整數以後的奇零部分，則用分數表示。後來的「籌劃」、「籌策」、「籌算」、「籌議」等常用詞，都是由此演生和引申出來的。 正是在上述的基礎上，中國古代數學以擅長計算著稱於世，並逐步形成了自具特色的數學體系。《九章算術》一書是這個體系形成的重要標誌。《九章算術》大約成書於公元1世紀中葉，是集戰國和秦漢數學成就之大全的著名古算書。該書採用應用題集形式寫成，共收入實際生產和生活中的數學問題246個，並給出答案。全書分為九章： 第一章「方田」，主要講的是田畝面積的計算，包括分數的各種計算方法； 第二章「粟米」，講各種比例問題，特別是關於各種穀物間按比例相互交換的計算方法； 第三章「衰分」，講按等級分配物資或攤派稅收的比例問題； 第四章「少廣」，講開平方、開立方的計算方法； 第五章「商功」，講各種形狀的體積的計算方法； 第六章「均輸」，講如何按人口、物價高低、路途遠近等條件，以計算各地的賦稅和分派工役等問題的計算方法； 第七章「盈不足」，即用假設的方法解決如下一類的問題：「今有（人）共買（物），（每）人出八（錢）盈餘三（錢），（每）人出七（錢）不足四（錢），問人數、物價各幾何？」［6］這類問題，在《九章算術》中已有完整的解法； 第八章「方程」，是關於聯立一次方程組普遍解法的敘述； 第九章「勾股」，主要是應用勾股定理和直角三角形相似的各種比例關係，測量和計算「高、深、廣、遠」的問題。 《九章算術》不僅有著一套較為完整的編寫體例，形成了具有自己風格的數學體系，而且其數學水平處於當時世界的先進行列，其中一些成就還遠遠走在世界的前面。如「盈不足術」類似於現代「行列式解法」，它在歐洲至中世紀方以「雙設法」的形式出現；歐洲直到16世紀時方得出類似一次聯立方程組的普遍解法；「方程」章中已引入了負數的概念，並已產生和運用了正、負數的加減法則，而印度到7世紀以後，歐洲到16世紀以後，才產生比較明確的負數概念。 以《九章算術》為代表的中國數學體系，其特點是以解決社會實際問題為主要目的，以算籌為主要計算工具，以十進位值制的記數系統進行運算，其內容包括算術、代數、幾何等各個方面。這個數學體系在其自身的發展歷程中，逐步走向自己的高峰，呈現著久盛不衰的局勢，並結下了累累的碩果。其中最為突出的成就有： 其他如隋代劉焯創立的「等間距二次內插法」；唐代一行的「不等間距二次內插法」，王孝通的三次方程解法；宋元時期的解三次以上方程的方法，高階等差級數求和、聯立一次同餘式等等，也都在世界上領先數百年之久。而在明代廣泛使用的珠算盤，更是幾百年來最先進的一種計算工具，至今仍有一定的生命力。 如同古希臘注重幾何證明而忽視計算一樣，中國古代在數字計算方面相當發達，在實際生活中所遇到的幾何問題，也都用算術或代數的方法進行解答，從而相對地限制了幾何證明的發展。但這並不是說，中國古代就沒有幾何學。其中墨子在《墨經》中所提出的圓、直、點、線、面、體、平行等各種命題和概念，都可與歐幾里得幾何學的相關定理和命題媲美。勾股定理及其應用，製圖工具規、矩的普遍使用，也都反映了中國古代在幾何學方面有著相當的成就。當然，在實用計算數學的掩蓋下，中國古代在幾何學上沒有在理性論證方面得到充分地發展；計算數學本身也在《九章算術》體例的影響下，一直採用習題問答的方式，沒有加以很好地抽象、提高，使其更具理性化的程度，這不能不說是重大的缺陷。 第二節 指南針和其他物理學成就 嚴格地說，在古代世界中是沒有近代意義的物理學的，但這並不是說物理學不是歷史發展的產物。在物理學作為一門獨立的科學形態出現之前，它同樣經歷了漫長的歷史進程，甚至可以說它是與人類的活動相始終的。在中國悠久的文化史中，歷代的人們積累了大量的經驗性物理知識，並取得了許多輝煌的成就。指南針的發明就是一項具有劃時代意義的偉大成就。 從司南到指南針，經歷了一個漫長的演進過程。指南針究竟何時問世，現在尚無法確定。目前發現的關於指南針的早期文字記載，主要的有如下幾條： 《塋原總錄》卷一說： 客主的取，宜匡四正以無差，當取丙午針。於其正處，中而格之，取方直之正也。 意思是說，要定東西南北四正的方向，必須取丙午向的針，然後在丙、午的位置，「中而格之」，找出正南的方向。亦即讓針指丙午中間的方向，則午向就是正南方向。《塋原總錄》是一部相墓書，撰於宋仁宗慶曆元年（1041）。作者楊維德是當時的天文學家、星占學家和堪輿學家，大中祥符三年（1010）左右任司天監保章正，專司占候變異。這條記載中所說的針，雖沒有明確指出是什麼針，但從字裡行間可以斷定是磁針無疑，說明當時已把磁針與羅經盤配套，作為定向的儀器，並且已發現了地球的磁偏角，定為正南偏東75度。 《夢溪筆談》卷二十四說： 方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。水浮多盪搖，指爪及碗唇上皆可為之，運轉尤速，但堅滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟，綴於針腰，無風處懸之，則針常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。 《本草衍義·磁石條》說： 磨針鋒則能指南，然常偏東，不全南也，其法取新纊中獨縷，以半芥子許蠟，綴於針腰，無風處垂之，則針常指南。以針橫貫燈心，浮水中，亦指南，然常偏丙位。 《本草衍義》撰於公元1116年，為北宋藥物學家寇宗奭所著。此記載與楊維德和沈括的記述基本一致。 從上述材料中，我們可以看到，指南針在11世紀時已是常用的定向儀器，有多種裝置方法，並已由指南針發現了地球的磁偏角，從而也表明指南針至少已經行用了一段時期。由此可以推斷，指南針至遲發明於11世紀初期。如果把指南針的發明時代上溯到10世紀時的唐末或五代，也是不無根據的。如王伋（王趙卿，約10世紀末）曾留有「虛危之間針路明」的詩句；［10］佚名的《九天玄女青囊海角經》（約900年）中說：「今之象占，以正針天盤，格龍以縫針地盤」［11］等。這裡所說的「針路」、「正針」、「縫針」等，極可能就是用指南針與羅經盤配套定向的術語。 除「磁石磨針鋒」外，中國古代還發明了另一種人工磁化方法，即利用地球磁場的作用進行磁化。北宋曾公亮主編的《武經總要》中記載的指南魚就是如此。其法是把薄鐵片剪成魚形，燒紅後把尾部蘸入水中，使魚尾指向正北方位，並且稍微向下傾斜，然後取出，魚形薄鐵片就被磁化，讓它浮在水面，就成為可以指向的指南魚。這種利用地磁場進行磁化的方法，是一個非常了不起的發現和發明，包含有豐富的科學道理。近代科學表明，磁鐵的磁性是由磁疇的規則排列形成的，非磁鐵由於磁疇排列雜亂無章而不具磁性。魚形薄鐵片燒紅以後，內部磁疇活動加劇，沿南北方向放置，可以在強大的地磁場作用下，使磁疇順著地磁場的方向排列。蘸入水中，則可以使磁疇的規則排列比較快地固定下來。至於魚尾稍微向下傾斜，是由於地球磁場的磁傾角作用，可以增大磁化的程度，這也反映了當時中國已經發現了地球的磁傾角。歐洲人用同樣的方法進行人工磁化，比中國晚了四百多年，磁偏角的發現是哥倫布在航海探險中於1492年發現的，而磁傾角的發現則還要更晚一些時候。 