學霸都在讀的有趣又有料的科普知識！（一）

1　中國四大發明之一——火藥火藥和造紙術、印刷術、指南針并稱為我國古代科技的四大發明。許多史籍表明，最早的火藥，是在公元九世紀后半期唐末宋初問世的。當時發明的火藥，現在叫黑色火藥，是硝石、硫黃和木炭三種粉末的混合物。硝石的主要化學成分是硝酸鉀，硝酸鉀是氧化劑，加熱時釋放氧氣。而硫黃和炭容易被氧化，所以把硫黃、木炭、硝石混合在一起燃燒，就會發生迅猛的氧化還原反應，在反應中放出高熱和產生大量氣體。如果混合物是包裹在紙、布或充塞在陶罐、石孔里，燃燒時由于體積突然膨脹，就會發生爆炸，這就是黑火藥燃燒爆炸的原理。火藥是我古代的煉丹家發明的。在煉丹過程中，他們很注重硫黃，因為硫黃能夠制服金屬的奇異物質，它可以和水銀化合生成硫化汞，還可以和銅鐵等金屬化合。硫黃性質活潑，容易著火。為了控制硫黃，煉丹家把硫黃和其它物質一起加熱形成化合物，來改變它容易著火的性質，這種方法稱為“伏火法”。在進行硫黃“伏火”的種種實驗中，發現當硫黃、木炭和硝石一起加熱時，極易發生激烈的燃燒。由于硫黃和硝石在我國古醫書上被列為治病的藥物，所以把它們和木炭的混合物稱為“火藥”，意思是會著火的藥。在《諸家神品丹法》卷五中，載有唐初醫學家兼煉丹家孫思邈的“丹經內伏硫黃法”，從中可知當時已經掌握了由硝石、硫黃、木炭混合在一起的火藥的初步配方。最早完整地刊載火藥的配方和制造工藝的，是北宋官修御定的《武經總要》。《武經總要》成書于公元1044年，該書的第11、12卷中，記載了制毒藥煙球、蒺藜火球和引火球（也叫“火炮”）三種火藥的配方。其中的主要成分是硝、硫、炭，而且硝的比重大大增加。唐代火藥硫、硝含量相同為1:1，而在這三個配方中已增加到1:2，甚至近乎1:3，已與后世黑火藥中硝占3/4的配方相接近。同時，又加進各種少量輔助性配料，分別起燃燒、爆炸、放毒和制造煙幕等作用，可見當時的火藥配方已經相當復雜了。火藥在軍事上、生產中有著極其重要的作用。馬克思曾把火藥和印刷術、指南針的發明稱作“是資產階級發展的必要前提”。公元13世紀初期和中期，火藥傳到阿拉伯國家；13世紀下半期，歐洲知識分子才從阿拉伯書籍中得到有關火藥的知識；14世紀上半期，歐洲才開始制造火藥武器。

2　中國四大發明之二——指南針指南針是利用磁鐵在地球磁場中的南北指極性而制成的一種指向儀器，有多種形體。戰國時期，已發現磁石吸鐵的現象，并用天然磁石制造“司南之勺”，“其柄指南”。此后，經過長時期的實踐，發現人工磁化的方法，造成更高一級的磁性指向儀器。宋代科學家沈括首先記載了地磁偏角，說用天然磁石摩擦鋼針，使之磁化成為磁針，可以指南，而常微偏東，并介紹了四種支掛磁針的方法：一是浮于水面，二是放在指甲上，三是放在碗沿上，四是線縷懸掛。宋軍中配備指南魚，是將薄鐵葉剪成魚形而磁化，用于陰天和黑夜判斷行軍方向。后來又發展成磁針和方位盤聯成一體的羅經盤，即羅盤。曾三異在《因話錄》中記載當時有“地螺”，“或有子午正針，或用子午、丙壬間縫針”。這種地羅還是一種水羅盤。當時，陰陽家用地羅看風水。在清丈田地和判決土地訴訟時，也使用地羅。據《萍洲可談》、《宣和奉使高麗圖經》、《諸蕃志》和《夢粱錄》記載，最晚在北宋后期，指南針已用于航海，南宋時，使用“針盤”導航。這種針盤還使用“浮針”，這對于海上交通的發展，中外經濟文化交流，起了極大作用。