宋朝科学技术及手工业的发展

北宋时期，我国出现“猛火油作” ，这可说是世界上最早的炼油工厂。所谓“猛火油”是石油经过粗加工的产品。猛火油作是宋朝廷军器监的 11个作坊之一。 一、机械 宋代机械制造方面最杰出的成就是水运仪象台的创制。它突出地反映了处于巅峰时期的传统机械工程技术的水平。水运仪象台是集天文测量仪器和报时装置于一体的大型天文钟，由水力通过一组齿轮系统予以驱动和运行，宋哲宗元祐二年(1087)至元祐七年(1092)由苏颂、韩公廉负责设计制造完成。绍圣年间，苏颂著《新仪象法要》详细记述并图示了它的结构和尺寸，使后人得以窥其堂奥。水运仪象台高 36.65尺，宽 21尺，为截面方形的木结构建筑。其原动轮称作枢轮，边缘有水斗和铁拨子。顶部设杠杆装置，相当于钟表的擒纵机构，可控制枢轮作定速转动。这是世界上最早的擒纵装置，在机械发展史上具有重要价值。计时装置称作昼夜机轮，经由木人及击钟、击鼓等方式，自动报时。上设浑象和浑仪，用来观测天象和显示天体运行。浑仪所处木屋有可开合的屋面板，与现代望远镜观测的可开启屋顶具有相同的作用。水流系由河车经筒车灌注到天河(受水槽)中，再经铜壶滴漏装置(天池，平水壶)驱动枢轮。昼夜机轮由传动齿轮通过昼夜钟鼓轮、昼夜时初正轮、报刻司辰轮、夜漏金钲轮和夜漏司辰轮来报时。浑象设有天轮，与昼夜机轮轴相接。浑仪设有环状齿轮(天运单环)和名为天毂的小齿轮，从而也可随着水轮运转。全部齿轮系是从 6个齿轮的传动到 600个齿的运转。 王振铎于 年据《新仪象法要》对水运仪象台按 的比例作了复原，陈列于中国历史博物馆。 类似的齿轮系在王黼所制名为璇玑玉衡的水力驱动的天文仪器中也予使用。据《宋史・律历志》载，宣和六年(1124)制成玑衡，这种仪器要“注水激轮。其下为机轮四十有三，钩键交错相持，次第运转，不假人力。多者日行二千九百二十八齿，少者五日行一齿。疾徐相远如此，而同发于一机，其密殆与造物者侔焉”。 宋代在机械制造方面的另一杰出成就为指南车和记里鼓车的创制。 《宋史・舆服志》首次详载指南车的结构： “仁宗天圣五年工部郎中燕肃始造指南车。……其法用独辕车，车箱外笼上有重构，立木仙人于上，引臂南指。用大小轮九，合齿一百二十。足轮二，高六尺，围一丈八尺。附足立子轮二，径二尺四寸，围七尺二寸，出齿各二十四，齿间相去三寸。辕端横木下立小轮二，其径三寸，铁轴贯之。左小平轮一，其径一尺二寸，出齿十二;右小平轮一，其径一尺二寸，出齿十二。中心大平轮一，其径四尺八寸，围一丈四尺四寸，出齿四十八，齿间相去三寸。中立贯心轴一，高八尺，径三寸。上刻木为仙人。其车行，木人指南。”其后，吴德仁于大观元年(1107)又献指南车和记里鼓车之制，后者也是利用齿轮传动，由木人击鼓表示车行里程。这两种车辆也由王振铎复原，陈列于中国历史博物馆。 二、造船方面 在船舶设计制造方面，这一时期也有很多创新。如宋熙宁年间(1068—1077)，黄怀信凿渠引船将御苑金明池作为大船坞以修理龙舟的方法;绍兴七年(1137)处州知州张觷在造船时，创用“先造一小舟，量其尺寸而十倍算之” ，这种先做模型再放样造船的方法，创造了船模放样的造船技术。金朝正隆年间(1156—1160)，张中彦也“手制小舟才数寸许，不假胶漆而首尾自相钩带” 。而宋代文献中所说“船样”，可能就是船图和工料定额如施德操《北窗炙炙录》记载当时造 700料船，每船要用铁钉 400斤，后来又降为 200斤。