古代的四大發明
學術引領
中國是最早發明造紙術、印刷術、火藥、指南針的國家，這四項科技成就被稱為「四大發明」。四大發明不僅對中國的政治、經濟、文化的發展產生了巨大推動作用，而且對歐洲乃至世界文明，都產生了深遠的影響。
一、「四大發明」的發明情況
（一）
造紙術
安作璋在《秦漢史十講》（259～260頁，北京：中華書局，2014）一書中指出，西漢成帝時就有用以裹葯的薄紙，東漢時已用紙抄寫書籍了。不過，由於當時的紙是以絲絮為原料造成的絮紙，成本太高、產量很低，因此漢章帝以前的紙只限於皇室或貴族使用。直到漢和帝元興元年（公元105）蔡倫用植物纖維試製成功以後，紙的應用才逐漸推廣開來。為了適應當時文化發展的需要，蔡倫根據前人所積累的造紙經驗，加上自己的創造，用樹皮、麻頭、破布、舊魚網等植物纖維造紙，從此紙逐漸成為社會上普遍應用的書寫材料。人們為紀念蔡倫的功勞，稱這種紙為「蔡侯紙」。
樊樹志在《國史概要》（第4版，107～108頁，上海：復旦大學出版社，2016）一書中指出，根據考古發現，漢武帝至漢宣帝時代，已有植物纖維紙；至遲在西漢宣帝時，中國人已掌握麻紙的製作技術；東漢蔡倫指導工匠用樹皮、麻布等為原料，製作出更適合書寫的植物纖維紙。在紙出現之前，書寫材料是竹簡、木牘、縑帛，這些材料或價格昂貴，或儲藏攜帶不便，從而制約了文化教育事業的發展。紙的發明，尤其是「蔡侯紙」的出現，逐漸取代了簡帛，開創了書寫材料的革命。
鄭也夫在《造紙術的起源》（載《北京社會科學》，2015年第7期）一文中指出，造紙術產生於製造樹皮布的過程中。在捶打樹皮的過程中，留下的一些過於輕薄的纖維積澱物，因不能成衣而作他用。經過人們長時間的探索實踐，便發現了造紙術。白壽彝、廖德清、施丁在《中國通史（第4卷）·中古時代·秦漢時期（下冊）》（第2版，1284頁，上海：上海人民出版社，2013）一書中指出，主管製造御用器物的蔡倫，總結西漢以來的造紙經驗，改進造紙術，用樹皮、麻頭、破布、舊漁網為原料造紙。這擴大了紙的原料來源，降低了紙的成本，提高了紙的質量，使紙得以推廣應用。
（二）
印刷術
陳力在《中國古代雕版印刷術起源新論》（載《中國圖書館學報》，2016年第2期）一文中指出，雕版印刷術的出現與特定的社會環境是密不可分的。殷周時銅範上的反刻文字、秦漢時的石刻碑碣、漢魏時的石經，都與印刷雕版的形制相近；捶拓技術、璽印技術也與印刷術的原理相同。直接催生雕版印刷術用於圖書複製的原因有三：一是宗教類圖書的大規模社會化需求；二是科舉制產生後對教育的推動以及科舉考試帶來的文獻批量複製的需求；三是普通百姓日常生活常用之物如日曆、字書等需求增加。因此，雕版印刷技術的應用與普及，與其說是技術發展的結果，不如說是社會需求的結果。
鄭士德在《中國圖書發行史》（230～232頁，北京：高等教育出版社，2010）一書中推測，畢昇很可能是書籍鋪主人。從生產經營來看，他有這種發明的需要；從研製所花費的人力、物力來看，他能夠承擔得起，並可組織刻工、印工來共同從事各項試驗。
田建平在《關於畢昇及其活字印刷術》（見姜錫東、李華瑞主編：《宋史研究論叢（第7輯）》，402～416頁，保定：河北大學出版社，2006）一文中，重點分析了畢昇發明活字印刷術的動機、條件。減少成本、提高排版效率是促使畢昇研製泥活字的直接而主要的動因。作為一名書坊主人，畢昇發明膠泥活字的主要動因不外有二：一是其書坊經營之技術改進所需，即為了提高印刷效率；二是他認識到雕版印刷具有局限性，每塊版雕就後，板面上文字一起固定下來，畢昇試圖予以創新。任何一項科技發明均不可能憑空產生，抑或是絕對超越其所處時代所提供的相應條件。宋代為畢昇發明活字印刷術提供的時代條件，大致有兩方面：宋朝的文化非常繁榮；雕版印刷達到黃金時期。精通雕版印刷的畢昇，對膠泥、鑄鐵、松脂、粘劑、火候的物質屬性以及刻工、木工的技藝、工藝等都有一定的認識與實踐經驗。
