百科名片

通才与机械工程学(通才 记里鼓车与指南车 转轮藏 纺织机)

活字印刷术

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宋朝（960年—1279年）在中国历史上有大量的科技发明，四大发明之中的胶泥活字印刷术诞生于宋朝。四大发明的集中时间虽然都在宋朝，但大规模应用的时间却不发生在宋朝，如四大发明之中的印刷术一直到1440年德国谷登堡的铅字活字印刷术出现和印刷术开始在欧洲传播以后，世界各地居民的识字率才开始攀升，而中国也在1833年引入此类铅字活字印刷术，并取代传统的印刷术。

英国学者李约瑟在其著作《中国科学技术史》的导论提到：“每当人们在中国的文献中查找一种具体的科技史料时，往往会发现它的焦点在宋代，不管在应用科学方面或纯粹科学方面都是如此。”[1]中国现代历史学家陈寅恪也曾评论：“华夏民族之文化，历数千载之演进，造极于赵宋之世。”[2]中国历来都拥有先进精巧的机械工程技术。宋朝天文学家苏颂认为他和他同时代人的成功是以古代发明家张衡以及其他早期机械专家的成就为基础的。[3]宋朝出现了世界最早的一台“水运”天文钟，此外还有精确绘制并保存至今的石刻《天文图》、《墬理图》与《帝王绍运图》，这是继公元前2世纪希腊安提基特拉机械天文钟仪器的又一次改革。活字印刷术的应用能比原来已经广为流传的雕版印刷更好地传播知识。而新的武器，如火药的应用使宋朝能抵抗外来者的侵略，直到13世纪后期才被蒙古族忽必烈击败。

宋朝有很多先进的土木工程、航海术和冶金学方面的发明，如风磨。这些发明和纸币都推动了宋朝经济的发展和繁荣，对人类文明产生深远影响。

通才与机械工程学

通才

宋朝的通才科学家如沈括和苏颂代表了宋朝早期科技经验主义的思想。沈括通过精确测量子午圈，发现了地磁偏角的存在，比欧洲早了四百年。 沈括还确定出北极星几个世纪运转的位置。这使得海员在航行时利用指南针更准确地确定方向。沈括对地质学也颇有研究。在长期观察奇怪的自然现象后，他阐明了一个地貌学和气候变化原理。根据当时日食和月食的观测情况，他分析出太阳和月亮是球状的，而不是平面的，从而扩展了中国早期天文学家的理论。担任司天监期间，沈括举荐北宋天文学家和数学家卫朴，两人一起运用宇宙学假设，描绘行星运行轨道的变更，包括逆行。在卫朴的协助下，沈括连续五年来每晚三次记录和测绘月亮的运行轨迹，从而修正了关于月亮的运行的误差，这也是他的另一项重要成就。然而不幸的是，当时在朝廷上有很多政敌企图破坏沈括的工作。最终朝廷接受了他们对于太阳和月亮的错误的修正，但只是部分采纳了沈括和卫朴提出的关于行星运行的轨道和变速度的理论。

苏颂是沈括的政敌之一，于1070年完成了一本药物学著作──《本草图经》，其中涵盖了相关的学科的知识，如植物学、动物学、冶金学和矿物学。 该论著包括很多药物应用，如麻黄等。他还是五幅不同的大型星图的作者，他在地图学的大量测绘记录工作解决了宋朝和邻国契丹自辽朝以来一直悬而未决的边界疆土问题。然而，苏颂最大的成就莫过于水运仪象台，上层是机械驱动的浑天仪（天体测量之用），中层是浑象仪（天体运行演示），下层是司辰（自动报时器），1088年在当时的首都开封开始动工，1092年竣工。苏颂的水运仪象台在钟摆机械的运用上比虽然比欧洲安提基特拉机械整整晚了十三个世纪。但苏颂的水运仪象台却是目前已知的世界上最早的“不中断”链条传送动力的装备，最早的传送机械动力链条由古希腊哲学家费罗于公元前3世纪所发明，在1092年他的著作《新仪象法要》中描述了设计要点。

沈括和苏颂的例子说明了宋朝任用了许多具备科学知识的官员，这些人掌握了多个学科的知识，有利于宋朝的管理、军事和经济发展。这些智者如沈括涉及多个领域如数学、地理学、地质学、经济学、工程学、医学、艺术评论、考古学、军事战略、外交等等。他曾经接受一个边境调查的任务，用木头和锯末制作了一个三维的地图来表现山脉、河流、道路等。有一次他计算了棋局所有的可能性，还有一次他计算了用限定的人力物力携带食物能支撑的最长战争时间。沈括还提高了漏壶计时的准确性，改进了浑天仪、日晷，他还扩大了天文望远镜的宽度，可以更好观察北极星和其它星球。沈括还做了关于照相机暗箱的试验，只比首位实验者海什木晚了几十年。

记里鼓车与指南车

古文献对天然磁石吸引铁以制备磁铁的描述于《管子》、《吕氏春秋》、和《淮南子》中提及。到了汉朝（前202年-220年）开始使用指南北天然磁石磨制的勺碗状指南针，用来占卜与风水堪舆，尚未用在导航方面。东汉王充（27年-约97年）在其所著《论衡》卷17是应篇第52说“司南之杓，投之于地，其柢指南”。宋朝除了沈括和苏颂之外，还有许多重要的人物，他们之间的很多人为当时科技的发展和革新做出了巨大的贡献。尽管机械传动的记里鼓车自汉朝开始就有应用，《宋史》则比之前的记载提供了一个更加详细而深入的描述。

