中国科学技术史-良-第5秦汉

第五章华夏国力大发展时期第一节社会与学术的发展第二节炼丹术与物理学第三节地学与矿冶第四节生物学、农学与医药学第五节机械、纺织与土木工程第12张1第一节社会与学术的发展秦始皇的暴虐统冶，在科学文化领域内对知识分子的迫害，十分残忍。最为有名的事件是“焚书坑儒”。前者发生在公元前213年，朝廷焚毁了包括《诗》、《书》在内的诸子百家著作；在公元前212年活埋批评朝政的460余名儒生。汉初统治者尚黄老学说，主张“无为而治”。到武帝时，董仲舒建议“独尊儒术，罢黜百家”。宣帝在甘露二年（前151年）宣布，将董仲舒的思想奉为唯一的官学内容，并将诸子百家和司马迁的著作封禁。尽管在武昭宣时期科技的发展达到高潮，但由此开始，汉代学术研究出现僵化的倾向。2一、学术机构和活动西汉元朔五年（公元前124年），中国历史上第一所皇家大学——太学成立，它对应着典籍建立了讲座，由此培养和输送出不少人才。汉代还召开了一些学者会议，如盐铁会议（始元六年，公元前81年）上讨论了官营工业的问题。石渠阁会议（宣帝甘露三年，公元前51年）足以与西方的尼加伊会议（公元前325年）相比。白虎观会议（章帝建初四年，公元79年）使“谶纬”国教化，这次会议的记录至今保存在班固（32~92）的《白虎通义》之中。平帝四年（公元4年），在王莽的倡议下，召开了中国历史上第一次科学技术专家会议。当时“征天下通知逸经、古纪、天文、历算、钟律、小学、史篇、方术、本草，以及五经、论语、孝经、尔雅的教授者，在所为驾一封车佀传，遣诣京师，至者数千人”。3西汉朝野也很注意搜集秦火之后的各种典籍，这对科学文化发展是有意义的。刘向（公元前77~前6）为目录学之祖，他对当时的各种书籍进行分类、注译、编辑和提要说明。刘歆（公元前53~公元后23，刘向之子）把图书分为7类：辑略（总论）、六艺略、诸子略、诗赋略、兵书略、术数略、方技略。他还撰修《七略》，这是我国第一部图书分类目录。这种分类法称为“七分法”。班固的《汉书·艺文志》就以此为蓝本。《艺文志》是由方术、医药、军事学、历史、哲学、占卜、天文学等方面的专家编成，约有700多种著作编入。4古代的四大发明有两项产生于汉代，即造纸术和磁性指南器。纸字从“纟”，先秦“纸”确是丝质的。东汉许慎的《说文解字·纟部》：“纸，絮一苫（shān）也。”我国自古以次茧作绵；漂洗时留在器物的残絮形成薄层丝绵片，干后就叫“纸”。西汉时开始以麻类纤维代替丝絮造纸，已有多处出土。西安灞桥出土的公元前118年以前的古纸，据分析，所采用的原料是麻类纤维。制造纸浆时已采用石灰发酵的返麻方法。原料中还有废麻，表明当时已用破旧的麻布造纸。51986年甘肃天天水放马滩出土的汉文帝时期（公元前179~前141年）的纸质地图残片，是世界上已发现的最古的植物纤维纸之一。《东观汉记·蔡伦传》记载，“蔡伦典尚方作纸”（蔡伦任尚方令时主管造纸）。《后汉书·蔡伦传》记载，105年，蔡伦用树皮、麻头、破布和旧鱼网作原料造纸，并献给汉和帝。由于纸的品质较好，因此“天下咸称‘蔡候纸’”。到3~4世纪，纸已基本上取代了竹简和缣帛成为主要书写材料。6在天文学上，张衡（78~139）堪与古希腊的托勒密（85~165）相匹。对于天地起源，张衡第一个以浑天说的观点进行阐述。他认为，天地万物从原始的浑沌未分的元气发展而来，元气是物质性的，不同质的阴阳二气的相互作用形成了今天的宇宙。这是一种原始的唯物主义的宇宙发生论和万物生成说。在解释天体的结构和视运动上，浑天与盖天两家争论激烈，由于张衡的宣传，最终使浑天学说在古代占据了主导地位。张衡把无限宇宙概念理论化了。他说：“宇之表无极，宙之端无穷。”（《灵宪》）张衡还痛斥谶纬之说，认为应加以禁绝之。在医学上，张机（150~219）堪与古希腊的盖仑（129~199）相匹。7汉朝的天文观测成就最大，甚至秦宫殿“象天极”，在陵墓中也“上具天文”（《史记·秦始皇本纪》），在历法编制和宇宙理论研究中也是成绩斐然，对后世产生了深远的影响。至迟到周文王姬昌时，已有名为“灵台”的观象台。东汉的灵台设置在洛阳平昌门南。灵台设有浑仪和浑象等仪器。它创建于东汉光武帝中元元年（56）。到北魏时被废弃。东汉设置太史令一人，其下有灵台待诏42人，其中有14位轮流值夜观测天象。古代天文观测仪器主要是圭表、浑仪与浑象。圭表起源很早，可能产生于史前社会。浑仪与浑象要晚些，秦汉有所发展。落下闳对浑仪进行了改进；宣帝时的耿寿昌首倡铜铸浑象（天球仪），用以演示浑天说。东汉的张衡首创水运浑象，它与实际天球的周日视旋转是同步的。8二、重要的典籍西汉时期的数学家注意对先秦典籍的整理和总结，在这方面的代表性成果是《周髀算经》和《九章算术》。1．《周髀算经》这是我国最早的一部天文数学著作，成书于公元前100年。书中假托周公与商高（周初时人）对话和荣方与陈子之间的问答，对秦汉以前数学成就进行了总结。从数学角度来看，书中使用的π值为3（周三径一）；并涉及到较复杂的分数运算；对于“勾股定理”也做了初步论证。这里以勾股定理为例。书中记载了一组特殊的例证，即“勾广三，股修四，径（即弦）偶（禺）五”。为此还记载了公元前7世纪陈子求日地距离时表述的勾股定理，即“以日下（从观测点到日高垂足的距离）为勾，日高为股，勾股各自乖，并而开方除之，得邪至日（日地距离）”。92．《九章算术》在中国数学史上，此书的地位类似于希腊的《几何原本》，一千多年间一直被作为教科书。此书编篡于西汉早期，可能为数学家张苍（？～前152）和耿寿昌等人（或许包括许商和杜忠）增订删补先秦典籍而成书，对先秦数学研究诸领域作了较全面的表述。全书收集了246个应用题,分属于：“方田”（田亩计算）、“粟米”（比例、换算）、“衰分”（狩猎、比例）、“少广”（开方）、“商功”（土方、容积的计算）、“均输”（粮食运输、分派工役）、“盈不足”（盈亏解法）、“方程”（联立一次方程）和“勾股”。书中包括当时世界上最先进的分数四则运算和比例算法，特别是为了约分而提出求最大公约数的辗转相除法。10书中系统论述了开平方和开立方，并在此基础上介绍了求解一元二次方程（首项系数不为负）的数值解法。为了求解联立一次方程组，书中明确地运用了“高斯消去法”。《九章算术》已用线性内插法作为解高次方程的近似方法。《九章算术》在世界数学史中第一次记载负数概念和正负数加减法则。我国筹算分红筹和黑筹，用它们分别表示正数和负数。在几何学上，《九章算术》还把具体对象抽象化，“方田”和“圆田”已把原有田地面积的意义抽象为方形和圆形；在复杂面积和体积的计算中，除立方体、锥体和柱体之外，还有棱台体的体积公式。有人推测，《九章算术》的某些算法可能传入印度，而后传到欧洲。如“盈不足”（一次内插法）在阿拉伯和欧洲的早期著作中被称作“中国算法”。《九章算术》被译作多种文字，为我国传统数学的发展奠定了基础。11三、历书的改革与发展秦国原来采用的是战国末年编订的颛顼历，这是“古六历”之一。它也是四分历，即一回归年为365.25日，一朔望月29.5日；以立春为一年节气计算的起点。秦朝建立后，此历曾颁行全国。汉初仍采用颛顼历，到武帝太初元年（公元前104），武帝下令编制新历法，由公孙卿、壶遂和司马迁主持，并征募民间天文学家唐都、落下闳、邓平、司马可和、候宜君等人参加。他们先后提出18种方案，最后选定邓平（和落下闳）的方案，并定名为“太初历”。12太初历是我国第一部比较完整的历法，也是我国历法史上实现的第一次大改革。它规定的一回归年为365日，一朔望月为29日，因此亦称为“八十一分历”。太初历第一次将二十四节气编入历法，所谓二十四节气由12个“节气”（立春、惊蛰、清明、立夏、芒种、小暑、立秋、白露、寒露、立冬、大雪、小寒）和12个“中气”（雨水、春分、谷雨、小满、夏至、大暑、处暑、秋分、霜降、小雪、冬至、大寒）构成，并确定在没有中气的月份置闰月。这种置闰的原则一直沿用至今。

