细说宋朝82:三大发明与科学技术


  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。