赤质，四面画花鸟，重台，勾阑，镂拱。行一里，则上层木人击鼓；十里，则次层木人击镯。一辕，凤首，驾四马。驾士旧十八人，太宗雍熙四年，增为三十人。

接下来是内侍卢道隆关于齿轮和传动装置的详细数据。在结束时描述了装置是如何工作的：

“其中平轮转一周，车行一里，下一层木人击鼓；上平轮转一周，车行十里，上一层木人击镯。凡用大小轮八，合二百八十五齿，递相钩锁，犬牙相制，周而复始。”

宋代的记里鼓车和指南车联系在一起。指南车由三国时期机械制造家马钧发明，采用齿轮的原理制作，将复杂的差速齿轮组合在一起，这也是如今所有现代汽车在转向时对旋转的车轮力矩相同，速度不同的原理。这些差速齿轮使机械控制的手指指向固定的方向──南。指南车采用了先进的机械装置，与指南针采用磁极原理不同。宋代博物学者燕肃，于1027年重新研制出指南车，他的制作方法在《宋史》也有记载。燕肃和沈括及苏颂一样，也是一个通才，精通音律，擅长写诗作画，他还是一位科学家，改进了莲花刻漏，根据自己的海潮理论绘制有《海潮图》，撰写出《海潮论》。在《宋史》的记载中，吴德仁于1107年将记里鼓车和指南车结合在一起：

“大观元年，内侍省吴德仁又献指南车、记里鼓车之制，二车成，其年宗祀大礼始用之”

接下来的文字详细描述了两个装置组合在一起的设计细节。

转轮藏

除了钟表发条装置、水力驱动的天文仪、记里鼓车、指南战车外，宋朝还有许多其他令人叹为观止的机械装置。虽然在唐朝时期佛教寺院已经出现转轮藏（转轮藏即为转动的藏经橱，是佛教取法轮常转，自强不息之意），宋朝则将此技术进一步提升。现存的最古老的转轮藏位于河北正定隆兴寺转轮藏阁。整座小楼的设计就是为一个转轮藏而构成的，这个转轮藏是中国现存惟一第十世纪的真正可以转动的佛经的书架。宋朝一共建有9座转轮藏，其中有一座记载在北宋建筑师李诫所编修的《营造法式》中。长沙开福寺的转轮藏一共有五个轮子共同转动， 苏州南禅寺甚至还有一个类似刹车系统的装置，汉学家至今不能确定它运作的方式，而欧洲至少要到800年后的15世纪列奥纳多·达芬奇时代才最早出现同类装置。

纺织机

在纺织领域，11世纪的中国人已经开始使用皮带驱动的纺织机。秦观的著作《蚕书》中详细记载了缫车的结构、几个关键部件及用法，通过脚踏板产生动力，丝被缠绕在线轴上。该书是有关缫车的最早记载。南宋绍兴年间画家楼俦所作的《耕织图》采用绘图的形式详实记录耕作与蚕织。

活字印刷术

胶泥式活字印刷术由北宋发明家毕升于11世纪发明。与毕升同时代的沈括所著的《梦溪笔谈》记载了毕升的这一创造性发明：

“庆历中，有布衣毕升又为活板。其法：用胶泥刻字，薄如钱唇，每字为一印，火烧令坚。先设一铁板，其上以松脂、蜡和纸灰之类冒之。欲印，则以一铁范置铁板上，乃密布字印，满铁范为一板，持就火炀之，药稍熔，则以一平板按其面，则字平如砥。若止印三、二本，未为简易；若印数十百千本，则极为神速。”

活字印刷与雕版印刷降低了成本，增加了印刷品的发行数量。这也就意味着有更多学子可以学习知识，参加科举考试。活字印刷在朝鲜半岛的高丽王朝时期得到了改进，于1234年将毕升的烧粘土字改为金属字。中国的活字印刷也在不停改进，王祯在1298年发明了木活字版印刷，朝鲜崔允仪于1234年发明了金属活字。德国谷登堡于1440年发明了铅字活字（铅字活字于1833年传入中国澳门）。虽然活字印刷与雕版印刷几个世纪以来作为主要的印刷方式，但东亚国家后来还是最终采用欧洲的印刷机。

在印刷术之前，中国已经有能力大规模生产纸。造纸术由东汉蔡伦改进，不再使用竹简和缣帛作为原料，改用树皮、破布、麻头和鱼网等廉价之物造纸，大大降低了造纸的成本，为纸的普及准备了条件。105年发明成功，公元3世纪广泛应用。大唐是世界上最早出现纸币的国家，其唐宪宗时代的飞钱是目前已知最早的纸币，而到了宋代，交子成为了世界上最早“正式”发行的纸币。交子产生的原因据《宋史》记载是因为铁钱笨重，携带不方便。1023年（天圣元年），北宋朝廷在四川（益州）设交子务，发行官交子。李焘的《续资治通鉴长编》也有相关记载。手纸自从6世纪以来在中国得到广泛使用，保存茶叶的纸袋也于7世纪出现，并且大宋朝廷在奖励官员的时候将纸币装在纸质的信封里。在宋仁宗庆历年间，人口首次达到了1亿。为了满足人口增长的需要，独立或政府资助的工业开始发展。例如，除了独立的纸币印刷外，政府还在惠州、成都、杭州等处成立了几个铸币厂。这些工厂的工人数目庞大，据记录仅在杭州就超过1000人。