中國古代的四大發(fā)明——指南針、造紙術(shù)、印刷術(shù)與火藥是中華民族的偉大創(chuàng)舉，并對人類歷史的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。四大發(fā)明最早出現(xiàn)在弗蘭西斯·培根（1561年—1626年）的《新工具》　?。?620年）一書中，只有其中的三大發(fā)明：火藥、指南針、印刷術(shù)，沒有造紙術(shù)。培根說這三項(xiàng)發(fā)明改變了世界歷史，但他并沒說這三項(xiàng)發(fā)明是誰做出來的；他認(rèn)為這些發(fā)明的來歷是不清楚的。馬克思基本上承襲了培根的說法，他在1862年左右寫道：“這是預(yù)告資產(chǎn)階級社會到來的三大發(fā)明，火藥把騎士階層炸得粉碎，指南針打開了世界市場并建立了殖民地，而印刷術(shù)則變成新教的工具，總的說來變成了科學(xué)復(fù)興的手段，變成對精神發(fā)展創(chuàng)造必要前提的最強(qiáng)大的杠桿?！?sup>[20]馬克思也沒有把這三個(gè)發(fā)明歸于中國。從三大發(fā)明變成四大發(fā)明，最初源于來華傳教的耶穌會士、漢學(xué)家艾約瑟（1823年—1905年），他把造紙術(shù)放了進(jìn)去。而英國著名生物化學(xué)家、科技史學(xué)家、皇家學(xué)會會員李約瑟，大力贊美和強(qiáng)調(diào)這四大發(fā)明是中國人作出的貢獻(xiàn)。李約瑟長期研究中國科學(xué)技術(shù)史，不斷稱頌中國古代的科技成就，被視為“中國人民的偉大朋友”。四大發(fā)明通過李約瑟提倡之后，進(jìn)入了我們的教科書，也進(jìn)入了不少國外重要的教科書，例如詹姆斯· E.麥克萊倫第三、哈羅德·多恩編寫的《世界科學(xué)技術(shù)通史》等，盡管沒用“四大發(fā)明”一語來概括。孤立地將中國古代的“四大發(fā)明”當(dāng)作中國人爭“世界第一”的題目，在今天已經(jīng)沒有什么意義，但是將“四大發(fā)明”和中華帝國在古代世界格局中的地位結(jié)合起來看，它們對于世界的意義就會更容易理解。^[21]

（一）造紙術(shù)

“造紙業(yè)有可能是從紡織業(yè)分化而來的，由它生產(chǎn)出來的產(chǎn)品有助于中華帝國實(shí)施它的行政管理。有確鑿的證據(jù)表明，中國人早在公元2世紀(jì)的漢代末期就已經(jīng)在使用紙張，至于造紙技術(shù)的發(fā)明，很可能還要早幾個(gè)世紀(jì)?！薄爸袊倭艡C(jī)構(gòu)的運(yùn)行一直依賴于文字、學(xué)術(shù)傳統(tǒng)和圖書館。圖書館早在公元前2000年的商代就已出現(xiàn)?！?sup>[22]在植物纖維造紙之前，我國用龜甲、獸骨作文字記載材料，這種刻在龜甲、獸骨上的文字稱為甲骨文。春秋戰(zhàn)國時(shí)期，又把文字刻在木片或竹片上，叫竹簡、木簡，后來又寫在纖帛上。這些書寫材料或使用不便，或價(jià)格昂貴。為了適應(yīng)社會發(fā)展的需要，我國人民發(fā)明了植物纖維紙。

我國人民自古養(yǎng)蠶種桑，用蠶的繭絲制造華貴漂亮的絲綢，正是在處理繭絲的過程中，紙作為一種副產(chǎn)品被發(fā)明出來。人們一般用好的繭子抽絲，而差的繭子用漂絮法做成絲棉；先將繭用水煮沸，然后放在浸入水中的篾席上反復(fù)錘打、漂洗，一旦蠶衣被搗碎、散開成絲絮即取下來，但篾席上還殘留著一層薄薄的絮片，古代人發(fā)現(xiàn)用它寫字很好，從而推廣開來。這種絮紙是紙的原始形態(tài)。

