物理學的發展
四大發明
下麵我們係統地介紹中國古代的四大發明。
中華民族是個具有悠久曆史的民族。幾千年來，勤勞勇敢的中國人民，用自己的辛勤勞動，創造出了光輝燦爛的文化，不但在世界民族之林中高樹一幟，而且也大大地豐富了世界文化的寶庫。
尤其是我國古代的四大發明，更是對增進世界經濟文化的交流，推動世界經濟文化的發展，做出了卓越的貢獻。
馬克思曾高度評價火藥、指南針和印刷術的發明，認為這些都是資產階級發展的必要前提。
在我國的古代四大發明中，除了活字印刷的發明者畢昇因有沈括的簡單記載而為世人所知外，其餘的如指南針、造紙術和火藥的發明者，史籍中多不見記載。
當然，這幾項重大發明，都不是出自一兩人之手，而是由許多勞動人民在長期的生產實踐中共同完成的。
我們先從指南針的發明開始。
且說飛機在遼闊的天空中翱翔，輪船在無際的大海中航行，探險隊在蒼莽的森林中勘察，商旅們在浩瀚的沙漠中跋涉，他們是依靠什麼來辨別方向的呢？
大家也許會不約而同地說出同一答案：指南針。可你知道指南針是怎樣發明的嗎？你知道關於指南針，有許多使人難忘的故事嗎？諸位，且聽我慢慢道來。
相傳在4000多年前，在中國北方中原地區，黃帝和蚩尤大戰於涿鹿之野，戰鬥持續了半年未有分出勝負。
應該說，黃帝在這場戰鬥中能夠取勝，因為他的部落是一個比較強大的部落，而且他代表著正義。但是，每當戰鬥即將勝利之時，總是有大霧迷漫山野，讓人辨不出方向，所以總是前功盡棄。
黃帝決定派人探個究竟，這霧到底是怎麼引起的。於是派一個重要將領隨自己上山，偵察蚩尤部落的動靜。
黃帝等人到了山上後，各處山穀裏全彌漫著悠悠昏霧，霧悄然獨自上山，好像一個惡靈，尋找安息之處而不可得似的。粘濕而冷酷的霧緩緩飄來。
隻見，浪潮起伏，互相追逐，好象險惡的海麵上的波濤，霧的密度封閉了所有景物，就在黃帝準備命令返營時，身邊的大將突然發現了一個奇跡。
黃帝隨著大將手指的方向望去，隻見在蚩尤的大營中，蚩尤正坐在祭壇上，身後幽燕，徐徐作霧，霧從他的口中吐出，慢慢飛出營外，縈繞著山川巨野。
黃帝這才想起這不是自然界之霧，如想破掉霧，必須造出一樣東西，使人能夠辨別方向，然後才可一舉破之。
黃帝回營後，立即吩咐能工巧匠造指南車讓指南車認出方向。在指南車造好後的一個黃昏，黃帝率領部落，大舉進攻蚩尤。
這時蚩尤再作霧也不靈了，黃帝部落在指南車的指引下，在迷霧中大敗蚩尤，結果蚩尤殘敗，黃帝大勝。
其實，上麵這個故事雖然流傳很廣，但是黃帝發明指南車是不足信的。而且指南車與指南針有著本質的區別。
根據曆史記載，東漢時的大科學家張衡倒是確實發明過指南車，但是他的製造方法卻失傳了，甚為可惜。
到了三國時代，有個叫馬鈞的發明家，重新造出了指南車。當然，馬鉤的發明，我們將在後麵介紹諸位還是隨筆者回到指南針這個話題上來。
下麵這個故事，倒是和指南針有些關係。
據說秦始皇在位時，身邊網羅了一批術士來為他尋求長生不老之藥。有一天，一位叫徐福的術士奏本說：
“在東方的大海上有三座神山，名叫蓬萊、方丈、瀛州，仙人們都在那裏居住。請皇帝讓我率領一批男女兒童前往尋求。”