在物理學的其他分支中，中國古代同樣不乏出色的成就： 力學方面，墨子已經得到了力 × 力臂=重 × 重臂的槓桿原理，對力、運動、靜止、時空等概念，墨子也都有著精闢的論述。墨子認為，運動是由於物體受力的作用而發生，在空間中表現為位置的移動，在時間上表現為先後的變化；時間和空間既是連續的，又是由不可再分的時間基元「始」和空間基元「端」所構成的。墨子的這些力學成就，以之與古希臘物理學相比，毫不遜色。其他如利用摩擦而引起板振動的噴水魚洗，利用類似於現代萬向支架原理製作的被中香爐等，都是至今仍為舉世所讚嘆和驚異的傑出發明。 光學方面，墨子提出了光是直線傳播的，並進行了小孔成像的實驗，用光的直線傳播解釋了光通過小孔所形成的影像是倒像的道理。他對凹面鏡、凸面鏡和平面鏡成像的原理也進行了比較系統的研究，已發現了凹面鏡焦點的存面。雖然他把球心和焦點混淆在一起，但這些實驗是世界上最早的光學實驗，具有重大的科學意義。李約瑟曾把墨子光學與古希臘光學進行比較，指出墨子的光學研究「比我們任何所知的希臘為早」，「印度亦不能比擬」。［12］後來，宋代的沈括和元代的趙友欽分別又對凹面鏡和小孔成像原理進行較深入的研究，把中國古代的幾何光學提高到一個新的水平。此外，漢代發明的透光鏡，能夠反射出銅鏡背面的精美圖像，是中國古代光學的一大發明，現在仍引起中外學者的關注。 第三節 火藥及煉丹化學 火藥的發明發端於煉丹術。煉丹家在煉丹實踐中，經常使用硫黃、硝石和含碳的皂角、馬兜鈴等煉製丹藥，丹房失火的事故時有發生。唐代的煉丹家已從中認識到，硫黃、硝石、碳混合在一起，遇火後會引起燃燒或爆炸。這三種藥物的混合物就是初始的黑火藥。大約在晚唐時，軍事家從煉丹家手中得到了配製火藥的方法，並在軍事上加以應用。 初期的火藥簡單粗糙，威力不大，主要是利用其燃燒性，用來加強火攻的效力。大約在唐哀帝天祐年間（904—907），有人在戰爭中使用了火箭、火炮。火箭是把火藥縛在箭頭附近，點燃後用弓射出；火炮是用火藥製成類似於炸藥包一類的東西，點燃後用拋石機拋射以燒敵。五代時，除火箭外，還製造有火球、火蒺藜等火藥武器。 有宋一代，先後承受著北方的少數民族政權遼、金、元南犯的威脅，戰爭時斷時續，與宋代相始終。由於火藥的威力較其他兵器為大，故受到特別的重視，火藥的質量和火藥武器得到較快的發展。在戰爭中，金、元也都掌握了火藥和火器的製造方法，並有所改進和發展。 火藥武器方面的另一突出的成就，是自身具有推進和發射功能的火箭的出現。宋元時期已發明了一種利用火藥噴射所產生的反作用力，把箭鏃射向敵方的火藥箭。這是現代火箭的鼻祖，其原理與現代火箭的發射原理相一致。在明代茅元儀的《武備志》卷一三三中，記載有一種名為「火龍出水」的火箭，已是一種兩級火箭。它利用四支火箭燃燒後產生的反作用力射出，再引燃火龍口中的火箭，使箭鏃射出以擊敵。這不能不說是火藥利用過程中所取得的一項重大成就。 大約在元時，隨著元軍的遠征以及中外交通貿易的發展，火藥和火藥武器相繼由陸路和海路傳到阿拉伯和歐洲。從此，在世界兵器史和軍事史上引發了一連串重大的變革。 當然，火藥只是煉丹家對化學的一項貢獻。中國是煉丹術的發祥地，有著悠久的煉丹歷史，煉丹術對人類文化史，特別是對化學的貢獻是極其重大的。煉丹術在西方稱鍊金術，中國的煉丹術大約在公元7—9世紀時傳到阿拉伯，又由阿拉伯傳入歐洲，促進了阿拉伯和歐洲鍊金術的發展。 煉丹術的本意是極其荒謬的，它企圖通過化學變化，把各種藥物（包括草木和礦物）煉製成「長生不老藥」及變賤金屬為貴金屬，這肯定是不可能實現的。但是煉丹家在長期的煉丹實踐中，卻從中認識到「變化者，乃天地之自然」［17］，即物質是會發生變化的，物質的變化是自然界的普遍規律，並積累了大量關於物質變化的知識，取得了一系列的化學成就。弗·培根說：「煉金家是在培育著永久的希望，事情不成時，總是歸咎於自己的某種錯誤：不是恐怕自己沒有充分了解這個方術或其著作者的語意（因而他就轉向對古法和秘傳的追求），就是恐怕自己在制煉中在分量上或時間上有毫釐分秒的差池（因而他就把試驗無限地重複下去）；而同時，當他在試驗過程的一些機會中居然達到一點新的或尚屬有用的結論時，他又認真地把它們看做是大功將至，以它們來饜足其如饑似渴的心，把它們極度地張大起來，而盡將餘事寄於希望之中。誠然，煉金家們不是沒有許多的發現，不是沒有帶給人們以有用的發明；不過他們的情節卻如寓言中所講的一個老人的故事：那老人以其葡萄園中的窖金遺給諸子，而故稱不知確切地點，諸子於是就辛勤地從事於翻掘園地，雖然沒有找到什麼金子，可是葡萄卻由於這次翻掘而變得更加豐茂了。」［18］這段話生動而深刻地揭示了煉丹家的心態、煉丹術的性質和結果。 煉丹術帶給人們有用的發現和發明是多方面的。在煉丹著作中，人們可以經常看到「還丹」或「九轉還丹」之名稱，實際上這不過是紅色硫化汞（丹砂）。煉丹家把天然的丹砂置於丹鼎（煉丹爐）中加熱，使其分解為汞和硫，汞和硫又會化合為黑色硫化汞，再經加熱而升華，回復為紅色硫化汞。煉丹家把所得的紅色硫化汞稱為「還丹」，重複上述過程多次煉製所得的丹砂稱「九轉還丹」，並用比附的方法，認為人服食了還丹，就會像它一樣脫胎換骨，飛升成仙，長生不老。這種認識當然是荒謬的，但還丹利用化學和物理的方法，去除了天然丹砂的雜質，是人類最早通過化學方法製成的產品之一，在漢代就已經製得。漢代時煉丹家利用類似的方法製成的化學產品，還有胡粉（白色鹼性碳酸鉛）、黃丹（四氧化三鉛）等。 在煉丹實踐中，煉丹家發現和積累了不少物質的化學性質和性能的知識。如汞化學，鉛化學，金、銀、銅、鐵以及硫黃、碳等的特性。其中，鐵對銅鹽的置換反應的發現，不論從化學角度還是工業角度看，都堪稱是一項了不起的發現。西漢的《淮南萬畢術》中記載，「曾青得鐵則化為銅」，曾青是天然硫酸銅，其溶液與鐵接觸，鐵離子能置換出硫酸銅中的銅離子，表明了漢代以前煉丹家已進行了置換反應的實驗，時間之早是不能不令人驚嘆的。這一發現，還為後世的濕法煉銅——膽銅法奠定了實驗基礎，開創了濕法冶金的先河。後世的煉丹家同樣有不少新的發現和發明，如硫酸、硝酸等強酸以及一些強鹼劑，都是在唐代就已製成。 此外，煉丹家大都又是醫藥學家，他們把化學藥物應用於醫療之中，促進了醫藥學的發展。如唐代已用劇毒的汞、砷等化合物來殺滅病原蟲和細菌，治療皮膚病、回歸熱和瘧疾等疾患；用白錫銀箔和水銀合製成「銀膏」來做牙齒的填充劑。這些，在醫藥學史上都是具有開創性意義的成就。 第四節 生物學上的出色成就 各種生物與人類的生活息息相關，可以說，自從人類出現之時起，人們便一刻也離不開生物。在長期的生活實踐中，中國古代積累有極其豐富的生物學知識，並取得了許多重大的成就。 生物學上最基本的知識開始於對生物的分類，沒有這種分類學上的知識，就不可能對紛繁雜沓的生物界進行科學性的處理、總結，並加以利用。早在殷代的甲骨文中就有不少關於動植物的名稱，根據這些字形的特徵來加以考察，可以看出當時人們已經產生了依據動植物的外部形態特徵進行分類的認識。隨著人們對動植物外部形態認識的逐步深化，到春秋戰國時產生了具有鮮明特色的中國傳統分類法。當時的分類知識大都散見於《周禮·地官》、《考工記·梓人》、《禮記·月令》、《管子·幼官》和《爾雅》等典籍之中。