身手不凡的机器人:无处不在的新科技 崔峰涛pdf

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  身手不凡的机器人:无处不在的 新科技 崔峰涛 北京燕山出版社 1 目录 第一章 科技无处不在4 一、萃取五谷精华的酿酒技术4 二、精美的青铜器及其冶炼铸造技术5 三、指南针的发明6 四、生铁冶炼技术7 六、汉代的纺织机械及纺织技术9 七、造纸术的发明10 八、炼土成器的陶瓷技术12 九、火药的发明13 十、活字印刷技术14 十一、时间的标尺——钟表的发明15 十二、肥皂的发明17 第二章 电的世界27 一、研究闪电的富兰克林与避雷针的发明27 二、奇妙的发电原理28 三、怎样获得电力——发电机的发明29 四、如何利用电力——电动机的发明30 五、各种各样的电池31 六、变压器32 七、电力传输技术32 第三章 交通通信领域的科技50 一、解放脚步——自行车的发明50 二、江河中的“行走”——蒸汽轮船的发明51 三、蒸汽机车的历程52 四、现代人的脚步——汽车53 五、机动车是活的摩托车54 第四章 医疗及生物科技64 一、催眠痛觉——麻醉剂的发明64 二、进入微观世界——显微镜的发明65 三、的助手——注射器66 四、儿童游戏中诞生的科技——听诊器的发明67 五、建全人体免疫力——疫苗的发明68 2 六、血液也有“压力”——血压计69 七、危急时刻的救命术——输血技术70 八、“抹”去影子——无影灯的发明71 九、看透人体的仪器——CT机72 十、核磁共振成像技术73 十一、器官也可以移植——技术74 第五章 工业动力及材料科技83 一、蒸汽动力及蒸汽机的发明83 二、火力发电技术84 三、内燃机84 四、工业的血液——石油开采及利用技术86 五、太阳能的利用技术87 六、核能 88 第六章 军事与航空航天科技98 一、神奇的古代兵器——抛石机98 二、雷霆之怒——古代的火药兵器99 三、水下幽灵——潜艇100 四、贴身杀手——手枪的发明101 五、能预知水的奥必——声纳102 七、彻度改变战斗格局——导弹的发明103 八、移动的机场——航空母舰105 九、千里眼——雷达106 十、激光科技及激光武器107 3 第一章 科技无处不在 当今世界人类社会进步与发展的动力是什么?毫无疑问,是科学技术。 科学技术的成就改变了人类和当今世界的面貌,它对人类与社会发展愈趋增 强的辐射与全面渗透,是人类有史以来最为辉煌的文化景观。科学技术的飞 跃发展对人类思维方式、生活方式和社会进步的影响,从某种意义上来讲无 疑是决定性的。从的爆炸到核能的广泛利用,从人造卫星上天到阿波 罗号月球之旅,从杂交水稻到克隆绵羊,从进入千家万户的数字电视到遍布 全球的互联网……这些日新月异的变化告诉我们,科学技术对社会经济的推 动作用已经呈现出一种越来越强的加速作用。 一、萃取五谷精华的酿酒技术 酒在我们生活中随处可见,它已经深深根植于中华民族的血脉之中。逢 年过节、婚丧嫁娶等重要的场合都少不了它的身影。 我国酿酒起源很早。《说文解字》中说:“古者仪狄作酒醪……杜康作秫 酒。”最普遍的说法就是杜康作酒。 杜康,传说是黄帝手下的一位大臣,主要负责保管粮食。那个时候还没 有仓库,所以杜康就把丰收的粮食堆在山洞里。尽管杜康很负责任,但是由 于没有科学的保管方法,山洞过于潮湿,粮食全霉坏了。黄帝知道这件事情 后,十分震怒,降了杜康的职,还警告他说,如果再让粮食霉坏,他就会被 处死。 杜康经历了这件事情非常伤心,但是他还是想把这件事情做好。有一天, 他看见森林里有几棵枯死的大树,就想,如果把树掏空,用来储存粮食该多 好。他这样一想,马上就付诸实施了。可是没想到,两年以后,装在树洞里 的粮食经过风吹雨淋,慢慢发酵了。时间一长,就从里面渗出一种闻起来特 别清香的水,喝上一口,味道辛辣而醇美。但喝多了就会头晕目眩,昏昏沉 沉。 杜康没有保管好粮食,却意外发现了粮食发酵而来的水,他不知是福是 祸,可还是如实报告了黄帝。黄帝召集群臣商议,大臣认为这是粮食的精华, 无毒。就命仓颉取名日“酒”。后人为了纪念杜康,就尊他为酿酒始祖。 杜康造酒的故事,从一个侧面表明了酿酒技术在我国起源极早。 在农业产生以前,人们在采集野果时,发现成熟落地的果实,在微生物 作用下,经过一段时间,会产生酒的醇香,口感很好。人们自此开始接触到 4 天然的果酒。 在农业产生后不久,人们才开始酿酒,我国人工酿造最早的酒是谷物酒。 我们从前面章节知道,新石器时代就有了农业,储藏在陶器中的谷物,因受 潮发芽,再经过发酵,就会变成天然的谷物酒。在这个过程里,人们通过观 察实践,模仿自然酒的产生过程,有意识地制造谷物酒。酿酒技术的时代到 来了。 从化学的观点来看,从谷物生产出酒来,实际上需要两个过程:第一个 过程就是淀粉转化为糖类的糖化过程,第二个过程就是糖类变成酒的酒化过 程。我们也知道,第一个过程需要催化剂作用才能发生,后一个过程有微生 物参与很容易发酵成酒。所以制造酒的关键就在第一个过程。