人類文明的曙光：中原地區自然科學知識的萌芽

古代中原長期居於中國政治、經濟、文化的中心，了解中原地區數學、物理、化學、天文、地理、生物、醫學和農業、水利、冶金、紡織、陶瓷、交通等科學技術的發展歷程，不啻是對中國傳統科學技術歷史縮影之概覽。

中原是一個區域概念，但又不是一般意義上的區域範疇。這一概念的形成經歷了一個漫長的發展歷程。「中原」一詞，與先秦時期人們開始認可的「天地之中」的位置相關，也與這一區域在全新世大暖期較為適宜的生態環境有著密切聯繫。在今河南境內的廣大地區，先後發現了距今10000年前後的李家溝文化、8000年左右的裴李崗文化、6000年左右的仰韶文化和距今5000～4000年的龍山文化，可知這裡是早期人類最早的密集聚居區。文明的曙光最早在這一地區升起。

自然科學知識的萌芽

天文學知識的萌芽

中原地區的先民，早在舊石器時代，在採集和漁獵生產中，就對太陽的出沒、月亮的圓缺、寒來暑往、物候等有了一定的認識。進入新石器時代，農牧業生產成為社會經濟主體，農業收成的好壞主要取決於天時，人們需要掌握季節的變化規律。中原地區先民的天文曆法知識是在生產實踐中逐步積累起來的。到了新石器時代中期，人們已經運用對天象的觀測來確定時間、方位和季節了。

仰韶文化時期的大河村人對太陽進行了觀測，並把太陽的形象以彩繪的形式表達出來。鄭州大河村仰韶文化遺址出土的一片彩陶繪有太陽的圖像，此圖中間為紅色的圓心，四周為褐色發射狀太陽光芒（圖1）。

圖1 有太陽圖像的彩陶片

（鄭州市文物考古研究所：《鄭州大河村》，科學出版社，2001年，圖版三〇：2、3）

從發掘的新石器時代墓葬和房屋的朝向來看，人們已經有了明確的方位觀念。舞陽賈湖遺址墓葬朝向以西為主，次為西南，少量為西北，不見東、南、北三個方向。這些墓葬的朝向與天文關係密切，表明當時很可能有了以日落定西方的固定概念。河南淮陽平糧台龍山文化城址發掘的房屋朝向均為南b。可見，當時人們已經掌握了確定方位的方法，有明確的四方觀念。

早在新石器時代，中原地區已經形成了「四象」觀念，四象是中國古代天文學坐標體系的雛形。

1988年在河南濮陽西水坡的一座距今6000多年前的仰韶文化墓葬中有了驚人發現。此墓葬中墓主人頭朝南，腳朝北，在其身體的東側有用蚌殼擺成的龍形圖案，其東側是用蚌殼擺成的虎形圖案，腳邊正北有用兩根人脛骨和蚌殼擺成的勺形圖案。中國古代把全天黃、赤道附近的天區分為二十八宿，二十八宿按東南西北四個方位分為四組，每組七宿，人們根據各方星宿的形象加上想像，組成一種動物之像，四方之星像即為四象。四象中，東為蒼龍，角、亢、氐、房、心、尾、箕，有46個星座；西為白虎，奎、婁、胃、昴、畢、觜、參，有54個星座；南為朱雀，井、鬼、柳、星、張、翼、軫，有42個星座；北為玄武，斗、牛、女、虛、危、室、壁，有65個星座。濮陽西水坡墓葬中墓主人東為龍、西為虎的造型正是四象觀念的體現。中國的四象、二十八宿星官體系到漢代最終完善，之後的天文觀測中，一直使用這一星官體系（圖2）。

圖2 濮陽西水坡蚌殼龍虎北斗圖

（杜石然主編：《中國科學技術史·通史卷》，科學出版社，2003年，第42頁，圖1-33）

物理化學知識的萌芽

人類區別於其他動物的顯著特徵之一就是具有思考能力，有了觀測和思考的能力，人們便會在生產和生活實踐中，逐步加深對身邊物質的物理性質和化學性質的認識。在實踐中人們對力、聲、光、熱等現象及物質形狀和性質的變化有了直觀的認識，並自覺和不自覺地運用這些知識來製造生產工具和生活用具。

