中外科技论文发展史

中国是世界四大文明古国之一，有着渊源流长的历史和博大精深的文化。

在漫漫的历史长河中，勤劳智慧的中国人民曾经在自然科学和技术领域取得了累累硕果。

古代天文学、物理学、化学、地学、医药学以及建筑、纺织、陶瓷、造船、水利建设等方面的杰出成就曾经在世界居于领先地位，举世闻名的造纸术、印刷术、指南针、火药四大发明更是促进了整个人类文明的进步。

天文

中国是世界上天文学发展最早的国家之一。

据文献记载，远在四千多年前，尧帝时就设有司天官。

随着社会的进步，古代天文学得到迅速的发展。

在天象观测方面，公元前十六世纪中国就有天象的文字记载，他们相继留下的关于太阳黑子、彗星、流星、新星、日月五星的记事以及各种星图、星表，内容丰富，年代连续，其中许多还是世界上最早的记录；在天文学理论和天文仪器方面，他们创造了象浑天说这样颇有见识的宇宙观，发明了浑仪、简仪等光照后世的测天仪器；在历法方面，早在公元前十六至前十一世纪，中国就已经有了原始历法，经过不断改革完善沿袭至今，它既照顾了朔望月，又考虑了回归年，是别具一格的阴阳合历。

中国古代的天象纪事

早在新石器时代，中国的先民们就注意到物侯和天象的周期变化有密切的联系，于是开始了对日、月等天象的观察。

此后，中国人长期不断地辛勤致力于天象的观察和记录，取得了辉煌的成就，留下了关于太阳黑子、彗星、流星、新星等的各种记录。

这些天象纪事不仅内容详实，年代延续，其中许多还是世界上最早的记录，至今对于现代天文学的研究仍起到重要的作用，是一份极为珍贵的文化遗产。

日出黄有黑气——黑子的记录

黑子是太阳表面的气体漩涡，由于其温度比太阳其它部分的温度低，所以光芒也较之其它处幽暗一些，从地球上看仿佛是太阳表面出现了黑色的斑点或斑块，所以又称日斑。

关于太阳黑子，中国有世界上最早的观测记录。

大约在公元前140年前的《淮南子》一书中就有“日中有踆乌”的记述。

现今世界公认的最早的太阳黑子记事，是载于《汉书·五行志》中的河平元年（公元前28年）三月出现的太阳黑子：“河平元年……三月己未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”这一记录将黑子出现的时间与位置都叙述得详细清楚。

欧洲关于太阳黑子纪事的最早时间是公元807年8月，当时还被误认为是水星凌日的现象，直到意大利天文学家伽利略1660年发明天文望远镜后，才确认黑子是确实存在的。

而在此之前，我国历史上已有关于黑子的101次记录，这些记录不但有时间，还有形状、大小、位置以及变化情况等等。

难怪美国天文学家海尔会赞叹道：“中国古代观测天象，如此精勤，实属惊人。

他们观测日斑，比西方早约2000年，历史上记载不绝，并且都很正确可信。”

有星孛入于北斗——彗星的记录

彗星是绕太阳运行的一种质量较小的天体，呈云雾状的独特外貌。

彗星包括彗发、彗核、彗尾三部分。

彗尾是彗星离太阳近时，彗发变大，太阳风和太阳的辐射压力把彗发的气体和微尘推开生成的，形状好象一把大扫帚，所以在中国民间又把彗星叫做“扫帚星”。

中国对彗星的观测和研究已有四千多年历史，拥有世界上最早、最完整的彗星记录。

我国古代称彗星为“星孛”，《春秋》上记录了鲁文公十四年（公元前613年）出现的彗星：“秋七月，有星孛入于北斗。

“这是关于哈雷彗星的最早记录。

哈雷彗星是一颗周期彗星，每76年出现一次，从鲁文公十四年开始到清代宣统二年（公元1910年）止，哈雷彗星出现过31次，每次出现，我国都有详细的记录。

如《史记·秦始皇本纪》记载：“始皇七年，彗星先出东方，见北方，五月见西方，……彗星复见西方十六日。”这段记载的年、月、日数，位置和近代科学家推算的完全相符。

到战国时代，我国对彗星的观测已经积累了比较丰富的经验。

长沙马王堆三号汉墓帛书中有画着各种形态的彗星图29幅，这些彗星的彗尾有宽有窄，有长有短，有直有弯，条数也不等，彗星的头部有的是一个圆圈或圆点，有的是圆圈中心还有一个小圆点或者圆圈，这说明当时的人们已经注意到彗星的不同形态，其观测的精确程度就今天来看，也是有科学价值的。