13[缺分数值]太初历推算出135个月有23次交食的周期。西汉末年，刘歆编制“三统历”，它基本上采用太初历的数据。后来，三统历被收入《汉书·律历志》，因此得以留传至今。东汉元和二年（85），徧诉、李梵、贾逵等人在太初历的基础上编成“后汉四分历”，并于当年颁行。它的一回归年为365日，一朔望月为29日，19个太阳年设置7个闰月，并且增加二十四节气昏旦中星、昼夜漏刻和晷影长度等内容。14四、天文观测记录马王堆三号墓出土公元前170年的帛书《五星占》，其中载有公元前246~公元前177年间的木星、土星和金星的位置，还记载了金星的会合周期为584.4日（今为583.92日），注意到5个会合周期为8地球年（与今测值差2天零10个小时），说明当时的天文观测已有较高的精度。《史记·天官书》记载了500多颗恒星的位置，还记录了恒星的各种颜色。《周髀算经》（卷下）中有“日兆月，月光乃出，故成明月”的记载，已知月光乃日光所照。《汉书·天文志》详细记载了公元前32年10月24日出现的一次极光，这是世界上较早的精确记录。我国关于极光的记录非常丰富，这为研究太阳活动和地磁变化积累了宝贵资料。15《淮南子·天光训》，“日中有踆乌”。《汉书·五行志》载：“汉平帝永光元年（公元前33年）四月……日，黑居仄，大如弹丸”。“河平元年（公元前28年）……三月已未，日出黄，有黑气，大如钱，居日中央。”《后汉书·五行志》：“中平……五年（188）正月，日色赤黄，中有黑气如飞鹊，数日乃销。”这些记载对黑子形象、大小、位置和出现的时间均作了明确的记述。这是世界上最早的太阳黑子记载。16殷商甲骨文中已有新星记录。《汉书·天文志》；“元光六年（公元前134年）五月，客星见于房。”“房”是房宿，相当于天蝎座的头部。《后汉书·天文志》；“中平二年（185）十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒；稍小，至后年六月消。”这是世界上最早的超新星记录，“南门”属角宿，即半人马座ε、α两星，自此以后的1700年间，中国古代有90个新星纪录，其中可能有11颗超新星。17东汉贾逵（30~101）明确提出黄道和赤道有交角，在我国首先利用黄道坐标系测定天体的位置。他还发现月亮的视运动有快有慢，并测量了近点月（《后汉书·律历志》）。178~183年，东汉刘洪制定了《乾象历》，并于223年在吴国（三国）颁行。刘洪发现白道与黄道有6°交角（今测值为5.9°）和日月食的食限，并提出了推算合朔（日月相合），满月、上弦和下弦的时刻的方法（《晋书·律历志》）。18五、宇宙论汉代流行的三种宇宙学说是盖天说、浑天说和宣夜说；对应的三个学派曾进行过激烈的辩论。盖天乃天圆地方，天如伞盖，地为方形碗，天地间距30000里。落下闳和张衡等人总结了浑天说，认为“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄”（张衡《浑天仪图注》）。所以天的一半在地上，另一半在地下。南北两极固定在天的两端，天与日月都循偏斜方向而旋转。东汉郗萌提倡宣夜说，认为天无形质，天是茫无边际、无穷无尽的宇宙。天体不附着任何物体之上，只浮在元气或刚气之上。所以，这种学说从抽象思维上说达到了一定的高度。无限空间说与道家相关，浑天为儒家所支持。后来，儒家把早期宣夜说的一些成份渗入了浑天说。19《晋书·天文志上》记载东汉灵帝时，蔡邕于朔方（今内蒙古乌拉特旗东）上书言：“宣夜之学，绝无师法。《周髀》（盖天说）术数具存，考验天状，多所违失。惟浑天近得其情，今史官候台所用铜仪则其法也。”这里评价了三种宇宙学说，其中浑天说是以地球为中心的。东汉《尚书纬·考灵曜》中提出了关于地动说的光辉思想，并以一个航船内的实验加以说明：“地体虽静而终日旋转。一年之中，地有四游；冬至地上北而西三万里，夏至地上南而东三万里，春秋分其中矣。地恒动不止，而人不知。譬如人在大舟中闭牖而坐，舟行不觉也。”这种观点认为地球是有自转的，且与太阳的距离在一年中也有变化。他所记的行舟内的实验，又阐明了运动的相对性思想（伽利略在1600年左右也做过类似实验）。20六、自然观王充关于元气的研究。《无形》：“人禀气于天，气成而形立。……死则气减（灭）形消而坏。”《物势》：“天地合气，物偶自生矣。”《感虚》：“夫风者，气也。”《雷虚》：“天施气，气渥为雨，故雨润万物日澍。”《淡天》：“天地，含气之自然也。”《乱龙》：“夫蜚（飞）鸢之气，云雨之气也。”《自然》：“天地含气，万物自生。”“天者普施气万物之中。”王充的“气”学说含有气体和物质的基元，乃至能量等多种含义，基本上是对《管子》和《荀子》理论的发展。东汉王符指出，人眼能看见物体是由于物体受光所照。“中穽深室，幽黑无见。及设盛烛，则百物彰矣。此则火之耀也，非目之光也；而且假之，则为已明矣。”（《潜夫论·赞学》）21第二节炼丹术与物理学中国古代的炼丹术活动持续了近2000年，积累了大量的研究与实验文献；与此同时，特别是在两汉时期，物理学的知识也有大量的积累。一、炼丹术的研究成果《史记》记载，炼丹术在战国之前已有萌芽，比较可靠的时代是秦始皇时期，形成于汉武帝时期。秦始皇墓中“以水银为百川、江河、大海……”（《史记·秦始皇本纪》），“丹砂为澒”（《淮南万年术》），其中的“澒”即汞（《说文解字》中写道：“澒，丹砂所化为水银也。”），“丹砂”即硃砂，是硫磺和水银的天然化合物（HgS），即可从天然的HgS中提炼Hg。公元前133年时，“（李）少君言于上（武帝）曰：‘祠（即祭祀）灶则致物，致物而丹砂可化为黄金’……”。金丹的“金”指金液，“丹”指还丹（又称灵砂，即人造红色硫化汞，仙丹即指此）。所以，最初，炼丹术实际上是人工制造的红色HgS之术。它是研究物质变化的方术，炼丹术的出现在客观上为化学的发展积累了知识。221．《神农本草经》《神农本草经》是中国现存的最古老的药物学著作，成书于秦汉。书中总结了先秦的药物知识，托名神农。原书已佚，今传世者为辑本（即从历代本草著作中对该书的引文辑成）。其中讲到无机药物46种。试举其要：1）“丹砂：……能化为汞。”即HgS→Hg↑+S2）“曾青：……能化作铜”。“曾青”是蓝铜矿[Cu(OH)2·2CuCO3]，其中的铜可被铁所置换。《准南万毕术》中也说到，“曾青得铁则化为铜”。3）“石胆：……能化铁为铜”。“石胆”是胆矾[CuSO4·5H2O]，投铁于胆矾水溶液中，胆矾中的铜能被铁所置换。4）“水银：……杀金、银、铜、锡毒，熔化还原为丹”。水银能溶解金、银、铜、锡而成合金；高温下，这些合金中的水银会氧化而成红色的氧化汞（HgO），即“丹”，又称“三仙丹”。5）“鈆（铅）丹：……炼化还成九光。”“铅丹”即四氧化三铅（Pb3O4）呈红色，易被还原为金属铅，即所谓“九光”。6）“冬灰：……一名藜灰。”“藜草”烧成灰，内含碳酸钾（K2CO3），即碱。我国自古淋溶草木灰，以灰水作碱用；或进而把灰水熬干，成为碱块。先秦已将楝木灰水用于练丝帛。232．《论衡》关于磷火的记载，在《论衡》中已记有这种现象，如《论死篇》：“人之兵死也，世言其血为磷。血者，生时之精气也，不象人形，浑沌积聚，若烧状。磷，死人之血也，其形不类生人之血。”实际上，人体中不仅血液，而且骨骼、脑子中都含有丰富的磷质。尸体埋葬后，其中磷化物就发生复杂的化学变化，可能产生磷化三氢（PH3）和少量二磷化四氢（P2H4）。P2H4能自燃，从而引起PH3分解，发生氧化反应。两者中的氢都氧化成水，而磷先氧化成亚磷酸酐，都是发热发光的燃烧过程；亚磷酸酐氧化成磷酸酐，产生化学发光，即不发热，只发光。