中國古代發(fā)明

古代中國人在工程技術領域創(chuàng)造了眾多的新事物，這些發(fā)明成為今天許多領域的技術基礎。

大約公元前200年，古代中國人發(fā)明了獨輪車。

這種只有一個輪子的車，與從前的車完全不一樣，它是一種高重心單一支點的滾動裝置。這種車轉(zhuǎn)向靈活，對道路幾乎沒有寬度要求，可在運動中保持平衡，能夠在崎嶇的小路上輕松地搬運重物。獨輪車的發(fā)明需要極為豐富的想象力，人們至今還不清楚它的發(fā)明過程。有人猜測，羅貫中在《三國演義》中描述的諸葛亮運糧用的“木牛流馬”，可能就是獨輪車。1700年之后，歐洲人為獨輪車添加了一個輪子，變成了今天的自行車。

西漢時期（公元前206～公元25），中國人發(fā)明了機械傳動裝置中最重要的核心部件——齒輪。

齒輪是一種帶齒的輪子，大小不同的齒輪相互嚙合能夠改變機器旋轉(zhuǎn)的速度和力量。齒輪的出現(xiàn)，表明當時中國人已經(jīng)有能力把簡單的手工工具變成龐大而且復雜的機器。

大約與此同時，古代中國人先后完成了船舶推進與控制技術方面的兩項重大發(fā)明——櫓和舵。

從石器時代使用獨木舟開始，人們一直使用槳劃船。劃船人手中的槳周而復始地在空氣和水中運動，槳劃過空氣時不產(chǎn)生推力，無謂地消耗體能；劃槳時拍擊水面還會引起船舶震動；在船的一側(cè)劃槳還會改變船前進的方向。公元前1世紀，中國人發(fā)明了櫓。櫓在水中運動，像魚兒尾部擺動，利用水的軸向反作用力，為船舶提供連續(xù)穩(wěn)定的動力。櫓減輕了劃船的勞動強度，提高了航行速度，使船的航行更加平衡。今天人們到浙江紹興，還能看到頭戴氈帽的船工雙手插在袖筒里，悠閑地用腳搖櫓的情景。

18世紀，蒸汽機誕生后，槳演變成安裝在船體兩側(cè)的、由蒸汽機帶動旋轉(zhuǎn)的槳輪，櫓則演變成深藏水下的螺旋槳。螺旋槳成為一切機動船舶的動力來源，后來又成為早年飛機最主要的部件。

大約公元1世紀，中國人又發(fā)明了舵。

船在水中航行，由于巨大的慣性，控制船的運動方向既需要很大的力，亦需要很高的技巧。中國人發(fā)明的舵，巧妙地利用不對稱水流的側(cè)向推力，使水流自身產(chǎn)生改變船體運動方向的力矩，實現(xiàn)了船舶動力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的分離，為船舶制造與駕駛技術做出了具有里程碑意義的貢獻。利用舵控制方向，已經(jīng)成為今天一切船舶和飛行器的基本工作模式。

公元132年，東漢時期的科學家張衡（78－139），

發(fā)明了測報遠方地震的科學儀器。這項發(fā)明標志著人類第一次超越感覺器官的局限，用科學儀器獲取重要的大地運動信息。

張衡注意到，在地震發(fā)生時，遠離震中的大地會發(fā)生兩種運動：一種是來自震中方向的水平振動，另一種是垂直于地表的振動。在遠離震中的地方，地震時第一次發(fā)生的水平振動，總是使地面背向震中朝外移動。在這一科學發(fā)現(xiàn)的基礎上，張衡利用慣性原理發(fā)明了地動儀。

張衡在水平地基上豎起一根高重心直桿，用它作為探測地震的傳感器。在沒有地震的時候，豎立的直桿處于平衡狀態(tài)。如果地震波引起直桿的支點瞬間位移，直桿立即倒向發(fā)生地震的方向，敲擊相應的器皿發(fā)出聲響或撥動一個開關，使一個小球從器皿里掉出來，記錄發(fā)生地震的方位。有一次，張衡用地動儀觀測到距京城洛陽644千米的甘肅隴西發(fā)生了地震，而京城的人當時都未感覺到，直到數(shù)天后，信使才從隴西帶來地震的消息。從此，朝廷官員開始用這種辦法記錄地震。

