“四大發明”你瞭解多少？丨科學史_風聞

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近日，關於我國古代“四大發明”的討論受到公眾關注。筆者認為，就這件事的源頭而言，本不該有什麼大的爭議，即使有，也是在細節考證上的若干辨析分歧，不會到如此熱鬧的程度。或者説，學術圈（科學技術史研究領域）並無大的波瀾，造成“牆內平靜牆外鬧”的一個很大因素，是因為公眾對“四大發明”本身可能並不真正瞭解。

本文主要談一下“四大發明”的基本事實，包括容易引發公眾困惑的幾個問題，以及新近一些學者相關研究的推進，兼談一點傳播和影響。需要強調的是，“四大發明”可追溯到16世紀意大利數學家卡丹指出的“三大發明”，後經英國大哲培根、美國學者卡特、英國李約瑟等人的總結和傳播，已成為目前標準的“造紙術、印刷術、火藥和指南針”這一説法，該説並非國人自封，而是“外來加冕”。

造紙術

造紙術的本質，如果用一句話概括説，那就是：中國人在西漢時已經發明瞭造紙術，該技術在以後的年代裏傳播到全世界。如果説不夠全面的話，可以補充上：蔡倫在東漢時改進了它。

就造紙術而言，引發公眾困擾與混亂的一個詞是古埃及的“莎草紙”。這種“紙”出現得很早，可以追溯到5000年前，但它的確不是專業意義上的“紙”。這便要引出“紙”的定義了，不過這是一個很為難的事，因為此定義一亮相，估計要嚇跑一多半的讀者了，但若不給出，又講不清楚，只有狠心拋出了。造紙史專家潘吉星認為傳統意義上的手工紙是指：

“植物纖維原料經機械、化學加工後得到純的分散的植物纖維，與水配成漿液，使其流經多孔模具簾面，濾去水後，纖維在簾面形成濕的薄層，乾燥後獲得具有一定強度的由纖維素靠氫鍵締合而交結成的纖維薄片，具有書寫、印刷和包裝等用途。”

這裏其實已經包含了傳統手工紙的技術流程。再來看“莎草紙”的製作，它是把莎草的內徑切割成細長條，然後將長條捶打、浸泡，取出後縱橫交錯狀鋪為兩層，最後擠壓水分、粘連在一起，乾燥後拋光處理即成為“莎草紙”。這種“紙”可看作是一種人工編制（還談不上織）物，連分散的莎草纖維都沒獲取，遑論其他？因此，莎草紙中的“紙”只是在一種現代書寫紙的類似物意義上而指稱，絕非是指傳統手工造紙術中的“紙”。莎草紙與造紙術中兩個“紙”的區別，就好比足球、籃球、排球與地球這兩類“球”一樣，形似而質不同。

現在有足夠確鑿的證據表明，在東漢蔡倫之前的西漢時，我國已經發明瞭紙或掌握了造紙術。這些證據主要是考古方面的，通過現代檢測技術的分析，對這些紙張的加工工藝（即造紙術）已經有了比較充分的瞭解。

迄今已經在甘肅、新疆、陝西、四川、廣東等地出土了西漢時的紙。這裏僅説下甘肅敦煌懸泉置遺址出土的紙，該遺址一共出土460片紙，儘管從底層分佈上有西漢、東漢直到西晉，但仍是漢代古紙出土最多的遺址，西漢時的古紙佔了多數。南京信息工程大學李曉岑教授等對這些古紙做過考察和分析，認為這些古紙絕大多數以麻纖維為原料，較厚、表面粗糙、纖維不均勻；這些紙為澆紙法制造；在較晚的地層中發現了較薄、表面光滑、纖維分佈均勻、有簾紋的古紙，這些紙為抄紙法制造。總的來説，西漢時我國已經發明瞭造紙術。到了東漢，蔡倫改進了造紙術，使抄紙法成為後來傳統造紙術的主流。

圖1 甘肅金塔縣肩水金關遺址出土的西漢紙

（作者攝於2019年國家博物館“絲路孔道——甘肅文物菁華展”）

一些人接受不了蔡倫不是紙的發明者這一事實，這是個人情緒問題，不是歷史問題。但蔡倫作為造紙史上的偉大改進者，其功績無人能抹殺，用潘吉星先生的話説是：“首先蔡倫組織生產了大批優質麻紙獻於朝廷，利用官方力量加以推廣；其次，蔡倫倡導生產了楮皮紙，突破了以木本韌皮纖維造紙的技術，擴充了造紙原料，推動了造紙術的發展。”蔡倫時任尚方令，掌管宮中器用製造，由他組織改進、推廣造紙術，舍他其誰？

