宋朝科技

中國歷史上的宋朝出現了大量的科技發明，四大發明之中的活字印刷術誕生於宋朝。宋朝時期的中國已同時掌握指南針、造紙、火藥、活字印刷等技術，並投入大規模的實際應用，如航海領域，南海一號的實物發現表明，指南針與天文觀測技術的普及、地理知識的進展，使得南宋曾經長期主導世界遠洋貿易。而四大發明之中的印刷術，也隨之傳到歐洲。一直到1440年德國谷登堡的鉛字活字印刷術出現、以及印刷術開始在歐洲傳播以前，世界各地居民的識字率長期低迷。而中國也在1833年引入西歐的鉛活字印刷術以前，長期透過傳統的木雕版印刷術、陶活字印刷術、木活字印刷術和銅活字印刷術，#重定向英國學者李約瑟在其著作《中國的科學與文明》的導論提到：“每當人們在中國的查詢一種具體的科技史料時，往往會發現它的焦點在宋代，不管在應用科學方面或純粹科學方面都是如此。”中國現代歷史學家陳寅恪也曾評論：“華夏民族之文化，歷數千載之演進，造極於趙宋之世。”中國歷來都擁有先進精巧的機械工程技術。宋朝天文學家蘇頌認為他和他同時代人的成功是以古代發明家張衡以及其他早期機械專家的成就為基礎的。宋朝出現了世界最早的一臺“水運”天文鐘，此外還有精確繪製並儲存至今的石刻《天文圖》、《墬理圖》與《帝王紹運圖》，這是繼公元前2世紀希臘安提基特拉機械天文鐘儀器的又一次改革。活字印刷術的應用能比原來已經廣為流傳的雕版印刷更好地傳播知識。而新的武器，如火藥的應用使宋朝能抵抗外來者的侵略，直到13世紀後期才被蒙古族忽必烈擊敗。宋朝有部分先進的土木工程、導航和冶金學方面的發明。這些發明和紙幣都推動了宋朝經濟的發展和繁榮，對人類文明產生深遠影響。通才與機械工程學.通才.宋朝的通才科學家如沈括和蘇頌代表了宋朝早期科技經驗主義的思想。沈括透過精確測量子午圈，發現了地磁偏角的存在，比歐洲早了四百年。 沈括還確定出北極星幾個世紀運轉的位置。這使得海員在航行時利用指南針更準確地確定方向。 沈括對地質學也頗有研究。在長期觀察奇怪的自然現象後，他闡明瞭一個地貌學和氣候變化原理。根據當時日食和月食的觀測情況，他分析出太陽和月亮是球狀的，而不是平面的，從而擴充套件了中國早期天文學家的理論。擔任司天監期間，沈括舉薦北宋天文學家和數學家衛樸，兩人一起運用宇宙學假設，描繪行星執行軌道的變更，包括逆行。在衛樸的協助下，沈括連續五年來每晚三次記錄和測繪月亮的執行軌跡，從而修正了關於月亮的執行的誤差，這也是他的另一項重要成就。 然而不幸的是，當時在朝廷上有很多政敵企圖破壞沈括的工作。最終朝廷接受了他們對於太陽和月亮的錯誤的修正，但只是部分採納了沈括和衛樸提出的關於行星執行的軌道和變速度的理論。蘇頌是沈括的政敵之一，於1070年完成了一本藥物學著作──《本草圖經》，其中涵蓋了相關的學科的知識，如植物學、動物學、冶金學和礦物學。 該論著包括很多藥物應用，如麻黃等。他還是五幅不同的大型星圖的作者，他在地圖學的大量測繪記錄工作解決了宋朝和鄰國契丹自遼朝以來一直懸而未決的邊界疆土問題。然而，蘇頌最大的成就莫過於水運儀象臺，上層是機械驅動的渾天儀，1088年在當時的首都開封開始動工，1092年竣工。蘇頌的水運儀象臺在鐘擺機械的運用上雖然晚於歐洲安提基特拉機械十三個世紀，但蘇頌的水運儀象臺卻是目前已知的世界上最早的“不中斷”鏈條傳送動力的裝備，最早的傳送機械動力鏈條由古希臘哲學家費羅於公元前3世紀所發明，在1092年他的著作《新儀象法要》中描述了設計要點。