第二节 天工开物

《天工开物》成书于1637年，是一部汇总农业与手工业生产知识的专著。书名中的“天工”和“开物”分别取自中国古代经典《尚书》和《易经》，两词合用并赋予了新的含义，即以自然力配合人工技巧从自然界开发物产，或者说利用大自然以制备器物。无论是抟土烧制陶瓷、采矿冶铸、利用植物纤维造纸，莫不如此。料成材，材成器，这是中华文明生生不息的物质保证，是传统技艺的基本载体。

一、铜铁冶铸

人类对金属铜的利用要早于铁。制陶术已为冶铜术的产生提供了重要的技术条件。考古发现表明，仰韶文化和龙山文化时期产生了冶铜技术。距今3800-3500年的二里头遗址出土的青铜器表明，当时已经具备相当高的陶范铸造技术。

商代中晚期出现了大型的铜矿开采遗址，青铜铸造技术高超。江西瑞昌铜岭铜矿遗址及湖北大冶铜绿山铜矿遗址是这一时期铜矿开采的代表，展现了成熟的开拓技术、趋于规范的井巷支护技术以及较复杂的采掘装载提运技术等。1939年，在河南安阳殷墟出土了一件带有铭文“后母戊”的方鼎，高133厘米、长110厘米、宽78厘米，重832公斤，由块范法分铸铸接成形，是世界上最大的青铜器。块范法是中国古代青铜器铸造最常用的方法，以铸造一件容器为例。先要泥塑成欲铸容器的模型，这叫“模”；然后用泥土敷在模型外面，翻出来形成铸件外形轮廓，即“范”；再用泥土做一个与容器内腔大小相当的内范，然后把内外范合上，内部的空腔就是铸件的空间，倒入青铜溶液，冷却后除去内外范就得到了铸件。“模范”的本意就来自青铜铸造技术，后来引申为学习仿效的典型。此外，叠铸法在大批量生产形状简单的同一铸件方面非常高效，是将许多相同的范片层层叠合起来，通过一个共同的浇口和直浇道进行浇铸，可以一次铸出多个相同铸件的铸造工艺。这种工艺发端于战国时期。

在古代的技术条件下有两种炼铁法：一种是块炼法，是在碗式炉或较低矮的竖炉内，在较低温度下将氧化铁还原成海绵铁，再经锻打、排渣成为熟铁，再渗碳、锻打即可制成钢。另一种是生铁冶铸法，是在高大的竖炉内，以高温将氧化铁还原并增碳成为液态生铁，再从炉中放出，铸成锭块或浇铸成器，生铁可经过多种处理方式炼成钢或可锻铸铁。西方自公元前2000年一直采用块炼铁技术，直到公元14世纪欧洲才开始生产生铁并铸成铁器。

中国最初使用的人工铁制品也是块炼铁产品，但很早就发明了生铁冶炼技术并随即占据了主流地位。已知最早的生铁制品是山西垣曲天马——曲村出土的春秋早期和中期（约公元前8至7世纪）的白口铸铁残块。至迟在公元前6世纪生铁冶炼技术已有了规模发展，较多的生铁制品出现于黄河中游的晋陕豫和长江中下游的吴楚地区。目前已发现最早的冶炼生铁的竖炉是河南西平县酒店乡战国后期的竖炉。

以生铁冶铸技术为基础，中国发展出一整套独特的钢铁冶炼和加工工艺。早期的铸铁是质脆而硬的白口铁，适宜铸造犁铧等农具。至迟于战国时期，发明了将白口铁加热获得可锻铸铁的铸铁柔化技术、将白口铁退火脱碳获得铸铁脱碳钢的制钢技术；至战国时期开始使用铁范成批铸造铁器；至迟于西汉，出现了在半融熔状态下将生铁炒炼脱碳成熟铁或钢的炒铁、炒钢技术，这使得工匠们能够以廉价的熟铁或钢料制作生产工具和兵器。东汉掌握了将钢铁制品进行多次折叠锻打的百炼钢技术，还出现了将生铁和熟铁合炼成钢的制钢技术，之后发展成为灌钢技术。另外，还陆续出现了夹钢、贴钢、生铁淋口、焖钢等多种制钢技术。以生铁为本的钢铁冶炼技术大大提高了生产力，为古代政治、经济、文化发展奠定了技术和物质基础。中国生铁冶铸技术以中原为中心，逐渐向周边地区扩散传播，促进了周边地区经济和文化的发展。

