严格地说，在古代世界中是没有近代意义的物理学的，但这并不是说物理学不是历史发展的产物。在物理学作为一门独立的科学形态出现之前，它同样经历了漫长的历史进程，甚至可以说它是与人类的活动相始终的。在中国悠久的文化史中，历代的人们积累有大量的经验性物理知识，并取得有许多辉煌的成就。指南针的发明就是一项具有划时代意义的伟大成就。
中国是世界上最早发现磁铁指极性的国家。大约在战国时期，人们就利用磁铁的指极性，发明了磁性指向仪器“司南”。东汉的王充说：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”(8)本世纪三、四十年代，中国著名的文博学家和科技史家王振铎研究并复原了司南，(9)指出它是用天然磁铁磨制成杓状之物，投置于光滑的地盘（即罗经盘）上，其杓柄就会指向南方。由于天然磁铁加工后易失磁，本身又难于加工得小巧轻薄，故指向不太准确，没能被推广应用。
从司南到指南针，经历了一个漫长的演进过程。指南针究竟何时问世，现在尚无法确定。目前发现的关于指南针的早期文字记载，主要的有如下几条：
《茔原总录》卷一说：
客主的取，宜匡四正以无差，当取丙午针。于其正处，中而格之，取方直之正也。
意思是说，要定东西南北四正的方向，必须取丙午向的针，然后在丙、午的位置，“中而格之”，找出正南的方向。亦即让针指丙午中间的方向，则午向就是正南方向。《茔原总录》是一部相墓书，撰于宋仁宗庆历元年（1041年）。作者杨维德是当时的天文学家、星占学家和堪舆学家，大中祥符三年（1010年）左右任司天监保章正，专司占候变异。这条记载中所说的针，虽没有明确指出是什么针，但从字里行间可以断定是磁针无疑，说明当时已把磁针与罗经盘配套，作为定向的仪器，并且已发现了地球的磁偏角，定为正南偏东7.5度。
《梦溪笔谈》卷二十四说：
方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。
《梦溪笔谈》是北宋沈括所著，撰于公元1088—1095年间。这条记载明确指出指南针是方家（堪舆家）首先发明和使用的，用的是“磁石磨针锋”的人工磁化方法制成，并且记述了水浮、置指甲上、置碗唇上和悬丝等四种指南针的装置方法，以及各种方法的长处和缺陷，使人们对当时的指南针有较清晰的认识。文中所说的指南针“常微偏东”，说明沈括也已注意到磁偏角。
《本草衍义·磁石条》说：
磨针锋则能指南，然常偏东，不全南也。其法取新纩中独缕，以半芥子许蜡，缀于针腰，无风处垂之，则针常指南。以针横贯灯心，浮水中，亦指南，然常偏丙位。
《本草衍义》撰于公元1116年，为北宋药物学家寇宗奭所著。此记载与杨维德和沈括的记述基本一致。
从上述材料中，我们可以看到，指南针在十一世纪时已是常用的定向仪器，有多种装置方法，并已由指南针发现了地球的磁偏角，从而也表明指南针至少已经行用了一段时期。由此可以推断，指南针至迟发明于十一世纪初期。如果把指南针的发明时代上溯到十世纪时的唐末或五代，也是不无根据的。如王伋（王赵卿，约十世纪末）曾留有“虚危之间针路明”的诗句；(10)佚名的《九天玄女青囊海角经》（约900年）中说：“今之象占，以正针天盘，格龙以缝针地盘”(11)等。这里所说的“针路”、“正针”、“缝针”等，极可能就是用指南针与罗经盘配套定向的术语。
除“磁石磨针锋”外，中国古代还发明了另一种人工磁化方法，即利用地球磁场的作用进行磁化。北宋曾公亮主编的《武经总要》中记载的指南鱼就是如此。其法是把薄铁片剪成鱼形，烧红后把尾部蘸入水中，使鱼尾指向正北方位，并且稍微向下倾斜，然后取出，鱼形薄铁片就被磁化，让它浮在水面，就成为可以指向的指南鱼。这种利用地磁场进行磁化的方法，是一个非常了不起的发现和发明，包含有丰富的科学道理。近代科学表明，磁铁的磁性是由磁畴的规则排列形成的，非磁铁由于磁畴排列杂乱无章而不具磁性。鱼形薄铁片烧红以后，内部磁畴活动加剧，沿南北方向放置，可以在强大的地磁场作用下，使磁畴顺着地磁场的方向排列。蘸入水中，则可以使磁畴的规则排列比较快地固定下来。至于鱼尾稍微向下倾斜，是由于地球磁场的磁倾角作用，可以增大磁化的程度，这也反映了当时中国已经发现了地球的磁倾角。欧洲人用同样的方法进行人工磁化，比中国晚了四百多年，磁偏角的发现是哥伦布在航海探险中于1492年发现的，而磁倾角的发现则还要更晚一些时候。
在物理学的其他分支中，中国古代同样不乏出色的成就：
力学方面，墨子已经得到了力×力臂=重×重臂的杠杆原理，对力、运动、静止、时空等概念，墨子也都有着精辟的论述。墨子认为，运动是由于物体受力的作用而发生，在空间中表现为位置的移动，在时间上表现为先后的变化；时间和空间既是连续的，又是由不可再分的时间基元“始”和空间基元“端”所构成的。墨子的这些力学成就，以之与古希腊物理学相比，毫不逊色。其他如利用摩擦而引起板振动的喷水鱼洗，利用类似于现代万向支架原理制作的被中香炉等，都是至今仍为举世所赞叹和惊异的杰出发明。
光学方面，墨子提出了光是直线传播的，并进行了小孔成像的实验，用光的直线传播解释了光通过小孔所形成的影像是倒像的道理。他对凹面镜、凸面镜和平面镜成像的原理也进行了比较系统的研究，已发现了凹面镜焦点的存面。虽然他尚把球心和焦点混淆在一起，但这些实验是世界上最早的光学实验，具有重大的科学意义。李约瑟曾把墨子光学与古希腊光学进行比较，指出墨子的光学研究“比我们任何所知的希腊为早”，“印度亦不能比拟”。(12)后来，宋代的沈括和元代的赵友钦分别又对凹面镜和小孔成像原理进行较深入地研究，把中国古代的几何光学提高到一个新的水平。此外，汉代发明的透光镜，能够反射出铜镜背面的精美图像，是中国古代光学的一大发明，现在仍引起中外学者的关注。
声学方面，中国是首先发现声音共鸣现象的国家。早在春秋战国时期，人们就已发现了声音的共鸣现象，并加以利用。《墨子·备穴篇》中记载有，为了侦知敌方是否挖地道攻城，可在城内沿城墙根每隔一定的距离挖一口井，井中放置大瓮，瓮口紧绷薄牛皮，派耳朵聪敏的人贴着瓮口监听。如敌方开挖地道，即可由井瓮发出的声音情况来判断敌方地道的方位，预作准备。这反映了当时已经发现了声波共鸣可使声音放大的现象，并加以巧妙地利用。又据《庄子·徐无鬼篇》记载，西周的鲁遽曾把二瑟置于二屋，一屋中拨弦，另一屋中相应的弦即随之振动，“鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣”。如果调一瑟中的某一弦，使它与五声中任何一声都不相当，那么弹动它时，另一瑟上的二十五根弦都会振动。这可说是世界上最早的共振实验。后来，沈括也进行了类似的实验。他在一根琴弦上放置一小纸人，弹动另一架琴上频率相应的弦，则弦上的纸人就会跳动；弹动其他的弦，则纸人不动。欧洲直到十七世纪，方进行了相似的实验。关于声音的反射问题，中国也早就有所研究，现存北京天坛的回音壁、三音石和圜丘，是利用声音反射效应的杰作。音律学的研究，更是中国古代长期关注的问题，特别是明代朱载堉于1581年前后首创的十二平均律，以及十二平均律的计算公式，在世界音律学史揭开了一个新的篇章，对近代音乐艺术的发展起了巨大的促进作用。
第三节 火药及炼丹化学 火药的发明发端于炼丹术。炼丹家在炼丹实践中，经常使用硫黄、硝石和含碳的皂角、马兜铃等炼制丹药，丹房失火的事故时有发生。唐代的炼丹家已从中认识到，硫黄、硝石、碳混合在一起，遇火后会引起燃烧或爆炸。这三种药物的混合物就是初始的黑火药。大约在晚唐时，军事家从炼丹家手中得到了配制火药的方法，并在军事上加以应用。初期的火药简单粗糙，威力不大，主要是利用其燃烧性，用来加强火攻的效力。大约在唐哀帝天祐年间（904—907年），有人在战争中使用了火箭、火炮。火箭是把火药缚在箭头附近，点燃后用弓射出；火炮是用火药制成类似于炸药包一类的东西，点燃后用抛石机抛射以烧敌。五代时，除火箭外，还制造有火球、火蒺藜等火药武器。有宋一代，先后承受着北方的少数民族政权辽、金、元南犯的威胁，战争时断时续，与宋代相始终。由于火药的威力较其他兵器为大，故受到特别的重视，火药的质量和火药武器得到较快地发展。在战争中，金、元也都掌握了火药和火器的制造方法，并有所改进和发展。在北宋曾公亮主编的《武经总要》中，记载有三个火药配方，分别为毒性的、燃烧性的和爆炸性的火药。方中的基本成分除硫黄、硝石和木炭外，还根据各自的性能添加了多种辅助性的药物。这些配方按定量配制，增加了硝的比例，接近于后世黑火药中硝占的分量，反映了火药配方已脱离了初期的简单粗糙和配制的盲目性，有了比较合理的定量配比。毒性火药配方称“毒药烟球法”，(13)含有巴豆、砒霜等毒药成分，用于向敌阵施放烟幕，使敌方中毒而削弱战斗力；燃烧性火药配方称“蒺藜火球法”，(14)含有沥青、干漆、桐油、蜡等易燃成分，布放于敌骑兵必经之地，以烧伤敌方马匹，阻止敌骑兵的进攻；爆炸性火药配方则称“火炮火药法”，(15)含有松脂、黄丹、砒黄、桐油等成分，但爆炸性能很差，其目的主要是用于火攻，以烧伤敌方兵将。《武经总要》中还记载有一种称“霹雳火球”的火药武器，其点燃后“开声如霹雳”，(16)用以放烟薰敌人，对付敌方挖地道攻城。“霹雳火球”可能是爆炸性火药武器的初始形式。宋元时期在火药武器方面的一个突出成就，是管形火器的问世和发展。管形火器的出现是兵器史上的划时代成就，后世的枪炮正是在这基础上发展起来的。管形火器何时发明，现尚未定论，但至迟在南宋时已在战争中使用。最初的管形火器是用竹筒制成的突火枪，随后发展为用铜铸造的铜火铳。现已出土有数尊南宋和元时制造的铜火铳。明代又改铜为铁，口径和炮筒长度都大为增加，成为具有强大杀伤力和破坏力的重型武器。火药武器方面的另一突出的成就，是自身具有推进和发射功能的火箭的出现。宋元时期已发明了一种利用火药喷射所产生的反作用力，把箭簇射向敌方的火药箭。这是现代火箭的鼻祖，其原理与现代火箭的发射原理相一致。