公元2世紀到5世紀，我國的紙與造紙術先後傳到越南、日本、朝鮮，8世紀傳到中亞，12世紀經阿拉伯傳入歐洲。潘先生經過細緻考證，繪有一傳播路線圖（圖2），不妨一覽。

圖2 中國造紙技術外傳示意圖（潘吉星繪）

印刷術

提到印刷術，不得不先澄清另一個容易引起混淆的概念——活字印刷術。在機器印刷術之前，最早出現是雕版印刷術，然後發明了活字印刷術，它們都是傳統印刷術，並且都發源於我國。只不過在我國古代，雕版印刷術佔了主流，原因後面分析。

關於雕版印刷術發明的時間，學界已經將早年的爭論收斂、聚焦到了唐代，這點應該沒什麼疑問。只是唐代時間太長，究竟在哪一段，學界仍持有不同看法。導致這種現象的原因主要是對早期一些沒有出土紀年的印刷品年代判定存有爭議。

存有爭議的姑且不提，那就提下迄今最早刻有完整年款的雕版印刷品，即1907年在敦煌發現並被斯坦因掠去英國的《金剛般若波羅蜜經》（簡稱《金剛經》，圖3），現藏於大英圖書館。原卷長487.7釐米、高24.4釐米，6塊雕版印刷文字，另加捲首一張“釋迦説法圖”，共7個印張粘連而成。卷末刻印有“鹹通九年四月十五日王玠為二親敬造普施”題字，也即刊行於868年。該印刷品雕刻刀法純熟、用墨均勻，是雕版印刷技術成熟後的作品。

圖3 大英圖書館藏《金剛經》局部（圖片來自網絡）

雕版印刷術的發明與印度傳入的佛教有密切關係，故在唐代，雕版印刷品主要是佛經，同時也開始向民間擴散，比如日常所用曆書、陰陽雜記等。到了五代時，後唐宰相馮道主持用雕版印刷儒家經典《九經》。從此，雕版印刷術大行其道，到了宋代達到鼎盛。

活字印刷術正是在雕版印刷術繁盛的宋代出現的。雕版印刷術有兩個突出問題：首先是工效低，一套書版只能印一種書；若印另一本，就需要重新制版。其次是由於是整版印刷，若印版某處出現差錯，則該整版即報廢。針對後者，在北宋畢昇發明泥活字之前，已經在官契的印版上出現了某種雕版印刷與活字印刷結合的技術。也即是説，對一些僅需做少數文字變更的公文“靈活處理”，在原木版刻上凹槽，然後刻印變更的“木活字”，隨機變更。

這種修補性的“木活字”技術嚴格説還不能算真正的活字印刷，但這種思路反映了變革雕版印刷術的一個方向。北宋慶曆年間（1041-1048年）平民畢昇創制的泥活字應運而生了，他的事蹟被沈括較詳細地記載到了《夢溪筆談》中。

《夢溪筆談》記載畢昇創制泥活字一事，就工藝流程而言，已相當完備，制字、置範、排版、固版、印刷、拆版、貯字、工效等一應俱全。甚至畢昇去世後那些活字還被沈括的侄輩收藏。青史昭昭，畢昇可因此名揚後世也。

再接着前面説木活字，就木活字的存世本而言，1991年在寧夏賀蘭縣發現一西夏文活字印本，年代為12世紀下半葉。這也是迄今最早的木活字印刷品。木活字技術的完整文獻記載，首見於元代王禎《農書》。當時王禎任（今安徽）旌德縣令，用木活字試印了6萬多字的《旌德縣誌》（惜今未存），效率還不錯，不到一個月便印了100本，時間大致在13世紀末。活字印刷有一個弊端，因為漢字眾多，撿字排版比較麻煩，王禎為此還發明瞭兩個便於撿字的轉輪，算是在工藝流程上的一大創舉。

下面談下金屬活字的問題，許多學者，特別是潘吉星先生做了大量考證工作，基於目前各方所陳事實，比較客觀的結論是：我國發明瞭金屬活字印刷術，銅活字在朝鮮半島得到發揚光大，歐洲古登堡的鉛活字改變了世界。