肖東發在《活字印刷術的發明及其在宋元時代的發展與傳播》（載《北京大學學報（哲學社會科學版）》，2000年第6期）一文中指出，在活字印刷的發展中，元朝初年王禎的木活字具有獨特的貢獻。王禎是著名的農學家，編寫了《農書》。但因《農書》字數多，難於刻印，他就準備採用木活字來排印。請匠人刻制木活字三萬多個，約兩年完工。最為可貴的是，王禎把這些經驗寫成《造活字印書法》，附在《農書》之後。
劉琳琳在《活字印刷術推廣應用遲緩原因探析》（載《貴州文史叢刊》，2004年第1期）一文中指出，雖然雕版印刷對文化的傳播起了重大作用，但自身也存在無法克服的缺點：第一，刻版費時、費工、費料，且必須是每一本書雕一套板，印刷時只能在部數上增加，而不能在種數上增新，如要增新，只能再刻一套板；第二，大量書籍的更新造成大批板片的堆積，保管存放十分不便；第三，如有錯字不容易更正，只能另刻一板。活字印刷相對於雕版印刷來說，只要有一套活字，大批書籍都可以印刷，不僅可以提高印書效率，而且既經濟方便，又能減輕保管負擔，如果出現錯字、漏字，可以及時補正。
劉琳琳指出，活字印刷在出版業中所佔比例一直很低，即使到清朝中期，從事活字印刷的只有為數不多的幾十家。在整個書籍出版量中，用活字印刷而成的書籍只是少數。造成這種特殊現象的原因主要有以下四個方面：
第一，活字印刷術在技術層面上還不完善。①排字行距不齊，甚至出現單字橫置、倒置的情況。活字印刷是一個字一個字地排起來的，未經嚴格校正或者活版不緊，印刷過程中都會導致眾多字印之間出現鬆動，並引發單字打橫甚至倒置的現象。②字體大小不一，筆畫粗細不均。活字是一字一刻，因而字體大小、粗細不一致。③印紙墨色濃淡不勻。由於活字版是一個個的單字排成的，文字與文字之間常有高低不平的現象，凸出來的地方著墨就重，凹下去的地方著墨就淡。④金屬活字不易著墨，影響到印刷效果。金屬活字尤其是錫活字的吸水性差，以至難於著墨。
第二，漢字的特殊形態延緩了活字印刷術的推廣。漢字方塊體系信息量龐大，數量很多，一副活字要滿足排版的需要，至少也得有幾萬個活字，有的甚至要刻制十幾萬個。如此大的數量，製作工程是相當繁複的。但是，對於歐洲人所使用的拼音文字體系來說，僅需要製作數十種字母、字元的活字，便可以非常方便地完成排版工作。這種差距，使得以漢字為載體的信息傳輸速度，要比以拼音文字為載體的信息傳輸速度低許多，這客觀上延緩了活字印刷術的推廣與普及。
第三，傳統文化的習慣勢力也影響著活字印刷技術的傳播與普及。雕版印刷品不僅是一種閱讀對象和傳播知識的媒介，也逐漸成為藝術的載體。從藝術審美角度上看，活字很難超過雕版。雕版印刷品中的字與字之間，撇、鉤、豎、捺有時交叉，筆畫相互照應，結構美觀。而活字版書籍用的是一種固定字體，而且還存在一些問題，或排行不齊，或單字大小一，或個別字倒置、橫卧，或著墨不勻。這對於講究內容與形式的統一，追求字體美觀悅目、行文靈秀飄逸的古代文人來說，是不易接受的。
第四，活字印刷術在工藝技術的應用實踐上也遇到阻礙。雕版印刷術發明後，印刷行業得到快速發展，並在宋代開始形成三大刻書主體，即官刻、家刻、坊刻。官刻直到清代的康熙時期，才正式採用活字版。私家刻書除翻印經文外，則以文集較多。私家運用活字版印刷開始很早，但一直處於實驗階段，並未大規模應用。而在以坊刻行業，就出版書籍的絕對數量來說，雕版遠遠多於活字版，因為書坊完全以營利為目的。雕版印刷已有悠久的歷史和成熟的工藝，擁有大量專門從事雕版印刷的工匠，且分工較細，並已形成專業化的格局。而活字版工藝是一種新工藝、新技術，它比雕版要複雜得多，僅活字排印的前期工作—製作活字模就相當麻煩，需刻制幾萬甚至幾十萬個字模。如果印書篇幅過大，排印過程中同時需要幾套字模，一書印成，另一書還需重新排版。「若止印三二本，未為簡易；若印數十百千本，則極為神速」，印量大才能降低成本。而古代圖書的市場需求量較小，大多數書籍印刷的數量不會很多。這樣，書坊為降低成本、追得利潤，就不願丟掉原有的傳統雕版工藝，而去採用活字印刷這種新技術。於是在應用實踐上，活字印刷遭到來自印刷主體—經營者主觀上的阻礙。
（三）
火藥
