细说宋朝82：三大发明与科学技术
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李约瑟以为：对科技史说来，唐代不如宋代有意义。在被国人引以自豪的四大发明中，火药、指南针与活字印刷的使用，都是宋代最后完成的。在中国古代科学技术史上，宋代的天文学、数学与医学也都占有重要的地位。不过，黄仁宇曾在《中国大历史》里指出：由于宋代的经济未能在改革社会上发挥作用，这就“导致以上发明不能作为系统地增进”。
火药的发明虽在宋代以前，但由于这一时期各政权之间频繁的战争攻守，很快被用于军事，从而进入了冷兵器与火器并用的时代。开宝三年（970年），兵部令史冯继昇献火箭法，五年后，火箭就用于与南唐的战争。
《武经总要》是北宋仁宗时期官修的一部关于军事理论与军事技术的巨著，记录的火药武器就有弓弩火药箭、火药鞭箭、火球、蒺藜火球、烟球、毒药烟球、竹火鹞、铁嘴火鹞等十多种，还分别记载了引火球、蒺藜火球与毒药烟球的配方，这是世界上现存最早的完整的火药的配方。
其后，火药研制不断改进。靖康元年（1126年），在开封保卫战中，宋军已使用霹雳炮打退金军的进攻，这是火药拌和瓷片装入干竹节内裹以纸壳而成的一种火器。金朝在这一基础上制成震天雷，宋人称之为铁火炮，《金史》有具体描述：“铁罐盛药，以火点之，炮起大发，其声如雷，闻百里外，所爇围半里之上，火点着甲铁皆透”，威力强大可以想见。这种铁火炮因蒙古西征传到中亚与西南亚，回回炮应即由此改进而成的，再由蒙古军队用于攻宋的战争。
管状火器的发明在兵器史上有重要的意义。据陈规的《德安守城录》，绍兴二年（1132年），他为坚守德安（今湖北安陆），用火器制造长竹竿火枪二十余枝，其法是一人持枪，一人点火，一人协助，使用虽不便利，却是管状火器的最早记载。
金朝末年研制成功飞火枪，长仅二尺许，火药发射完毕而枪筒完好无损，已是携用方便的单兵火枪。开庆元年（1259年），寿春府（今安徽寿县）发明了突火枪，据《宋史·兵志》记载，“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”，已具近代枪炮的雏形。
令人惊讶的是，宋金时代这种先进的火药技术在明清两代似乎没什么长进，反而倒要从西方引进佛郎机与红夷炮，到了近代竟然只有在虎门挨打的份，难怪鲁迅愤激的说，中国发明了火药，最后是用来制造鞭炮与烟花的。
指南针的发明可以追溯到先秦，但用于航海则在宋代。《武经总要》载有指南鱼的制作方法，是利用地磁场作用使鱼身铁片含磁定位。这在指南针发明史上意义虽大，但因获得的磁性不强，使用价值仍然有限。三四十年后，《梦溪笔谈》记载了另一种制造方法，即利用天然磁石的磁场作用，以磁石磨针锋令其含磁，具有实用推广的价值。
关于指南针的使用方法，据沈括介绍有四种：一是水浮法，即将指南针放入盛水的容器中指示方向；二是置指爪法，即将指南针放在指尖上指示方向；三是置碗唇法，即将指南针放在碗沿上指示方向；四是缕悬法，即将指南针用线腾空悬挂指示方向。第二、三种方法不易固定，很快淘汰，第一种方法发展成后来的水罗盘，第四种方法演变为后来的旱罗盘。
至迟到崇宁年间（1102-1106年），指南针已普遍用于航海。据《萍州可谈》，当时船长航海，夜则观星，昼则观日，“隐晦观指南针”。宣和年间出使高丽的徐兢也说，“若晦冥，则用指南浮针以揆南北”，从“浮针”看来，使用的应是水浮法，尚未发展为水罗盘。
南宋咸淳年间（1265-1274年），吴自牧在《梦粱录》里说到当时航海，“风雨晦冥时，为凭针盘而行，乃火长掌之，毫厘不敢差误，盖一舟人命所系也”，这里的“针盘”，应是水罗盘。
南宋末年出现一种指南龟，是将天然磁石放入木龟腹中，腹壁有一光滑小穴，可安放在圆滑而固定的竹钉上，龟身自由转动指示方向，这是后世旱罗盘的前身。