沈括和蘇頌的例子說明了宋朝任用了許多具備科學知識的官員，這些人掌握了多個學科的知識，有利於宋朝的管理、軍事和經濟發展。這些智者如沈括涉及多個領域如數學、地理學、地質學、經濟學、工程學、醫學、藝術評論、考古學、軍事戰略、外交等等。 他曾經接受一個邊境調查的任務，用木頭和鋸末製作了一個三維的地圖來表現山脈、河流、道路等。有一次他計算了棋局所有的可能性，還有一次他計算了用限定的人力物力攜帶食物能支撐的最長戰爭時間。 沈括還提高了漏壺計時的準確性，改進了渾天儀、日晷，他還擴大了渾天儀的寬度，可以更好觀察北極星和其它星球。 沈括還做了關於暗箱的試驗，只比首位實驗者阿拉伯人海什木晚了幾十年。記裡鼓車與指南車.古天然磁石吸引鐵以製備磁鐵的描述於《管子》、《呂氏春秋》、和《淮南子》中提及。到了漢朝在其所著《論衡》卷17是應篇第52說「司南之杓，投之於地，其柢指南」。宋朝除了沈括和蘇頌之外，還有許多重要的人物，他們之間的很多人為當時科技的發展和革新做出了巨大的貢獻。儘管機械傳動的記裡鼓車自漢朝開始就有應用，《宋史》則比之前的記載提供了一個更加詳細而深入的描述。接下來是內侍盧道隆關於齒輪和傳動裝置的詳細資料。在結束時描述了裝置是如何工作的：宋代的記裡鼓車和指南車聯絡在一起。指南車由三國時期機械製造家馬鈞發明，採用齒輪的原理製作，將複雜的差速齒輪組合在一起，這也是如今所有現代汽車在轉向時對旋轉的車輪力矩相同，速度不同的原理。這些差速齒輪使機械控制的手指指向固定的方向──南。指南車採用了先進的機械裝置，與指南針採用磁極原理不同。宋代博物學者燕肅，於1027年重新研製出指南車，他的製作方法在《宋史》也有記載。燕肅和沈括及蘇頌一樣，也是一個通才，精通音律，擅長寫詩作畫，他還是一位科學家，改進了蓮花刻漏，根據自己的海潮理論繪製有《海潮圖》，撰寫出《海潮論》。在《宋史》的記載中，吳德仁於1107年將記裡鼓車和指南車結合在一起：接下來的文字詳細描述了兩個裝置組合在一起的設計細節。轉輪藏.除了鐘錶發條裝置、水力驅動的天文儀、記裡鼓車、指南戰車外，宋朝還有許多其他令人歎為觀止的機械裝置。雖然在唐朝時期佛教寺院已經出現轉輪藏，宋朝則將此技術進一步提升。 現存的最古老的轉輪藏位於河北正定隆興寺轉輪藏閣。整座小樓的設計就是為一個轉輪藏而構成的，這個轉輪藏是中國現存惟一第十世紀的真正可以轉動的佛經的書架。宋朝一共建有9座轉輪藏，其中有一座記載在北宋建築師李誡所編修的《營造法式》中。長沙開福寺的轉輪藏一共有五個輪子共同轉動， 蘇州南禪寺甚至還有一個類似剎車系統的裝置，漢學家至今不能確定它運作的方式。紡織機.在紡織領域，11世紀的中國人已經開始使用皮帶驅動的紡織機。秦觀的著作《蠶書》中詳細記載了繅車的結構、幾個關鍵部件及用法，透過腳踏板產生動力，絲被纏繞線上軸上。該書是有關繅車的最早記載。南宋紹興年間畫家樓儔所作的《耕織圖》採用繪圖的形式詳實記錄耕作與蠶織。活字印刷術.膠泥式活字印刷術由北宋發明家畢昇於11世紀發明。與畢昇同時代的沈括所著的《夢溪筆談》記載了畢昇的這一創造性發明：活字印刷與雕版印刷相比降低了成本，增加了印刷品的發行數量。雖然這一時期，雕版印刷仍然佔據主流地位，但是活字印刷術的發明促進了後世學子的知識普及，推進了科舉考試的發展。活字印刷在朝鮮半島的高麗王朝時期得到了改進，於1234年將畢昇的燒粘土字改為金屬字。