在明代茅元仪的《武备志》卷133中，记载有一种叫做“火龙出水”的火箭，已是一种两级火箭。它利用四支火箭燃烧后产生的反作用力射出，再引燃火龙口中的火箭，使箭镞射出以击敌。这不能不说是火药利用过程中所取得的一项重大成就。大约在元时，随着元军的远征以及中外交通贸易的发展，火药和火药武器相继由陆路和海路传到阿拉伯和欧洲。从此，在世界兵器史和军事史上引发了一连串重大的变革。当然，火药只是炼丹家对化学的一项贡献。中国是炼丹术的发祥地，有着悠久的炼丹历史，炼丹术对人类文化史，特别是对化学的贡献是极其重大的。炼丹术在西方称炼金术，中国的炼丹术大约在公元七至九世纪时传到阿拉伯，又由阿拉伯传入欧洲，促进了阿拉伯和欧洲炼金术的发展。尽管炼丹术的本意是极其荒谬的，它企图通过化学变化，把各种药物（包括草木和矿物）炼制成“长生不老药”及变贱金属为贵金属，这肯定是不可能实现的。但是炼丹家在长期的炼丹实践中，却从中认识到“变化者，乃天地之自然”，(17)即物质是会发生变化的，物质的变化是自然界的普遍规律，并积累了大量关于物质变化的知识，取得了一系列的化学成就。弗·培根说：“炼金家是在培育着永久的希望，事情不成时，总是归咎于自己的某种错误：不是恐怕自己没有充分了解这个方术或其著作者的语意（因而他就转向对古法和秘传的追求），就是恐怕自己在制炼中在分量上或时间上有毫厘分秒的差池（因而他就把试验无限地重复下去）；而同时，当他在试验过程的一些机会中居然达到一点新的或尚属有用的结论时，他又认真地把它们看作是大功将至，以它们来餍足其如饥似渴的心，把它们极度地张大起来，而尽将余事寄于希望之中。诚然，炼金家们不是没有许多的发现，不是没有带给人们以有用的发明；不过他们的情节却如寓言中所讲的一个老人的故事：那老人以其葡萄园中的窖金遗给诸子，而故称不知确切地点，诸子于是就辛勤地从事于翻掘园地，虽然没有找到什么金子，可是葡萄却由于这次翻掘而变得更加丰茂了。”(18)这段话生动而深刻地揭示了炼丹家的心态、炼丹术的性质和结果。炼丹术带给人们有用的发现和发明是多方面的。在炼丹著作中，人们可以经常看到“还丹”或“九转还丹”之名称，实际上这不过是红色硫化汞（丹砂）。炼丹家把天然的丹砂置于丹鼎（炼丹炉）中加热，使其分解为汞和硫，汞和硫又会化合为黑色硫化汞，再经加热而升华，回复为红色硫化汞。炼丹家把所得的红色硫化汞称为“还丹”，重复上述过程多次炼制所得的丹砂称“九转还丹”，并用比附的方法，认为人服食了还丹，就会像它一样脱胎换骨，飞升成仙，长生不老。这种认识当然是荒谬绝伦的，但还丹利用化学和物理的方法，去除了天然丹砂的杂质，是人类最早通过化学方法制成的产品之一，在汉代就已经制得。汉代时炼丹家利用类似的方法制成的化学产品，还有胡粉（白色碱性碳酸铅）、黄丹（四氧化三铅）等。在炼丹实践中，炼丹家发现和积累了不少物质的化学性质和性能的知识。如汞化学，铅化学，金、银、铜、铁以及硫黄、碳等的特性。其中，铁对铜盐的置换反应的发现，不论从化学角度还是工业角度看，都堪称是一项了不起的发现。西汉的《淮南万毕术》中记载，“曾青得铁则化为铜”，曾青是天然硫酸铜，其溶液与铁接触，铁离子能置换出硫酸铜中的铜离子，表明了汉代以前炼丹家已进行了置换反应的实验，时间之早是不能不令人惊叹的。这一发现，还为后世的湿法炼铜——胆铜法奠定了实验基础，开创了湿法冶金的先河。后世的炼丹家同样有不少新的发现和发明，如硫酸、硝酸等强酸以及一些强碱剂，都是在唐代就已制成。通过炼丹活动，炼丹家对于一些矿物也有一定的认识。如晋代的葛洪已了解到碱性碳酸铜有杀菌作用；南朝的陶弘景已经知道用燃烧的方法来鉴别消石（硝酸钾）：“以火烧之，紫青烟起，云是真消石也”，(19)这是化学中用火焰法鉴别钾盐的肇始。此外，炼丹家大都又是医药学家，他们把化学药物应用于医疗之中，促进了医药学的发展。如唐代已用剧毒的汞、坤等化合物来杀灭病原虫和细菌，治疗皮肤病、回归热和疟疾等疾患；用白锡银箔和水银合制成“银膏”来作牙齿的填充剂。这些，在医药学史上都是具有开创性意义的成就。
第四节 生物学上的出色成就 各种生物与人类的生活息息相关，可以说，自从人类出现之时起，人们便一刻也离不开生物。在长期的生活实践中，中国古代积累有极其丰富的生物学知识，并取得了许多重大的成就。生物学上最基本的知识开始于对生物的分类，没有这种分类学上的知识，就不可能对纷繁杂沓的生物界进行科学性的处理、总结，并加以利用。早在殷代的甲骨文中就有不少关于动植物的名称，根据这些字形的特征来加以考察，可以看出当时人们已经产生了依据动植物的外部形态特征进行分类的认识。随着人们对动植物外部形态认识的逐步深化，到春秋战国时产生了具有鲜明特色的中国传统分类法。当时的分类知识大都散见于《周礼·地官》、《考工记·梓人》、《礼记·月令》、《管子·幼官》和《尔雅》等典籍之中。这些分类知识又大致可分为二种：一种是把植物分为皁物（柞栗之属）、膏物（杨柳之属）、核物（核果类、李梅之属）、荚物（荠荚、王棘之属）、丛物（萑苇之属）等五类，把动物分为虫类、鱼类（又分之为鳞类、蛇类与介类）、羽类、毛类和臝类（指人类，包括猿猴类）等五类，这种分类法是受五行说的影响而产生的；另一种分类法以《尔雅》为代表，把植物分为草、木两大类，把动物分为虫、鱼、鸟、兽四大类。后世的分类法，是在这二种分类的基础上进行综合而发展起来的。明代李时珍的《本草纲目》中的分类情况，可以为中国古代传统分类学之集大成者。《本草纲目》分植物为草、谷、菜、果、木五类，分动物为虫、鳞、介、禽、兽、人六类。从其动物的分类顺序中，可看出中国古代已有关于生物界发展变化的认识。同时，在中国古代的传统分类学中，还包含有生物之“属”和“科”的分类概念。如《尔雅》中把山韭、山葱、山蒜等放在一起，相当于葱蒜属；把蜩、■、■、蜺等不同的蝉放在一起，相当于蝉科。《本草纲目》中把草这一大类又分为芳草、毒草、蔓草、苔草、山草、湿草、水草、石草等十小类，把大戟、甘遂、泽漆等大戟科植物分在一起。这些分类方法，都符合或近似于近代的生物学，在古代世界中也是处于先进的地位。西方植物学的创始人瑞典的林耐（Carl vonLinné，1707—1778）的代表作《自然系统》，出版于公元1735年，全书仅十二页，不但时间远远落后于中国，内容也远不如中国之丰富。中国是一个农业古国，又长期进行畜牧饲养，从实际生产中积累有丰富的动植物生态学知识。《管子·地员篇》中就记载有极可宝贵的植物生态学知识，管仲在考察了土质优劣、地势高低和水泉深浅等地理条件与植物关系的基础上，得出了“凡草木之道，各有穀造，或高或下，各有草物”的重要结论，同时已初步认识到植物垂直分布的现象，即在同一地方，由于地形高低不同，所分布的植物种类亦不同的现象。后来，人们更进一步认识到地域和地理环境不同，所宜生长的植物也不同，并把这一认识在生产实践中加以应用。类似的动物生态学知识，在中国古代亦早已产生。特别是利用动物外形特征来鉴别动物品种优劣的外形学知识和理论，已达到了较高的水平，出现了一批相马、相牛、相鹤以至相贝之类的专门著述。从北魏贾思勰的《齐民要术》所转引的汉代《相马经》内容看，在汉代以前人们已认识到马体各部位之间的相互关系和内外联系。东汉的马援曾于公元45年铸立铜马于洛阳宫中，这是最早的马匹外形学研究的良马标准模型。有人认为1969年甘肃武威东汉墓出土的铜奔马“马踏飞燕”，可能就是一种良马模型。因当时良马等级有“袭乌”一级，即形容马可跑得快到追上疾飞的乌鸦。此外，中国古代已经注意动物生理状态随日夜、潮汐、月令、季节变化的节律问题，留下了大量关于生物节律的历史记载。如《吕氏春秋·精通篇》中说：“月望则蚌蛤实，群阴盈；月晦则蚌蛤虚，群阴亏”，宋代姚宽的《西溪丛语》中说：“蛤蜊、文蛤皆一潮生一晕”等，在《夏小正》、《礼记·月令》以及历代的农书中，都有许多关于物候的记载。这些，反映了中国古代对生物节律已有初步的认识。而且至迟在公元四世纪时，中国就已利用低温催青，改变了蚕一年二化的生长节律，成功地培育出第三化蚕，这是生物学史上一项划时代的成就。对生物的遗传和变异，中国古代亦已有较深刻的认识，并在生产实践中加以应用。在长期的农业和畜牧业生产中，人们很早就认识到遗传现象的普遍存在，即“夫种麦而得麦，种稷而得稷，人不怪也”。(20)同时，又认识到遗传性与生活条件有着密切的关系，因此要求在生产中必须“适其天性”，不能“任情返道”，而要“顺物性，应天时”，(21)以满足生物的生活条件。但是，遗传性并不是一成不变的，对此中国古代也早已发现，有所认识。在《周礼》中就记载了谷子有成熟期较长的“穜”和较短的“稑”，《尔雅》中更记载有三十六个品种的马，明代的《天工开物·黍稷粱粟》中则进一步指出，粮食品种甚多，“相去数百里，则色、味、形、质随方而变，大同小异，千百其名”。基于对生物遗传和变异的认识，中国古代在农业和畜牧生产中，广泛地采用了存优汰劣的选种和育种方法，选留优质的种子、种畜以种植和养殖。同时，还进行了培育新品种的研究，成功地研制出大量菊花、牡丹、玫瑰等花卉以及家蚕、金鱼的新品种。中国古代在这方面的工作和记述，是任何其他国家和地区所无法比拟的，并为近代生物学的创立和发展提供了大量珍贵的资料。正如达尔文在《物种起源》一书中所说：“如果以为选择原理是近代的发现，那就未免和事实相差太远，……在一部古代的中国百科全书（指《本草纲目》）中，已经有关于选择原理的明确记述。”达尔文所著的《动物和植物在家养下的变异》，引用的中国资料就达几十条之多。更为可贵的是，中国古代已进行了杂交育种的探索和研究，开拓了一条培育生物新品种的途径。其中，利用马与驴杂交而生的骡子，是这方面的一个重大成就。《吕氏春秋·爱士》中记载，“赵简子有两白骡”，表明这一工作至迟在二千多年前的春秋时期就已发明。此后，利用杂交优势，培育骡子的工作一直是家畜繁殖中的一件大事，受到历代的重视。植物的嫁接技术也是中国所首创的，在东汉的《氾胜之书》中，已记载有瓠的嫁接方法，后世更是在果木栽培中广泛加以应用。