張豈之在《中國歷史十五講》（第2版，311～312頁，北京：北京大學出版社，2015）一書中指出，火藥是道教對科技的貢獻之一。煉丹的過程實際上是一個化學反應過程，其反應主要有兩種：一種是火法反應，主要靠加熱；一種是水法反應，主要靠溶解。其初衷是一種宗教信仰，但這正是從事科學研究所必需的態度。通過認真的摸索、總結，道教徒們掌握了許多化學知識，並取得了很多化學方面的成就。火藥的廣泛應用始於宋代，但火藥配方至少在唐代就已由道士在煉丹過程中發現。
（四）
指南針
關增建在《指南針理論在中國歷史上的演變》（載《自然科學史研究》，2005年第2期）一文中指出，中國雖然發明了指南針，中國的指南針理論在不斷發展，但始終沒有突破古代科學的範圍，有很大的局限性。中國現存最早對指南針原理進行解說的是北宋時期的《管氏地理指蒙》。中國最初的指南針理論是建立在陰陽五行學說基礎之上的感應說，即認為指南針之所以指南，是由於受到正南方位陽氣感召的緣故。南宋人對指南針原理的解釋，大都圍繞著磁偏角展開，立論依據更多地轉向了地理方位的坐標系統。這些解釋的共同出發點仍然是傳統的感應說，指南針所指的地方就是陽氣所在，只是相對於不同的方位坐標系統而言，陽氣在哪個方位，各家有不同理解。到了明代，人們認定磁偏角是由天體方位劃分系統決定的，指南針之所以指南的決定性因素在天不在地。
白壽彝在《中國通史綱要（上）》（195頁，北京：中國友誼出版公司，2012）一書指出，宋元時期在科技上有顯著的成就。指南針是一種更簡便、更有實用價值的指向儀器。用磁石磨針，使之指南。至於把指南針用於航海從什麼時候開始，現在還不十分清楚。北宋末年的朱彧記載，「舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針」，這是世界航海史上使用指南針最早的記載。當時船上使用的指南針叫作「浮針」，是在磁針上橫貫幾根燈芯草，使針浮在碗中，指示方向。
二、關於「四大發明」的爭議
江曉原在《關於四大發明的爭議和思考》（載《科技導報》，2012年第30期）一文中指出，企圖動搖中國人在火藥發明權的路徑有兩條：一條是試圖從西方古代文獻中找到一些比北宋更早的火藥記錄；另一條是糾纏黑火藥和黃色炸藥的區別。古代中國發明的火藥，是用硫磺、硝石和碳按照一定配比混合成的黑火藥，這從唐代一些煉丹文獻里可以看到，而且1044年北宋編纂的《武經總要》中有三個黑火藥的配方。爭奪黑火藥發明權的有四個候選者：「希臘火」「海之火」、印度和羅傑爾·培根。排除他們需要先區別燃燒劑和火藥。燃燒劑在燃燒時需要外界供給氧氣，而火藥本身能夠提供氧。黑火藥中，硝石就是用來提供氧的。「希臘火」「海之火」確實很早就有記載，但它們只是燃燒劑。權威觀點認為，印度直到13世紀還沒有火藥，最早在印度出現的火藥實際上是元朝軍隊遺落在那裡的。一些西方人認為，羅傑爾·培根於13世紀發明了黑火藥，其依據是在培根的著作里有一個用隱語寫成的黑火藥配方。其實，這個配方是通過調整字母順序，甚至添加字母的方式，「釋讀」出的一個黑火藥配方。但是這種「釋讀」方法本身就站不住腳，即便培根真有這樣一個黑火藥配方，也在《武經總要》之後兩百多年。黃色炸藥來源於1771年發明的苦味酸，1885年法國第一次將它用于軍事。而馬克思在之前已指出過「火藥把騎士的城堡炸得粉碎」。這裡的火藥顯然指的是中國黑火藥。
容志毅在《東晉道士發明火藥新說》（載《化學通報》，2009年第2期）一文中指出，後世人們普遍認為火藥源於唐代，依據是最早記載火藥爆炸現象的書籍《真元妙道要略》出現在唐朝。然而通過對煉丹文獻《八景丹方》的研究發現，火藥應發明於東晉甚至更早。首先，從《八景丹方》出現的時間來分析：其一，《八景丹方》是道教《上清經》中專講煉丹法的內容。據南朝人陶弘景考證，《上清經》大致成書於東晉哀帝時。而《八景丹方》作為《上清經》的一部分，它的問世時間應與《上清經》大略一致。其二，《八景丹方》記載的一些香料如薰陸香，在晉代以前的文獻中，均未見載。在現有史料中，除《八景丹方》外，最早的記載是東晉嵇含的《南方草木狀》。因此，《八景丹方》應出現在東晉時期。其次，《八景丹方》所載配方中也已包含了火藥的成分硝石、三黃和木炭。最後，通過對所用藥物安放次序和數量的研究，可以分析出當時道士們已經認識到三黃、硝石及香料粉末合煉會爆炸，並採取了相關防範措施。