中國的活字印刷也在不停改進，王禎在1298年發明了木活字版印刷。德國谷登堡於1440年發明了鉛字活字。雖然活字印刷與雕版印刷幾個世紀以來作為主要的印刷方式，但東亞國家後來還是最終採用歐洲的印刷機。在印刷術之前，中國已經有能力大規模生產紙。造紙術由東漢蔡倫改進，不再使用竹簡和縑帛作為原料，改用樹皮、破布、麻頭和魚網等廉價之物造紙，大大降低了造紙的成本，為紙的普及準備了條件。105年發明成功，公元3世紀廣泛應用。大唐是世界上最早出現紙幣的國家，其唐憲宗時代的飛錢是目前已知最早的紙幣，而到了宋代，交子成為了世界上最早“正式”發行的紙幣。 交子產生的原因據《宋史》記載是因為鐵錢笨重，攜帶不方便。1023年設交子務，發行官交子。李燾的《續資治通鑑長編》也有相關記載。手紙自從6世紀以來在中國得到廣泛使用，儲存茶葉的紙袋也於7世紀出現，並且大宋朝廷在獎勵官員的時候將紙幣裝在紙質的信封裡。在宋仁宗慶曆年間，人口首次達到了1億。為了滿足人口增長的需要，獨立或政府資助的工業開始發展。例如，除了獨立的紙幣印刷外，政府還在惠州、成都、杭州等處成立了幾個鑄幣廠。這些工廠的工人數目龐大，據記錄僅在杭州就超過1000人。最早的火藥武器書籍.近代的中外學者們一致認為火藥最晚在公元9世紀唐代時期就已經出現。軍事科技方面，公元904年，唐朝的楊行密軍圍攻豫章﹙今江西南昌﹚，部將鄭璠命所部“發機飛火，燒龍沙門，率壯士突火先登入城，焦灼被體”，這也是中國第一次將火藥應用到戰爭中的記載，最早的火藥武器則出現在五代時期的敦煌壁畫。。領先的軍事科技使宋朝在一定程度上抵禦住了北方的鄰國的侵襲。火焰噴射器最早起源於拜占庭帝國時期的希臘，公元7世紀應用虹吸管而製造的一個裝置，稱為“希臘火”。在中國，最早提及希臘火的著作是清吳任臣編撰的《十國春秋》中提及917年吳王楊隆濱派使者給契丹主送去猛火油一事。不過此猛火油與火藥武器無關，例如，錢儼的《吳越備史》記錄了猛火油。宋人將希臘人的發明，即雙活塞應用到火器中，以連續噴射火焰。 一直到北宋中期，曾公亮的《武經總要》中記載的“猛火油櫃”才引入了火藥作為引燃物。火藥的破壞力在唐朝煉丹術已經提及，如唐朝清虛子編的《鉛汞甲庚至寶整合》的記載的“伏火礬法”，而宋人孟要甫的《諸家神品丹法》則收錄了無名氏配方的“伏火硫黃法”。目前流傳下來的最早的記載火藥作為武器的製作過程的書籍為曾公亮的《武經總要》，描繪了炸藥從彈弩發射的機理。 該書記載了中國第一批軍用火器，分火球類和火箭類，在第十一和十二卷中，記錄了引火球、蒺藜火球 、毒藥煙球三種火藥配方。宋朝後期研製成功世界上最早的原始炮管和大炮射彈。關於中國火槍最早的藝術作品來自敦煌的佛教壁畫，該畫大約作於公元950年。12世紀初期，這些火槍被大量使用，用中空的竹管作為槍管，裝有火藥沙、鉛彈、尖銳的金屬屑或瓷器碎片的，後來發展成為大的火藥推進的箭。最後，易損壞的竹子被鑄鐵管所取代，同時新武器名稱也由原來的“火槍”變為“火銃”。13世紀還發展出了“百子連珠炮”，在銅管或鑄鐵管中可以填充大約100粒鉛彈。中國人後來發明瞭包裹炸藥的炮彈。明朝焦玉所著的《火龍經》記載了宋朝初期的“飛雲霹靂炮”，這是一種輕型爆炸性火炮，炮身鐵鑄造，射生鐵鑄造的球型爆炸炮彈。1126年，金人圍攻汴京，李綱在守城時曾用霹靂炮擊退金兵，“夜發霹靂炮以擊賊，軍皆驚呼”。宋朝新武器的研製逐步推進，還研製出了投石機。