在昆虫和微生物的利用方面，中国同样有着悠久的历史和杰出的成就。除了蚕的驯育和利用外，中国还是最早利用五倍子、虫白蜡和紫胶的国家，昆虫在医药中的利用更是多不胜举。在养蜂方面，元代刘基的《郁离子·灵丘丈人》中已概括出了蜂群管理法的原则，比德国齐从（J.Dzierzon）1845年发表的十三条养蜂原理早五百多年。在西晋时中国已经采用放养黄惊蚁的方法防治柑桔的害虫，后来人们在甘蔗种植中又发明了养红蚂蚁防治螟害的方法。此外，在《齐民要术·种谷》中，记载有利用育种避虫的十个品种。这些，是现代利用天敌治虫及作物育种避虫方法的先驱。至于利用微生物制曲、酿酒，进行食用加工，在中国更具有几千年的历史，至今仍在生产和生活中得到广泛地应用。还应该特别指出的是，中国古代已经注意到生物资源的保护和合理利用的问题。战国时的荀子已经认识到，生态环境与社会安定和人类生活有着重大的关系。他指出：“天之所覆，地之所载，莫不尽其美，致其用，上以饰贤良，下以养百姓而安乐之。”(22)从周代开始，中国已经把保护山林，保护动植物资源，列为国家管理中的一项要务，并被视为是关系到帝王能否治理国家的重要标志。“为人君而不能谨守其山林菹泽草莱，不可以立为天下王”。(23)因此，周代就已制定法律，规定了砍伐林木，猎取禽兽的月令，禁止非时伐木和狩猎，并委任有专门的官吏进行管理。后来的历代政府，也都不同程度地注意到生物资源的保护和合理利用的问题。中国古代在这方面的经验和教训，是值得认真总结，引为鉴戒的。
第五节 自成体系的中医药学 在中国古代科学的各分支中，未被近现代科学所融汇，且至今仍有强烈生命力的，唯有传统的中国医药学。其所以能够如此，原因之一是它拥有自己的理论、方法和内容，即形成为一个完善的科学体系。中国古代科学的其他分支，虽然也各具鲜明的中国特色，也可说是各有体系，但与中医药学相比较，都不如它那么完整和完善。中医药学体系是以中国古代盛行的阴阳五行学说，来说明人体的生理现象和病理变化，阐明其间的关系，并将生理、病理、诊断、用药、治疗、预防等有机地结合在一起，形成了一个整体的观念和独特的理论，作为医药学的基础。其内容包括以脏腑、经络、气血、津液为基础的生理、病理学；以望、闻、问、切“四诊”进行诊断，以阴阳、表里、虚实、寒热“八纲”进行归纳治疗的一整套临床诊断和辨证施治的治疗学；以寒、热、温、凉“四气”和酸、甘、苦、辛、咸“五味”来概括药物性能的药物学；以“君臣佐使”、“七情和合”进行药物配伍的方剂学；以经络、腧穴学说为主要内容的针灸治疗学；此外还有推拿、气功、导引等独特的治疗方法。这个体系创立于春秋战国时期，早期阶段的成就以《内经》、《伤寒论》、《神农本草经》等著作为代表，经历代不断发展和完善，成为中国文化史上一份极其宝贵的遗产。从世界医药学史的角度看，中医药学不但体系独特，而且有着一系列卓越的贡献。其中突出的有：在医学理论方面，中医药学虽然以人体为对象，但是它把人体看作是自然界整体的一部分，不是孤立地研究人体，而是把人体放在自然界整体运动和广阔的动态平衡之中来进行研究。因此，在其病理学说中，非常重视疾病与人体自身精神状态、生活状态以及外部环境，特别是气候变化的关系。在临床治疗中，它反对单纯的头痛医头，脚痛医脚，强调“治病必求于本”(24)的原则，即把握住疾病的原因和本质，针对不同的情况进行辨证施治。同时，它又把人体本身看作一个有机的整体，不是简单、孤立地研究疾病的症候，而是把各脏腑、经络、气血、津液等紧密地联系在一起，进行全面的考察。在用药方面，它讲究药物配伍的原则，即根据每个病人虚、实、寒、热的特性，因人施药，并注意主治药物和辅助性药物的配伍问题。这些理论和原则，即使用现代科学观点和方法来加以考察，亦是非常深刻和具有积极意义的。脉诊，是中医药学上一项独特的诊断方法。据《史记》记载，战国时的扁鹊已能通过脉诊确定病人的病情，然后对症下药，反映了当时已掌握了脉诊的方法。从此，脉诊成为中医药学的一个重要组成部分。脉诊的应用表明，中国古代的医生已掌握了脉象与身体各部分的关系的知识，亦即关于心脏、血液与血管的关系，血流速度与人体健康的关系，呼吸和脉搏频率的关系等解剖生理学的知识。现代医学表明，脉搏是循环机能的综合表现，脉象因循环系统的情况改变而不同。而且，由于循环系统与身体各内脏都有关联，组织代谢的任何变化，都会给血液循环以一定影响，机体的重要疾病变化，都会在不同程度上影响循环系统的功能。因此，尽管中国古代脉诊是建立在经验基础上的，但却是有着科学依据的。中国的脉诊很早就传到国外，除邻近的日本、朝鲜等国外，大约在十世纪时已传至阿拉伯，十七世纪时传至欧洲，对世界医学的发展有着一定的影响。在外科学方面，与西医只重视局部和体表的医治方法不同，中医坚持了整体的观念，既重视体表疾患的局部表现，更重视患者机体的内在变化；既重视手术、手法的治疗，更重视机体抗病能力的增强。这一思想，在骨科治疗中体现得更为突出。因此，在治疗过程中不仅注意了局部的处理，而且强调适当的活动和功能锻炼，同时配合活血化瘀和调理脏腑功能的药物，收到了良好的疗效。麻醉药物的发明，是中医外科的又一重大成就。据《后汉书》记载，东汉名医华佗已在外科手术中应用了麻醉药麻沸散。麻沸散的药物组成早已失传，据现代研究，它可能与宋代窦材《扁鹊心书》、元代危亦林《世医得效方》、明代李时珍《本草纲目》中所记载的睡圣散、草乌散、蒙汗药相类似。这些方子的主要药物成份是曼陀罗花，具有麻醉作用。即使不算华佗的麻沸散，宋、元、明三代所用的麻醉药也是世界最早的发明。国外直至1805年，日本的华冈青州方使用以蔓陀罗花为主的麻醉剂，被誉为世界外科学麻醉史上的首创，实际上比中国要晚得多。针灸是中国独创性的一种治疗方法，其特点是在病人身体的一定部位用针刺入，或用火的温热烧灼局部位置，以达到治病的目的。这一疗法大约起源于新石器时代，周代以后逐渐形成为一项专门的治疗方法。针灸疗法的理论基础是经络学说。在长沙马王堆汉墓出土的周代古医籍中，有《足臂十一脉灸经》、《阴阳十一脉灸经》等帛书，反映了当时经络学说已基本确立。在《黄帝内经》中，又进一步把人体的主要经脉总结为十二条，并对每条经脉的循行部位，以及经脉和疾病、治疗的关系进行了总结。经络学说认为，经络遍布于人体各部位，不仅分布在体表，而且进入体内与各脏腑相联结，并周而复始地循环运行，担负着运送全身气血，沟通身体内外、上下的功能。在经络学说的基础上，又演化出腧穴的认识。腧穴都处在经脉运行的径路上，分布于身体表面的特定部位，针灸这些部位，可经由经络对身体起刺激作用，进而调整人体内部的机能，增强防病能力，达到治病的效果。由于针灸疗法简便易行，经济实用，适应症广，治疗效果比较迅速和显著，特别是具有良好的兴奋身体机能，提高抗病能力和镇静、镇痛等作用，没有或极少副作用，又可协同其他疗法进行综合治疗，因此深受人们的欢迎。针灸疗法早在汉唐时就传到日本、朝鲜等国，宋元后又相继传到阿拉伯和欧洲，至今仍受到国内外的重视。中国还是免疫学的发祥地，免疫思想很早就已萌发。公元四世纪初，葛洪所著的《肘后方》中记有“疗猘犬咬人方”，即当人被狂犬咬伤后，把咬人的狂犬杀掉，取狂犬的脑子敷贴于伤口上，以防治狂犬病。十九世纪时法国著名医学家巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895年）防治狂犬病的疗法，也是基于利用狂犬的病毒以增强免疫力。隋代的巢元方在《诸病源候论》中又指出，服用“沙虱”（恙虫幼虫，形似小红蜘蛛，可传播恙虫病）研成的细末，可治疗恙虫病。国外直至本世纪初，才在感染该病毒的鼠类中获得病原，制成疫苗。中国古代在免疫学上最突出的贡献，是关于天花的防治，发明了人痘接种法。该法是取少许天花患者的痘浆或痘痂，植入健康儿童的鼻孔中，使其感染轻度天花，而获得免疫力。种痘法发明于何时，现说法不一，有说是始于宋代的，有说是始于明代的，但至迟在十六世纪下半叶已经使用，则是无疑的。大约在十七世纪末，中国的人痘接种法传到俄国，继之又传入欧洲，对保护儿童的健康做出了重大的贡献。公元1796年英国医生琴纳（Edward Jenner，1749—1823年）发明牛痘接种法后，方逐渐代替了人痘接种法。在药物学方面，中药也具有非常显著的特色，它在药物的自然属性和在人体内的治疗作用的基础上，总结出了一套独特的理论系统，并形成了一套独特的药物炮制和配方用药方法。中国古代关于药物和方剂的专著很多，其中唐《新修本草》是世界上第一部国家发布的药典，明代李时珍的《本草纲目》更可堪称古代世界的药物大全。此外，在妇科、儿科、法医学以及食物医疗保健等方面，中国古代也都有着很多重大的成就。其中，宋代宋慈所著的《洗冤集录》是世界上第一部系统的法医学专著，在法医学史上占有重要的地位。
