何勇强
提要:宋代是中国科技发展的一个黄金时期,“四大发明”中的火药、指南针与活字印刷术应用于世,造纸术也出现划时代变革,产生世界性影响。唐宋时期士族阶层消亡,庶民阶层兴起,宋代文化主体下移,大量民间科学家活跃在历史舞台,为宋朝科技发展作出巨大贡献。宋代商品经济发展、市民文化繁荣,也促进了科学技术的进步。
讨论宋代科技成就的历史地位,一是要把宋代与其他时代进行比较,与前面的时代比,与后面的时代比,看它是进步、退步还是停滞不前;二是要把它放到全世界的更大空间上去衡量,看不同时期中国在世界科技史上所处的位置。其实,宋代的科技成就,在不同科技领域的表现是有所不同的。比如,中国的畜牧养殖技术在唐以前已经成熟,到宋以后就没什么进步了。有些技术,如铜镜的制造,宋代较之前代反而倒退。在有些科技领域,宋代则处于历史的顶峰,不但远超汉唐,也胜过明清。如水利技术,“自隋初(581)至北宋末(1127)547年间是中国古代水利最发达的时期”,“唐宋水利技术超过前代,元明清等朝反而有不少技术倒退落后”。(1)中国大百科全书总编辑委员会:《中国大百科全书·水利》“中国水利史”条,中国大百科全书出版社,2002年,第514、515页。当然,科学技术的进步有赖于前期知识的积累,一般来说,后一时代总要超越前一时代。比如,宋代的“神舟”虽然巨大,但总不如郑和的“宝船”。宋代发明了水转大纺车,但明清的纺车更先进。但是,如果在某些领域能有一些突破的变革,它的意义也是非常大的。而宋朝正是这样一个发生变革的时代,它在影响经济发展的农业技术与影响文化发展的造纸技术等关键领域出现了突破性变革,影响了中国科技史的走向;特别是指南针、火药与印刷术“三大发明”在宋代完成,更深刻影响了世界历史。下文即从世界与中国两个角度进行讨论,并分析宋代科技进步的历史原因。
宋代出现很多技术改进,出现很多新发明,开启了一个崭新的时代,深刻影响了中国和世界,其中最有影响的无疑是“三大发明”。
近代以来,西方不断有学者阐述中国三大发明火药、指南针、印刷术的世界性影响,其中最有代表性的自然是马克思在《机械、自然力和科学的应用》中的话。他说:“火药、指南针、印刷术——这是预告资产阶级社会到来的三大发明。火药把骑士阶层炸得粉碎,指南针打开了世界市场并建立了殖民地,而印刷术则变成了新教的工具,总的来说变成了科学复兴的手段,变成对精神发展创造必要前提的最强大的杠杆。”(2)马克思:《机械、自然力和科学的应用》,《马克思恩格斯全集》第47卷,人民出版社,1985年,第27页。这三大发明都在宋代完成。
中国人早在战国时代就已经发现了磁体的指极性,并用它制成“司南”来辨别方向。到宋代时,人们对磁体指极性的应用更进一步,北宋初年,《武经总要》中介绍了一种宋军中配备的“指南鱼”,就是将薄铁叶剪成鱼形,使其磁化,用来在阴天和黑夜判断行军方向。(3)曾公亮、丁度等:《武经总要》卷前集卷一五《向导》,《中国兵书集成》第3册,第774-775页,解放军出版社、辽沈书社,1988年影印辽宁图书馆藏明万历金陵书林唐富春刻本。沈括发现地磁偏角现象,指出地点不同偏角的大小也不同。这一发现比1492年哥伦布横渡大西洋时的同一发现早4个世纪。沈括还在《梦溪笔谈》中记载了当时指南针的使用情况和磁针的几种使用方法并比较其优劣。(4)沈括撰、金良年点校:《梦溪笔谈》卷二十四《杂志一》,中华书局,2015年,第232页。成书于北宋后期的《萍洲可谈》《宣和奉使高丽图经》等文献记载指南针已用于航海的情况。航海技术的提高,反过来又促进了指南针的改善和发展,南宋时创造出磁罗经,也称磁罗盘,将磁针和方位盘联成一体,更适用于航海。南宋吴自牧《梦梁录》中说“风雨晦冥时,唯凭针盘而行”,(5)吴自牧:《梦粱录》卷12《江海船舰》,上海师范大学古籍整理研究所编《全宋笔记》第8编第5册,大象出版社,2017年,第214页。针盘就是磁罗经。12世纪船用磁罗经传入阿拉伯,又经阿拉伯传入欧洲。