秦始皇很高興，馬上選派了幾千名兒童，又為他造了艘大船，讓他從現在的山東日照縣附近出海。誰知徐福一去不返，不知道他把這些男女少年帶向何方。
幾千年過去了，秦始皇早已成為曆史的陳跡。但徐福渡海求藥的故事並沒有被人們忘記。有些曆史學家認為，當時徐福他們是橫渡黃海和朝鮮海峽到達了日本。
如果情形真是如此的話，那麼徐福可以算得上中國航海家中的先驅人物，也就是說，徐福最早使用了指南針。
也許有讀者會說：“難道徐福非要使用指南針不可嗎？比如用太陽、星星定方向，不是同樣可以到達指定地點嗎？”
不錯，這樣的確可以，我國古代的人們也就是這樣做的。但是，如果碰到那種“陰風怒號，濁浪排空，日星隱曜，山嶽潛行”的天氣怎麼辦呢？
再說，這種天氣，在大海中是家常便飯。茫茫大海，無邊汪洋，如果航向偏離1°，那就可能永遠也到達不了日的地。正所謂“失之毫厘，謬以千裏。”
當然，我們在這裏，也隻是猜測而已，不必當真，權且作為探討。
那麼，指南針到底是怎麼一回事呢？
卻說指南針是利用磁鐵在地球磁場中的指極性而製成的。磁鐵能夠吸鐵，也就是我們通常說的吸鐵石。
2000多年前，我國的春秋舊中國時期，采礦、冶鐵業已有相當規模。勞動人民在尋找鐵礦的過程中，發現了這種神奇的礦石，因為它一碰到鐵就吸住，好比一個慈祥的母親吸引自己的孩子，所以稱它為“慈石”。
《管子.地數篇》中記有：“上有慈石者，下有銅金。”《山海經.北山經》中記有：“西流注於幼澤，其中多慈石。”古人把磁石吸鐵比作“母子相戀”。
他們不但發現了磁石的吸鐵性，而且還發現了磁石的指極性。每塊磁石的兩頭都有不同的磁極，一頭叫S極，一頭叫N極。
而我們居住的地球本身，也是一塊天然的大磁體，在南北兩頭也有不同的磁極。靠近北極的磁性為S極，靠近南極的磁性是N極。因為同性磁斥的緣故，所以不管在地球什麼位置，放置一根磁針，它的N極始終指向北方。
但是，最初的指南針，同現在指南針的形狀完全不同。最初的指南針是用磁石做成的，它是一塊天然的磁石，琢磨成勺子的形狀。把磁石的S極琢磨成勺柄，並使磁勺的重心落在圓而光滑的底部中央。磁勺做好後，還得做一個光滑的底盤。
使用的時候，把它放在平置底盤的中央，用手拔動勺柄，使它轉動，當它停下來時，勺柄指向南方，古人把這磁勺稱為“司南”，就是負責指南的意思。
司南是世界上最早的指南針，中國古籍中有許多用司南來辨別方向的記載。如《鬼穀子.謀篇》中，曾記到有人外出采玉，就帶了司南去，以便不迷失方向。
《韓非子.有度篇》記有：“先王立司南以端朝夕”，這也是用司南來定方向的記載。
但是，這種用天然磁石琢製司南的方法，技術要求較高，難度較大。因為天然磁石在琢製的過程中，容易因受到震動而失去磁性，所以這種司南得不到廣泛的使用。
隨著社會的發展，戰爭和海上航行的需要，人們迫切要求一種製作和使用更加方便的指向儀器。我國勞動人民在長期生產實踐中，逐漸掌握了人工磁化的方法，指南針因此得到了很大的發展。
在公元1004年，北宋初年，由曾公亮主編的一部軍事著作《武經總要》中，詳細地記載了一種新穎的指南工具——指南魚的製法。
