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第5章 王祯创制耕耘器具（第4页）

为什么会出现这奇怪的现象呢？墨子解释道：这是因为光线像射箭一样，是直线行进的。人体下部挡住了直射过来的光线，穿过小孔，成影在上边；人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在下边，就成了倒立的影。墨子并指出，人的位置离墙壁由远及近，暗室里的影也由小变大，倒立在墙上。这是对光直线传播的第一次科学解释。

书中还利用光线直线传播的原理，解释了物体和投影的关系。墨子认为，光被遮挡就产生投影，物体的投影，并不跟随物体一起移动。如飞翔着的鸟儿，它的影子仿佛也在飞动着，实际上并不是这种情况。

墨子指出，飞鸟遮住了直线前进的光线，形成了影子。在一瞬间，飞鸟移动了位置，原来光线照射不到的地方，旧影就消失了，而在新的地方，出现新的影子。这就是说，鸟在飞翔中，它的影子并不跟着移动，而是新旧投影的不断更新。在000多年前，能这样深入细致地研究光的性质，做出正确解释，确是难能可贵的。

墨子和他的学生们也对镜子成像的原理进行了深入的研究，并提出了平面镜、凹面镜和凸面镜成像的理论。

透光镜是西汉时出现的一种独特的神奇铜镜，镜的外形与一般青铜镜无异，但当光线照射镜面时，会显现出镜子背面的花纹，仿佛光从镜子背后透出一样，由此被称为“透光镜”。隋唐之际王度的《古镜记》、宋周密的《云烟过眼录》等，都有关手透光镜的记载。明明是一面没有镂空，不透明的铜镜，为什么能透光呢？

为了研究铜镜透光的原理，历代学者对“透光镜”投入了极大的关注。宋代科学家沈括对“透光镜”进行了深入的考察，指出透光镜之所以可以透光，关键原因在于“文虽在背，而鉴面隐然有迹”，这个解释是十分正确的。因为镜背面有花纹，致使镜面也呈现出相对应的微观曲率，肉眼虽然容易觉察，但当镜子反射光线时，由于长光程放大效应，就能在屏上反映出来。清代的物理学家郑复光对透光镜的原理进行了进一步的说明，他还利用水面纹波的道理对透光镜进行了生动的解释，平静的水面所反射的光线，投到墙壁上，也能看到有点动荡，这就是因为水面实际上有微小的起伏的波纹，和透光镜的原理是一样的。

97年，复旦大学光学系和上海博物馆的研究人员还用实验证明了沈括的解释的正确性。他们用淬火冷缩法仿制了一面透光镜，效果和古镜一样。上海交通大学铸工教研组的研究认为：铜镜在铸造过程中，镜背的花纹凹凸处凝固收缩，产生铸造应力；研磨时又产生压应力，因而形成弹性形变。研磨到一定程度时，这些因素迭加地发生作用，使镜面产生与镜背花纹相应而肉眼不易觉察的曲率，引起“透光”效应。因此这种镜子的效应实际不是透光而是映象。

在河北省衡水市饶阳县五公镇，村民李兰捆，凭着一本《中国古代冶金简史》，经过无数次的钻研和摸索，在自己盘的土打铁炉上，成功复制了传说中的“透光镜”。2009年国庆前夕，李兰捆在自己的打铁炉上又造出一枚透光镜，上面有“新中国六十华诞纪念”字样，他说，作为共和国的同龄人，他要造出一枚透光镜迎接新中国成立60周年。

在造这枚透光镜的时候，李兰捆将两个镜面背对着镶嵌在一起，用铜条严密地箍着，还加了些装饰性的花纹，但是这样一来，铜镜背面的内容就看不到了。于是李兰捆又特意制作了一个铜质包装盒，铜镜背面的花纹和“祖国万岁”字样就印在上面。把这枚铜镜镜面对准阳光，向一个白木板上反光时，铜镜后面的图案果然呈现在了光影里，果然是花纹的图案和“祖国万岁”四字。

杜诗（？～8），字君公，河内汲县人，东汉官员及发明家。杜诗青年时期就才能出众，在河内郡（今河南武陟西南）任吏员时，人们赞扬他处事公平。光武帝初年，为侍御史。当时将军萧广放纵士兵，在洛阳民间为非作歹，老百姓惶恐不安。杜诗通告萧广约束部下，萧广不予理睬。杜诗下令按法诛萧广，并将经过情形向上汇报，得到表扬。建武七年（年），杜诗迁升为南阳郡太守。当时南阳是全国冶铁中心，冶铁业的发展促进了水利事业的兴盛，杜诗在这方面也作出了很大成绩，促进了当地农业生产的发展。杜诗最大的贡献就是创造了利用水力鼓风铸铁的机械水排。

