一提起中国古代的科学发明，人们马上就会想到四大发明——造纸术、印刷术、指南针和火药。这四大发明无疑是极其伟大的，它们对世界文明的发展曾经有过巨大的影响。造纸术的发明为人类提供了质地优良、方便而又经济的书写材料，极大地促进了人类文化的保存、传播、延续和发展。印刷术、指南针和火药的西传，则成为促进欧洲近代文艺复兴和科学革命的有力杠杆。英国著名科学家、哲学家弗·培根（Francis Bacon, 1561—1626）认为：“这三种发明已经在世界范围内把事物的全部面貌和情况都改变了：第一种（按：指印刷术）是在学术方面，第二种（按：指火药）是在战事方面，第三种（按：指指南针）是在航行方面。并由此又引起难以数计的变化来，竟至任何帝国、任何教派、任何星辰对人类事务的力量和影响都仿佛无过于这些机械性的发现了。”［1］但是我们也应该看到，四大发明毕竟是中国科技文化史上很小的一部分，仅仅知道四大发明，对于了解中国文化史还是远远不够的。
纵观中国几千年的科技文化史，我们可以自豪地说，中国古代的科学技术成就是极其光辉灿烂的，在一个相当长的历史时期中一直居于世界领先的地位，对于整个世界的文明进化作出过杰出的贡献。英国科学史家贝尔纳说，中国“许多世纪以来，一直是人类文明和科学的巨大中心之一”［2］。英国著名的中国科技史家李约瑟也指出：“中国在公元3世纪到13世纪之间保持一个西方所望尘莫及的科学知识水平。”［3］
同时，从中国古代的科技发展史中，我们也可以看到，我们祖先所取得的成就是多方面的。这些成就几乎遍及科技领域的各个分支，从数学、物理、化学、天文、地理、生物以及医学等学科，到建筑、冶金、纺织、机械、造船、航海、造纸、印刷、陶瓷等技术领域，无不有着相当突出的成就，而令举世所赞叹。李约瑟博士曾以有关机械和其他技术的发明和传播为例，比较了古代世界各文明古国与中国的成就，指出中国古代的技术发明比其他文明古国要多得多，而且“这些发明在公元1世纪到18世纪期间先后传到了欧洲和其他地区”。在列举了中国的26项技术发明之后，李约瑟又说：“我写到这里用了句点，因为26个字母都已经用完了，可是还有许多例子，甚至还有重要的例子可以列举。”［4］
的确，中国古代科学和技术方面的发明为数之多，在古代世界上是无与伦比的。仅就技术方面的发明来说，用26个英文字母为序是不足以列举的。有鉴于此，本章只能是着重介绍中国古代主要的科学技术成就，不可能面面俱到，而且受篇幅限制，这些介绍也只能是简要的和提纲式的，这是必须事先说明的。由于在本书中，另辟有农学、天文、地理、建筑、陶瓷、交通工具等专章，故这些方面的成就本章不再赘述。当然，这些方面的成就，也都包括在中国古代科学技术成就的范畴之中，这也是必须申明的。
第一节
别树一帜的中国数学
在世界古代数学中，古希腊欧几里得几何学的辉煌成就可说是家喻户晓，为人们所熟知了。但是，对于中国古代数学的成就，人们却知之甚少，或知之不详。其实，中国古代数学的成就同样是极其辉煌的，并对人类文明的发展做出了特殊的贡献。
在计算数学方面，中国大约在商周时期已经有了四则运算，到春秋战国时期整数和分数的四则运算已相当完备。其中，出现于春秋时期的正整数乘法歌诀“九九歌”，堪称是先进的十进位记数法与简明的中国语言文字相结合之结晶，这是任何其他记数法和语言文字所无法产生的。从此，“九九歌”成为数学的普及和发展的基础之一，一直延续至今。其变化只是古代的“九九歌”从“九九八十一”开始，到“二二如四”止，而现在是由“一一如一”到“九九八十一”。
与此同时，中国发明了特有的计算工具和方法，即用“算筹”进行计算。“筹”是一些粗细、长短一样的小竹棍，也有用木或骨制成的，后来还有用铁等金属制作的。用算筹表示数目，有两种形式，即纵式和横式：