“以薄鐵葉剪裁，長二寸闊五分，首尾銳如魚形，置炭火中燒之，候通赤，以鐵鈴鈴針首出火，以尾正對子位（北方），蘸水盆中，沒尾數分則止，以密器收之。”
這樣一來，鐵片魚就被磁化成指南魚了。使用時，隻要取一碗水置於無風處，平麵魚會浮在水麵，待它靜止時，魚首所指的方向就是南方。
當然，上麵所說的薄鐵片，應是一種低碳鋼。這種人工磁化法要比歐洲早幾百年，直到1600年，英國人吉爾伯特才發現使紅熱的鐵棒沿著地球磁場方向冷卻而磁化的方法。
當時不但有鐵片製成的指南魚，還有用木頭做的指南魚和指南龜。木製指南魚，是一塊手指大小的木頭刻成魚的形狀，從魚嘴往裏挖一個孔，放進一塊磁鐵。使它的S極向外，再用黃蠟封口。
使用時，將木頭魚放在水麵上，其原理同鐵片魚相仿。但指南龜則不放在水中，而是將龜肚下方挖個小洞，讓它頂在光滑的竹簽上麵，便於自動轉動。
指南魚發明後不久，人們又掌握了一種更好，更方便的人工磁化法，就是用天然磁石摩擦鋼針，使鋼針磁化。這種經過人工磁化的鋼針，可說是正式的指南針了。
這樣一來，指南針的製造過程大大簡化，為指南針的廣泛應用提供了先決條件。
北宋著名科學家曾在《夢溪筆談》書中，記述了這種指南針的四種用法：
1.以磁針橫貫燈芯的水浮法；
2.指甲旋定法，即把磁針放在光滑的手指甲麵上；
3.碗唇旋定法，即把磁針放在光滑的碗口上；
4.縷懸法，即在磁針中間塗一點蠟，粘上一根線，掛在無風的地方。
水浮法、縷懸法和木刻指南龜用的針頂法，直到現在，仍為航空和航海用的羅盤以及地磁測量儀所采用。
指南針的最大曆史功績是在於航海上的應用。從目前掌握的材料看，最早用於航海的是在北宋。宋代時，航海業已相當發達，與日本列島和南洋群島的交往己很頻繁，同阿拉伯各國的貿易關係也很密切。
這些海上交通的迅速擴大，是與指南針的應用息息相關。不論天氣如何陰晦，航向都可由人來把握。
南宋的《夢梁錄》曾寫道：“風雨冥晦時，惟憑針盤而行，乃火長掌之，毫厘不敢差誤，蓋一舟人命所係山也。”
元代的《海運篇》中有這樣一句話：“航行海洋，不畏深深而慮淺，不慮風而虛礁，……立定盤星以取向。”
上麵所說的針盤，盤星就是航海羅盤。明朝的《東西洋考》中說：船出河口，進入茫茫大海，波濤連天，毫無岸邊標幟可循，這時就隻好“獨特指南針為導引”了。
由此可見，小小磁針，對於海上航行是多麼必不可少，對於推動航海業的發展，起到了何等重要的作用。
最著名的航行，有明代鄭和下西洋，從江蘇劉家港出發到印尼蘇門答臘，沿途航線都標有羅盤針路。以後的哥侖布航行抵達美洲大陸和麥哲侖環球航行，也都依賴的是海上救星——指南針了。
中國的指南針大約在公元12世紀傳到阿拉伯，然後再由阿拉伯傳到歐洲。
那時到中國來的阿拉伯人都樂於乘坐中國船隻，因為中國船船身大，結構堅固，航速快。這就為羅盤傳入西方提供了條件。
西方在學會使用羅盤後，根據實際需要又進行了科學的改進。由於羅盤在隨船體大幅度擺動時，常使磁針過分傾斜而靠在盤體上轉動不了。
歐洲人設計了稱為“方向支架”的常平架，它是由兩個銅圈組成，兩圈的直徑略有差別，使小圈正好內切於大圈，並且樞軸把的聯結起來，然後再用樞軸把它們安在一個固定的支架上。