第六节 造纸术、印刷术的发明和发展 史籍上关于造纸最早的明确文字记载，是《后汉书·蔡伦传》所说的：“自古书契多编以竹简，其用缣帛者谓之为纸。缣贵而简重，并不便于人。伦乃造意，用树肤、麻头及敝布、鱼网以为纸。元兴元年奏上之，帝善其能，自是莫不从用焉，故天下咸称‘蔡侯纸’。”后人便以此为据，称蔡伦是造纸术的发明者。但自从1933年在新疆罗布淖尔发现西汉麻纸后，蔡伦发明纸的定论便开始受到怀疑。1957年西安灞桥再次发现了西汉麻纸，1973—1974年又在甘肃居延发现西汉麻纸，这些出土实物更加有力地表明，纸是在西汉时发明的，不是蔡伦所首创。尽管还存在着不同的见解，但关于纸是西汉时期发明的观点已越来越受到学术界的承认。(25)虽然最初的纸不是蔡伦发明的，但是他在造纸史上的功绩仍然是极其伟大的。首先，他是造纸技术的伟大改革者。在他之前的纸，质地粗糙，夹带有较多未经松散的纤维束，表面不平滑，不宜用于书写，大都只供包装用。而蔡伦于元兴元年（105年）所献的纸，受到汉和帝的赞赏，“自是莫不从焉”，深受人们的欢迎，说明蔡伦所造的纸已相当精良。要得到优质的纸张，工艺上必然要有所改进，特别是“打浆”工艺要比西汉造麻纸时更为成熟和完善。其次，是他开拓了造纸原料的新领域。蔡伦除了继承和改进用麻类原料（麻头、废旧的麻布和麻织鱼网等）造纸外，还首创了用树皮（主要是楮皮）作为造纸的新原料。这是造纸技术上的一项重大的技术革命，既为纸的制造开辟了一个更加广阔的原料来源，又促进了纸的产量和质量的提高。正是由于蔡伦的贡献，为人们提供了廉价优质、适于书写的纸张，从而使纸张的应用得到普及和推广，并引起了书写材料的变革。从此，不仅中国原先所用的竹、木简牍和缣帛之类逐步为纸张所取代，而且埃及的纸草、印度的树叶、以至阿拉伯和欧洲的羊皮等，无不一一在纸的面前相继退出了书写材料的舞台。自蔡伦以后，中国的造纸业持续地得到发展。人们一方面不断地开拓着新的造纸原料，一方面在工艺技术上不断地进行着改进，使纸的品质越来越提高，品种越来越多样。魏晋南北朝时期已开始利用桑皮、藤皮造纸，隋唐五代时期，竹、檀皮、麦杆、稻杆等也都作为造纸原料，先后被利用。工艺技术方面，魏晋南北朝时期已采用帘床设备捞纸，既提高了工效，又使纸张有了一定的规格，便于运输、保藏、书写和装订。防止纸张虫蠹的“潢治法”，也在这个时期发明并推广。所谓“潢治法”，是用黄蘖和雌黄等防虫原料进行处理，以防止纸张被虫蛀蚀。从此，“潢治法”成为古代造纸术中的一项传统工艺。唐时竹纸的问世，是造纸技术的重大突破。竹子纤维硬、脆易断，技术处理比较困难，用竹纤维作原料，表明造纸技术已达到相当成熟的程度。在造纸过程中加矾、加胶、涂粉、洒金、染色等加工技术，也都在唐时问世。至于纸张的品种，从唐代到清代更是不断地增多，各种彩色的蜡笺、冷金、错金、罗纹、泥金银加绘、砑花等名贵的纸张，各种宣纸、麻纸、壁纸、花纸等实用纸张，成为人们文化生活和日常生活中不可或缺的必需品。廉价优质纸张的大量生产，为印刷术的出现提供了必要的物质条件，而刻印、刻石、木刻符箓以及染织上的镂板印花技术，则早已为印刷术准备了充分的技术条件，因此随着社会文明的发展，印刷术在中国很自然地诞生了。中国古代印刷术的发展，可分为两个阶段，一个是雕板印刷术，一个是活字印刷术。关于雕板印刷术的情况，本书第五章已经作了介绍，这里不再赘述。活字印刷术是北宋庆历年间（1041—1048年）平民毕升发明的。《梦溪笔谈》说，他用胶泥刻字，经火烧变硬，按字韵排列分贮于木格中。每一字皆刻有数印，常用字如“之”、“也”等则备有二十几印，以为每板内重复时使用，至于排版时遇到缺字，则随时刻出，烧硬补上。排版时，把泥活字放在一块铁板上。铁板上铺有一层松香、腊和纸灰等混合物以作粘着剂，铁板周围有铁范框住，待字印密布后，将铁板放火上加热，让粘着剂稍熔，再用平板把字面压平，冷却后活字便固定在铁板上，即可刷墨印刷。印完后再行加热，使粘着剂熔化，取下活字。一般铁板设有两块，一块用于印刷，一块用于排字，“更互用之，瞬息可就”，印制数量较多的印刷品“极为神速”。活字印刷工艺简单，使用和保存方便，工效又高，克服了雕板印刷费工费时，用材浪费，工效低，雕板用后保存不便等缺陷，把印刷技术推进到一个新的发展阶段。沈括在记述毕升的泥活字印刷时，还曾说到：“不以木为之者，木理有疏密，沾水则高下不平，兼与药（指粘着剂）相粘，不可取，不若燔土，用讫再火令药熔，以手拂之，其印自落，殊不沾污。”(26)这一记载表明当时毕升可能试验过用木活字印刷，但因其所存在的缺陷而未被采用。最先记载用木活字印刷的是元代的王祯。其法是：“造板木作印盔，削竹片为行，雕板木为字，用小细锯锼开，各作一字，用小刀四面修之，比试大小高低一同，然后排字作行，削竹片夹之。盔字既满，用木■■之，使坚牢，字皆不动，然后用墨刷印之。”(27)王祯对如何刻字、修活字、作印盔、刷印等，都有较详细的记述，较好地解决了木活字印刷工艺中一系列的技术问题。他在公元1298年试用木活字印刷，在不到一个月的时间内，印成了六万多字的《旌德县志》一百部，速度既快，质量又好，开创了木活字印刷的先河。王祯还记述了一种新创的印刷机械“活字板韵轮” （即转轮排字架），这是印刷技术中一项重大的发明。（图2）转轮排字架由大木轮、轮轴和轮架构成，使大木轮可在轮轴上转动。大木轮的轮盘上“以圆竹笆铺之，上置活字板面，各依号数上下相次铺摆。”(28)一般用两个转轮排字架，一个置按字韵排列的木活字，一个置杂字板面，字都编成字号，并另造一册。排版时，人坐于两个转轮排字架之间，由另一人按册中的号码唱字，即转动轮盘按号取出所需的字来，进行排版。如遇缺字，则随时刻补。转轮排字架的应用，既提高了排版效率，又减轻了排字工的劳动强度，把活字印刷术提高到一个新的水平。除了泥、木活字外，中国还是最早使用金属活字的国家。元时就以铸锡作字，明以后又相续使用铜、锡活字。造纸术大约在两晋时期即传至朝鲜和日本，唐时传至印度、波斯和阿拉伯，后又相继传入北非和欧洲。印刷术在唐时传入朝鲜、日本和波斯，后又经波斯传至埃及和欧洲。十四世纪末，欧洲出现了木板雕印的纸牌、圣像、经典以及拉丁文文法课本，德国谷腾堡又在公元1456年在欧洲首先用活字印刷“圣经”。可以说，造纸术和印刷术是中国奉献给世界文化的厚礼，它对人类文化的保存和传播、普及和提高产生了不可估量的影响，有力地推动了人类文明发展的进程。
第七节 矿物学和采矿技术成就 中国的矿物学同样有着悠久而光辉的历史。李约瑟在比较中西古代矿物学知识时，说：“中国人在文艺复兴以前的各个时期内对岩石和矿物的研究，并不是感情用事的，而是科学的，他们的贡献至少可与欧洲人相提并论。”(29)李约瑟的这一评价是不为过分的，事实上中国古代在这方面的贡献，往往超过同时代的欧洲人。中国最早记载矿物的典籍是《山海经》中的《五藏山经》，其成书年代大约在春秋末期。据统计，《五藏山经》中共记载有矿物八十九种，包括金属、非金属和各种怪石、各色垩土等矿藏。同时记载了这些矿藏的产地三百零九处。对矿物的性质，如硬度、颜色、光泽、透明度以至敲击声音、医药性能、集合体的状态（土状、块状、卵状、米粒状）等，也都有所描述。而成书于公元前三世纪左右的古希腊矿物学名著《石头记》，只记载了十六种矿物，分成金、石、土三类。中国古代的矿物又与医药学关系极其密切，本草药物著作中包含有丰富的矿物学知识。如唐代梅彪撰于公元818年的《石药尔雅》，列举有62种矿物药物的335种异名，是世界上第一部矿物药物同义词典。宋代寇宗奭的《本草衍义》中，已经利用化学变化，晶体形状，矿物解理和色泽等来鉴定不少矿物。明代李时珍的《本草纲目》列有矿物药物266种，除水、火、土三部外，金石部所载连同附录计有矿物160多种，分金、玉、石、卤四类，对其产地、形色、鉴别等都有记述。其他如各种石谱，都在文艺复兴前领先于欧洲。人们从长期的找矿、采矿实践中，还较早就总结了一套经验性的探矿理论。《管子·地数篇》说：“山上有赭者，其下有铁；上有铅者，其下有银；上有丹砂者，其下有黄金；上有慈（磁）石者，其下有铜金。此山之见荣者也。”所谓“山之见荣”，即是矿苗露头。铁矿表层高价氧化物呈赭色，铅和银常共生，这是现代矿床学所证明了的。这里讲的除把铜和铁的硫化物混称为黄金和铜金外，大体上符合现代关于硫化矿床的矿物分布理论。这段记载表明，在战国时期中国已经总结了一些矿床中矿物分布知识，并提出了根据矿苗和矿物的共生或伴生规律来找矿的方法。这些关于矿物共生的知识，在中国探矿史上一直得到继承，并不断丰富。利用植物找矿的方法，是中国古代对探矿理论的又一重大贡献。其起源可以上溯到战国时期，《荀子·劝学篇》中就有“玉在山而草木润”的记载，表明关于矿物与植物关系的知识已经萌生。后来这方面的经验性认识不断积累、增多，到唐代的段成式进行了集中和概括。他说：“山上有葱，下有银；山上有薤，下有金；山上有姜，下有铜锡；山有宝玉，木旁枝皆下垂。”(30)这些记载虽与实际情况不完全相符，但却为人们开拓了利用指示植物找矿的新途径，是现代利用植物找矿或生物地球化学找矿理论的滥觞。正如李约瑟所说的：“中国人在中古代所进行的观察，确实可以说是仍在迅速发展中的、范围十分广阔的现代科学理论和科学实践的先驱。”(31)在采矿技术方面，中国古代也有着一系列的发明。至迟在春秋战国时期，人们就已不仅能开采露天矿藏，而且可以开采地下矿藏，并已达到相当高的技术水平。1974年，在湖北铜绿山发掘出从春秋到汉代的古铜矿遗址。从春秋时期的矿井遗址看，其开采深度在20—30米左右，有竖井八个，斜井一个，井筒的支护结构采用“密集法搭口式接头”。战国到汉代的矿井遗址开采深度在40—50米左右，有竖井五个，斜巷一条，平巷十条，组成较合理的矿井体系，采掘和支护技术较春秋时期有明显进步。古矿遗址表明，早在二千多年前，中国“已有效地采取竖井、斜井、平巷、斜巷相结合，多中段的开拓方式，初步地解决了井下通风、排水、提升、照明和巷道支护等一系列复杂的技术问题。”(32)其后，历代的地下开采一直是采用这种井巷结合的方法，并在矿物运送、井下通风和排水、安全保障等方面不断加以改进。对于用工具难以采掘的矿层和岩层，中国古代还利用“火爆”的方法进行开采。这种方法出现于何时，现尚难以确定，但至迟在明代已广泛使用。明代陆容曾记述浙江处州（今丽水一带）铜矿的开采方法，说：“采铜法，先用大片柴，不计段数，装叠有矿之地，发火烧一夜，令矿脉柔脆。次日火气稍歇，作匠方可入身，动垂尖采打。”(33)这是利用矿藏中所含不同成分的物质热膨胀系数不同，经火烧后会开裂，然后开采的方法。也有利用热胀冷缩的性质进行开采的，即《明史·河渠志》所载：“焚以烈火，用水沃之，石烂化为烬。”福建泉州在历史上就曾使用这一方法开采花岗岩，称为“火攻”。特别值得提出的是，中国历史上不但有着较高的开采固体矿藏的技术水平，而且能够开采液态和气态的矿藏，是世界上最早开发、利用石油和天然气的国家之一。石油一名首见于沈括的《梦溪笔谈》，在此之前有石漆、水肥、脂水等称。