知识源于沉淀 最近，关于中国古代“四大发明”的讨论引起了公众的关注。笔者认为，就这件事的来源而言，应该不会有什么大的争议。即使有，考证的细节也有些差异，不会那么热闹。换句话说，学术圈(科技史的研究领域)并不是一个大浪淘沙，而造成“墙内安静，墙外嘈杂”的一个很大的因素是，公众可能并没有真正了解“四大发明”本身。
主要讲“四大发明”的基本事实，包括几个容易引起公众混淆的问题，以及最近一些学者对相关研究的推动，也讲了传播和影响。需要强调的是，“四大发明”最早可以追溯到16世纪意大利数学家卡丹指出的“三大发明”，后经英国哲学家培根、美国学者卡特、英国李约瑟等总结传播。，并且成为现在“造纸、印刷、火药、指南针”的标准说法，这不是自封的中国人，而是“外国加冕”。
造纸
造纸术的精髓，如果用一句话来概括，就是中国人在西汉就发明了造纸术，这种技术在后来的岁月里传遍了全世界。如果不够全面，还可以补充一点，东汉蔡伦对其进行了改进。
就造纸术而言，一个引起了公众困惑和不解的词是古埃及的“纸莎草纸”。这种“纸”很早就出现了，可以追溯到5000年前，但真的不是专业的“纸”。这就要引出“纸”的定义，但这是一件很难的事情，因为这个定义一揭开，估计会吓走一半以上的读者，但如果不给，那就不明了，只会被残忍地扔出去。造纸史专家潘继兴认为，传统意义上的手工纸是指:
“植物纤维原料经过机械和化学处理，得到纯净分散的植物纤维，与水混合，使其流过多孔模具的幕面。过滤掉水分后，纤维在窗帘表面形成一层湿润的薄层，干燥后得到具有一定强度的纤维板，具有书写、印刷和包装的用途。”
其实这里已经包含了传统手工纸的工艺流程。我们再来看“纸莎草”的制作，就是将纸莎草的内径切成细长的长条，然后将长条打浆浸泡，取出后纵横交错地铺成两层，最后挤出水分粘在一起，再烘干打磨成“纸莎草”。这种“纸”可以算是一种人工编织(更不用说编织了)，连零散的莎草纤维都得不到，更别说其他的了。所以，纸莎草中的“纸”只是现代书写纸的一种意义上的指代，绝不是传统手工造纸中的“纸”。纸莎草纸和造纸术的区别就像足球、篮球、排球和地球，形状相似，质量不同。
有足够确凿的证据表明，在东汉蔡伦之前的西汉时期，中国就已经发明了纸或者掌握了造纸术。这些证据主要是考古的。通过现代检测技术的分析，对这些纸的加工工艺(即造纸)有了充分的了解。
到目前为止，甘肃、新疆、陕西、四川、广东等地都出土了西汉时期的纸。这里只是甘肃敦煌宣权甲遗址出土的纸张。这个遗址出土了460张纸。底部虽有西汉、东汉、西晋，但仍是汉代古纸出土最多的遗址，其中西汉古纸占多数。南京信息工程大学李晓岑教授对这些古纸做了调查分析，认为这些古纸多为麻纤维制成，较厚、粗糙、凹凸不平。这些纸是用纸浇法制作的；在较晚的地层中发现了表面薄而光滑、纤维分布均匀、有帘纹的古纸。这些纸是用造纸法制造的。总的来说，造纸术是在西汉时期在中国发明的。东汉蔡伦改进造纸，使造纸成为传统造纸的主流。
图1甘肃省金塔县寿水金关遗址出土的西汉纸。
(作者摄于2019年国家博物馆“丝绸之路隧道——甘肃文物展”)
有些人不能接受蔡伦不是纸的发明者这一事实。这是个人情感问题，不是历史问题。但是，作为造纸史上伟大的改革家，蔡伦的功绩是不可否认的。用潘继兴先生的话说，“首先，蔡伦组织制作了大量高质量的麻纸呈献朝廷，并由官方势力推广；其次，蔡伦倡导生产牛皮纸，突破了用木质韧皮纤维造纸的技术，扩大了造纸原料，促进了造纸的发展。”蔡伦当时是尚芳龄，主管宫廷器皿的制造，他组织了造纸术的改进和普及。还有谁？
