古代中国人创造了自己独特的科学技术体系。这些在中世纪最为耀眼夺目的科技成就通过阿拉伯人传到欧洲之后，对欧洲的近代科学革命产生了重要的影响。特别是中国的四大发明，对整个世界近代文明和科学的发展做出了突出的贡献。马克思曾写道：“这是预告资产阶级社会到来的三大发明，火药把骑士阶层炸得粉碎，指南针打开了世界市场并建立了殖民地，而印刷术则变成新教的工具，总的说来变成了科学复兴的手段，变成对精神发展创造必要前提的最强大的杠杆。”而纸的发明，更是对人类文明产生了深远的影响。

1.纸的发明与西传

要明白纸对于人类文化的发展具有何等的意义，只要回顾一下在没有纸的年代，文化的积累和传播有多困难就行了。各个古老的文明都有与其自然条件相适应的书写材料。古代埃及人用的是天然生长的植物纸草，但它容易发脆断裂，用它书写的作品很难保存。希腊人用羊皮作书写材料，但羊皮太贵，产量有限，不能广泛地使用。巴比伦人把文字刻在泥板上，但泥板笨重，不宜记录大量知识。印度用白桦树皮或多罗树的树叶。多罗树又叫贝多树，用这种叶子写成的佛经叫贝叶经，这些材料与纸草一样不便保存。在纸出现之前的中国，先是把字刻在龟甲和动物的骨头上，那时候的文字因而也称为甲骨文。后来把文字铸在青铜器上，该文字因而被称为“金文”或“钟鼎文”。再以后比较流行的是将字写在竹片和木片上，这些刻有文字的竹片或木片用绳子穿起来就成了册，是为竹简。比起甲骨和青铜器，竹木简更方便而且能写上许多文字，但依然笨重。据说西汉时有一个叫东方朔的给汉武帝写了一封信。此信两个身强力壮的人都很难搬动，因为它整整用了三千根竹简。汉武帝花了两个多月才读完。与竹简同时使用的还有丝帛，但帛与羊皮一样太昂贵，一般人用不起。所有这些纸发明之前人类所使用的书写材料，不是笨重不便就是昂贵不能普及。它对人类文化知识的积累和传播所造成的困难是不难想象的。

我国人民自古养蚕种桑，用蚕的茧丝制造华贵漂亮的丝绸，正是在处理茧丝的过程中，纸作为一种副产品被发明出来。为了充分利用材料，工匠们一般用好的茧子抽丝，而差的茧子用漂絮法做成丝绵。方法是，先将茧用水煮沸，然后放在浸在水中的蔑席上反复捶打、漂洗，一旦蚕衣被捣碎、散开成丝絮即取下来。但这里，蔑席上往往还残留着一层薄薄的絮片。古人发现，絮片晒干后可以写字，便推广开来。这种絮纸是纸的原始形态。

絮纸只是丝织品的副产品，其原料仍然不太丰富。秦汉时期，人们又发现了制作麻料衣服的副产品即植物纤维纸。它原料丰富、便宜，很快就流行起来了。1957年，中国考古学家在陕西灞桥的一座古墓中发现了一批纸的残片。经验定，其原料是大麻纤维，年代大约在公元前140至前87年间。这批残片就是举世闻名的灞桥纸，是迄今世界上最早的纸张。

东汉时代的蔡伦在改进造纸技术方面做出了重要的贡献。蔡伦是一位太监，专门负责监制皇宫用的器物。据说他勤于钻研，经常与皇宫工场中的造纸工匠一起讨论造纸技术的改进，最后终于提出了用树皮、麻头、破布和鱼网作原料造纸的新技术。这一技术不仅使原料来源更为广泛，而且纸的质量也大大提高了。公元105年，蔡伦正式将这种纸献给朝廷，从此在全国推广，人称“蔡侯纸”。

图1 蔡伦造纸

蔡伦之后，造纸技术不断改进，造纸业也成为一个大的行业而在全国繁荣起来。唐朝已经出现了多种名贵的纸张，如北方的桑皮纸、四川的蜀纸、安徽的宣纸以及江南的竹纸等。到了宋代，纸的品类和用途更多，材料来源更广。明代宋应星在其名著《天工开物》中详细记载了造纸的一般工序和相关技术。