此外如采用水密隔舱、采用铁锚和平衡舵、有些船增设浮板等，也都是改进船舶性能的重要措施。以上这些都是这一时期称得称道的造船技术成就。随着对外贸易的扩大，造船技术的提高和指南针的发明及应用，辽宋夏金时期的航海事业也有了很大的发展。如宋代到南海诸国的航线包括了东南亚、阿拉伯以及非洲东海岸的广大地区。当时海船所到的地区和国家有五六十处，远远超过了唐代的活动范围。与此同时，中国的航海技术也有了相应的进步。总的来说，这一时期在航海技术方面有三项重要成就：一是对海洋潮汐的研究，二是航海图的绘制，三是指南针用于航海 。 如我国唐代可能就已经有了引导船舶航行的航海用图，但据今所知，到了宋代才有关于航海图的明确记载。宣和五年(1123)，徐兢所著《宣和奉使高丽图经》提到： “谨列夫神舟所往岛、洲、苫、屿而为之图”，但可惜的是现仅存该书文字部分而图已失传。南宋末金履祥曾建议朝廷派重兵由海道直趋燕蓟，攻打燕京，并详细绘制了一幅海图，备记海船所经岛屿的航路， “难易远近，历历可据以行”。但南宋朝廷并没有采纳他的建议。后来元人得到了金履祥绘制的图和说明，并经实地考察后，据以绘成图本，作为海上漕运的实用海图，元明两代又将其刻印成书，此即著名的《海道经》。航海图是海上航行的重要依据，在西方，直到 14世纪才出现为实用目的而绘制的航海图。 三、竹纸 竹纸的兴起及其制造技术的成熟，是宋代在造纸方面的重大成就。竹材质地坚密，结构复杂，要将其中的茎秆纤维分离出来作为纸料，其难度是相当大的，因此用竹造纸也比较晚。竹纸究竟起源于何时，学术界迄今尚无定论，主要有东晋和唐两说。宋代赵希鹄《洞天清录集》提到： “二王(王羲之、王献之)真迹，多是会稽竖纹竹纸。” 《增补事类统编》载梁萧子良曾提到张茂作箈纸，据考证，箈即嫩竹，等等。这是主张竹纸始于东晋的基本文献依据。但不少学者对此有异议，认为这些说法并不可靠。唐代关于竹纸则有可信的明确记载，如李肇《国史补》卷下载有“韶之竹笺”，段公路《北户杂录》提到睦州(今浙江淳安西)所出之“竹膜纸”等。近年一些纸史专著引用北宋苏轼所说： “今人以竹为纸，亦古所无有也。”或认为这种说法与史实不符，或认为这说明竹纸在当时还是一种新事物，对其渊源尚缺乏了解。实际上，苏轼的原话是：“昔人以海苔为纸，今无复有，今人以竹为纸，亦古所无有也。王逸少竹叶帖，长安水丘氏传宝之，今不知所在，三十年前见其摹本于雷寿。” 北宋初期所造竹纸比较脆弱，质量较差。苏易简《文房四谱・纸谱》说：“今江浙间有以嫩竹为纸。如作密书，无人敢拆发之。盖随手便裂，不复粘也。”蔡襄《文房杂评》也说：“吾尝禁所部不得辄用竹纸，至于狱讼未决而案牍已零落，况可存之久远哉!”这种情况表明当时竹纸制造技术还不成熟，其生产工艺仍在不断的改进之中。著名书法家米芾曾在《越州竹纸诗》中写道： “越筠万杵如金版，安用杭由与池茧”，说明竹纸质量有所提高，甚至超过了杭郡“由拳”和池州“茧纸”等皮纸。他在《书史》和《评纸帖》中还提到，他在 50岁时始用竹纸作书，并曾亲自捶打加工竹纸，“予尝捶越竹，光滑如金版”， “十日数十纸”。陈槱《负暄野录》卷下说： “今越之竹纸，甲于他处。”剡溪竹纸更是名满天下，施宿等《嘉泰会稽志》提到：“然今独竹纸名天下，他方效之，莫能仿佛，遂掩藤纸矣”， “竹纸上品有三，曰姚黄，曰学士，曰邵公，三等皆佳”。这些记载表明，南宋时期竹纸制造技术已经成熟，并且制出质量上乘的著名品种，这是我国造纸术的重大 进展。