这个过程所需 的催化剂也就是酶,有两种方法可以获得酶:其一,利用人口中的唾液淀粉 酶,咀嚼过的谷物在天然状态下非常容易发酵,日本就有少女嚼谷粒造酒的 方法;其二,利用植物体中的糖化酶,谷物受潮发芽后含有这种酶,古巴比 伦人就用此法酿造啤酒。 我国在商代就已经掌握了用麦芽做反应酶酿酒的方法。《尚书·说命》 中记载说:“若作酒醴,尔维曲蘖。”蘖就是谷物的芽。商代人们还使用了“曲”。 曲也是利用微生物发酵,将稻米、大小麦和豆类分解而成的有益霉菌。酿酒 过程使用酒曲,糖化和酒化可以同时进行,不仅大大节省了工序,而且能酿 造出更醇美的酒来。商代酿酒所用的“曲蘖”,实质就是由谷物芽和生霉谷 物所组成的“散曲”。曲与蘖在酿酒中的区别是:曲是酿酒中的发酵剂,酿 出的酒酒精成分多而糖的成分少;而蘖本身就是原料,酿出的酒里酒精成分 少而糖分多。我国最初酿酒以蘖为原料,到了商代既用曲也用蘖,到西周时 就基本只用曲了。 二、精美的青铜器及其冶炼铸造技术 青铜是人类历史上一项伟大的发明,它是铜与锡、铅等化学元素的合金, 因其颜色呈青灰色而得名。青铜器是我国金属冶铸史上最早出现的合金。 青铜器文化在我国历史久远,我们一般将其分为三个阶段,即形成期、 鼎盛期和转变期。形成期是距今 4000~4500 年的龙山时代,相当于尧舜禹所 处的时代;鼎盛期包括夏、商、西周、春秋及战国早期,延续约 1600余年, 即中国的青铜器文化时代;转变期是指战国末期到秦汉时期,这时青铜器正 逐步被铁器所取代,数量骤减,功能上也由在礼仪祭祀和战争活动等重要场 合使用的礼乐兵器变为日常用品,随之而来的是器制种类、构造特征和装饰 艺术的转变。 在青铜器文化的鼎盛期,特别是夏、商、周时代,青铜器被赋予丰富的 文化内涵,可以用来制造各种变化多端、优美典雅的器物。“国之大事,在 5 祀及戎”,代表当时冶铸技术最高水平的青铜器,也被广泛用在战争和祭祀 礼仪上,其功能为武器和礼仪用器以及围绕二者的附属用具。此时的青铜器 遍及各个领域,包括青铜兵器、青铜礼器、青铜乐器以及青铜工具、青铜饮 食器具等。 青铜器纹饰是青铜文化的一朵奇葩。商代的青铜器上以饕餮纹、云雷纹 和夔龙纹为主,到了商后期和西周时期,出现了各种各样的动物纹饰。青铜 器文化的另一个价值体现在铭文上。为了颂扬先人和自己的功业,或是为了 纪念某一重要事件,就在青铜器上铸造纹文,以求流传不朽。这些铭文对于 历史学者而言,起着证史、补史的作用。 千姿百态、精美绝伦的古青铜器,全面反映了我国青铜冶炼铸造技术的 杰出成就。在商周时代,我国的青铜冶炼铸造技术更是达到了前所未有的高 度,令当时世界其他各国望尘莫及。 青铜器的制作工艺大体分为冶炼和铸造两大部分。 冶炼是制造青铜器的一道重要程序。合金里面要加的主要是锡和铅。加 锡的作用是降低合金的熔点,提高青铜的强度和硬度,减少金属线收缩量; 加铅则是为了减少枝晶间显微缩孔的体积和改善金属的切削加工性能。治炼 青铜,首先要选取原料,孔雀石是用来冶铜的矿物原料,锡矿石和方铅矿分 别用来冶炼纯锡和纯铅。紧接着就是熔炼。先分别炼出铜、锡、铅,然后再 将三者按照一定的比例混合,进行第二次熔炼。 铸造是青铜器最后成型的关键一步。夏商周时代,铸造器型复杂的铜器 都是采用多范铸造的方法。最早的范是石范,大约商中期以后,陶范迅速取 代了石范。陶范的基本铸造法就是先用泥制出模型,再在泥模上筑一层泥作 为外范。在外范之上刻出花纹来,然后将泥模刮去一层,刮出的厚度就是铜 器的壁厚,将刮过的泥模作为内范,最后在内、外范之间空隙中浇铸铜液, 冷却后拆除范,铜器就铸成了。对于更复杂的器型,主要采用分铸法。分铸 法分为三种:1.分别铸出主、附件,然后用钎焊连接;2.先铸主件,在主、 附件连接部分留出榫卯结构,然后将附件范与主体结合,浇铸附件;3.先 铸附件,再将附件与主件范连接,再浇铸主件。这是非常巧妙的方法。 三、指南针的发明 利用磁铁在地球磁场中的南北指极性而制成的一种指向仪器,有多种形 体。指南针是中国古代四大发明之一。 早在春秋时期,中国劳动人民就在采矿、冶炼中逐渐认识了磁石。到战 国时期就有人用磁石做成器具来判定方向,当时叫“司南”。它是在一个无 沿的方盘匕放置一只水勺似的磁石,水勺的柄端向南指。到北宋后期中国人 民创造了人工磁铁,又创制了“指南鱼”把用磁钢片制成的“鱼”放在水面 6 上,以此指示方向。后来经过反复研究改进,又把磁钢片改成细小的磁钢针, 并使它的尖端成为磁北极,末端成为磁南极,这就成了指南针。 指南针发明以后,我国人民首先把它应用在航海事业上。南宋时,阿拉 伯商人和波斯商人常搭乘我国的海船往来贸易,也学会了使用指南针。他们 又把指南针传人欧洲。指南针的应用推动了欧洲的航海事业,很快就开始在 全世界各个领域上使用指南针。 指南针的发明对社会发展起到了重要作用,不仅在我国古代军事、生产、 日常生活中起过重要作用,而目.对促进东西方文化的交流和世界的发展都 有功绩。中国也是最早把指南针用于航海事业的国家,并把航海事业推进到 了—个新的时代,促进了各国之间的经济贸易和文化交流。