最後解釋一個弔詭的問題，為何在宋代已經發明瞭活字印刷術，但後來在傳統印刷技術中始終並未佔主流？主要原因大致有二：首先對於官方印書行為而言，多是儒家經典，用時髦的話説算古代的“長銷書”，雕刻一套版至少在較長時間內可以“一勞永逸”，無刻活字及排版之費工、費時；對小的書肆作坊而言，每次印數不多，雕版較活字也有隨用隨取之便。其次是活字印刷技術本身，由於我們的漢字系統，製作一套活字成本不菲（包括備用重複的常用字），還有對排版、撿字人員有較高要求，而雕版印刷無此擔心，即使雕版工匠不識一字也可勝任工作。

​火藥

關於我國發明火藥的事實，長期以來有兩種戲謔。一種源自魯迅的話，他在《電的利弊》説道，“外國用火藥製造子彈禦敵，中國卻用它來做爆竹敬神。”魯迅先生警醒國人之意良好，卻與事實相違。我們固然用火藥來做煙花爆竹，但首次把火藥用於軍事禦敵，也是我們的發明。他的前半句也有問題，因為用火藥製造子彈，不是我們發明的黑火藥，而是西方18世紀發明黃火藥的產物。這正好引出要討論的另一種戲謔，究竟是黑火藥還是黃火藥改變了世界？其實這個問題就像問，究竟是火柴的發明偉大還是打火機的發明偉大，抑或究竟是計算尺還是計算機偉大一樣。看來還是有必要就黑火藥與黃火藥做些澄清。

我們一般所説的火藥是以硝石、硫磺和木炭（或其他易碳化的有機物）按照一定比例配合的混合物。因其點火後迅速爆炸生成黑色煙焰，故也稱為黑火藥。在現代火藥（即下面談的黃火藥）發明之前，黑火藥是世界上唯一的火藥和炸藥，曾經發揮過起爆藥、發射藥和猛炸藥三重作用，不僅用於軍事作戰，還用於工程爆破。

黃火藥，嚴格説應叫黃色炸藥，發端於19世紀。1771年，英國一位化學家用化學方法合成了苦味酸（三硝基苯酚），但最初只是作為黃色染料，並未發現其爆炸性能。直到1885年才由一位法國化學家用於填裝炮彈，稱為黃色炸藥。後來發展的TNT以及二戰後的高性能混合炸藥等，均是黃色炸藥的發展。

下面談我國古代火藥的發明，它與煉丹術有密切關係，發端於煉丹方士的“伏火法”。軍事科學院火器史專家王兆春指出“伏火”主要有三個意圖：一是“殺毒”，即用火烘燴的方法，消減某些藥物的固有毒性；二是制伏某些藥物受熱後易於揮發逃逸的品性；三是馴伏某些合煉藥物的爆炸性。學界普遍認為，至晚於9世紀，在煉丹方士的“伏火法”中最早出現了火藥配方。

成書於唐憲宗元和三年（808年）的《太上聖祖金丹秘訣》“伏火礬法”明確記載了硫二兩、硝二兩、馬兜鈴（遇明火碳化）三錢半的火藥配方。到了10世紀後半葉，即五代到北宋初，火藥已經用於軍事，《宋史》多處記載有這一時期出現的火器，如火箭、火球、火蒺藜等。宋仁宗天聖元年（1023年），京城汴京已有專門生產火藥的“火藥作（坊）”，“火藥”一詞從此誕生。1044年，《武經總要》首次記載了三個軍用火藥配方：毒藥煙球方、火砲火藥方和蒺藜火球方。這時的火藥配方含硫量偏高、含炭量偏低，加上有植物油的混入，整體呈膏狀，發揮的主要作用是燃燒或者説縱火，還無法作發射藥。

圖4 《武經總要》中的“蒺藜火球”和“引火球”

到了南宋紹興二年（1132年），陳規守德安（今湖北安陸）時使用了“長竹竿火槍”，這是一種手持式火焰噴射器。到了1259年，宋軍使用了可發彈丸的突火槍，這是一種管形射擊火器，火藥兼有燃燒和發射的功能。13世紀末，元朝軍隊使用了金屬管形火器——火銃。現存最早有明確紀年的火銃是現藏內蒙古蒙元文化博物館的元大德二年（1298年）銅碗口銃。14世紀時，明朝軍隊還造出了鑄鐵火炮，比如山西博物院藏的明洪武十年（1377年）鑄鐵火炮。 