在表示数字时，用纵式代表个、百、万位的数，用横式代表十、千位的数，遇零则用空位表示，如此就可以用算筹摆出任何自然数。如1804，是。用算筹进行计算，叫做“筹算”。即通过算筹的摆列，进行加减乘除以至开平方、开立方等的运算，整数以后的奇零部分，则用分数表示。后来的“筹划”、“筹策”、“筹算”、“筹议”等常用词，都是由此演生和引申出来的。
正是在上述的基础上，中国古代数学以擅长计算著称于世，并逐步形成了自具特色的数学体系。《九章算术》一书是这个体系形成的重要标志。《九章算术》大约成书于公元1世纪中叶，是集战国和秦汉数学成就之大全的著名古算书。该书采用应用题集形式写成，共收入实际生产和生活中的数学问题246个，并给出答案。全书分为九章：
第一章“方田”，主要讲的是田亩面积的计算，包括分数的各种计算方法；
第二章“粟米”，讲各种比例问题，特别是关于各种谷物间按比例相互交换的计算方法；
第三章“衰分”，讲按等级分配物资或摊派税收的比例问题；
第四章“少广”，讲开平方、开立方的计算方法；
第五章“商功”，讲各种形状的体积的计算方法；
第六章“均输”，讲如何按人口、物价高低、路途远近等条件，以计算各地的赋税和分派工役等问题的计算方法；
第七章“盈不足”，即用假设的方法解决如下一类的问题：“今有（人）共买（物），（每）人出八（钱）盈余三（钱），（每）人出七（钱）不足四（钱），问人数、物价各几何？”［6］这类问题，在《九章算术》中已有完整的解法；
第八章“方程”，是关于联立一次方程组普遍解法的叙述；
第九章“勾股”，主要是应用勾股定理和直角三角形相似的各种比例关系，测量和计算“高、深、广、远”的问题。
《九章算术》不仅有着一套较为完整的编写体例，形成了具有自己风格的数学体系，而且其数学水平处于当时世界的先进行列，其中一些成就还远远走在世界的前面。如“盈不足术”类似于现代“行列式解法”，它在欧洲至中世纪方以“双设法”的形式出现；欧洲直到16世纪时方得出类似一次联立方程组的普遍解法；“方程”章中已引入了负数的概念，并已产生和运用了正、负数的加减法则，而印度到7世纪以后，欧洲到16世纪以后，才产生比较明确的负数概念。
以《九章算术》为代表的中国数学体系，其特点是以解决社会实际问题为主要目的，以算筹为主要计算工具，以十进位值制的记数系统进行运算，其内容包括算术、代数、几何等各个方面。这个数学体系在其自身的发展历程中，逐步走向自己的高峰，呈现着久盛不衰的局势，并结下了累累的硕果。其中最为突出的成就有：
其他如隋代刘焯创立的“等间距二次内插法”；唐代一行的“不等间距二次内插法”，王孝通的三次方程解法；宋元时期的解三次以上方程的方法，高阶等差级数求和、联立一次同余式等等，也都在世界上领先数百年之久。而在明代广泛使用的珠算盘，更是几百年来最先进的一种计算工具，至今仍有一定的生命力。
如同古希腊注重几何证明而忽视计算一样，中国古代在数字计算方面相当发达，在实际生活中所遇到的几何问题，也都用算术或代数的方法进行解答，从而相对地限制了几何证明的发展。但这并不是说，中国古代就没有几何学。其中墨子在《墨经》中所提出的圆、直、点、线、面、体、平行等各种命题和概念，都可与欧几里得几何学的相关定理和命题媲美。勾股定理及其应用，制图工具规、矩的普遍使用，也都反映了中国古代在几何学方面有着相当的成就。当然，在实用计算数学的掩盖下，中国古代在几何学上没有在理性论证方面得到充分地发展；计算数学本身也在《九章算术》体例的影响下，一直采用习题问答的方式，没有加以很好地抽象、提高，使其更具理性化的程度，这不能不说是重大的缺陷。
第二节
指南针和其他物理学成就
严格地说，在古代世界中是没有近代意义的物理学的，但这并不是说物理学不是历史发展的产物。在物理学作为一门独立的科学形态出现之前，它同样经历了漫长的历史进程，甚至可以说它是与人类的活动相始终的。在中国悠久的文化史中，历代的人们积累了大量的经验性物理知识，并取得了许多辉煌的成就。指南针的发明就是一项具有划时代意义的伟大成就。