早期的物理學知識體現在石器、弓箭、樂器等的製造上。在生活實踐中，人們知道用堅硬的石塊可以比較容易地砸開堅果的果殼，用帶刃的刮削石器可以較容易地刮獸皮和樹皮，尖狀石器可以較容易地挖出植物地下的塊根。弓箭是利用材料彈性勢能的原理，通過把人類自身的力量和物體的彈力結合起來，變勢能為箭鏃的動能，使箭鏃射向遠方，從而達到射殺目標物的目的。在中原新石器時代的遺址中常發現大量的骨鏃，說明當時人們已經普遍使用弓箭了。弓箭的發明是人類技術的一大進步，是物理學應用技術的典範。中原先民很早就對聲學知識有所了解，知道風吹空腔可以發出不同的聲音，在人為控制下風吹空腔發出的聲音可以延長和縮短。新石器時代，人們運用已經掌握的聲學知識製造出了能吹奏優美音樂的樂器。舞陽賈湖裴李崗文化遺址出土了一批骨笛，距今約8000年，多為七孔，已經具備了七聲音階結構（圖3）。濮陽賈湖遺址出土的骨笛是先民利用聲學知識的傑出代表。

圖3 舞陽賈湖骨笛

（河南省文物考古研究所：《舞陽賈湖》，科學出版社，1999年，彩版40）

化學知識的萌芽最初體現在用火、制陶、冶銅、釀酒等方面。中原先民很早就學會了用火，安陽小南海遺址、南召小空山遺址、滎陽織機洞遺址等洞穴都發現有灰燼層和燒過的獸骨，這些都是人工用火的遺迹。中原先民最初使用的火源應是自然火，後來在摩擦起火的啟發下，學會了人工取火。火本身就是一種化學反應，主要是草木中的碳與大氣中的氧在高溫下產生二氧化碳，並在這個過程中不斷釋放熱量和光。最初人們利用火釋放的熱量取暖和燒烤食物，利用火發出的光照明和驅趕野獸。火能改變很多物質的物理性能和化學成分，雖然當時人們不知道其中的科學道理，但在長期熟練運用火的基礎上，逐漸摸索出了制陶和冶銅技術。

燒制陶器的過程就是把黏土加熱燒烤，改變其化學成分和結構的過程。長期積累的燒陶經驗使人們知道，用不同的陶土加入不同的羼和料，在不同的燒制溫度下，燒制出的陶器性能、外觀等理化性質不同，據此，人們燒制出適合不同用途的陶器。新石器時代中晚期，銅的冶煉技術在陶器燒制技術的基礎上出現了。人們在燒制陶器等過程中，逐步發現孔雀石在較高溫度下可以煉出青銅，青銅是合金，是自然界所沒有的、人工製造的物質，其有延展性和韌性，可以根據需要鑄造出不同形狀和性能的青銅器具。用青銅鑄造的器具有石器具和陶器具所不具有的諸多優點。冶銅技術的出現是人類科技史上的巨大進步，是人類對化學知識運用達到一定高度的質的飛躍。釀酒是另一種原始先民運用化學知識的傑作。對賈湖裴李崗遺址出土陶片上殘留的酒石酸分析，其化學成分與現代稻米、米酒、葡萄酒、蜂蠟、葡萄丹寧酸包括山楂的化學成分相同，表明新石器時代中原地區的人們已經掌握了釀酒技術。推測，最初的酒可能是人們無意中發現的。堆積的糧食或水果自然發酵形成酒，人們發現這種酒有一種特殊的味道，且對緩解疲勞、疾病的治療等有一定的功效，於是人們開始嘗試人工釀酒，並有意識的改進釀酒技術。