關於我國火藥及火器技術的外傳路線圖，潘吉星先生繪有一圖（圖5，以備一覽）。

圖5 中國火藥及火器技術外傳示意圖（潘吉星繪）

指南針

愛因斯坦在他晚年的一篇自述中談到，當他4-5歲時，父親給他一個羅盤，指南針準確的運行方式十分奇特，令他感到震驚。這次經歷給他的印象持久而深刻，一直到晚年還縈繞在他的腦際。在“四大發明”中，指南針或許關注度最大，一方面是公眾對這種奇妙事物的好奇心，一方面是學界在指南針研究方面還留有許多想象空間。

好奇心加上想象力，便圍繞指南針演繹出眾多版本的坊間流言，其中最集中的關鍵詞，應該是“司南”。除了不諳事的孩童外，“司南”在中國的知名度非常高，一把磁石勺轉動在光滑的標有方位的方形銅板（栻盤）上。這一形象已經深入人心，電視上、報紙上、網絡上、教科書上，頻頻出鏡。“司南”到底能不能指南？它到底靠譜不？

“司南”最早出現在戰國末期《韓非子》中，有一句“先王立司南以端朝夕。”意思很明確，國君是靠司南定方位的。怎麼定呢？東漢王充《論衡》有記載，“司南之杓，投之於地，其柢指南。”這句話，學界可沒少花氣力，文字學、訓詁學、版本學、模擬復原試驗等等，近幾年終於有了比較大的突破。

中科院自然科學史研究所黃興副研究員在國家博物館王振鐸先生的司南復原方案基礎上，做了細緻的實證研究，支持了王振鐸的“磁石勺”復原方案，而且這種方案是以磁石為材料的各類指向器中最佳設計方案。黃興還指出，在秦漢時，司南甚至不用置於光滑的栻盤上，在平整光滑的普通地面便可有效指南。這相當於修訂、簡化了王振鐸的復原方案。由此可認為，司南這事靠譜的可能性太大了（關鍵是磁石勺是不是就是司南，筆者持樂觀態度）。

在晚唐段成式（803年-863年）的《酉陽雜俎》中，明確記載了遊行時攜帶的磁石、磁針，磁針使用採用的是水浮式。到了宋初，有關指南針的文獻史料不約而同地出現，重要的有：首先是王伋注《管氏地理指蒙》，註文一首詩中同時提到了磁針和磁偏角。王伋是當時頗有名氣的一名堪輿師，也即風水先生，作注的年代應是11世紀上半葉。其次是天文學家、堪輿師楊惟德1041年完成的《塋原總錄》，也記載了磁針和磁偏角。最後是《武經總要》記載了人工磁化的“指南魚”。很快，另一種人工磁化技術出現在了沈括的《夢溪筆談》中，“以磁石磨針鋒”，並記載了四種磁針的安置方法，還提到了磁偏角。

世界上有關指南針用於航海的最早記載，首現於北宋朱彧《萍州可談》（1119年），“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針。” 早期航海用的水羅盤，就是在瓷碗或瓷盤外周繪製一圈方位或套接一個帶有方位的圓圈，這便是針碗。以圖6現藏旅順博物館的這件元代針碗為例，使用時，先在碗內注水，放入一根穿在浮漂上的磁針，然後將碗底“王”字中是豎線對準船身中心線，如船身轉向，則磁針與豎線之間的夾角便會變化，根據刻度，便可指示方向。

圖6 元代針碗

（旅順博物館藏，作者攝於2018年國家博物館“無問西東——從絲綢之路到文物復興”展）

旱羅盤也發明於我國。1985年考古工作者在江西臨川一1198年入葬的南宋墓中發掘出了一式兩件張仙人俑。該俑手持一羅盤，學界認定這是一種軸支撐結構的旱羅盤。2013年，寧波中國港口博物館徵集到一件南宋持羅盤俑（圖7），該羅盤與臨川出土的形式、結構類似。

圖7 南宋執羅盤陶俑

（寧波中國港口博物館藏，作者攝於2018年國家博物館“無問西東——從絲綢之路到文物復興”展）

結語

近年來，科學技術史學界的諸多學者重新梳理、總結我國古代的科學技術遺產，助力我國古代科技文明的傳播和普及，做了積極嘗試。相關歷史學者有責任和義務繼續就我國古代重要的科技發明創造做些力所能及的普及和澄清工作。唯有如此，公眾和社會輿論就相關問題的評判才能遠離低層次的混亂，而趨向客觀。

**來源：**中國科學院自然科學史研究所