指南针为全天候的航海提供了可能，也为远洋航海图的精确绘制创造了条件。揆之情理，航海图不应迟至宋代才出现，但正式见诸记载却是指南针使用以后。那位徐兢所著的《宣和奉使高丽图经》，原附所经海道图，可惜其书文存而图佚。南宋晚期，金履祥也曾绘过一张由江浙沿海直趋幽燕的海图，备记航路，历历可据。后为元人所得，成为海上漕运海图的蓝本。
指南针的全面使用，航海图的精确绘制，再加上以开放的心态对待与海外的经济往来，迎来了宋朝与紧接其后的元代前所未有的航海业盛况。可惜的是，自南宋以来的这种海上优势，到明代郑和下西洋以后就逐渐失去，而到清代竟至于要由西方船舰来叩开中国的大门。鲁迅对此也嘲讽过：祖先发明的指南针，却被不肖子孙制成罗盘去看风水了。
雕版印刷究竟出现在隋唐之际，还是晚唐五代，学术界还有争论，但盛行于北宋是毫无疑问的。据苏轼说，北宋初期，图书仍多手抄，仁宗以后，书坊转相翻刻诸子百家之书，学者很容易得到印本书。
宋代雕版印刷分三大体系。一是官刻系统，中央国子监是主要官刻机构，所刻称监本；地方上路级监司（盐茶、转运、提刑、安抚、常平）和路、州、府、军各级公使库、州县学，也都有官刻书行世，公使库本是常见的宋版书。
二是坊刻系统，即以营利为目的的书坊或书肆刻印的图书，表明雕版印刷的图书已完全进入了市场流通。当时坊刻书技术质量以浙江最好，称浙本；四川次之，称蜀本；福建以量多取胜，称建本，尤以建阳（今属福建）麻沙镇出版最多，世称麻沙本。开封、杭州、成都、眉山（今属四川）、建宁、建阳（今属福建）、福州和建康（今江苏南京）都是当时的印刷中心。三是私刻系统，即官僚世绅私宅或家塾所刻的图书，表明宋代图书文化的普及程度。宋版书纸墨精良，版式疏朗，字体圆润，传世稀少，价值连城。
雕版印刷是书写印刷技术的一次革命。但印行一部大书所需雕版往往累百千万，雕刻既费工时，保存也占空间，仍有改革的必要。宋仁宗庆历年间（1041-1048年），毕昇发明了活字印刷。
其法是以胶泥刻字，每字一印，火烧泥活字使其坚硬备用。然后在一块铁板上敷以松脂、蜡和纸灰，上加一铁范，内放满所需字印，持铁板在火上加热。等松脂等溶解软化，再用一平板压平字印，使字平如砥，即可开印。
印刷时准备两块铁板，一板印刷，一板排字，交替使用，效率极高。每字多刻数印，常用字更多至二十余枚，以备一板内重复使用，以韵分类储入木格，少数僻字则临时烧制。印刷完毕，加热再令药物熔化，以手拂印，字印自落。毕昇出身平民，生平事迹不得而详。他也试制过木活字，但木纹有疏密，沾水易变形，还容易与松脂等药粘住，不易拆版，认为还是泥活字方便。实际上，只要选用优质木料，改变拼版方式，木活字的这些缺点也是可以解决的。
毕昇以后，使用活泥字印成的图书，目前确认最早见诸文献记载的是绍熙四年（1193年），周必大用胶泥活字印行了他的《玉堂杂记》。但现存西夏翻印佛经有光定六年（1216年）“御前疏润印活字都大勾工院”的题记，表明当时西夏已专设主持活字印刷的机构，则可推测西夏使用活泥字与木活字印刷不会迟于周必大印书的年代，可见传播之快。
毕昇发明活字印刷术，是人类文明史上的一件大事。大约在13世纪，活字印刷东传朝鲜，后经朝鲜传入日本；另一路同时传入中亚与波斯，并因蒙古西征传入欧洲，启发了古腾堡金属活字的使用与推广。但古腾堡比毕昇的发明整整晚了四个世纪。
除了三大发明，就应说到宋代科学最具代表性的人物沈括。他是一位百科全书式的科学家，在天文学、数学、物理学、地学、生物学、医药学和工程技术上都深有造诣，这里只能择要而说。
在天文学上，沈括曾将提举司天监，改进天文仪器，提倡十二气历。他改制了浑仪，使其结构简化，精度提高，操作方便。他还吸取了燕肃莲花漏法的成果，提高了浮漏计时的准确性。他所提倡的十二气历是一种纯阳历的历制，以立春节气为一年之首，将传统的二十四节气与十二个月建立起对应的稳定关系，与现行公历格列高利历有相似之处。但这一个新创举终因遭到传统势力的“怪怨攻骂”而没能推行。
在数学上，沈括一方面为隙积术给出了正确求解公式，隙积术是求解垛积问题的方法，解决的是高阶等差级数的求和问题。另一方面，他创立了会圆术，给出了一个近似公式，会圆术就是已知弓形的圆径和矢高求解弦长与弧长。