古代冶炼业的发展离不开鼓风技术。东汉时期出现了用于冶铸的水力鼓风机械——水排，这种装置在13世纪末已经发展为带有曲柄连杆机构的复杂机械。到宋代或宋以后，出现了另一种用于冶铸的鼓风机械，即双作用活塞式风箱。这种风箱的特点是无论推、拉活塞杆时均能鼓风，也即通过操作者的推拉运动实现连续鼓风。目前最早的图像见于1543年的一幅画中，一家铁匠铺里，三人挥锤锻打，另一个人拉风箱鼓风。

二、造纸与印刷

造纸术和印刷术为推动人类文明做出了重大贡献。纸的发明，为人类提供了适宜的书写材料；印刷术的发明，节省了大量书写时间，加速了知识的生产和传播。

公元前2世纪已出现植物纤维纸。1930年代以来，新疆、甘肃、陕西等地多次出土西汉古纸。甘肃天水放马滩汉墓出土的纸张有墨线图样，可能是地图残片，推测属于汉文帝、景帝时期（公元前179-公元前142年）。敦煌悬泉置遗址发现古纸460片，检测样品为麻类纤维所成。西汉地层出土者为浇纸法产品，东汉地层有少量抄纸法产品。其中汉昭帝时期（公元前86-公元前74年）地层出土古纸有隶书药名字迹，是迄今所见最早有文字的纸。从考古发现和文献记载来看，西汉古纸主要用作包装材料。

公元2世纪初，东汉尚方令蔡伦对制造作为书写材料的纸张有重大贡献。他用树肤、麻头、敝布、鱼网造“蔡侯纸”。这为纸的制造开辟了一个新的更广泛的原料来源，促进了纸的产量和质量的提高。汉末三国时，纸和缣帛、竹简均是当时的书写材料。到了魏晋南北朝时，除了麻纸、楮纸外，还出现了桑皮、藤皮纸等，纸张的舒适便捷顺应了历史潮流，政府曾下令禁止宫中使用简牍。到了4世纪时，纸成了唯一的书写材料。公元751年，由于唐帝国与大食在中亚的战争，一批中国战俘被迫在撒尔马罕造纸，这是中国造纸技术西传的滥觞。到了1100年，中亚、西非及北非都有了造纸作坊，纸在阿拉伯世界普及开来。经过阿拉伯，中国的造纸术又传到欧洲，最先接触纸和造纸的欧洲国家是西班牙、法国和意大利。到了19世纪后半叶，造纸术已经传遍世界。

雕版印刷术在中国起源的时间不晚于7世纪末，起初主要用于佛像、经文印刷。唐代高僧玄奘历经艰辛到印度学习佛经，后来返回唐代都城长安后致力于弘扬佛法。7世纪中叶时玄奘每年用回锋纸印刷大量普贤菩萨像，发给信众。中晚唐时，雕版印刷已经用于印制世俗读本，一个例子是唐文宗太和九年（835年）一道敕令说，不准民间私刻历书。现存最早的带年款的雕版印刷物是唐咸通九年（868年）敦煌发现的《金刚经》，它是世界上最早带有插图的印本书，卷首释迦牟尼说法的画面，妙相庄严、刻镂精美，雕印技法已臻成熟。到了宋代，官私刻书俱盛，成为中国雕版印刷史上的黄金时代。宋代刻书，品类齐全、印造精美，而且书坊遍布，以浙江、福建、四川最盛。

雕版印刷术传入朝鲜的时间可能为北宋初年，也是在北宋时，到中国的日本僧人携带一些宋本佛典回国，由此刺激了日本的雕版印刷。到元代，雕版印刷通过阿拉伯世界传到了欧洲。美国汉学家卡特（Thomas Francis Carter）说，“在欧洲雕版印刷的肇端中，中国的影响实为最后的决定因素。”