這些分類知識又大致可分為兩種：一種是把植物分為皂物（柞栗之屬）、膏物（楊柳之屬）、核物（核果類、李梅之屬）、莢物（薺莢、王棘之屬）、叢物（萑葦之屬）等五類，把動物分為蟲類、魚類（又分之為鱗類、蛇類與介類）、羽類、毛類和贏類（指人類，包括猿猴類）等五類，這種分類法是受五行說的影響而產生的；另一種分類法以《爾雅》為代表，把植物分為草、木兩大類，把動物分為蟲、魚、鳥、獸四大類。後世的分類法，是在這兩種分類的基礎上進行綜合而發展起來的。明代李時珍的《本草綱目》中的分類情況，可以為中國古代傳統分類學之集大成者。《本草綱目》分植物為草、谷、菜、果、木五類，分動物為蟲、鱗、介、禽、獸、人六類。從其動物的分類順序中，可看出中國古代已有關於生物界發展變化的認識。 同時，在中國古代的傳統分類學中，還包含有生物之「屬」和「科」的分類概念。如《爾雅》中把山韭、山蔥、山蒜等放在一起，相當於蔥蒜屬；把蜩、、、蜺等不同的蟬放在一起，相當於蟬科。《本草綱目》中把草這一大類又分為芳草、毒草、蔓草、苔草、山草、濕草、水草、石草等十小類，把大戟、甘遂、澤漆等大戟科植物分在一起。這些分類方法，都符合或近似於近代的生物學，在古代世界也是處於先進的地位。西方植物學的創始人瑞典的林耐（Carl von Linné, 1707—1778）的代表作《自然系統》，出版於1735年，全書僅12頁，不但時間遠遠落後於中國，內容也遠不如中國之豐富。 此外，中國古代已經注意動物生理狀態隨日夜、潮汐、月令、季節變化的節律問題，留下了大量關於生物節律的歷史記載。如《呂氏春秋·精通篇》中說：「月望則蚌蛤實，群陰盈；月晦則蚌蛤虛，群陰虧」，宋代姚寬的《西溪叢語》中說：「蛤蜊、文蛤皆一潮生一暈」等，在《夏小正》、《禮記·月令》以及歷代的農書中，都有許多關於物候的記載。這些，反映了中國古代對生物節律已有初步的認識。而且至遲在公元4世紀時，中國就已利用低溫催青，改變了蠶一年二化的生長節律，成功地培育出第三化蠶，這是生物學史上一項劃時代的成就。 對生物的遺傳和變異，中國古代亦已有較深刻的認識，並在生產實踐中加以應用。在長期的農業和畜牧業生產中，人們很早就認識到遺傳現象的普遍存在，即「夫種麥而得麥，種稷而得稷，人不怪也」［20］。同時，又認識到遺傳性與生活條件有著密切的關係，因此要求在生產中必須「適其天性」，不能「任情返道」，而要「順物性，應天時」［21］，以滿足生物的生活條件。但是，遺傳性並不是一成不變的，對此中國古代也早已有所發現和認識。在《周禮》中就記載了穀子有成熟期較長的「稽」和較短的「稑」，《爾雅》中更記載有36個品種的馬，明代的《天工開物·黍稷粱粟》中則進一步指出，糧食品種甚多，「相去數百里，則色、味、形、質隨方而變，大同小異，千百其名」。基於對生物遺傳和變異的認識，中國古代在農業和畜牧生產中，廣泛地採用了存優汰劣的選種和育種方法，選留優質的種子、種畜以種植和養殖。同時，還進行了培育新品種的研究，成功地研製出大量菊花、牡丹、玫瑰等花卉以及家蠶、金魚的新品種。中國古代在這方面的工作和記述，是任何其他國家和地區所無法比擬的，並為近代生物學的創立和發展提供了大量珍貴的資料。正如達爾文在《物種起源》一書中所說：「如果以為選擇原理是近代的發現，那就未免和事實相差太遠，……在一部古代的中國百科全書（指《本草綱目》）中，已經有關於選擇原理的明確記述。」達爾文所著的《動物和植物在家養下的變異》，引用的中國資料就達幾十條之多。 更為可貴的是，中國古代已進行了雜交育種的探索和研究，開拓了一條培育生物新品種的途徑。其中，利用馬與驢雜交而生的騾子，是這方面的一個重大成就。《呂氏春秋·愛士》中記載，「趙簡子有兩白騾」，表明這一工作至遲在二千多年前的春秋時期就已發明。此後，利用雜交優勢，培育騾子的工作一直是家畜繁殖中的一件大事，受到歷代的重視。植物的嫁接技術也是中國所首創的，在東漢的《氾勝之書》中，已記載有瓠的嫁接方法，後世更是在果木栽培中廣泛加以應用。 在昆蟲和微生物的利用方面，中國同樣有著悠久的歷史和傑出的成就。除了蠶的馴育和利用外，中國還是最早利用五倍子、蟲白蠟和紫膠的國家，昆蟲在醫藥中的利用更是多不勝舉。在養蜂方面，元代劉基的《郁離子·靈丘丈人》中已概括出了蜂群管理法的原則，比德國齊從（J.Dzierzon）1845年發表的13條養蜂原理早五百多年。在西晉時中國已經採用放養黃驚蟻的方法防治柑橘的害蟲，後來人們在甘蔗種植中又發明了養紅螞蟻防治螟害的方法。此外，在《齊民要術·種穀》中，記載有利用育種避蟲的十個品種。這些是現代利用天敵治蟲及作物育種避蟲方法的先驅。至於利用微生物制曲、釀酒，進行食用加工，在中國更具有幾千年的歷史，至今仍在生產和生活中得到廣泛地應用。 還應該特別指出的是，中國古代已經注意到生物資源的保護和合理利用的問題。戰國時的荀子已經認識到，生態環境與社會安定和人類生活有著重大的關係。他指出：「天之所覆，地之所載，莫不盡其美，致其用，上以飾賢良，下以養百姓而安樂之。」［22］從周代開始，中國已經把保護山林，保護動植物資源，列為國家管理中的一項要務，並被視為關係到帝王能否治理國家的重要標誌。「為人君而不能謹守其山林菹澤草萊，不可以立為天下王。」［23］因此，周代就已制定法律，規定了砍伐林木，獵取禽獸的月令，禁止非時伐木和狩獵，並委任有專門的官吏進行管理。後來的歷代政府，也都不同程度地注意到生物資源的保護和合理利用的問題。中國古代在這方面的經驗和教訓，是值得認真總結，引為鑑戒的。 第五節 自成體系的中醫藥學 在中國古代科學的各分支中，未被近現代科學所融會，且至今仍有強烈生命力的，唯有傳統的中國醫藥學。其所以能夠如此，原因之一是它擁有自己的理論、方法和內容，即形成一個完善的科學體系。中國古代科學的其他分支，雖然也各具鮮明的中國特色，也可說是各有體系，但與中醫藥學相比較，都不如它那麼完整和完善。 從世界醫藥學史的角度看，中醫藥學不但體系獨特，而且有著一系列卓越的貢獻。其中突出的有： 在醫學理論方面，中醫藥學雖然以人體為對象，但是它把人體看做是自然界整體的一部分，不是孤立地研究人體，而是把人體放在自然界整體運動和廣闊的動態平衡之中來進行研究。因此，在其病理學說中，非常重視疾病與人體自身精神狀態、生活狀態以及外部環境，特別是氣候變化的關係。在臨床治療中，它反對單純的頭痛醫頭，腳痛醫腳，強調「治病必求於本」［24］的原則，即把握住疾病的原因和本質，針對不同的情況進行辨證施治。同時，它又把人體本身看做一個有機的整體，不是簡單、孤立地研究疾病的症候，而是把各臟腑、經絡、氣血、津液等緊密地聯繫在一起，進行全面的考察。在用藥方面，它講究藥物配伍的原則，即根據每個病人虛、實、寒、熱的特性，因人施藥，並注意主治藥物和輔助性藥物的配伍問題。這些理論和原則，即使用現代科學觀點和方法來加以考察，亦是非常深刻和具有積極意義的。 脈診，是中醫藥學上一項獨特的診斷方法。據《史記》記載，戰國時的扁鵲已能通過脈診確定病人的病情，然後對症下藥，反映了當時已掌握了脈診的方法。從此，脈診成為中醫藥學的一個重要組成部分。脈診的應用表明，中國古代的醫生已掌握了脈象與身體各部分的關係的經驗，亦即關於心臟、血液與血管的關係，血流速度與人體健康的關係，呼吸和脈搏頻率的關係等解剖生理學的知識。現代醫學表明，脈搏是循環機能的綜合表現，脈象因循環系統的情況改變而不同。