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1、由天工开物看中国独特的发明创造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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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棒、辘粉发展到机械龙骨车（又名翻车、龙骨水车）。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，辘湖是
7、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，如何实现从辘粉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。第二，乃服。这一篇主要记载了养蚕、缄丝等的生产技术与机械。考古证明，距今5000多年前，我国先民已经开始养蚕。河南省荥阳市青台村仰韶文化遗址出土的丝织物残片，就属于典型的桑蚕丝。山西省夏县西阴村遗址出土的半颗蚕茧，也为我国养蚕起源的时间和地点提供了证据。也就是说，距今5000多年前，我
8、国就已出现堞丝工艺。至宋代，脚踏缄车上出现了脚踏曲柄连杆机构。提花机，是由中国人发明的，在西汉时期已用于织造。之前，对于提花机的研究只停留在考古发现的墓室壁画上,并没有确切的证据。直到2012年成都老官山汉墓出土了4台提花织机模型。2015年，有关专家根据模型成功复原了汉代提花机。这意味着，在西汉时期，我国就已经有了较为成熟的提花技术和提花织机。天工开物中记载的提花机（如上图），较汉代提花机结构更为复杂而精密，在当时明显处于世界先进水平。第三，粹精。这一篇主要记载了水碓和风扇车。水碓，是一种借水力舂米的农用工具，自西汉以来流行于中国大多数地区。相较之前的农学文献，天工开物对水碓的记载更加详实，
9、尤其是在绘图中对其机械结构的刻画清晰而准确。风扇车，发明于西汉时期，是一种给谷物脱粒用的工具。之前的一些农用文献都有关于风扇车的记载，如王祯农书所绘的开放式风扇车。而天工开物中绘制的风扇车，在结构上与之前的有所差异，是一种闭合式风扇车。这体现了知识和技术的演进。第四，作咸。这一篇主要记载了制盐技术及机械。天工开物中的绘图没什么艺术价值，但具有很高的技术价值。上图所绘的用顿钻技术打深井取盐的技术及机械。宋应星把顿钻技术的工作原理、机械装置以及操作过程都尽量写实地表现出来，尤其对技术细节的描绘，非常可贵。第五，甘嗜。这一篇主要记载了制糖技术及机械。制糖中的轧蔗技术及机械。绘图中表现的是一只牛在拉动
10、机械,而实际上，把一根根甘蔗放到辐里，通过牛力拉动机械榨糖,通常需要两到三头牛。我们知道，古代制糖技术起源于印度,但中国的轧蔗技术具有自己的特色，如图中所绘的斜齿轮的应用。第六，陶蜒。这一篇主要记载了瓷器的烧制技术。我们知道，瓷器是中国人的发明。在陶器烧制技术的基础上，我国先民在商代早期就发明了原始瓷，东汉时期烧制出成熟的瓷器。此后，瓷器技术不断发展，形成白釉瓷、青釉瓷、青花瓷、五彩瓷等绚丽多姿的品种。从唐代起，中国瓷器逐渐外销到亚洲以外其他地区，如欧洲、非洲和美洲等。第七，冶铸、锤锻、五金。这三篇主要记载了冶金、炼钢等技术及机械。冶铸，主要是冶炼和铸造工艺。天工开物中详细描绘了古人把生铁炼成
11、熟铁的工艺流程。其中，风箱是中国人的一个独特发明。早期是人力鼓风、水力鼓风，之后发展成上图中这种往复式的鼓风装置一一风箱。可以说，这是近代鼓风机出现之前鼓风效率最高的装置，同时也是中国古代冶金技术发展的一个重要条件。锤锻，主要是锤锚、锻造工艺。如上图，几位工匠一起锻造一个大铁锚，体现了中国锻造工艺的发达。五金，主要是炼锌。以生铁为本的钢铁冶炼技术。欧洲钢铁技术的发展，有两个关键的时间节点：一是18世纪，英国人亚伯拉罕达比通过将焦炭引入炼铁技术，冶炼出了硬度较高的“达比铁”；二是19世纪中叶，欧洲发明了转炉炼钢法和平炉炼钢法，奠定了现代炼钢法工艺。也就是说，在由铁变成钢的技术路线上，欧洲是从纯铁
12、出发，通过增加纯铁中的含碳量得到钢。而中国与之不同，是从铸铁出发，想办法降低铸铁的含碳量得到钢。实际上，春秋时期，我国就发明了生铁冶炼技术，并以此为基础，发展出一整套独特而且先进的钢铁冶炼和加工工艺。至迟于战国时期，发明了将白口铁加热获得可锻铸铁的铸铁柔化技术、将白口铁退火脱碳获得铸铁脱碳钢的制钢技术。至迟于西汉，出现了在半熔融状态下将生铁炒炼脱碳成熟铁或钢的炒铁、炒钢技术；至东汉已经掌握了将钢铁制品进行多次折叠锻打的百炼钢技术，还出现了将生铁和熟铁合炼成钢的制钢技术，之后发展成为灌钢、夹钢、贴钢、生铁淋口、炳钢等多种制钢技术。第八，杀青。这一篇主要记载了造纸技术。造纸术发明于西汉时期，其工艺