从司南到指南针，经历了一个漫长的演进过程。指南针究竟何时问世，现在尚无法确定。目前发现的关于指南针的早期文字记载，主要的有如下几条：
《茔原总录》卷一说：
客主的取，宜匡四正以无差，当取丙午针。于其正处，中而格之，取方直之正也。
意思是说，要定东西南北四正的方向，必须取丙午向的针，然后在丙、午的位置，“中而格之”，找出正南的方向。亦即让针指丙午中间的方向，则午向就是正南方向。《茔原总录》是一部相墓书，撰于宋仁宗庆历元年（1041）。作者杨维德是当时的天文学家、星占学家和堪舆学家，大中祥符三年（1010）左右任司天监保章正，专司占候变异。这条记载中所说的针，虽没有明确指出是什么针，但从字里行间可以断定是磁针无疑，说明当时已把磁针与罗经盘配套，作为定向的仪器，并且已发现了地球的磁偏角，定为正南偏东75度。
《梦溪笔谈》卷二十四说：
方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。
《本草衍义·磁石条》说：
磨针锋则能指南，然常偏东，不全南也，其法取新纩中独缕，以半芥子许蜡，缀于针腰，无风处垂之，则针常指南。以针横贯灯心，浮水中，亦指南，然常偏丙位。
《本草衍义》撰于公元1116年，为北宋药物学家寇宗奭所著。此记载与杨维德和沈括的记述基本一致。
从上述材料中，我们可以看到，指南针在11世纪时已是常用的定向仪器，有多种装置方法，并已由指南针发现了地球的磁偏角，从而也表明指南针至少已经行用了一段时期。由此可以推断，指南针至迟发明于11世纪初期。如果把指南针的发明时代上溯到10世纪时的唐末或五代，也是不无根据的。如王伋（王赵卿，约10世纪末）曾留有“虚危之间针路明”的诗句；［10］佚名的《九天玄女青囊海角经》（约900年）中说：“今之象占，以正针天盘，格龙以缝针地盘”［11］等。这里所说的“针路”、“正针”、“缝针”等，极可能就是用指南针与罗经盘配套定向的术语。
除“磁石磨针锋”外，中国古代还发明了另一种人工磁化方法，即利用地球磁场的作用进行磁化。北宋曾公亮主编的《武经总要》中记载的指南鱼就是如此。其法是把薄铁片剪成鱼形，烧红后把尾部蘸入水中，使鱼尾指向正北方位，并且稍微向下倾斜，然后取出，鱼形薄铁片就被磁化，让它浮在水面，就成为可以指向的指南鱼。这种利用地磁场进行磁化的方法，是一个非常了不起的发现和发明，包含有丰富的科学道理。近代科学表明，磁铁的磁性是由磁畴的规则排列形成的，非磁铁由于磁畴排列杂乱无章而不具磁性。鱼形薄铁片烧红以后，内部磁畴活动加剧，沿南北方向放置，可以在强大的地磁场作用下，使磁畴顺着地磁场的方向排列。蘸入水中，则可以使磁畴的规则排列比较快地固定下来。至于鱼尾稍微向下倾斜，是由于地球磁场的磁倾角作用，可以增大磁化的程度，这也反映了当时中国已经发现了地球的磁倾角。欧洲人用同样的方法进行人工磁化，比中国晚了四百多年，磁偏角的发现是哥伦布在航海探险中于1492年发现的，而磁倾角的发现则还要更晚一些时候。
在物理学的其他分支中，中国古代同样不乏出色的成就：
力学方面，墨子已经得到了力 × 力臂=重 × 重臂的杠杆原理，对力、运动、静止、时空等概念，墨子也都有着精辟的论述。墨子认为，运动是由于物体受力的作用而发生，在空间中表现为位置的移动，在时间上表现为先后的变化；时间和空间既是连续的，又是由不可再分的时间基元“始”和空间基元“端”所构成的。墨子的这些力学成就，以之与古希腊物理学相比，毫不逊色。其他如利用摩擦而引起板振动的喷水鱼洗，利用类似于现代万向支架原理制作的被中香炉等，都是至今仍为举世所赞叹和惊异的杰出发明。