关于彗尾的成因，中国也较早就有了比较正确的解释，《晋书·天文志》记载：“彗体无光，傅日而为光，故夕见则东指，晨见则西指。

在日南北，皆随日光而指。

顿挫其芒，或长或短……”。

而欧洲直到十六世纪以前一直误认为彗星是大气中的一种燃烧现象。

中国的彗星观测成果，得到近代西方天文学家的高度赞扬。

法国人巴尔代二十世纪五十年代在研究《彗星轨道总表》之后曾说：“彗星记载最好的（除极少数例外），当算中国的记载。”

朔月辛卯日有食之——日食的记录

日食是一种太阳被月球遮蔽的现象。

当月球在绕地球运行过程中，有时会走到太阳和地球中间，这时月球的影子落到地球表面上，位于影子里的观测者便会看到太阳被月球遮住，这就是日食。

??当日食发生时，本来光芒四射的太阳会突然变得暗淡无光，成为一个暗黑的圆面，星星却出现在白日的天空，这样的奇特景象，对于不了解其原因的古人来说是一件惊天动地的大事，自然成为了中国先民们重点观测的天象。

早在三千多年前，殷墟甲骨文中就有关于日食的记载。

《书经·胤征篇》记载：“乃季秋月朔，辰弗集于房……，瞽奏鼓，啬失驰，遮人走……”，描述了夏代仲康元年日食发生的时候人们惊慌失措的场面。

《诗经·小雅》中还以诗歌的形式记载着发生的日食：“十月之交，朔日辛卯，日有食之”。

从我国春秋时期到清代同治十一年（公元前770年——公元1874年），有记载的日食共985次，其中年月不符，无日食可考的仅有8次，不及总数的1%。

??日食的发生具有一定的周期性。

我国是世界上较早发现日食周期的国家之一。

西汉末年刘歆总结出一种周期，认为135个月中要发生23次日食。

大约从公元三世纪起我国就能预报日食初亏和复圆的方向，到了唐代对于日食的预报已经比较准确了。

夜中星陨如雨——流星的记录

在繁星密布的夜空中，常常能看到一道白光一闪而逝，这就是流星。

有时候还能看到天空的某个区域有无数亮光四下飞流，好象下雨一样，这就是壮观的流行雨现象。

流星和流星雨是行星际空间中叫作流星体的尘粒和固体块闯入地球大气圈同大气摩擦燃烧产生的光迹。

??中国人对流星群、流星的记载，早于其他国家。

古书《竹书纪年》中就有关于流星的记录：“夏帝癸十五年，夜中星陨如雨。”《左传》的记载，鲁庄公七年“夏四月辛卯夜，恒星不见，夜中星陨如雨”，是世界上最早的天琴座流星雨记录。

我国古代的流星雨记录达180次之多。

??中国人不仅记录流星，而且能准确地指出陨石的来历：“星坠至地，则石也”（见于《史记·天官书》。

）而在欧洲，公元1768年曾发现三块陨石，对此巴黎科学院推举拉瓦锡做研究，他得出的结论却是：“石在地面，没入土中，电击雷鸣，破土而出，非自天降。”一直到公元1803年欧洲人才知道陨石的由来。

客星见于房——新星和超新星的记录

某些通常很暗的星星，突然爆发出比原来的亮度强几千到几百万倍的光，叫新星，有的亮度增强到一亿乃至几亿倍，叫超新星。

以后它们又逐渐暗弱下去，好象在星空中做客一般，所以被古人称之为“客星“。

??我国对新星和超新星的出现早有记载。

商代甲骨卜辞中就记载了大约公元前十四世纪出现于天蝎座α星附近的一颗新星。

《汉书·天文志》中记载有：“元光元年五月，客星见于房。”这记录的是公元前134年出现的一颗新星，这颗新星是中外史书中均有记载的第一颗新星，与其他国家的记载比，我国的记载不仅写明了时间，还写明了方位，因此法国天文学家比奥在著《新星汇编》时把《汉书》的记载列为首位。