指南针传到世界 各国以后,各国也都用指南针来帮助航海了。指南针技术传人欧洲后,推动 了欧洲航海事业的发展。15 世纪末到 16 世纪初,欧洲各国航海家纷纷将指 南针用于航海,他们不断探险,开辟新航路,发现了美洲,完成了环绕地球 的航行。马克思曾这样说过:“指南针打开了世界市场,并建立了殖民地。” 四、生铁冶炼技术 干将和莫邪,传说是春秋时期一对铸剑的夫妇。 有一天,吴王把干将请去,让他为自己铸两把绝世的宝剑。吴王给干将 一块生铁和一些铁胆肾。生铁据说是王妃夏日纳凉,抱了铁柱,心有所感, 怀孕而生。铁胆肾则是两只吃钢铁的小兽被杀后取出来的。 干将回到家中,便与妻子莫邪架起炉子,装好风箱,另外还采了五方名 山铁的精华,混合在生铁和铁胆肾里。他们观天时,察地利,等到阴阳交会 的时辰便开始铸剑。刚到 3 个月的时候,天气骤冷,铁柱不熔化了。于是莫 邪就剪下自己的头发和指甲,投入到熊熊的炉火里;干将也割破手指,滴血 入炉,铁水就开始沸腾了。 夫妻二人辛苦锤炼,历时 3 年,才将剑铸成。剑铸成的时候,两朵五彩 祥云坠入炉中。二人开炉一看,只见“哗啦啦”喷出白气,震得地动山摇, 白气直冲上天,久久不散。再看炉子,已冷如冰窟,炉底一对宝剑青光闪烁。 剑成之后,为了纪念自己的辛勤劳动,他们用自己的名字命名宝剑。雄剑叫 干将,雌剑叫莫邪。 干将和莫邪铸剑的故事,反映了春秋战国时期我国冶铁技术已经达到相 当高的水平。 我国古代用铁的历史可追溯到商代。但冶铁术出现较晚,到西周晚期才 见端倪。虽然我国古代大约在公元前 1000 年才出现人工冶铁,显然要晚于 西亚诸国,但是在随后的 400 年左右的时间里,接连出现的一系列冶铁技术 7 的重大进步,使我国冶铁术跃居世界先进地位。 春秋时期大量铁制品的出土,表明大约在公元前 8~7 世纪,我国冶铁 业已有了块炼铁冶炼术和块炼铁渗碳钢技术。这两项技术对于农具、手工工 具,尤其是兵器质量的提高起了很关键的作用。在河北易县燕下都战国墓葬 出土的钢剑和钢戟,就是运用块炼铁渗碳钢技术冶炼而成,还经过了淬火热 处理。淬火热处理技术的使用,也是我国冶铁技术进步的一个表现。 最迟在春秋晚期,生铁冶铸技术出现了,它是我国冶金史上一个划时代 的进步。生铁,亦称铸铁,需要在较高温度(1100~1200℃)下,使铁矿石液 化还原而炼得的铁。生铁优点很多,如含碳量高(2%~4%),质地硬,熔点 低,适于和便于铸造成型。这就使得较大量和较省力地提炼铁矿石、铸造复 杂器形的铁器成为可能。而西方直到 14 世纪才真正开始用生铁铸造物品。 在战国早期,人们已经熟练掌握了生铁热处理脱碳技术。这又是一项意 义重大的技术进步。运用这项技术,对生铁进行柔化处理,不仅增长了铁器 的使用寿命,而且加快了铁器替代铜器的步伐,从而使生铁广泛用于铸造生 产工具成为可能。这项技术比欧美早了 2000 多年。 值得一提的是,在战国早期,我国就已经出现了生铁制钢工艺,在世界 冶炼史上处于遥遥领先的地位。它是生铁铸件通过有控制的退火处理,在保 温的状态下脱碳,从而成钢。伴随着冶铁技术的进步,冶铁业也蓬勃兴起, 生产规模不断扩大,成为当时手工业生产最重要的部门之一。在战国早期, 冶铁业相对集中于秦、楚等地区,到战国中、后期已遍及广大地区。钢铁制 品从兵器到各种手工工具,再到各种生活用具,种类繁多,质量越来越好, 社会各行各业的生产效率得到了大幅度提高。 综上不难看出,冶铁技术在我国虽然起步较晚,但是发展极其迅速,伴 随着一系列重大的冶铁技术进步,在春秋战国时期(尤其是战国中后期),我 国冶铁业得到了空前的发展,迅速跃居世界冶铁业的前列。 五、对宇宙的探索——天文仪器浑仪和浑象 浑仪是我国古代的一种天文观测仪器,用来测定天体位置的坐标。在古 代,“浑”字含有圆球的意思。因为古人认为天是圆的,形状像蛋壳,所以 就把观测天体位置的仪器叫做“浑仪”。 为了观测日月星辰的变化,制订天文历法,我国大约在战国时代就制造 出了浑仪。作为一种天文学家测定天体方位必需的仪器,浑仪自汉代以来历 朝都有制造和改进。 最初,浑仪的结构非常简单,由三个圆环和一根金属轴组成:最外面的 那个圆环固定在正南北方向上,叫做“子午环”;中间固定着的圆环平行于 地球赤道面,叫做“赤道环”;最里面的圆环可以绕金属轴旋转,叫做“赤 经环”;在赤经环面上安装一根望筒,可以绕着赤经环中心转动。观测时用 望筒对准某一天体,然后,根据赤道环和赤经环上的刻度来确定该天体的位 8 置。 后来,为了便于观测太阳、行星和月球等天体,人们不断改进浑仪的结 构和性能。方法是在浑仪内再添置几个圆环,也就是“环内再套环”,通过 改进,使浑仪成为用途更多、更为精确的天文观测仪器。在对浑仪进行重大 技术改进的过程中,东汉科学家张衡和唐朝天文学家李淳风贡献巨大。改进 后的浑仪由三重圆环构成:最外面一重圆环叫做六合仪,包括地平圈、子午 圈和赤道圈三个圈,表示东西、南北、上下六个方向;中间的一重叫做三辰 仪,包括黄道环、白道环和赤道环三个相交的圆环,分别表示日、月、星辰 的位置;最里面的一重叫做四游仪,由四游环和窥管组成。