光学方面，墨子提出了光是直线传播的，并进行了小孔成像的实验，用光的直线传播解释了光通过小孔所形成的影像是倒像的道理。他对凹面镜、凸面镜和平面镜成像的原理也进行了比较系统的研究，已发现了凹面镜焦点的存面。虽然他把球心和焦点混淆在一起，但这些实验是世界上最早的光学实验，具有重大的科学意义。李约瑟曾把墨子光学与古希腊光学进行比较，指出墨子的光学研究“比我们任何所知的希腊为早”，“印度亦不能比拟”。［12］后来，宋代的沈括和元代的赵友钦分别又对凹面镜和小孔成像原理进行较深入的研究，把中国古代的几何光学提高到一个新的水平。此外，汉代发明的透光镜，能够反射出铜镜背面的精美图像，是中国古代光学的一大发明，现在仍引起中外学者的关注。
第三节
火药及炼丹化学
火药的发明发端于炼丹术。炼丹家在炼丹实践中，经常使用硫黄、硝石和含碳的皂角、马兜铃等炼制丹药，丹房失火的事故时有发生。唐代的炼丹家已从中认识到，硫黄、硝石、碳混合在一起，遇火后会引起燃烧或爆炸。这三种药物的混合物就是初始的黑火药。大约在晚唐时，军事家从炼丹家手中得到了配制火药的方法，并在军事上加以应用。
初期的火药简单粗糙，威力不大，主要是利用其燃烧性，用来加强火攻的效力。大约在唐哀帝天祐年间（904—907），有人在战争中使用了火箭、火炮。火箭是把火药缚在箭头附近，点燃后用弓射出；火炮是用火药制成类似于炸药包一类的东西，点燃后用抛石机抛射以烧敌。五代时，除火箭外，还制造有火球、火蒺藜等火药武器。
有宋一代，先后承受着北方的少数民族政权辽、金、元南犯的威胁，战争时断时续，与宋代相始终。由于火药的威力较其他兵器为大，故受到特别的重视，火药的质量和火药武器得到较快的发展。在战争中，金、元也都掌握了火药和火器的制造方法，并有所改进和发展。
火药武器方面的另一突出的成就，是自身具有推进和发射功能的火箭的出现。宋元时期已发明了一种利用火药喷射所产生的反作用力，把箭镞射向敌方的火药箭。这是现代火箭的鼻祖，其原理与现代火箭的发射原理相一致。在明代茅元仪的《武备志》卷一三三中，记载有一种名为“火龙出水”的火箭，已是一种两级火箭。它利用四支火箭燃烧后产生的反作用力射出，再引燃火龙口中的火箭，使箭镞射出以击敌。这不能不说是火药利用过程中所取得的一项重大成就。
大约在元时，随着元军的远征以及中外交通贸易的发展，火药和火药武器相继由陆路和海路传到阿拉伯和欧洲。从此，在世界兵器史和军事史上引发了一连串重大的变革。
当然，火药只是炼丹家对化学的一项贡献。中国是炼丹术的发祥地，有着悠久的炼丹历史，炼丹术对人类文化史，特别是对化学的贡献是极其重大的。炼丹术在西方称炼金术，中国的炼丹术大约在公元7—9世纪时传到阿拉伯，又由阿拉伯传入欧洲，促进了阿拉伯和欧洲炼金术的发展。
炼丹术的本意是极其荒谬的，它企图通过化学变化，把各种药物（包括草木和矿物）炼制成“长生不老药”及变贱金属为贵金属，这肯定是不可能实现的。但是炼丹家在长期的炼丹实践中，却从中认识到“变化者，乃天地之自然”［17］，即物质是会发生变化的，物质的变化是自然界的普遍规律，并积累了大量关于物质变化的知识，取得了一系列的化学成就。弗·培根说：“炼金家是在培育着永久的希望，事情不成时，总是归咎于自己的某种错误：不是恐怕自己没有充分了解这个方术或其著作者的语意（因而他就转向对古法和秘传的追求），就是恐怕自己在制炼中在分量上或时间上有毫厘分秒的差池（因而他就把试验无限地重复下去）；而同时，当他在试验过程的一些机会中居然达到一点新的或尚属有用的结论时，他又认真地把它们看做是大功将至，以它们来餍足其如饥似渴的心，把它们极度地张大起来，而尽将余事寄于希望之中。诚然，炼金家们不是没有许多的发现，不是没有带给人们以有用的发明；不过他们的情节却如寓言中所讲的一个老人的故事：那老人以其葡萄园中的窖金遗给诸子，而故称不知确切地点，诸子于是就辛勤地从事于翻掘园地，虽然没有找到什么金子，可是葡萄却由于这次翻掘而变得更加丰茂了。”［18］这段话生动而深刻地揭示了炼丹家的心态、炼丹术的性质和结果。