18世纪末，有人通过望远镜，在天关星附近发现一块外形像螃蟹的星云，取名叫蟹状星云。

1921年，科学家发现在蟹状星云中有一颗脉冲星，它是已发现的脉冲星中周期最短的一个，也是迄今所知唯一的全波脉冲星。

根据蟹状星云的膨胀速度推算，这颗星应该是公元1054年爆发的一颗超新星产生的。

而这颗超新星在我国的史书《宋会要辑稿》上有详细的记载。

??自商代到十七世纪末，我国史书共记载了新星、超新星约90颗左右，其中大约有12颗属于超新星，这么丰富而系统的历代新星爆发记录在世界各国中是独一无二的。

中国古代的天体测量成就

天体测量学是天文学中最古老也是最基本的一个分支，主要是研究如何测定星辰的位置和星辰到达某个位置的时间。

我国古代天文学家设计制造了各种精密而先进的天体测量仪器和天文台，在天体测量方面取得了巨大成就，留下了许多珍贵的星图、星表等史料。

浑仪

我国古代使用的的天体测量仪器主要有浑仪、简仪等；表演天体视运动的仪器主要是浑象等。

（1）浑仪 浑仪是以浑天说为理论基础制造的测量天体的仪器。

浑天说是我国古代的一种重要宇宙理论，认为"浑天如鸡子，天体圆如蛋丸，地如鸡中黄"，天内充满了水，天靠气支撑着，地则浮在水面上。

天的大圆分为度，浑天旋轴两端分别称为南极、北极，赤道垂直于天极，黄道斜交着天的大圆，黄赤道交角为24度。

浑仪正是以此为基础而设计的。

我国浑仪的发明大约是在公元前四世纪至 公元前一世纪之间（即战国中期至秦汉时期）。

早期的浑仪比较简单，经过历代天文学家的改进，到了唐代，由天文学家李淳风设计了一架比较精密完善的浑天黄道仪。

整个仪器分为三层，外层叫六合仪，包括地平圈、子午圈和赤道圈。

中层叫三辰仪，是由白道环、黄道环和赤道环构成。

里层叫四游仪，包括一个四游环和窥管。

现存明制浑仪基本就是这种结构，所不同的是取消了三辰仪中的白道环，而加上了二分环和二至环。

由于浑仪的圈环过于复杂，遮掩天区，影响观测，所以元代的天文学家郭守敬将其简化，创制了简仪。

简仪

元代天文学家郭守敬于公元1276年创制的一种测量天 *** 置的仪器。

因将结构繁复的唐宋浑仪加以革新简化而成，故称简仪。

它包括相互独立的赤道装置和地平装置，以地球环绕太阳公转一周的时间 日分度。

简仪的赤道装置用于测量天体的去极度和入宿度（赤道坐标），与现代望远镜中广泛应用的天图式赤道装置的基本结构相同。

它由北高南低两个支架，托着正南北方向的极轴，围绕极轴旋转的是四游双环，四游环上的窥管两端安有十字丝，这是后世望远镜中十字丝的鼻祖。

极轴南端重迭放置固定的百刻环和游旋的赤道环。

为了减少百刻环与赤道环之间的摩擦，郭守敬在两环之间安装了四个小圆柱体，这种结构与近代"滚柱轴承"减少摩擦阻力的原理相同。

简仪的地平装置称为立运仪，它与近代的地平经纬仪基本相似。

它包括一个固定的阴纬环和一个直立的、可以绕铅垂线旋转的立运环，并有窥管和界衡各一。

这个装置可以测量天体的地平方位和地平高度。

简仪的底座架中装有正方案，用来校正仪器的南北方向。

在明制简仪中正方案改为日晷。

简仪的创制，是我国天文仪器制造史上的一大飞跃，是当时世界上的一项先进技术。

欧洲直到三百多年之后的1598年才由丹麦天文学家第谷发明与之类似的装置。

郭守敬创制的简仪，在清康熙五十四年（公元1715年）被传教士纪理安当作废铜给熔化了。

现在保存在南京紫金山天文台的简仪是明代正统二年到七年（公元1437-1422年）间的复制品。

郭守敬（1231-1316年），河北邢台人，元代著名的天文学家。

郭守敬自小师从祖父郭荣学习天文、算学和水利。

他对天文学尤其感兴趣，常自己动手制造天文土仪器用于观察天象。

公元1276年，元太祖忽必烈下令编制新历，郭守敬奉命参加修历。

四年后，新历《授时历》基本完成。