从2世纪到5世纪，中国的纸和造纸术首先传到越南、日本和朝鲜，8世纪传到中亚，12世纪通过阿拉伯传到欧洲。经过仔细考证，潘老师画了一张沟通路线图(图二)，大家看看吧。
图2中国造纸技术示意图(潘继兴绘画)
印刷
说到印刷，我们不得不澄清另一个容易混淆的概念——活字印刷。在机器印刷之前，先出现了雕版印刷，然后发明了活字印刷。它们都是起源于中国的传统印刷。只有在中国古代，雕版印刷占据主流，原因后面分析。
关于唐代雕版印刷术发明时间的早期争论，学术界应该是有所收敛和集中的，这是毫无疑问的。只是唐朝时间太长了，学术界对哪个时期还持有不同的看法。造成这种现象的主要原因是一些尚未出土的早期印刷材料的年代存在争议。
先不说有争议的，先说最早刻有完整年份的雕版印刷品，也就是1907年在敦煌发现，由斯坦因带到英国的《金刚般若波罗蜜多经》(简称图3)，现藏大英图书馆。原卷长487.7厘米，高24.4厘米，由六块印文组成，加上卷首的一幅《释迦牟尼插画图》，共由七张印文组成。卷末刻有“咸通九年四月十五日，王君为二房建功”碑文，868年刊行。这幅印刷品雕工娴熟，甚至用墨也很娴熟，是一幅雕刻技术成熟的作品。
图3大英图书馆的金刚经(图片来自网络)
雕版印刷的发明与从印度传入的佛教有着密切的关系。所以到了唐代，雕版印刷的产品主要是佛经，也开始流传到民间，如历书、阴阳杂注等。五代时，后唐宰相冯道主持雕版印刷儒家经典《九经》。从那时起，雕版印刷开始流行，并在宋代达到顶峰。
活字印刷出现在雕版印刷盛行的宋代。雕版印刷有两个突出问题:一是效率低，一套书只能印一种书；如果你打印另一份，你需要做一个新的版本。其次，因为是整版印刷，如果印版某处出错，整版都会报废。针对后者，在北宋毕升发明泥活字之前，官契的印版上已经出现了一些雕版印刷与活字印刷相结合的技术。也就是说，把一些只需要三言两语就能改的公文“变通处理”，在原木板上刻出凹槽，然后把改好的“木活字”刻上去，随意改。
严格来说，这种修补“木活字”的技术不能算是真正的活字印刷，但这种思路体现了一种改变雕版印刷的方向。北宋庆年间(1041-1048)，平民毕升创造的泥活字出现了，沈括在《孟茜笔谈》中详细记载了毕升的事迹。
《孟茜笔谈》记载了毕升创作泥活字的过程，从工艺流程来看相当完整，包括造字、设图案、排版、定版、印刷、拆版、存字、工作效率等。甚至毕升死后，那些活字都被沈括的侄子们收藏了。清朝的历史是清楚的，毕也因此而闻名后世。
那么就木活字来说，1991年在宁夏贺兰县发现了一枚西夏活字的印刷本，那是12世纪下半叶的事了。这也是迄今为止最早的木制活字印刷。完整的木活字技术文献记载最早见于元代王镇的《农书》。当时王真人(今安徽)是旌德县令，他尝试用木活字印刷了六万多字的旌德县志(可惜今天没有)。效率还不错，不到一个月就印了100本，大致是13世纪末的样子。活字印刷有个缺点，因为汉字多，取字排版比较麻烦。为此，王镇还发明了两个便于取字的轮子，这是工艺流程上的一大创新。
先说金属活字的问题。许多学者，特别是潘继兴先生，做了大量的考证。综合目前各方陈述的事实，客观结论是:中国发明了金属活字印刷，铜活字在朝鲜半岛发扬光大，欧洲古腾堡的铅活字改变了世界。