繼希臘化時期亞歷山大城的科學家埃拉托西尼精確測量地球半徑，希帕恰斯推算出月球和地球之間距離之后，張衡發(fā)明地動儀，標志著人類在了解地球的艱難歷程中又邁出重要的一步。直到公元1880年，英國人米爾恩才發(fā)明了現(xiàn)代記錄地震的儀器。

公元189年，中國工匠丁緩發(fā)明了三維運動系統(tǒng)慣性平衡機構(gòu)。在這種精巧的裝置里，無論支架怎樣轉(zhuǎn)動，放置其中的物體都保持其空間位置不變。這種裝置是一件由三個大小不同的金屬環(huán)依次疊套在一起的組合環(huán)，每個環(huán)都可繞自身的兩個支點自由轉(zhuǎn)動，三個環(huán)的旋轉(zhuǎn)軸相互垂直。如果在內(nèi)環(huán)中固定一個小杯，無論組合環(huán)怎樣旋轉(zhuǎn)滾動，小杯總能保持水平位置。當時人們用小杯裝香料帶在身上，香料不會灑出來。后來，人們把燒紅的炭放在小杯里，帶在身上或放在被褥里取暖，無論坐臥俯仰，左右翻身，炭都不會掉出來。

三維運動系統(tǒng)慣性平衡機構(gòu)的發(fā)明，標志著人類在機械制造方面，已經(jīng)由靜力學設計步入動平衡和慣性分析領域。它后來成為制導系統(tǒng)陀螺儀的基礎和機械傳動系統(tǒng)萬向節(jié)的原型，而后兩者是現(xiàn)代汽車、飛機、火箭、魚雷、巡航導彈和遠洋輪船不可或缺的部件。

公元3世紀，中國人發(fā)明了金屬馬鐙。

馬鐙的發(fā)明使古代戰(zhàn)爭格局發(fā)生了巨大變化。人類駕馭馬的歷史可追溯到7000年前。早年，由于沒有馬鐙，騎士只能坐在馬背上以臀部為支點保持身體平衡，可人類習慣以雙腳為支點保持高重心姿態(tài)的平衡，難以適應這種改變，當馬快速奔跑時，很容易從馬背上摔下來，格斗時亦不能自如地劈殺閃躲。有了馬鐙，士兵可以迅速地把在地面上練就的本領移植到馬背上，以雙腳為左右支點自如地應對各種挑戰(zhàn)，使步兵的技藝和馬匹的速度完美結(jié)合。公元13世紀，蒙古人席卷歐洲，馬鐙起了巨大作用。有了馬鐙，中世紀歐洲的騎士才能演繹出那許多叱咤風云的故事。

經(jīng)過近千年的摸索，大約在公元3世紀，中國人發(fā)明了現(xiàn)代意義上的瓷器。從此，瓷器替代人們餐桌上粗陋的陶器，

使人類不僅有了清潔的餐具，提高了健康水平，還增添了審美樂趣，使不可或缺的生活用品同時成為藝術品。

瓷器抹去了石器時代留下的最后一道痕跡，有學者把人類使用瓷器看作文明進步的重要標志。

瓷器是在陶器的基礎上發(fā)展起來的。早在1萬年前，地球上不同地方的人們先后發(fā)明了燒制陶器的技術。人們利用巖石風化形成的黏土，經(jīng)過成型和焙燒做成器物。焙燒時，高溫使黏土中的某些物質(zhì)熔化，填充黏土顆?？障恫阉鼈兙o緊固結(jié)在一起，類似大自然造就巖石的過程。然而，窯爐的溫度無法與地下巖漿的高溫相比，燒制的器皿密實度不夠。為了保證必需的強度，器皿往往粗大笨重，使用不方便；加之器壁吸水率高，陶制器皿表面粗糙，容易殘留食物，霉變滋生病菌。在數(shù)千年里，陶器燒制技術的進展十分緩慢。