三辰仪可以绕着 极轴在六合仪里旋转,四游仪又可以在三辰仪里旋转。改进后的浑仪是当时 世界上最先进的天文仪器之一。但是浑仪也有个缺陷,就是它的环圈重复, 相互交错,遮掩了大片天区,缩小了观测范围。后来,元代杰出的天文学家 郭守敬创造亍简仪,即将浑仪拆分为赤道装置和地平装置两个独立的装置, 弥补了这一不足。 浑象,又称天体仪,是我国古代一种用于演示天象的仪器。用它可以直 观形象地了解日月星辰的相互位置和运动规律。 最早的浑象是西汉耿寿昌制造的,而有明确记载的浑象当属东汉张衡制 造的水运浑象。张衡还在水运浑象上安装了一套传动装置,利用相当稳定韵 漏刻的水推动铜球均匀地绕金属轴转动。 浑象的主要组成部分是一个空心大铜球。球面上刻有纵横交错的网格, 用于度量天体的位置,球面上凸出的小圆点代表天上的亮星,严格地按照亮 星之间的相互位置标刻。整个铜球可以绕一根金属轴转动,转动一周代表一 个昼夜。球面与金属轴相交于两点,即南天极和北天极。两个极点的指尖, 固定在一个南北正立着的大圆环上。大圆环垂直地嵌入水平大圈的两个缺口 内,下面四根雕有龙头的立柱支撑着水平大圈,托着整个天体仪。 六、汉代的纺织机械及纺织技术 美丽的绮罗,柔软的绡纱,丰富多彩的花纹,这些古老美观的纺织品, 都是由纺织机织出来的。 我国早期简单的纺织机械有纺车和布机。纺车用来纺纱,布机用来织造 一般布帛。我国汉代的纺车是由一个大绳轮和一根插置纺锭的铤子组成。轻 轻摇动绳轮,铤子就被迅速转动起来,既可加捻或合绞纱料,又能随即把加 捻或合绞的纱料绕在纺锭上。这种纺车跟后世纺车已基本相同。布机是由经 轴、卷布轴、马头(提综杆)、蹑(脚踏木)和综框等主要部件加上一个适于操 作的机台组成。脚踏蹑来提沉马头和综框,经纱上下交换梭口,进而投梭引 纬、再打纬。布机的作用,提高了织布的速度和质量。 9 这些简单机械只能织平纹的织物,要想织造有复杂花纹图案的织物,就 需要在织机上加一个提花装置,提花机因此就被发明出来。 我国是世界上最早发明提花机的国家。在数千年浩瀚的历史长河中,我 国发明的各式提花机一直遥遥领先,早在 3000 多年前的商代就有了提花设 备。到了汉代,提花机形趋于成熟,性能更加完备,应用也更为广泛。在《西 京杂记》中有这样的记载,西汉宣帝时,巨鹿(今河北省巨鹿县)陈宝光之妻 发明了一种新提花机,用 120 蹑,60 天就能够织成一匹散花绫,“匹值万钱”。 这种提花一机用多蹑多综来提沉经纱,能织造出花纹各异的织品。 汉代的提花机已经是具有机身和织造系统的联合装置,各种主要部件已 具备,完全可以织造出任何复杂变化的纹样来。汉代王逸在《机妇赋》中这 样描绘提花机:“狡兔耳伏,若安若危。猛犬相守,窜身匿蹄。高楼双峙, 下临清池。”形象而生动地描绘了提花机织造的全过程。 上述所提及的纺织机械,在当时是世界上最先进的机具。欧洲直到 7世 纪才从中亚、西亚辗转得到中国提花机,到了 13 世纪才在织机上安装蹑。 中国的提花机对欧洲的提花技术发展产生了极其深远的影响。 汉代提花机的使用和改进,反映了我国汉代纺织技术已经达到了很高的 水平。 在汉代,我国的纺织业非常繁荣。仅汉武帝元封元年(前 110 年)一年, 朝廷从民间征集而来的帛就达到 500 万匹。在这种大环境下,妇女积极投入 纺织行业生产之中,她们的聪明才智得到极大的发挥。纺织技术也不断得到 提高。 在湖南省长沙市马王堆汉墓出土的大量纺织品,从一个侧面反映了汉代 的纺织技术水平。 在马王堆一号汉墓中,出土了高级成衣 50 余件,单幅丝织品 46 卷,还 有各种绣枕、巾、袜、香囊等等,种类繁多,精美绝伦。其中有一种平常织 物——绢,其经线 根之间,最密的情况下达到 164 根,纬线。这组数据表明当时已有了很先进的织机。 马王堆汉墓中也出土了不少素色提花的绮和罗,以及各色的锦。花纹图 案相当丰富,有菱纹、矩纹、对鸟纹、杯形纹、孔雀纹、茱萸纹、花卉纹等 等,配色自然而得体。可见当时的纺织技术是非常高超的。 七、造纸术的发明 造纸术是我国的四大发明之一,影响深远。造纸术的发明与蔡伦关系密 切。他在造纸技术的发明和发展上的卓越贡献将彪炳史册,万古流芳。 蔡伦,字敬仲,桂阳人,是东汉时期杰出的科学家。 蔡伦从东汉明帝刘庄末年开始在宫禁做事。汉和帝刘肇登基之后,他很 10 快成了和帝最宠信的太监之一,负责传达诏令、掌管文书,并参与军政机密 大事。 史载蔡伦非常有才学,为人敦厚正直。因为其杰出的才干,他被授尚方 令之职,负责皇宫用刀、剑等器械的制造。在他的监督之下,这些器械都被 制造得十分精良,后世纷纷仿效。 在做尚方令期间,蔡伦系统总结了西汉以来造纸方面的经验,并进行了 卓有成效的试验和革新。在原料的利用方面,他不仅变废为宝,大胆取用“麻 头及敝布、渔网”等废品为原料,而且独辟蹊径,开创利用树皮的新途径。 此举使造纸技术从偏狭之处挣脱出来,大大拓宽了原料来源,降低了造纸的 成本,使纸的普及应用成为可能。