中国大约在西汉时已发现石油，《汉书·地理志》上郡高奴县（今延安东）条下注说：“有洧水（今延河）可燃”，即石油浮于延河水上，可作燃料。其后，晋张华在《博物志》中指出：“水肥亦所在有之，非止高奴县洧水也”。北魏郦道元在《水经注》卷三中还引《博物志》说，把石油“取著器中，始黄后黑，如凝膏，然（燃）极明，与膏无异。膏车及水碓釭甚佳，方人谓之石漆”。“釭”字据《说文解字》称，乃“车毂中铁也”，即轴承的意思。唐李吉甫在记述玉门县（今玉门镇）石脂水时也说：“泉有苔如肥肉，燃之极明。水上有黑脂，人以草■（捞）取，用涂鸱夷酒囊（革制酒囊）及膏车。周武帝宣政（578年）中，突厥围酒泉，取此脂燃火，焚其攻具，得水逾（愈）明，酒泉赖以获济”。(34)由此可见，由汉代至唐代已发现石油产地多处，并被用作燃料，以及作为车辆和水碓轴承上的润滑油，也用于润革和作为火攻的原料。到宋代时，沈括又用石油的烟作墨，同时指出“石油至多，生于地中无穷，不若松木有时而竭”，必将被作为制墨原料而“大行于世”。(35)天然气的发现也是在西汉，《汉书·郊祀志》记载，汉宣帝神爵元年（前61年）“祠天封苑火井于鸿门（今陕西神木县西南）”；《汉书·地理志》西河郡鸿门县条下，班固自注说：“有天封苑火井，祠火从地出也”。关于天然气的开发和利用，最早的要数四川盆地，大约是在汉代穿凿盐井时发现的，并被利用来煮盐。西汉扬雄在《蜀王本纪》中说：“临邛有火井，深六十余丈”，(36)张华《博物志》卷九也说，临邛火井“昔时人以竹木执以取火”，“执盆盖井上煮盐（水）得盐”。火井即是天然气井，天然气除被用来煮盐外，还被用以照明。东晋时就有记载说：“民欲其火，先以家火投之（火井口），顷许，如雷声，火焰出，通耀数十里。以竹筒盛其光藏之，可拽行终日不灭也。”(37)唐《十道要记》也记载：“火井有水，郡人以竹筒盛之，将以照路，盖似今人秉烛，即水中自有焰耳。”(38)四川的天然气开发，自汉代以来一直进行着，从未中断，至清道光（1821—1850年）年间，已用竹、木、钻头构成的钻机，钻透四川气田的主要地层，建成了深达一千米以上的气井，这是当时世界上最深的气井。
第八节 后来居上的冶金技术 在早期的文明国度和地区中，中国使用铜、铁等金属的年代相对说来是较晚的。埃及大约在公元前5000年时开始进入青铜时代，公元前1000年左右开始进入铁器时代；美索不达米亚地区大约在公元前7000年时开始利用自然铜，公元前4000年时开始进入青铜时代，公元前1200年左右开始进入铁器时代；爱琴海地区大约在公元前3300年时开始进入青铜时代，公元前1000年左右开始进入铁器时代；印度大约在公元前2500年时开始进入青铜时代，公元前800年左右开始进入铁器时代；而中国是在公元前1500年左右开始进入青铜时代，公元前500年左右开始进入铁器时代的。但是，由于中国在冶铸技术方面的发明和创新，使中国的冶金业很快就后来居上，跃升于世界的前列，并为中国古代文明的高度发达奠定了坚实的物质基础。从这里我们可以看到一个技术进步带动生产发展，并进而促进社会文明进步的典型范例。中国冶金史上的一个最突出的特点，是铸造技术占有重要的地位，以至于铸造既作为成形工艺而存在，又成为冶炼工序中的一个组成部分，达到了“冶”与“铸”密不可分的地步。因此在古代文献中往往是冶铸并称，并对中国文化产生了深刻的影响。如常用词汇“模范”、“范围”、“陶冶”、“就范”等，都是由冶铸技术衍生而来的。这种冶与铸密不可分的冶金传统，是古代世界上其他国家和地区所无法比拟的。被认为是中国古文明象征的商周到战国的青铜器，在某种意义上可以说是铸造技术所造就的。从重875公斤的司母戊方鼎、精美的曾侯乙尊盘和大型的随县编钟群，以至大量的礼器、日用器、车马器、兵器、生产工具等，可以看到当时中国已经非常熟练地掌握了综合利用浑铸、分铸、失蜡法、锡焊、铜焊的铸造技术，在冶铸工艺技术上已处于世界领先的地位。而《考工记》中所记载的：“金有六齐。六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐。五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐。四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐。三分其金而锡居一，谓之大刃之齐。五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐。金、锡半，谓之鉴燧之齐”，是世界上最早的合金配比的经验性科学总结，表明当时中国已认识到合金成分与青铜的性能和用途之间的关系，并已定量地控制铜锡的配比，以得到性能各异，适于不同用途的青铜合金。《考工记》中还记载有：“凡铸金之状，金与锡，黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之，然后可铸也”，说明当时已掌握了根据火焰的颜色，来判定青铜是否冶炼至精纯程度的知识，这是后世化学中火焰鉴别法的滥觞。用以比喻工夫达到纯熟完美境界的成语“炉火纯青”，就是由此引伸出来的。在炼铜中的另一项重要成就是湿法炼铜，也叫胆铜法。这是利用炼丹家所发现的铁对铜离子的置换反应，进行冶铜的方法。其工艺过程是把硫酸铜或碳酸铜（古称曾青、胆矾、石胆等）溶于水，使成胆水，然后投铁块于溶液中，因铁的化学性能比铜活泼，铁离子会置换出铜来。这是世界上最早的湿法冶金，宋代已用此法进行大规模的炼铜生产。青铜铸造技术的高度发展，对中国的钢铁冶炼产生了巨大的影响。中国在使用铁的初期，就很快产生了生铁的冶铸工艺。生铁的熔点低，便于浇铸、连续加工成形和大量生产，从而促使了中国钢铁冶铸业迅速发展，跃居世界钢铁生产的领先地位。而西方早期主要是炼制块炼铁，通过锻打成形，其生产效率远低于中国的生铁冶铸，直到十四世纪欧洲方开始采用生铁冶铸工艺。由于生铁含碳量高，虽硬但脆，不耐碰击，易毁坏，为改进生铁的性能，中国古代发明了一系列的生铁加工技术。其中，首先是战国时期问世的铸铁柔化术。该项技术又分为两类，一类是在氧化气氛下对生铁进行脱碳热处理，使成白心韧性铸铁；一类是在中性或弱氧化气氛下，对生铁进行石墨化热处理，使成黑心韧性铸铁。而在西方，白心韧性铸铁的生产技术1722年方由法国人首次记述，黑心韧性铸铁是1831年才在美国问世的。到汉代，铸铁柔化术又有新的突破，形成了铸铁脱碳钢的生产工艺，可以由生铁经热处理直接生产低、中、高碳的各种钢材，中国从此成为世界上的先进钢铁生产国。其产品亦随着中外交通贸易的发展，输运到周围各国以及中亚、西亚和阿拉伯一带。另一杰出的生铁加工技术是炒钢，它是中国古代由生铁变成钢或熟铁的主要方法，大约发明于西汉后期。其法是把生铁加热成液态或半液态，并不断搅拌，使生铁中的碳份和杂质不断氧化，从而得到钢或熟铁。河南巩县铁生沟和南阳瓦房庄汉代冶铁遗址，都提供了汉代应用炒钢工艺的实物证据。东汉时成书的《太平经》中也说：“有急乃后使工师击治石，求其中铁，烧冶之使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫耶。”“莫耶”乃古代宝剑之称。这段文字虽失之疏简，但不难看出，它叙述的是由矿石冶炼得到生铁，再由生铁水经过炒炼，锻打成器的工艺过程。炒钢工艺操作简便，原料易得，可以连续大规模生产，效率高，所得钢材或熟铁的质量高，对中国古代钢铁生产和社会发展都有重要的意义。类似的技术，在欧洲直至十八世纪中叶方由英国人发明。中国古代的炼钢技术主要是百炼钢。自从西晋刘琨写下“何意百炼钢，化为绕指柔”(39)这一脍炙人口的诗句后，“千锤百炼”、“百炼成钢”便成为人们常用的成语。百炼钢肇始于西汉早期的块炼渗碳钢，其后不断增加锻打次数而成定型的加工工艺。到东汉、三国时，百炼钢工艺已相当成熟。上引《太平经》中的“万锻之，乃成莫邪”，即是其生动的写照。曹操曾令工师制作“百辟利器”，(40)曹丕的《典论·剑铭》中说：“选兹良金（指铁），命彼国工，精而炼之，至于百辟”。刘备曾令“蒲元造刀五千口，皆连环，及刃口刻七十二湅”。(41)《古今注·舆服》亦说：“吴大帝有宝剑三，……一曰百炼，二曰青犊，三曰漏景”。后世这一工艺一直被继承，并不断得到发展。创始于魏晋南北朝时期的灌钢技术，是中国冶金史上的一项独创性发明。陶弘景说：“钢铁是杂炼生柔作刀镰者”，(42)北齐的綦母怀文“造宿铁刀，其法烧生铁精以重柔铤，数宿则成刚”，(43)说的就是灌钢技术。灌钢的工艺过程大致为，将熔化的生铁与熟铁合炼，生铁中的碳份会向熟铁中扩散，并趋于均匀分布，且可去除部分杂质，而成优质钢材。灌钢技术在宋以后不断被改进，减少了灌炼次数，以至一次炼成。沈括在《梦溪笔谈》卷三说：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之‘团钢’，亦谓之‘灌钢’”，并说“二三炼则生铁自熟，仍是柔铁”，正反映了灌炼次数的减少。其中把柔铁屈盘起来是为了增加生熟铁的接触面，提高灌钢的效率，并促使碳份分布更均匀；封泥则可以促进造渣，去除杂质，并起保护作用。明代灌钢技术又进一步发展，据《天工开物》卷十四记载，已把柔铁屈盘改为薄熟铁片，进一步增加了生熟铁的接触面，加速“生熟相和，炼成则钢”的进程，泥封亦改为草泥混封。灌钢又称“抹钢”、“苏钢”，其工艺自清至近代仍很盛行。在坩埚炼钢法发明之前，灌钢法是一种最先进的炼钢技术。铜、铁外，中国古代冶炼和使用的金属还有金、银、汞、铅、锡、锌等，其中锌的炼制是中国首先发明的。中国在先秦的青铜中已把锌作为伴生矿加入铜合金中，从汉代至元代更是有意识地把锌的氧化物“炉甘石”加入化铜炉中，以生产锌为主要合金元素的铜合金黄铜。明代时，则开始了大规模地用炉甘石作原料提炼金属锌。从十六世纪起，中国的锌便不断传进欧洲。欧洲到十七世纪才开始炼锌，其工艺也是源自于中国。