在物理学上，沈括进行了凹面镜成像的光学实验，取得了新结果；首次记载了地学上地球磁偏角的现象；以实验证明了弦线的基音与泛音之间的共振关系。
在医药学上，他编著了《沈氏良方》，自称“必目睹其验”，才写入书中。其中的“秋石方”，是关于提取荷尔蒙的最早记载。后人将其书与苏轼的医说合编为《苏沈良方》，也许因苏轼名声比他还大，可以招徕读者。
沈括最主要著作当然还是他的《梦溪笔谈》，共二十六卷，另有《补笔谈》三卷，《续笔谈》一卷，共计六百零九条。据统计，关于科学技术的条目占全书的百分之四十以上，其中既有他自己对科学技术诸问题的观察、实验与思考，还保存了当时科学技术的具体史料，例如的毕昇的印刷术、喻皓的《木经》，都因该书而得以传世。科学史家李约瑟对其书评家最高，盛赞为“中国科学史上的里程碑”。
不过，国人对这一评价也不必过于陶醉。从其结构体例来看，《梦溪笔谈》还称不上是一部严格的科学著作（在这点上，甚至还不及秦九韶的《数术九章》有意识）。他采用的完全是两宋笔记的传统体制，著述宗旨也只是“谈噱”，与其他以资谈助的宋代笔记没有形式与内容上的根本区别。仅仅因为关注的兴奋点与众不同，因而保存的科技史料就较其他笔记远为密集。《梦溪笔谈》在保存沈括与他同时代的科技史料上确有价值，无视其地位自然不对，不切实际的过高评价也是不必要的。
说完沈括这位科学巨星，接着说说宋代科技的一般情况。
先说数学。传统数学在宋代取得了多项突破性的成就，涌现了贾宪、沈括、秦九韶和杨辉等顶级的数学家，迎来了中国数学发展史的高峰期。
贾宪大约生活在宋仁宗时期，曾在司天监任过职。他的数学著作《黄帝九章算经细草》和《算法敩古集》已经佚失，前书经杨辉的《详解九章算法》转引才保留了部分内容。
贾宪的“开方作法本源图”是一个三角形数表，实际上就是指数为正整数的二项式定理的系数表，比西方阿尔·卡西的同类成果约早四百年，数学史上称为贾宪三角（因出现在杨辉书中，也称杨辉三角）。贾宪根据开方作法本源图，创建了增乘开放法，提供了求解任何告辞弥合高次方程正实根近似值的方法。
秦九韶生活在宋宁宗、宋理宗时期，代表作为《数书九章》。他将增乘开方法成功的应用于一般高次方程的数值解，比西方同类成果早了五百多年，达到了当时数学的最高峰。他还创立了大衍求一术，简洁严密的解决了一次同余组问题的理论与算法，比西方欧拉与高斯的同类证明早了五百年。
杨辉、秦九韶与元代的李治、朱世杰并称宋元数学四大家。杨辉的活动年代比秦九韶略晚，大约在宋元之际。他的数学著作有《详解九章算法》、《日用算法》、《乘除通变本末》、《田亩比类乘除捷法》和《续古摘奇算法》，后三书也合称《杨辉算法》。
杨辉的贡献主要有三。其一，他在沈括“隙积术”的基础上提出了“垛积术”，推动了高阶等差级数的研究。其二，他研究了组合数学中高阶纵横图的构成规律。其三，他对筹算算法归纳了一整套歌诀，有助于捷算法的应用与推广。
再说天文学。其成就主要表现在天文仪器、天象观察、星图绘制与历法改进诸方面。
在天文仪器的研制发明上，燕肃在天圣八年（1030年）发明的莲花漏，首次使用了漫流系统，前所未有的提高了漏壶的计时精度。苏颂在元祐七年（1092年）研制成功的水运仪象台，实现了浑仪、浑象与报时三位一体、协调运作的构想，既能观察天象、演示天象，又能计时、报时，已具有近世天文台开启式圆顶、望远镜转仪钟与机械钟的科学结构原理。
在天象观察方面，北宋在大中祥符三年（1010年）至崇宁五年（1106年）的近百年间，先后举行过五次大规模的天文观测，其中崇宁年间观察，姚舜辅等测得二十八宿距度误差的绝对值仅有0.15度，取代了沿用三百余年的唐代一行的数据。景德三年（1006年）对豺狼座超新星爆发的观测记录，至和元年（1054年）对天关客星的观测记录，都为现代天体物理学的研究留下了重要的历史资料。