最早的“指南針”在戰國時代出現，我國人民利用磁鐵造成了一種指示方向的工具，叫“司南”。“司南”就是指南的意思。司南的形狀和現在的指南針完全不同。它是根據我國古代的勺子的形狀制成的，很像我們現在用的湯匙。司南是怎樣制成的呢？古書上缺少詳細的記載，又沒有實物留下來，所以我們沒有辦法知道它的準確形狀。根據專家們的研究，司南大約是將整塊的天然磁鐵，輕輕地琢磨成勺子的形狀，并且把它的S極琢磨成長柄，使重心落在圓而光滑的底部正中。司南做好以后，還得做一個光滑的底盤。使用的時候，先把底盤放平，再把司南放在底盤的中間，用手撥動它的柄，使它轉動。等到司南停下來，它的長柄就指向南方，勺子的口則指向北方。司南的底盤是用青銅做的，有的是個涂漆的木盤，青銅和漆器都比較光滑，磨擦的阻力比較小，司南轉動起來很靈活。這種底盤內圓外方，四周還刻有表示方位的格線和文字。現在的出土文物中，就有這樣的銅盤和涂漆的木盤；還有東漢時候的一幅石刻，刻著一個小勺子放在一個小方臺上，有人認為這就是司南。司南必須放在光滑的底盤上旋轉，底盤還必須放平，否則就會影響它指南的作用，甚至會使它從底盤上滑下來。因此，人們發明司南以后，又繼續不斷地研究改進指南的工具。公元960年，宋太祖建立宋朝，結束了五代十國時期的封建割據局面。北宋時候，農業、手工業和商業都有了新的發展。在這個基礎上，我國的科學技術獲得了輝煌的成就。在這個時期，我國在指南針的制造方面，跟造紙法和印刷術一樣，也有很大的發展。大約在北宋初年，我國又創制了一種指南工具——指南魚。當時有一部有名的軍事著作，叫《武經總要》，其中說：行軍的時候，如果迂到陰天黑夜，無法辨明方向，就應當讓老馬在前面帶路，或者用指南車和指南魚辨別方向。《武經總要》這部書是在北宋仁宗慶歷四年（公元一零四四年）以前寫成的。這就是說，在那個時候，我國已經有指南魚，并且把它應用到軍事方面去了。指南魚是用一塊薄薄的鋼片做成，形狀很像一條魚。它有兩寸長、五分寬，魚的肚皮部分凹下去一些，使它像小船一樣，可以浮在水面上。鋼片做成的魚沒有磁性，所以沒有指南的作用。如果要它指南，還必須再用人工傳磁的辦法，使它變成磁鐵，具有磁性。關于怎樣進行人工傳磁，《武經總要》沒有清楚的記載，但是它指出，指南魚要用“密器收之”，也就是說，要拿一個密封的合子藏起來。根據這一點來看，當時的人工傳磁法大約是這樣的：把鋼片做的魚和天然磁鐵放在同一個密封的合子里，使它們接觸，時間久了，鋼片做的魚就也會具有磁性，變成磁鐵。不管磁化或者沒有磁化的鋼鐵里面，每一個分子都是一根“小磁鐵”。沒有磁化的鋼條，它的分子毫無次序地排列著，“小磁鐵”的磁性都互相抵消了。磁化了的鋼條，所有的“小磁鐵”都整整齊齊地排列著，同性的磁極朝著一個方向，整個鋼條就具有磁性了。如果拿一塊磁鐵，緊緊擦著一根沒有磁化的鋼條，老是從這一頭向另一頭移動，那么，由于磁鐵的吸力，普通鋼條中的分子也都順著一個方向排列起來，這樣，就完成“傳磁”的工作了。《武經總要》上講到的“密器收之”，可能就是指這種人工傳磁方法。我國人民發明用人造磁鐵做指南魚，這是一個很大的進步。這說明我國人民在一千多年前就已具有相當豐富的磁鐵知識了。使用指南魚，比使用司南要方便，它不需要再做一個光滑的銅盤，只要有一碗水就可以了。盛水的碗即使放得不平，也不會影響指南的作用，因為碗里的水面是平的。而且，由于液體的摩擦力比固體小，轉動起來比較靈活，所以它比司南更靈敏，更準確。