而且，由於循環系統與身體各內臟都有關聯，組織代謝的任何變化，都會給血液循環以一定影響，機體的重要疾病變化，都會在不同程度上影響循環系統的功能。因此，儘管中國古代脈診是建立在經驗基礎上的，但卻是有著科學依據的。中國的脈診很早就傳到國外，除鄰近的日本、朝鮮等國外，大約在10世紀時已傳至阿拉伯，17世紀時傳至歐洲，對世界醫學的發展有著一定的影響。 在外科學方面，與西醫只重視局部和體表的醫治方法不同，中醫堅持了整體的觀念，既重視體表疾患的局部表現，更重視患者機體的內在變化；既重視手術、手法的治療，更重視機體抗病能力的增強。這一思想，在骨科治療中體現得更為突出。因此，在治療過程中不僅注意了局部的處理，而且強調適當的活動和功能鍛煉，同時配合活血化瘀和調理臟腑功能的藥物，收到了良好的療效。麻醉藥物的發明，是中醫外科的又一重大成就。據《後漢書》記載，東漢名醫華佗已在外科手術中應用了麻醉藥——麻沸散。麻沸散的藥物組成早已失傳，據現代研究，它可能與宋代竇材《扁鵲心書》、元代危亦林《世醫得效方》、明代李時珍《本草綱目》中所記載的睡聖散、草烏散、蒙汗藥相類似。這些方子的主要藥物成分是曼陀羅花，具有麻醉作用。即使不算華佗的麻沸散，宋、元、明三代所用的麻醉藥也是世界最早的發明。國外直至1805年，日本的華岡青州方使用以曼陀羅花為主的麻醉劑，被譽為世界外科學麻醉史上的首創，實際上比中國要晚得多。 中國還是免疫學的發祥地，免疫思想很早就已萌發。公元4世紀初，葛洪所著的《肘後方》中記有「療猘犬咬人方」，即當人被狂犬咬傷後，把咬人的狂犬殺掉，取狂犬的腦子敷貼於傷口上，以防治狂犬病。19世紀時法國著名醫學家巴斯德（Louis Pasteur, 1822—1895）防治狂犬病的療法，也是基於利用狂犬的病毒以增強免疫力。隋代的巢元方在《諸病源候論》中又指出，服用「沙虱」（恙蟲幼蟲，形似小紅蜘蛛，可傳播恙蟲病）研成的細末，可治療恙蟲病。國外直至20世紀初，才在感染該病毒的鼠類中獲得病原，製成疫苗。中國古代在免疫學上最突出的貢獻，是關於天花的防治，發明了人痘接種法。該法是取少許天花患者的痘漿或痘痂，植入健康兒童的鼻孔中，使其感染輕度天花，而獲得免疫力。種痘法發明於何時，現說法不一，有說是始於宋代的，有說是始於明代的，但至遲在16世紀下半葉已經使用，則是無疑的。大約在16世紀末，中國的人痘接種法傳到俄國，繼之又傳入歐洲，對保護兒童的健康做出了重大的貢獻。公元1796年英國醫生琴納（Edward Jenner, 1749—1823）發明牛痘接種法後，方逐漸代替了人痘接種法。 在藥物學方面，中藥也具有非常顯著的特色，它在藥物的自然屬性和在人體內的治療作用的基礎上，總結出了一套獨特的理論系統，並形成了一套獨特的藥物炮製和配方用藥方法。中國古代關於藥物和方劑的專著很多，其中唐《新修本草》是世界上第一部國家發布的藥典，明代李時珍的《本草綱目》更可堪稱古代世界的藥物大全。 此外，在婦科、兒科、法醫學以及食物醫療保健等方面，中國古代也都有著很多重大的成就。其中，宋代宋慈所著的《洗冤集錄》是世界上第一部系統的法醫學專著，在法醫學史上占有重要的地位。 第六節 造紙術、印刷術的發明和發展 雖然最初的紙不是蔡倫發明的，但是蔡倫在造紙史上的功績仍然是極其偉大的。首先，他是造紙技術的偉大改革者。在他之前的紙，質地粗糙，夾帶有較多未經鬆散的纖維束，表面不平滑，不宜書寫，大都只供包裝用。而蔡倫於元興元年（105）所獻的紙，受到漢和帝的讚賞，「自是莫不從焉」，深受人們的歡迎，說明蔡倫所造的紙已相當精良。要得到優質的紙張，工藝上必然要有所改進，特別是「打漿」工藝要比西漢造麻紙時更為成熟和完善。其次，是他開拓了造紙原料的新領域。蔡倫除了繼承和改進用麻類原料（麻頭、廢舊的麻布和麻織漁網等）造紙外，還首創了用樹皮（主要是楮皮）作為造紙的新原料。這是造紙技術上的一項重大的技術革命，既為紙的製造開闢了一個更加廣闊的原料來源，又促進了紙的產量和質量的提高。正是由於蔡倫的貢獻，為人們提供了廉價優質、適於書寫的紙張，從而使紙張的應用得到普及和推廣，並引起了書寫材料的變革。從此，不僅中國原先所用的竹、木簡牘和縑帛之類逐步為紙張所取代，而且埃及的紙草、印度的樹葉、以至阿拉伯和歐洲的羊皮等，無不一一在紙的面前相繼退出了書寫材料的舞台。 自蔡倫以後，中國的造紙業持續地得到發展。人們一方面開拓新的造紙原料，一方面在工藝技術上不斷地進行改進，使紙的品質越來越高，品種越來越多樣。魏晉南北朝時期已開始利用桑皮、藤皮造紙，隋唐五代時期，竹、檀皮、麥稈、稻稈等也都作為造紙原料，先後被利用。工藝技術方面，魏晉南北朝時期已採用簾床設備撈紙，既提高了工效，又使紙張有了一定的規格，便於運輸、保藏、書寫和裝訂。防止紙張蟲蠹的「潢治法」，也在這個時期發明並推廣。所謂「潢治法」，是用黃檗和雌黃等防蟲原料進行處理，以防止紙張被蟲蛀蝕。從此，「潢治法」成為古代造紙術中的一項傳統工藝。唐時竹紙的問世，是造紙技術的重大突破。竹子纖維硬、脆易斷，技術處理比較困難，用竹纖維作原料，表明造紙技術已達到相當成熟的程度。在造紙過程中加礬、加膠、塗粉、灑金、染色等加工技術，也都在唐時問世。至於紙張的品種，從唐代到清代更是不斷地增多，各種彩色的蠟箋、冷金、錯金、羅紋、泥金銀加繪、砑花等名貴的紙張，各種宣紙、麻紙、壁紙、花紙等實用紙張，成為人們文化生活和日常生活中不可或缺的必需品。 廉價優質紙張的大量生產，為印刷術的出現提供了必要的物質條件，而刻印、刻石、木刻符籙以及染織上的鏤版印花技術，則早已為印刷術準備了充分的技術條件，因此隨著社會文明的發展，印刷術在中國很自然地誕生了。中國古代印刷術的發展，可分為兩個階段，一個是雕版印刷術，一個是活字印刷術。雕版印刷術本書另有專章涉及，這裡著重講一下活字印刷術。 除了泥、木活字外，中國還是最早使用金屬活字的國家。元時就以鑄錫作字，明以後又相繼使用銅、錫活字。 造紙術大約在兩晉時期即傳至朝鮮和日本，唐時傳至印度、波斯和阿拉伯，後又相繼傳入北非和歐洲。印刷術在唐時傳入朝鮮、日本和波斯，後又經波斯傳至埃及和歐洲。14世紀末，歐洲出現了木板雕印的紙牌、聖像、經典以及拉丁文文法課本，1456年，德國谷騰堡在歐洲首先用活字印刷「聖經」。可以說，造紙術和印刷術是中國奉獻給世界文化的厚禮，它對人類文化的保存和傳播、普及和提高產生了不可估量的影響，有力地推動了人類文明發展的進程。 第七節 礦物學和採礦技術成就 中國的礦物學同樣有著悠久而光輝的歷史。李約瑟在比較中西古代礦物學知識時說：「中國人在文藝復興以前的各個時期內對岩石和礦物的研究，並不是感情用事的，而是科學的，他們的貢獻至少可與歐洲人相提並論。」［28］李約瑟的這一評價是不為過分的，事實上中國古代在這方面的貢獻，往往超過同時代的歐洲人。 中國最早記載礦物的典籍是《山海經》中的《五藏山經》，其成書年代大約在春秋末期。據統計，《五藏山經》中共記載有礦物89種，包括金屬、非金屬和各種怪石、各色堊土等礦藏。同時記載了這些礦藏的產地309處。對礦物的性質，如硬度、顏色、光澤、透明度以至敲擊聲音、醫藥性能、集合體的狀態（土狀、塊狀、卵狀、米粒狀）等，都有所描述。