第2章 科学发明(1)

【锯子】

当我们用锯子很容易地伐木材时，你能想到锯子和小草之间有联系吗？你知道世界上第一把锯子是依照小草制成的吗？

春秋战国时，有一个很聪明的人叫公输班。有一次，他和徒弟带着斧子去山上砍树。用斧子砍树又累又慢，砍了好多天也没砍下多少棵。

有一天上山时，因为路不好走，公输班用手拉了一下路边的小草，可是没想到手被划得鲜血直流。为什么小草这么厉害呢？原来小草的叶子边缘有许多又密又锋利的小细齿。于是他又试着划了一下，果然又是一道小口子，聪明的公输班马上想：“如果把铁条制成有小细齿的样子，不就很容易地砍下树了吗？”于是他让铁匠造了许多这种铁条，在树上来回拉，很快就伐了许多木材。瞧，锯子就是这样发明的。

【中国丝绸】

我国的丝绸已有2000多年的历史了。不但品种繁多，而且色泽艳丽、质地优良，向来以锦、纱、罗、绫、缎、绸和缂丝著称世界。缂丝是我国特有的丝织工艺品。唐宋时代，就在缂丝织品上织出山水亭阁、鱼草花鸟，真是绚丽多彩、精美绝伦，展示了中华民族的聪明才智！

秦和西汉时代，我国的丝织技术传入日本。汉代张骞开辟了丝绸之路，中国的丝绸运到西方，令那里的人羡慕不已，他们常常把中国丝绸的丝拆下来，织到他们的织物里。他们不断地派人来中国学习丝织技术，也常请中国人去传授经验。古老的丝绸之路，使古老的中国走向世界；使世界认识和了解了中国。中国对世界纺织业的发展作出了很大的贡献。

【水力鼓风机】

水力鼓风机是东汉时杜诗发明的。这是一种用来冶炼的工具。在水力鼓风机发明之前，人们用来鼓风的工具是“牛皮囊”。它是一种很厚的皮囊，里面充满了空气。使用时用手夹它，使之一张一合，这样就能把风鼓入冶炼炉中，从而产生更多的热量。它的缺点是既费人力，效果又不明显。后来又出现排囊，解决了风量问题，它的进风量很大，可需要的人力更多。针对这种情况，杜诗发明了以水为动力的水力鼓风机，合理地利用了自然资源做动力。后来又出现了以水流为动力的水排。这样大大提高了冶炼效率，节省了人力，因而在社会上广泛应用起来。

【浑天仪】

在西方的天文学家哥白尼、开普勒、伽利略之前1000多年，我国诞生了一位伟大的天文学家张衡。他是今河南省南阳人。他十多岁时就读了很多书，文章写得很出色。34岁那年，皇帝派人召他到京城里去做郎中，他借此机会看到许多不常见的书。其中读了一本扬雄写的《太玄经》，从而对天文和数学发生了浓厚的兴趣。后来他又被调任太史令，主管观察天象的工作，对我国天文学的发展，作出了巨大的贡献。

张衡经常观察日月星辰，探索它们在天空里运行的规律。他根据这个规律，解释了冬天日短夜长、夏天日长夜短的道理。他说天好像鸡蛋壳，包在地的外面，地好像鸡蛋黄，在天的中间。这种假设叫做浑天说。

张衡根据他的浑天说，创造了世界上第一架自动的天文仪器——流水转动的浑天仪。据说，人坐在屋子里看着仪器，就可知道哪颗星正从东方升起，哪颗星已经到了中天，哪颗星就要落下西方去。

太史令除了观察天象，还要记录各种灾象。为了记录地震，张衡又创造了世界上第一架测定地震方向的仪器——地动仪。地动仪用精铜铸成，外形像带盖的凸肚大茶杯。“凸肚”的表面铸着八条垂直向下的龙，龙头分别对准八个不同方向，口里还含着小铜丸。对着龙嘴的地上蹲着八个铜蟾蜍，仰着头，张着嘴。当地球上哪个方向发生地震，就会触动相应方向的龙头，吐出小铜丸，掉进铜蟾蜍的嘴里，这样就能自动预报地震发生的方向了。

这是世界上最早的地震仪，是我国汉朝科学家张衡在公元132年制造出来的，比欧洲人整整早了1700年！可惜张衡造的地动仪失传了，历史博物馆的地动仪，是根据古书的记载而制出来的模型。

张衡还创造了世界上第一架观测气象的仪器——候风地动仪，又叫相风铜鸟。

人们非常尊敬这位1800多年前的大科学家。郭沫若曾赞颂张衡说：“如此全面发展之人物，在世界史上亦所罕见。”

【造纸术的发明】

1957年5月，在陕西西安市郊灞桥发现了一座古代墓葬。在清理文物时，发现了一些米黄色的古纸，最大的差不多有10厘米见方。纸上面有明显的被麻布压成的布纹。经考古工作者们分析研究，断定它不会晚于西汉武帝时期，离现在已有2100多年了。因在灞桥发掘，故名灞桥纸。