当时竹纸的产量也很大，以致超过了其他纸种，成为图书典籍、官府文牍和私家信笺等的主要用纸。 造纸新工艺 这一时期的造纸原料，除竹子外，还有树皮、麻、藤、麦秆、稻草等。以楮、桑等抄造的皮纸在产量上仅次于竹纸，居第二位，藤纸则因资源有限而逐渐被淘汰。此外还有竹、树皮及竹、麻的混料纸，以及利用废旧纸张经处理回槽并掺入新纸浆所造的“还魂纸”等。 这一时期在造纸工艺方面也有不少新的发明和改进。如元费著《蜀笺谱》提到四川锦江旁以纸为业者说： “江旁凿臼为碓，上下相接。凡造纸之物，必杵之使烂，涤之使洁，然后随其广、狭、长、短之制以造。”用水碓舂捣纸料可节省人力，提高工效，保证质量，是造纸技术的一项重要革新。在我国，水碓古已有之，一般用于舂米，到元代王祯《农书》还介绍了更为先进的连机碓。上述引文虽出自元人作品，但一些纸史论著认为宋代已用水碓捣纸， 这是有道理的。 20世纪 60 年代，有学者到我国南方进行调查，发现当时有些地区仍将水碓用于造纸 。 向纸浆中添加某些植物粘液作为造纸悬浮剂，对改进纸张质量具有重要作用，是反映造纸技术进步的一项重要新工艺。我国古代曾将这类植物粘液称为“滑水”、 “纸药”或“纸药水”。我国何时在造纸过程中使用纸药尚不清楚，对此最早的文献记载则见于宋代。如南宋周密《癸辛杂识》提到：“凡撩纸，必用黄蜀葵梗叶，新捣，方可撩，无则不可以揭。如无黄葵，则用杨桃藤、槿叶、野葡萄皆可，但取其不粘也。”由此可见，当时最常用的纸药来自黄蜀葵、杨桃藤等植物。在世界造纸史上，使用植物粘液作为造纸悬浮剂当以中国为最早。 在宋代，巨幅“匹纸”的出现，也表明了当时造纸技术的进步。宋代以前，长卷之类的长幅巨纸，一般是将一张张小幅纸用由楮树汁、面粉和白芨末制成的浆糊粘连起来的。而在宋代已能直接制造长达 3丈至 5丈的巨幅纸。苏易简提到：“黟、歙间多良纸，有凝霜、澄心之号。复有长者，可五十尺为一幅。盖歙民数日理其楮，然后于长船中以浸之，数十夫举帘以抄之，傍一夫以鼓而节之，于是以大薰笼周而焙之，不上于墙壁也。由是自首自尾，匀薄如一。” 抄造这样大的纸张，需要有相应的巨型纸帘、抄纸槽和烘干设备，还要数十人统一指挥，协同动作，其难度是相当大的，其场面也颇为壮观。这充分反映出当时纸工们的智慧和创造精神。这种匹纸产量不高，价格 昂贵，使用者较少，但至今尚有样品传世。如现藏于辽宁省博物馆的宋徽宗赵佶草书《千字文》长卷，长达 3丈有余，中无接缝，纸面朱地描以泥金云龙纹图案，其制造和加工技巧确实令人赞叹不已。 四、印刷 两宋时期，虽然雕版印刷有了很大的发展，但这种印刷方法费工费时，一套书版只能印一种书，而保存书板又要占用很大空间，因此其缺欠和局限性是很明显的，自有改革的必要。 于是， 在北宋仁宗庆历年间(1041—1048)，印刷技术又出现了重大的突破，这就是毕昇发明的活字印刷术。沈括《梦溪笔谈》对此有详细的记载：“版印书籍，唐人尚未盛为之。自冯瀛王(冯道始印五经，以后典籍，皆为版本。庆历中，有布衣毕昇又为活版。其法用胶泥刻字，薄如钱唇，每字为一印，火烧令坚。先设一铁板，其上以松脂、腊和纸灰之类冒之。欲印，则以一铁范置铁板上，乃密布字印。满铁范为一板，持就火炀之。药稍熔，则以一平板按其面，则字平如砥。若止印三二本，未为简易，若印数十百千本，则极为神速。常作二铁板，一板印刷，一板已自布字，此印者才毕，则第二板已具，更互用之，瞬息可就。