而成書於公元前3世紀左右的古希臘礦物學名著《石頭記》，只記載了16種礦物，分成金、石、土三類。 人們從長期的找礦、採礦實踐中，還較早就總結了一套經驗性的探礦理論。《管子·地數篇》說：「山上有赭者，其下有鐵；上有鉛者，其下有銀；上有丹砂者，其下有黃金；上有慈（磁）石者，其下有銅金。此山之見榮者也。」所謂「山之見榮」，即是礦苗露頭。鐵礦表層高價氧化物呈赭色，鉛和銀常共生，這是現代礦床學所證明了的。這裡講的除把銅和鐵的硫化物混稱為黃金和銅金外，大體上符合現代關於硫化礦床的礦物分布理論。這段記載表明，在戰國時期中國已經總結了一些礦床中礦物分布知識，並提出了根據礦苗和礦物的共生或伴生規律來找礦的方法。這些關於礦物共生的知識，在中國探礦史上一直得到繼承，並不斷豐富。 利用植物找礦的方法，是中國古代對探礦理論的又一重大貢獻。其起源可以上溯到戰國時期，《荀子·勸學篇》中就有「玉在山而草木潤」的記載，表明關於礦物與植物關係的知識已經萌生。後來這方面的經驗性認識不斷積累、增多，到唐代的段成式進行了集中和概括。他說：「山上有蔥，下有銀；山上有薤，下有金；山上有姜，下有銅錫；山有寶玉，木旁枝皆下垂。」［29］這些記載雖與實際情況不完全相符，但卻為人們開拓了利用指示植物找礦的新途徑，是現代利用植物找礦或生物地球化學找礦理論的濫觴。正如李約瑟所說的：「中國人在中古代所進行的觀察，確實可以說是仍在迅速發展中的、範圍十分廣闊的現代科學理論和科學實踐的先驅。」［30］ 對於用工具難以採掘的礦層和岩層，中國古代還利用「火爆」的方法進行開採。這種方法出現於何時，現尚難以確定，但至遲在明代已廣泛使用。明代陸容曾記述浙江處州（今麗水一帶）銅礦的開採方法，說：「采銅法，先用大片柴，不計段數，裝疊有礦之地，發火燒一夜，令礦脈柔脆。次日火氣稍歇，作匠方可入身，動垂尖采打。」［32］這是利用礦藏中所含不同成分的物質熱膨脹係數不同，經火燒後會開裂，然後開採的方法。也有利用熱脹冷縮的性質進行開採的，即《明史·河渠志》所載：「焚以烈火，用水沃之，石爛化為燼。」福建泉州在歷史上就曾使用這一方法開採花崗岩，稱為「火攻」。 特別值得提出的是，中國歷史上不但有著較高的開採固體礦藏的技術水平，而且能夠開採液態和氣態的礦藏，是世界上最早開發、利用石油和天然氣的國家之一。 石油一名首見於沈括的《夢溪筆談》，在此之前有石漆、水肥、脂水等稱。中國大約在西漢時已發現石油，《漢書·地理志》上郡高奴縣（今延安東）條下注說：「有洧水（今延河）可燃」，即石油浮於延河水上，可作燃料。其後，晉張華在《博物志》中指出：「水肥亦所在有之，非止高奴縣洧水也」。北魏酈道元在《水經注》卷三中還引《博物志》說，把石油「取著器中，始黃後黑，如凝膏，然（燃）極明，與膏無異。膏車及水碓甚佳，方人謂之石漆」。「」字據《說文解字》稱，乃「車轂中鐵也」，即軸承的意思。唐李吉甫在記述玉門縣（今玉門鎮）石脂水時也說：「泉有苔如肥肉，燃之極明。水上有黑脂，人以草盝（撈）取，用塗鴟夷酒囊（革制酒囊）及膏車。北周武帝宣政（578）中，突厥圍酒泉，取此脂燃火，焚其攻具，得水逾（愈）明，酒泉賴以獲濟。」［33］由此可見，由漢代至唐代已發現石油產地多處，並被用作燃料，以及作為車輛和水碓軸承上的潤滑油，也用於潤革和作為火攻的原料。到宋代時，沈括又用石油的煙作墨，同時指出「石油至多，生於地中無窮，不若松木有時而竭」，必將被作為制墨原料而「大行於世」。 天然氣的發現也是在西漢，《漢書·郊祀志》記載，漢宣帝神爵元年（前61年）「祠天封苑火井於鴻門（今陝西神木縣西南）」；《漢書·地理志》西河郡鴻門縣條下，班固自注說：「有天封苑火井，祠火從地出也。」關於天然氣的開發和利用，最早的要數四川盆地，大約是在漢代穿鑿鹽井時發現的，並被利用來煮鹽。西漢揚雄在《蜀王本紀》中說：「臨邛有火井，深六十餘丈。」［34］張華《博物志》卷九也說，臨邛火井「昔時人以竹木執以取火」，「執盆蓋井上煮鹽（水）得鹽」。火井即是天然氣井，天然氣除被用來煮鹽外，還被用以照明。東晉時就有記載說：「民欲其火，先以家火投之（火井口），頃許，如雷聲，火焰出，通耀數十里。以竹筒盛其光藏之，可拽行終日不滅也。」［35］唐《十道要記》也記載：「火井有水，郡人以竹筒盛之，將以照路，蓋似今人秉燭，即水中自有焰耳。」［36］四川的天然氣開發，自漢代以來一直進行著，從未中斷，至清道光（1821—1850）年間，已用竹、木、鑽頭構成的鑽機，鑽透四川氣田的主要地層，建成了深達一千米以上的氣井，這是當時世界上最深的氣井。 第八節 後來居上的冶金技術 在早期的文明國度和地區中，中國使用銅、鐵等金屬的年代相對說來是較晚的。埃及大約在公元前5000年時開始進入青銅時代，公元前1000年左右開始進入鐵器時代；美索不達米亞地區大約在公元前7000年時開始利用自然銅，公元前4000年時開始進入青銅時代，公元前1200年左右開始進入鐵器時代；愛琴海地區大約在公元前3300年時開始進入青銅時代，公元前1000年左右開始進入鐵器時代；印度大約在公元前2500年時開始進入青銅時代，公元前800年左右開始進入鐵器時代；而中國是在公元前1500年左右開始進入青銅時代，公元前500年左右開始進入鐵器時代的。但是，由於中國在冶鑄技術方面的發明和創新，使中國的冶金業很快就後來居上，躍升於世界的前列，並為中國古代文明的高度發達奠定了堅實的物質基礎。從這裡我們可以看到一個技術進步帶動生產發展，並進而促進社會文明進步的典型範例。 中國冶金史上的一個最突出的特點，是鑄造技術占有重要的地位，以至於鑄造既作為成形工藝而存在，又成為冶煉工序中的一個組成部分，達到了「冶」與「鑄」密不可分的地步。因此在古代文獻中往往是冶鑄並稱，並對中國文化產生了深刻的影響。如常用詞彙「模範」、「範圍」、「陶冶」、「就範」等，都是由冶鑄技術衍生而來的。這種冶與鑄密不可分的冶金傳統，是古代世界上其他國家和地區所無法比擬的。 在煉銅中的另一項重要成就是濕法煉銅，也叫膽銅法。這是利用煉丹家所發現的鐵對銅離子的置換反應，進行冶銅的方法。其工藝過程是把硫酸銅或碳酸銅（古稱曾青、膽礬、石膽等）溶於水，使成膽水，然後投鐵塊於溶液中，因鐵的化學性能比銅活潑，鐵離子會置換出銅來。這是世界上最早的濕法冶金，宋代已用此法進行大規模的煉銅生產。 青銅鑄造技術的高度發展，對中國的鋼鐵冶煉產生了巨大的影響。中國在使用鐵的初期，就很快產生了生鐵的冶鑄工藝。生鐵的熔點低，便於澆鑄、連續加工成形和大量生產，從而促使了中國鋼鐵冶鑄業迅速發展，躍居世界鋼鐵生產的領先地位。而西方早期主要是煉製塊煉鐵，通過鍛打成形，其生產效率遠低於中國的生鐵冶鑄，直到14世紀歐洲方開始採用生鐵冶鑄工藝。 由於生鐵含碳量高，雖硬但脆，不耐碰擊，易毀壞，為改進生鐵的性能，中國古代發明了一系列的生鐵加工技術。其中，首先是戰國時期問世的鑄鐵柔化術。該項技術又分為兩類：一類是在氧化氣氛下對生鐵進行脫碳熱處理，使成白心韌性鑄鐵；一類是在中性或弱氧化氣氛下，對生鐵進行石墨化熱處理，使成黑心韌性鑄鐵。而在西方，白心韌性鑄鐵的生產技術1722年方由法國人首次記述，黑心韌性鑄鐵是1831年才在美國問世的。到漢代，鑄鐵柔化術又有新的突破，形成了鑄鐵脫碳鋼的生產工藝，可以由生鐵經熱處理直接生產低、中、高碳的各種鋼材，中國從此成為世界上的先進鋼鐵生產國。