最後，把羅盤就掛在內圈裏，這樣，不論船體怎樣擺動，羅盤總能保持水平狀態。這種儀器的原理已經是比較近代化了。
應當順便指出的是，我國古代科學技術界至少在宋代就已經發現了兩個地磁要素，即磁偏角和磁傾角的存在。
北宋大科學家沈括在用磁針做實驗時，發現指南針所指的南北與地理上的南北並不完全一致，兩者之間存在著偏角，即磁偏角。
沈括指出：“常微偏東，不全南也”，這是世界上最早的關於磁偏角的記載。地磁學告訴我們，磁偏角是隨著地點的變化而變化析，又由於地磁極在不定的變化，所以，磁偏角也隨之變化。
所以，沈括指出的是“常微偏東”，而不是“恒微偏東”。這說明了沈括已經發現了偏角並非是一成不變的。
歐洲人對磁偏角的最早發現是哥侖布探險的1492年。所以，中國發現的磁偏角至少要早好幾百年。
另外，曾公亮所記載的磁化鐵葉魚時，整個魚身須是傾斜的，隻把正對北方的魚尾沒入水中，而魚首則高出水平。這個實驗證明，我國古代的科學家們已經意識到磁傾角的存在。這個發現比紐侖堡羅盤工匠加特曼的同一發現正好早500年。
到了南宋時，磁偏有因地而異的情況更有明確記載，並被應用到羅盤上。所謂“天地南北之正，當用子午。或謂江南地偏，難用子午之正，故丙壬參之。”
這就是說，在地理子午線和地磁子午線一致的地方，用指南針可以；而中國東南部，地理子午線和地磁子午線有一個夾角，所以需要用其它方法來修正一下。
作為四大發明之一的指南針，曆來是中國人引以自豪的，這一發明不但說明了中國古代人民的智慧和觀察能力，而且是中國對世界曆史發展的巨大貢獻。
如果說，科學進步的曆史是全世界各國人民共同推動的，那麼說，中國古代曾處於這個行列的前麵，則是一點也不過分的。
指南針的發明說到這裏可以告一段落了，現在我們想重新揀起前麵的話題，指南車的創造發明。
前麵我們已介紹了黃帝與蚩尤的涿鹿之戰，在這場戰爭中，由於黃帝發明了指南車，結果大獲全勝。
還有一個傳說，說是周公發明了指南車，周朝初年，南方的越裳氏派來的使臣迷失了回去的路線，周公製作指南車，派人護送他們回國。
傳說畢竟是傳說，但它卻說明了一點：指南車的發明是為了辨識方向，而辨識方向則是出於遠行的需要，遠行或是由於戰爭，或是由於外交，或是由於貿易。
可靠的記載是：東漢，張衡製造指南車，但經過漢代末年的戰亂，這指南車沒能保存下來，實是件遺憾之事。
但到了三國之時，倒是有一個著名的人物，發明了指南車，這個人物便是三國時期的機械製造家、發明家馬鈞。
馬鈞，字德衡，三國時期魏國扶風人（今陝西興平）。出身於貧寒家庭。他從小就善於動腦，又勤於學習，刻苦鑽研，因而成為一個“巧思絕世”的科學家。
三國時，魏蜀兩國經常發生戰爭，有一次諸葛亮出師攻魏，曾經使用一種新式連弩，可以連續發射幾十支鐵製箭。後來魏軍拾到一架，馬鈞看後說：“巧是很巧，但還不算最好，如果再改進一下，效率還能增加5倍！”不過這項革新計劃未能付諸實踐。
當時，還有一種攻城武器叫“發石車”，可以拋出石塊打擊敵人。據說當時曹操用這種武器打敗了袁紹。