我国纸张和造纸技术的西传几乎与纸的发明同时。这种方便而价廉的书写材料其好处显而易见，所以在“蔡侯纸”发明不久就流传到西域。唐初（7世纪中叶），当阿拉伯帝国的势力扩张到与我国西部接壤时，纸也就传到了阿拉伯。公元751年，大唐帝国与阿拉伯（我国史称大食）帝国在但罗斯城（今吉尔吉斯境内）开战，结果由大将高仙芝指挥的中国军队大败，大批士兵被俘。这批俘虏中恰好有许多造纸工匠。11世纪的阿拉伯著名作家塔阿里拜（Tholibi）根据前人的著述写道：“造纸术从中国传到撒马尔罕（今乌兹别克境内），是由于被俘的中国士兵。…俘虏中间，有些能造纸的人，由是设厂造纸，驰名远近。造纸业发达后，纸遂为撒马尔罕对外贸易的一种重要出口品。”（1）中国的造纸术就这样进入了阿拉伯境内。8世纪末，巴格达开始建立造纸厂。随后造纸业在大马士革盛行，欧洲一直由此进口纸张。再后来，造纸术也传到了欧洲各国。西班牙和法国于12世纪、意大利和德国于13世纪相继建立纸厂，16世纪造纸厂遍及整个欧洲。

2.印刷术

与造纸术一样，印刷术也极大地改进了人类知识生活的设备条件。在不知道印刷术的古代，出版一本著作完全靠抄写，而抄写总是不能避免笔误，因此不能指望每一抄本是完全一样的。对于需要画图或作表的书，出版质量更是无法保证。印刷术的原理其实非常简单。图章的使用在远古时期就已很普遍，但欧洲直到14世纪才开始采用印刷术印刷图像，15世纪开始活字印刷，这种状况对文化发展的妨碍是显然的，但原因谁也说不清楚。一个原因大概是，印刷首先需要质地相同的印刷材料，在中国的纸传入欧洲之前，印刷术的推行是不可想象的。

与纸的使用一样，中国印刷术的出现也非常早。隋朝时期，我国人民已经发明了雕版印刷术。雕版印刷即刻版印刷，它是将一篇文章用反手字刻在木板上，在木板上刷墨，凸起的字受墨，从而可以将文章印到纸上。用这种方法可以将一篇文章或一本书印成完全一样的许多份。据我国历史记载，印刷术开始于隋文帝开皇十三年（公元593年）。印刷术一旦问世，它对文化传播所起的作用立刻就显示出来了。唐代印刷业极为发达，四川成都几乎成了刻书的中心，大量农书、医书、历书、字帖由此流传到全国各地。佛教传入我国后，印刷术则被用于大量印制佛经和佛像。1900年在敦煌发现了一部唐代刻印的《金刚经》，标明日期为“咸通九年四月十五日”，也就是公元868年。这是目前世界上最早印有出版日期的印刷品。欧洲最早印有确切日期的印刷品是德国南部的“圣克利斯多夫画像”，日期是1423年。

雕版印刷术在宋代达到了极高的水平，留存至今的宋代刻本的书籍有七百多种，每本都十分精美。公元971年在成都刻印的全部《大藏经》共1046部，5048卷，雕版达13万块，花费了12年时间。这是世界印刷史上规模浩大的工程之一。

雕版印刷虽然比人工手抄是一个巨大的进步，但它依然在人力和材料方面浪费很大。每一部书都要重新刻版，大部头的书往往要历时数年；将书印完后存放版片需占大量地方，如该书不再重印，则该版就作废了。这些缺点随着雕版印刷术的兴盛日益显示出来。作为对雕版印刷术的改进，宋代庆历年间（1041-1048）平民毕昇发明了活字印刷术，使印刷技术产生了一个伟大的飞跃。

毕昇是一位优秀的刻字工人。在长期的刻字实践中，他总结发明了活字印刷术，其原理与现代印刷术完全相同。分三个步骤。先是制活字。毕昇用胶泥做材料，在胶泥方块上刻好字后用火煅烧，使之坚硬如瓷。所有的活字用纸袋装好，按韵排列。其次是排版。在铁板上放松香、蜡以及纸灰的混合物和一个铁框，装拣出来的字排在铁框中，等排满一框即对铁板加热，使松脂熔化。用一平板将泥活字压平，等冷却之后，字就固定在铁板上，版即制好。版制好后是印刷，方法与雕版印刷一样。印刷完毕再将铁板加热，使松香和蜡熔化，将泥活字取下放好，以备再用。毕昇的活字印刷术确实克服了雕版印刷费工费时的缺点。1241年至1251年左右，也就是毕昇发明活字印刷术之后二百来年，已有人试用活字印刷术印行儒教经典。