樊樹志在《國史概要》（第4版，222～224頁，上海：復旦大學出版社，2010）一書中指出，布羅代爾以歷史學家特有的嚴謹、客觀態度寫道，民族主義正慫恿科技史專家們否認歐洲對中國的借鑒，或者縮小這種借鑒的重要性。不論一些科技史專家如何強詞奪理，中國人發明火藥畢竟不是一種「神話」。古代煉丹家發現硫磺、焰硝和木炭的混合物有爆炸能力。唐末開始把火藥用於戰爭。北宋初火藥廣泛使用於戰爭，滅南唐時用過火炮、火箭，以後又有火球、火蒺藜。宋代的軍事部門生產火藥已達到相當規模，當時還出現了類似近代炮彈的鐵火炮，仍用拋石機投擲。以後又發明了突火槍，這是世界上最早的管形火器，為元、明時代出現的金屬管形火器奠定了基礎。
江曉原在《關於四大發明的爭議和思考》（載《科技導報》，2012年第30期）一文指出，中國關於指南針的歷史文獻記載是相當晚的，但許多人在《韓非子》中找到證據，認為戰國時期已有司南。一個天然磁石做的湯匙，作為司南的標準圖案，在小學課本里就有。這是不是就意味著證據確鑿了呢？要證實先秦時代已有司南，只有兩條路徑：一是發現實物，而且這個實物是天然磁石的，並能指南；二是用天然磁石複製出一個真正能夠指南的司南。既然目前還沒有這樣的實物和複製品，那麼司南迄今仍然只是一個神話。為什麼有很多人願意維持司南這個神話呢？因為司南這個神話和指南針的發明權有很大關係。其實已有人指出，中國人只不過發現了地磁現象，這和發明指南針還有一定的差距。
江曉原還指出，東漢蔡倫發明了一種造紙的方法，其法簡單經濟，這一直是被作為定論的。許多西方學者也贊成這一定論。在這個定論里，包含了對紙的傳統定義。但提出「灞橋紙」後，就是自尋煩惱了。因為將這些近似爛棉絮的、不過巴掌大小而且沒有書寫證據的東西稱為「紙」，實際上就降低了紙的技術標準，放寬了對紙的定義。此舉帶來的後果，則是中國在造紙上的發明優先權反而有可能喪失。古埃及的莎草紙出現於在公元前3000年左右，而且今天在世界各大博物館裡藏了很多莎草紙的作品，上面有顏色鮮艷的圖畫和文字。如果執意要把灞橋發現的絮狀物說成「紙」，那古埃及那些有大量圖畫文字在上面的、用植物纖維做成的莎草紙，能說不是紙嗎？而承認埃及的莎草紙也是紙，中國的造紙發明優先權就喪失了，因為埃及莎草紙比「蔡侯紙」早3000年。
劉亦豐、劉亦未、劉秉正在《司南指南文獻新考》（載《自然辯證法通訊》，2010年第5期）一文中指出，傳統的觀點認為我國古文獻中的「司南」是最早磁性指南工具的雛形，但這種觀點自20世紀80年代以來，在實驗、製作和文獻分析方面都缺乏足夠的支持，目前司南是磁性指南工具的論據還遠不充分。在全面查詢了唐以前有關司南、指南的文獻時發現，有幾處文獻中司（指）南無法用磁勺、指南車來解釋，而其文中意思與「北斗」的各種釋義非常一致。「司南」與「北斗」都被用於官職，都代指權力，都可釋為綱維、法律，都用於指德高望重或有卓越成就而為人們所尊重敬仰的人，「司南」解釋成「北斗」用於定時之意等都與「北斗」有關，故「司南」可能是「北斗」的別稱。由此可得出，中國最早的磁性指南工具仍應是指南針，而中國的指南針很可能出現在8世紀。
關增建在《指南針理論在中國歷史上的演變》（載《自然科學史研究》，2005年第2期）一文中指出，中國雖然發明了指南針，指南針理論也在不斷發展，但始終沒有突破古代科學的範圍，還存在很大的局限性。而最早對指南針的指南原理作出正確解釋的卻是英國科學家吉爾伯特。吉爾伯特從地球磁極和磁針相互作用的角度出發，建立起指南針的磁學理論，成為近代磁學的先驅，有力地推動了近代磁學的發展。
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本內容選自何成剛等主編的《史學閱讀與微課設計叢書 中國古代史（下）》，北京師範大學出版社出版。