对墓室中的气体，在《死伪篇》中有记载，如：“亡新改葬元帝傅后，发其棺，取玉柙印玺送定陶，以民礼葬之。发棺时，臭憧（冲）于天；洛阳丞临棺，闻臭而死。又改葬定陶共王丁后，火从藏中出，烧杀吏士数百人。……曰：臭闻于天，多藏食物，腐朽猥发，人不能堪毒愤，而未为怪也。火出于藏中者，怪也；非丁后之神也。”墓中的尸体腐败后会产生各种气体（物质），其中有的有毒性。243．《周易参同契》丹家在长期的炼丹实践中，发现了不少化学物品，并对其性质、用途和化学反应等都有一定研究和详细记载。但其解说、命名和道家法术的词句带有神秘、隐讳的色彩。这使人很难理解，进而可达到保密（不外传）的目的。但是，丹家的记录基本上与近代化学实验结果相符或出入不大，成为我国古代化学发展的珍贵文献。著名的炼丹家魏伯阳（100~170，一说名翱，自号玄牙子，会稽上虞（今绍兴市）人。用《周易》中的爻象和神权主义思想来说明和论述“修仙”的方法，把“大易”、“黄老”和“炉火”三家理法参照会同而契合为一，著成该书。这是世界上最早的炼丹术专著。它分为三卷，为后世道家所宗。因为该书能“妙契大道”，故魏伯阳被奉为“丹经之王”。后世注解有40余家。25它的意义是，人们成功地把两种性质迥然不同的单质合成为另一种具有全新性质的化合物，而升华过程改变了物质的形态。这是丹家对化学作出的出色贡献。《周易参同契》全书6000余字，下面举例若干：1）“河上姹女，灵而最神，得火则飞，不见埃尘。鬼隐龙匿，莫知所存。将欲制之，黄芽为根。”其中的“河上姹女”是汞，“黄芽”是硫（也有说“黄芽”是铅、黄金）。这是硫与汞的化学反应，即Hg+S→HgS,硫化汞的性质较为稳定。一般来说，魏伯阳是分几步来实验的，即第一步是将硫与汞置常温下研磨，得到黑色的硫化汞。第二步是把硫化汞控制在一定温度下进行升华，得到一种与天然丹砂（红色）同一实质的红色硫化汞，丹家称为“灵砂”，又称为“还丹”，即“仙丹”。对于这一步，魏伯阳做了生动的描述：“捣治并合之，持入赤色门，固塞其际会，务令致完坚。炎火张于下，昼夜声正勤。……候视加谨慎，审查调寒温。气索命当绝，休使亡魄魂。色转更为紫，赫然成还丹。粉提以刀圭，一丸最为神。”紫色还丹就是红色硫化汞，为初期丹家所异常重视。反应式为Hg+S→HgS(黑色)→HgS.262）“龙（汞）吸于虎（铅），虎吸龙精，两相欲食，俱相吞并。”汞与铅可合成合金，魏伯阳认为，可用铅把流动不居的汞固定下来。3）“采之类白，造之则朱。”从红褐色的丹砂（HgS，今名辰砂或朱砂）中可提炼出银白色的汞：HgS→Hg+S，而汞又可化合成红色的丹砂：Hg+S→HgS。4）“胡粉投火中，色坏还为铅。”“胡粉”是白色的碱式碳酸铅[Pb(OH)2·2PbCO3]，今称铅白。烧炼时分解放出二氧化碳和水蒸气：2[Pb(OH)2·2PbCO3]+O2→2Pb3O4+2H2O↑+4CO2↑留下的四氧化三铅再与炭火反应，可还原为灰色的金属铅：Pb3O4+2C→3Pb+2CO2↑5）“铅外黑，内怀金华”。灰黑色的铅可与铜共熔而成为闪闪发光的（铅）青铜。我国古代青铜有铜锡合金、铜锡铅合金、铜铅合金三种，后者较稀少。6）“分剂参差，失其纪纲……愈见乖张。”这是说，参加化学反应的物质间比例很重要。27炼丹术对化学实验操作和技术及实验器具等打下了一定的基础。如炼丹炉、炼丹鼎（反应室）、蒸发器、研磨器、冷藏器、曲颈【缶曾】、坩埚、抽汞器、过渡器等。由此可知，丹家对封闭加热、蒸馏、过滤、冷凝、抽提的实验技术积累甚多。我国的炼丹术约于8~9世纪传入阿拉伯，12世纪传入欧洲。开始，欧洲术士仅把化学工作限于炼金。16世纪，欧洲化学进入制药化学时期。炼丹和炼金的方术是化学的先驱。恩格斯说：“化学以炼金术的原始形式出现。”284．漆器秦汉时，油漆技术进入新的发展阶段。有十个郡县设有漆器工官。民间漆工经营也相当发达。《史记·货殖列传》说道：“陈、夏千亩漆”，其人“与千户侯等”。长沙市马王堆出土的漆器是汉初的代表作。汉代的漆器胎有木和麻两种。以蜀郡（治所在今四川成都市）和广汉郡（治所在今四川广汉市）的金银漆器最负盛名。我国漆器和髹漆技艺先后传到朝鲜、日本、东南亚、中亚、西亚和欧洲。29二、物理学的重要成果1．淮南学派的研究淮南学派的成果主要保存在《淮南子》和《淮南万毕术》中。这两书均为西汉高祖孙淮南王刘安（公元前179~前122）及其门客所著。《淮南子》又名《淮南鸿烈》，今存。《淮南万毕术》今佚，晋代葛洪《神仙传》说他“凡几十万言”。1）“阴阳相薄，感而为雷。”“燥故炭轻，湿故炭重”。（《天文训》）2）“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦则难矣！”“夫燧之取火于日，慈石之引铁。”（览冥训）3）“有声之声不过百里，无声之声施于四海。”（缪称训）4）“慈石能引铁，及其于铜则不行也。”“矢之于十步贯兕甲，于三百步不能入鲁缟。”“寒不能生寒，热不能生热，不寒不热能生寒热。”“睹瓶中之冰，而知天下之寒。”（说山训）305）“水静则平，平则清，清则见物之形，弗能匿也，故可以为正。”“毂之，三十辐各尽其力，不得相害。”“甑得火而液，水中有火，火中有水。疾雷破瓦，阴阳相薄。自然之势。”“水虽平必有波，衡虽正必有差，尺寸虽齐必有诡。”“若以隧取火，疏之则弗得，数之则弗中，正在疏数之间。”（说林训）6）“高阳魋将为室，问匠人。匠人对曰：‘未可也。木尚生，加涂其上，必将挠。以生材任重涂，今虽成，后必败。’高阳魋曰：‘不然。夫木枯则益劲，涂干则益轻。以劲材任轻涂，今虽恶，后必善。’匠人穷于辞，无以对，受令为室。其始成，竘然善也，而后果败。”（人间训）7）“夫纯钩、鱼肠之始下型，击则不能断，刺则不能入。及加之砥砺，摩其锋鄂（锷），则水断龙舟，陆专刀犀甲。明镜之始下型，矇然未见形容，及其粉以玄锡，摩以白旃，须眉微毫可得而察。”（修务训）318）“人欲高下而不能，教之用管准则说；欲知轻重而无以，予之以权衡则喜；欲知远近而不能，教之以全目则快[射]。”（泰族训）9）“艾火令鸡子飞。”注释：“取鸡子去其汁，燃艾火，内（纳）空卵中，疾风因举之飞。”（《万毕术》）原理同于“孔明灯”和热气球，但不能实现，因为充满热空气的鸡蛋壳的重力大于它受到的大气浮力。洪震寰用稀盐酸溶解蛋壳，留下软膜做上述实验，也不能飞升。虽然如此，《万毕术》作者认为，在轻薄容器内充满热空气可以飞升的看法是对的，可以说这是关于最早设计飞行器的理想。10）“首泽浮针。”注释：“取头中垢以涂针，塞其孔，置水则浮。”（同上）以人的头发分泌的油脂涂钢针，使不亲水，则该针可能在水的表面张力举托下浮起。11)“取大镜高县（悬），置水盆其下，则见四邻矣。”（同上）这相当是一种开放式的潜望镜。大镜近围墙水平悬挂，悬镜要高于墙头，而镜面朝下。于院内放水盆（或另一面镜子），可见隔墙四邻。3212）“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”（同上）这是用冰透镜对着太阳取火的实验。此冰透镜最可能是圆球状的，也可能是扁圆双凸透镜。战国时代的《管子·侈靡》中有“珠者阴之阳也，故胜火”的记载。中国社会科学院考古研究所曾在湖南长沙市西汉墓中发掘出无色透明的水晶球。《万毕术》所记冰透镜取火实验，可以看到当时的镜型从圆球向扁圆的转变。3313）“慈石提（或拒）棋”。注释：“取鸡（血）、磨针铁以相和（合）磁石、棋头，置局上，自相投也。”“取鸡血与作针磨铁捣之，以和（合）慈石，用涂棋头曝干之，置局上，即相拒不休”。（同上）先将鸡血加工成某种胶粘剂，拌入磨针的落下的铁粉（作为骨料）。再将铁粉加工成棋子的基体。最后用上述的胶粘料给棋子基体粘上棋头，晒干备用。把这种棋子撒到棋盘上，棋子与棋子间就会发生同名极相斥、异名极相吸的现象。