更值得一提的是,他用草木灰或石灰水对 原料进行浸沤和蒸煮的方法,既加快了麻纤维的离解速度,又使其离解得更 细更散,大大提高了生产效率和纸张的质量。这也是造纸术的一项重大技术 革新。 元兴元年(105 年),蔡伦将自造的纸呈给汉和帝,受到和帝的大力赞赏, 朝野震动。人们纷纷仿制,天下皆称“蔡侯纸”。 安帝年间(114 年),和帝的皇后邓太后因蔡伦久侍宫中,做事勤恳且颇 有成绩,封他为龙亭侯。 蔡侯纸的出现,标志着纸张取代竹帛成为文字主要载体时代的到来。廉 价而高质量的纸张,有力地促进了知识、思想的大范围传播,使古代大量文 字信息得以保存,促进了人类文明的进步。 在造纸术没有发明以前。我国古代使用龟甲、兽骨、金石、竹简、木牍、 缣帛作为书写材料。龟甲、兽骨、金石对书写工具要求很高,需要刻。简牍 呢,笨重不便,而且翻阅起来,中间串的绳很容易断裂,造成顺序混乱。缣 帛虽轻便,可是价格十分昂贵,一般人消费不起。纸的发明满足了人们对轻 便廉价书写材料的迫切需求,引发了书写材料的一场空前的革命。 造纸术一经发明,就被人们广泛使用。在以后的朝代里,人们对造纸术 进行不断的改良和提高,工艺越来越先进,纸的质量也越来越高,品种也越 来越丰富。造纸的主要原料也从破布和树皮发展到麻、柯皮、桑皮、藤纤维、 稻草、竹以及蔗渣等等。 我国发明的造纸术,对世界文明影响深远。造纸术大约在 7 世纪初传人 朝鲜,隋时传人日本。8 世纪,唐朝工匠将造纸术传人阿拉伯,在撤马尔罕 办起造纸厂,此后又传人巴格达。10 世纪传人大马士革、开罗,11 世纪传 人摩洛哥,13 世纪传入印度,14 世纪传人意大利,然后传到德国和英国, 16 世纪传人俄国和荷兰,17 世纪传人美国,19世纪传人加拿大。 综上所述,我们不难看出,我国的造纸术在公元前 2 世纪到 18 世纪的 2000 多年里,一直处于世界领先水平。 11 八、炼土成器的陶瓷技术 石在烈火中煅烧,可以炼成钢铁。泥土在火焰中燃烧会产生什么?多数 人会回答是砖,其实泥土在更早的时期主要是烧制陶器和瓷器。陶瓷技术是 人类的传统工艺,也是历史上的重大发明。这项技术最早出现于原始社会, 是新石器时代的一个重要标志。人们在劳动中学会了制作陶器,也给生活带 来了美丽和方便。 陶瓷是以黏土为主要原料以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧 制得的材料以及各种制品。无论是最粗糙的土器,还是最精细的精陶和瓷器, 都属于它的范围。它是陶器和瓷器的统称,但研究陶瓷的专家学者大多把陶 文化与瓷文化统一称做陶瓷文化。陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐 矿物(如黏土、石英等),因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业,同属 于“硅酸盐工业”的范畴。 陶和瓷并不是一种东西。陶器是用泥巴(黏土)捏制成型晾干后,用火烧 出来的,是泥与火的结晶。从河北省阳原县泥河湾地区发现的旧石器时代晚 期的陶片来看,中国陶器的生产距今已有 11700 多年的悠久历史。而瓷器则 是由富含石英和绢云母等矿物质的瓷石、瓷土或高岭土烧制而成的,它的烧 成温度也和陶器有着很大的差距。通常,陶器的烧成温度在 600℃~900℃, 而瓷器的烧成温度在 1200℃左右。因为陶器烧成的温度低,所以和瓷器相比, 陶器的硬度要差些。 青花瓷作为一种瓷器釉彩名,是白底蓝花瓷器的专称。典型青花瓷器是 用钴料在瓷坯上描绘纹饰,然后施透明釉,在高温中一次烧成。由于蓝花在 釉下,因此属于釉下彩。青花瓷最先出现于唐宋时期,大多成品底色为纯白 或粉白,花纹颜色为青黑、深蓝。元代是中国青花瓷器烧造工艺发展历史上 的重要时期。元青花瓷以景德镇为代表,其制作精美而传世极少,所以异常 珍贵。它是中国陶瓷史上的一朵奇葩,开辟了由素瓷向彩瓷过渡的新时代。 所谓釉上彩,就是在烧好的素器釉面上进行彩绘,再入窑经过 600℃~900 ℃烘烤制成的。而釉上五彩,是以红、黄、绿、蓝、紫等各种带玻璃质的彩 料,按图案纹饰需要施于釉上,在瓷胎上用生料、钒红勾线,用单线平涂的 方法,再经“彩炉”(在 800℃~900℃之间)二次焙烧而成的一种古彩。由于 它红绿分明,层次较少,色彩鲜明透彻,故又称硬彩。其色彩明净晶莹,色 调对比强烈,形象概括夸张,线条刚劲有力,具有浓厚的民族艺术风格。 12 九、火药的发明 中国的道士们一心一意求仙炼丹,却偶然地制造出了火药,这真是意外 的发明。后来,火药与指南针、印刷术、造纸术一起成为这个文明古国的标 志。 火药是中国古代四大发明之一,它的起源与炼丹术有着密切的关系,是 古代道士在炼丹时无意中配制出来的。火药是硫黄、硝石、炭的混合物。这 三种化学物质均可人药,因而制成火药后,火药也被归入药类。明代李时珍 的《本草纲目》中说,火药能治疮癣、杀虫、辟湿气和瘟疫。 三国时期,道教盛行。当时的道士们都希望通过修炼达到长生不老的境 界,于是潜心炼制所谓的仙丹。由于硫黄、硝石、炭在古代的医书里都是人 药的良方。