中国还发明了活字印刷术。如果把整块木版中的字分割开来，就形成独立的活字。北宋沈括在《梦溪笔谈》中记载了庆历年间（1041-1048年）一位叫毕昇的平民发明了“陶活字”，在一个铁框中排好字，然后压平，涂墨印刷。除陶活字外，北宋或元代出现了金属活字。从漫长的印刷史看，雕版印刷术是中国古代主要的印刷方式，活字印刷术未占主流。

三、瓷器

1498年，葡萄牙人达伽马绕过非洲好望角，开辟了通往印度的新航线。之后，许多葡萄牙人、西班牙人、荷兰人和英国人乘船接踵而至地抵达东亚，往欧洲运回大量中国瓷器获得巨额利润。其中，1614年荷兰东印度公司“格尔德兰”商船一次就装运中国瓷器69057件。当时欧洲上层社会使用、收藏中国瓷器成为风尚，据保守估计，仅18世纪，中国输入欧洲的瓷器就达六千万件以上。在17-18世纪，欧洲兴起了一股中国热，中国瓷器兼具的实用和艺术功能，以及它表现出来的精巧、细腻、华丽、不计繁琐的美学风格，对欧洲的文学和艺术都产生了很大影响。瓷器（china）也成了中国（China）的代名词。

大约在商代早期，中国古代先民在烧制陶器的实践中，不断地改进原料选择与处理，提高烧成温度，并器表施釉，创造了从陶到瓷过渡的原始瓷器。这种原始瓷器胎色灰白、胎质坚硬、表面施青绿色釉，故也叫“青釉器”。至迟在东汉时期已经烧制出成熟的瓷器，使中国成为发明瓷器的国家。东汉瓷器胎体坚实，烧制温度在1200度以上。该时期的瓷窑遗址以浙江省最多，代表性的是浙江上虞县小仙坛遗址出土的瓷器残片。

在唐代中期之前，中国瓷器生产以南方生产的“青瓷”为主。特别是浙江绍兴、余姚一带的越窑产品最为驰名，有人盛赞诗曰“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来。”另一种白瓷，大约北朝晚期开始在北方出现，其釉的助熔剂主要是氧化钙，同时要求铁的含量越少越好。到了唐代中期，白瓷烧制技术也逐渐成熟，以北方邢窑（今河北临城、内丘一带）为代表，釉色纯净似雪。这样在唐代，瓷器生产大致可以归纳为“南青北白”。

宋代制瓷业空前繁荣，工艺精湛，形成了著名的七大窑系，分别是北方的定窑、磁州窑、耀州窑，南方的景德镇窑、越窑、龙泉窑和建阳窑。比如磁州窑的特色，以白底黑花为主，在宋瓷中别具一格，特别是釉下黑彩的彩绘瓷枕，画面多取材生活小景，极富生活情趣。再如南方景德镇窑，质薄色润、明澈透光、白中泛青，白度和透光度极高，是宋代制瓷技术的代表作。

元代青花瓷技术是一大创新，这是中国陶瓷从素面装饰走向彩绘装饰的分水岭，也是景德镇一跃成为全国瞩目的陶瓷产地的重要原因之一。青花瓷是运用钴料进行绘画装饰的釉下彩瓷器。所谓釉下彩，就是指先用青花料在素胎上绘成花纹图案，然后上透明釉，在1200度以上的高温中一次烧成。因为青花料中含氧化钴，故呈青色。青花瓷白底蓝花，明净素雅，有中国传统水墨画的风格，独具神韵。

明代瓷器加彩的方法更加多样化，如有在烧成的青花瓷器上加上红、黄、绿、紫等彩料，再经炉火烧炼而成的斗彩，还有包括红彩在内的五彩瓷器等。清代的素三彩、五彩和粉彩、珐琅彩名闻中外。粉彩和珐琅彩都属于“釉上彩”，即在烧成了瓷器釉面彩绘，然后再在炉中低温烘烤，使彩料结于釉面之上。