炼丹术带给人们有用的发现和发明是多方面的。在炼丹著作中，人们可以经常看到“还丹”或“九转还丹”之名称，实际上这不过是红色硫化汞（丹砂）。炼丹家把天然的丹砂置于丹鼎（炼丹炉）中加热，使其分解为汞和硫，汞和硫又会化合为黑色硫化汞，再经加热而升华，回复为红色硫化汞。炼丹家把所得的红色硫化汞称为“还丹”，重复上述过程多次炼制所得的丹砂称“九转还丹”，并用比附的方法，认为人服食了还丹，就会像它一样脱胎换骨，飞升成仙，长生不老。这种认识当然是荒谬的，但还丹利用化学和物理的方法，去除了天然丹砂的杂质，是人类最早通过化学方法制成的产品之一，在汉代就已经制得。汉代时炼丹家利用类似的方法制成的化学产品，还有胡粉（白色碱性碳酸铅）、黄丹（四氧化三铅）等。
在炼丹实践中，炼丹家发现和积累了不少物质的化学性质和性能的知识。如汞化学，铅化学，金、银、铜、铁以及硫黄、碳等的特性。其中，铁对铜盐的置换反应的发现，不论从化学角度还是工业角度看，都堪称是一项了不起的发现。西汉的《淮南万毕术》中记载，“曾青得铁则化为铜”，曾青是天然硫酸铜，其溶液与铁接触，铁离子能置换出硫酸铜中的铜离子，表明了汉代以前炼丹家已进行了置换反应的实验，时间之早是不能不令人惊叹的。这一发现，还为后世的湿法炼铜——胆铜法奠定了实验基础，开创了湿法冶金的先河。后世的炼丹家同样有不少新的发现和发明，如硫酸、硝酸等强酸以及一些强碱剂，都是在唐代就已制成。
此外，炼丹家大都又是医药学家，他们把化学药物应用于医疗之中，促进了医药学的发展。如唐代已用剧毒的汞、砷等化合物来杀灭病原虫和细菌，治疗皮肤病、回归热和疟疾等疾患；用白锡银箔和水银合制成“银膏”来做牙齿的填充剂。这些，在医药学史上都是具有开创性意义的成就。
第四节
生物学上的出色成就
各种生物与人类的生活息息相关，可以说，自从人类出现之时起，人们便一刻也离不开生物。在长期的生活实践中，中国古代积累有极其丰富的生物学知识，并取得了许多重大的成就。
生物学上最基本的知识开始于对生物的分类，没有这种分类学上的知识，就不可能对纷繁杂沓的生物界进行科学性的处理、总结，并加以利用。早在殷代的甲骨文中就有不少关于动植物的名称，根据这些字形的特征来加以考察，可以看出当时人们已经产生了依据动植物的外部形态特征进行分类的认识。随着人们对动植物外部形态认识的逐步深化，到春秋战国时产生了具有鲜明特色的中国传统分类法。当时的分类知识大都散见于《周礼·地官》、《考工记·梓人》、《礼记·月令》、《管子·幼官》和《尔雅》等典籍之中。这些分类知识又大致可分为两种：一种是把植物分为皂物（柞栗之属）、膏物（杨柳之属）、核物（核果类、李梅之属）、荚物（荠荚、王棘之属）、丛物（萑苇之属）等五类，把动物分为虫类、鱼类（又分之为鳞类、蛇类与介类）、羽类、毛类和赢类（指人类，包括猿猴类）等五类，这种分类法是受五行说的影响而产生的；另一种分类法以《尔雅》为代表，把植物分为草、木两大类，把动物分为虫、鱼、鸟、兽四大类。后世的分类法，是在这两种分类的基础上进行综合而发展起来的。明代李时珍的《本草纲目》中的分类情况，可以为中国古代传统分类学之集大成者。《本草纲目》分植物为草、谷、菜、果、木五类，分动物为虫、鳞、介、禽、兽、人六类。从其动物的分类顺序中，可看出中国古代已有关于生物界发展变化的认识。