火药是由硝石、硫黄和含碳物质经过均匀搅拌而成的混合物。三者混合燃烧时会出现燃爆现象。早在汉朝,火药的主要成份硝石、硫黄已被人们当作药物使用。魏晋、隋唐时期,炼丹家在实践中已经发现了硝石、硫黄和木炭等混合物的燃烧性能,并采用“伏火法”炼丹。火药武器在唐末已用于实战。北宋时开封设置火药作坊,“火药”一词也正式问世。北宋中期问世的军事著作《武经总要》在守城器械部分内容中,列举了引火毬、火药鞭箭、霹雳火球等多种火器,并记载了蒺藜火球等火器的火药配方。(6)曾公亮、丁度等:《武经总要》卷前集卷十二《守城》,《中国兵书集成》第3册,第622-644页。这是世界上最早的火药配方。南宋初,陈规等人在德安城守战中研制成长竹竿火枪20余支。(7)陈规、汤璹撰、储玲玲整理:《守城录》卷四《德安守御录下》,上海师范大学古籍整理研究所编《全宋笔记》第9编第1册,大象出版社,2018年,第275页。这种火枪是最早的管形火器。火药武器在南宋广泛用于军中,并产生巨大威力。周密在《癸辛杂识》中记载火药库失事造成的惨状:“赵南仲丞相溧阳私第常作圈,豢四虎于火药库之侧。一日,焙药火作,众炮儵发,声如震霆,地动屋倾,四虎悉毙,时盛传以为骇异。至元庚辰岁,维扬炮库之变为尤酷。盖初焉,制造皆南人,囊橐为奸,遂尽易北人,而不谙药性。碾硫之际,光焰儵起,既而延燎,火枪奋起,迅如惊蛇,方视以为笑。未几,透入炮房,诸炮并发,大声如山崩海啸,倾城骇恐,以为急兵至矣,仓皇莫知所为。远至百里外,屋瓦皆震,号火四举,诸军皆戒严,纷扰凡一昼夜。事定按视,则守兵百人皆糜碎无余,楹栋悉寸裂,或为炮风扇至十余里外。平地皆成坑谷,至深丈余,四比居民二百余家,悉罹奇祸,此亦非常之变也。”(8)周密撰、吴企明点校,《癸辛杂识》前集《砲祸》,中华书局,1988年,第15-16页。13世纪,随着蒙古西征军,中国火药传入阿拉伯和欧洲。
中国在唐代已经出现雕版印刷,多用于民间印刷佛像、经咒、发愿文以及历书等。沈括在《梦溪笔谈》中记载,北宋庆历年间,毕昇发明了用胶泥制的活字印刷术。方法是用胶泥刻字,每字一印,经火烧硬而成泥活字,并用它们在两块铁板上交替排版、印刷。沈括称此法“若印数十百千本,则极为神速”。(9)沈括撰、金良年点校:《梦溪笔谈》卷十八《技艺》,中华书局,2015年,第174-175页。毕升的活字印刷术,比欧洲早四百年。南宋时,周必大说自己曾“用沈存中法,用胶泥铜版,移换摹印”自己的著作《玉堂杂记》,赠送友人。(10)周必大:《庐陵周益国文忠公集》卷一九八《程元成给事劄子(又)》,四川大学古籍研究所《宋集珍本丛刊》影印傅增湘校清欧阳棨刻本,线装书局,2004年,第1118页。此后元、明、清诸朝,都有活字印刷的记载,清代更是用金属活字印刷《古今图书集成》这样的巨著。中国活字印刷在实际应用上并未像雕版印刷那样普及,但它在世界文明史上仍具有开创性意义。
印刷术的发明,不但极大地改进了知识传播的速度,也节约了书籍存储的空间。在印刷术发明之前,中国书籍主要采用卷轴装,印刷术发明之后,册页装成为书的主要形式。