1793年，英国马戛尔尼（George Macartney）使团到达中国，除了请求通商贸易及在华利益外，还希望清政府援助英国建立一个瓷器厂，并且把原料包括黏土、高岭土、釉料出口到英国。但这些计划均落空，在回国途中，他们原计划到景德镇考察，结果因为一些原因也未能前往。不过，1801年，英国东印度公司停止了对中国瓷器的进口。一方面是因为，英国制瓷技术的改进以及社会风尚的转变；另一方面，他们将有限的资金投入到了利润更大的茶叶方面。当马戛尔尼心存遗憾之时，不曾想到，世界瓷器贸易的格局正在发生变化。

四、火药与火器

火药是中国四大发明之一。中国古代的火药是以硝石、硫黄和木炭（或其他易碳化的有机物）按照一定比例组成的混合物，因其点火后迅速燃烧生成黑色烟焰，西方称之为黑火药。

中国古代火药的发明与炼丹术密切相关，在炼丹过程中为了防止爆炸和猛烈燃烧，炼丹家采用了许多“伏火”的配方。晋代炼丹家葛洪的《抱朴子》已有将硝、硫、炭合炼制丹的记载。

至晚于9世纪初，中国已经发明了火药。成书于唐宪宗元和三年（808年）的《太上圣祖金丹秘诀》“伏火矾法”明确记载了硫二两、硝二两、马兜铃（遇明火碳化）三钱半的火药配方。而且，当时的炼丹家已经注意到这一配方的危险性，并采取了一定的防御措施。另一部宋人辑录的炼丹术作品《诸家神品丹法》记载了一种“伏火硫黄法”，采用了与“伏火矾法”类似的火药配方。成书于10世纪上半叶的《真元妙道要略》记载，有一些炼丹家用硫磺、雄黄、硝石和蜂蜜放在一起加热，结果祸从天降，轻者烧伤手部、面部，严重者房屋也烧成灰烬。这是世界上火药具有爆炸性杀伤力的最早记载。到了10世纪后半叶，即五代到北宋初期，火药已经用于军事。《宋史》已记载到这一时期的火器，如火箭、火球、火蒺藜等。

“火药”一词最早出现于宋仁宗时期（1022-1063年），据《宋会要》记载，该年汴京的武器作坊中专门有生产火药的“火药作”。约1047年成书的《武经总要》首次记载了三个军用的火药配方：毒药烟球方、火砲火药方和蒺藜火球方。13世纪，蒙古军队西征时把火药技术带到阿拉伯。阿拉伯人在14世纪初将火器传到了欧洲。李约瑟认为，14世纪火炮的第一次轰鸣，敲起了城堡的丧钟，因而也敲响了西方的军事贵族封建制的丧钟。

火药发明以后，最先用于军事制成火器的是投射机发射的火球和弓弩发射的、用于纵火的“火药箭”。作为现代火箭先声的反冲式火箭的出现，与北宋末年汴京（今开封）流行的烟火杂戏有关。在烟火娱乐中，人们逐渐认识并利用了爆炸的反作用原理。南宋高宗绍兴三十一年（1161年）宋金采石之战中，宋军可能利用了反作用原理的军用火箭投入实战。这种火箭名叫“霹雳砲”，形象地说它就是一种大型的民间“二踢脚”，其构造是：在纸筒下部装发射药，上面装爆药，两者以药线相连。点燃发射药后，纸筒下部喷出火焰和气流，产生反作用力，使装置升空。发射药燃尽后，引燃爆药，于是一声巨响，纸筒被炸开。爆炸可在空中、也可在水面上发生。因纸筒内含石灰，故爆炸后灰面四散。这种装置是放出石灰烟雾的原始火箭弹，即用火箭运载的炸弹。

同样在南宋和金朝，出现了竹筒或纸筒制成的管形火器，在筒内点燃火药，用以喷射火焰。南宋开庆元年（1259年），寿春府所造突火枪是第一种见于记载的管形射击火器，以巨竹为筒，点燃筒内火药，发射“子窠”。13世纪末，元朝军队已装备金属火铳。大德二年（1298年）款铜碗口铳是迄今所知最早的火铳实物。13世纪前后，中国火器技术向周边扩散，间接催生了欧洲的火药武器。16-17世纪，明朝东南沿海以及北部边疆的一系列军事冲突，推动了欧式火器的引进与本土化。