絮紙只是絲織品的副產(chǎn)品，其原料仍然不太豐富。秦漢時(shí)期，人們又發(fā)明了制作麻料衣服的副產(chǎn)品即植物纖維紙，它原料豐富、便宜，很快就流行起來了。

東漢時(shí)代的蔡倫（？—121年）在改進(jìn)造紙技術(shù)方面作出了重要的貢獻(xiàn)。蔡倫是一位太監(jiān)，專門負(fù)責(zé)監(jiān)制皇宮用的器物。他勤于鉆研，經(jīng)常與皇宮工場中的造紙工匠一起討論造紙技術(shù)的改進(jìn)，最后終于提出了用樹皮、麻頭、破布和漁網(wǎng)作原料造紙的新技術(shù)，這一技術(shù)不僅使原料來源更為廣泛，而且紙的質(zhì)量也大大提高了。公元105年，蔡倫正式將這種紙獻(xiàn)給朝廷，從此在全國推廣，人稱“蔡侯紙”。

蔡倫之后，造紙技術(shù)不斷改進(jìn)，造紙業(yè)也成為一個(gè)大的行業(yè)而在全國繁榮起來。唐朝已經(jīng)出現(xiàn)了多種名貴的紙張，如北方的桑皮紙、四川的蜀紙、安徽的宣紙以及江南的竹紙等。到了宋代，紙的品類和用途更多，材料來源更廣。明代宋應(yīng)星（1587年—1666年）在其名著《天工開物》中詳細(xì)記載了造紙的一般工序和相關(guān)技術(shù)。

“蔡侯紙”發(fā)明不久就流傳到西域，這種方便而價(jià)廉的書寫材料其好處是顯而易見的。唐初（7世紀(jì)中葉），當(dāng)阿拉伯帝國的勢力擴(kuò)張到與我國西部接壤時(shí)，紙也就傳到了阿拉伯。公元751年，大唐帝國與阿拉伯（我國史稱“大食”）帝國在但羅斯城（今吉爾吉斯境內(nèi)）開戰(zhàn)，結(jié)果由高仙芝指揮的中國軍隊(duì)大敗，大批士兵被俘，這批俘虜中恰好有許多造紙工匠。11世紀(jì)阿拉伯的旅行家貝魯尼在其游記《印度》中寫道：“中國的戰(zhàn)俘把造紙法輸入撒馬爾罕（今烏茲別克境內(nèi)），從那以后，許多地方都造起紙來?！敝袊脑旒埿g(shù)就這樣進(jìn)入了阿拉伯境內(nèi)。8世紀(jì)末，巴格達(dá)開始建立造紙廠，隨后造紙業(yè)在大馬士革盛行，歐洲一直由此進(jìn)口紙張。后來，造紙術(shù)也傳到了歐洲各國，西班牙和法國于12世紀(jì)，意大利和德國于13世紀(jì)相繼建立紙廠，16世紀(jì)則遍及整個(gè)歐洲。^[23]

（二） 印刷術(shù)

與紙的使用一樣，中國印刷術(shù)的出現(xiàn)也非常早。印刷術(shù)的原理很簡單，圖章的使用在遠(yuǎn)古時(shí)期就已很普通。隋朝時(shí)期，我國人民已經(jīng)發(fā)明了雕版印刷術(shù)。雕版印刷即刻版印刷，它是將一篇文章用反手字刻在木板上，在木板上刷墨，凸起的字受墨，從而可以將文章印到紙上。用這種方法可以將一篇文章或一本書印成完全一樣的許多份。在沒有印刷術(shù)時(shí)，出版一本著作完全靠抄寫，而抄寫總是不能避免筆誤，因此不能指望每一抄本是完全一樣的。對于需要畫圖或作表的書，則出版質(zhì)量更是無法保證。