图2 活字印刷术

活字印刷术在毕昇之后不断发展，在活字材料、拣字方法等方面都有不断的改进。元代著名农学家王祯创造了木活字印刷术，并于1298年用此法试印了他本人的著作《班德县志》。不到一个月的时间就印了一百部，印刷速度颇为可观。木活字改进了泥活字容易破损的缺点，是印刷技术的一次重大进步。王祯还创造了转轮排字架，即将所有活字都按韵排在可以转动的轮盘上，大大提高了拣字速度，减轻了拣字工人的劳动强度。在他的农学名著《王祯农书》里，他还专门写了一节“造活字印书法”。这是世界上最早阐述活字印刷工艺的著作。

除了泥活字、木活字外，历史上还出现过磁活字、锡活字、铜活字等。今天流行的铅活字在我国的15、16世纪也已出现。中国的雕版印刷术大约于12世纪传到埃及，而活字印刷术则通过维吾尔人传入高川索，再传到小亚细亚和埃及的亚历山大里亚以及欧洲。保存到今天的世界上最早的木活字是维吾尔文的，有好几百个。欧洲了解到我国的活字印刷术大约在元代。公元1450年．德国古登堡仿照中国活字印刷术制成了用铅、锑、锡合金为材料的欧洲拼音文字的活字，开始了欧洲活字印刷的历史。

3.火药与炼丹术

火药的主要原料是木炭、硝石和硫磺。它被火点着或用力敲打之后即刻发生化学反应，生成比原有体积大数千倍的气体，产生猛烈的爆炸。火药是一种超常的能量。人类掌握了火药就意味着掌握了某种超常的能量，而正是这种能量开辟了近代世界的发展道路。

我国很早就掌握了伐木烧炭的技术，公元前后又发现了天然硫矿和硝石。这些基本原料虽然很早就有了，但将它们配制成火药则是炼丹家的功劳。

中国炼丹术与西方的炼金术一样，都来源于原始巫术，带有很浓重的神秘主义色彩。但它们的目标并不相同。炼金术追求黄金，炼丹术追求长生不老之丹。长生不老对中国帝王有很强烈的诱惑力，因此自战国以来，炼丹术土得以在历代皇帝的支持下繁荣他们的炼丹事业。炼丹术相信．只有自身不腐不败的药物才能使人身体不腐不败。草药当然做不到这一点，惟有金石能充当这一角色。炼丹家发现，有一种名叫丹砂的药物（即红色硫化汞）烧之成水银，积变又成丹砂，变化极为奇妙，因而被列为不死药之上品，黄金和白银反而退居其后。

为了配制长生不死药，炼丹家必然要从事化学实验工作。在炼丹过程中，炼丹家认识到硫磺和硝石的若干化学特性，从而掌握了火药的基本配料。唐代著名医药学家孙思邈也是一个非常著名的炼丹大师。在他的《丹经》一书中，第一次记载了配制火药的基本方法。他说，将硫磺和硝石混合，加入点着火的皂角子即可发生焰火。这个方子由于没有将炭与硝石和硫磺混合，所以反应不够剧烈，但已经是一副黑色火药的配方。唐代末期，三者相混的真正黑色火药方子肯定已经出现。到了北末年间，火药用于战争中的火器则比较普遍。

图3 火药的发明

火药对于战争的用途十分明显。一开始的火药武器是名副其实的“火器”，主要目的是在敌人阵地制造大火。火箭、火炮也就是简单地将带有火药的火球抛到敌方。大约在公元1000年左右，宋代唐福发明了火蒺藜。里面除火药外还有砒霜、沥青、铁蒺藜等，杀伤力更大，是原始的炸弹。南宋初年的陈规于公元1132年发明火枪。南宋末年出现突火枪。突火枪是一根很粗的毛竹筒，内里的火药中夹着“子窠”，火药燃烧后将“子窠”发射出去。突火枪的出现是火药武器史上的一个突破，是近代枪炮的前身。大约在公元13世纪，用金属管代替竹筒的铳枪出现，其威力超过了从前所有的武器。

中国的硝石、硫磺和火药配制技术大约于公元8世纪首先传到了阿拉伯和波斯。阿拉伯人称硝为“中国雪”，而波斯人则称其为“中国盐”。再后来，也许是在双方的交战中，阿拉伯人掌握了火药武器的使用和制造。14世组初，阿拉伯人又将火药技术传给了欧洲，使欧洲历史发生了重大的改变。

4. 指南针与航海技术

今天的社会生活也许不会让人感到指南针的必要性。但正是在指南针的指引下，欧洲新兴的资产阶级在海外开辟了一个又一个贸易市场，使近代世界联成一体。正是在指南针的指引下，哥伦布发现了美洲大陆，大大开阔了欧洲人的视野。航行需要辨向，但在茫茫的大海上、在一望无际的大沙漠中、在人迹罕至的深山老林里，人们只能凭太阳和北极星辨向。若是乌云遮住了星空和太阳，人们就会手足无措。古代中国人发明的指南针解决了这一问题，尤其为海上远航创造了条件。