这是中国古代一部优秀的历法，在制定过程中，郭守敬作出了卓越的成绩。

郭守敬在制历之初就提出了"历之本在于测验，而测验之器莫先于仪表"。

为此，他在三年之内，共设计出简仪、高表、星晷定时仪，以及立运仪、日月食仪、玲珑仪等12种新天文仪器，其精巧程度和准确度大大超过前人。

除此之外，他还是位杰出的水利专家和地理学家，曾主持了若干重要的水利工程，至今受到中外专家赞誉。

浑象、假天仪

浑象 浑象是一种表演天体视运动的仪器。

它把太阳、月亮、二十八宿等天体以及赤道和黄道都绘制在一个圆球面上，能使人不受时间限制，随时了解当时的天象。

白天可以看到当时在天空中看不到的星星和月亮，而且位置不差；阴天和夜晚也能看到太阳所在的位置。

用它能表演太阳、月亮以及其他星象东升和西落的时刻、方位，还能形象地说明夏天白天长，冬天黑夜长的道理等。

我国的第一架浑象大约是公元前70～50年间耿寿昌创制的。

后来历代都十分重视浑象的制造工作，张衡、一行、苏颂等许多天文学家都曾进行过设计，这些实物现在都没有了，仅存的清代天体仪可算是古代浑象的仿制品。

假天仪 一般的浑象，大都是人站在球外边看，这对于计算坐标和观察星空有它方便的地方，但对于象征天穹来说，还不够逼真。

宋代的苏颂、韩公廉共同研制了一个能从内部观看形象的设备。

它在球面相应于天空星象的位置凿有小孔，人进到球内，可以看到点点光亮如天上繁星，转动球体，则"中星、昏、晚（晓），应时皆见于窍中。

"这种假天仪可说是近代天象仪的祖先。

登封测景台

中国古代天文观测台，位于河南省登封县境内，1279年元代天文学家郭守敬设计制造。

观景台平面呈正方形，边长16米余，台高米，台北面石圭长米，俗称量天尺。

量天尺和观景台构成一个巨型圭表，石圭居于子午线方向。

圭面中心和两旁均有刻度以测量影长。

根据台上横梁在石圭上投影的长短变化，确定春分、夏至、秋分、冬至，划分四季。

为了观测的准确，郭守敬还发明了“景符”，即用一个宽二寸、长四寸的铜叶，上面穿小孔，放于支架上在圭面上来回移动，利用小孔成像的原理，把太阳和表横梁经过景符小孔清晰实在、细若发丝地投影在圭面上。

当梁影平分日像时，即可度量日影长度。

星图星表

我国古代取得了大量天体测量成果，为后人留下了很多珍贵的星图、星表。

星表是把测量出的恒星的坐标加以汇编而成的。

大约在公元前四世纪的战国时代，魏人石申编写了《天文》一书共8卷，后人称之为《石氏星经》。

虽然它到宋代以后失传了，但我们今天仍然能从唐代的天文著作《开元占经》中见到它的一些片断，并从中可以整理出一份石氏星表来，其中有二十八宿距星和115颗恒星的赤道坐标位置。

这是世界上最古老的星表之一。

星图是天文学家观测星辰的形象记录，它真实地反映了一定时期内，天文学家在天体测量方面所取得的成果。

同时，它又是天文工作者认星和测星的重要工具，其作用犹如地理学中的地图。

早在先秦时期，我国古代天文学家就开始绘制星图。

现存最早的描绘在纸上的星图是唐代的敦煌星图。

唐敦煌星图最早发现于敦煌藏经洞，1907年被英国人斯坦因盗走，至今仍保存在英国伦敦博物馆内。

它绘于公元940年，图上共有1350颗星，它的特点是赤道区域采用圆柱形投影，极区采用球面投影，与现代星图的绘制方法相同，是我国流传至今最早采用圆、横两种画法的星图。

1971年在河北省张家口市宣化区的一座辽代墓里发现了一幅星图。

该图绘于公元1116年，用于墓顶装饰，星图绘画在直径米圆形范围内，绘制方法为盖图式，图中心嵌着一面直径为35厘米的铜镜，外圈是中国的二十八宿，最外层是源于巴比伦的黄道十二宫，从中可看出在天文学领域内中外文化交流的迹象。

1974年在河南洛阳北郊的一座北魏墓的墓顶，又发现了一幅绘于北魏孝昌二年（公元526年）的星图，全图有星辰三百余颗，有的用直线联成星座，最明显的是北斗七星，中央是淡蓝色的银河贯穿南北。