每一字皆有数印，如‘之’、 ‘也’等字，每字有二十余印，以备一板内有重复者。不用则以纸贴之。每韵为一贴，木格贮之。有奇字，素无备者，旋刻之，以草火烧，瞬息可成。不以木为之者，木理有疏密，沾水则高下不平，兼与药相粘，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。昇死，其印为余群从所得，至今保藏。” 这一时期木活字印刷术也有所发展。毕昇曾试制木活字，但因沾水变形和不易拆版而改用泥活字。如果选用适当木料和改变拼版方式，这两个问题是不难解决的。因此当时一些工匠按照毕昇的技术思想从事木活字实验，并取得了成功。清代以来藏书目录中著录了七八种宋活字本书籍。其中如缪荃孙所藏南宋嘉定十四年(1221)刊范祖禹《帝学》，清宫天禄琳琅阁旧藏宋刊《毛诗》等，多认为是宋代木活字本，但对此也有不同看法，尚有待进一步研究方能定论。 1991 年，在宁夏贺兰县拜寺沟方塔发现了一批西夏文献，其中由藏文译成西夏文的藏传佛教密宗典籍《吉祥遍至口和本续》印本 9册，有些汉文数字倒置， 经专家鉴定， 其刊印于 12世纪下半叶西夏仁宗时期(1140—1193)，相当于南宋高宗至孝宗时期，为西夏文木活字印本，也是现在已知最早的木活字本 。从其木活字技术和印本装订方式看，显然受到中原的影响。此外如西夏黑水城佛塔发现的西夏文《三代相照言集文》 (现藏于圣彼得堡东方研究所)，卷尾发愿文汉译文有“字活新印者陈集金”，灵武县发现的西夏文《大方广佛华严经》卷 5(现藏日本京都大学)题记汉译文有“都发愿令雕碎字勾管为印者都罗慧性”，该书卷 40(现藏北京图书馆)题记汉译文有“实勾管作选字出力者”等 。在西夏文中， “字活”、 “碎字”的意思都是汉文中的“活字”， “选字”则为拣字和排字。据研究，这些西夏文文献以及俄藏西夏文《德行集》等，都是木活字印本。西夏的木活字技术是由内地传入的，刊印工作也大多是由党项族工匠和汉族工匠共同完成的。然而在两宋文献中迄今尚未发现有关木活字印刷技术的更多记载。到了元代，著名科学家王祯才在《农书》中对于木活字技术作了系统的总结并且有所创新。 毕昇发明的活字印刷术，是印刷技术史上的一个新的里程碑，它的出现对后世产生了极其深远的影响。大约在 13世纪活字印刷术传入， 16世纪经传入日本。大约也是在 13世纪，活字印刷术经由新疆传入波斯，后来又经过蒙古军西征等不同途径传入欧洲。在这种经济、方便，尤其适用于拼音文字的中国印刷术的直接或间接的启发下， 德国谷腾堡于 1455年前后发明了用铅、锡等合金制成的金属活字和其他印刷设备，推动了欧洲印刷业的迅速发展，而大量印行的书籍，又在传播希腊古典文化，文艺复兴和宗教改革运动中发挥了不可估量的作用。但谷腾堡的发明已比毕昇晚了 400多年。活字印刷术，是中国对于人类文明的又一伟大贡献。 五、火药与火器 北宋前期主要是利用火药的燃烧性能，制成燃烧性火器，以作火攻器械。如《宋史・兵志》载，宋太祖开宝三年(970)，“兵部令史冯继升等进火箭法，命试验” 。开宝八年，宋军用火箭、火炮与南唐作战。真宗咸平三年(1000)，神卫水军队长唐福献所制火箭、火球、火蒺藜。咸平五年，冀州团练史石普又制成火球、火箭，并应宋真宗之召，当众作了表演 。此外还有许多记载，说明宋代火攻器械的研制和发展是很快的。 宋仁宗时，曾公亮、丁度等编著《武经总要》。曾公亮(999—1078)，泉州晋江(今福建泉州)人，天圣进士，曾任会稽知县、开封知府、翰林学士、参知政事(副相)、枢密使、同中书门下平章事(宰相)等官职，封鲁国公。