最初的鼓风设备叫人排，用人力鼓动；继而用畜力鼓动，因多用马，所以也叫马排。直到杜诗时改用水力鼓动，称水排。所谓“水排”，就是应用水力机械轮轴带动鼓风囊，使皮囊不断伸缩、给冶金高炉加氧的一种器具。这种装置，用力少，见功多，是我国冶金史上的一大改革，也是中国对世界冶金技术的杰出贡献。用水排代替人排、马排，大大提高了劳动生产率。古代每一熟石合一百二十斤。马排用马一百匹冶铁一百二十斤；改用水排，在同样的时间内，可以冶铁三百六十斤，提高功效三倍。水排的发明对于生铁冶业铸的发展有着极重要的意义，不但节省了人力、畜力，而且鼓风能力比较强，因此促进了冶铁业的发展。水排在我国沿用了很长一个时期，直到0世纪70年代，一些地方还在使用。

由同一时期的水碓和翻车结构推测，东汉时的水排应该是一种轮轴拉杆传动装置，我国古代水排构造的详细技术最早见于元代的《王祯农书》，依水轮放置方式的差别，分为立轮式和卧轮式两种，并绘有图形。都是通过轮轴、拉杆及绳索把圆周运动变成直线往复运动的，以此达到起闭风扇和鼓风的目的。因为水轮转动一次，风扇可以起闭多次，所以鼓风效能大大提高。

水排的发明是中国古代机械工程史上的伟大创举，对冶铁业的发展起到了巨大的推动作用，杜诗作为水排的发明者名流千古。

蔡伦（～），字敬仲，东汉桂阳郡（今湖南耒阳市）人。蔡伦从小到皇官里做太监，担任职位较低的职务小黄门，后来得到汉和帝信任，被提升为中常侍，参与国家的机密大事。他还做过管理宫廷用品的尚方令，监督工匠为皇室制造宝剑和其他各种器械，得以经常和工匠们接触。

中国是世界上最早养蚕织丝的国家，古人以上等蚕茧抽丝织绸，剩下的恶茧、病茧等则用漂絮法制成丝绵。漂絮完毕，篾席上会遗留一些残絮。当漂絮的次数多了，篾席上的残絮便积成一层纤维薄片，经晾干之后剥离下来，可用于书写。但这种漂絮的副产物数量不多，在古书上称它为赫蹏或方絮。

蔡伦总结了前人造纸的经验，开始潜心研究改进造纸术的方法。他认为扩大造纸原料的来源，改进造纸技术，提高纸张质量，就可以使纸张为人们所接受。蔡伦首先使用树皮造纸，树皮是比麻类丰富得多的原料，这样就使纸的产量有了大幅度的提高。但树皮中所含的木素、果胶、蛋白质麻类高很多，脱胶、制浆都比较困难。蔡伦发现，草木灰水有较大的碱性，用草木灰水制造纸浆造出来的纸张光滑、平实、易书写。

东汉元兴元年（0年）蔡伦把他制造出来的一批优质纸张献给汉和帝，汉和帝通令天下采用。从此，蔡伦改进的造纸方法得以广泛推广。造纸术的发明，是中国在人类文化传播和发展史上做出的一项十分宝贵的贡献。

随着人们对造纸术研究的逐步深入，对造纸术的发明者产生了很多争议。

持否定造纸术是蔡伦发明的专家们认为，在史籍里，早在蔡伦以前，就有了关于纸的记载。《三辅旧事》上曾说：卫太子刘据鼻子很大，汉武帝不喜欢他。江充给他出了个主意，教他再去见武帝时“当持纸蔽其鼻”。太子听从了江充的话，用纸将鼻子掩盖住，进宫去见武帝，汉武帝大怒。此事发生在公元前9年。又如《汉书·赵皇后传》记载：汉成帝的宠妃赵飞燕的妹妹赵昭仪要害死后宫女曹伟能，就派人送去毒药和一封“赫蹄书”，逼曹伟能自杀。据东汉人应劭解释，“赫蹄”即“薄小纸也”。

一种意见坚持认为，蔡伦是我国造纸术的发明者。理由是根据汉代许慎《说文解字》中有关纸的解释，在蔡伦之前古代文献中所提到的纸，都是丝质纤维所造的，实际上不是纸，只是漂丝的副产品，自古至今要造成一张中国式的植物纤维纸，一般都要经过剪切、沤煮、打浆、悬浮、抄造、定型干燥等基本操作。所谓西汉古纸，充其量不过是纸的雏形。蔡伦及其工匠们在前人漂絮和制造雏形纸的基础上总结提高，从原料和工艺上把纸的生产抽调到一个独立行业的阶段，用于书写，这才是真正的纸。