除“三大发明”,宋代还有其他很多发明处于当时世界科技的巅峰,如苏颂、韩公廉等人研制了当时世界上最先进的天文钟——水运仪象台;航海技术上,除指南针之外,宋代的造船技术上也出现很多创新成就:船坞使用滑道下水法;造船时先造船模, 再按比例放大造船;附有小船、可升降舵、密封隔舱的万石船;船头包铁皮、横尖锥的破冰船;为增加粮食载运量和提高结构强度而建造的对槽船,是当今分节驳船的雏型。
科学技术不同于其他文化形态。其他文化形态,如汉学与宋学,唐诗与宋词,往往难较高下。科学技术则不然,它的每一项进步都是确定的。纵观各个时代的科技水平,一般来说,后一时代总要超越前一时代。宋元的科技水平超越了汉唐,明清的科技水平又超越了宋元。但到明清时,中国科技相对于欧洲的突飞猛进而显得“衰落”了,宋代的科技成就却代表了当时世界的最高水平。从这个意义上讲,宋代科技确实是中国科技史上的一座高峰。
宋代的有些科技成就,虽不如“三大发明”这样有世界性影响,也谈不上站在世界之巅,但它们承上启下,产生突破性变革,取得划时代的成就,这在造纸、制墨、农业技术与医学进步上表现得尤为突出。
19世纪末,一些西方学者开始将造纸术与前“三大发明”并列。20世纪三四十年代,“四大发明”说渐渐在中国流行。中国的造纸术早在汉代就已完成,唐以后传入阿拉伯,以后经由阿拉伯传入欧洲,广泛流行,对世界文化的发展起了巨大作用。
以往人们说到宋代科技成就,往往提到火药、指南针、印刷术这三大发明。但造纸术在宋代出现了划时代的变化,其影响不亚于前三大发明。打浆是造纸过程中的一项重要工序。以前人们使用木棒捶打麻缕,但棒打的力量有限,后来便借用农业生产上的某些器具,如用舂米的石臼捣打纸浆,改善了打浆质量,但是劳动强度大。到宋代,水碓广泛用于造纸,人们利用水力推动打浆,极大提高了打浆效率。而且,宋代造纸原料也发生巨大变化。在宋之前,麻是造纸的主要原料,宋代从以麻为原料向麻、竹、木、草、皮多原料转变。造纸技术提高,造纸成本降低,纸的品种更加多样化,出现特种纸。宋代,官府管理细密化、商品经济发展、市民文化繁荣、科举与教育事业的发展、佛经的大量印行,对纸的需求非常庞大。没有大量低成本的纸张,上述各种进步,是完全无法实现的。宋代造纸术的进步也对社会生活各个领域产生影响。不同领域对纸质的要求不一样,如用于书画的,质量要求比较高。宋代是中国书画艺术的黄金时期,这与宋代纸质的提高有密不可分的关系。宋代出现了很多适于书画的名牌纸品,如澄心堂纸。宋代有很多巨幅绘画,这也有赖于宋代巨幅纸张的制造技术。也有一些场合用纸,对纸张的质量要求并不那么高,如烧纸钱。宋代烧纸钱习俗流行,有赖于造纸原料的多样化与廉价纸的产业化。至于造币用的楮纸,不但质量要求高,为防伪需要,政府还要对原材料加以管控。
此外,宋代制墨技术也出现了重大突破,以桐油炼制的油烟取代松烟成为制墨的主要色素原料。桐油烟墨在黑度、耐水性和墨色稳定等方面,都优于松烟墨。宋代出现很多与制墨相关的专著,如苏易简《文房四谱·墨谱》、晁说之《墨经》、李孝美《墨谱》、何薳《春渚纪闻·墨记》等。制墨技术的影响虽然没有印刷术、造纸术那样大,但它与印刷术、造纸术一样,是宋代文化繁荣的技术基础。
除造纸外,宋代科技在其他多个领域都产生突破性变革,取得划时代的成就。