其產品亦隨著中外交通貿易的發展，輸運到周圍各國以及中亞、西亞和阿拉伯一帶。 另一傑出的生鐵加工技術是炒鋼，它是中國古代由生鐵變成鋼或熟鐵的主要方法，大約發明於西漢後期。其法是把生鐵加熱成液態或半液態，並不斷攪拌，使生鐵中的碳分和雜質不斷氧化，從而得到鋼或熟鐵。河南鞏縣鐵生溝和南陽瓦房莊漢代冶鐵遺址，都提供了漢代應用炒鋼工藝的實物證據。東漢時成書的《太平經》中也說：「有急乃後使工師擊治石，求其中鐵，燒冶之使成水，乃後使良工萬鍛之，乃成莫邪耶。」「莫邪」乃古代寶劍之稱。這段文字雖失之疏簡，但不難看出，它敘述的是由礦石冶煉得到生鐵，再由生鐵水經過炒煉，鍛打成器的工藝過程。炒鋼工藝操作簡便，原料易得，可以連續大規模生產，效率高，所得鋼材或熟鐵的質量高，對中國古代鋼鐵生產和社會發展都有重要的意義。類似的技術，在歐洲直至18世紀中葉方由英國人發明。 中國古代的煉鋼技術主要是百鍊鋼。自從西晉劉琨寫下「何意百鍊鋼，化為繞指柔」［37］這一膾炙人口的詩句後，「千錘百鍊」、「百鍊成鋼」便成為人們常用的成語。百鍊鋼肇始於西漢早期的塊煉滲碳鋼，其後不斷增加鍛打次數而成定型的加工工藝。到東漢、三國時，百鍊鋼工藝已相當成熟。上引《太平經》中的「萬鍛之，乃成莫邪耶」，即是其生動的寫照。曹操曾令工師製作「百辟利器」［38］，曹丕的《典論·劍銘》中說：「選茲良金（指鐵），命彼國工，精而煉之，至於百辟」。劉備曾令「蒲元造刀五千口，皆連環，及刃口刻七十二涑。」［39］《古今注·輿服》亦說：「吳大帝有寶劍三，……一曰百鍊，二曰青犢，三曰漏景。」後世這一工藝一直被繼承，並不斷得到發展。 創始於魏晉南北朝時期的灌鋼技術，是中國冶金史上的一項獨創性發明。陶弘景說：「鋼鐵是雜煉生柔作刀鐮者」［40］，北齊的綦母懷文「造宿鐵刀，其法燒生鐵精以重柔鋌，數宿則成剛」［41］，說的就是灌鋼技術。灌鋼的工藝過程大致為，將熔化的生鐵與熟鐵合煉，生鐵中的碳分會向熟鐵中擴散，並趨於均勻分布，且可去除部分雜質，而成優質鋼材。灌鋼技術在宋以後不斷被改進，減少了灌煉次數，以至一次煉成。沈括《夢溪筆談》卷三說：「世間鍛鐵所謂鋼鐵者，用柔鐵屈盤之，乃以生鐵陷其間，泥封煉之，鍛令相入，謂之『團鋼』，亦謂之『灌鋼』。」並說「二三煉則生鐵自熟，仍是柔鐵」，正反映了灌煉次數的減少。其中把柔鐵屈盤起來是為了增加生熟鐵的接觸面，提高灌鋼的效率，並促使碳分分布更均勻；封泥則可以促進造渣，去除雜質，並起保護作用。明代灌鋼技術又進一步發展，據《天工開物》卷十四記載，已把柔鐵屈盤改為薄熟鐵片，進一步增加了生熟鐵的接觸面，加速「生熟相和，煉成則鋼」的進程，泥封亦改為草泥混封。灌鋼又稱「抹鋼」、「蘇鋼」，其工藝自清至近代仍很盛行。在坩堝煉鋼法發明之前，灌鋼法是一種最先進的煉鋼技術。 銅、鐵外，中國古代冶煉和使用的金屬還有金、銀、汞、鉛、錫、鋅等，其中鋅的煉製是中國首先發明的。中國在先秦的青銅中已把鋅作為伴生礦加入銅合金中，從漢代至元代更是有意識地把鋅的氧化物「爐甘石」加入化銅爐中，以生產鋅為主要合金元素的銅合金黃銅。明代時，則開始了大規模地用爐甘石做原料提煉金屬鋅。從16世紀起，中國的鋅便不斷傳入歐洲。歐洲到17世紀才開始煉鋅，其工藝也是源自於中國。 第九節 舉世矚目的機械發明 中國古代在機械方面的創造發明，亦是中國文化史上璀璨光輝的一個組成部分。在風力、水力、熱力機械及齒輪系傳動等各機械方面，中國古代都有不少創造發明，為人類文明做出了極有價值的貢獻。關於農業機械、天文儀器、紡織機械、印刷機械、交通機械、軍事機械等方面的成就，已在各有關章節述及，這裡僅介紹其他方面的幾個突出成就，以見中國古代機械發明之一斑。 指南車 又稱司南車，相傳為黃帝所作，亦有說周公所作，實際上大約是西漢問世。《西京雜記》記載有：「司南車，駕四，中道。」東漢的張衡、三國時魏國的馬鈞都曾造過指南車，其後歷代史書差不多都有指南車的記載。如《晉書·輿服志》說：「司南車，一名指南車，駕四馬，其下制如樓，三級；四角金龍銜羽葆；刻木為仙人，衣羽衣，立車上，車雖回運而手常南指。」《宋書·禮志五》說：「其制如鼓車，設木人於車上，舉手指南。車雖迴轉，所指不移。」《南齊書·祖沖之傳》說：「沖之改造（指南車之）銅機，圓轉不窮而司方如一。」但是，這些記載都過於簡略，對其構造、原理都未述及，而且各代所造之指南車都很快流失。也即是說，各代都是在無資料記載和實物的情況下重新製造。只是到宋代的史籍才對燕肅和吳德仁製造的指南車有較詳細的記述。燕肅曾任宋仁宗時的工部郎中，他於天聖五年（1027）在「……至國朝，不聞得其制」［42］的情況下，「創意成之」，造了一部指南車。吳德仁曾任宋徽宗時的內省侍，他於大觀元年（1107）對燕肅所造之指南車進行了改進。 記里鼓車 即利用車輪的轉動距離而自動報告車行里程的車子，其原理和作用類似於現汽車上的計程表。關於記里鼓車的最早文字記載亦是在《西京雜記》中，其雲「記道車，駕四，中道」。其後各代史書亦都有記述，《晉書·輿服志》云：「記里鼓車，駕四，形制如司南，其中有木人執槌向鼓，行一里則打一槌」；《宋書·禮五》云：「（記里車）制如指南，其上有鼓，車行一里，木人輒擊一槌」；五代馬縞所注的《中華古今注》亦曰：「記里鼓車，所以識道里也，謂之大章車。起於西京，亦曰記里車。車上有二層，皆有木人焉。行一里下一層擊鼓；行十里上一層擊鐘。」但如指南車的命運一樣，記里鼓車也是每次造後即很快失傳，記載也是過於簡略。 《宋史·輿服一》記有天聖五年內侍盧道隆和大觀元年吳德仁所造的記里鼓車，對車子的形制、大小、齒輪傳動結構等都有較詳細的記載。其制為獨轅雙輪車，車箱分上下兩層，下層有木人執槌司鼓，上層有木人執槌司鐲（或鉦）。車箱裡設置有一套減速齒輪系，並分別與上下兩木人相連。當車子每行走一里時，控制下層木人的齒輪轉動一周，木人擊鼓一次；當車子每行走十里時，控制上層木人的齒輪轉動一周，木人擊鐲（或鉦）一次，從而達到報告行程里數的效果。 水轉百戲 三國時馬鈞所創製。當時，有人送給魏明帝一木製玩具，上有百戲的造型，形象優美，製作精巧，但卻是靜止固定的，不會活動。馬鈞便對之進行改制，他用木料做了一個大原動輪，平放於地上，用水力驅動，原動輪便會帶動戲中的各種造像活動起來。「設為女樂舞象，至令木人擊鼓吹蕭；作山嶽，使木人跳丸擲劍，緣倒立，出入自在；百官行署，舂磨鬥雞，變巧百端。」［43］「水轉百戲」的具體構造現已無從得知，但從其能使各種戲中的造型活動，可推斷其內部一定運用有一套複雜的齒輪系以及凸輪、連杆等傳動機構。水轉百戲所達到的機械水平，即使在今天看來也是令人驚嘆的。 指南車，記里鼓車，水轉百戲，唐、宋、元時的水運天文儀器，明代的五輪沙漏，以至各種農用的水轉連磨等等，均結構複雜，構思靈巧，反映了中國古代已經對齒輪系的傳動原理有著相當深刻的認識，也體現了中國古代高超的設計思想和創造才能。 地動儀 鼓風機械 在金屬冶煉中，為了使燃料充分燃燒，以提高爐溫，一般都裝設有鼓風機械。最早的鼓風器稱為橐，是一種皮囊。把多個橐排在一起稱排橐，用馬力、人力、水力推動就稱馬排、人排、水排。水排是東漢時南陽太守杜詩於公元31年發明的，用於鼓鑄農器，收到了「用力少，見功多，百姓便之」［46］的效果。