當時不但有鋼片做的指南魚，還有用木頭做的指南魚和指南龜。宋代《事林廣記》記載了用木頭做指南魚的方法：用一塊木頭刻成魚的樣子，像手指那樣大，在魚嘴往里挖一個洞，拿一條磁鐵放在里面，使它的S級朝外，再用蠟封好口。另外用一根針從魚口里插進去，指南魚就做好了。把指南魚放到水面上，魚嘴里的針就指向南方。指南龜也是用木頭刻成的，放磁鐵的辦法和木頭指南魚一樣，插在尾部。指南龜不放在水里，人們在它的肚子下面挖一個洞，把它裝在光滑的竹釘上面，使它便于自由轉動，它尾部的那根針，也會自動指向南方。這種木頭指南魚和指南龜，很可能是一些懂得方術的方士創造的，做成以后只是用來變戲法。所以《事林廣記》的作者把它們當作《神仙幻術》了。相關鏈接沈括小傳在我國北宋時代，有一位非常博學多才、成就顯著的科學家，他就是沈括——我國歷史上最卓越的科學家之一。他精通天文、數學、物理學、化學、生物學、地理學、農學和醫學；他還是卓越的工程師、出色的軍事家、外交家和政治家；同時，他博學善文，對方志律歷、音樂、醫藥、卜算等無所不精。他晚年所著的《夢溪筆談》詳細記載了勞動人民在科學技術方面的卓越貢獻和他自己的研究成果，反映了我國古代特別是北宋時期自然科學達到的輝煌成就。《夢溪筆談》不僅是我國古代的學術寶庫，而且在世界文化史上也有重要的地位，被譽為“中國科學史上的坐標”。沈括，字存中，生于浙江錢塘（今浙江杭州市）官僚家庭。他的父親沈周（字望之）曾在泉州、開封、江寧做過地方官。母親許氏，是一個有文化教養的婦女。沈括生于宋仁宗天圣九年（公元1031年），他自幼勤奮好讀，在母親的指導下，十四歲就讀完了家中的藏書。后來他跟隨父親到過福建泉州、江蘇潤州（今鎮江）、四川簡州（今簡陽）和京城開封等地，有機會接觸社會，對當時人民的生活和生產情況有所了解，增長了不少見聞，也顯示出了超人的才智。他二十四歲開始踏上仕途，最初做海州沭陽縣（在今江蘇省）主簿，以后歷任東海（在今江蘇省）、寧國（在今安徽省）、宛丘（今河南省淮陽縣）等縣縣令。三十三歲考中進士，被任命做揚州司理參軍，掌管刑訟審訊。三年后，被推薦到京師昭文館編校書籍。在這里他開始研究天文歷算。宋神宗熙寧五年（公元1072年），兼任提舉司天監，職掌觀測天象，推算歷書。接著，沈括又擔任了史館檢討，熙寧六年（公元1073年）做集賢院校理。因職務上的便利條件，他有機會讀到了更多的皇家藏書，充實了自己的學識。1075年曾出使遼國，進行邊界談判，次年任翰林學士，權三司使。宋神宗熙寧二年（公元1069年），地主階級革新派的代表王安石被任命做宰相，開始進行大規模的變法運動。沈括積極參預變法運動，受到王安石的信任和器重，擔任過管理全國財政的最高長官三司使等許多重要官職。熙寧九年（公元1076年），王安石變法失敗。沈括被誣劾貶官，出知宣州（今安徽省宣城一帶）。三年后，為抵御西夏，改知延州（今陜西省延安一帶），兼任鄜延路經略安撫使。因守邊有功，元豐五年（公元1082年），升龍圖閣直學士。但是不久又遭誣陷，降職做均州（今湖北省均縣）團練副使。哲宗元二年（公元1087年），沈括花費十二年心血編修的《天下州縣圖》完成，被特許親自到汴京進呈。次年，定居潤州（今江蘇省鎮江東郊）夢溪園，在此安度晚年。沈括晚年在夢溪園認真總結自己一生的經歷和科學活動，寫出了聞名中外的科學巨著《夢溪筆談》和《忘懷錄》等。宋哲宗紹圣二年（公元1095年）逝世。他一生著作多達幾十種，但保存到現在的，除《夢溪筆談》外，僅有綜合性文集《長興集》和醫藥著作《良方》等少數幾部著作了。《夢溪筆談》是中國科學史上的坐標，是沈括一生社會和科學活動的總結，內容極為豐富，包括天文、歷法、數學、物理化學、生物、地理、地質、醫學、文學、史學、考古、音樂、藝術等共600余條。其中200來條屬于科學技術方面，記載了他的許多發明、發現和真知灼見。沈括可說是一個科學通才。