第九节 举世瞩目的机械发明 中国古代在机械方面的创造发明，亦是中国文化史上璀璨光辉的一个组成部分。可以说，在机械发明的各个方面，如风力、水力、热力机械及齿轮系传动等，中国古代都有不少创造发明，都对人类文明做出了极有价值的贡献。关于农业机械、天文仪器、纺织机械、印刷机械、交通机械、军事机械等方面的成就，已在各有关章节述及。这里仅介绍其他方面的几个突出成就，以见中国古代机械发明之一斑。 指南车 又称司南车，相传为黄帝所作，亦有说周公所作，实际上大约是西汉问世。《西京杂记》记载有：“司南车，驾四，中道”。东汉的张衡、三国时魏国的马钧都曾造过指南车，其后历代史书差不多都有指南车的记载。如《晋书·舆服志》说：“司南车，一名指南车，驾四马，其下制如楼，三级；四角金龙衔羽葆；刻木为仙人，衣羽衣，立车上，车虽回运而手常南指”。《宋书·礼志五》说：“其制如鼓车，设木人于车上，举手指南。车虽回转，所指不移”。《南齐书·祖冲之传》说：“冲之改造（指南车之）铜机，圆转不穷而司方如一”。但是，这些记载都过于简略，对其构造、原理都未述及，而且各代所造之指南车都很快流失。也即是说，各代都是在无资料记载和实物的情况下重新制造。只是到宋代的史籍才对燕肃和吴德仁制造的指南车有较详细的记述。燕肃曾任宋仁宗时的工部郎中，他于天圣五年（1027年）在“……至国朝，不闻得其制”(44)的情况下，“创意成之”，造了一部指南车。吴德仁曾任宋徽宗时的内省侍，他于大观元年（1107年）对燕肃所造之指南车进行了改进。《宋史·舆服一》中对燕肃、吴德仁所造指南车的大小、规格、型制，以及内部的齿轮结构、齿轮大小和齿数等都有相当详细的记述。根据这些记载和近人的研究，我们可以对指南车的结构和原理有一个大致的了解。（图3）指南车的车身为一辕双轮车，车箱为重构结构，上立一本人，引臂南指。 车箱内部设置有一套可自动离合的齿轮传动机构。当车子行进中偏离正南方向，向东（向左）转弯时，车辕前端向左移动，而后端向右（向西）移动，即将右侧传动齿轮放落，使车轮的转动能带动本人下方的大齿轮向右转动，恰好抵消车辆向左转弯的影响，使木人手臂仍指南方。当车子向西（向右）转弯时，则左侧的传动齿轮放落，使大齿轮向左转动，以抵消车子右转的影响。而车子向正前方行进时，车轮与齿轮系是分离的，因此木人手臂所指的方向不受车轮转动的影响。如此，不管车子的运动方向是东西南北，或不断变化，车上木人的手臂总是指向南方，起着指引方向的作用。 记里鼓车 即利用车轮的转动距离而自动报告车行里程的车子，其原理和作用类似于现汽车上的计程表。关于记里鼓车的最早文字记载亦是在《西京杂记》中，其云“记道车，驾四，中道”。其后各代史书亦都有记述，《晋书·舆服志》云：“记里鼓车，驾四，形制如司南，其中有木人执槌向鼓，行一里则打一槌”；《宋书·礼五》云：“（记里车）制如指南，其上有鼓，车行一里，木人辄击一槌”；五代马缟所注的《中华古今注》亦曰：“记里鼓车，所以识道里也，谓之大章车。起于西京，亦曰记里车。车上有二层，皆有木人焉。行一里下一层击鼓；行十里上一层击钟”。但如指南车的命运一样，记里鼓车也是每次造后即很快失传，记载也是过于简略。《宋史·舆服一》记有天圣五年内侍卢道隆和大观元年吴德仁所造的记里鼓车，对车子的型制、大小、齿轮传动结构等都有较详细的记载。其制为独辕双轮车，车箱分上下两层，下层有木人执槌司鼓，上层有木人执槌司镯（或钲）。车箱里设置有一套减速齿轮系，并分别与上下两木人相联。当车子每行走一里时，控制下层木人的齿轮转动一周，木人击鼓一次；当车子每行走十里时，控制上层木人的齿轮转动一周，木人击镯（或钲）一次，从而达到报告行程里数的效果。 水转百戏 三国时马钧所创制。当时，有人送给魏明帝一木制玩具，上有百戏的造型，形象优美，制作精巧，但却是静止固定的，不会活动。马钧便对之进行改制，他用木料做了一个大原动轮，平放于地上，用水力驱动，原动轮便会带动戏中的各种造象活动起来。“设为女乐舞象，至今木人击鼓吹箫；作山岳，使木人跳丸掷剑，缘絙倒立，出入自在；百官行署，春磨斗鸡，变巧百端。”(45)“水转百戏”的具体构造现已无从得知，但从其能使各种戏中的造形活动，可推断其内部一定运用有一套复杂的齿轮系以及凸轮、连杆等传动机构。其所达到的机械水平，即使在今天看来也是令人惊叹的。指南车，记里鼓车，水转百戏，唐、宋、元时的水运天文仪器，明代的五轮沙漏，以至各种农用的水转连磨等等，均是结构复杂，构思灵巧，反映了中国古代已经对齿轮系的传动原理有着相当深刻的认识，也体现了中国古代高超的设计思想和创造才能。 地动仪 东汉张衡于公元132年发明，为世界上第一架观测地震的仪器，李约瑟称之为“地震仪的鼻祖”。(46)地动仪“以精铜铸成，员（圆）径八尺，合盖隆起，形似酒尊”。其内部有精巧的结构，中间为“都柱”，相当于一种倒立型的震摆；周围分“八道”，即按八个方向装置的八组机械装置。外面相应八个方向各设一条口含铜珠的龙，龙头下各有一只蟾蜍张口向上。一旦发生较强的地震，“都柱”便会因震动失去平衡而触发地震方向的机构，该向的龙口即张开，使钢珠落入蟾蜍口中，“振声激扬”，观测者就能测知何时、何方向发生了地震。(47)据记载，地动仪曾成功地记录到公元138年甘肃发生的一次强震，证明了地动仪的准确性和可靠性。 鼓风机械 在金属冶炼中，为了使燃料充分燃烧，以提高炉温，一般都装设有鼓风机械。最早的鼓风器称为橐，是一种皮囊。把多个橐排在一起称排橐，用马力、人力、水力推动就称马排、人排、水排。水排是东汉时南阳太守杜诗于公元31年发明的，用于鼓铸农器，收到了“用力少，见功多，百姓便之”(48)的效果。三国时韩暨在魏国官营冶铁作坊进行推广，以代替马排、人排。由于鼓风器何时由皮橐发展为风扇，现尚不清楚，故杜诗、韩暨的水排是用皮橐或风扇，结构如何，不得而知。但至迟在北宋时，木风扇已取代皮橐。北宋的《武经总要》中的行炉，元代王祯《农书》中的水排，都用的是水风扇。书中的水排图，有立轮式和卧轮式两种，是用水作动力推动轮子旋转，进而拉推风扇以鼓风，应用的是通过轮轴、拉杆，或者传动带，把圆周运动改变为直线往复运动的机械原理。中国在鼓风技术方面最重要的发明，是活塞式风箱。活塞式风箱可能出现于唐代或宋代。公元1280年印制的《演禽斗数三世相书》中，刊载有一幅世界上最古老的双动式活塞风箱图，相传该书是唐初袁天罡所撰著的，宋代初次刊行。明代《天工开物》中所载的活塞式风箱，与此类似。活塞式风箱正逆行程都作有用功，每行程中一端排气鼓风，一端同时吸取等量空气，因而能提供连续风流，提高鼓风效率，是鼓风技术上的重大进步。欧洲直至公元1716年方发明了类似的双动往复式水泵，为后来的活塞式机械打开了道路。 走马灯 大约发明于唐代。唐时的“影灯”可能即是走马灯，宋代称马骑灯。《全唐诗》崔液《上元夜六首》之二：“神灯佛火百轮张，刻像图形七宝装。影里如闻金口说，空中似散玉毫光”；宋范成大《石湖居士诗集》卷二十三《上元纪吴中节物俳谐体三十二韵》的“转影骑纵横”，生动地为人们描绘了走马灯的形象。走马灯的构造是在一根立轴上部横装一个斜翼系统和叶轮，立轴下端附近则装一盏灯或一支烛。灯（或烛）点燃后，上方空气受热膨涨，密度降低，热空气即上升，而冷空气由下方进入补充，产生空气对流，从而推动叶轮旋转，并带动与立轴相联的各种图象转动。走马灯的制作原理，与现代燃汽机相一致，可称之为燃汽机的始祖。所憾的是，中国古代一直把其作为玩物，没有能进一步加以研究，使之走向实际应用。欧洲在公元1550年发明了类似的燃汽轮，用于烤肉，以后随着工业革命的浪潮，很快得到发展，在工业生产中被广泛地应用。
第十节 中国古代知识分子和古代科学 科学是脑力劳动的产物，因此科学的情况与知识分子的状态两者之间有着密切的关系。知识分子在中国古代被称为士。先秦时就有士农工商四民之说，《汉书·食货志》说：“士、农、工、商，四民有业。学以居位曰士”。也就是说，士是四民之首，是以学识取得地位的。《说文解字》说：“士，事也”，郑玄注云：“仕（通士）之言事也”，“引伸之，凡能事其事者称士”；《白虎通》也说：“士者事也，任事之称也”。同时，《说文解字》又云：“数始于一终于十，（士）从一从十，孔子曰：‘推十合一为士’”。段注云：“数始一终十，学者由博返约，故云推十合一。博学、审问、慎思、明辩为行，惟以求其至是也，若一贯之，则圣人之极致矣。”《诗毛传》亦云：“通古今，辩然不，谓之士。”由上引述可以看出，士的社会功能一是任事，一是致圣人之道，即负责处理事务和维护传统伦理道德的双重使命。任事于谁，处理什么事务呢？在一个君主专制的政体中，在一个“君君、臣臣”位秩森严的社会中，服从君主，忠于君主，为君主任事，辅助君主处理国事，这在中国历史上是被视为天经地义的，知识分子也是以此而立身处世的。正如《论语·子路篇》所说：“行而有耻，使于四方，不辱君命，可谓士矣”。同时，在一个事务众多的国家中，君主也需要知识分子来协助处理事务。《墨子·亲士篇》说：“入国而不存其士，则亡国矣。见贤而不急，则缓其君矣。非贤无急，非士无与虑国，缓贤忘士，而能以其国存者，未曾有也。”即士可以与君主筹商国事，分忧虑急，如果对士轻慢就将导致亡国。如同顾炎武所说：“天子之所恃以平治天下者，百官也。”(49)因此，在中国历史上知识分子没有自身独立的地位，而是一直依附、隶属于君权而存在，并且依靠君权取得辅助政务的身份。中国也由之而形成了一个以君主为中心，以知识分子为主体的官僚政体，即“官僚王国”与“士大夫王国”的重叠。这是历史上中国所特有的政权结构，与其他的国家迥然不同。既然知识分子是以协助政务，治理国家为己任的，在一个幅员广袤的一统国家中，国家事务包括政治、经济、军事、文化、教育、外交等各个方面，而科学技术是国计民生所不可或缺的，自然也就导致了一批官吏不能不去从事这方面的工作。因此在历史上，凡是与国家治理有关的科学技术，都置有相应的官方机构进行组织和管理，并任命官吏主持其事。