他在康定元年(1040)与翰林学士丁度等开始编著的《武经总要》，是我国第一部官修综合性兵书。《武经总要》分前后两集，共 40卷，其内容不仅记述了各种军事制度和史事占候，而且相当全面和系统地介绍了当时在陆战和水战中所使用的攻守器械，并绘制了相应的图形，展现了宋代军事技术的重要成就。在火器方面，《武经总要》较详细地记载了毒药烟球、蒺藜火球、火球等三个火药配方。如火球火药方：硫磺 14两、窝黄 7两、焰消(硝) 40两、松脂 14两以及砒黄、定粉、黄丹、干漆、竹茹、麻茹、黄蜡、桐油、浓油、清油等。由此可知，宋代火药配方中硝的含量增加了。同时宋代火药中还根据需要加进各种少量辅助性配料，以期达到易燃、易爆、放毒和制造烟幕等效果。 《武经总要》记载的火药武器有弓弩火药箭、火药鞭箭、火球、蒺藜火球、霹雳火球、烟球、毒药烟球、竹火鹞、铁嘴火鹞等十余种，并简要介绍了这些火器的形制、制作和使用方法。如火球是一种特大的火药包;毒药烟球是一种内装砒霜、巴豆、草乌头等有毒药物的毒气弹，火药引燃后，由抛石机抛射出去，可焚烧敌方攻城器械，而散发的毒烟则可使敌方兵马中毒，丧失战斗力;蒺藜火球内装铁蒺藜，火药燃爆后，有刺的铁蒺藜飞散于敌军通道上，用以阻滞敌军兵马前进。 北宋的火器中虽以燃烧性火器为主，但在实战中，对火药的爆炸性已有了进一步的了解，并逐渐重视和开始利用火药的爆炸性能。如霹雳火球是火药拌和瓷片装入长二三节的干竹节，然后用纸壳裹制成的，在燃放的同时能产生出霹雳般声响。北宋后期又制成威力更大的霹雳炮。据《宋史》记载，宋与金战争中就曾多次使用过这种炮。靖康元年(1126)抗金名将李纲在开封(今属河南)就曾用霹雳炮击退金兵的进攻。北宋灭亡后，金人占领了开封等当时制造火药、火器的中心和泽州(今山西晋城)、大名等产硝地区，并大量仿制和研制各种火器，发明了更具威力的铁壳火球震天雷和单兵使用的飞火枪等，为火器技术的发展作出了新的重要贡献。如震天雷是金人约在13 世纪初发明的一种铁制外壳内装火药的爆炸性火器(宋人称之为铁火炮)。 《金史》描述说： “铁罐盛药，以火点之，炮起大发，其声如雷，闻百里外，所爇围半亩之上，火点着甲铁皆透。大兵(蒙古兵)又为牛皮洞，直至城下，掘城为龛，间可容人，则城上不可奈何矣。人有献策者，以铁绳悬震天雷者，顺城而下，至掘处火发，人与牛皮皆碎迸无迹” 。由此可见，震天雷确有令人生畏的巨大杀伤力。在火器发展史上另一件具有重要意义的事情是，在这一时期，出现了可从根本上提高火器发射能力和准确程度的管形火器。南宋绍兴二年(1132)，陈规守德安(今湖北安陆)时，用“火炮药造下长竹杆枪二十余条” 。陈规发明的这种长竹杆火枪，用竹做枪筒，内装火药，临阵点放，可喷出火焰，烧毁目标。这是至今已知关于我国发明管形火器的最早记载。长竹杆火枪枪身较粗长笨重，须三人使用，一人持枪，一人点放，一人辅助。金末创制的飞火枪则有了较大改进。据记载，其形制构造为， “以敕黄纸十六重为筒，长二尺许，实以柳炭、铁滓、磁末、硫黄、砒霜之属，以绳系枪端。军士各悬小铁罐藏火，临阵烧之，焰出枪前丈余，药尽而筒不损” 。这是一种携带和使用较轻便的单兵火枪。此外，南宋还曾制造过大量突火筒，可能也是类似的火器。开庆元年(1259)，寿春府(今安徽寿县)人又创造了一种叫做突火枪的管形火器， “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”。 