1965年，我国有关单位对灞桥纸进行了反复检验，确定造纸的主要原料是大麻纤维，但也混有少量的苎麻。灞桥纸是世界上现存的最早的植物纤维纸。过去，历史书都说纸是东汉蔡伦发明的，灞桥纸的发现，说明早在西汉时代，我国劳动人民已经用植物纤维造纸了。

我国虽然在西汉时代就有了植物纤维纸，但是，那时候麻缕也跟丝绵一样，是用来做衣服的，不可能大量用在造纸上。同时，麻缕制的纸又厚又糙，不适宜写字。东汉时，蔡伦看到大家写字很不方便，竹简和木简太笨重，丝帛太贵，丝绵纸不可能大量生产，于是，他就研究改进造纸的方法。他提出用树皮、破布、破渔网来作原料。这些原料来源广泛，价钱便宜，有的还是废物利用，因此可以大量生产。后代人用木浆造纸，就是受到蔡伦用树皮造纸的启发。蔡伦改进造纸方法成功，是人类文明史上的一件大事。从此，纸就大量生产，为书籍的大量印刷创造了机会。

【印刷术】

在雕版印刷书籍以前，社会上已经广泛应用印章和拓碑。我们祖先就是在拓碑和印章这两种方法的启发下，发明了雕版印刷术。

当时雕版印刷术的方法是这样的：把木材锯成一块块木板，把要印的字写在薄纸上，反贴在木板上，再根据每个字的笔画，用刀一笔一笔雕刻，刻成阳文（凸出为阳文，凹进为阴文），使每个字的笔画突出在木板上。印书的时候，先用刷子蘸上墨，在雕好的板上刷一下，接着用白纸覆在板上，另外拿一把干净的刷子在纸背上轻轻地刷一下，把纸拿下来，一页书就印好了。因这种印刷方法是在木板上刻好字再印的，故称为“雕版印刷”。

现在保存下来的我国最早的雕版印刷书籍是公元868年刻印的《金刚经》。这也是世界上现存最早的雕版印刷书籍。北宋庆历年间（1041—1048年），我国的毕昇发明了活字印刷术，它的技术与现代印刷术基本一致，比德国人谷登堡发明活字印刷术早400年。但遗憾的是毕昇的活字印刷术近代以前在我国并未得到普及。

【祖冲之与圆周率】

祖冲之出生在公元429年，他是个伟大的数学家、天文学家和物理学家。他有许多卓越的成就，其中之一就是对圆周率的计算。

圆周率就是圆周长度和直径长度的比。这是一个无限的不循环小数，也就是说它是个没完没了的小数，各位数字的变化没有规律。通常在计算的时候，我们把圆周率定为3.1416，这个数字实际上比圆周率稍微大一点。祖冲之在1500年以前就确定，圆周率在3.1415926和3.1415927之间，比3.1416精确得多。在他之后100年，阿拉伯有个数学家才计算出比这个精确的数值。

计算圆周率是一件很不容易的事。祖冲之从圆的内接正六边形开始，先算内接正十二边形的边长，再算内接正二十四边形的边长，再算内接正四十八边形的边长……边数一倍又一倍地增加，一共要翻十一番，直到算出了内接正12288边形的边长，才得出这样精密的圆周率。

内接正多边形的边数翻十一番，看似简单，其实不然，至少要进行七次运算。其中除了加和减，有十二位小数的乘方，尤其是开方，运算起来极其麻烦。祖冲之要是没有熟练的技巧和坚强的毅力，是无法完成这上百次的繁难复杂的运算的。

【水运仪象台】

水运仪象台由苏颂发明。苏颂（1020—1101年），字子容，同安城关人。10岁随父入都，少时学习勤奋。宋庆历二年（1042年）中进士。宋代之前，东汉张衡创制的浑天仪和唐代僧一行等人的复制品都已失传。元祐元年（1086年）十一月，苏颂组织一批科学家，并运用自己丰富的天文、数学、机械学知识开始着手复制，元祐三年十二月获得成功。元祐七年又复制成铜质台。仪象台以水力运转，集天象观察、演示和报时三种功能于一身，苏颂是世界上最早的天文钟、近代钟表关键部件“天关”（擒拿器）的发明人。在这个领域里，他的发明创造比欧洲的罗伯特·胡克早6个世纪。绍圣二年至四年（1095—1097年），苏颂写出《新仪象台法要》3卷，详细介绍了水运仪象台的设计及使用方法，绘制了我国现存最早最完备的机械设计图，附星图63种，记录恒星1434颗，比300年后西欧星图纪录的星数还多442颗。英国科学家李约瑟博士把《新仪象法要》译成英文在国外发行，并称赞“苏颂是中国古代和中世纪最伟大的博物学家和科学家之一”。