中國四大發明之三——造紙術公元105年，蔡倫在東漢京師洛陽總結前人經驗，改進了造紙術，以樹皮、麻頭、破布、舊漁網等為原料造紙。大大提高了紙張的質量的生產效率，擴大了紙的原料來源，降低了紙的成本，為紙張取代竹帛開辟了的前景，為文化的傳播創造了有利的條件。關于蔡倫發明造紙見之古籍記載，《后漢書·蔡倫傳》中說：“自古書契，多編以竹筒；其用縑者，謂之為紙。縑貴而簡重，并不便于人。倫乃造意，用樹膚、麻頭及敝布、魚網以為紙。”后世遂尊他為我國造紙術的發明人。東漢的許慎在他編寫中國第一部條理清楚、體系分明的字典《說文解字》里談到“紙”的來源。他說：“‘紙’從系旁，也就是‘絲’旁。”這句話指當時的紙主要是用絹絲類物品制成，與現在意義上的紙是完全不同的。紙的發明、發展及傳播也是經過了一個曲折的過程。公元105年發明造紙后，造紙術就從河南向經濟文化發達的其它地區傳播。蔡倫被封到陜西洋縣為龍亭侯，造紙術就傳到漢中地區并逐漸傳向四川。據蔡倫家鄉湖南耒陽的民間傳說，蔡倫生前也向家鄉傳授過造紙術。東漢末年山東造紙也比較發達，出過東萊縣（今掖縣）的造紙能手左伯。另外，紙和藻飾書通過絲綢之路也先后傳向北方各少數民族地區。晉代開始，我國書畫名家輩出，大大促進了書畫用紙的發展。如東晉書法家王羲之，在他父子時期書畫用紙大有提高。晉與南北朝的書寫紙抄經紙為麻和楮皮制造，紙面已敷用淀粉與白色礦物涂料并進行研光。隋代統一南北后，唐、宋繼承與發展了數百年造紙的成就，并開辟了唐、宋手工造紙的全盛時期。唐代書畫與佛教盛行，使紙的需求劇增，造紙的原料擴大到用藤和桑皮等。書畫紙還用淀粉硝煮成涂料涂布后再經打蠟，最后用粗布或石塊等揩磨砑光。寫經紙還用黃檗染成黃色以避蠹。北宋時安徽已采用日曬夜收的辦法漂白麻纖維以制紙，抄出的生紙光滑瑩白，耐久性好。南宋時我國南方已盛產竹紙，王安石、蘇東坡等都喜歡用竹紙寫字，認為竹紙墨色鮮亮，筆鋒明快，當時受到許多文人墨客的仿效，從而促進了竹紙的發展。宋代不但盛產竹紙，而且開始用稻、麥草造紙。北宋蘇易簡《文房四譜》中記載了浙江人以麥、稻桿做紙漿及與油藤配用造紙。到了明代，我國用竹子造紙的技術（指手工）已臻完善，該時代宋應星著的《天工開物》系統敘述了用竹子造紙的生產過程，并附有生產設備與操作過程的插圖。該書已譯成日、法、英文傳人日本與歐洲，是我國系統記述造紙工藝的最早著作。經過元、明、清數百年歲月，到清代中期，我國手工造紙已相當發達，質量先進，品種繁多，成為中華民族數千年文化發展傳播的物質條件。