所以就有道士把它们混在一起来炼制仙丹,没想到,这一混,没 混出仙丹,却造出了火药来。 火药在后来渐渐发展成武器。在唐朝末年,火药便已被用于军事。史书 上记载,唐昭宗天祐占元年(公元 904 年),杨行密的军队围攻豫章,部将郑 瑶“所部发机飞火,烧龙沙门,带领壮士突火先登入城”。这里所说的飞火, 就是火炮、火箭之类。火炮是把火药制成环状,把吊线点燃后用抛石机掷出 去,火箭则是把火药球缚于箭镞之下,将吊线点燃后用弓射出。到了宋代, 战争接连不断,火药作为武器也随之加速发展。北宋政府专门建立了火药作 坊,先后制造了火箭、火炮等以燃烧性能为主的武器和“霹雳炮”、“震天雷” 等爆炸性较强的武器。南宋时造出了以巨竹为筒、内装火药的“突火枪”。 到了元代又出现铜铸的火筒,称为“铜将军”。这些以火药的爆炸为推动力 的武器,在战争中显示了前所未有的威力。 大约在 12、13 世纪,火药首先传人阿拉伯国家,然后传到希腊和欧洲 乃至世界各地,对人类社会的文明进步,对经济和科学文化的发展,起了巨 大的推动作用。英、法等国直到 14世纪中叶,才有应用火药和火器的记载。 但是,究竟火药是什么时候发明的,究竟是由谁发明的,史书上并没有 明确的记载。公元 808年,唐朝炼丹家清虚子撰写了《太上圣祖金丹秘诀》, 其中的“伏火矾法”是世界上关于火药最早的文字记载,中国学术界由此认 为火药的发明不迟于公元 808 年。但作为火药最主要的原料——硝的熬制地 点在哪里? 据专家考察,在四川老君山地区有朝阳洞、天雨洞、高官洞等十几个人 工开凿的山洞,在这些山洞中,发现了排列有序、用来生产的硝池,以及堆 积如山的下脚料、废弃物和生活用的灶台等。专家们根据现场的发现推断, 当时提炼硝的技术已经相当成熟,用一担土可以提取 8~12 两硝。而且,当 时造火药的规模很大,一个灶台起码可以为 100 多人提供一天的伙食。 13 专家们初步确认:老君山的这些洞穴是为了采硝而开凿,时间不会迟于 清代。而且,老君山周边的环境也显示这里很可能就是当时的硝经营集散地。 这里虽然交通不便,却汇集了广东、福建、湖南、浙江等各省的会馆,有的 会馆至今保存完好。专家们一致认为,这极有可能是经营硝的各省客商云集 于此,并建起了各省的会馆。在这些会馆的旁边,至今还有一条名为“火炮 街”的古街道,当地居民说这条街是古代经营火药原料和爆竹的。 另外,四川是中国本土道教的发祥地,两汉前后道教炼丹盛行,火药又 是道教的发明,而老君山的深山密林中至今有宋代修建的 4 座道教教观,这 其中一定有必然的联系。 十、活字印刷技术 众所周知,印刷术是我国古代的四大发明之一。隋唐时期出现的雕版印 刷术,是最初的印刷模式。雕版印刷虽然比手抄书写要快很多倍,质量也提 高很多,但还存在着不少的缺陷。 雕版印刷要花费大量的木材,而且用版量很大,不仅存放不便,不好管 理,出现错字也不易更正;而且雕版用过之后就变成废物,造成资源的浪费。 北宋庆历年间(1041~1048 年),印刷术取得了重大突破。布衣发明家毕 昇发明了活字印刷术。活字印刷术弥补了雕版印刷术的不足,大大节省了人 力、物力和财力,非常方便快捷。活字印刷术的发明是印刷术发展史上一项 具有划时代意义的创造。 关于活字印刷术的发明者毕昇,历史缺少记载,仅能从沈括的《梦溪笔 谈》中知道他是庆历年问的一介布衣,生平籍贯均付阙如。毕昇死后,他的 活字印被沈括的“群从所得”。 《梦溪笔谈》里记载,活字印刷的程序为:首先选用质地细腻的胶泥, 刻成一个个规格统一的单字,然后用火烧硬,即成胶泥活字;把活字分类放 在相应的木格里,一般常用字,如“之”、“也”等字要备用几个至几十个, 以备重复使用。排版的时候,在一块带框的铁板上面敷上一层用松脂、蜡和 纸灰之类混合制成的药剂,接着把需要的胶泥活字从备用的木格里拣出来, 按文字顺序排进框内,排满就成为一版;排好后再用火烤,等药剂开始熔化 的时候,用一块平板把字面压平,等到药剂冷却凝固后,就成为固定的版型。 这样就可以涂墨印刷了。印完之后,再用火把药剂烤化,用手一抖,胶泥活 字就可以从铁板上脱落下来,下次可以再用。 毕昇首创的泥活字版,使书籍的大量印刷更为方便。《梦溪笔谈》说“若 印十百千本,则极为神速”。活字印刷,还可以一边印刷,一边排版,胶泥 活字还可重复使用,实在是既节省了时间,又节省了材料。活字印刷术的方 14 便快捷由此可见一斑。 毕昇之所以能够发明活字印刷术,来源于他对于生活的耐心观察、思考 和体悟。有个有趣的小故事说,毕昇发明活字印刷是受了他两个儿子玩过家 家的启发。他的师兄弟们不明白为什么毕昇那么幸运地发明活字印刷术,师 傅开口了:“毕昇是个有心人啊!你们不知道他早就在琢磨改进工艺了。冰冻 三尺,非一日之寒啊!” 毕昇在发明泥活字印刷的过程中,还研究过木活字排版。但是由于他所 选用的木材的木质比较疏松,刷上墨后,受湿膨胀不均,干了还会缩小变形, 加上不能和松脂药剂粘连,因此没有采用。后来经过人们的反复试验和研究, 木活字印刷最终获得了成功。