最后解释一个吊诡的问题，为什么活字印刷术发明于宋代，却没有在传统印刷技术中占据主流？主要有两个原因:首先，就官印书行为而言，大多是儒家经典，用时髦的话来说，算是古代的“长销书”，刻一套版本至少可以“一劳永逸”很长时间，不需要耗费人力和时间的雕版排版；对于小书店来说，一次印刷不多，木刻比活字方便。其次，活字印刷技术本身，由于我们的汉字体系，制作一套活字(包括备用和重复的常用字)成本较高，对排版和挑字人员的要求也较高，但雕版印刷并不担心这一点，即使雕刻师一个字都不认识，也能胜任工作。
火药
关于火药是中国发明的这一事实，很久以前就有两种笑话。一个是出自鲁迅，他在《电的利与弊》中说，“外国用火药做子弹对敌，中国却用它做鞭炮祭神。”鲁迅先生警示国人的用意是好的，但与事实相悖。虽然我们用火药制造烟花爆竹，但第一次把火药用于军事防御敌人也是我们的发明。他前半句有问题，因为用火药制造子弹不是我们发明的黑色火药的产物，而是西方在18世纪发明的黄色火药的产物。这正好引出另一种戏谑要讨论。是黑粉还是黄粉改变了世界？这个问题其实就像问火柴的发明伟大还是打火机的发明伟大，计算尺伟大还是电脑伟大。看来有必要对黑粉和黄粉做一些澄清。
我们一般所说的火药是硝石、硫磺和木炭(或其他容易碳化的有机物)按一定比例混合而成的。因为点燃后迅速爆炸产生黑烟火焰，所以又叫黑火药。在现代火药(即黄色火药)发明之前，黑色火药是世界上唯一的火药和炸药。它曾经发挥过起爆药、推进剂和烈性炸药的三重作用，不仅用于军事行动，也用于工程爆破。
黄色火药，严格来说应该叫黄色炸药，起源于19世纪。1771年，一位英国化学家化学合成了苦味酸(三硝基苯酚)，但起初它只是作为一种黄色染料，并没有发现它的爆炸性质。直到1885年，法国化学家才用它来填充炮弹，称为炸药。二战后TNT和高性能混合炸药的后期发展是黄色炸药的发展。
先说中国古代火药的发明，火药与炼丹术关系密切，起源于方士的“降火法”。军事科学院火器史专家王指出，“降火”的目的主要有三个:一是“杀病毒”，即用火焙、炖的方法降低某些药物的固有毒性；二是有些药物受热后容易挥发逸出；三是驯服一些混合药物的爆炸性。学术界普遍认为，最迟在9世纪出现在炼金术士的“降火法”中。
写于唐宪宗元和三年(808年)的《太上圣祖仙丹秘方》中明确记载了硫磺-22、硝酸-22和马兜铃(明火炭化)、三钱-半的配方。到了10世纪下半叶，也就是五代到北宋初，火药已经在军事上使用了。《宋史》记载了这一时期出现的许多火器，如火箭、火球、火蓟等。宋仁宗天盛元年(1023年)，都城汴京有了专门生产火药的“火药作坊”，“火药”一词由此诞生。1044年，吴《药》首次记载了三种军用:毒烟球配方、火炮和蒺藜火球配方。此时的粉末配方硫含量高，碳含量低，植物油的混合物整体呈糊状。其主要作用是燃烧或纵火，不能用作推进剂。
图4《武学通论》中的“蒺藜火球”和“火火球”
南宋绍兴二年(1132)，守德安(今湖北安陆)规矩时，用“长竹火枪”，一种手持喷火器。1259年，宋军使用了射弹发射枪，这是一种管状射击火器，火药具有燃烧和发射功能。13世纪末，元军使用一种金属管状火器——长矛。现存最早的有确切年代的矛是元大德二年(1298)的铜碗口矛，现藏于内蒙古蒙元文化博物馆。14世纪明军还制造了铸铁火炮，如山西博物馆藏明洪武十年(1377年)的铸铁火炮。
潘继兴先生画了一张关于中国火药和火器技术路线图的图(图5，一目了然)。
图5中国火药和火器技术示意图(潘继兴绘制)
指南针
