只知道四大發明？古代中國人已能掘地千米，開採天然氣了_風聞

【本文由公眾號“把科學帶回家”提供，ID：steamforkids】

來源 history等

編譯 七君

對中國古代的科技，你瞭解多少呢？腦海裏是否瞬間閃過四大發明？

其實，古人的不少發明，不比四大發明弱。今天就帶你來仰望一下古代中國人的智力和動手能力。

清朝人掘地千米開採天然氣

聽過自貢燊海井嗎？

它是世界上的第一口超千米的深井。而清朝的自貢人民已經過上了用燊海井裏噴出的天然氣煮飯燒滷的人生了。

位於四川省自貢市大安區長堰塘的燊海井開鑿於清道光十五年（1835年），至今已有180年的歷史，它採用傳統的衝擊鈍鑽法施工，到達了1001.42米的深度。燊海井曾日產天然氣8500立方米和黑滷14立方米。

現在不少歷史學家認為，這是深井鑽井技術的前身，而現代石油和天然氣鑽井技術，實際上是對近兩百年前中國技術的重現。

20世紀拍攝的天車

圖片來源：Drilling and Gas Recovery Technology in Ancient China, Zhong Changyong and Huang Jian. Wictle Offset Printing, 1997.

從上面的老照片裏可以看到，50-100米高的鑽機——天車矗立在地面上。德州油井的繁榮景象，實際上早就出現在了2百年前的中國。

井架是用耐用的竹子做的，鑽頭是用繩索吊起來的。

工人站在木板槓桿上面，像玩蹺蹺板那樣踩踏，鐵質的鑽頭就可以被拉起來。

鑽頭可以一直下降，並把沿途的岩石打碎。

這種魚尾形狀的鑽頭是為了在第一次鑽井的時候打開一個較大口徑的通道。

圖片來源：Drilling and Gas Recovery Technology in Ancient China, Zhong Changyong and Huang Jian. Wictle Offset Printing, 1997.

油井用的纜繩非常強韌，它的強度可以和現代鋼纜相媲美。

鑽桿是用牛力驅動的。

鑽頭的形狀有很多種。為了鑽不同的岩石和地質形態，古人設計了不同款的鑽頭。

利用這樣的鑽井平台，古人就可以深入地下，開採鹽礦、天然氣。天然氣被開採出來後，就沿着幾百米長的管道被輸送到附近的燒滷廠，用來製鹽。

佩服第一個想到地心去看世界的自貢人。

運輸天然氣的竹質管道

圖片來源：Drilling and Gas Recovery Technology in Ancient China, Zhong Changyong and Huang Jian. Wictle Offset Printing, 1997.

西漢的里程計

記裏鼓車

再來看看這個古代的里程計。里程計就是測量距離的工具。你爸媽的汽車上就有里程計。

這個奇怪的車車，叫做記裏鼓車。這是世界上第一個里程計，出現在西漢時期。軍隊行軍的時候就會推着這輛車車走，每過500米，上面的太鼓達人就會敲鼓通知大家。

這輛車裏的2個齒輪是由車輪驅動的，大的齒輪驅動小的飛輪。

這套傳動機制被現代工程師叫做減速齒輪系（reduction gear train），它可以把較高的輸入速度轉化為較低的輸出速度。

一些歷史學家認為，在行軍時，記裏鼓車行走在天子儀仗隊前面，用來記錄敵軍軍營的距離，以及行軍的路程。

英國巴斯大學的機械設計和自動化講師 Geraint Owen 説，這套系統和現代的摩托車發動機的原理如出一轍。

一千年前的活塞

在宋朝，也就是1千多年前，古代中國的工業化水平達到了新高度。當時中國出現的機器，在中世紀的歐洲尚未出現，而且等到歐洲人創造出這些機器的時候，已經過去了數百甚至上千年。當時發明的一些技術，直到現在還在被使用。

已故賓夕法尼亞大學的漢學家、經濟歷史學家郝若貝（Robert M. Hartwell）曾説，中國12世紀的鐵和煤的產量幾乎與英國18世紀工業革命時期的鐵和煤的產量相當。沒有配套的冶金工業技術，這樣的鐵和煤產量是不太科學的。

宋代的一大技術革新，就在於重金屬製造工藝。山東濟寧市鐵塔寺裏的鐵塔就是當時鑄鐵技術最好的見證。

山東濟寧市鐵塔寺內的鐵塔，修築於1105年。

鐵塔寺的鐵塔是在北宋崇寧四年（1105年）修築的。這個鐵塔的獨特之處在於，直到現在，鑄造這樣大型的鐵製物件依舊並不簡單。

從現代技術的角度來講，要鑄造這樣大的物件，首先必須要讓燒融的鐵漿保持在高温狀態，這樣才能造型。讓爐温升高的一個方法就是吹入大量空氣。現代鑄鐵技術也是這麼幹的。

那麼，一千年前的人是怎樣往爐子裏輸入空氣的呢？總不能靠嘴吹吧。

他們使用的技術，就是這種依靠水力供能的自動鼓風機——風磨。

Owen 表示，可以利用水力使曲柄旋轉，曲柄再使風磨扇動。

這和後來發明的蒸汽機的活塞的曲柄連桿機構是相同的原理，只不過運轉方向正好相反而已——在蒸汽機裏，曲柄推動飛輪；而在風磨裏，是飛輪推動曲柄。

有了這項技術，就可以為高爐輸入大量空氣，達到鑄鐵所需的高温。

第一位瞭解到中國的風磨的歐洲人是荷蘭東印度公司派往清朝的使團成員倪賀夫（Johan Nieuhof），他於1656年坐船沿京杭大運河經過江蘇，看到了風磨。這段經歷被他記錄在了他的著作《荷使初訪中國記》中。