元代的农学家王祯造木活字 3 万多个,排印自 己编撰的书。可以说,毕昇的早期探索,在某种程度上启发了木活字的发明 者。 毕昇的创造和探索,开了后世一系列材料活字的先河。南宋时,出现了 铜活字。南宋末或元初,有人使用铸锡活字。明代出现了铅活字。清代,山 东徐志定使用瓷活字印刷。这些活字都是在毕昇的胶泥活字基础上进行的改 进。 活字印刷术的发明和使用,不仅大大推动了中国印刷业的发展,而且对 于世界文明的发展产生了巨大的影响。从 13 世纪开始,活字印刷术开始由 中国传入朝鲜、日本等地,后来又经丝绸之路传入波斯和阿拉伯,再传入埃 及和欧洲。大约在 1450 年左右,德国人古登堡受活字印刷的影响,发明了 铅、锡、锑的合金活字印刷。活字印刷术的传人,为欧洲的文艺复兴和近代 科学的兴起提供了重要的物质条件。 活字印刷术的发明,促进了人类文化知识广泛的传播和交流,大大推动 了世界文明的发展。 十一、时间的标尺——钟表的发明 今天,随风飘荡的钟声以及指针滴答的移动声,将我们带入了另一个世 界。在这个世界里,无论是飘然而逝的过去,还是不可预知的未来,都被指 针清晰地定格在了一根无限长的数轴上。钟表的出现,使人类能够精确地把 握生命中的每分每秒。 在古代,人类主要利用天文现象和流动物质的连续运动来计时。中国人 发明制造的日晷、漏壶,以及水运仪象台都是世界上最古老的计时器。而能 够持续不断工作的钟表的出现,改变了白天黑夜分别计时的传统,使一昼夜 24 小时的计时制得以推行。这一计时制的出现,成为时间观念史上的一件大 事。 欧洲古老的机械钟,出现在 14 世纪的欧洲,它是由挂在绳子一端的重 15 锤所驱动,绳子的另一端绕在一个轴上,随着重锤的下降,轴相应地转动, 再通过齿轮带动钟的指针旋转。 1510 年,德国锁匠彼得·亨兰率先用钢发条代替重锤,创造了用冕状轮 擒纵机构的小型机械钟表,然而这种表的计时效果并不理想:发条若是上得 太紧,指针就会走得过快;发条若是上得过松,指针就会运行得慢。 针对这一缺点,捷克人雅各布·赫克对其进行了改进。他设计出一个锥 形涡轮,由锥形涡轮和一卷发条共同组成表的驱动机构。当发条逐渐舒张时, 它通过一条绳子带动锥形涡轮和表内的齿轮。锥形涡轮的形状恰好能够补偿 发条作用的变化。当发条卷紧时,作用力强烈地作用在锥形涡轮的顶端,这 里的杠杆作用较弱;当发条慢慢放松时,它的拉力就减弱,作用力作用在涡 轮轮子的底部,而这里的杠杆作用则较强。因此,钟表机械得以均匀地运转。 1657 年,荷兰物理学家惠更斯首先把重力引入钟表,做成了世界上第一 台精确的摆钟。摆钟不像以前的钟表要另设驱动机构来推动对称横臂,而是 由地球重力推动。随着单摆被用于时钟,时钟的精度越来越高,到了 17 世 纪中叶,钟表的最小误差已由每天 15 分钟,减少到 10 分钟。精确时钟的出 现,使各地区的时间协调统一起来。 17 世纪后期,游丝的发明,为现代精密机械钟表的出现奠定了基础。机 械钟表虽有多种结构形式,但其工作原理基本相同。它主要是由原动系、传 动系、擒纵调速器及指针系式上的条拨针系条组成。到了 18 世纪启蒙运动 和工业革命开始的时候,钟表制造业已逐步实现工业化生产,并且达到了相 当高的水平。钟表已经充分扮演了“一切机器之母”的重要角色,成为社会 生活快节奏的缔造者。 到了 20 世纪,随着电子工业的迅速发展,电池驱动钟、交流电钟、电 机械表、指针式石英电子钟表、数字显示式石英钟表相继问世。1929年,在 贝尔实验室工作的英国人霍顿和加拿大裔美国人玛利森首次研制出晶体石 英钟。这种高质量的石英钟在温度不变的环境中每天误差仅 0.1 毫秒或误 差十亿分之一。石英钟一经问世,便引起了人们的轰动。 1942 年,著名的英国格林尼治天文台也开始采用石英钟作为计时工具。 20 世纪 70 年代,石英钟的制作技术突飞猛进,应用同一原理制成的石英表 亦开始风靡全球。继石英钟之后,更为先进的原子钟问世了。它是由原子振 动来控制的,是目前世界上最精确的钟,即使经过 100 万年,其偏差也不会 超过 1 秒钟。如今,时间观念已经渗透到每一个人的生活中,守时成为一种 美德。 16 十二、肥皂的发明 肥皂是人们日常生活中经常接触到的东西,我们现在所熟知的肥皂也是 经历无数演化才展现在我们面前的,这其中包含了无数劳动人们的智慧。 据史料记载,最早的肥皂配方起源于西亚的美索不达米亚(两河流域)。 大约在公元前 3000 年的时候,人们便将 1 份油和 5 份碱性植物灰混合制成 清洁剂;在欧洲关于肥皂起源的传说很多,据说古罗马的高卢人,每遇节日 便将羊油和山毛榉树灰溶液搅成稠状,涂在头发上,梳成各种发型。一次, 节日突遇大雨,发型淋坏了,人们却意外发现头发变干净了。又传说,罗马 人在祭神时,烧烤的牛羊油滴落在草木灰里,形成了“油脂球”。妇女们洗 衣时发现,沾了“油脂球”的衣服更易洗干净。这都说明人们用动物脂肪与 草木灰(碱)皂已用了千年。 考古学家在意大利的庞贝古城遗址中发现了制肥皂的作坊。说明罗马人 早在公元 2世纪已经开始了原始的肥皂生产。