农业领域,宋代农业在品种和技术方面都发生了结构性变化。唐之前,中国主食构成基本是南稻北粟,唐代小麦种植扩大,稻、粟、麦三分天下,各有其一。北方人口大量南迁,把饮食习惯带到南方,促进小麦在南方的种植,稻麦逐渐取代粟在粮食供给体系中的主导地位。北宋时江淮一带发生旱灾,政府推广种植占城稻。占城稻“不择地而生”(11)《宋史》卷一七三《食货志上一·农田》,中华书局,1977年,第13册,第4162页。,对地的适应性强,易于种植,大米的主食地位进一步加强。宋代以后,畜牧业萎缩,蚕桑业地位提升,宋以后所修农书多以“农桑”二字命名。在经济作物种植上,棉花在宋以前仅在边疆地区零星种植,宋代以后开始在江南地区广泛种植,虽还没有取代麻的主导地位,却深刻改变了中国社会的穿衣习俗,为麻时代走向棉时代奠定了基础。油料作物同样发生巨大变化,宋代以前,中国主要油料作物是汉代从西域引进的芝麻(脂麻)。宋代随着经济重心南移,“油菜”之名开始出现在文献中,油菜种植也在长江流域发展起来,弥补了因畜牧业衰退而导致的食物脂肪不足。在其他经济作物上,茶的种植和饮用开始普及。在蔬菜作物中,菘(白菜)、萝卜发展成为主要蔬菜品种。
农作物的结构性变化引起了农业技术的革新。首先是耕作制度的变革。北方旱地耕作技术在魏晋时期已基本定形,宋代南方地区随着水田耕作技术的发展,出现了很多新式农具。最著名的是曲辕犁,又名江东犁,晚唐时已在南方地区出现,至宋更为普及。此外,还有了很多与水田耕作有关的农具,如耘爪、耘耥、薅鼓、田漏等,还出现了稻簟、笐和乔扦等晾晒工具,以及插秧用的秧马、秧弹等工具。一些地区还出现了开垦荒地的专用农具犁刀,附加于犁,以牛牵引开荒。一些原有农具为适应水稻生产的需要得到进一步使用,如铁搭(铁齿耙),这种农具在战国时已经出现,唐宋以后南方地区开始大量使用,在一定程度上弥补了耕牛不足。
南方地区人口增加,人地矛盾尖锐,刺激了稻麦二熟制的发展和山地经济作物的种植,推进了土地的多样化利用。南方地区出现了畲田、梯田、圩田、葑田、沙田、涂田等多种新兴的土地利用形式。同时,陂塘湖堰水利工程也广泛兴修或改建。此外,农业动力也得以创新,除人力、蓄力外,水力得以广泛运用,出现了水转翻车等农具。
作物变化同样对纺织技术进步产生影响。宋代南北方都已出现“机户”,在部分地区,还出现利用自然动力、适应集体化作坊生产的多锭式“水转大纺车”。纺织业各工序,纺、织、染、整工艺日趋成熟。织品花色繁多,现在所知的主要织物组织(平纹、斜纹和缎纹)到宋代已经全部出现。宋代广西夏布生产中已出现浆纱技术,布匹生产率进一步提高。宋代提花机更臻完善。南宋楼璹《耕织图》绘有一台大型提花织机,是世界上最早的手工提花织机的图象。
宋朝的医学同样是一个承上启下的时代。北宋灭亡,宋金对峙,使得南北医学分裂,双方几乎没有医学交流。北方金元地区在医学理论上发生激烈争辩,产生医学流派。南宋医学更偏重于临床,追求简约实用。宋朝医学虽没有金元医学那样产生众多流派,但专科医学却取得很大发展,人们看病开始分科,出现了一批专科医学家和医学著作,如北宋有儿科医学家钱乙,撰有《小儿药证直诀》,南宋有儿科医学家刘昉,撰有《幼幼新书》。陈自明既是妇科专家,也是外科专家,撰有《妇人大全良方》与《外科精要》。宋代针灸教学取得很大成就,王惟一撰写《铜人腧穴针灸图经》,并主持制造等身大针灸铜人两具,对后世针灸学产生深远影响。宋代诊断医学也取得很大发展,《脉诀》流行,江西庐山一带的医学家们创立四脉为纲的脉学体系,被称为西原脉学,对后世脉学产生深远影响。南宋的法医学更取得突破性进展,宋慈撰写了法医学名著《洗冤集录》,基本包括了现代法医学尸体外表检验的大部分内容。