數學知識的萌芽

中原地區的原始先民與我國乃至世界其他地區的人類一樣，在生活和生產實踐中不斷積累有關事物的數量和形狀的知識，成為自然科學基礎的數學隨之萌芽。

對「有」與「無」、「多」與「少」的認識是人們識數的開始，進而知道了「一」和「多」「二」「三」等的區別，之後知道的數目逐漸增多。早期的記數方法有石子記數、結繩記數和刻痕記數等。石子記數是採用一一對應的原則進行記數的方法。舞陽縣賈湖裴李崗文化遺址出土的裝在龜甲中的石子是石子記數的遺物。1987年，考古工作者在該遺址的20多座墓葬中發現大量的裝有石子的龜甲隨葬品，這些龜甲和石子可能與占卜有關，石子都是數過的（圖4）。從石子數量分布情況來看，賈湖人或許已經有了三位以上整數的觀念。從部分墓葬中發現的龜甲數目都是2、4、6、8等偶數來看，賈湖人可能已經認識了奇偶數的規律。結繩記數的實物因易於腐爛而難以發現，但可以推斷，中原先民應該使用過此種記數方法。賈湖遺址的很多隨葬品上發現有刻痕記數的遺迹。該遺址出土的眾多隨葬品上有大量的刻契符號，有些符號類似於甲骨文和金文中的數字。殷商時期人們對自然數的認識已經相當成熟，對數的認識必然經歷了相當長的發展過程。賈湖隨葬品上或橫或豎的一道或多道直向刻痕，應是人類早期記數遺迹。

圖4 舞陽賈湖龜甲及內裝石子

（河南省文物考古研究所：《舞陽賈湖》，科學出版社，1999年，彩版四二：2）

舞陽賈湖遺址出土16支完整的骨笛，這些骨笛是截取飛禽的脛骨而成，骨管的形狀不是很規則，每支骨笛的粗細、長短、厚薄皆不相同。在如此不規則的骨管上能設計出多個符合音律要求的孔，說明賈湖人已經知曉從1～10的差別，且能靈活運用數的等分和不等分。

新鄭裴李崗遺址出土的石器有石磨盤、石磨棒、鋸齒鐮、長條形石鏟（圖5）等，從這些石器器物形狀來看，人們已經有了平面、球、圓、柱、平行、垂直等初等幾何觀念（圖6）。從仰韶遺址出土的陶器器形及其複雜的紋飾來看，人們對幾何形狀已經有了深刻的認識。此時期的陶器種類豐富，主要有鼎、罐、盆、碗、壺、豆、杯、瓮、尊、瓶、甑、缽、器座等，這些陶器的截口多為圓形和矩形。陶器上的幾何紋飾是以點、線、面的粗細、長短、交叉、曲折的變化所表達的，主要有圓形及其變體紋、菱形紋、弧形紋、多邊紋等，或為單獨圖案，或為連續圖案。例如，1978 年在河南省臨汝縣閻村出土的一件彩陶缸上繪有鸛魚石斧圖，畫面是一隻站著的鸛鳥銜著一條魚，旁邊有一帶柄的石斧。此圖將點、圓、三角形、矩形、弧形等幾何圖形巧妙地結合在一起，勾勒出鸛的眼睛、魚的身體和石斧的結構。鸛魚石斧圖畫面栩栩如生，是一件難得的史前藝術珍品。

圖5 長條形石鏟

（龍山文化，郾城郝家台遺址出土）

圖6 石環

（仰韶文化，鄭州大河村出土）

生物學知識的萌芽

由於生存的需要，人類在長期採集、漁獵過程中對作為食物來源的動植物，逐漸有所認識和了解，積累了一些生物學方面的知識。在舊石器時代，人們在採集植物的過程中，已經能夠區別多種植物，知道哪些植物的果實或莖葉或塊根可以食用，它們的這些部位生長到何時可以採摘。在漁獵過程中，人們熟悉自己生活的周圍都有些什麼動物，知道哪些威脅人身安全，哪些動物較易捕獲，到什麼地方、用什麼方法捕獲獵物。