印刷術(shù)一旦問世，它對文化傳播所起的作用立刻就顯示出來了。唐代印刷業(yè)極為發(fā)達(dá)，四川成都幾乎成了刻書的中心，大量農(nóng)書、醫(yī)書、歷書、字帖由此流傳到全國各地。佛教傳入我國后，印刷術(shù)則被用于大量印制佛經(jīng)和佛像。1900年在敦煌發(fā)現(xiàn)了一部唐代刻印的《金剛經(jīng)》，標(biāo)明日期為“咸通九年四月十五日”，也就是公元868年，這是目前世界上最早印有出版日期的印刷品，現(xiàn)存英國倫敦博物院圖書館。而歐洲到14世紀(jì)才有刻板印刷。 “印刷技術(shù)很快就得到政府的重視，被用來印紙幣、公告和手冊，特別是還用于印制醫(yī)典和藥典。官方的印刷機(jī)構(gòu)還印制了許多供文官考生閱讀的典籍?？偟膩碚f，古代的中國政府為服務(wù)于其官僚統(tǒng)治，印刷的材料數(shù)量之大，給人留下了深刻印象。例如，宋朝的第一位皇帝曾下令編纂佛教經(jīng)書，那部巨著用了130000塊雙頁印版，總計(jì)5048卷?！?sup>[24]

雕版印刷雖然比人工手抄是一個(gè)巨大的進(jìn)步，但它依然在人力和材料方面浪費(fèi)很大。每一部書都要重新刻版，大部頭的書往往要?dú)v時(shí)數(shù)年，而將書印完后存放版片需占大量地方，如該書不再重印，則刻版就作廢了。這些缺點(diǎn)隨著雕版印刷術(shù)的興盛日益顯示出來，作為對雕版印刷術(shù)的改進(jìn)，宋代慶歷年間（1041年—1048年），平民畢昇發(fā)明了活字印刷術(shù)，使印刷技術(shù)產(chǎn)生了一個(gè)偉大的飛躍。

畢昇是一位優(yōu)秀的刻字工人，在長期的刻字實(shí)踐中總結(jié)出了活字印刷術(shù)，其原理與現(xiàn)代印刷術(shù)完全相同，分三個(gè)步驟。首先是制活字。畢昇所用材料是膠泥，把膠泥做成四方長柱體，一面刻上單字，再用火燒硬，使之成為陶質(zhì)，一個(gè)字為一個(gè)印。所有的字用紙袋裝好按韻排列。其次是排版。在鐵板上放松香、蠟以及紙灰的混合物和一個(gè)鐵框，裝揀出來的字排在鐵框中，等排滿一框即對鐵板加熱使松脂熔化，用一平板將泥活字壓平，等冷卻之后，字就固定在鐵板上了，版即制好。第三步是印刷。印刷方法與雕版印刷一樣，印刷完畢再將鐵板加熱，使松香和蠟熔化，將泥活字取下放好，以備再用。用這種方法，印兩三本談不上什么效率，如果印數(shù)多了，幾十本以至上千本，效率就很高了。畢昇的活字印刷術(shù)確實(shí)克服了雕版印刷費(fèi)工費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)。1241年至1251年左右，也就是畢昇發(fā)明活字印刷術(shù)之后兩百來年，已有人試用活字印刷術(shù)印行儒教經(jīng)典。

活字印刷術(shù)在畢昇之后不斷發(fā)展，在活字材料、揀字方法方面都有不斷改進(jìn)。元代著名農(nóng)學(xué)家王幀創(chuàng)造了木活字印刷術(shù)，并于1293年用此法試印了他本人的著作《旌德縣志》，不到一個(gè)月的時(shí)間就印了100部，印刷速度頗為可觀。木活字改進(jìn)了泥活字容易破損的缺點(diǎn)，是印刷技術(shù)的一次重大進(jìn)步。王幀還創(chuàng)造了轉(zhuǎn)輪排字架，將所有活字都按韻排在可以轉(zhuǎn)動的輪盤上，大大提高了揀字速度，減輕了揀字工人的勞動強(qiáng)度。在他的農(nóng)學(xué)名著《王幀農(nóng)書》里，他還專門寫了一節(jié)“造活字印書法”，這是世界上最早闡述活字印刷工藝的著作。

歐洲了解到我國的活字印刷術(shù)大約在元代（1271年—1368年）。公元1450年，德國古登堡仿照中國活字印刷術(shù)制成了用鉛、銻、錫合金為材料的歐洲拼音文字的活字，開始了歐洲活字印刷的歷史。古登堡把金屬活字印刷與機(jī)械印刷相結(jié)合，使印刷物規(guī)?；a(chǎn)成為可能。

