我国的四大发明(现代科技四大发明)

最近，关于中国古代“四大发明”的讨论引起了公众的关注。笔者认为，就这件事的来源而言，应该不会有什么大的争议。即使有，细节考证也有些差异，不会那么热闹。换句话说，学术圈(科技史的研究领域)没有大浪淘沙，造成“墙内太平，墙外麻烦”的一个很大的因素是，公众可能并不真正了解“四大发明”本身。

主要讲“四大发明”的基本事实，包括几个容易引起公众混淆的问题，以及最近一些学者相关研究的推进，也讲了它们的传播和影响。需要强调的是，“四大发明”可以追溯到16世纪意大利数学家卡丹指出的“三大发明”。经过英国哲学家培根、美国学者卡特、英国李约瑟等人的总结和传播，成为“造纸术、印刷术、火药和指南针”的现行标准说法。这句话不是中国人自封的，是“外国人冠上的”。

造纸

造纸术的精髓，如果用一句话来概括就是:中国人在西汉就发明了造纸术，这种技术在后来的岁月里传遍了全世界。如果不够全面，可以补充:东汉蔡伦对其进行了改进。

就造纸术而言，一个引起公众困惑和不解的词是古埃及的“纸莎草纸”。这种“纸”很早就出现了，可以追溯到五千年前，但真的不是专业意义上的“纸”。这就要引出“纸”的定义，但这是一件很难的事情，因为这个定义一旦出现，估计会吓跑一大半的读者。但如果不给，又解释不清楚，只会被残忍地扔出去。造纸专家潘继兴认为，传统意义上的手工纸是指:

“植物纤维原料经过机械和化学处理，得到纯净分散的植物纤维，与水混合，使浆料流过多孔模具的幕面。滤除水分后，纤维在帘面形成湿润的薄层，干燥后得到具有一定强度的纤维片，这种纤维片是由纤维素通过氢键缔合而形成的。它用于书写、印刷和包装。”

其实已经包含了传统手工纸的工艺流程。再来看“纸莎草”的制作。它把纸莎草的内径切成细长的长条，然后把长条敲打浸湿，取出来，纵横交错地铺成两层，最后挤水，粘在一起，晾干，打磨成“纸莎草”。这种“纸”可以算是一种人造的(更不用说编织的)材料了，连散落的莎草纤维都没有得到，更别说别的了？因此，纸莎草中的“纸”字只是在与现代书写纸类似的意义上所指，绝不是传统手工造纸中的“纸”字。纸莎草纸和造纸术这两种“纸”的区别，就像足球、篮球、排球和地球这两个“球”一样。它们形状相似，但质量不同。

现在有足够确凿的证据表明，在东汉蔡伦之前的西汉时期，中国就已经发明了纸或者掌握了造纸术。这些证据主要是考古的，通过现代检测技术的分析，对这些纸张的加工工艺(也就是造纸)有了比较充分的了解。

截至目前，甘肃、新疆、陕西、四川、广东等地均有西汉时期的纸张出土。这里只说甘肃敦煌吊泉遗址出土的纸。这个遗址出土了460张纸。底部分布虽有西汉、东汉、西晋，但仍是汉代古纸出土最多的遗址，西汉古纸占多数。南京信息工程大学李晓岑教授对这些古纸做了调查分析，认为这些古纸多为麻纤维制成，纤维厚实、表面粗糙、不均匀。这些纸是用纸浇注而成的；在晚期地层中发现了表面薄而光滑、纤维分布均匀、有帘线的古纸。这些纸是由造纸制成的。总的来说，造纸术是在西汉时期在中国发明的。东汉蔡伦改进造纸，使造纸成为传统造纸的主流。

图1甘肃省金塔县寿水金关遗址出土的西汉纸。

(作者摄于2019年国家博物馆“丝绸之路通道——甘肃文物展”)

有些人不能接受蔡伦不是纸的发明者这一事实。这是个人情感问题，不是历史问题。但是，作为造纸史上的伟大改进者，蔡伦的功绩是不能抹杀的。用潘继兴先生的话来说，“一是蔡伦组织制作了大量高质量的麻纸呈献给朝廷，并利用官权加以推广；其次，蔡伦倡导纸的生产，突破了用木质韧皮纤维造纸的技术，扩大了造纸的原料，促进了造纸的发展。”当时，蔡伦受方上之命负责宫廷器皿的制造，并组织改进和推广造纸术。还有谁？