河南安陽小南海舊石器時代洞穴遺址中，出土1種安氏鴕鳥及17種哺乳動物，哺乳動物包括刺蝟、方氏鼢鼠、洞熊、狗獾、狼、豹、野驢、披毛犀、野豬、水牛、普氏羚羊等。說明這些脊椎動物都是小南海人獵取的對象，他們應對這些動物的習性有所了解。到新石器時代，人們的生物知識更為豐富，能夠把自己所熟識的一些形象十分生動地描繪下來，且能進行藝術化創作（圖7）。河南臨汝閻村鸛魚石斧彩陶缸上的鸛鳥和魚栩栩如生，鸛鳥和魚身體各部位的大小比例適當、結構合理。人們熟知魚是鸛鳥的食物，藝術化地再現了鸛鳥和魚的關係，展現自然界動物之美。濮陽西水坡蚌殼塑造的龍虎圖案具有藝術氣息，虎是現實中存在的動物，而龍是自然界所沒有的動物，是人們綜合多種動物的特點，加以想像的創作。

圖7 灰陶人頭

（龍山文化，鄭州上街鋁 廠出土）

新石器時代，中原先民對生物學知識的應用集中體現在農作物的栽培和家畜的馴養技術上。中原先民對植物的知識豐富，較早地從眾多植物中優選出粟、稻、麥、高粱、麻等作為農作物進行栽培。粟，又名穀子，去殼後為金黃色的小米。粟具有生育期短、適應性廣、耐乾旱、耐瘠薄、抗逆性強等特點，粟的子粒可食用、可釀酒、易儲藏，其莖葉和谷糠可作牲畜的飼料。粟所具有的諸多優點，使它成為中原地區人們首先馴化成功的農作物之一，且長期把它作為主糧。裴李崗文化遺址中就出土有粟谷的痕迹，如在新鄭沙窩李遺址的第2層中就發現有分布面積0.8～1.5平方米的炭化粟粒。稻也是中原地區人們最早栽培的農作物之一。

圖8 陶豬頭

（仰韶文化，淅川縣下王崗出土）

圖9 浮雕壁虎陶缸

（仰韶文化，汝州市洪山廟出土）

在舞陽賈湖遺址中，發現有炭化稻和稻殼印痕，經鑒定為栽培的粳稻。澠池仰韶村遺址、淅川下集遺址和黃楝樹遺址、洛陽西高崖仰韶文化遺址、鄭州大河村仰韶文化遺址、禹州閻寨村遺址、汝州李樓龍山文化晚期遺址、三門峽南交口遺址等，都發現有稻穀或稻殼印痕。新石器時代中原地區的人們還種植麥、高粱、麻等農作物。在陝縣廟底溝文化遺址中發現有麥類的印痕，距今有7000年的歷史a；在鄭州大河村遺址中發現有一瓮高粱和麻籽炭化物b。新石器時代，中原先民的動物學知識不斷豐富，從眾多動物中優選出豬、羊、狗、牛等作為家畜進行馴養。在中原地區的新石器時代文化遺址中，出土有豬、羊、狗、黃牛、水牛的骨骼，還出土有陶塑豬頭（圖8）、浮雕壁虎陶缸（圖9）。

本文摘編自王星光主編《中原科學技術史》第1章，內容有刪減。

（本期編輯：安 靜）

中原科學技術史

王星光 主編

責任編輯：孫 莉 曹 偉

北京：科學出版社2016.12

ISBN 978-7-03-051486-8

《中原科學技術史》對以今河南省行政區域為主的中原科學技術發展歷史較為全面系統的述論。由於古代中原長期居於中國政治、經濟、文化的中心，了解中原地區數學、物理、化學、天文、地理、生物、醫學和農業、水利、冶金、紡織、陶瓷、交通等科學技術的發展歷程，不啻是對中國傳統科學技術歷史縮影之概覽。書中還對古今交替轉型時期的近代中原科技發展的進程做有論述。是富有代表性的區域科技史研究的重要成果。

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