但是，讲到“相拒不休”是不可能的，因为磁铁矿的磁性较弱，并且棋盘间的摩擦力不容忽视，还有地磁的作用。34即使用现代磁性最强的人造磁体做成棋子，通过抛光使棋子与棋盘间的摩擦系数降到极小（甚至接近于理想化），并完全屏蔽一切外磁场，也不可能实现“相柜不休”的情况；因为将棋子撒到棋盘上去，在经过一阵混乱的吸引和排斥后，一旦（随机地）在某个取向上占了优势，其他棋子都会在此优势场强作用下整齐地排列起来。每相邻两棋子都以异名磁极相向，互相吸引而静止下来。这就是控制论上的一种自组织过程。《史记·封禅书》记载，汉武帝时的栾大作“斗棋，棋自相触击。”《汉书》上也有“斗棋”的记载。352．《论衡》东汉王充（27~97）著《论衡》。王充字仲任，会稽郡上虞（今属浙江绍兴市）人，曾师事班超和班固之父班彪（3~54）。此书涉及到大量物理知识。361）玻璃与凸透镜《率性》：“《禹贡》曰：‘璆琳、琅玕’者，此则土地所生真玉珠也。然而道人消烁（烁）五石，作五色之玉，比之真玉，光不殊别。兼鱼蚌之珠与《禹贡》璆琳皆真玉球也。然而随侯以药作珠，精耀如真，道士之教至，如巧之意加也。阳燧取火于天，五月丙午日中之时，消烁（铄）五石，铸以为器，磨砺生光，仰以向日，则火束至。比（此）真取火之道也。今妄以刀剑之钩月，摩拭朗白，仰以向日，亦得火焉。夫钩月非阳燧也，所以耐（能）取火者，摩拭之所致也。今夫性恶之人，使之异类乎，可率勉之今为其善，使之异类乎！亦可令与道人之所铸玉、随侯之所作珠、人之所摩刀剑钩月焉，教导以学，渐渍以德，亦将日有仁义之操。”37这里记述，道人熔化五石是作五色之玉，即彩色玻璃。隋侯按道士传授的方法，借助于药品造珠，即玻璃珠。技道之家熔炼五石为玻璃平凸透镜向日取火。不过东汉时代的玻璃平凸透镜尚未发现，但水晶平凸透镜的出土却有几件。1980年上半年，在江苏扬州市邗江甘泉山东汉墓，出土了水晶制平凸透镜一件，可放大4-5倍。更早些，安徽亳县博物馆发掘该县南郊元宝坑和董园的两座东汉曹操的父、祖辈宗族墓葬时，出土5件水晶（原报导为玻璃）平凸透镜。其中2件为扁圆形，3件为扁桃形。“璆琳”是天青石（Lazulite,SrSO4，亦名天蓝石），呈天蓝色，有玻璃光泽。“琅玕”是尖晶石（Spinel,AgAl2O4），有红、绿、褐黑诸色，无色透明者罕见，也有玻璃光泽。382）潮汐成因和波动现象《书虚》：“浙江、山阴江、上虞江皆有涛。”“其发海中之时，漾驰而已；入三江之中，殆小浅狭，水激沸起，故腾为涛。广陵曲江有涛，文人赋之。……涛之起也，随月盛衰，大小满损不齐同。”《变虚》：“鱼长一尺，动于水中，振旁侧之水，不过数尺，大若不过与人同，所振荡者不过百步；而一里之外，淡然澄静，离之远也。”393）对冷热的认识《感虚》：“夫熯一炬火爨一鑊水，终日不能热也；倚一尺冰置庖厨中，终夜不能寒也。何则？微小之感不能动大巨也。”《寒温》：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微。何则？气之所加，远近有差也。”“火与温气同，水与寒气类。”《谴告》：“今熯薪燃釜，火猛则汤热，火微则汤冷。”《是应》：“儒者言，萐脯生于庖厨者，言厨中自生肉萐，薄如萐形，摇鼓生风，摇鼓生风，寒凉食物，使之不臭。……厨中能自生萐，则冰室何事而复伐冰以寒物乎？”《自然》：“夫天覆于上，地偃于下，下气蒸上，上气降下，万物自生其中间矣。”404）雷电成因《雷虚》：“夫雷之发动，一气一声也。”“人为雷所杀，询其身体，若燔灼之状也。”“夫雷，非声则气也。”“《礼》曰：刻尊为雷之形，一出一入，一屈一伸，为相校轸则鸣。”“气相校轸分裂，则隆隆之声，校轸之音也。魄然若襒裂者，气射之声也。气射中人，人则死焉。实说，雷者太阳之激气也。……阴阳分事（争），则相校轸。校轸则激射。激射为毒，中人辄死，中木木折，中屋屋坏。人在木下、屋间，偶中而死矣。何以验之？试以一斗水灌冶铸之火，气激襒裂，若雷之音矣。或近之必灼人体。天地为炉大矣，阳气为火猛矣，云雨为水多矣，分争激烈安得不迅？中伤人身安得不死？”“雷者、火也。以人中雷而死，即询其身，中头则须发烧焦，中身则皮肤灼燌，临其尸上闻火气。……当雷之时，电光时见，大若火之耀。……当雷之击，时或燔人室屋及地草木。”王充认为，雷电是“太阳”引起的阴阳两气的冲突，光声相伴以出。415）静电和磁性《乱龙》：“顿牟掇芥，磁石引针，皆以其真是，不假他类。他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也。”顿牟是玳瑁，经摩擦带电，能吸引轻小物体。《是应》：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”司南是杓形磁铁矿制品，为磁性指南器之初形；其中“地盘”是用铜器或漆器制成的，其四周刻有八干（甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸），十二支（子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥），加之四维（乾、坤、巽、艮），共24个方向。春秋时已能将硬度为5-7的软玉和硬玉琢制成各种形状的玉器，由此可以推测，东汉时已能把硬度只有5.6-6.5的天然矿石琢制成形状简单的司南。426）关于力的认识对于弹性，在《儒增》中写道：“儒书言：楚熊渠子出，见寝石，以为伏虎，将弓射之，矢没有卫。或曰：养由基见寝石，以为兕也，射之，矢饮羽。或言李广。……车张十石之弩，恐不能入[石]一寸，失（矢）摧为三。况以一人之力，引微弱之弓，虽加精诚，安能没卫？”对于流体的阻力，在《状留》中写道：“是故湍濑之流，沙石转而大石不移。何者？大石重而沙轻也。”“是故金铁在地，焱（猋）风不能动；毛芥在其间，飞扬千里。”“毛芥在铁石间也，一口之气，能吹毛芥，非必焱（猋）风。”按斯托克斯定律，静止物体在流动的流体中受到的作用力，与流体的黏滞系数和流速，以及物体的线度的大小成正比。王充的观察和猜测显然是合理的。437）儒者辩日《说日》：“儒者或以旦暮日出入为近，日中为远。或以日中为近，日出入为远。其以日出入为近，日中为远者，见日出入时大，日中时小也。察物近则大，远则小，故日出入为近，日中为远也。某以日出入为远，日中时为近者，见日中时温，日出时寒也。夫火光近人则温，远人则寒，故以日中为近，日出为远也。二论各有所见，故是非曲直未有所定。如实论之，日中近而日出入远，何以验之？以植竿于屋下，夫屋高三丈；竿于屋栋之下，正而树之，上扣栋，下抵地，是以屋栋去地三丈。如旁邪倚之，则竿末旁跌，不得扣栋，是为去地过三丈也。日中时，日正在天上，犹竿之正树，去地三丈也。日出入，邪在人旁，犹竿之旁跌，去地过三丈也。夫如是日中为近，出入为远，可知明矣。试复以屋中堂而坐一人，一人行于屋上，其行中屋之时，正在坐人之上，是为屋上之人，与屋下坐人相去三丈矣。如屋上人在东危若西危上，其与屋下坐人，相去过三丈矣。日中时犹人下在屋上矣；其始出与入，犹人在东危与西危也。日中去人近故温，日出入人远故寒。然则日中时日小，其出入时大者，日中光明故小，其出入时光暗故大，犹昼日察火光小，夜察之火光大也。既以火为效，又以星为验。昼日星不见者，光耀天之也；夜无光耀，星仍见。夫日月，星之类也。平旦日入光销，故视大也。”说日中时近是对的，但对成因解释欠正确。日出时大的解释是正确的。443．其他的典籍北魏范阳（今河北涿州市）郦道元（464或472-527）在其《水泾注·滑水注下》中说：“镐水北泾（经）汉灵台西，又迳（经）磁石门西。门在阿房前，悉以磁石为主，故专其目。会四夷朝者有隐甲怀刃入门，而胁之以示神，故亦曰‘却胡门’也。”