三大发明及相关科技的运用和发展

两宋时期是中国古代科技史上的黄金时期，中国古代四大发明中的三项都完成于此时，为推动世界文明发展和世界历史进程做出了巨大贡献。宋代科技取得的成就是多方面的，英国著名中国科技史专家李约瑟说：“每当人们在中国的文献中查找一种具体的科技史料时，往往会发现它的焦点在宋代，不管在应用科学方面或纯粹科学方面都是如此。”可以说宋代在几乎所有中国传统科学技术领域都留下了新的纪录。这一时期涌现出了为数众多的卓越的科技人才，既有博闻广识的科学家沈括，也有专擅一门的天文学家苏颂、数学家秦九韶、建筑学家李诫、农学家陈旉等。众多杰出学者不断钻研所形成的合力最终推动中国古代科学技术迅速发展，使其在当时的世界上处于顶尖位置。

（一）火药与火器

四大发明集中代表了中国古代科技所取得的成就，而其中的三项都完成于宋代，即火药配方的改进、完善，指南针以及活字印刷术的发明与应用。至少在唐代中期，史书中已经有了关于火药的记载，到了宋代，火药配方得到了进一步改进，各种原料配比有了比较固定的比例。由于手工业生产技术的进步和战争的需要，火药开始应用于军事，火药和火器制造部门成为军事手工业的重要部门。古代火攻，起初多用油脂草艾之类，宋代火攻武器有了巨大发展，970年起陆续出现了火箭、火球、火'藜等火攻武器。宋仁宗时，曾公亮等人编写的《武经总要》记载了毒药烟球、'藜火球和火炮三种武器的火药配方，其中硝的含量较以前有所增加，并加入了少量辅助性配料，这样能够取得更好的燃爆效果。但是，北宋时期的火药以纸等包裹，含硝量、含炭量还都比较低，呈膏状，且没有引信，大体上只是一种纵火性、燃烧性武器。南宋以后，宋人增加了火药中的硝、炭含量，火药就从膏状变成了固态，同时他们使用了引信和铁质火药罐，火药从燃烧型武器转变为爆炸型武器。

北宋时期使用的火器主要有弓火药箭、弩火药箭等。士兵们在一般箭头的后部环绕着箭杆捆绑上一个球形火药包，然后用弓弩来进行发射。北宋末年，宋人在抗金战争中发明了“霹雳炮”“震天雷”等杀伤力较大的火炮，这是对前代“机发火包”的一种改进，它们实际上是一种铁质火药包，依靠投石机发射，与后来依靠爆炸力发射的管形火炮不同。南宋时，火器技术又有了进一步发展，出现了喷气式火箭和管形火器，其中对管形火器的探索在我国火器发展史上具有十分重大的意义。传统观点认为管形火器诞生于宋代，然而据李约瑟等的《关于中国文化领域内火药与火器史的新看法》介绍，克莱顿·布雷特在巴黎的吉美博物馆发现了一幅年代约为五代后汉乾祐三年的敦煌佛教画，画上绘着一支长竹竿火枪，不但可以使用火药，而且装有金属弹丸和碎瓷片。学者据此认为这是我国最早的管形火器，但这种说法还缺乏进一步的证据支持。文献中关于管形火器的记载始于12世纪，宋高宗绍兴二年，陈规在驻守德安时，制造了二十余条“长竹竿火枪”，这种火枪由两名士兵共用一条，一人持枪，另一人引燃枪中火药，喷火焚烧敌军攻城器械。理宗开庆元年，寿春府制造“突火枪”，“以巨竹为筒，内安子窠，如烧放，焰绝然后子窠发出，如炮声，远闻百五十余步”。据此记载，这一时期的管形火器是以巨竹为筒，在很大程度上更类似于今天的炮，而不是枪，“子窠”则相当于近代的子弹、炮弹，由筒内的火药燃烧后产生的气体推力射出。长竹竿火枪和突火枪的出现是兵器发展史上的一个重大突破，宣告了管形射击火器的正式诞生，为火器的进一步发展奠定了基础，是近代枪炮的鼻祖。由于竹制火器射程较近，且不耐用，因此在13世纪末到14世纪初，我国就发明了金属制造的火铳和火炮。1970年，黑龙江阿城出土了铜铳，据测定，它的年代在1288年以前。

（二）指南针

我国是世界上最早发现磁铁指极性的国家，早在战国时期，就利用磁石指南的性质，制造司南来确定方向。但司南是由天然磁石加工而成，容易失去磁性，且体形较大，“磁杓”直接放在地盘上，转动不灵敏，难以精确地指示方向。从司南进化到指南针，经过了一个漫长的过程。

指南针究竟何时问世，尚无确切说法，目前所知最早的关于指南针的明确记载始见于北宋中期，《武经总要》《梦溪笔谈》《本草衍义》等文献对此有相关记述。《武经总要》中记载了指南针的制作方法：将薄铁片剪裁成长二寸、宽五分，首尾如鱼形的形状，用炭火烧红，以尾“正对子位”放入水盆中，水超过尾部数分时停止，“以密器收之”。这是一种利用地磁场的作用使铁片磁化的方法，将铁片烧红，以尾“正对子位”，可以使铁片内部较活跃的磁畴沿地球磁场的方向排列，达到使铁片磁化的目的。放入水盆也就是常说的“淬火”，可以使磁畴的排列固定下来，获得永久磁性。人工磁化方法的发明，在磁学和地磁学的发展史上是一件大事，但这样获得的磁性仍较弱，实用价值并不很大。《梦溪笔谈》中还记载了一种利用天然磁石加工钢针，从而使钢针获得磁性的指南针加工方法，其原理是利用天然磁石的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列规则化，从而让钢针显示出磁性。书中记述了三种磁针装置方法，即漂浮法、支承法和缕悬法，当时使用较多的是漂浮法和缕悬法。沈括还谈到了磁偏角的作用，指出指南针并不是正对南方，而是稍稍偏东。由此可知，至迟到11世纪，指南针在我国的发展已经非常成熟，有多种制作方法，这是经过人们反复试验总结出来的科学方法。南宋以后，陈元靓在《事林广记》中又介绍了一种流行于其时的新的指南龟的装置方法，将一块天然磁石装在一个木龟腹内，在木龟腹下挖一个光滑的小孔，放在顶端尖滑的竹钉上，因为支点处摩擦阻力很小，木龟便可自由转动以指示方向。