倪賀夫

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​自動化舂穀

其實，宋朝已經把齒輪傳動運用到了爐火純青的地步，並已經實現了自動化生產，可以説是現代大工業的先驅了。

其中一個實例，就是2千年前的水力杵錘——水碓（duì）。

江西景德鎮直到現在還在使用水碓，這就是這項宋朝科技歷經考驗的證明。

水碓技術，本質上利用的是流水的機械能和重力勢能來轉動水車。水碓上有一些凸輪軸和柄，它們加載在主軸上面，轉動的時候可以讓前排的碓杆上的錘子週期地懟需要舂的東西。

水車和主軸相連，水流經過，水車旋轉，主軸跟着旋轉，錘子就可以動起來了。

每個碓杆大概能使50千克的力。水車每轉一次，就能帶動整套裝置產生400千克的力。

水碓不僅被用於舂穀，還被用於舂碎金屬。現在景德鎮還延續着水碓的舂碎工藝。

《天工開物》（1637年）中記載的水碓

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等速螺線玉佩

再來看一個讓人嘖嘖稱奇的工藝品。

看到這個來自春秋戰國時期（公元前771-475年）的玉石首飾了嗎，上面的螺紋引起了許多考古學家和工程學家的興趣。因為…這看起來不像是純手工能製造的。

是這樣的，上面玉石首飾中的紋路叫做等速螺線，也叫阿基米德螺線。

等速螺線

等速螺線要求一條射線從原點射出的同時，以等角速度繞原點旋轉。光這個數學描述就可以讓你想象徒手描繪等速螺線的難度了。

春秋戰國時期玉石首飾上的等速螺線

圖片來源：DOI: 10.1126/science.1096588

現在要製造這種螺紋的話，可以用一類叫做複合機（將2個以上的簡單機械組合起來的機器）的機械，它可以勻速向外旋轉，產生等速螺線。難道説在春秋時期，就已經出現了這樣的機械了嗎？

哈佛大學物理系的研究者陸述義（Peter J. Lu）就是這樣想的。他猜測春秋時期的中國人已經發明瞭複合機，並把相關論文發表在了2004年的《科學》（Science）上。

在西方，最早的有文獻記載的複合機可以追溯到公元1世紀的古希臘數學家和發明家亞歷山大港的希羅（Hero of Alexandria）。如果陸述義等人的猜測有了實錘，那麼古代中國人就比古希臘人更早發明複合機。

那麼，製造這種等速螺線的複合機是什麼樣的呢？可能是下面這樣的。綠色的是筆，白色的是玉石。拉動黃色的杆子，就能畫出等速螺線。

圖片來源：DOI: 10.1126/science.1096588

圓盤的轉速必須和筆向外移動的速度同步，否則等速螺線是畫不出來的。

筆和一根繩索相連，繩索則繞在可以控制圓盤旋轉的軸上面，這樣一來，筆向外移動的速度就等於圓盤的轉速，等速螺線就能畫出來了。接着工人再根據畫好的等速螺線進行雕刻。

水運儀象台

最後，就是每個中國人都值得了解的水運儀象台。

水運儀象台是古代的天文計算機，可以説是古代中國科技皇冠上最耀眼的珍珠之一了。

這個天文計算機是在1000多年前的宋朝元祐元年（1086年）開始設計製造的。它的發明人，是一位超前於時代的全能工程師——蘇頌。

蘇頌

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他的設計如此複雜，如此超前，以至於在很長時間裏工程師和歷史學家都搞不明白它的原理。

許多西方人在第一次看到它的時候，都無法想象古代居然有這樣的技術，因為它不僅可以計算年月日，還能計算天體在天球中的運動。

水運儀象台有12米高，7米寬，包含4個系統和超過400個零件。它的正面有個塔，塔裏會有假笑男孩出來叮鈴鈴報時。

水運儀象台內部還有一個渾象可以讓人觀察天體的運轉。

水運儀象台具有世界上最早的擒縱機制。擒縱機制是機械鐘錶的關鍵零件。難怪曾任聯合國教科文組織自然科學部部長的李約瑟直截了當地説，水運儀象台是歐洲天文鐘的直接祖先。

擺鐘的錨式擒縱

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另外，蘇頌還設計了一種齒輪和配套的銷子，它們的功能是讓齒輪以特定的速度旋轉。

西方在幾百年後才發明了類似的擒縱機制，造出了機械鐘，讓人類把擒縱機構的滴答聲和時間聯繫在一起。

原版的水運儀象台毀於北宋覆滅時。在靖康之禍（1127年）時它被金兵擄走，後來被丟棄。而南宋時期蘇頌的兒子蘇攜保存的手稿沒人看得懂，所以在很長時間裏沒有人能夠復原水運儀象台。

現在我們能知道它是怎麼造的，多虧了蘇頌自己寫的《新儀像法要》（A new design for a mechanized armillary sphere and the celestial globe）。這本書成書於約900年前，裏面詳細記載了水運儀象台的47張藍圖。

你現在可以在中國國家博物館裏觀賞它的1:5復原物以及《新儀像法要》。此外，中國台灣的國立自然科學博物館和日本長野縣的“諏訪湖時の科學館儀象堂”有1:1的水運儀象台復原物。

日本復原的水運儀象台內部

@Seiko