45秦始皇以磁铁矿石筑阿房宫门，入宫者若身怀铁器，会感受到磁力；当因受威胁而表现出神色失常，就会被守门卫兵发现。在明《永乐大典》中亦载：“咸阳县有磁石门，在县东南一十五里，东西有阁道，即阿房宫之北门也。若怀铁甲入者，磁石吸之不得过，羌胡以为神。”并引《韦逑西征记》：“秦阿房宫，以磁石为门。怀刃入者辄止之。”说“不得过”，“辄止之”显然是夸大其词，但“磁石门”确是存在过的。46蜀、晋史家陈寿（233-297）的《三国志·魏书·武文世王公传》：邓哀王冲、字仓舒，少聪察歧嶷。生五、六岁，智意所及有若成人之智。时孙权曾致巨象。太祖欲知其斤重，访之群下，咸莫能出其理。冲曰：“置象大船之上，而刻其水痕所至；称物以载之，则校可知矣。”太祖大悦，即施行焉。……年十三，建安十三年疾病，太祖亲为请命。及亡，哀甚。陈寅恪认为，曹冲称象是佛经《杂宝藏经》中记载的一个类似故事的翻版。陈寿死于297年，而《杂宝藏经》是北魏时代（386-534）才从古印度梵文译成中文的。47第三节地学与矿冶一、气象1．风向器早在殷商时期，就有一种称为“伣（xiàn）”的风向器，至汉代尚在使用。这是一种在长杆上系以帛条或鸟羽而制成的装置。汉代还出现了“铜凤”、“相风铜乌”等风向器。西汉武帝于太初元年（公元前104）所建的“建章宫南有玉堂，……铸铜凤高五尺，饰黄金，栖居上，凤形，下有转枢，向风若翔”（《三辅黄图》，毕源校正本·引言）。又“长安宫南有灵台，高十五仞，上有浑仪，张衡所制；又有相风铜乌，遇风乃动。”（前书引郭延生《述征记》）这种装置后来演变为一种装饰。482．测湿《淮南子·天文训》：“……夏至湿……冬至燥。燥故炭轻，湿故炭重。”《淮南子·说山训》：“悬羽与炭而知燥湿之气。”实际上是可以通过称量来估测大气的潮湿状况。《史记·天官书》：“冬至极短，县（悬）土、炭；炭重、鹿角解，兰根出，泉水跃，略以知日至，要决晷景。”裴骃《集解》引孟康云：“先冬至三日，县（悬）土、炭于衡两端，轻重适均。冬至日阳气主则炭重，夏至日阴气主则土重。”在冬至前三天，在天平两端放等重的土和炭。在我国，除旱季在春、雨季在秋的地区外，一般到冬至温度开始上升。这时由于炭比土易于吸湿，因此天平上炭比土重，进而使炭端下垂，土端上翘。同样，在夏至前三天，在天平两端放等重的土和炭；到夏至，由于温度开始下降，炭失水多于土，而变得轻于土。49其实这是一种天平式测湿装置，也是最早的测湿装置，欧洲直到1600年后才有天平式测湿装置。王充也有类似的记载，即“天且雨，……琴弦缓”，即已发现空气湿度与弦的张力变化的关系，这已包含毛发式测湿装置的原理。503．云雾雨雪西汉董仲舒在《雨雹对》中讲：“攒聚相合，其体稍差，故雨乘虚而坠。”“风多则合速，故雨大而疏；风少则合迟，故雨细而密。”认为雨滴是由小云滴受风合并变重下降而成的。西汉董仲舒、东汉许慎和刘熙认为，雪是云滴或雨滴冷冻而形成的。王充在《论衡·说日》中也写道：“初出为云，云繁为雨。”51二、地理1．张骞出使和班超出征（1）张骞（？-公元前114），汉中城固（今陕西汉中市城固县东）人。建元二年（公元前139），张骞奉武帝之命出使大月氏。他与匈奴族人堂邑父等100多人亲历匈奴、大宛（今乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦三国间的费尔干纳盆地）、康居（在今哈萨克斯坦巴尔喀什湖与咸海之间）、大月氏（哈萨克斯坦境内）的伊犁河流域迤西和大夏（巴克特里亚Bactria,也叫希腊·巴克特里亚王国，即吐火罗、地在今阿富汗北部兴都库什山与阿姆河上游间）。52至元朔三年（公元前126），张骞只带他在匈奴所娶的妻子和堂邑父回国。张骞记述了旅途所到过的乌孙（今哈萨克斯坦伊犁河中游与吉尔吉斯斯坦的伊塞克湖之间），奄蔡（一作阖苏、东汉称阿兰聊、三国称阿兰，今哈萨克斯坦咸海与里海之间），安息（帕提亚Parthia，今伊朗的伊朗高原，以及伊拉克幼发拉底和底格里斯两河流域）、条支（今伊拉克境内）、身毒（古印度）等国。元狩元年（公元前122），张骞又奉武帝命从蜀犍为（今四川宜宾市）派出四路使者，企图开辟前往身毒的捷径，为在今四川的诸族所阻。元狩四年（公元前119），张骞第三次奉武帝率300人，带马600匹，牛羊数以万计、金帛数千万钱，出使乌孙。张骞又派遣副使前往大宛、康居、大月氏、大夏、安息、身毒、于宾（于阗、今新疆和田一带）、宁弥、杆弥（在今新疆于田县克里雅河古拘弥城遗址一带）等国。53张骞两次出使中亚，将所见所闻诸国情况都向武帝作了报告，这被收入《史记·大宛列传》中，在地理学上张骞的这些记述作出了重大贡献。如：·记载大宛务农，种稻麦，出葡萄酒，而多好马。·发现于田以西，河流都西注西海（今咸海）；于田以东，河流都东注盐泽（今罗布泊）。·记载安息人使用铸有国王头像的银币，在皮革上横行书写。·记条支濒临咸海，气候湿热，种稻，出鸵鸟。·记身毒气候湿热，种稻，用象队攻战。54（2）班超（32-102），字仲升，扶风安陵（今陕西咸阳市东北）人，《汉书》作者班固（32-92）之弟。东汉时明帝永平十六年（73），从窦固击北匈奴。窦固以为能，派班超与从事郭恂率吏士36人出使西域。他杀匈奴派驻鄯善和于阗的使节，并废黜附匈奴的疏勒王。又联合当地力量，陆续平定莎车、龟兹、焉耆等地贵族叛乱，并击退月氏的入侵。和帝永平三年（91）班超任西域都护。他曾遣甘英出使大秦（罗马帝国），至条支的西海（今波斯湾）而还。他在西域活动31年，功勋卓著。甘英回国后，把沿途见闻介绍出来，收入《后汉书·西域传》，“皆前世所不至，《山经》所未详。”552．马王堆出土的西汉地图马王堆出土三幅地图：地形图、驻军图和城邑图。说明当时水陆交通的发展，需要精确测量的地图。墓主人是西汉文帝前元十二年（公元前168）下葬的。估计这三幅地图绘于西汉初年，是世界上现在最早的以实测为基础的地图。这些地图规定上为南、下为北。比例尺各为：地形图是1:180000，驻军图是1:80000或1:100000.56地形图主要范围是当时长沙国（诸候国）的南部，即今潇水流域一带，这部分精度相当高。图中潇水及其支流的水道大部分已接近于今图。营浦（今湖南道县）、南平（今蓝山县）、舂陵（今新田县）、冷道（今宁远县）等城的位置也比较准确。九嶷山和都庞岭，以及整个流域的地势，都画得很出色。这是采用了“重差术”（相似三角形对应边成比例的原理）来测远、测高、测城邑大小，并且有了统一的图例：地形图中县治各用方框围起，乡和里则用圆框围起，对九嶷山采用了类似于今等高线的画法。573．《汉书·地理志》班固（字孟坚）的《地理志》由三部分组成。第一和第三部分是转述前人的论著，第二部分为班固的创作。这是一部疆域地理志。班固根据西汉平帝元始二年（公元后2年）的行政区域建制为主体，记述103个郡（国）及其所辖的1587个县（道、邑，侯国）的沿革。在郡国项下都记有户口，有些还附记重要的自然和经济情况；在县（道、邑、候国）项下，分别选记山川、水利、特产和官营工矿，以及著名的关塞、祠庙和古迹等。如在上郡高奴，班固自注：“有洧水，可燃。曰日利平。”高奴治所在今延安东北，洧水即清涧河。又如西河郡鸿门县下记：“有天封苑火井祠，火从地出也”。这是史载最早的天然气田。《地理志》载有盐官36处和铁官48处，以及水道、陂、泽、湖和池等共300处。584．中外交流汉武帝时，我国与朝鲜、日本之间的海上交通就已开始，朝鲜和日本都出土许多汉代的文物。据《汉书·地理志》记载，武帝时曾派使臣、贸易官员和应募商民，从广东徐闻和合浦等地出发，能到达印度尼西亚、缅甸、印度、斯里兰卡等国，开辟了我国与这些国家的海上运输。在我国南海诸岛还发现了汉代的古钱和瓷器，以及唐宋时代的居住遗址。据文献记载，我国与西方陆路交通，有南北两路。由于新疆塔克拉玛干沙漠的阻隔，所以南路沿昆仑山北侧西行，北路沿天山南侧西行。