从2世纪到5世纪，中国的纸和造纸传到越南、日本和朝鲜，8世纪传到中亚，12世纪通过阿拉伯传到欧洲。经过仔细考证，潘老师画了一张交流路线图(图二)，请大家过目。

图2中国造纸技术示意图(潘继兴绘制)

印刷

说到印刷，我们不得不澄清另一个容易混淆的概念——活字印刷。在机器印刷之前，先出现了雕版印刷，然后发明了活字印刷。它们都是起源于中国的传统印刷。但在中国古代，雕版印刷占主导地位，原因后面再分析。

至于雕版印刷发明的时间，学术界已经趋同，将早期的争论集中在唐朝，这应该是毫无疑问的。只是唐朝持续的时间太长了，对于是哪个时期，学术界还持有不同的看法。造成这种现象的主要原因是一些尚未出土的早期印刷材料的年代存在争议。

先抛开争议的问题，那么先来提一下最早的刻有完整年份的雕版印刷品，即《金刚经·般若波罗蜜多经》(简称《金刚经》，图三)，1907年在敦煌发现，被斯坦因抢回英国，现藏大英图书馆。原卷长487.7厘米，高24.4厘米，刻有六个印字，加上卷首的“释迦牟尼的声明”，由七张印页组成。卷末镌刻“咸通九年四月十五日，王杰为第二位父母进行普遍捐赠”的铭文，刊于868年。这幅印刷品是雕版印刷技术的成熟之作，雕刀娴熟，用墨均匀。

图3大英图书馆部分金刚经(图片来自网络)

雕版印刷的发明与传入印度的佛教密切相关。所以到了唐代，雕版印刷的产品以佛经为主，同时也开始向民间传播，如日常历书、阴阳杂注等。五代时，后唐宰相冯道主持了儒家经典《九经》的刻印工作。从那时起，雕版印刷开始流行，并在宋代达到顶峰。

活字印刷出现在雕版印刷兴盛的宋代。雕版印刷有两个突出问题:一是效率低，一套书只能印一种书；如果你再印一份，你需要重印。其次，因为是整版印刷，如果印版某处出错，整版就会报废。针对后者，在北宋毕升发明泥活字之前，一些雕版印刷与活字印刷相结合的技术就出现在了官契的印版上。也就是说，对于一些只需要几个字改动的公文，“灵活处理”，在原木板上刻出凹槽，再刻上改动后的“木活字”，随意改动。

这种修补“木活字”的技术，严格来说不能算是真正的活字印刷，但这种思路反映了一种改变雕版印刷的方向。北宋时期(1041-1048)，平民毕升创造的泥活字出现了，沈括在《孟茜碧潭》中详细记载了他的事迹。

《孟茜笔谈》记载了毕升创作的泥活字。就工艺流程而言，相当完备，包括造字、设置、排版、定影、打印、去除、存储、工作效率。甚至毕升死后，那些活字都被沈括的侄子们收藏了。史，毕升能名于后世。

然后，就木制活字而言，1991年，在宁夏贺兰县发现了一个西夏文字的活字印刷本，年代可追溯到12世纪下半叶。这也是迄今为止最早的木制活字印刷产品。关于活字印刷技术的完整文献最早见于元代王镇的《农书》。当时王真人(今安徽)任旌德县令，用木活字印刷了六万多字的旌德县志(可惜今已不存在)。效率还不错，不到一个月就印了100本，大概是13世纪末。活字印刷有个缺点，因为汉字多，捡字排版比较麻烦。为此，王镇还发明了两个便于取字的轮子，这是工艺流程上的一大创新。

先说金属活字的问题。许多学者，特别是潘继兴先生，做了大量的考证工作。综合目前各方呈现的事实，比较客观的结论是，中国发明了金属活字印刷，铜活字在朝鲜半岛发扬光大，欧洲古腾堡的铅活字改变了世界。