宋代是一个变革的时代,这种变革体现到宋代经济、社会、文化的各个领域。在各种变革中,商品经济的发展、文化主体的下移与对外贸易扩大是宋代科技进步的主要原因。
从唐代中后期开始,城市的交易场所不再局限于原先“市”的限制,商行店铺临街而立;在城市之外,一些自发的交易场所——草市集镇也普遍兴起。交易场所的扩大改变了人们的生活方式。随着农业、手工业生产的发展,全社会用于交易的商品数量急剧增加。国家征收的赋税中货币比重不断扩大,加上募兵制与募役制推行(实际上是劳动力的货币化),全社会对货币的需求急剧增加。唐代中期以后,中国开始出现“钱荒”,至宋益甚。宋代的货币制度的复杂前所未有。铜钱仍是最主要的货币形态,纸币也开始大规模印行,铁钱、夹锡钱也被大量铸造,还出现“当五钱”“当十钱”等名目。同时,金银与丝织品在一定程度上扮演货币角色。这种币制的复杂状况,正反映了货币需求与商品数量不相适应的状况。这极大刺激了铜、铁等金属的开采与冶炼。胆水浸铜法在宋以前就已有之,但到宋代才得到普及,胆铜生产成为宋代新兴的化学工业门类。宋代其他冶金技术也得到长足发展,出现了铜锌合金——黄铜。纸币的印行也促进了造纸与印刷技术的进步。
随着商品经济的发展,以盐为代表的特殊商品在国民经济生活中的重要性进一步提高。盐是人们生活必需品,但它不像粮食、纺织品那样可以自足自给,常由政府专营,成为国家调控经济的重要手段。这刺激了制盐业的发展与采盐技术的进步。宋代三大盐种,海盐、池盐与井盐,在制造技术上都出现较大革新。海盐,唐宋以前为淋卤煎盐,宋以后出现淋卤晒盐。四川井盐,出现卓筒井和顿钻技术。河东解池发明了种盐法。
商品经济的发展也改变了政府管理体制,理财在政府管理体系中的作用不断加强。在宋以前,中国的改革大多围绕社会问题进行,在宋之后,中国改革大多围绕财政问题进行,如宋之王安石变法、明之张居正改革等等,莫不如此。财政问题不但影响政局变易,甚至影响国家兴亡。商品经济与理财体制,从两方面影响了宋代科学技术的发展。一是用纸需求增大,促进了造纸技术的进步。二是促进了数学的发展。北宋第一次印刷出版了《算经十书》,对前代数学典籍进行了总结。宋代还涌现出一批数学家,如周琮、沈括、贾宪、刘益、秦九韶、李冶、杨辉。数量之多,是前所未有的。周琮用高次函数计算天文数据,沈括的高阶等差级数求和、贾宪三角(二项系数表)与增乘开方法、刘益的高次方程数值解法、一次同余式组解法,李冶的勾股形解法,代表了当时世界数学的最高成就。天文学的进步、商品经济的发展与理财体制改革是宋代数学发展的三个重要原因。秦九韶著《数书九章》,其中田域、测望、赋役、钱谷、营建、军族、市物等,都是围绕这些实际问题展开的。
宋代文化的一个特点是文化主体的下移。在宋之前,贵族阶层是文化的主角,在文化发展中扮演主要角色。在宋之后,庶民阶层在文化中发挥越来越重要的作用。贡举制度虽产生于隋唐,但直到宋太宗进行进士科的“扩招”之后,庶民的上升途径才相对变得畅通。宋代产生了市民阶层,市民文化繁荣。这对宋代科学知识水平的提升也产生了积极的影响。以园林建设为例,宋代园林建设进入一个新时期。与前代庄园相比,宋代园林的经济生产属性降低,文化娱乐功能提升,很多园林别业成为人们游赏玩乐和举办文学艺术活动的重要场所。相应地,士大夫对花鸟虫鱼、餐饮娱乐的兴趣增强,产生一大批谱录类著作,如北宋周师厚的《洛阳花木记》、欧阳修的《洛阳牡丹记》、刘攽的《芍药谱》、刘蒙的《菊谱》、范成大《梅谱》等。饮茶习俗在唐宋时开始流行起来。茶相较与一般食物,更具品尝价值与文化意味,比较符合士大夫的口味。继唐陆羽著《茶经》之后,宋人崇尚建茶,出现大批与建茶相关的著作,如丁谓《北苑茶录》、蔡襄《茶录》、宋子安《东溪试茶录》、黄儒《品茶要录》、熊蕃《宣和北苑贡茶录》、赵汝砺《北苑别录》等等。这些著作往往含有大量科技内容,反映了宋人生物学、农学的知识水平。