这两条路统称为“丝绸之路”，全长超过7000km，这是古代最长的一条商路。从地中海东岸的港口，还可由海道西往埃及和意大利半岛。596061三、地震研究张衡关于地震研究是当时世界地球物理上最杰出的成就。他认识到，地震作为大地振动从震中向四面八方传播。为了测定震中方向，于汉顺帝阳嘉元年（132）发明世界上第一架地震仪——候风地动仪。据《后汉书·张衡传》记载，地动仪用精铜（精炼的青铜）铸成，直径为汉八尺，形似酒尊。中间有一根“都柱”，从它向八个方位分别辐射式地安装八条滑道。每条滑道上都装设着一个跷跷板式的（曲）杠杆。每条滑道的外面器表面上都铸着一条龙。龙的下颌铸死，上颔则是活动的，即为杠杆的外端。龙嘴各衔一枚铜球。每条龙下都有一只向上张嘴准备接球的铜铸蟾蜍。地震（纵波）从震中传到，使器身跟着往前猛动了一下。这时都柱由于惯性而沿着震中方向的滑道向后滑动，压迫跷跷板式的杠杆里端，从而使杠杆外端，即铜龙上颌抬起。这样它所衔的铜球就掉到铜蟾蜍嘴里。值守人员闻声会赶来检查；看哪个方向的龙嘴吐球，就知道哪个方向上发生地震。62候风地动仪安装在首都洛阳的灵台。据《后汉书·百官志》注载，太史令的属官有灵台待诏，在灵台的42名待诏中，管候风的是三名，可能兼测地震，因而地动仪前才冠以“候风”两字。地动仪测定效果很好。据说公元138年，它还测出一次在洛阳无感的陇西地震。63四、冶炼与采矿技术

1．技术装备从遗址发掘的情况看，西汉冶铁技术有很大的发展。河南巩义市铁生沟和南阳的冶铁遗址发掘表明，西汉炼铁竖炉已有较大的规模，有的竖炉高达4m左右。西汉时期采用石灰石碱性熔剂造渣脱硫，并采用把矿石预先破碎，经过筛选使得粒度均匀的整粒技术。欧洲在1000多年以后才有炼铁竖炉。在河南郑州市古荥镇发掘出的炼铁遗址中，已发现各式熔炼炉19座：（20座？）块炼铁冶炼炉3座长方形炼炉2座大圆形炼铁炉6座低温炼铁炉1座椭圆形炼铁炉2座化铁炉1座炼铁坩炉5座其中椭圆形铁炉底面积8.4m2，容积40~50m3。由此可见当时钢铁冶炼的大概。64鼓风技术的发展中，秦汉继承了冶金以橐籥鼓风的技术，所不同的是，当时鼓风动力，不仅使用人力，而且也使用畜力和水力。利用牛马为鼓风提供动力的装置，分别称为“牛排”和“马排”，水力鼓风装置则称“水排”。据《后汉书·杜诗传》记载，东汉初年，南阳（治所在今河南南阳市）太守杜诗，利用水排鼓风化铁，以铸造农具。“水排”是用水力推动水轮，再用曲柄把水轮的圆周运动转变为往复运动，再带动“排”鼓风。652．新品种（1）灰口铁和球墨铸铁至迟在西汉中期，中国出现了性能比白口铁更好的灰口铁。灰口铁是含石墨的铸铁，其中碳分主要是片状石墨形式，断口呈深灰色。它具有优良的性能，如可铸造和切削加工，以及耐磨、润滑和消震等。河北满城一号汉墓出土的铁键和轴承都是灰口铁的制品。灰口铸铁中的石墨呈球状的称为“球墨铸铁”，机械性能比石墨呈片状的灰口铸铁更好。巩义市铁生沟的汉代炼铁遗址发现了相当于现代Ⅰ级球墨铸铁铸造的农具。现代球墨铸铁是1947年研制成功的。66（2）炒钢和百炼钢西汉时还发明了低温炒钢炉、坩埚炉和反射炉等炼钢炉，已能炼出较高质量的钢。1968年，河北满城西汉刘胜墓出土的钢剑，有的钢在杂质含量和组织均匀度等方面已接近现代优质钢的水平。西汉中晚期出现的炒钢技术是，将生铁加热到半液态或半固态，通过鼓风或撒入精矿粉，不停地搅拌，并利用空气或精矿粉中的氧，使硅、锰、碳氧化而被除去，让含碳量降低到钢或铁的范围。炒钢的最早记载见于东汉的《太平经》（卷72）。炒钢技术提供了大量的较为廉价的优质熟铁和钢料，促进了从战国时期形成的百炼钢技术的发展。671978年，江苏徐州市一座小型东汉墓出土一把章帝建初二年（77）的“五十湅”钢剑。1974年，山东苍山县出土东汉安帝永初六年（112）的“三十湅大刀”。1961年，日本大和栎本东大寺古墓也出土一把我国东汉中平年间（184~189）的“百炼炒钢”刀，这是“百炼钢”之名首见于文物或文献的铭刻或记载。683．有色金属冶炼和防锈工艺在秦汉时期，金、银、铜、锡、铅和汞等6种有色金属的冶炼工艺都已被工匠所掌握。由于铁的产量提高，并被广泛用于工具和兵器制造，铜则被大量用于铸造其它器物和货币。西汉武帝时统一铸造五铢钱，至西汉末年铸钱280亿枚。位于陕西西安临潼区骊山的秦始皇兵马俑博物馆展览大厅兵器陈列柜内展出一把青铜剑，表面履盖一个含铬的氧化层。这说明，我国早在距今2100多年前就掌握了铬盐氧化防锈工艺。这种工艺分别被德、美两国的专家于1937年和1950年重新发明出来。694．采掘1）采煤冶铁燃料在西汉初已改用煤，当时叫石炭，这是我国用煤的开始。《史记·外戚世家》：“窦皇后弟曰窦广国，字少君。少君年四、五岁时家贫，为人所略卖，其家不知其处。传十余家，至宜阳，为其主人入山作炭。寒（暮）卧岸下百余人。岸崩，尽压杀卧者。少君独得脱，不死。”宜阳在洛水畔，伏牛山之北，今宜阳、伊川和西川三县。此山色如墨，故称“石墨山”。2）采丹砂《汉书·货殖传》：“巴寡妇清，其先得丹穴，而擅其利数世，家亦不訾。清寡妇能守其业，用财自卫，人不敢犯。始皇以为贞妇而客之，为筑女怀情台。”703）天燃气与石油公元前1世纪，西汉扬雄在《蜀都赋》中讲：“蜀都之地璩，……铜梁金堂，火井龙湫”。这表明，在西汉时，中国人已打井取天然气。在四川成都邛崃市出土的东汉画像砖上的煮盐图表明，当时可能已用天然气煮盐。347年，东晋时成书的常璩的《华阳国志·蜀志》更明确地记载了以天然气煮盐的活动。我国是最早利用和开采天然气的国家。“高奴（今陕西延长），有洧水（石油）可燃”。（《汉书·地理志》）这是我国最早的关于石油的记载。71第四节生物学、农学与医药学一、生物学1．对雁与天鹅迁飞的观察《论衡·偶会》：“雁鹄集于会稽，去避碣石之寒，来遭民田之毕，蹈履民田，喙食草粮。粮尽食索，春雨适作，避热北去，复之碣石。”2．对鲸集体“自杀”的记录《汉书·五行志中之下》：“成帝永始元年（公元前16）春，北海出大鱼，长六丈，高一丈，四枚。哀帝建平三年（公元前4）东莱平度出大鱼，长八丈，高丈一尺，七枚，皆死。《京房易传》曰：‘海数见巨鱼’。”723．《尔雅》中的生物学知识《尔雅》是我国最早的一部解释古代各类词义的专著，由汉代学者缀辑汉、周诸书旧文斟酌增益而成，今本19篇。其中《释草》、《释木》、《释虫》、《释鱼》、《释鸟》、《释兽》、《释畜》7篇，主要是按类解释各种动植物的通名与别名的。在通名中属于动物的超过220种，属于植物的超过140种。73二、农学1．耕作技术（1）代田法，在地里开沟作垄，种子播在沟内。待苗长到三叶以上，在垄土上进行中耕除草，并将垄土推填入沟，培到苗根。第二年再反过来，在垄处开沟，沟处起垄，以利保持地力。当时缦田亩产三斛，代田亩产四至五斛。适用于干旱地区和一般地区的旱年（据《汉书·食货志》）。武帝晚年任用赵过为搜粟都尉，在全国推广“用耦耕，二牛三人”的方法。赵过创立了“代田法”，对西周的“三圃制”轮作法做了重要改进，每亩可增一至二成。他发明并推广了“耧车”，它具备了现代条播器的开沟、下种和覆土三种功能，是古代农具的一项重要发明。赵过还推广了牛拉的大型铁铧犁技术（《汉书·食货志》）。（2）区田法，深挖作区，不耕旁地，区中密植，有数地利用水肥。适用干旱地区的薄地和坡地（据《汜胜之书》）。742．《汜胜之书》《汜胜之书》是西汉农学家汜胜之撰写的。汜胜之是山东曹县人，在成帝（公元前32）时为议郎，曾以轻车使者在三辅地区提倡种麦，并获丰收，后升为御史。他所撰写的《汜胜之书》已佚，现存辑本，为后人从《齐民要术》和《太平御览》等书中辑得。《汜胜之书》主要总结关中地区农业生产经验，发展了战国以来的农学成果。