從商代開始，古代中國人不斷改進制陶技術，到東漢末年，中國已出現(xiàn)技術成熟的瓷器。通過艱難摸索產(chǎn)生的這項發(fā)明，其關鍵技術主要是以下三點：

第一，選用瓷土作原料，不再使用普通黏土。瓷土是長石充分分解風化的產(chǎn)物，主要成分是三氧化二鋁和二氧化硅，同時含有鉀、鈉和鈣的氧化物，而鐵和鈦的氧化物含量很少，燒成的器皿潔白細密。

第二，燒結(jié)溫度高。在公元前6世紀，中國人已經(jīng)發(fā)明使爐溫達到1300℃以上的燃燒控制技術。在1200℃以上的瓷窯里，瓷土中的氧化鈣、氧化鉀、氧化鈉和二氧化硅，能夠形成大量熔化的玻璃狀透明物質(zhì)，填滿坯料中瓷土顆粒間隙，形成半透明的牢固燒結(jié)體。瓷器的吸水率極低，比陶器具有更高的結(jié)構(gòu)強度。薄壁瓷器可以達到厚壁陶器的承載強度與承受撞擊的能力，大大減輕了器皿的重量。

第三，為瓷坯穿上一件透明的外衣——瓷釉。瓷釉是一種像玻璃一樣透明的物質(zhì)，薄薄的釉緊緊地附著在瓷坯表面，幾乎不改變器物的結(jié)構(gòu)和造型，卻使本來已經(jīng)十分致密的瓷質(zhì)變得更加光滑美麗，具有極好的手感和視覺效果，而且使器皿便于洗滌保持清潔。那些具有極高化學穩(wěn)定性的瓷釉不會與食物發(fā)生化學反應。

通過控制窯爐的燃燒氣氛，古代中國發(fā)明家還能夠讓同一種釉料在燒成之后呈現(xiàn)不同的色彩。例如，釉料含有銅的氧化物，在窯爐缺氧環(huán)境中燃燒，大量一氧化碳會使它變成氧化亞銅，一價銅離子呈紅色，燒出的是穿紅“衣服”的瓷器；當氧氣供應充分的時候，銅的氧化物不會被還原，二價銅離子呈美麗的藍綠色；如果交替變化爐中的氣氛，瓷器表面就會出現(xiàn)紅藍相間的夢幻色彩。由于這種氣氛變化的過程在時間和空間上難以重復，在爐窯中燒出來的瓷器每件都不一樣。鑒賞家把這種奇妙的工藝過程稱為“窯變”，一些“窯變”瓷器成為稀世珍品。

技術和藝術共同造就了神奇的瓷器。隨著時代的變遷，從前人們使用的器物今天大多已不見蹤影，唯有瓷器例外。中國獨占這項發(fā)明持續(xù)1500年，直到公元18世紀，歐洲人才開始制造瓷器。

公元7世紀，中國人發(fā)明了火藥。

火藥的發(fā)明源于人們對“長生不老”的期盼。早在漢代，道家就開始了煉丹活動。他們篤信，如果能在自然界找到某些神秘的物質(zhì)，把它們調(diào)配在一起，或者讓它們在高溫中融合，就能變成黃金或令人青春永駐的仙丹。與西方古代煉金家不同，古代中國的煉丹家更關注后者。