【飞弹】

我国最初发明的用火药做的火箭，是靠人力用弓发射出去的。后来，人们又发明了直接利用火药的力量来推动的火箭。这种火箭的构造和现在的“起火”相同。箭上有一个纸筒，里面装满火药；纸筒的尾部有一根引火线，引火线点着以后，火药就燃烧起来，生成一股猛烈的气流从尾部喷射出去；利用喷射气流的反作用力，火箭就能飞快地前进。这种由火药喷射推进的火箭，可能在宋朝的时候就已经发明了。明朝时，有人把几十支火箭装在一个大筒里，把各支火箭的药线都连到一个总线上。用的时候，将总线点着，传到各支火箭上，就能使几十支火箭一齐发射出去，威力很大。

明朝初年，还有人根据火箭和风筝的原理，发现了一种装有翅膀的“震天雷炮”，攻城的时候，只要顺风点着引火线，震天雷炮就会一直飞入城内，等到火线烧完，火药就爆炸了。

还有一种“神火飞鸦”，是用竹篾扎成的“乌鸦”，内部装满火药，发射以后，能飞100多丈远。这时，装在“乌鸦”背上跟“起火”相连的药线也烧着了，引起“乌鸦”内部的火药爆炸。一时烈火熊熊，在陆地上可烧敌人的军营，在水面上可烧敌人的船只。

震天雷炮和神火飞鸦，可以说都是最早的飞弹。它们是现代导弹的祖先。

【火药】

火药是我国古代四大发明之一，已有1000多年的历史。许多史籍表明，最早的火药是在公元9世纪后半期唐末宋初问世的。当时发明的火药，现在叫黑色火药，是硝石、硫黄和木炭三种粉末的混合物。

到了唐代初期，古代的炼丹家在炼丹过程中，为了控制硫黄，炼丹家把硫黄和其他物质一起加热形成化合物，来改变它容易着火的性质，这种方法称为“伏火法”。在进行硫黄“伏火”的种种实验中，发现当硫黄、木炭和硝石一起加热时，极易发生激烈的燃烧。由于硫黄和硝石在我国古医书上被列为治病的药物，所以把它们和木炭的混合物称为“火药”，意思是会着火的药。

在《诸家神品丹法》卷五中，载有唐初医学家兼炼丹家孙思邈的“丹经内伏硫黄法”，从中可知当时已经掌握了由硝石、硫黄、木炭混合在一起的火药的初步配方：将硫黄、硝石的粉末放在锅里，然后加入点着火的皂角子，就会产生焰火。这是现在发现的最早的有文字记载的火药配方。据此推测，我国火药最迟在唐朝初年就已经发明了。

最早完整地刊载火药的配方和制造工艺的，是北宋官修御定的《武经总要》。《武经总要》成书于公元1044年，该书的第11、12卷中，记载了制毒药烟球、蒺藜火球和引火球（也叫“火炮”）三种火药的配方。其中的主要成分是硝、硫、炭，而且硝的比重大大增加。唐代火药硫、硝含量相同，为1∶1，而在这三个配方中已增加到1∶2，甚至近乎1∶3，已与后世黑火药中硝占3/4的配方接近。同时，又加进各种少量辅助性配料，分别起燃烧、爆炸、放毒和制造烟幕等作用，可见当时的火药配方已经相当复杂了。

到我国宋代，火药开始用于军事。到元代，因为有了火药，就发明了火炮和火铳。

火药在军事上、生产中有着极其重要的作用。马克思曾把火药和印刷术、指南针的发明称作“资产阶级发展的必要前提”。公元13世纪初期和中期，火药传到阿拉伯国家；13世纪下半期，欧洲知识分子才从阿拉伯书籍中得到有关火药的知识；14世纪上半期，火药开始在欧洲大规模推广，进而发明了枪、炮、弹药等武器。

南宋时，火药的使用越来越普遍了，火器也得到了进一步的发展。

为了防御金兵的侵扰，南宋的军事家们不断改进武器。南宋初年，有一个叫陈规的军事学家，发明了一种管形火器——火枪，这在火器史上是一大进步。

这种火枪是用长竹竿做成的，竹管里装满火药。打仗的时候，由两个人拿着，点着了火发射出去，用它烧敌人。

把火药装在竹管里做成火枪，在火药的应用上是个了不起的进步。用抛石机发射火药，不容易准确地打中目标；有了管形火器，人们就可以比较准确地发射和适当地操纵火药的起爆了。

火药发明以后，又有人发明了突火枪。突火枪是用粗毛竹筒做成的，竹筒里放有火药，还放一种叫“子窠”的东西。把火药点着以后，先发出火焰，接着“子窠”就射出去了，并且发出像炮一样的声音。这种“子窠”很可能就是一种最早的子弹，可惜古书上没有说明。

火枪的作用只是烧人，突火枪却能发出“子窠”打人，比火枪又前进了一步。火枪和突火枪，都是用竹管做成的原始的管形火器，威力不大，但它们都是近代枪炮的老祖宗。近代的枪炮，就是在此基础上逐渐发展来的。