解释最后一个吊诡的问题，为什么活字印刷术发明于宋代，却始终没有成为传统印刷技术中的主流？主要有两个原因:首先，对于官方的印刷行为来说，大部分是儒家经典。用时髦的话来说，古代叫“龙卖书”。刻一套板至少在很长一段时间内可以“一劳永逸”，刻活字排版费时费力。对于小书店和作坊来说，每次只有几版，雕版比活字方便。其次，活字印刷技术本身，由于我们的汉字体系，制作一套活字(包括多余的、重复的常用字)成本很高，对排版、挑字人员的要求也比较高，而雕版印刷就没有这种担心，甚至雕版工匠一个字都不认识也能做好本职工作。

火药

关于火药是中国发明的这一事实，长期以来一直有两种戏谑。有一类话源于鲁迅在《电的利与弊》中说，“外国用火药做子弹御敌，中国却用它做鞭炮祭神。”鲁迅先生警醒国人的用意是好的，但与事实相悖。虽然我们用火药做烟花，但是第一次用火药做军事防御也是我们的发明。他前半句也是有问题的，因为用火药做子弹不是我们发明的黑火药，而是18世纪西方发明黄火药的产物。这正好引出另一种戏谑要讨论。是黑粉还是黄粉改变了世界？这个问题其实就像问火柴或打火机的发明伟大，还是计算尺或电脑伟大。看来有必要澄清一下黑粉和黄粉。

一般来说，火药是硝石、硫磺和木炭(或其他容易碳化的有机物)按一定比例混合而成的。因为点燃后迅速爆炸产生黑烟火焰，所以又叫黑火药。在现代火药(即黄火药)发明之前，黑火药是世界上唯一的火药和炸药。它曾经发挥过起爆药、推进剂和烈性炸药的三重作用，不仅用于军事行动，也用于工程爆破。

黄色火药，严格来说应该叫黄色炸药，起源于19世纪。1771年，一位英国化学家化学合成了苦味酸(三硝基苯酚)，但起初它只是作为一种黄色染料，并没有发现它的爆炸性。直到1885年，它才被一位法国化学家用来装填炮弹，称为黄色炸药。后来的TNT和二战后的高性能混合炸药都是黄色炸药的发展。

先说中国古代火药的发明，火药与炼丹术关系密切，起源于炼丹师的“放火法”。军事科学院火器史专家王指出，“抑火”主要有三个意图:一是“杀病毒”，即通过用火烘烤、炖煮的方法，降低某些药物的固有毒性；二、制服某些药物受热后易挥发逸出的性格；第三，驯服某些混合药物的爆炸性。学界普遍认为，最迟在9世纪，火药的配方最早出现在炼金术士的“放火法”中。

写于唐宪宗元和三年(808年)的《大圣金丹秘笈》和《箔矾之法》明确记载了硫磺二两、硝二两、马兜铃(明火炭化)三钱半的火药配方。到了10世纪下半叶，也就是五代到北宋初期，火药已经用于军事。《宋史》记载了这一时期的许多火器，如火箭、火球、火蒺藜等。宋仁宗天盛元年(1023年)，都城汴京有了专门生产火药的“火药作坊”，“火药”一词从此诞生。1044年《武学总要》首次记载了三种军用火药配方:毒烟球、火炮火药、蒺藜火球。此时的火药配方硫含量高，碳含量低，加上植物油，整体呈糊状，起主要燃烧或纵火作用，不能用作推进剂。

图4武术总要中的“蒺藜火球”和“诱火球”

南宋绍兴二年(1132年)，在坚守德安(今湖北安陆)八股时，使用手持喷火器“长竹枪”。1259年，宋军使用了射弹枪，这是一种管状的射击火器，火药具有燃烧和发射的功能。13世纪末，元军使用金属管形火器。现存最早的有确切年代的器物是元大德二年(1298)的青铜碗口器，现藏于内蒙古蒙古元文化博物馆。14世纪明军还制造了铸铁火炮，如山西博物院藏明洪武十年(1377年)的铸铁火炮。

潘继兴先生画了一张地图(图5，一目了然)是关于中国火药和火器技术的路线图。

图5中国火药和火器技术示意图(潘继兴绘制)