指南针发明出来后，很快被应用于航海事业，朱彧《萍洲可谈》记载：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”这段材料描绘了北宋晚期的航海活动，是世界航海史上关于使用指南针的最早记载。南宋以后，指南针逐渐取代天文导航，成为主要的导航方法。赵汝适在《诸蕃志》中谈道：“舟舶来往，惟以指南针为则。”吴自牧《梦粱录》也说“风雨冥晦，惟凭针盘而行”，反映了指南针在航海中作用的提高。指南针的发展和应用，使人们获得了全天候航行的能力，促进了两宋航海贸易的空前发达，也是我国人民对世界文明的一大贡献。

（三）雕版印刷的发展和活字印刷的发明

雕版印刷术大约出现在唐代，但在当时还未得到普及。到了宋代，雕版印刷业进入鼎盛时期，尤以汴京、四川、福建、浙江地区最为发达，四川的成都、眉山是当时著名的雕版中心。两宋时期刻书之多、内容之广、规模之大、印刷之精，都是前所未有的。宋代刻印之书，分为官府刻印、书坊刻印、私人刻印三种类型，内容涉及儒释道经典、各种文集、民间日用书籍等各个领域，其中尤以儒经、正史、医书、佛经最为常见。太祖开宝四年于成都开始版印《大藏经》，全经共计一千零七十六部，五千零四十八卷，历时十二年才雕刻完工，雕版多达十三万块，是历史上第一部刻印的佛教大典。南宋以后，雕版良工多聚集于杭州，甚至涌现出一些女性著名刻工，如李十娘、谢氏、徐氏等，浙本书也以文体方整、刀法圆润而著称。绍兴二年，在湖州刊刻佛经五千四百卷，一年之内即告完工，这表明了该地刻工之多与技术的娴熟。两宋时雕版印刷的技术水平已达到很高的程度，“书籍刊行大备，要自宋开始，校雠镌镂，讲求日精”。从保存下来的宋版书籍看，它们大多刻工精良，刀法纯熟，纸墨装潢精美，字体追求书法艺术性，而且人们对于刻书的工作十分认真，每一本书在出版前都会经过认真的校勘，因此，宋刻本备受后代藏书家所珍视。

两宋时期，已经应用铜版进行印刷。上海博物馆现在藏有会子铜版，版式为长方形，上部左边为料号，右边为金额，当中是赏格文“敕伪造会子犯人处斩。赏钱壹仟贯”等五十八字，赏格文下标明发币单位“行在会子库”五字，再下为花纹图案。中国国家博物馆藏有一块“济南刘家功夫针铺”铜版：其最上部刻“济南刘家功夫针铺”八字；其下正中刻一幅玉兔捣药图，左写“兔儿为记”，右写“认门前白”；再下为“收买上等钢条”等二十八字。据有关专家认定，这块铜版用于印刷当时的商品广告。

两宋刻书业的繁荣，不仅使雕版印刷进入鼎盛时期，而且推动了我国古代印刷术的发展。仁宗庆历年间，工人毕昇发明了活字印刷术，实现了印刷术的重大突破。与雕版印刷相比，活字印刷成本低、工时短，更加经济方便。毕昇活字印刷术的基本原理与现代铅字排印法一致，事先准备好一块铁板，板上加铁框，内放一层混合的松香、蜡、纸灰等；接下来用胶泥制成活字，一粒胶泥制一字，经过火烧变硬，放入铁框；框里排满字后即放在火上加热，松香、蜡、纸灰遇热熔化，冷却后一版泥字就粘在一起；一版印完，将铁板放在火上加热，即可取下泥活字，以备再用。为便于排版，印刷时常备两块铁板，一版印刷，另一版排字准备，互相交替使用。一些常用字，如“之”“也”等，往往各制作二十几个，以便重复使用。毕昇发明的活字印刷术是世界上最早的活字印刷术，它减少了反复雕版的过程，一套活字可以印刷多种书籍，既省时又省力，经济方便，是印刷史上一项极重要的发明，是中国古代劳动人民对世界文化的伟大贡献。

近代以来，国内外都有学者怀疑毕昇胶泥活字印刷的可行性，如罗振玉认为泥不能印刷，胡适以为毕昇用的可能是锡类材料，美国人斯温格尔认为毕昇的活字是由金属制作，所谓胶泥刻字，乃是做铸字的模型。其实，自活字印刷术发明后，很多学者曾进行过模仿。如南宋周必大提到，他曾用毕昇的活字印刷法以胶泥、铜版互换，印刷自己所著的《玉堂杂记》。清人翟金生曾对胶泥活字进行了三十多年的研究和试验，制作泥活字十万多个，“坚贞同骨角”，并在七十岁时印刷了自己的文集，取名《泥版试印初编》，现藏于国家图书馆。