馬鈞發現，這種發石車不但用人多，花費時間長，而且拋出去的石頭速度慢。如敵人在城樓上懸掛濕牛皮，就會擋住石頭，落下來就會砸傷自己人。更何況這種發石車隻能單發，不能連續發射。
為了克服這些缺點，馬鈞設計了一種新的攻城武器——輪轉式連續拋石機。
他設想，用一個豎置能繞軸轉動的大木輪，在輪緣的周圍用繩子吊上幾十塊大石頭，然後用機械帶動木輪旋轉，輪邊的懸石也一起旋轉，等到旋轉速度很大時，按一定節奏斷刀開繩索，就會使石塊一塊接一塊飛射出去，接連不斷地打擊敵軍。
馬鈞曾經用車輪和幾十塊磚瓦作過試驗，結果完全符合設計要求，接連不斷打出去的磚瓦，能飛出幾百步遠，威力很大。
但是這項發明和連機一樣，由於統治者不重視，也沒有能製造和推廣。但馬鈞的朋友，文學家傅玄很賞識他的才華、支持他的創新設想。
經過傅玄的多方奔走，安鄉侯曹羲以馬鈞不善言辭，講不出深奧的道理為現由，不同意讓他進行試製。所以，馬鈞始終沒有能夠把自己的設想變為現實。
對於這件事，傅玄深有感觸地說：“試驗一下，本來是極容易的事。可是象馬鈞這樣天下知名的巧人，尚且得不到重視，。更何況那些不出名的人呢？後來的人一定要以此引為鑒戒，以免重蹈覆轍。
但是，值得一書的是，馬鈞製造了已經失傳很久的指南車。
指南車又名司南車，是古代帝王出行時候的先驅車。車上站一個木人，伸臂南指、不管車子怎樣轉動，木人的手臂總是指向南方。也就是方向車。
本來，中國的春秋時已經發明了指南車，東漢科學家張衡也製成過指南車，但到三國時期均已失傳了。
魏明帝青龍年（233—236）中，馬鈞在京城擔任給事中的官職。一天，馬鈞和一部分官員在朝房中談起了指南車的問題。
當時在場的散騎常侍高堂隆和驍騎將軍泰朗都認為，古代並沒有什麼指南車，都是些文人狂編亂說而已，所以，史書上的記述大都不可信。
馬鉤不同意這種看法，他說：“西代很可能造過指南車，隻是我們沒有深入去研究罷了。其實，也並不是多麼深奧的事。”
高堂隆和秦朗聽後，冷笑道：“先生名鈞，字德衡。‘鈞’是器物的模型，‘衡’是可以定物的輕重。可你說話連個輕重都不分，難道可以作為模型嗎？”
馬鈞回答道：“空口爭論有什麼用，不如試驗試驗，方可見分曉。”
高堂隆說：“試驗一下？隻恐怕是白花國家的錢吧。？”
馬鈞氣憤地說道：“試驗不成指南車，損失的錢，全從我的餉銀中扣除。”
“此話當真？”
“誰和你開玩笑！”
於是高堂隆和秦朗就把這件事報告了魏明帝，魏明帝便命令馬鈞試製指南車，並限期在半年之內製成。
馬鈞經過刻苦鑽研，在工匠們的幫助下，沒多久，終於製成指南車，高堂隆和秦朗在事實麵前再上無話可說了。自此以後，“天下服其巧矣”，大家都佩服馬鈞是一個很有智巧的人，他的名聲傳遍天下。
值得指出的是，指南車和指南針，雖說用處都是為了引指方向，但性質截然不同。指南針是利用磁性原理，而指南車則是利用齒輪機械原理製成，兩者不可混為一談。
指南車的設計，是我國古代科學技術的卓越成就，西方學者對於我國古代的這項偉大發明，給予了高度的評價，說它是一切控製機械的祖先之一。