指南针

爱因斯坦在晚年的一份自述中说，在他4-5岁的时候，父亲给了他一个指南针。指南针的准确操作非常奇怪，这让他很震惊。这段经历给他留下了持久而深刻的印象，一直萦绕在他的脑海里，直到晚年。在“四大发明”中，指南针可能是最受关注的。一方面是大众对这个美好事物的好奇；另一方面，指南针研究在学术界还有很多想象空留下。

带着好奇心和想象力，围绕指南针演绎出很多版本的坊间传闻，其中最集中的关键词应该是“新浪”。除了懵懂的孩子，“新浪”在国内的知名度非常高。一个磁勺在一个标有方向的光滑的方形铜板(锅)上旋转。这个形象已经深入人心，频频出现在电视、报纸、网络、教科书上。“新浪”可以做向导吗？到底靠谱不靠谱？

“司南”最早出现在战国末期的《韩非子》中，有“先做个王的司南”之说。意思很明确，君主由司南决定。怎么修？东汉王充《论衡》中记载“思南瓢，抛于地，为其导。”这句话，学界可没少花功夫，文字学、训诂学、版本学、模拟复原试验等。，这几年终于有了比较大的突破。

中国科学院自然科学史研究所副研究员黄兴在国家博物馆王振铎先生的新浪修复方案基础上做了详细的实证研究，支持王振铎的“磁铁勺”修复方案，是各种磁铁制作的指点器中最好的设计方案。黄兴还指出，在秦汉时期，新浪甚至不需要放在光滑的平底锅上，在平坦光滑的普通地面上也能起到有效的引导作用。这相当于修改简化了王振铎的恢复计划。所以可以认为新浪可靠的可能性太大了(关键是磁铁勺是不是新浪，笔者持乐观态度)。

在晚唐(803 -863)段的《酉阳杂耍》中，明确记载了巡游时携带磁铁和磁针，磁针漂浮在水中。到了宋初，关于指南针的历史文献齐刷刷地出现了。比较重要的有:一、王绩《关地理指法注》，其中有一首诗提到了磁针和磁偏角。王绩是当时有名的风水先生，也就是风水先生。他的注释日期应该是11世纪上半叶。其次，天文学家兼风水先生杨于1041年完成的《涩谷通志》也记载了磁针和磁偏角。最后，《吴要》记载了人工磁化的“指南鱼”。不久，另一种人工磁化技术出现在沈括的《笔谈孟茜》中，“用磁铁磨针锋”，记载了四种磁针放置方式，还提到了磁偏角。

世界上最早关于指南针用于航海的记载，最早出现在北宋朱奎(1119)的《平洲可谈》。“一个船师傅，懂地理，晚上看星星，白天看太阳，黑夜看罗盘。”早期航海使用的水罗盘是在瓷碗或瓷盘周围画一个圈或者用圈套一个圈，就是针碗。6以现在藏于西藏的旅顺博物馆的这个元代针碗为例。使用时，先将碗装满水，放入戴在浮子上的磁针，然后将碗底部“王”字中的垂直线与船体中心线对齐。如果船体转动，磁针与垂直线的角度会发生变化，可以根据刻度指示方向。

图6元代针碗

(由旅顺博物馆收藏，作者摄于2018年国家博物馆“无问西东——从丝绸之路到文物复兴”展览)

指南针也是中国发明的。1985年，考古学家从1198年埋葬于江西临川的南宋古墓中发掘出两件张俑。小雕像手持罗盘，学界公认是一种有轴支撑结构的干式罗盘。2013年，宁波中国港口博物馆收藏了一件南宋时期带有指南针的小雕像(图7)，其形制与临川出土的相似。

图7南宋手持指南针的陶俑

(由宁波中国港口博物馆收藏，作者摄于2018年国家博物馆“无题，西方与东方——从丝绸之路到文物复兴”展览)

标签

近年来，许多科技史学者对中国古代科技遗产进行了梳理和总结，为帮助传播和普及中国古代科技文明做出了积极的尝试。相关历史学家有责任和义务继续普及和阐明中国古代的重要科技发明。只有这样，公众和舆论对相关问题的判断才能远离低级的混乱，趋于客观。

资料来源:中国科学院自然科学史研究所