4　中國四大發明之四——活字印刷術畢昇，（繁體作“昇”，簡體字為“升”）（？-1051年），中國北宋發明家，淮南路蘄州蘄水縣直河鄉人（今湖北省英山縣草盤鎮五桂墩村）。初為印刷鋪工人，專事手工印刷。畢昇于宋仁宋慶歷年間（1041-1048）發明了膠泥活字印刷術。沈括在《夢溪筆談》中有具體記載活字印刷術。活字印刷術是中國印刷術發展中的一個根本性的改革。活字排版印刷術（沈括《夢溪筆談》載：“慶歷中，有布衣畢昇又為活版”），在當時印刷界反響很大。關于畢昇的生平事跡，以及他發明活字版的經過，除了沈括在《夢溪筆談》一書中的記載外，還找不到第二個文獻資料。沈括只說他是個布衣，生平一點都沒有交代。所謂布衣，從字面理解就是沒有作過官的普通老百姓。關于畢昇的職業，以前曾有人作過各種猜測，但最為可靠的說法，畢昇應當是一個從事雕版印刷的工匠。因為只有熟悉或精通雕版技術的人，才有可能成為活字版的發明者。由于畢昇在長期的雕版工作中，發現了雕版時最大缺點就是每印一本書都要重新雕一次版，不但要用較長時間，而且加大了印刷的成本。如果改用活字版，只需雕制一副活字，則可排印任何書籍，活字可以反復使用。雖然制做活字的工程大一些，但以后排印書籍則十分方便。正是在這種啟示下，畢昇才發明了活字版。關于畢昇的籍貫，沈括也沒有交代，我們只知道畢昇死后，他制做的泥活字為沈括的侄子所收藏。沈括是杭州人，畢昇可能也是杭州人。杭州是當時雕版印刷較為發達的地區，活字版在這里發明，也是符合歷史規律的。活字印刷術的發明，是印刷史上的一次偉大革命，是我國古代四大發明之一，它為我國文化經濟的發展開辟了廣闊的道路，為推動世界文明的發展作出了重大貢獻。據傳，畢昇后人因用活字膠泥偽造錢幣被朝廷發現，株連九族，僥幸逃脫之族人遂改姓田、萬。如今當地雖有地名叫畢家鋪，但田、萬姓多，畢姓無。1990年畢昇墓碑在英山草盤地五桂村畢家坳發現，墓地西3公里處為畢家鋪，南1公里處的肖家大屋傳為畢宰相府，東15公里處有宰相畢翰儒墓。經中國印刷技術協會、中國印刷博物館籌委會、湖北省文管會等單位委托中國歷史博物館研究員、國家文物鑒定委員會副主任委員史樹青等28名專家學者鑒定，確認無疑。西方的約翰內斯·谷登堡亦于多年后發明活字印刷，但其影響在歐洲更為深遠。相關鏈接畢昇活字印刷的故事早先印書，都是把書刻在整塊整塊的木板上印。聽說師兄畢昇發明了活字印刷，印刷效率一下子提高了幾十倍，師弟們紛紛向他取經。畢昇一邊演示，一邊講解，毫無保留地把自己的發明介紹給師弟們。他先將細膩的膠泥制成小型方塊，一個個刻上凸面反手字，用火燒硬，按照韻母分別放在木格子里。然后在一塊鐵板上鋪上粘合劑（松香、蠟和紙灰），按照字句段落將一個個字印依次排放，再在四周圍上鐵框，用火加熱。待粘合劑稍微冷卻時，用平板把版面壓平，完全冷卻后就可以印了。印完后，把印版用火一烘，粘合劑熔化，拆下一個個活字，留著下次排版再用。師弟們禁不住嘖嘖贊嘆。一位小師弟說：“《大藏經》5000多卷，雕了13萬塊木板，一間屋子都裝不下，花了多少年心血！如果用師兄的辦法，幾個月就能完成。師兄，你是怎么想出這么巧妙的辦法的？”“是我的兩個兒子教我的！”畢昇說。“你兒子？怎么可能呢？他們只會過家家。”“你說對了！就靠這‘過家家’。”畢昇笑著說，“去年清明前，我帶著妻兒回鄉祭祖。有一天，兩個兒子玩過家家，用泥做成了鍋、碗、桌、椅、豬、人，隨心所欲地排來排去。我的眼前忽然一亮，當時我就想，我何不也來玩過家家：用泥刻成單字印章，不就可以隨意排列，排成文章嗎？哈哈！這不是兒子教我的嗎？”師兄弟們聽了，也哈哈大笑起來。“但是這過家家，誰家孩子都玩過，師兄們都看過，為什么偏偏只有你發明了活字印刷呢？”還是那位小師弟問道。一會兒，師傅開了口：“在你們師兄弟中，畢昇最有心。他早就在琢磨提高工效的新方法了！冰凍三尺非一日之寒啊。“哦！”師兄弟們茅塞頓開。