炼丹术产生于战国到西汉这段时期。当时，一些达官显贵最害怕生老病死，做梦都想长生不老。有些人就试着把冶金技术用到了炼制药物方面，希望能炼出仙丹妙药。那些矿物硝和硫在一起加热后，还真的炼成了一粒粒闪闪发光的金丹，遗憾的是，这金晃晃的小丸子，不是什么仙丹，它不过是一种最普通不过的化学反应罢了。

虽然没有一个人靠仙丹得以长寿，但这并不能动摇炼丹家们的炼丹信念，他们认为仙丹是肯定可以炼成的。于是，他们把自己关在深山老林中，一门心思地为炼丹忙碌着。当然，炼制仙丹是件永远也不可能完成的任务。但是在炼丹过程中，炼丹家发现了两个有趣的现象：一是硫磺的可燃性非常高，二是硝石具有化金石的功能。硫磺和硝石都是制造火药的重要原料，正是这两项的发现，为将来火药的发明奠定了基础。

《太平广记》中记载了一个故事，说的是隋朝初年，有一个叫杜春子的人去拜访一位炼丹老人。半夜杜春子梦中惊醒，看见炼丹炉内有“紫烟穿屋上”，顿时屋子燃烧起来。还有一本名叫《真元妙道要略》的炼丹书也谈到用硫磺、硝石、雄黄和蜜一起炼丹失火的事，火把人的脸和手烧坏了，还直冲屋顶，把房子也烧了。书中告戒炼丹者要防止这类事故发生，这说明唐代的炼丹者已经掌握了一个很重要的经验，就是硫、硝、碳三种物质可以构成一种极易燃烧的药，这种药被称为“着火的药”，即火药。

火药发明后，首先被古代军事家所利用，制造出火药武器，用于战争。火药发明之前，火攻是军事家常用的一种进攻手段，那时在火攻中，用了一种叫做火箭的武器，它是在箭头上绑一些像油脂、松香、硫磺之类的易燃物质，点燃后用弓射出去，用以烧毁敌人的阵地。如果用火药代替一般易燃物，效果要好得多。有了火药，军事家们开始利用抛石机抛掷火药包以代替石头和油脂火球，战斗力倍增。

到了两宋时期，火药武器发展很快。人们越来越认识到火药的重要性，于是在世纪的南宋时期，新式的管形火器问世了。这时候，人们已经对火药的性能了如指掌，任何烈性火药都能控制自如。等到了宋末元初，管形火器开始用铜和铁等材料铸制，大的叫火铳，小的叫手铳，模样同近代的武器大同小异。

今天，火药不仅仅用于制造枪炮，开山筑路、挖矿修渠都离不开它，所以一些外国科学家说：火药的发明，加快了人类历史演变的进程。

活字印刷术是北宋平民发明家毕昇发明的。他总结了历代雕版印刷的丰富实践经验，经过反复试验，在宋仁宗庆历年间（0～08）制成了胶泥活字，实行排版印刷，完成了印刷史上的一项重大革命。

毕昇发明活字印刷术的灵感来自于两个儿子玩的“过家家”游戏。有一年清明节，毕昇带着妻儿回到家乡祭拜祖先。在乡下，两个儿子玩得不亦乐乎，他们从田间挖来泥巴，做成了锅、碗、桌、椅、猪、人等泥雕，随心所欲地摆来摆去。当时，毕昇正为了改良印刷术而发愁，儿子们捏的泥雕让毕昇眼前一亮。当时他就想，我何不也来玩过家家：用泥刻成单字印章，不就可以随意排列，排成文章了吗？这个发现让毕昇兴奋不已。回到家中，毕昇就开始了活字印刷术的第一场实验。

毕昇的方法是这样的：他先用胶泥做成一个个规格一致的毛坯，在一端刻上反体单字，字划突起的高度象铜钱边缘的厚度一样，用火烧硬，做成单个的胶泥活字。为了适应排版的需要，一般常用字都备有几个甚至几十个，以备同一版内重复的时候使用。遇到不常用的冷僻字，如果事前没有准备，可以随制随用。为便于拣字，把胶泥活字按韵分类放在木格子里，贴上纸条标明。排字的时候，用一块带框的铁板作底托，上面敷一层用松脂、蜡和纸灰混合制成的药剂，然后把需要的胶泥活字拣出来一个个排进框内。排满一框就成为一版，再用火烘烤，等药剂稍微熔化，用一块平板把字面压平，药剂冷却凝固后，就成为版型。印刷的时候，只要在版型上刷上墨，覆上纸，加一定的压力就行了。为了可以连续印刷，就用两块铁板，一版加刷，另一版排字，两版交替使用。印完以后，用火把药剂烤化，用手轻轻一抖，活字就可以从铁板上脱落下来，再按韵放回原来木格里，以备下次再用。