远古时期中国有所谓“指南车”，它通过齿轮传动使运动车子上某物保持固定指向。指南车纯粹是一种机械装置，与指南针没有什么关系（除了均为指向工具外）。指南针的基本原理是磁针的指极性。中国人早在公元前3世纪的战国时期就已认识到这一点。《韩非子·有度》中提到“先王立司南以端朝夕”，表明那时已经有了磁性指向工具，而且被称为“司南”。公元1世纪初东汉王充在《论衡》中有关于司南的详细记载：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”表明司南的形状像一把汤匙，有一根长柄和光滑的圆底。司南由磁石制成，静止时长柄所指方向为南方。司南可能是最早期的指南针。由于磁性指向工具常常被置于一个标有方位的地盘之上，因此早期指南针也被称为“罗盘”。

图4 司南

天然磁石在强烈震动和高温时容易失去磁性，而司南与地盘接触的摩擦力又太大，所以指向效果并不很好。在司南之后，人们又进一步探索性能更稳定、携带更方便的磁性指向工具。公元1044年左右，北宋曾公亮和丁度在他们的军事著作《武经总要》中提到了指南鱼。这是一种用人造磁钢片做成的鱼形指向标。磁鱼是这样制造的：先用高温使铁片内部磁畴激活，置于地磁场中排序，再迅速冷却使磁畴的有序排列固定。这种方法很符合物理学规律，但所得磁性较弱。指南鱼浮在水上，可以自由转动。

指南针的制造技术在沈括（1031-1095）的《梦溪笔谈》中最早得到系统阐述。沈括指出，在磁石上磨过的小铁针具有较稳固的磁性，因此应采用这种人造磁针代替天然磁石制造指向工具。沈括讨论了磁针装置的四种方法，即“水浮”、置“指爪”、置“碗唇”、“缕悬”。他认为，“水浮”法虽应用较广，但“水浮多荡摇”是一重大缺陷。置指爪“”和“碗唇”方法是指将磁针放在指甲或碗边，这梓做虽然摩擦力很小，但太不稳定。只有“缕悬”法是比较好的。它是用细线将磁针悬吊，在无风的地方指向效果很好。南宋时期的陈元靓在其啊《事林广记》中介绍了他制造的指南龟：木刻的指南龟内部装上磁石，底部用一根极尖的竹针支撑，使其可以自由转动。这种指南龟日后发展成旱罗盘。

沈括在制造指南针的过程中还发现了“磁偏角”。他在书中写道：磁针“常微偏东，不全南也”。这是磁学史上一个极其重要的发现，欧洲人直到400年后才有关于这一现象的记载。

指南针发明之后即开始在宋代的航海业中发挥作用。成书于1119年的《萍洲可谈》中记录了中国海船上使用指南针的情况：海员起初还只是在阴雨天使用，但到了宋代末期以及元代，不论昼夜阴睛都使用指南针导航，实现了全天候航行。

宋元时期，中国的对外贸易和海上交通十分发达。广州、泉州、宁波、杭州都是对外港口。中国的船只远达大西洋沿岸，指南针正是这些远航水手传给阿拉伯和波斯的。通过他们，中国发明的航海罗盘为欧洲人所熟悉。13世纪初，欧洲开始有在航海中使用指南针的记载。指南针的发明使中国的航海事业在中世纪达到了世界最高水平。早在公元842年，李邻德就曾驾驶木帆船从宁波启程沿海岸北上，经山东、辽宁和朝鲜到达日本。次年，李处人开辟了由日本嘉值岛直达浙江温州的新航线。1281年，郑震率商船从泉州出发，经3个月到达斯里兰卡。以后多次在印度洋上航行。明代郑和（1371一1435）于15世纪初七下西洋（指南洋群岛和印度洋一带），所率舰队大小船只达二百多艘，人员达两万多，其规模之大远胜半个世纪之后的哥伦布和达·伽马。哥伦布的队伍横渡大西洋时只有88人，分乘3只长19米的小船。达·伽马也只有一百多人，4只船。郑和的船队中长度超过100米的大船就有五十多艘，足见当时造船技术之高明。当时使用的航海技术、航海仪器也是世界上最先进的。郑和所用的航海仪器包括罗盘、测深器和牵星板。牵星板是为计算船舶夜间所在的地理纬度而观测星辰（主要是北极星）地平高度的仪器。运用这些仪器，郑和详细绘制了航海地图，其中记载了沿岸地形、停泊位置以及航向、航程、牵星记录和水深等数据，是世界航海史上的杰作。

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