（三）火藥

火藥的主要原料是木炭、硝石和硫黃，其中硫黃和木炭是作為燃料，而硝石是作為氧化劑。它被火點(diǎn)著或用力敲打之后即刻發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成比原有體積大數(shù)千倍的氣體，產(chǎn)生猛烈的爆炸?；鹚幪N(yùn)藏著超常的能量，人類掌握了火藥就意味著掌握了某種超常能量，正是這種能量開辟了近代世界的發(fā)展道路。恩格斯高度評價(jià)了中國在火藥發(fā)明中的首創(chuàng)作用——1857年寫道：“在中國，還在很早的時(shí)期就用硝石和其他引火劑混合制成了煙火藥，并把它使用在軍事上和盛大典禮中?！?sup>[25]　1875年又寫道：“現(xiàn)在已經(jīng)毫無疑義地證實(shí)了，火藥是從中國經(jīng)過印度傳給阿拉伯人，又由阿拉伯人和火藥武器一道經(jīng)過西班牙傳入歐洲?！?sup>[26]

我國很早就掌握了伐木燒炭的技術(shù)，公元前后又發(fā)現(xiàn)了天然硫礦和硝石。這些基本原料雖然很早就有了，但將它們配制成火藥則是煉丹家的功勞。煉丹家發(fā)現(xiàn)，有一種名叫丹砂的藥物（即紅色硫化汞）燒之成水銀，積變又成丹砂，變化極為奇妙，因而被列為不死藥之上品，黃金和白銀退居其后。為了配制長生不死藥，煉丹家必然要從事化學(xué)實(shí)驗(yàn)工作。在煉丹過程中，煉丹家認(rèn)識到硫黃和硝石的若干化學(xué)特性，從而掌握了火藥的基本配料。唐代著名醫(yī)藥學(xué)家孫思邈（581年—682年）也是一個(gè)非常著名的煉丹大師。在他的《丹經(jīng)》一書中，第一次記載了配制火藥的基本方法，即將硫黃和硝石混合，加入點(diǎn)著火的皂角子即發(fā)生焰火。這個(gè)方子由于沒有將炭與硝石和硫黃混合，所以反應(yīng)不夠劇烈，但已經(jīng)是一副黑色火藥的配方。唐代末期，三者相混的真正黑色火藥方子肯定已經(jīng)出現(xiàn)，而到了北宋年間，火藥用于戰(zhàn)爭中的火器已比較普遍。

在唐末，黑火藥有可能已被用于軍事用途，但真正重要的證據(jù)出現(xiàn)在宋代。北宋天圣元年（公元1023年），朝廷在開封設(shè)置“火藥作”，這是“火藥”之名首次出現(xiàn)于中國史籍。慶歷四年（公元1044年），曾公亮、丁度等編纂《武經(jīng)總要》，堪稱中國第一部古典軍事百科全書，該書前集卷十二《守城·火藥法》中，完整記錄了三種黑火藥配方。以其中“火球火藥方”為例，配方中硝、硫、炭的比例依次是50.6%、 26.6%、 22.8%，還有少量其他配料。這三個(gè)配方的刊載，標(biāo)志著黑火藥的發(fā)明研制階段已經(jīng)基本結(jié)束，它已經(jīng)正式進(jìn)入北宋國家軍隊(duì)裝備系列，而且開始標(biāo)準(zhǔn)化了。^[27]南宋末年，突火槍問世。突火槍是一根很粗的毛竹筒，內(nèi)里的火藥中央裝著“子窠”，火藥燃燒后將“子窠”發(fā)射出去。突火槍的出現(xiàn)是火藥武器史上的一個(gè)突破，它是近代槍炮的前身。大約于公元13世紀(jì)，用金屬管代替竹筒的統(tǒng)槍出現(xiàn)，它的威力超過了從前所有的武器。^[28]

中國的硝石、硫黃和火藥配制技術(shù)大約于公元8世紀(jì)首先傳到了阿拉伯和波斯，阿拉伯人稱硝為“中國雪”，而波斯人則稱其為“中國鹽”。再后來，也許是在雙方的交戰(zhàn)中，阿拉伯人掌握了火藥武器的使用和制造。14世紀(jì)初，阿拉伯人又將火藥技術(shù)傳給了歐洲，使歐洲歷史發(fā)生了重大的改變。