同时，在中国古代的传统分类学中，还包含有生物之“属”和“科”的分类概念。如《尔雅》中把山韭、山葱、山蒜等放在一起，相当于葱蒜属；把蜩、、、蜺等不同的蝉放在一起，相当于蝉科。《本草纲目》中把草这一大类又分为芳草、毒草、蔓草、苔草、山草、湿草、水草、石草等十小类，把大戟、甘遂、泽漆等大戟科植物分在一起。这些分类方法，都符合或近似于近代的生物学，在古代世界也是处于先进的地位。西方植物学的创始人瑞典的林耐（Carl von Linné, 1707—1778）的代表作《自然系统》，出版于1735年，全书仅12页，不但时间远远落后于中国，内容也远不如中国之丰富。
此外，中国古代已经注意动物生理状态随日夜、潮汐、月令、季节变化的节律问题，留下了大量关于生物节律的历史记载。如《吕氏春秋·精通篇》中说：“月望则蚌蛤实，群阴盈；月晦则蚌蛤虚，群阴亏”，宋代姚宽的《西溪丛语》中说：“蛤蜊、文蛤皆一潮生一晕”等，在《夏小正》、《礼记·月令》以及历代的农书中，都有许多关于物候的记载。这些，反映了中国古代对生物节律已有初步的认识。而且至迟在公元4世纪时，中国就已利用低温催青，改变了蚕一年二化的生长节律，成功地培育出第三化蚕，这是生物学史上一项划时代的成就。
对生物的遗传和变异，中国古代亦已有较深刻的认识，并在生产实践中加以应用。在长期的农业和畜牧业生产中，人们很早就认识到遗传现象的普遍存在，即“夫种麦而得麦，种稷而得稷，人不怪也”［20］。同时，又认识到遗传性与生活条件有着密切的关系，因此要求在生产中必须“适其天性”，不能“任情返道”，而要“顺物性，应天时”［21］，以满足生物的生活条件。但是，遗传性并不是一成不变的，对此中国古代也早已有所发现和认识。在《周礼》中就记载了谷子有成熟期较长的“稽”和较短的“稑”，《尔雅》中更记载有36个品种的马，明代的《天工开物·黍稷粱粟》中则进一步指出，粮食品种甚多，“相去数百里，则色、味、形、质随方而变，大同小异，千百其名”。基于对生物遗传和变异的认识，中国古代在农业和畜牧生产中，广泛地采用了存优汰劣的选种和育种方法，选留优质的种子、种畜以种植和养殖。同时，还进行了培育新品种的研究，成功地研制出大量菊花、牡丹、玫瑰等花卉以及家蚕、金鱼的新品种。中国古代在这方面的工作和记述，是任何其他国家和地区所无法比拟的，并为近代生物学的创立和发展提供了大量珍贵的资料。正如达尔文在《物种起源》一书中所说：“如果以为选择原理是近代的发现，那就未免和事实相差太远，……在一部古代的中国百科全书（指《本草纲目》）中，已经有关于选择原理的明确记述。”达尔文所著的《动物和植物在家养下的变异》，引用的中国资料就达几十条之多。
更为可贵的是，中国古代已进行了杂交育种的探索和研究，开拓了一条培育生物新品种的途径。其中，利用马与驴杂交而生的骡子，是这方面的一个重大成就。《吕氏春秋·爱士》中记载，“赵简子有两白骡”，表明这一工作至迟在二千多年前的春秋时期就已发明。此后，利用杂交优势，培育骡子的工作一直是家畜繁殖中的一件大事，受到历代的重视。植物的嫁接技术也是中国所首创的，在东汉的《氾胜之书》中，已记载有瓠的嫁接方法，后世更是在果木栽培中广泛加以应用。
在昆虫和微生物的利用方面，中国同样有着悠久的历史和杰出的成就。除了蚕的驯育和利用外，中国还是最早利用五倍子、虫白蜡和紫胶的国家，昆虫在医药中的利用更是多不胜举。在养蜂方面，元代刘基的《郁离子·灵丘丈人》中已概括出了蜂群管理法的原则，比德国齐从（J.Dzierzon）1845年发表的13条养蜂原理早五百多年。在西晋时中国已经采用放养黄惊蚁的方法防治柑橘的害虫，后来人们在甘蔗种植中又发明了养红蚂蚁防治螟害的方法。此外，在《齐民要术·种谷》中，记载有利用育种避虫的十个品种。这些是现代利用天敌治虫及作物育种避虫方法的先驱。至于利用微生物制曲、酿酒，进行食用加工，在中国更具有几千年的历史，至今仍在生产和生活中得到广泛地应用。