據《宋史》記載，1277年，後來在元朝進一步發展。建築與土木工程.984年，淮南轉運使喬維嶽負責治理淮河，建立的二斗門，是復閘形式的運河船閘，從而提高了河運能力。根據《宋史》記載：該項發明也是世界首創，之後廣為流傳。在沈括的《夢溪筆談》中，也提到了復閘的應用，並詳細描述了應用該技術後效果。天聖年間，揚子江監真州，官船能載糧最重達七百石，私船則能載多達800袋，每袋2石。而且沈括還提及，合理地使用灌溉運河的水閘門能使淤泥施肥之方法最有成效。然而在20年前，即1060年，著名的官員和詩人蘇軾還認為，農業發展與水利並不能相得益彰，他於其《東坡志林》中如是寫道：在建築方面，完工於至和二年年的開元寺塔為中國現存最高的磚塔，共十一層，高84米。航海術.背景.宋朝的船隻曾航行到綠衣大食簡單的鐵或鋼製的針，透過加熱冷卻，放到一碗水中產生弱磁鐵效應從而發揮效用，雖然這種裝置只用於陸上指南而非海上導航。著作.關於宋朝海港運作、商船運輸、遠洋貿易的著作非常多。朱彧所著的《萍洲可談》巻二記錄了宋代海外貿易及市舶管理情況。書中不僅僅描述了航海的指南針，還描繪了海員從甲板扔鐵鉤，取得海底泥土，從而根據泥土的氣味和外觀來判斷船隻的位置。並且，宋人已經開始掌握了季風規律，並利用季風的規律進行航海，提高了效率。朱彧還描寫了在船上設有水密隔艙，即使有一、二個船艙破裂漏水，其他船艙也不致進水，從而避免船隻觸礁沉沒。1973年，在中國南海岸挖掘出一艘長78英尺，寬28英尺，大約是公元1277年的宋朝商船，船上共有12間水密隔艙，從而也驗證了朱彧的描述。這些新技術以及江河和運河交通疏通，推動了宋朝的航海文化的發展。政府運作的交通船、貢品船、和駁船，私人的運輸船、漁船，還有富人的豪華遊艇，構成了一副熙熙攘攘的繁榮景象。除了朱彧外，還有很多傑出的作家的著作中提到了航海技術。《嶺外代答》為南宋周去非於1178年任桂林縣尉時所撰寫的筆記。書中記載宋代廣西的地理、人文、邊防、風土、物產等方面的豐富的記載，兼述安南、占城、三佛齊、爪哇、大秦、波斯、木蘭皮、女人國等域外國家的地理、人文、風土、物產。宋代沿海貿易，比之前代發達許多，因此這本著作是研究宋代中西海上交通和十二世紀南海、南亞、西亞、東亞、北非等地古國史的可貴資料。書中對木蘭舟描寫如下：書中還描寫了海軍的藤舟：之後的穆斯林摩洛哥柏柏爾旅行家伊本·白圖泰撰寫了大量關於中國船隻的文章。其中特別提到了中國帆船。 他還描述最大的中國船有12根桅杆，而小船則有3根。槳輪船.宋朝為一種依靠人力踩動車輪推動的船的建造投入了大量的物力，被稱作槳輪船。自公元5世紀以來就開始有這種船的雛形，唐代的李皋則於784年成功設計出槳輪船，在戰船的舷側或艉部裝置了人力槳輪。當人力踩動車輪時，葉片撥水，產生動力，船也隨之前行。宋朝將領吳革於1134年製造了一批槳輪船，一艘有9個槳輪，其餘的有13個槳輪。在宋朝還有船的兩側各有12個槳輪的大輪船。1135年，著名將領岳飛鎮壓洞庭湖地區叛軍楊-{么}-的時候，在湖中放置漂浮的雜草和腐爛的圓木來對付槳輪船，從而登上了甲板，獲得了戰略性勝利。冶金術.宋朝積累了前人的經驗，在冶金方面引入了新的技術。公元前1世紀，漢朝時期的中國人已經研製出用碳作為媒介物，將鍛鐵和鑄鐵融化在一起鍊鋼的方法。11世紀，宋朝又研製出兩項鍊鐵的革新。一種方法用來鑄造次等的不均勻的鋼；另一種是現代鍊鋼熔爐的前身，透過鼓冷風反覆鍛造，來達到脫碳的目的。