在毕昇发明活字印刷术之前，人们普遍使用的印刷方法是雕版印刷。即在一定厚度的平滑木板上，粘贴上抄写工整的书稿，稿纸正面和木板相贴。雕刻工人用刻刀把版面没有字迹的部分削去，就成了字体凸出的阳文，和字体凹入的碑石阴文截然不同。印刷的时候，在凸起的字体上涂上墨汁，然后把纸覆在上面，轻轻拂拭纸背，字迹就留在纸上了。雕版印刷对文化的传播起到了重大作用，但是它也存在明显缺点：第一，刻版费时费工费料；第二，大批书版存放不便；第三，有错字不容易更正。

毕昇发明的活字制版正好避免了雕版的不足。只要事先准备好足够的单个活字，就可随时拼版，大大地加快了制版的速度。活字版印完后，可以拆版，活字可重复使用，且活字比雕版占有的空间小，容易存储和保管，有错字也很容易改正。这样活字印刷术的优越性就表现出来了。

活字印刷术不仅能够节约大量的人力物力，还能够大大提高印刷的速度和质量。现代的凸版铅印，虽然在设备和技术条件上是毕昇的活字印刷术所无法比拟的，但是基本原理和方法是完全相同的。活字印刷术的发明，为人类文化做出了重大贡献。

宋元时期，海上交通异常繁荣，东来西往的船只不断穿梭于茫茫大海上。说来奇怪，同是海船，在触礁后船体破裂的情况下，外国船舶很快就进水沉没，唯独中国船舶虽也进水，但不多，仍能继续航行。到达口岸卸货后，加以修复，就能继续下海航行。

其中的奥妙在哪里呢？这就在于中国的船舶中设置了水密隔舱。所谓水密隔舱，就是用水密隔舱板把船体分隔成互不相通的一个一个舱区，舱数有个的，也有8个的。这是中国古代造船工艺上的一项重大发明。

中国船舶设置水密隔舱的传统，最早可上溯到殷商的甲骨时代。专家们解释说，甲骨文的象形文字“舟”字，就是用横舱壁将船体分隔成几个舱，它足以证明当时人们对船这一交通工具己有一定的了解。到了晋代，则有水师用的“八槽舰”。人们将船体沿长向分隔成8个舱。从出土的唐代占船上也可看到唐代水密隔舱的技术。宋代出土的泉州古船，水密隔舱工艺又前进了一步：船上的横舱壁，由在底部和两舷的肋骨以及甲板下的横梁予以环围，这样既有利于水密性，又增加了结构的强度，一举两得。隔舱舱板与船壳板用扁铁和钩钉钉联，隙缝用桐油灰填实，具有严密的隔水作用。98年，在泉州又发现一艘南宋海船，也是采用水密隔舱结构，它的隔舱舱板同船壳板之间用铁方钉和木钩钉钉合在一起。

水密隔舱的设置具有多方面的优越性。首先，由于舱同舱之间是严密分隔开的，在航行中，特别是远洋航行中，即使有一两个船舱破损进水，水也不会流到其他船舱。从船的整体来看，仍然保持有相当的浮力，不致沉没。如果进水太多，船支撑不住，只要抛弃货物，减轻载重量，也不至于很快沉入海底。如果船舶破损不严重，进水不多，只要把进水舱区里的货物搬走，就可以修复破损的地方，不会影响船舶继续航行。如果进水较严重，也可以驶到就近的港口或陆地进行修补。对于没有设置水密隔舱的船舶，情况就完全不一样了，只要船底外壳撞破了一个洞，水就会涌进船舶并漫流到全船。因此，水密隔舱的设置提高了船舶的抗沉性能，增强了人员和货物在远洋航行中的安全性。

其次，船上分舱，对货物的装卸和管理比较方便。不同的货物都可以分别放装到各个不同的货舱内，不至于将不同货主的不同货物放混，即便于装卸货物，又便于管理。

第三，由于舱板跟船壳板紧密连结，起着加固船体的作用，不但增加了船舶整体的横向强度，而且取代了加设肋骨的工艺，使造船工艺简化。