（四）指南針

指南針的基本原理是磁針的指極性?！　?中國人早在公元前300年就已經(jīng)知道了天然磁石具有的神秘性質(zhì)，即磁鐵礦石的天然磁性，起初算命者把它們用作占卜的法器。公元前100年時(shí)，人們又發(fā)現(xiàn)了磁針會自動指向南北方向的特性，并很快就將其用于堪輿（即看風(fēng)水），也就是為修建房屋、寺廟、墳?zāi)埂⒌缆返仍O(shè)施選擇合適的地理位置。后來，還出現(xiàn)了一種說明羅盤指針運(yùn)動的頗為復(fù)雜的自然主義解釋，推想這是由于一種能量流流進(jìn)土地在其中流動造成的。”^[29]

公元1044年左右，北宋曾公亮和丁度在他們的軍事著作《武經(jīng)總要》中記載了“指南魚”的制作方法；這是一種用人造磁鋼片做成的魚形指向標(biāo)。造磁方法是利用高溫使鐵片內(nèi)部磁疇激活，置于地磁場中排序，再迅速冷卻使磁疇的有序排列固定。這種方法很符合物理學(xué)規(guī)律，但所得磁性較弱。指南魚浮在水上，可以自由轉(zhuǎn)動。

指南針的制造技術(shù)在沈括（1031年—1095年） 的《夢溪筆談》中最早提出。沈括指出，在磁石上磨過的小鐵針具有較穩(wěn)固的磁性，因此決定采用這種人造磁針代替天然磁石制造指向工具。沈括討論了磁針裝置的四種方法，即“水浮”、置“指爪”、置“碗唇”“縷懸”。他認(rèn)為，“水浮”法雖應(yīng)用較廣，但“水浮多蕩搖”是一重大缺陷；置“指爪”和“碗唇”方法是指將磁針放在指甲或碗邊，這樣做雖然摩擦力很小，但太不穩(wěn)定；只有“縷懸”法是比較好的，它是用細(xì)線將磁針懸吊，在無風(fēng)的地方指向效果很好。南宋時(shí)期的陳元靚在其《事林廣記》中介紹了他制造的指南龜，木刻的指南龜內(nèi)部裝上磁石，底部用一根極尖的竹針支撐，使其可以自由轉(zhuǎn)動，這種指南龜日后發(fā)展成旱羅盤。

沈括在制造指南針的過程中還發(fā)現(xiàn)了“磁偏角”。他寫道：磁針“常微偏東，不全南也”，這是磁學(xué)史上一個(gè)極其重要的發(fā)現(xiàn)。歐洲人直到400年后才有關(guān)于這一現(xiàn)象的記載。

指南針發(fā)明之后即開始在宋代的航海業(yè)中發(fā)揮作用，成書于1119年的《萍洲可談》中記錄了中國海船上使用指南針的情況。海員起初還只是在陰雨天使用，但到了宋代末期以及元代，不論晝夜陰晴都使用指南針導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)了全天候航行。

宋元時(shí)期，中國的對外貿(mào)易和海上交通十分發(fā)達(dá)，廣州、泉州、寧被、杭州都是對外港口，中國的船只遠(yuǎn)達(dá)大西洋沿岸。13世紀(jì)初，歐洲才開始有在航海中使用指南針的記載。明代鄭和（1371年—1435年）于15世紀(jì)初七下西洋（指南洋群島和印度洋一帶），所率艦隊(duì)大小船只達(dá)200多艘，人員達(dá)2萬多，其規(guī)模之大遠(yuǎn)勝半個(gè)世紀(jì)之后的哥倫布和達(dá)·伽馬。哥倫布橫渡大西洋時(shí)只有88人，分乘3只長19米的小船。達(dá)·伽馬也只有100多人，4只船。而鄭和的船隊(duì)中長度超過100米的大船就有50多艘，足見我國當(dāng)時(shí)造船技術(shù)之高明。我國當(dāng)時(shí)的航海技術(shù)、航海儀器也是世界上最先進(jìn)的，鄭和所用的航海儀器包括羅盤、測深器和牽星板，后者是為計(jì)算船舶夜間所在的地理緯度而觀測星辰（主要是北極星）地平高度的儀器。運(yùn)用這些儀器，鄭和詳細(xì)繪制了航海地圖，其中記載了沿岸地形、停泊位置以及航向、航程、牽星記錄和水深等數(shù)據(jù)，是世界航海史上的杰作。^[30]