806年到1078年期間，人均鐵的產量增長了六倍，到1078年，年產量已經達到了1.27億公斤。還發展出如步人甲這類的重步兵鎧甲，1134年所規定的步人甲由1825張甲葉連綴而成，重達29公斤，被認為是世界上最重的盔甲，同時可透過增加甲葉數量來提高防護力，但是重量會進一步上升。為此，皇帝親自賜命，規定步兵鎧甲以29.8KG為限。此後，又把長槍手的鎧甲重量定為32-35KG；由於弓箭手經常捲入近戰格鬥，其鎧甲定為 28-33KG；而弩射手的鎧甲定為22-27KG。歷史學家唐納德·瓦格納指出產量的資料是基於政府向國內各個生產鐵的縣收取的稅賦記錄來統計的。 應用水力驅動熔爐的大型風箱，在鑄造過程中使用大量的木炭，因此導致中國北部大範圍森林開伐。在11世紀末期，中國人發現可以用煙煤取代木炭，因此中國北部的森林和上好的木材得以保留下來。 宋朝鋼鐵業產量的飛漲有多種原因，一是宋朝軍事擴張，二是商用金屬產品需求的增長，如炊事器具、種類繁多的農業工具等，而新的運河的開通也連線了主要鋼鐵產品生產中心和繁華的首都市場。宋朝最主要的鐵產品是武器、工具、錢幣、農具、樂器、藝術雕像， 另外還有機械的元件如水力驅動的杵錘，這種裝置在公元前1世紀的漢代已經開始使用，在宋朝更是大量應用。 由於大量的鐵產品的需求，經濟歷史學家郝若貝指出中國12世紀的鐵和煤的產量幾乎與英國18世紀工業革命時期的鐵和煤的產量相當。 然而，宋朝人並沒有發現可以利用煤的能量研製出相應的動力機械。在宋朝時期，政府非常重視鋼鐵業的管理。如詩人和政治家蘇軾擔任徐州知府期間，於1078年曾獻表詳細說明36座鐵熔爐的生產情況，每個都有幾百名工人。風力.中國利用風力由來已久，宋神宗元豐年間更進一步發明了風磨。古中國人從何時開始在窯和熔爐使用風箱至今沒有明確考證，也許從商朝以來就存在了，因為自那時起鍊銅技術已經十分複雜。可以確定的是從公元前6世紀之前鼓風爐已經開始在中國出現，因為鑄鐵農具和武器在公元前5世紀已經廣泛使用。公元31年，漢代南陽太守杜詩發明了水排，以水力傳動機械，使皮製的鼓風囊連續開合，將空氣送入冶鐵爐，鑄造農具。風箱繼續應用在冶金上，同時其他應用風力的裝置也相繼出現。漢代的工匠丁緩，不僅是最早發明卡爾達諾懸掛的人，還發明瞭七輪扇， 可以視為一個小型的空調。在王禎的著作《王禎農書》中，描繪了一種複雜的去糠簸的風揚機。在這些發明之後，風磨於13世紀初年在金朝出現。據考證，中國北部女真族從伊斯蘭國家學習到了風磨的知識，在盛如梓的《庶齋老學叢談》也有相關的記載。 如今風磨依舊在天津和長江流域使用。第一位參觀中國的風磨的歐洲人是荷蘭駐中國大使倪賀夫，他於1656年坐船沿京杭大運河經過江蘇。風磨之後，其它利用風力的裝置甚至交通工具相繼在中國出現。利用風力的獨輪車於17世紀明朝甚至明朝之前出現，歐洲人16世紀來到中國的時候，驚訝地發現大型獨輪車不僅僅由驢或者馬拉動，還安裝了類似船上的桅的裝置和帆，透過風力幫助車輛行進。其它.絲綢、陶瓷在中國為民生產業，亦為奢侈品行業及大宗出口貨品，其工藝在宋代均有發展。自唐以來，陶瓷之業，日見發達，而宋代有一最著名之美術工藝，為歷代所不及，曰瓷器，其中以定、汝、官、哥等為最有名，外此複有吉州、均州、瓷州等窯，景德鎮之瓷器源於唐而大放光彩於宋真宗之世。在現代，仍有陶瓷專家透過研究古代特別是宋代景德鎮等地的陶瓷原料和工藝來改進陶瓷製作技術。