三國時韓暨在魏國官營冶鐵作坊進行推廣，以代替馬排、人排。由於鼓風器何時由皮橐發展為風扇，現尚不清楚，故杜詩、韓暨的水排是用皮橐或風扇，結構如何，不得而知，但至遲在北宋時，木風扇已取代皮橐。北宋的《武經總要》中的行爐，元代王禎《農書》中的水排，都用的是水風扇。書中的水排圖，有立輪式和臥輪式兩種，是用水作動力推動輪子旋轉，進而拉推風扇以鼓風，應用的是通過輪軸、拉杆，或者傳動帶，把圓周運動改變為直線往復運動的機械原理。 中國在鼓風技術方面最重要的發明，是活塞式風箱。活塞式風箱可能出現於唐代或宋代。公元1280年印製的《演禽斗數三世相書》中，刊載有一幅世界上最古老的雙動式活塞風箱圖，相傳該書是唐初袁天罡所撰著的，宋代初次刊行。明代《天工開物》中所載的活塞式風箱，與此類似。活塞式風箱正逆行程都作有用功，每行程中一端排氣鼓風，另一端同時吸取等量空氣，因而能提供連續風流，提高鼓風效率，是鼓風技術上的重大進步。歐洲直至公元1716年方發明了類似的雙動往復式水泵，為後來的活塞式機械打開了道路。 走馬燈 大約發明於唐代。唐時的「影燈」可能即是走馬燈，宋代稱馬騎燈。《全唐詩》崔液《上元夜六首》之二：「神燈佛火百輪張，刻像圖形七寶裝。影里如聞金口說，空中似散玉毫光」；宋范成大《石湖居士詩集》卷二十三《上元紀吳中節物俳諧體三十二韻》的「轉影騎縱橫」，生動地為人們描繪了走馬燈的形象。走馬燈的構造是在一根立軸上部橫裝一個斜翼系統和葉輪，立軸下端附近則裝一盞燈或一支燭。燈（或燭）點燃後，上方空氣受熱膨脹，密度降低，熱空氣即上升，而冷空氣由下方進入補充，產生空氣對流，從而推動葉輪旋轉，並帶動與立軸相連的各種圖像轉動。走馬燈的製作原理，與現代燃氣機相一致，可稱之為燃氣機的始祖。遺憾的是，中國古代一直把其作為玩物，沒有能進一步加以研究，使之走向實際應用。歐洲在公元1550年發明了類似的燃氣輪，用於烤肉，以後隨著工業革命的浪潮，很快得到發展，在工業生產中被廣泛地應用。 第十節 古代知識分子與科學 科學是腦力勞動的產物，因此科學的發展與知識分子的狀態之間有著密切的關係。 知識分子在中國古代被稱為士。先秦時就有士農工商四民之說，《漢書·食貨志》說：「士、農、工、商，四民有業。學以居位曰士」。也就是說，士是四民之首，是以學識取得地位的。《說文解字》說：「士，事也」。《白虎通》也說：「士者事也，任事之稱也」。「傳曰：通古今，辯然不，謂士。」《說文解字》又云：「數始於一終於十，（士）從一從十，孔子曰：『推十合一為士』。」段注云：「數始一終十，學者由博返約，故云推十合一。博學、審問、慎思、明辯為行，惟以求其至是也，若一貫之，則聖人之極致矣。」鄭也說過：「仕（通士）之言事也」，「引伸之，凡能事其事者稱士」。由上引述可以看出，士的社會功能一是任事，一是致聖人之道，即負責處理事務和維護傳統倫理道德的雙重使命。在一個君主專制的政體中，在一個「君君、臣臣」位秩森嚴的社會中，服從君主，忠於君主，為君主任事，輔助君主處理國事，這在中國歷史上是被視為天經地義的，知識分子也是以此而立身處世的。 既然知識分子是以協助政務、治理國家為己任的，在一個幅員廣袤的一統國家中，國家事務包括政治、經濟、軍事、文化、教育、外交等各個方面，而科學技術是國計民生所不可或缺的，自然也就導致了一批官吏不能不去從事這方面的工作。因此在歷史上，凡是與國家治理有關的科學技術，都置有相應的官方機構進行組織和管理，並任命官吏主持其事。當然，這些官僚知識分子之所以也從事科學技術工作，其出發點是為治理國務，是被動的，並非出於探索自然界奧秘的目的。本質上，他們是輕視科學技術，視科學技術為末技的。而他們注重的是經史治國，「君子博學於文，自身而至於家國天下，制之為度數，發之為音容，莫非文也」［47］。由此，也就決定了中國科學史上的另一特殊現象，即與國家事務關係密切的學科特別發達。其中，又以農、天、算、地、醫等學科最為發達，成就最大。 中國歷史上一直以農立國。《呂氏春秋·上農篇》云：「古先聖王之所以導其民者，先務於農。民農非徒為地利也，貴其志也。民農則朴，朴則易用，易用則邊境安，主位尊。民農則重，重則少私義（議），少私義（議）則公法立，力專一。民農則其產復，其產復則重徙，重徙則死其處而無二慮。」［48］也就是說，農業不但可以獲取土地之利，保證國家的財政收入，而且可以把農民固定在土地上，便於徵調和統治。所以歷代政權都奉行以農為本的國策，組織和管理農業生產也因之成為政府的一項要務。歷史上的農學家都是在這農本思想的指導下，從事農學工作的。賈思勰著《齊民要術》的宗旨，是要政府重視農業生產，以達到「要在安民」［49］的目的；韓鄂在《四時纂要·序》中，開宗明義曰：「夫有國者，莫不以農為本；有家者，莫不以食為本」，認為這是「賢愚共守之道也」；王禎《農書·自序》曰：「農，天下之大本也」，他著書是希望「躬任民事者，儻有所取於斯與」；徐光啟的《農政全書》，則是在農業「為生民率育之源，國家富強之本」［50］的思想指導下寫成。 在中國傳統的宇宙論中，存在著一個有意志的「天」，「天」是至高無上的，天地萬物乃至人世間的一切事務，都受著「天」的支配和主宰，而且認為天文現象與世間人事之間存在著相對應的關係。人世間的君主是「天子」，代表「天」的意志行事，並受著「天」的制約。為了卜知天意，溝通天人關係，於是出現了星占術，由之星占術便被與政務緊密地聯繫起來。曆法則被視為順應天意，代天「敬授民時」的重要舉動，為「王者所重」，「王者易姓受命，必慎始初，改正朔，易服色，推本天元，順承厥意」。［51］歷史上的天文學是與星占學及曆法糾纏在一起的，因而天文學便寄寓於星占學和曆法而受政府直接控制，國家還設立了欽天監專司其職。這樣，天文學便帶上了神聖而又神秘的色彩，連天文儀器的製造，天文台站的設置和曆法的制定、頒布等，都成了政權的象徵。 數學作為一門工具性學科，與國計民生關係極為密切。地理情況的了解，地圖的測繪，土地的丈量，賦稅的計算，國庫的收支，貨物的交易，建築工程、水利工程的設計和施工，乃至音律的制定等等，都離不開數學。同時，天文、曆法亦與數學密不可分，故此中國古代是天算不分的。孫子說：「夫算者，天地之經緯，君生之元用」，可以「觀天道精微之兆基，察地理縱橫之長短。」［52］《後漢書·律歷上》在論數時也說：「故體有長短，檢以度；物有多少，受以量；量有輕重，平以權衡；聲有清濁，協以律呂；三光運行，紀以歷數。然後幽隱之情，精微之變，可得而綜也。」可見中國古代對於數學的功用，已有相當深刻的認識。數學的這些功用，都與治理國家的政務直接相關，故數學一直受到歷代政權和知識分子的重視，成為「士」必受訓的「六藝」之一。 對於地理情況的了解和掌握，更是治理一個龐大國家的要務。《山海經》中已指出：「此天地之所分壤樹谷也，戈矛之所發也，刀鎩之所起也……得失之數，皆在此內，是謂國用。」［53］二十四史中，十六史有《地理志》，以供「王者司牧黎元，方制天下，列井田而底職貢，分縣道以控華夷」［54］之用。地圖的繪製也受到歷代政權的重視，西晉裴秀的《禹貢地域圖》之製作，是為了使「王者不下堂而知四方」［55］；唐李吉甫編纂《元和郡縣圖志》，是為了「佐明王扼天下之吭，制群生之命，收地保勢勝之利，示形束壤制之端」［56］。 