《宋史》没有具体说明“子窠”的质料和形状，但以火药点燃后将“子窠”射出的情形不难推知， “子窠”就是一种原始的弹丸。而突火枪则是一种原始的管形射击火器，它已具备了管形射击火器的三个基本要素：管身、火药和弹丸。这一时期出现的管形火器，是近代枪炮的始祖。 六、采煤技术 宋代采煤技术相当发达。北宋时代的河南鹤壁古煤矿遗址的发掘，为此提供了证明。 1959年鹤壁中新煤矿在掘进中遇到了古煤井巷，并发现许多古瓷器。经河南省文化局考古工作队深入考察，进而发现了宋元时期的古煤矿遗址一处。尽管古煤矿遗址已残破不全，但从中可大致看出宋元时期的开采技术水平 ： (1)开拓方式为圆形竖井，井深 46米，井径 2.5米。井筒位置选择得合理、准确，说明当时的煤田地层知识比较丰富，手工凿井技术也比较成熟。 (2)巷道布置已有主巷和辅巷之分。主要巷道由井底向南北两端开凿，用于连接南北采区。这条残存的主巷，南段长 4米，北段长 6米，顶高 2.米，巷宽 2米。采区辅助巷道共发现 4条，全长约 500米，自井口向东、西南三面伸延，通向八个采区。采区巷道一般高 1米多，上宽 1米，下宽 1.4米。可能由于这里的岩层和煤层都比较紧实，顶板压力不大，所以均无顶柱承托。 这种情况，在近代山西的土法采煤中还常见到 。 (3)回采工作面共 10个，分布在井筒的四周，距井口最近者 10米左右，最远者 100米。各工作面之间保持一定距离，并保留一定的煤柱，以减少工作面的顶板压力。回采方式采用房柱法，回采顺序为“跳格式”，先内后外，逐步后退。回采工作面的形状以狭长的椭圆形及瓢、瓶形为多，很不规则。采空区面积大小不一，最大者长 50米，宽 30米;最小者长 7米，宽 2.5米。 (4)井下照明采用固定式点灯的方法， 在巷道两壁开凿了许多放置油灯的扁圆形和近似长方形的灯龛，高 10—17厘米，长 13—28厘米，深 10—21厘米。灯为瓷碗和瓷盘。巷道中放有贮油的瓷瓶、瓷罐，可以随时为灯添油。 (5)鹤壁古煤井下有许多条筐，还有扁担和一个辘轳，说明回采工作面采下的煤先用肩挑至井底附近，再用辘轳提升到地面。遗址中还有一口排水井，位于井筒东南 20余米处，近似圆形，直径 1米，深 5米，井中尚有 2米深的积水。说明当时的排水方法是先将矿井内的水引入低洼处的积水井中，然后用辘轳将盛有水的水具提至地面排出。 七、石油天然气 北宋时期，我国出现“猛火油作” ，这可说是世界上最早的炼油工厂。所谓“猛火油”是石油经过粗加工的产品。猛火油作是宋朝廷军器监的 11个作坊之一。由于猛火油是火攻的重要原料，广泛地用于军事上，因此它的炼制技术是密而不传的。随着人们对石油性质认识的深入，其用途也愈加广泛。如陕北地区的石油含蜡量高，人们用它制成“石烛”， “其坚如石，照席极明，亦有泪如蜡，而烟浓”。对于石油燃烧而产生的“石烟”，北宋时也加以利用。沈括在任鄜延路经略使时，亲自用它试制成墨，名之为“延川石液”， “黑光如漆，松墨不及也” 。此外，石油还被用来配制成药，用以治疗疥癣等疾病。寇宗奭所著《本草衍义》中，记载有用石油制砒霜伏的配方。这是石油加工后入药的最早记录。 责编：人学研究网华夏春秋栏目·紫天爵 参考文献： 白寿彝：《中国通史》，第七卷中古时代·五代辽宋夏金时期，丙编第三章“手工业、工程技术”，上海人民出版社，2004年版。