馬鈞製成指南車不久，有人給魏明帝進獻了一種叫做“百戲”的木偶玩具，其設計精巧，造型優美，可惜不能動作。
魏明帝向馬鈞：“你能使這些木偶人動作起來馬？”
馬鈞回答說：“能！”
“那就交給你改製吧。”
馬鈞接受任務後，便用木材做了一個大輪子，平放在地上，用水力使木輪轉動，同時輪子設置的木人都一起動彈起來。
木人們有的擊鼓吹蕭，有的唱歌跳舞，有的跳丸擲劍，有的爬繩倒立，還有的春米磨麵、鬥雞雜耍，栩栩如生，變化無窮，成為壯觀多姿的“水轉百戲。”
要使這麼多的人自己動作起來，其中一定運用了一套複雜的齒輪、凸輪、連杆等傳動機械。這無疑體現了我國當時的機械學方麵知識和技術水平均是相當高的。
馬鈞其它方麵，也做出了極大的成就。如改造織花提布機，發明製造灌溉機械龍骨水車等。
馬鈞的才智是過人的，當時的人們稱他為”國之精器。”他不大善於言談，喜歡獨立思考和埋頭苦幹，這大概是科學家、發明家一種共同的性格吧。
馬鈞在機械方麵的許多傑出創造，使他成為我國曆史上著名的科學家之一。他為科學技術和生產的發展作出了巨大的貢獻。
可是，象這樣一位傑出的機械製造家，在當時的社會條件下，卻沒有得到應有的重視。他後來雖然做了一個“給事中”的小官，卻學非所用，這也可說是一種悲哀。
他的發明，創作一再受到阻撓和蔑視，他的科學知識和才能也沒有得到充分的發揮，這說明了腐朽的封建製度埋沒和浪費了多少的人才呀！
卻說遠古的時候，人們沒有文字，用堆石、結繩、岩畫、契木、刻陶等方法記事，以後，我們的祖先發明了文字。大約到了3500年以前的殷朝，我國出現了甲骨文。
這時的人們，遇有祭祀、狩獵、戰爭等等大事，他先占卜，然後行動，而占卜的原因和結果，就刻寫在龜的腹甲上。
爾後，古人的青銅冶煉技術達到很高的水平，人們把一些需要永久保存的文字鑄在青銅器或刻在石碑上，這時的文字叫做鍾鼎文、石鼓文等。
到了春秋戰國時期，人們又采用了新的記事材料，叫“簡牘”。“簡”是竹片，“牘”是木片。一片竹簡一般隻寫一行字，少數寫兩至三行字。把刻有一篇文章的竹筒串聯起來，就叫做“冊”或“策”。
簡牘比起甲骨、鍾鼎、石碑是一大進步，它材料充足，書寫容易，收藏和運輸也方便。可是連篇累牘，還是顯得笨重不堪。
戰國時，當時的著名學者惠施，出外遊學，用五輛車子裝載竹書。此件事，就是成語“學富五車”的來源。其實，他那五車竹書，也不過有現在的幾本書。
另據記載，秦始皇每天批閱的簡牘文書重達120斤。西漢時，一個名叫東方朔的人寫了一篇文章給漢武帝，共用去竹簡300多片，由兩個身強力壯的武士抬進宮去，而漢武帝用了兩個月的時間，才看完這篇文章。
我們現在有個成語叫“汗馬牛，充棟宇”，就是形容簡牘之多的。搬運時，牛馬累得出汗；儲藏時，房屋堆得滿滿的。
在使用簡牘的同時，另一種書寫紙縑帛也開始使用。縑帛是蠶絲的織造品，質也輕薄，便於書寫。但是縑帛十分昂貴，一匹縑帛的價格相當於720．斤大米。
因此，隨著社會經濟文化的發展，迫切需要一種輕便、實用、經濟的書寫材料。經過我國古代勞動人民的長期實踐和不斷改進，一種理想的新型書寫材料，終於在漢朝製造出來了，這就是紙。