中国人也很早就知道利用草木 灰和天然碱洗涤衣服,人们还把猪胰腺、猪油与天然甙混合,制成块,称“胰 子”。 古代不管是东西方,最早的洗涤成分不外乎都是碳酸钠和碳酸钾。前者 为天然湖矿产品,后者就是草木灰的主要洗涤成分。肥皂之所以能去污,是 因为它有特殊的分子结构,分子的一端有亲水性,另一端则有亲油脂性,在 水与油污的界面上,肥皂使油脂乳化,让油脂溶于肥皂水中;在水与空气的 界面上,肥皂围住空气的分子形成肥皂泡沫。原先不溶于水的污垢,因肥皂 的作用,无法再依附在衣物表面,而溶于肥皂泡沫中,最后被整个清洗掉。 从科学的角度来讲,肥皂是脂肪酸金属盐的总称。日用肥皂中的脂肪酸 碳数一般为 10~18,金属主要是钠或钾等碱金属,也有用氨及某些有机碱如 乙醇胺、三乙醇胺等制成特殊用途肥皂的。肥皂包括洗衣皂、香皂、金属皂、 液体皂,还有相关产品脂肪酸、硬化油、甘油等。 肥皂中除含高级脂肪酸盐外,还含有松香、水玻璃、香料、染料等填充 剂。从结构上看,在高级脂肪酸钠的分子中含有非极性的憎水部分(烃基)和 极性的亲水部分(羧基)。憎水基具有亲油的性能。在洗涤时,污垢中的油脂 被搅动、分散成细小的油滴,与肥皂接触后,高级脂肪酸钠分子的憎水基(烃 基)就插入油滴内,靠范德华力与油脂分子结合在一起。而易溶于水的亲水 基(羧基)部分伸在油滴外面,插入水中。 这样油滴就被肥皂分子包围起来,分散并悬浮于水中形成乳浊液,再经 摩擦振动,就随水漂洗而去,这就是肥皂去污原理。但普通肥皂不宜在硬水 或酸性水中使用。在硬水中因生成难溶于水的硬脂酸钙盐和镁盐,在酸性水 中生成难溶于水的脂肪酸,大大降低其去污能力。 17 早期的肥皂是奢侈品,肥皂的制造,靠的是有经验的工匠。利用油脂与 碱汁的比例来调制,由于没有资料可参阅,经常因为无法凝固而重新再试。 肥皂的材料来源,是从橡树、山毛榉等木材中提炼涩汁,作为碱汁的来源, 如果不够,就从暖炉的灰烬中添加。有了碱汁,再从动物脂肪或是料理用的 植物油取得油脂,可是一旦油水分离,就得再重头来过。 1791 年,法国化学家卢布兰用电解食盐方法廉价制取火碱成功,从此结 束了从草木灰中制取碱的古老方法;18 世纪,法国人利用盐及石炭制作“人 工苏打”,取代传统白灰烬中取出的碱汁;到了 19 世纪,德国人发明以电气 分解食盐水来制作氢氧化钠;自此之后,苛性钠的普及,得以让肥皂从原本 只有王公贵族买得起的商品,摇身一变,变成平民百姓的日常生活用品。19 世纪末,制皂工业由手工作坊最终转化为工业化生产。 三、“不务正业”的科技发明——压力锅 压力锅也叫高压锅,它是居家生活中最常见、最实用的一种理想炊具, 那些难以对付的顽固肉食品,经它一煮很快就可以变得香软可口。非常有趣 的是,这项发明被很多人冠以“不务正业”的名字,因为它是一个年轻人无 法插柳的成果。 17 世纪末,法国国王亨利四世上,疯狂迫害新教徒。为了逃离厄运,一 个名叫丹尼·帕平的年轻人跑到瑞士避难。他沿着阿尔卑斯山艰难跋涉,一 路上风餐露宿,渴了找点儿山泉水喝,饿了煮点儿土豆吃。 有一天,帕平走到一座山峰附近,他觉得饿了,于是找了一些干树枝, 架起篝火,煮起土豆来。水一直滚滚开着,土豆在里面煮了很久却依然煮不 熟。为了填饱肚子,他无可奈何地把没煮熟的土豆硬吃了下去。这个偶然的 事件给他留下了深刻的印象。 在国内时,帕平曾进行过蒸汽发动机、蒸汽锅炉方面的研究,在异国他 乡的大环境中,他仍然没有放弃自己的研究,正因为如此,才引发了他对压 力锅的发明。 几年后,帕平的生活有了转机,他来到英国一家科研单位工作。阿尔卑 斯山上的往事令他记忆犹新,他决心寻找到其中的秘密。经过深入的研究, 帕平终于有了合理的解释:大气压与水的沸点之间为正比例关系,大气压高 时,水的沸点也高;大气压低时,水的沸点也低。高山上的大气稀薄,气压 低,水的沸点也低,虽然水开了,但热力不足,所以土豆很长时间也煮不熟。 在此基础上,他进一步联想到:如果用人工的办法让气压加大,水的沸 点就不会像在平地上只是 100℃,而是会更高些,那么,高山上就能把东西 煮熟,而平地上煮东西所花的时间就会更少。为了提高气压,缩短烹煮时间, 帕平自己动手做了一个密闭容器,里面装了一些水,他想用外面不断加热的 方法,让容器内的水蒸气不断增加,又不会散失,以达到使容器内的气压增 大、水的沸点增高的目的。可是,当他睁大眼睛盯着加热容器的时候,容器 18 内发出咚咚的声响。帕平吓坏了,只好暂时停止试验。 两年后,经过重新设计,帕平在锅体和锅盖之间加了一个橡皮垫,锅盖 上方钻了个孔,这样,锅边漏气和锅内发声的问题就解决了。帕平把土豆放 入锅内,点火,冒气,10 多分钟之后,土豆就煮烂了。 然而,他并不满足,又先后煮鸡、煮排骨等肉质食品,在这些成功的试 验的基础上,1681 年,帕平造出了世界上第一只压力锅——当时叫做“帕平 锅”。他邀请英国皇家学会的会员们前来参加午餐会,实际上是对压力锅进 行鉴定。厨师当着众

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