爱因斯坦在晚年的一份自述中说，在他4-5岁的时候，父亲给了他一个指南针，指南针的准确操作非常奇怪，令他震惊。那次经历给他留下了持久而深刻的印象，直到他晚年仍萦绕在他的脑海中。在“四大发明”中，指南针可能是最受关注的。一方面是大众对这种奇妙事物的好奇，另一方面是学术界对指南针的研究还有很多想象空间。
好奇心加上想象力，围绕指南针演绎出很多版本的坊间传闻，其中最集中的关键词应该是“新浪”。除了不熟悉事物的孩子，“新浪”在国内的知名度非常高。一个磁勺在一个标有方向的光滑的方形铜板(锅)上旋转。这个形象已经深入人心，在电视、报纸、网络、教科书上频频出现。“新浪”可以做向导吗？到底靠谱不靠谱？
“司南”最早出现在战国末期的《韩非子》中，有“王力司南先夺天”之说。意思很明确，君主要靠司南来定位自己的位置。如何决定？东汉王充的《论衡》中记载“司南棺椁掷地而其导。”这句话，学界也没少花功夫。近年来，文字学、训诂学、版本学、模拟复原实验等。，终于有了很大的突破。
中国科学院自然科学史研究所副研究员黄兴在国家博物馆王振铎先生的新浪修复方案的基础上做了详细的实证研究，支持王振铎的“磁铁勺”修复方案，这是各类磁铁制作的导演中最好的设计方案。黄兴还指出，在秦汉时期，新浪甚至不用把它放在光滑的桌子上，在平坦光滑的普通地面上也能有效引导。这相当于修改简化了王振铎的恢复计划。由此可以认为新浪太有可能是可靠的(关键是磁铁勺是不是新浪，笔者持乐观态度)。
在晚唐(803 -863)段所著的《酉阳杂记》中，明确记载了游行时携带磁铁和磁针，使用的磁针是水漂。宋初，关于指南针的文献和史料齐头并进。比较重要的有:一、王绩注《关氏地理志》，其中一首诗既提到了磁针，也提到了磁偏角。王绩是当时有名的风水先生，也就是风水先生。他的注释应该是在11世纪上半叶。其次，天文学家、风水师杨于1041年完成的《津原通志》也记载了磁针和磁偏角。最后，《吴要》记载了人工磁化的“导鱼”。不久，另一种人工磁化技术出现在沈括的《孟茜笔谈》中，“用磁铁磨针锋”，记载了四种磁针放置方法，还提到了磁偏角。
世界上最早的指南针记录出现在北宋朱的《刻谭》(1119)中。“水手懂地理，晚上看星星，白天看太阳，黑夜看罗盘。”早期航海使用的水罗盘是在瓷碗或瓷盘的画一圈方向或将一圈方向连接起来。这是针碗。以旅顺博物馆的元代针碗为例。使用时，先将碗盛满水，将磁针放在浮子上，然后将碗底部“王”字中的垂直线对准船体中心线。如果船体转动，磁针与垂直线的角度会发生变化，可以根据刻度指示方向。
图6元代针碗
(旅顺博物馆收藏，作者2018年在国家博物馆举办的“不问西方与东方——从丝绸之路到文物复兴”展览中拍摄)
干旱罗盘也是中国发明的。1985年，考古学家从1198年埋葬于江西临川的南宋古墓中发掘出两件张俑。小雕像拿着一个指南针，是学术界公认的带轴支撑结构的干式指南针。2013年，宁波中国港口博物馆收藏了一件南宋时期带有指南针的小雕像(图7)，其形制与临川出土的相似。
图7南宋持圆规陶俑
(由宁波中国港口博物馆收藏，作者摄于2018年国家博物馆“不问西方与东方——从丝绸之路到文物复兴”展览)
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近年来，许多科技史学者对中国古代科技遗产进行了重新梳理和总结，为帮助中国古代科技文明的传播和普及做出了积极的尝试。相关历史学家有责任和义务继续普及和阐明中国古代重要的科技发明创造。只有这样，公众和舆论对相关问题的判断才能远离低级混乱，趋于客观。
资料来源:中国科学院自然科学史研究所