13、以图文方式记录下来，是在明代天工开物中。第九，佳兵。这一篇主要记载了火药料、硫黄及火器等生产技术及机械。中国人最早发明火药，起初是为了炼丹。炼丹家在炼丹过程中偶然发现把硝石、硫黄和木炭三种原料放在一起合炼会引发爆炸，之后就发明了火药。唐代，不仅有了火药的配方，而且还开始用于军事。宋代，火药用于娱乐，被制成焰火，当时比较有名的叫“地老鼠”，同时在军事上，被制成火器，用于战争之中。比如，重庆市合川区钓鱼城范家堰遗址出土的南宋球形火雷残片，可以说是中国乃至世界火器史上发现最早类型的炸弹残片，是目前国内乃至国际上较为罕见的初级火器实物资料。13世纪宋蒙（元）战争中，蒙军通过掘地道进攻钓鱼城，而宋军则以
14、铁火雷御敌。当时，宋军的防御效果还是不错的，最后失守也是因为弹尽粮绝。如图，这是火铳的铜管。火铳，发明于元代，是中国古代最早的金属管形射击火器，也是世界最早的金属射击火器。它的出现，使热兵器的发展进入一个新的阶段。之后明清时期，中国火器发展日渐缓慢，最终落后于欧洲。天工开物中不仅记载了中国本土的火器，而且还介绍了欧洲的，比如来自葡萄牙的火绳枪，明朝人称其为“鸟铳”。第十，曲藁。这一篇主要记载了酿酒工艺。酿酒起源于中国。考古发现，世界最早的含酒精饮品的证据出自我国河南省贾湖遗址，距今约9000-7500年，此时我国先民就掌握了含酒精饮品的酿造技术。从出土的文物来看，当时的陶器盛放过一种由大米、蜂
15、蜜和水果（山楂或葡萄）混合成的含酒精的发酵饮品。商周时期，我国先民可能已懂得利用曲孽发酵技术酿造谷物酒。天工开物中，宋应星就详细记载了这一工艺。二、天工开物促进欧洲技术革新16世纪晚期，欧洲传教士来华并开始关注中国的知识传统。德国数学家莱布尼茨虽然未曾来过中国，却向来华传教士提出了30个有关中国的问题，其中18个问题涉及养蚕、丝绸、染色、铸铜、制瓷、火药、造纸、风车和农具等方面的独特技艺。而那位传教士对这些知之甚少，没能回答他几个问题。到19世纪30年代，法国汉学家儒莲将天工开物中的养蚕、造纸、制墨、五金、锻造等内容摘译成法文，公开发表在重要的科学刊物中，引起了很大反响，不仅充实了欧洲的科技知
16、识，而且帮助人们改进了某些实用技术。例如,告诉欧洲人应该如何防治蚕病，启发他们扩大造纸原料的选取范围，解决造纸原料短缺问题。欧洲人通过天工开物学到了很多中国的生产技术,但瓷器、茶叶、丝绸等仍然是中国的拳头产品。当时，中国对国际贸易的依赖程度并不高，然而就在这有限的对外贸易中，瓷器、茶叶、丝绸仍占有较大比例。也就是说，这些是我们最有竞争力的出口产品，是平衡贸易、创造顺差的重要手段。为此，欧洲人不断寻求破解技术或替代品。他们先是掌握了丝绸织造工艺，之后用斯里兰卡或印度茶叶替代中国茶叶，但制瓷工艺在很长一段时间都无法掌握。因为，中国的制瓷工艺复杂，且原料高岭土不好找。直至1708年，德国人伯特格尔找
17、到了可用于制瓷的高岭土，并在多次实验之后终制成了可媲美中国的欧洲白瓷。后来，奥地利女王挖走了几名陶工，办起了工厂。没过多久，欧洲各国便相继开始生产瓷器。大约IOO年后，英国人发明了骨瓷，就是以动物的骨炭、黏土、长石和石英为基本原料，经过高温素烧和低温釉烧两次烧制而成的一种瓷器。这时候，尽管欧洲掌握了制瓷工艺，但中国的瓷器仍占有一定比例的国际市场份额。由此可见，从文艺复兴开始，欧洲人长期进行各种科学实验和材料分析，在没有亚洲工匠的帮助下，最终掌握了制瓷、白铜等技术工艺。可以说，天工开物促进了欧洲的技术革新。由天工开物等著作可见，17-18世纪，中国与欧洲在技术方面具有明显的互补性。比如，中国在一
18、些技术领域还处于领先地位，瓷器、茶叶、丝绸等仍然是拳头产品；而欧洲的火炮、钟表等技术工艺发展日趋成熟。三、宋应星与天工开物天工开物的作者宋应星是什么人？一些国内外学者称他为科学家。但是，从发明创造的角度看，宋应星不能被称为科学家。严格地讲，他只是一个记录科技内容的作者。英国科技史学家李约瑟将他视为“中国的阿格里科拉”和“中国的狄德罗”。阿格里科拉，德国学者，被誉为“矿物学之父”，著有矿冶全书，并在书中对采矿技术做了全面记述。狄德罗，法国启蒙思想家，编辑出版18世纪法国百科全书。国内对他的评价：宋应星“六上公车而不第”，却在“于功名进取毫不相关”的科技领域，取得了非同寻常的成就，为中华知识宝库贡献了一部技术百科全书。实际上，宋应星的写书与科考并不冲突，他不是考不中再去写书，而是全凭兴趣。在屡次赶考的奔波中，他记录下走访大江南北了解到的生产技术和工农器械，并经过整理，撰写出了“利益家国、造福后世”的天工开物。我们曾沿着宋应星的足迹，走访一些地方，发现当地确有天工开物中所记载的内容。可见，书中的记载准确而精炼。现在，天工开物成为研究中国科技史的国内外学者必备的典籍。英国科技史学家李约瑟将天工开物视为17世纪中国最重要的技术著作，在他的中国科学技术史（SCO中频繁引用这部书。这都体现了天工开物的传承价值。