宋代文化主体下移的另一个表现是宗教世俗化。禅宗是佛教中国化的典型宗派,它强调日常劳作,于平时生活中修行,获得大批信众。佛教文化的繁荣从两方面对宋代科技发展产生深远影响,一是大量佛经印行,促进了雕版印刷术与造纸技术的提高;二是佛寺修建,促进了中国建筑技术的成熟。园林与寺观建设是宋代建筑学发达的两个重要原因。宋代出现了喻皓与李诫两个建筑学家,出现了《木经》与《营造法式》两部建筑文献。它们对建筑工程的操作与工料估算都有了比较严密的规定。
历法在宋朝经常被当作与辽朝斗争的外交武器。朝堂上经常发生历法之争,民间研习天文的风气也屡禁不止,而且经常参与朝廷历法讨论与制定。有宋三百多年间,北宋颁历9部,其中仪天、奉元、占天、纪元4历出自民间天文学家之手。南宋颁历7部,除第7部记载不明外,其余全部出自民间天文学家之手。而且,这些民间天文学制定的历法质量相当高。北宋时沈括推荐盲人天文学家卫朴编制《奉元历》,实测比崇天历更准确。姚舜辅先后编定占有、纪元二历,其中《纪元历》是宋代最有创造性的历法,首创利用观测金星来定太阳位置的方法,奠定了元代郭守敬之前中国历法的基本走向。南宋杨忠辅的《统天历》确定的回归年数值为365.2425日,和现行公历的平均历年完全一样,比西历(1582年)的颁行早383年。这说明,天文在宋代民间有深厚的群众基础。
唐宋两朝都崇尚道教,但他们崇道的方式却有所不同。自古医道不分家,唐人喜欢炼丹,宋人追求养生。炼丹其实是一项高成本的活动,非贵族不能为。唐宋人崇道崇医方式的变化,实际上反映了唐宋时期士族消亡、庶民兴起的社会变化趋势。宋朝政府热衷于编写本草、医方,正顺应了这样历史潮流。宋代士大夫也多留意养生与医学,编写了很多私家药方。如著名科学家沈括就曾编写《沈氏良方》与《灵苑方》,后人将苏轼所编的一些方子并入《沈氏良方》,合刊为《苏沈良方》。
唐中期以后,吐蕃、回鹘、党项等民族先后崛起西部,中原人民与与西方交往的陆路交通受阻。到宋朝,即使与近邻高丽,由于辽、金阻隔,也无法通过陆路进行交流。宋朝对外交往主要依靠海洋,对外贸易非常发达这刺激了宋代造船技术与航海技术的发展。宋代指南针用于航海,造船技术上也出现很多创新成就。同时,随着航海业的发展与对外交流的扩大,中国的丝绸、瓷器等商品,通过海上丝绸之路流向世界各地,而一些新的农业品种如占城稻、棉花,也通过这条路传入中国,促进了农业科技的发展。
宋代文化中处处体现着一种求新求变的精神,这种精神在宋代文化的各个领域都有明显表现。宋人在政治上不务因循而有一次次的变法与改革,在学术上疑经求变而有新儒学的诞生,在文学上追求创新而有古诗文的革新,甚至在书画艺术上也表现出明显不同于唐代文化的特点。这种勇于探索、善于创新的精神同样也是宋代科技进步的内在动因。在我们追求科技创新的今天,这种精神尤其值得学习和借鉴。细究宋代科技进步的社会原因,主要还是由于唐宋社会变革,士族消亡,庶民阶层兴起,商品经济发展,文化主体下移,有更多的人加入到科学的研究和实践。而宋朝政府在很大程度上顺应了这种社会变革,在军事上重视新技术的应用,在农业上重视新品种的推广,在医学上勤于医方的编撰与传播,让科技成果惠及更多百姓,这些善政到今天仍值得我们效法。