在星图绘制上，苏颂也有杰出的贡献。他的天文学名著《新仪象法要》附有五篇星图，首次采用了较科学的全天星空表示法。皇祐年间（1049-1054年），天文学家周琮主持了重测二十八星宿与周天恒星的工作，这次实验的结果，编制了三百四十五个星官距星的入宿度与去极度，这一星表收入《灵台秘苑》，所收星数超过了前代。元丰年间（1078-1085年）的恒星测量精度更高，其星图以刻石形式保存下来，此即现存苏州博物馆的石刻《天文图》，上半部为星图，下半部为碑文，是研究宋代全天星空的珍贵文物。
两宋共三百二十年，先后颁历达二十部，后出转精，历法修订之频繁为历代所仅见，也可见天文历法研究的活跃。神宗时，卫朴制定的《奉元历》依据二十四节气修成，颇有特色。宁宗时，杨忠辅主持修成的《统天历》所测定的回归年长度为365.2425日，与现行公历所用之完全一致，但比西方格列高利早了将近四百年。
最后说说医药学。
宋朝政府对医药学十分重视，设有太医局与翰林医官院，大体说来，太医局就是中央医科大学，翰林医官院就是皇家医院。在医疗设置方面，宋代政府设立了官药局，按方配售成药，名称几经变动，最后称太平惠民和剂局；另外还官设了专供有病官员诊病与休养的保寿粹和馆，供行旅患者医养的养济院，为贫苦病人服务的安济坊，给弃儿与贫苦幼儿治病的慈幼局。
官修医方与本草也受到政府高度重视。重要的官修医方有太宗时修成的《太平圣惠方》，徽宗大观年间编撰的《和剂局方》，南宋绍兴年间在此基础上校补而成的《太平惠民和剂局方》。徽宗政和末年，命医官广集历代方书与民间验方，汇编成《圣济总录》，收方近二万，集当时医方之大成，未及印行，即因靖康之变而被金人运至北方，在金世宗时刊行。
官修本草最早是开宝七年修成的《开宝本草》，嘉祐五年在此基础上重新修订为《嘉祐补注神农本草》。与此同时，朝廷命各地普查药物，绘图汇总中央，由苏颂在嘉祐六年主持编成《图经本草》，收图九百余幅，是现存最早的版刻药物图谱。药物学家唐慎微在元丰五年（1082年）以私人之力修成《经史证类备急本草》，内容精详远逾前人，宋朝政府在此基础上分别在大观、政和与绍兴年间多次官方修订，作为国家药典刻印颁行。
宋代的医学成就也是多方面的。王惟一对针灸术做出了重大贡献，他钻研前人著作，结合自身经验，详定经穴位置，编成《针灸图》，天圣五年（1027年），他奉命在此基础上铸造针灸用的铜人两具，对针灸学的教学、临床与考试都极为便利，他也将自己的著作改名为《铜人腧穴针灸图经》。
钱乙从事婴幼儿疾病诊治达四十余年，形成了系统的理论与方法，成果主要保存在重和二年（1119年）成书的《小儿药证直诀》中，这部书被称为“幼科之鼻祖”，对儿科医学的形成与发展颇有影响。
陈自明在嘉熙元年（1237年）著成《妇人大全良方》，分妇科三门，产科五门论述了妇产科临床与理论诸问题，是当时妇产科集大成的专著，使其成为一门独立的学科。
解剖学在宋代也初露萌芽，出现了最早的人体局部解剖图。庆历六年（1046年），广西区希范起事被捕，被处磔刑，处刑过程中，由绘工宋景将其内脏绘制成图，称《区希范五脏图》。崇宁年间（1102-1106年），杨介又绘有《存真环中图》，对人体胸腹腔相关部位的血管走向与消化、泌尿与生殖系统都详为描述。可惜这种实验科学的萌芽，在其后没能发扬光大。
宋慈长期担任提点刑狱，对刑事案件的现场勘查检验积累了丰富的经验，淳祐七年（1247年）著成《洗冤录集》，是世界上第一部系统的法医学专著。将宋慈尊为法医学之父，应是名至实归的。
比起其他科学来，金代医学的成就倒是不容小觑的。医史上号称金元四家，分别是刘完素、张从正、李杲于朱震亨，前三家都是金朝人。刘完素，因其籍贯河间（今属河北），世称“刘河间”，治法上多用寒凉药，后世称为寒凉派。张从正，字子和，以字名世，治法上主张去邪安身，故有“攻下派”之称。李杲，号东垣老人，时称李东垣，治法强调补气益胃，人称“温补派”。他们与以“阴补派”闻名的元代朱震亨在辨证施治上是各有特色的。
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