书中论述“趣时”（及时耕作）、“和土”（土地利用和改良）、“务粪”（施肥）、“泽”（保堉、灌溉）、“早锄”（及时中耕除草）和“早获”（及时收获）等六个基本丰产环节。最突出的是区田法和溲种法（在种子上粘上一层粪作为种肥。）书中列举了十多种栽培作物，提出了麦子和谷子的穗选保纯法和桑苗截干法，以及复种、轮作、间作和混作等措施。753．园艺（1）温室栽培《汉书·召信臣传》记载，汉时太宫园中，冬天“覆以屋庑，昼夜燃蕴火，待温气乃生”，适于种“葱韮菜茹”等。（2）套种《汜胜之书》记载，在瓜田套种薤或小豆（采嫩叶作蔬菜）。（3）引种汉使通西域，带回葡萄和苜蓿，在离宫和别馆旁尽种之（《史记·大宛传》）。764．牧业和副业西汉景帝前元二年（公元前155），在西北建马苑（皇家养马场），养马30万匹，牧民有3万多人。先引进乌孙（今新疆伊犁哈萨克自治州一带）良种，后又引进大宛马。东汉时期，朝廷还在四川和云南等地建立皇家养马场。禽畜鉴定和优选成为专门的技术，《汉书·艺文志》著录有《相六畜》38卷，《齐民要术》中保存下汉代《相马经》的内容。东汉名将马援于建武二十一年（45）在洛阳宫铸铜马，是良种马的标准模型。775.《四民月令》《汉书·艺文志》载西汉农书9种，除《神农》、《野老》之外，有四种已下落不明。另三种是《董安图》（12篇）、《蔡葵》（一篇）和《汜胜之书》（18篇），刘向和班固肯定它们是西汉人所著。这三部书也只有《汜胜之书》的一些段落（约3700字）以引文的形式保存在《齐民要术》中。东汉崔寔（？~170）的《四民月令》（166）记载了12个月的农事活动，这是我国最早的“农家历”，其中关于稻秧移栽和果树埋枝繁殖法的记载是最早的。崔寔记载了大麻在雌株开花前拔去雄株，雌株就不能结出果实，第一次说明了植物性别与繁育的关系（见《齐民要术》）。崔寔还编纂了《农家谚》，其中收载了许多有关气象知识的谚语，是我国现存最早的有关天气预报知识的总结。78三、医药学秦汉期间，名医辈出，先进的技术和专著不断出现，有些在世界上是领先的。秦始皇继承和发展了秦孝公的医事制度，设太医令和太医丞，以掌管医药。西汉时，侍医李柱国于公元前26年整理医书，共得医经7家、216卷，医方11家、274卷（《汉书·艺文志》）。马王堆三号汉墓出土了公元前168年的帛书，其中的医方可分为内科、外科、妇科、儿科和五官科等，并且针对50多种疾病的280多个医方和240多种药品，其中还介绍了脉法、灸经和医方。这是我国现存最古老的医学著作。791．著名医家西汉名医淳于意曾记述了25个病人的“诊籍”（医案）。《史记·扁鹃仓公列传》中详记之，这是我国现存最早见于文献记载的珍贵医案。淳于意精于望闻问切四诊，尤以望诊和切脉著称。据“诊籍”所载，他通过仔细观察曾发现一病人脸色黄，认为是“病气”，断定为“此伤脾气”，到来年春势必“不能食饮”，至夏季将“泄血死”。当时患者毫无不适之感，后来的结局果依他所言。淳于意在诊断龋齿病人时提出，这是由于“食而不漱”所致。80张机（150~219，字仲景，以字行世），南阳湼阳（今河南镇平县）人。拜张伯温为师。曾任长沙太守，因家乡瘟疫流行而辞官回乡行医。他“博采众方”，写出《伤寒杂病论》、《评病要方》和《口齿论》等著作。《伤寒杂病论》分为“伤寒”和“杂病”两部分，成书于3世纪，是一部集理、法、方和药于一书的经典医著。张仲景总结了汉代以前的医学理论和实践经验，在《内经》和《难经》等基础上进一步发展了传统医学，提出了“八纲”（阴阳、表里、虚实、寒热），确立了八经证治，使中医的辨证医治体系更加完整，更有系统，也更加切合实际，对以后中医治疗学和日本经方派产生了重大影响。该书的“杂病”部分被后人改编为《金匮要略》。81《伤寒杂病论》提出治疗原则397条，收选方剂300多个，其中记治传染病方30多种。这些方剂的药物配伍比较精炼，主治明确。有的医家把此书尊为“众方之祖”，或称它为“经方”。有些著名效方已经过千百年的临床实践考验，为中医方剂学提供了发展和变化的依据。《伤寒杂病论》中除了大量的内服方剂外，还介绍了针刺、炙、烙、温、烫、药摩、坐药、洗浴、润导、浸足、灌耳、吹耳、舌下含药和人工呼吸等多种具体疗法。张仲景的医学理论和著作，至今仍指导着中医的临床实践和理论研究，是中医学的重要典籍，是医生的必读参考书。其中关于肺脓疡、黄疸、痢疾、肿痈和肠痈等疾病的辨证和治疗，对于癔病（脏臊）包括肿瘤在内的腹肿等疾患，都有详细记载和疗法。82华佗字元化，别名旉，沛国谯郡（今安徽亳县）人。生活在东汉末（与张仲景同时代）。华佗精于各种医术，尤精外科手术。当疾病郁结于人体内部，用针灸和服药的办法不能治愈时，他就让病人先用酒冲服“麻沸散”，等到病人犹如酒醉而失去知觉时，他对病人施行手术，如切开腹部或背部，“抽割积聚”，“除去疾秽”，而后缝合，敷药膏，几天就可痊愈了，一个月就恢复如常了。华佗提倡以体育锻炼方法防治疾病，以延年益寿。他创造了“五禽戏”，即模仿虎的拍动前肢，鹿的伸转头颈，熊的卧倒身体，猿的脚尖纵跳和鸟的展翅飞翔等。借此来增进健康，防御疾病。83马王堆汉墓也出土有类似体操（气功）的图画，可见，做体操在华佗以前就有人提倡了。华佗的弟子很多，虽然他自己未留下专著，但他的弟子却有所作为，如著名的樊阿善于针灸，吴普著有《吴普本草》，李当当著有《李当当药条》，等等。842．医学专著《神农本草经》是战国时成书。这是我国第一部系统的药学专著。此书共收载药物365种，其中植物252种，动物67种和矿物46种，提到主治疾病名称170多种；药物分上中下三品，对各种药物如何配合应用，以及简单的制剂都作了概述。书中分述性味、功用和主治，疗效绝大部分确凿无误，如：水银治疥疮，麻黄治哮喘，常山治疟疾，黄莲止痢疾，大黄泻下，莨菪治癫和海藻治甲状腺肿，等等。首先提出“君臣佐使”的理论。除了《伤寒论》和《金匮要略》，还有《难经》，这部书以论述中医基础理论为主，并且也分析了一些病症、针法和穴位等。《内经》、《难经》、《伤寒论》和《金匮要略》、《神农本草经》初步构成了中国传统医药学的体系。85我国是最早使用杀虫剂的国家之一。《淮南万毕术》“夜烧雄黄（AsS），水虫成列。水虫闻烧雄黄臭气，皆趣火”。即雄黄燃烧放出SO2和AsO3（砒霜）可杀虫。《神农本草经》中也有汞和硫化砷等药物杀灭寄生虫的记载。86第五节机械、纺织与土木工程一、机械制造技术1．农机具从考古发掘工作的成果看，各地出土的汉代铁犁不少。在汉武帝晚年，他让赵过向全国推广“用耦犁，二牛三人”（《汉书·食货志》），即二牛挽一犁，三人操作。至迟在西汉晚期出现一人一牛的犁耕法。从山西平陆县枣园的西汉墓室壁画——牛耕图中可见，其耕犁已有翻土碎土用的犁壁。87山东安丘市、河南中牟县，以及陕西西安市、咸阳市和甘肃礼县都有汉朝铁犁壁出土。战国时期已有播种用的耧。在汉武帝时，赵过在一脚耧和二脚耧的基础上，创造了能同时播种三行的三脚耧。据东汉崔寔《政论》记载，“其法三犁共一牛，一人将之，下种挽耧皆取备焉。日种一顷。至今三辅尤赖其利。”其复原的模型陈列在国家博物馆。88王充的《论衡·率性篇》：“雒（洛）阳城中之道无水。水工激上洛中之水，日夜驰流，水工之功也。”《后汉书·张让传》也记载：“又使掖庭令毕岚……作翻车、渴乌，施于桥西，用洒南北郊路，以省百姓洒道之劳。”《率性篇》所记激水之具，当为《张让传》所称的翻车和渴乌。“翻车”即龙骨水车（国家博物馆有复原的模型），西安水田区一直沿用着。“渴乌”即虹吸管，唐代李贤注文：“渴乌为曲筒，以气引水上也。”89扇车和水碓1973年，从河南济源市西汉晚期墓葬中曾出土陶扇车明器。扇车也一直流传至今。这是扬弃谷物的糠秕用的机械。最早的记载是西汉史游《急就篇》，时间是公元前100年。东汉桓谭的《谭子新论》中有关于水碓的记载，即“因延力借身重以践碓，而利十倍杵舂，又复设机关，用驴、驘（骡）、牛、马及役水而舂，其利乃近百倍。”