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张柏春:由《天工开物》看中国独特的发明创造

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张柏春 中国科学院自然科学史研究所研究员

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中国古代科学技术是中华文明的一个重要组成部分。其体系形成于秦汉时期,此后不断充实和提高,在宋元时期达到高峰。在中国古代历史中,有大量的珍贵典籍流传于世。例如:关于数学,有《九章算术》和《四元玉鉴》;关于医学,有《黄帝内经》和《本草纲目》;关于农学,有《齐民要术》和《王祯农书》;关于军事技术,有《武经总要》和《武备志》;关于建筑,有《营造法式》;关于天文仪器,有《新仪象法要》,等等。这些典籍向我们展示出中华民族的发明创造及其对世界文明的巨大贡献。

一、《天工开物》的主要内容及学术价值

从手工业生产技术来看,成书于战国时期的《考工记》,是我国第一部手工艺百科全书。但这部典籍存在两方面缺陷:一是,其所记载的技术门类是根据当时手工业生产技术来划分的,比如,单马车的车轮制作就进行了专门论述;二是,这部典籍只有文字,没有附图,为后世研究与传承带来很大难度。从农业生产技术来看,中国自古以来出现了很多种类的农书,其中元代的《王祯农书》影响较大。《王祯农书》用大部分篇幅记载了“农器图谱”,几乎囊括了所有传统农具和主要设施,堪称中国最早的图文并茂的农具史料。而由明代宋应星所著的《天工开物》,记载了大量中国古代生产技术方面的发明创造,首次把手工艺和农艺整合成一部书,被誉为中国第一部关于农业和手工业生产技术的百科全书。

《天工开物》共三卷十八篇,准确而精炼地记载了作物栽培、谷物加工、制糖、酿酒、制盐、养蚕、纺织、染色、造纸、陶瓷、采矿、冶铸、锻造、舟车、石灰、火药、兵器、颜料、珠玉等重要门类的生产技术及相关的工具和机械,图文并茂地描绘出中国古代农业社会的技术体系。《天工开物》首次刻画了中国古代工农业生产的一些场景,如制糖、炼制熟铁、炼银、炼锌、铸钱、锤铁锚、制针、凿井取盐、采煤等,扩展了明以前的记载,填补了科技典籍的空白。

宋应星把多年走访大江南北了解到的生产方式和功能技术都记载下来,文字精练准确,绘图尽量写实。但若是不熟悉的或没见过这项技术和工具的人,即便照着图文也不一定能做出来。也就是说,这部文献在当时未必能用于实践。但对于历史研究者来说,《天工开物》的作用非常重要。因为通过研究文献中的记载,我们可以明确一些技术出现的时间下限。尤其是《天工开物》为炼锌、白铜、顿钻等一些重要技术贴上了“中国发明”的标签,明确了某些技术出现的时间下限,在传承中华文脉方面发挥了独特的作用。

那么,《天工开物》中到底有多少中国独特的发明创造?2016年,中国科学院自然科学史研究所推选出“中国古代重要科技发明创造”共88项。也就是说,除了我们熟知的“四大发明”之外,还包括很多其他发明创造。要知道,“四大发明”是欧洲人给我们贴的标签。早在19世纪下半叶,英国来华传教士艾约瑟就将造纸术、印刷术、指南针、火药并称为中国古代“四大发明”。此后,“四大发明”成为中华文明的重要标志。但是,中国不止这“四大发明”,到底还包括多少?2016年推选出了88项。而这些在《天工开物》中大部分都有记载。

《天工开物》共三卷十八篇。今天,我们主要介绍其中的部分篇章。

第一,乃粒。这一篇主要记载了稻、菽的栽培及农用设施。中国是栽培稻的起源地。我国先民早在一万多年前就成功驯化水稻,发明水稻栽培技术。考古学家在江西省万年县仙人洞遗址和吊桶环遗址发现了距今约12000年的稻作遗存。这是中国创造农业文明的一个重要标志。如今,水稻已经是世界第一大粮食作物,世界上一半以上的人口以稻米为主食。由此可见水稻栽培技术对人类文明的重大贡献。

许多人知道中国从美国进口大豆,却很少有人知道中国先民最早掌握大豆栽培技术,并以大豆为植物蛋白质的重要来源。在距今大约四五千年的龙山时代,大豆已有较为明显的驯化特征。春秋战国时期,大豆成为重要的农作物和主粮。西汉时期,人们开始用大豆制作豆酱,并逐渐发展为酱油,同时还发明了豆腐。

在作物栽培中,灌溉是必不可少的,因此水车就出现了。自春秋战国以来,随着农田耕作规模的扩大,农业灌溉设施由工具桔槔、辘轳发展到机械龙骨车(又名翻车、龙骨水车)。

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龙骨车,出现于东汉时期,是利用链传动来带动水槽内的刮板翻转从而将低处的水引向高处的灌溉机械。它与同时期出现的阿基米德螺旋式水车功能相近,但工作原理不同,一个是利用阿基米德螺旋原理,另一个是利用链传动原理。二者体现了东西方灌溉机械技术的平行发展。龙骨车是中国独有的一项发明,后来传到了朝鲜、日本、越南等国家,甚至有的地方至今还在使用。

这里有个问题,辘轳是利用轮轴原理来实现深井取水的,而龙骨车是利用链传动把低处的水引向高处的。可见,二者的工作原理差距非常之大,那么龙骨车是怎么发明出来的,如何实现从辘轳到龙骨车这一步跨越的?这很难说清楚。要知道,一项发明创造,从无到有再到成熟,是非常难的。因为在这一过程中,知识出现了一个跃升,而科学技术就是在知识的不断跃升中发展的。

责任编辑:赵苇校对:叶其英最后修改:
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