这样，在中国科学史上就出现了一种特殊的现象，即知名的科学家中，大部分是官吏或做过官的，而且有不少是位秩甚高的大官。这一现象是举世无二的，唯中国所独有。当然，这些官僚知识分子之所以也从事科学技术工作，其出发点是为治理国务，是被动的，并非出于探索自然界奥秘的目的。本质上，他们是轻视科学技术，视科学技术为末技的。而他们注重的是经史治国，“君子博学于文，自身而至于家国天下，制之为度数，发之为音容，莫非文也”。(50)由此，也就决定了中国科学史上的另一特殊现象，即与国家事务关系密切的学科特别发达。其中，又以农、天、算、地、医等学科最为发达，成就最大。中国历史上一直以农立国。《吕氏春秋·上农篇》云：“古先圣王之所以导其民者，先务于农。民农非徒为地利也，贵其志也。民农则朴，朴则易用，易用则边境安，主位尊。民农则重，重则少私义（议），少私义（议）则公法立，力专一。民农则其产复，其产复则重徙，重徙则死其处而无二虑。”(51)也就是说，农业不但可以获取土地之利，保证国家的财政收入，而且可以把农民固定在土地上，便于征调和统治。所以历代政权都奉行以农为本的国策，组织和管理农业生产也因之成为政府的一项要务。历史上的农学家都是在这农本思想的指导下，从事农学工作的。贾思勰著《齐民要术》的宗旨，是要政府重视农业生产，以达到“要在安民”(52)的目的；韩鄂在《四时纂要·序》中，开宗明义曰：“夫有国者，莫不以农为本；有家者，莫不以食为本”，认为这是“贤愚共守之道也”；王桢《农书·自序》曰：“农，天下之大本也”，他著书是希望“躬任民事者，傥有所取于斯与”；徐光启的《农政全书》，则是在农业“为生民率育之源，国家富强之本”(53)的思想指导下写成。在中国传统的宇宙论中，存在着一个有意志的“天”，“天”是至高无上的，天地万物乃至人世间的一切事务，都受着“天”的支配和主宰，而且认为天文现象与世间人事之间存在着相对应的关系。人世间的君主是“天子”，代表“天”的意志行事，并受着“天”的制约。为了卜知天意，沟通天人关系，于是出现了星占术，由之星占术便被与政务紧密地联系起来。历法则被视为顺应天意，代天“敬授民时”的重要举动，为“王者所重”，“王者易姓受命，必慎始初，改正朔，易服色，推本天元，顺承厥意”。(54)历史上的天文学是与星占学及历法纠缠在一起的，因而天文学便寄寓于星占学和历法而受政府直接控制，国家还设立了钦天监专司其职。这样，天文学便带上了神圣而又神秘的色彩，连天文仪器的制造，天文台站的设置和历法的制定、颁布等，都成了政权的象征。数学作为一门工具性学科，与国计民生关系极为密切。地理情况的了解，地图的测绘，土地的丈量，赋税的计算，国库的收支，货物的交易，建筑工程、水利工程的设计和施工，乃至音律的制定等等，都离不开数学。同时，天文、历法亦与数学密不可分，故此中国古代是天算不分的。孙子说：“夫算者，天地之经纬，君生之元用”，可以“观天道精微之兆基，察地理纵横之长短”。(55)《后汉书·律历上》在论数时也说：“故体有长短，检以度；物有多少，受以量；量有轻重，平以权衡；声有清浊，协以律吕；三光运行，纪以历数。然后幽隐之情，精微之变，可得而综也。”可见中国古代对于数学的功用，已有相当深刻的认识。数学的这些功用，都与治理国家的政务直接并紧密相关，故数学一直受到历代政权和知识分子的重视，成为“士”必受训的“六艺”之一。对于地理情况的了解和掌握，更是治理一个庞大国家的要务。《山海经》中已指出：“此天地之所分壤树谷也，戈矛之所发也，刀铩之所起也……得失之数，皆在此内，是谓国用。”(56)二十四史中，十六史有《地理志》，以供“王者司牧黎元，方制天下，列井田而底职贡，分县道以控华夷”(57)之用。地图的绘制也受到历代政权的重视，西晋裴秀的《禹贡地域图》之制作，是为了使“王者不下堂而知四方”；(58)唐李吉甫编纂《元和郡县图志》，是为了“佐明王扼天下之吭，制群生之命，收地保势胜之利，示形束壤制之端”。(59)医学虽有些特殊，著名的医家很多没有进入仕途，但由于医学关系到每个人的生命安危，对于维护社会的安定有重要的作用，加上儒家思想认为，医学“上以疗君亲之疾，下以救贫贱之厄，中以保身长全，以养其生”，(60)所以也受到历代政府和知识分子的重视。政府设有医药机构，并颁布药典或医方，连王焘、苏颂、沈括、苏轼等著名的官员都研究医药，撰写医书。纵观中国历史，可以看到，凡与国家治理有关的科学领域和技术部门，都受到政府的直接控制。也可以说，中国历史上较为发达的科学领域和技术部门，大都带有官营的印记，与国家的治理息息相关。知识分子以做官为出路，进入仕途之后以治国为己任。为了达到这一目标，特别是汉代独尊儒术后，只有熟读经典方能做官和治国，因此知识分子大多把精力耗费在皓首穷经之中，去修习所谓“内圣外王”之功。即内以圣人的道德为体，外以王者的仁政为用，体用兼备，各尽其极致。如此，培养出来的人材只能是属于通儒，育出的是娴熟于经典的文化人，而不是一个专才。“治经入官，则君子之道焉”，(61)对科学技术，仅“可以兼明，不可以专业”。(62)这是一条反专业化的道路。用现代社会学的术语说，也就是造就的知识分子属于功能普化型，而不是功能专化型。所以，中国古代的知识分子，包括科学家在内，大都是以经学作为进身的阶梯，身兼多种职能，注意力主要集中在现实的人世，关心的是治国平天下的政业，而很少是以自然界作为研究对象，以科学技术作为终身事业的。也正因为如此，那种探索自然界奥秘的独立的科学思想和科学精神，没能在中国形成。同时，由于中国历史上的主要科学领域和技术部门，是直接为国家的治理服务的，注重的是科学技术的功用，而不注重于探究其事理和原因，因而造成了“但言其当然，而不言其所以然”(63)的学术倾向。上述两个原因，决定了中国历史上的科学形态是属于实用型，注重于实用性，充满了务实精神，而非理论型，在理论方面的研究受到忽视。当然，科学技术的存在及其发展，是不可能完全离开理性思维的，那怕是最简单、初级的理性思维。但在古代中国，这些理性思维的因素大都被寓于实际（有形、有数的事物）之中，被强大的务实精神所笼罩着，没能被抽象出来，升华而形成独立的系统的理论。此外，也不可否认，在中国历史上的科学中也应用过一些理论，如元气学说，阴阳学说，五行学说等，但这些理论与知识分子是功能普化型的一样，也是功能普化型的理论，它普适于天地万物以至人事和人身。这种高度普适性的理论，虽也可以用来笼统地、模糊地解释一些自然现象，可是其客观效果却束缚了人们对自然界进行具体的、有分析的探讨的科学精神，阻碍了人们深刻认识事物本质的进取心理的发展，因而最终成为形成科学性专化理论的一种阻力。同时，在读经入仕的道路上，知识分子养成了崇尚经典的学风和唯经典是从的惰性，也影响到科学领域中。各门主要的科学学科都树立有经典，后人的工作更多的是继承、沿袭、注疏，并在此基础上补充、改进，而创新精神不足，缺乏对科学文化体系进行变革的活力。这也决定了中国古代科学技术只能沿着传统的道路缓慢地前进，没能产生质的飞跃，自行进入近代理性的科学阶段。总之，知识分子从治理国家政务的实用目的出发，进行科学技术工作的结果，一方面给中国历史上的科学技术带来了动力，使中国古代具有较高的科学技术水平，取得了不少划时代的成就，在很长的历史时期中处于世界的先进行列，甚而居领先的地位；另一方面也给中国历史上的科学技术带来了局限，特别是缺乏对自然界进行理性探索的精神，致使未能形成专化性的科学理论，而只能是停留在经验性的认识阶段。及至进入近代科学时期，便赶不上时代的潮流，被时代的潮流远远地抛在后面。（金秋鹏）
注释：(1)培根《新工具》第103页。商务印书馆，1984年版。(2)贝尔纳《历史上的科学》，“为中文译本写的序”。科学出版社，1981年版。(3)李约瑟《中国科学技术史》，中译本，卷1，第3页。科学出版社，1975年版。(4)同(3)第545—547页。(5)同(3)卷3，第333页。科学出版社，1978年版。(6)《九章算术·盈不足》。(7)《九章算术·方田章》刘徽注文。(8)王充《论衡·是应篇》。(9)参见王振铎《司南指南针与罗经盘》（上），《中国考古学报》第三册，1948年。王振铎先生的研究和考证是有历史根据的，是可信的。现有人提出“司南”指的是北斗星；又有人提出《论衡》中“投之于地”的“地”字是“池”字之误，“池”即水银池。这二种见解根据都不足，论证亦不严密，有臆断之嫌。(10)引自《古今图书集成》卷655。(11)同(10)卷651。(12)李约瑟《中国之科学与文明》，中译本，第七册，第147页。台北商务印书馆，1980年版。(13)宋·曾公亮《武经总要前集》卷11。(14)(15)(16)同(13)卷12。(17)晋·葛洪《抱朴子内篇·黄白篇》。(18)同(1)第64页。(19)南朝·陶弘景《神农本草经集注·硝石条》。(20)《吕氏春秋·用民》。(21)贾思勰《齐民要术·种谷第三》。(22)《荀子·王制》。(23)《管子·轻重》。(24)《素问·阴阳应象》。(25)关于纸的发明，参见本书第五章第二节。(26)沈括《梦溪笔谈》卷18。(27)王祯《农书·杂录》。(28)同上。(29)同(3)，卷5，第363页。科学出版社，1976年版。(30)唐·段成式《酉阳杂俎》前集卷16。(31)同(3)第484页。(32) 铜绿山考古发掘队《湖北铜绿山春秋战国古矿井遗址发掘简报》。《文物》，1975年第2期。(33)明·陆容《菽园杂记》卷14。(34)唐·李吉甫《元和郡县志》卷40。(35)同(25)卷24。(36)《太平御览》卷869引。(37)东晋·常璩《华阳国志》卷3《蜀志》。(38)宋·乐史《太平寰宇记》“山南西道七·邛州”引。(39) 刘琨《重赠卢谌》。见《古诗笺》第121页。上海古籍出版社，1980年5月版。(40)同(36)卷345引《内诫令》。(41)同(36)卷346引《刀剑录》。(42)《重修政和经史证类备用本草》卷4玉石部引。(43)《北史·綦母怀文传》。(44)《宋史·舆服一》。(45)《三国志·魏书》卷29，杜夔传裴松之注。(46)同(3)第341页。(47)《后汉书·张衡传》。(48)《后汉书·杜诗传》。(49)顾炎武《日知录》“吏胥”。(50)同上，“博学于文”。(51) 夏纬瑛《吕氏春秋上农等四篇校释》。农业出版社，1979年版。(52)《齐民要术·序》。(53)明·徐光启《农政全书·凡例》。(54)《史记·历书》。(55)《孙子算经·序》。(56)《山海经》卷5。(57)《旧唐书·地理志一》。(58)《北堂书钞》卷96。(59)唐·李吉甫《元和郡县图志·序》。(60)东汉·张仲景《伤寒杂病论·自序》。(61)《晋书·食货志》。(62)《颜氏家训·杂艺篇》。(63)清·阮元《畴人传》卷46。