醫學雖有些特殊，著名的醫家很多沒有進入仕途，但由於醫學關係到每個人的生命安危，對於維護社會的安定有重要的作用，加上儒家思想認為，醫學「上以療君親之疾，下以救貧賤之厄，中以保身長全，以養其生」［57］，所以也受到歷代政府和知識分子的重視。政府設有醫藥機構，並頒布藥典或醫方，連王燾、蘇頌、沈括、蘇軾等著名的官員都研究醫藥，撰寫醫書。 縱觀中國歷史，可以看到，凡與國家治理有關的科學領域和技術部門，都受到政府的直接控制。也可以說，中國歷史上較為發達的科學領域和技術部門，大都帶有官營的印記，與國家的治理息息相關。 知識分子以做官為出路，進入仕途之後以治國為己任。為了達到這一目標，特別是漢代獨尊儒術後，只有熟讀儒家經典方能做官和治國，因此知識分子大多把精力耗費在皓首窮經之中，去修習所謂「內聖外王」之功。即內以聖人的道德為體，外以王者的仁政為用，體用兼備，各盡其極致。如此，培養出來的人才只能是屬於通儒，育出的是嫻熟於經典的文化人，而不是一個專才。「治經入官，則君子之道焉」［58］，對科學技術，僅「可以兼明，不可以專業」［59］。這是一條反專業化的道路。用現代社會學的術語說，也就是造就的知識分子屬於功能普化型，而不是功能專化型。所以，中國古代的知識分子，包括科學家在內，大都是以經學作為進身的階梯，身兼多種職能，注意力主要集中在現實的人世，關心的是治國平天下的政業，而很少是以自然界作為研究對象，以科學技術作為終身事業的。也正因為如此，那種探索自然界奧秘的獨立的科學思想和科學精神，沒能在中國形成。 同時，由於中國歷史上的主要科學領域和技術部門，是直接為國家的治理服務的，注重的是科學技術的功用，而不注重於探究其事理和原因，因而造成了「但言其當然，而不言其所以然」［60］的學術傾向。 上述兩個原因，決定了中國歷史上的科學形態是屬於實用型，注重於實用性，充滿了務實精神，而非理論型，在理論方面的研究受到忽視。 當然，科學技術的存在及其發展，是不可能完全離開理性思維的，哪怕是最簡單、初級的理性思維。但在古代中國，這些理性思維的因素大都被寓於實際（有形、有數的事物）之中，被強大的務實精神所籠罩著，沒能被抽象出來，升華而形成獨立的系統的理論。此外，也不可否認，在中國歷史上的科學中也應用過一些理論，如元氣學說、陰陽學說、五行學說等，但這些理論與知識分子是功能普化型的一樣，也是功能普化型的理論，它普適於天地萬物以至人事和人身。這種高度普適性的理論，雖也可以用來籠統地、模糊地解釋一些自然現象，可是其客觀效果卻束縛了人們對自然界進行具體的、有分析的探討的科學精神，阻礙了人們深刻認識事物本質的進取心理的發展，因而最終成為形成科學性專化理論的一種阻力。 同時，在讀經入仕的道路上，知識分子養成了崇尚經典的學風和唯經典是從的惰性，也影響到科學領域中。各門主要的科學學科都樹立有經典，後人的工作更多的是繼承、沿襲、註疏，並在此基礎上補充、改進，而創新精神不足，缺乏對科學文化體系進行變革的活力。這也決定了中國古代科學技術只能沿著傳統的道路緩慢地前進，沒能產生質的飛躍，自行進入近代理性的科學階段。 總之，知識分子從治理國家政務的實用目的出發，進行科學技術工作的結果，一方面給中國歷史上的科學技術帶來了動力，使中國古代具有較高的科學技術水平，取得了不少劃時代的成就，在很長的歷史時期中處於世界的先進行列，甚而居領先的地位；另一方面也給中國歷史上的科學技術帶來了局限，特別是缺乏對自然界進行理性探索的精神，致使未能形成專化性的科學理論，而只能停留在經驗性的認識階段。及至進入近代科學時期，便趕不上時代的潮流，被時代的潮流遠遠地拋在後面。 * * * ［1］　培根《新工具》，商務印書館，1984，第103頁。 ［2］　貝爾納《歷史上的科學》，「為中文譯本寫的序」。科學出版社，1981。 ［3］　李約瑟《中國科學技術史》，中譯本，第1卷，科學出版社，1975，第3頁。 ［4］　李約瑟《中國科學技術史》，中譯本，第1卷，第545—547頁。 ［5］　李約瑟《中國科學技術史》，中譯本，第3卷，科學出版社，1978，第333頁。 ［6］　《九章算術·盈不足》。 ［7］　《九章算術·方田章》劉徽注文。 ［8］　王充《論衡·是應篇》。 ［9］　參見王振鐸《司南指南針與羅經盤》（上），《中國考古學報》第三冊，1948。王振鐸先生的研究和考證是有歷史根據的，是可信的。現有人提出「司南」指的是北斗星；又有人提出《論衡》中「投之於地」的「地」字是「池」字之誤，「池」即水銀池。這兩種見解根據都不足，論證亦不嚴密，有臆斷之嫌。 ［10］　引自《古今圖書集成》卷六五五。 ［11］　引自《古今圖書集成》卷六五一。 ［12］　李約瑟《中國之科學與文明》，中譯本，第七冊，台北商務印書館，1980，第147頁。 ［13］　曾公亮《武經總要前集》卷一一。 ［14］　曾公亮《武經總要前集》卷一二。 ［15］　同上。 ［16］　同上。 ［17］　葛洪《抱朴子內篇·黃白篇》。 ［18］　培根《新工具》，商務印書館，1984，第64頁。 ［19］　陶弘景《神農本草經集注·硝石條》。 ［20］　《呂氏春秋·用民》。 ［21］　賈思勰《齊民要術·種穀第三》。 ［22］　《荀子·王制》。 ［23］　《管子·輕重》。 ［24］　《素問·陰陽應象》。 ［25］　沈括《夢溪筆談》卷一八。 ［26］　王禎《農書·雜錄》。 ［27］　王禎《農書·雜錄》。 ［28］　李約瑟《中國科學技術史》，中譯本，第5卷，第363頁。 ［29］　段成式《酉陽雜俎》前集卷一六。 ［30］　李約瑟《中國科學技術史》，中譯本，第1卷，第484頁。 ［31］　銅綠山考古發掘隊《湖北銅綠山春秋戰國古礦井遺址發掘簡報》，《文物》1975年第2期。 ［32］　陸容《菽園雜記》卷一四。 ［33］　李吉甫《元和郡縣誌》卷四〇。 ［34］　《太平御覽》卷八六九引。 ［35］　常璩《華陽國志》卷三《蜀志》。 ［36］　樂史《太平寰宇記》「山南西道七·邛州」引。 ［37］　劉琨《重贈盧諶》。見《古詩箋》，上海古籍出版社，1980，第121頁。 ［38］　《太平御覽》卷三四五引《內誡令》。 ［39］　《太平御覽》卷三四六引《刀劍錄》。 ［40］　《重修政和經史證類備用本草》卷四玉石部引。 ［41］　《北史·綦母懷文傳》。 ［42］　《宋史·輿服一》。 ［43］　《三國志·魏書》卷二九《杜夔傳》裴松之注。 ［44］　李約瑟《中國科學技術史》，中譯本，第1卷，第341頁。 ［45］　《後漢書·張衡傳》。 ［46］　《後漢書·杜詩傳》。 ［47］　顧炎武《日知錄》「吏胥」、「博學於文」。 ［48］　夏緯瑛《呂氏春秋上農等四篇校釋》，農業出版社，1979。 ［49］　《齊民要術·序》。 ［50］　徐光啟《農政全書·凡例》。 ［51］　《史記·曆書》。 ［52］　《孫子算經·序》。 ［53］　《山海經》卷五。 ［54］　《舊唐書·地理志一》。 ［55］　《北堂書鈔》卷九六。 ［56］　李吉甫《元和郡縣圖志·序》。 ［57］　張仲景《傷寒雜病論·自序》。 ［58］　《晉書·食貨志》。 ［59］　《顏氏家訓·雜藝篇》。 ［60］　阮元《疇人傳》卷四六。