整个图直径7米许。

这幅星象图是我国目前考古发现中年代较早、幅面较大、星数较多的一幅。

现存在苏州博物馆内的苏州石刻天文图，是世界现存最古老的石刻星图之一，刻于公于1247年（南宋丁未年），主要依据公元1078～1085年（北宋元丰年间）的观测结果。

图高约米，宽约米，图上共有星1434颗，位置准确。

全图银河清晰，河汉分叉，刻画细致，引人入胜，在一定程度上反映了当时天文学的发展水平。

指南针的发明

古代民间常用薄铁叶剪裁成鱼形，鱼的腹部略下凹，像一只小船，磁化后浮在水面，就能指南北。

当时以此做为一种游戏。

东晋的崔豹在《古今注》中曾提到这种“指南鱼”。

北宋时，曾公亮在《武经总要》载有制作和使用指南鱼的的方法：“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，侯通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。

用时，置水碗于无风处平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也。”这是一种人工磁化的方法，它利用地球磁场使铁片磁化。

即把烧红的铁片放置在子午线的方向上。

烧红的铁片内部分子处于比较活动的状态，使铁分子顺着地球磁场方向排列，达到磁化的目的。

蘸入水中，可把这种排列较快地固定下来，而鱼尾略向下倾斜可增大磁化程度。

人工磁化方法的发明，对指南针的应用和发展起了巨大的作用。

在磁学和地磁学的发展史上也是一件大事。

北宋的沈括在《梦溪笔谈》中提到另一种人工磁化的方法：“方家以磁石摩针锋，则能指南。”按沈括的说法，当时的技术人员用磁石去摩擦缝衣针，就能使针带上磁性。

从现在的观点来看，这是一种利用天然磁石的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列趋于某一方向，从而使钢针显示出磁性的方法。

这种方法比地磁法简单，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的发明不但世界最早，而且为有实用价值的磁指向器的出现，创造了条件。

沈括还在《梦溪笔谈》的补笔谈中谈到了摩擦法磁化时产生的各种现象：“以磁石摩针锋，则锐处常指南，亦有指北者，恐石性亦不……，南北相反，理应有异，未深考耳。”这是说，用磁石去摩擦缝衣针后，针锋有时指南，也有时指北。

从现在的观点来看，磁石都有N和S两个极，磁化时缝衣针针锋的方位不同，则磁化后的指向也就不同。

但沈括并不知道这个道理，他真实的记录了这个现象并坦白承认自己没有做深入思考。

以期望后人能进一步探讨。

关于磁针的装置方法，沈括介绍了四种方法： 1.水浮法——将磁针上穿几根灯心草浮在水面，就可以指示方向。

2.碗唇旋定法——将磁针搁在碗口边缘，磁针可以旋转，指示方向。

3.指甲旋定法——把磁针搁在手指甲上面由于指甲面光滑，磁针可以旋转自如，指示方向。

4.缕悬法——在磁针中部涂一些蜡，粘一根蚕丝，挂在没有风的地方，就可以指示方向了。

沈括还对四种方法做了比较，他指出，水浮法的最大缺点，水面容易晃动影响测量结果。

碗唇旋定法和指甲旋定法，由于摩擦力小，转动很灵活，但容易掉落。

沈括比较推重的是缕悬法，他认为这是比较理想而又切实可行的方法。

事实上沈括指出的四种方法已经归纳了迄今为止指南针装置的两大体系——水针和旱针。

《梦溪笔谈》是沈括(1031—1095年)所著的有关我国古代科学技术的著作，书中谈到磁学和指南针的一些问题。

南宋陈元靓在《事林广记》中介绍了另一类指南鱼和指南龟的制作方法。

这种指南鱼与《武经总要》一书记载的不一样，是用木头刻成鱼形，有手指那么大，木鱼腹中置入一块天然磁铁，磁铁的S极指向鱼头，用蜡封好后，从鱼口插入一根针，就成为指南鱼。

将其浮于水面，鱼头指南，这也是水针的一类。

指南龟是当时流行的一种新装置，将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内，在木龟腹下方挖一光滑的小孔，对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上，这样木龟就被放置在一个固定的、可以自由旋转的支点上了。

由于支点处摩擦力很小，木龟可以自由转动指南。

当时它并没有用于航海指向，而用于幻术。

但是这就是后来出现的旱罗盘的先声。

指南龟发明年代不晚于1325年。

木块刻成龟型，龟腹部中心嵌以磁体，木龟安放在尖状立拄上，静止时首尾分指南北。