用脚踏碓舂米功效十倍于杵臼，畜力或水力碓功效百倍于杵臼。902．纺织工具早在商周时期，已有原始纺车，但纺纱一般仍用纺坠。《说文解字·车部》：“軠：此名最早见于杨雄《方言》：軠，纺车也。”用于捻丝作纬线的工具当时称为“繀车”。单锭纺车最早见于山东临沂市银雀山西汉帛画。1972年湖南长沙马王堆西汉墓出土的瑟弦，可能是用纺车将16根丝合股加捻而成。在战国时期出现的脚踏提综的斜织机，到汉代才得以普遍推广使用。江西贵溪县汉代岩墓中发现过这种织机零件。出现带有斜织机的汉画象石的地点有：山东滕州市的宏通院和龙阳店，嘉祥县武梁祠，肥城市考堂山郭巨祠，济宁市晋阳山慈云寺；以及江苏沛县留城镇，铜山县洪楼，泗洪县曹庄；四川成都曾家台。913．奇器奇器是达官贵人们享用的结构奇特的高级用品或玩物，甚至还用作明器。它们采用的机构很巧妙，例如，被中香炉的常平架和七轮扇中的叶轮等。唐代段成式的《酉阳杂俎·物异》：“汉高祖入咸阳宫，宝中尤异者有青玉灯。檠高七尺五寸，下作蟠螭，以口衔灯。灯燃则鳞甲皆动，炳焕若晨星。”这是利用灯火的燃气推动金属制的蟠螭（蛟龙）的鳞甲开合。92据《史记·秦始皇本纪》记载：“始皇初即位，穿治郦山。及并天下，天下徒送诣七十余万人，穿三泉，下铜（锢）而致槨。宫观、百官、奇器、珍怪徒（徙）臧（藏）满之。令匠作机弩矢，有所穿近者辄射之。以水银为百川、江河、大海，机相灌输。上具天文，下具地理。以人鱼膏为烛，变不灭者久之。”这里，自动射箭的弩，以机械灌输水银，以人鱼膏（儒艮油）烛为长明灯，反映了当时的技术成就。93东汉工匠丁缓（谖）创造了被中香炉、常满灯和七轮扇。刘歆记述了被中香炉，即“为机转运四周而炉体常平，可置之被褥”（《西京杂记》卷1）。这种设施是几个环套在一起，不论外边如何转动，内部始终保持平衡。这就保证炉体中的香灰不洒出来。被中香炉是古代机械史上的重要发明之一，是关于万向支架的最早史料。常满灯应是一种自动添油的灯具。七轮扇与上面提到的扇车类似，所不同的是，它的轮轴上装的叶轮不是1个，而是7个。它显然安装在室内，借助人力，摇动生风，可以减轻暑热。94汉代，齿轮之类的机件可能已被广泛应用，如山西永济市和宁夏盐池县的汉代遗址都出土过铜齿轮。陕西永寿和长武两县各发现一个汉代铁制齿轮。其实，据考古发现，从战国末到西汉初，我国已使用铜和铁铸造的齿轮，西汉刘歆《西京杂记》（卷5）中记载的指南车和记里鼓车都使用了复杂的齿轮传动系统。这是世界上最早的控制机械之一，是古代工程制造技术上的最杰出的成就。954．空气动力机械空气动力类器械早在尧舜时代就有人探索，秦汉时代的研究就更深入了。唐代赵昕的《息灯鹞文》：“我闻淮阴[侯韩信]巧制，事启汉[高祖刘]邦。楚歌云上，或云子房（张良）”。宋代高承的《事物纪原》：“纸鸢俗谓之风筝，古今相传云是韩信所作。高祖之征陈豨也，信谋从中起，故作纸鸢，放之以量未央宫之远近。欲以穿地隧入宫中也。”这是说韩信为谋反而创制风筝。一说是，在汉军攻楚军时张良创造风筝，把人放到天空，对着楚军大唱楚歌。这类传说反映，在西汉初已有风筝，也许发明于战国时期。96《汉书·王莽传下》：“或言能飞，一日千里，可窥匈奴。莽辄试之。取大鸟翮为两翼，头与身皆著毛。通引环纠，飞数百步坠。莽知其不可用。苟欲获其名，皆科为理军，赐以车马，待发。”这是第一次失败的尝试，但在技术史上仍有一定的地位。关键是“取大鸟翮为两翼”和“通引环纠”两句，实际上是从高处跌下的滑翔。试验者得以不死，说明这种“滑翔机”已达到一定的水平。《太平御览》：“《文士传》：张衡尝作木鸟，假以羽翮。腹中施机，能飞数里。”张衡在公输般和墨子的木鸢或木鹊的启发下可能做过这样的尝试。975．运输工具《说文》中有“{煢车}（张营切），车輮规也，一曰一轮车。从车荧省，声读若茕。”“輮”是车轮的外周。成都杨子山二号墓出土东汉画象砖上有独轮车的图案，这说明东汉时已使用独轮车，且为古代重要运输工具。随着航运的发展，我国造船业有较大规模；并具备了很高的技术水平。98广州市曾发现秦到西汉初的规模巨大的造船工场遗址，船场采用了船台造船与滑道下滑相结合的结构原理，这已同现代造船厂的船台与滑道相结合的基本原理一致。据船台长宽计算，当时已能造宽6-8m，长30m，载重50-60T的木船。至迟到东汉，我国已发明船舵，广州东汉墓出土的陶船模型上有舵。舵的发明是造船技术上重要进步。996．水运浑天仪117年，张衡主持制造“水运浑天仪”（即浑象），这是用水流作动力。它是一架完整的天球模型，具有南北极、黄赤道、恒显圈、恒隐圈、地平圈和子午圈，以及二十八宿中外星官的位置等结构。它可以准确自动地演示天体运行的情况，是现代天象仪的前身。为使浑象能自动旋转并与天球旋转同步，张衡还设计了一套齿轮系统，以漏壶的流水为动力来控制浑象的旋转速度，并使浑象的转动与地球自转速度相等。一周一昼夜，可将天象准确地表现出来。借助它不必在户外观察就能随时知道某星中天、某星东升、某星西落。“水运浑天仪”实际上是世界上最早的天文钟。张衡还用一组齿轮系统，推动一个叫做“瑞轮蓂荚”的机构，用此法可自动地报告日期。这实际上是一种机械日历。100《史记·秦始皇本纪》记载，秦始皇统一全国后，“以天下兵聚之咸阳，销以钟鐻、十二金人，各重千石，置宫廷中。”这可以看作是铁器全面取代铜器的象征。而真正实现这一取代，是在西汉中叶。汉武帝于元狩四年（公元前119）共设铁官（铜器工业的管理处）48处，分布在陕西、山西、河南、山东、江苏、湖南、四川、河北、辽宁和甘肃等地。每个铁官占地从数万到数十万平方米，拥有炼铁炉十余座。“诸铁官皆置吏率徒，攻山取铜铁，一岁功十万人以上。”（《汉书·贡禹传》）由此可见，当时钢铁工业规模之大。《汉书·西域传》上也载有：“自宛以西至安息国，……其他皆[无]丝漆，不知铸铁器。及汉使、亡卒降，教铸作它兵器。”说明武帝时，我国生铁冶铸技术传至西域。101二、纺织秦汉之际，丝绸工业已很繁荣，汉朝已设东织室、西织室和服官，出现拥有几百间厂房和数千名织工的手工场。马王堆一号汉墓出土了大量的丝麻织品，出土的品种包括纱、罗、绮、锦、绫和纹罗等精美的提花织物，还有凸版着色套印的印花纹，以及多次套染与媒染相结合的染成的织物，据分析，这些织物的颜色共有36种色相，花型层次分明，纹样具立体效果，外观甚为华丽。轻薄的“素纱婵衣”和厚实的“绒圈锦”，突出地反映出汉初的缫、纺、织和染的技术水平。其中的素纱织物在观感上可与现代尼龙纱相比美。这些纺织品中的细麻布相当于21~23开，经密32~38根/厘米。102早在秦代，就有吴地（今江浙间）兄弟二人将养蚕、缫丝、织绸和成衣的技术传到日本。西汉初，我国的丝绸在国外的声誉很高，并进而将这些技术陆续传到缅甸和印度，欧洲和北美等地。《汉书·张骞传》记载，我国蜀布经身毒输往大夏（今阿富汗）。《汉书·地理志》记载，汉朝时曾以杂缯与南海诸国贸易。我国使用织机也是最早的。《诗经》中提到“杼柚”（zhùzhóu，“柚”即轴，今作杼轴。朱熹解释：“杼，持纬者也；柚；受经者也。”），其中“杼”为梭子，“柚”为筘（kòu），都是织机上的主要部件。江苏泗洪汉画像石有布机图，布机的主要构件有木泰（？榛）经轴、怀滚、马头、综片、蹑（脚踏木）等主要部件和一个适宜操作的机台。提花机是从布机发展而来的，但结构要复杂得多，能织出复杂的花纹组织。103据《汉书·食货志》记载，武帝时，一年诸郡输帛达500万匹。秦汉时期，我国纺织品经由内大陆“丝绸之路”远销欧洲。公元前113年，西汉刘胜墓的两套金缕玉衣，各由2000多片玉片组成。研究表明，当时用圆片锯切割玉片，有的锯锋宽仅0.35mm，说明当时已有效率很高的轮轴切割机械。玉片钻孔采用的是砂钻法，小孔直径仅1~2mm。玉片还经过仔细地抛