煉丹家采選硝石、硫磺和木炭等各種原料進行試驗。硝石具有能熔化多種礦石的特性，而且在溫度不高的狀態(tài)下能由結(jié)晶體變?yōu)橐后w，有時還能治療某些疾病。硫磺在自然界中能以元素狀態(tài)存在，加熱時會由固體直接變成氣體，冷卻后又在另外的地方以固體狀態(tài)重新出現(xiàn)（這種現(xiàn)象今天稱之為“升華”）。煉丹家認為硫磺具有神秘的“游走”習性。木炭則被古代中國人認為是火與木相遇留下的精華，色澤和形狀可歷千年不變。煉丹的道士把這三者調(diào)配在一起，希望在爐里加熱時出現(xiàn)奇跡。奇跡果然出現(xiàn)了，但只是不如煉丹道士預想的那樣美妙：常溫條件下它們不發(fā)生任何化學反應，而當爐溫升高到一定程度時，突然火光沖天，煉丹道士閃躲不及之下被燒掉胡須和眉毛。從此，這種特殊的丹藥被稱為火藥。

硝石的化學成分是硝酸鉀，受熱能分解產(chǎn)生大量的氧；硫磺在常溫下化學性質(zhì)穩(wěn)定，在250℃時可以燃燒釋放熱量，使溫度迅速升高達到木炭的燃點；木炭與硝酸鉀分解產(chǎn)生的氧一旦發(fā)生化學反應，就會釋放更多熱量，使更多的硝酸鉀分解，氧化反應更加劇烈。這種化學反應在狹小的空間進行，無需從空氣中補給燃燒所需要的氧。星星之火一旦點燃火藥，瞬間產(chǎn)生極高的溫度，釋放大量氣體產(chǎn)生巨大壓力。這種力量可以頂替千萬人的體力勞動，可以推動山岳填平溝壑，也可以成為新式殺傷武器。

如果火藥產(chǎn)生的爆炸力只能在一個預定的方向釋放，可以推動物體高速運動，這便是子彈；

如果火藥在一個堅實的密封殼體中燃燒而無釋放壓力的途徑，當壓力增大到超過殼體極限強度時，就會發(fā)生爆炸，發(fā)出令人恐怖的巨響，產(chǎn)生巨大的沖擊波，同時把殼體炸成碎片，在空中成為無數(shù)飛刀，令敵方猝不及防，這便是今天所說的炸彈；如果把火藥裝填在后端開口的圓筒里，點火燃燒之后產(chǎn)生的高溫氣體向后面噴射，在反作用力推進下，圓筒殼體會高速飛向前方攻擊敵人，這種噴火自動飛行的箭體被稱為火箭，

它為1000年之后人類飛向太空準備了最重要的推進技術。

火藥的發(fā)明對人類來說憂甚至大于喜——它迅速導致了戰(zhàn)爭武器的變革。用火藥做成的兵器可以遠距離殺傷敵人，具有人體感官難以察覺的攻擊速度，具有普通建筑物難以抗御的破壞力。在戰(zhàn)場上，交戰(zhàn)雙方從此拉開空間距離，呼嘯的炸彈從天而降發(fā)生爆炸，取代了冷兵器時代的刀光劍影，堅固的城堡也不再能阻擋敵方進攻。在古代戰(zhàn)場上，使用火藥兵器的一方往往具有絕對優(yōu)勢，這種勝利的誘惑，促使人們探尋更加猛烈的爆炸物，其結(jié)果是使人類的安全受到越來越嚴重的威脅。

公元13世紀，火藥隨蒙古人西征傳到阿拉伯世界，

后來經(jīng)阿拉伯人傳到歐洲，與西方的機械制造技術結(jié)合，成為新興資產(chǎn)階級攻陷城堡戰(zhàn)勝封建貴族、征服海外殖民地的強大武器。中國人的這件陰差陽錯的發(fā)明，在相當大的程度上改變了世界歷史的進程。

公元7世紀，中國人發(fā)明了雕版印刷技術。雕版印刷始于隋代，

當時的人們在致密堅硬的棗木板上鐫刻凸起的反字，將墨汁刷在上面，用紙覆蓋并輕輕平壓，植物纖維的親水性使文字上的墨跡迅速滲入紙中，揭下紙晾干，雕版印刷即告完成。雕版印刷的效率是用手抄寫的數(shù)百倍。歐洲直到公元1423年才出現(xiàn)雕版印刷品。