第二十六章 中国古代职官制度的沿革 第一节 先秦职官制度的确立和发展 一、关于原始氏族社会的“百官” 当人类社会发展到一定阶段出现了阶级对立的时候，作为统治者一方面需要设立各种官吏，使之分职治事，以实现自己的统治意志，维护自己的统治地位。这时各种官僚机构即成为国家机器的重要组成部分，而各级官吏便成为国家机器的体现者。“官”的本义是房舍的意思，后来引申为具有权力的处所即官府以及行使权力的人即官员。《礼记·王制》孔颖达疏云：“官者，管也。”说官是管理别人的人。这种解释没能揭示出“官”的本质特征。诚然，作为社会的管理者在远古的氏族社会曾经存在过，那就是当时各部落和部落联盟的酋长们。但是他们与氏族其他成员的地位是平等的，他们只是凭借着自己的威望和能力，担负起集体生产和生活的组织工作，这和后世的“官”是截然不同的。古代相传，在尧、舜、禹做部落联盟首领的原始氏族社会晚期，曾设有“百官”，例如尧曾以四岳为部落酋长，以羲和管历法；舜以“八元”管教化、“八恺”管土地等等，(1)这些“百官”也都是氏族社会的各种管理者。这时期，各个部落常把自己所崇拜的某种事物作为图腾来崇拜，于是就用这些事物来称呼当时的管理者们。《左传·昭公十七年》记载郯子在鲁国叙述他的家世时，提到黄帝崇拜天上的云，以云为图腾，于是用“云”来称其“官”；炎帝崇拜火，于是以“火”名“官”，共工氏崇拜水，以“水”名“官”；太皞氏崇拜龙，以“龙”名“官”；而郯子的祖先少皞氏崇拜鸟，于是用“鸟”名“官”，例如凤鸟氏管历法、祝鸠氏管民政、五雉管手工业等等。可以看出，这些社会管理者们已经具有一定的分工了。从原始氏族社会晚期已出现私有财产这一事实看，过去的民主选举原则开始受到破坏，而各级管理者们也在向统治者转化，所谓的“百官”越来越成为“民”的对立面而具有了新的意义。 二、夏朝的设官 夏朝是中国历史上第一个奴隶制王朝，它的最高统治者是“王”，其下设有各种职官。《礼记·明堂位》说：“夏后氏官百”，百表示多。古代文献对夏朝官制缺少详细记载，这也与国家机器建立初期的官职设置必定粗略有关。即便如此，一些零散的材料仍可使我们对夏朝职官设置有少许了解。《左传·定公元年》记载：“薛之皇祖奚仲居薛，以为夏车正。”车正是主管造车的官。传说奚仲很善于造车，所以做了夏朝的车正。又《左传·哀公元年》记载，少康为夏王前，曾做诸侯有仍氏的牧正，后来又逃到有虞氏那里做庖正。牧正是主管畜牧的官，而庖正是主管膳食的官。夏朝有军队，进行过多次战争，自然有统率军队的官长。《尚书·甘誓》说：启与有扈氏“大战于甘，乃召六卿。”郑玄注说“六卿”是六军的将领，这是用后人的观念作解释，实际的官名尚不清楚。夏朝有监狱。《竹书纪年》说：“夏后芬三十六年作圜土。”芬是启以后的第七个夏王，当时由于阶级矛盾尖锐，夏王芬便建筑圜土来囚禁反抗者。圜土是圆形的土牢，把罪犯圈围在其中。这也表示有司法的官员。《尚书·胤征》、《左传·昭公十七年》都记载了夏代发生日食的时候，出现“瞽奏鼓，啬夫驰，庶人走”的情形。这里的瞽是乐官。对啬夫的职掌，后人解释不一，有的说是主管祭祀所用布币的官，有的说是主管耕作奴隶的官。总之，尽管夏朝的职官设置十分简略，但其官僚机构毕竟已具雏形。 三、商朝的内、外服官制 同夏朝相比，商朝职官制度已趋向系统化。除了文献记载外，甲骨卜辞和铜器铭文也给我们提供了丰富的资料。在商朝，由商王直接统治的中心区域叫内服，内服以外的诸侯统治区域称为外服。它们的职官制度有所不同。 1.内服官 内服设有百官，称为百辟。可分为政务官、宗教官、事务官、武职官等几类。政务官有尹、冢宰等。如伊尹就是商汤的辅弼之官，相当于后世的宰相。这里伊是姓，名为挚。尹是官名，也称阿衡、保衡。直到西周初年的铜器铭文中，保和尹还通用。如《令尊》铭文中的“明保”，又称“明公尹”。《史记·殷本纪》记载商王武丁“三年不言，政事决定于冢宰”，可见冢宰权势之重，地位与尹相仿。宗教官有占、卜、多卜、亚、祝、史、作册等。占、卜是负责占卜之事的。甲骨文中记载许多贞人的名字。贞人就是占卜人。巫、祝是神职人员，在祭祀等活动中充当人和神之间的媒介人。史官为记录王事活动的官，与作册职掌相近。在甲骨文中有“乍（作）册”、“作册右史”等职官出现。事务官是负责某种具体事务的官。甲骨卜辞中有小臣、臣正，大约是从奴隶中挑选出来做奴隶们的头领的官吏。还有小耤臣、小众人臣，是管理农业奴隶的官吏，小丘臣是管理山林的，小疾臣是管理医疗之事的，小多马羌臣是管养马的羌人的官吏等等。在甲骨文中还有宰，是总管奴隶主贵族家务及家务奴隶的官。武职官有亚、多亚、马、多马、射、戍、卫、犬、多犬等。商王和奴隶主贵族是军队的当然统帅，对于他们来说，官职、爵位是世代承袭的，任职的文武没有严格区分。这里说的武职是军队中的中、下级官吏。亚是奉王命领兵征伐和追捕逃亡奴隶的官。马、多马是与战车有关的武官。射、多射是管弓箭手的武官，其中管百人的叫百射或射百，管三百人的叫三百射或射三百。犬为饲养、训练猎犬的官，或说犬是田猎中递送猎物情况的官吏。戍大约是从事戍守的武官。卫是侍从保卫人员。此外还有工、宗工、惟服、惟亚等等，还有待进一步了解它们的意义。 2.外服官 外服包括商王亲属的受封地和被征服部落的臣服地区。《尚书·酒诰》说：“越在外服，侯、甸、男、卫、邦伯”，这里的侯、甸、男、卫、邦伯都是外服的重要统治者。侯、伯在甲骨文中都有出现，是那些方国的君长，没有严格的等级差别，如武丁之子奠被封为侯，称侯奠；周人臣服于商时，称周文王为西伯。这些侯伯都要定期向商王贡献和奉命参加征伐活动，有的还到中央朝廷来任职。甸在甲骨文中作“田”，是商王派至远方主管农业生产的官。男作为官名，不见于甲骨文，有学者认为就是甲骨卜辞中的“任”，大约是侯、伯之下的武官。卜辞中还有牧，大约是商王派至远方主管畜牧的官。在商朝，没有五等爵制度。 四、西周官制 西周官制是在商朝内、外服制度的基础上进一步发展的，开始确立了师、保的中枢职官地位，其内服、外服职官的设立和分工也更加细致。在内服中，太师、太保是属于最高的“公”一级的职官，其下为“卿”一级的高级职官，它们各有属官，此外还有低级的事务官员。 1.最高级的师、保 在周王之下，地位最高的是太师、太保、太宰，它们辅佐周王，统领百官，执掌朝政，同商朝的尹相类似，多由有威望的大贵族担任。例如姜尚在周武王时为太师，对推翻商统治发挥了重大作用，被称为师尚父。后来周成王年幼，由太师周公摄政七年。太师有时由两人同时担任。西周中期以后，任命太保渐少，太师的地位更加突出。从文献记载和出土铜器铭文看，西周朝廷的官员是分为公、卿两个等级的。太师、太保、太史是属于公一级的。太史主管朝廷的册命、祭祀、图籍等，虽然权力不如太师大，但地位较高。周初，华公、苏公都曾为太史。在铭文中，对于身为太师、太保、太史的人，都称为某公。 2.内服官中的卿 内服官中，次于公一级的是卿。他们是公下面依照分工处理朝廷政务的官员。周公的儿子伯禽曾做过太师、太保。在《令彝》中记载周王命他“尹三事四方、受卿事寮”，也就是让他统管“三事大夫”和四方诸侯，以及统领朝廷百官。所谓“三事”是指常任（又称任人）、准人（又称准夫）、常伯（又称牧）。在《尚书·立政》和金文中对它们都有记载，称为“作三事”、“三有事”。常任掌管朝廷的政务、官吏人选；准人执掌司法；常伯掌管地方行政事务。属于卿一级的官员还有司徒（金文作司土）、司马、司空（金文作司工）、司寇、司士、太宰、公族等。司徒主管农田图籍及人民户口等，兼管军事和卜事。司马掌管军队和军赋。王畿内的卿大夫往往使其宗臣为司马，主管采邑内的军赋，称家司马，家司马也要听命于王司马。司空掌管百工执事及土木营建。司寇主管刑狱治安。太宰本是周王的家务总管，掌管王的饮食起居、车驾仪仗、王家财产、王后命令等，因与周王接近，成为周王亲信，所以他的权力和地位也较高。周公就曾做过太宰。公族是掌管公族内部事务的官。司士，主管贵族的刑罚及版籍爵禄。在这些卿一级的官员中，司徒、司马、司空在文献及金文中被称为“三有司”。《礼记·曲礼》中有“天官六大”之说，《小盂鼎》铭文称为“三左”、“三右”。郭沫若在《周官质疑》一文中考定，“三左”是太史、太祝、太卜，“三右”是太宰、太宗、太士。他并绘图说明他们在举行典礼时各在周王左右的位置。(2)正如《左传·成公十三年》所说，周代是“国之大事，在祀与戎”，所以六卿中，太祝是最大的祭祀官。太卜管卜筮。太士是记言的右史。太史是记事的左史。左史、右史可以通称“作册”。太宗主管周王族的宗族事务，有可能就是前文所说的公族。太宰前文已有介绍。这里所说的“三左”、“三右”各官是否符合当时实际情况，还需要进一步探索。在古代记载西周官制的《周礼》、《尚书·周官》、《礼记》等文献中，有些内容是被战国以来的儒家学者们依照自己的理想加以系统安排了，因此在认识西周官制时必须做全面的考察。西周晚期的铜器铭文中还出现“膳夫”一官，其权位也很重要，主管向百官传达周王命令。西周内服官的爵位分为公和伯、侯两等。凡是太师、太保、太史皆为“公”爵；凡由王畿内贵族入朝为卿的称“伯”爵，而四方诸侯入朝为卿的称“侯”爵。公及伯、侯爵位的升降，随担任官职的高低而改变。