雕版印刷技術的發(fā)明大大提高了人類文化知識傳播的速度，使更多的人有機會分享人類的智慧與經(jīng)驗。公元1041年，畢昇又發(fā)明了活字印刷技術，他用分離的漢字字模，拼裝組合成印版來印刷文卷。北宋學者沈括（1031－1095）在其所著《夢溪筆談》中記載，畢昇用膠泥做成薄薄的字模，經(jīng)火燒硬后可反復使用。在用活字模拼裝印版時，先在一塊鐵板上放一個鐵制的邊框，里面放些松香、石蠟和紙灰，加熱調(diào)勻，平鋪在框內(nèi)的鐵板上，然后放上活字模并壓平。冷卻之后，活字模緊緊固結(jié)在鐵板上，遇水也不會松散脫落。需要重新排版時，加熱鐵板，使松香、石蠟軟化，取下活字模重新排列組合。

由于漢字多達數(shù)萬，活字印刷技術在中國古代并沒有發(fā)揮重要的作用。然而，對于使用拉丁字母的文字來說，活字印刷技術使圖書文獻的印刷過程變得十分簡單。公元15世紀，活字印刷技術在輾轉(zhuǎn)傳播到歐洲以后，使歐洲人迅速跨越雕版印刷階段，開始大量印刷書籍，促進了文化知識的傳播和普及，為歐洲文藝復興提供了極其重要的思想條件。

公元11世紀，中國人發(fā)明了橋梁史上最早的生物固基技術，利用海洋生物獨有的生態(tài)特征，建造了許多跨江、跨海的大橋。其中，包括建造在福建省泉州市的洛陽江入?？诘目绾Ｊ捍髽?，人們至今還在這座寬5米、長1000米，已有950年歷史的大橋上行走。在江海交匯處，海濤洶涌，水深流急，橋基和橋墩很容易被沖垮，建橋面臨巨大的困難。古代中國人想出了一個極聰明的辦法：在建造這座橋時，人們首先沿設計中的大橋中心線，向水中拋擲巨大的石塊，墊成一道寬25米的水下筏形臺基。然后，人們在石塊縫隙中投入大量牡蠣。

牡蠣是一種生長迅速的帶殼的軟體動物，其石灰質(zhì)外殼沒有固定的形狀，在生長過程中逐漸充滿石塊之間的空隙，牡蠣分泌的黏液則將石塊緊緊地黏結(jié)在一起，形成穩(wěn)固的剛性基礎。采用同樣的辦法，人們用巨大的石條在筏形臺基上砌成128個分離的橋墩。世界上所有的大橋都會隨時光流逝而不堪重負，只有這種特殊的橋隨著牡蠣生生不息的繁殖，其橋基和橋墩變得越來越牢固。

至遲不晚于公元13世紀，中國人發(fā)明了保障遠洋船舶行駛安全和減少顛簸的技術，創(chuàng)造出水密隔艙和低重心流體減震裝置。采用這種技術建造的船舶，在波濤洶涌的海上能夠保持船體平穩(wěn)，不會隨風波劇烈擺動，即使不幸觸礁或被鯨撞出大洞也不會沉沒。這兩項發(fā)明已經(jīng)成為現(xiàn)代大型船舶設計的經(jīng)典技術。

從唐代后期到元代，逐漸形成了一條從中國東南沿海港口城市到阿拉伯世界之間的海上貿(mào)易通道，被歷史學家譽為“海上絲綢之路”。眾多的中國古代發(fā)明保障了這條通道的安全，到公元15世紀初，鄭和率領龐大的船隊七下西洋，這些發(fā)明還起著重要作用。

不可勝數(shù)的中國古代發(fā)明，為綿延數(shù)千年的中華文明奠定了堅實的基礎，對人類文明的進程產(chǎn)生了深遠的影響，它們已經(jīng)深深嵌入歷史長卷，成為人類文明最珍貴的一部分。