还应该特别指出的是，中国古代已经注意到生物资源的保护和合理利用的问题。战国时的荀子已经认识到，生态环境与社会安定和人类生活有着重大的关系。他指出：“天之所覆，地之所载，莫不尽其美，致其用，上以饰贤良，下以养百姓而安乐之。”［22］从周代开始，中国已经把保护山林，保护动植物资源，列为国家管理中的一项要务，并被视为关系到帝王能否治理国家的重要标志。“为人君而不能谨守其山林菹泽草莱，不可以立为天下王。”［23］因此，周代就已制定法律，规定了砍伐林木，猎取禽兽的月令，禁止非时伐木和狩猎，并委任有专门的官吏进行管理。后来的历代政府，也都不同程度地注意到生物资源的保护和合理利用的问题。中国古代在这方面的经验和教训，是值得认真总结，引为鉴戒的。
第五节
自成体系的中医药学
在中国古代科学的各分支中，未被近现代科学所融会，且至今仍有强烈生命力的，唯有传统的中国医药学。其所以能够如此，原因之一是它拥有自己的理论、方法和内容，即形成一个完善的科学体系。中国古代科学的其他分支，虽然也各具鲜明的中国特色，也可说是各有体系，但与中医药学相比较，都不如它那么完整和完善。
从世界医药学史的角度看，中医药学不但体系独特，而且有着一系列卓越的贡献。其中突出的有：
在医学理论方面，中医药学虽然以人体为对象，但是它把人体看做是自然界整体的一部分，不是孤立地研究人体，而是把人体放在自然界整体运动和广阔的动态平衡之中来进行研究。因此，在其病理学说中，非常重视疾病与人体自身精神状态、生活状态以及外部环境，特别是气候变化的关系。在临床治疗中，它反对单纯的头痛医头，脚痛医脚，强调“治病必求于本”［24］的原则，即把握住疾病的原因和本质，针对不同的情况进行辨证施治。同时，它又把人体本身看做一个有机的整体，不是简单、孤立地研究疾病的症候，而是把各脏腑、经络、气血、津液等紧密地联系在一起，进行全面的考察。在用药方面，它讲究药物配伍的原则，即根据每个病人虚、实、寒、热的特性，因人施药，并注意主治药物和辅助性药物的配伍问题。这些理论和原则，即使用现代科学观点和方法来加以考察，亦是非常深刻和具有积极意义的。
脉诊，是中医药学上一项独特的诊断方法。据《史记》记载，战国时的扁鹊已能通过脉诊确定病人的病情，然后对症下药，反映了当时已掌握了脉诊的方法。从此，脉诊成为中医药学的一个重要组成部分。脉诊的应用表明，中国古代的医生已掌握了脉象与身体各部分的关系的经验，亦即关于心脏、血液与血管的关系，血流速度与人体健康的关系，呼吸和脉搏频率的关系等解剖生理学的知识。现代医学表明，脉搏是循环机能的综合表现，脉象因循环系统的情况改变而不同。而且，由于循环系统与身体各内脏都有关联，组织代谢的任何变化，都会给血液循环以一定影响，机体的重要疾病变化，都会在不同程度上影响循环系统的功能。因此，尽管中国古代脉诊是建立在经验基础上的，但却是有着科学依据的。中国的脉诊很早就传到国外，除邻近的日本、朝鲜等国外，大约在10世纪时已传至阿拉伯，17世纪时传至欧洲，对世界医学的发展有着一定的影响。
在外科学方面，与西医只重视局部和体表的医治方法不同，中医坚持了整体的观念，既重视体表疾患的局部表现，更重视患者机体的内在变化；既重视手术、手法的治疗，更重视机体抗病能力的增强。这一思想，在骨科治疗中体现得更为突出。因此，在治疗过程中不仅注意了局部的处理，而且强调适当的活动和功能锻炼，同时配合活血化瘀和调理脏腑功能的药物，收到了良好的疗效。麻醉药物的发明，是中医外科的又一重大成就。据《后汉书》记载，东汉名医华佗已在外科手术中应用了麻醉药——麻沸散。麻沸散的药物组成早已失传，据现代研究，它可能与宋代窦材《扁鹊心书》、元代危亦林《世医得效方》、明代李时珍《本草纲目》中所记载的睡圣散、草乌散、蒙汗药相类似。这些方子的主要药物成分是曼陀罗花，具有麻醉作用。即使不算华佗的麻沸散，宋、元、明三代所用的麻醉药也是世界最早的发明。国外直至1805年，日本的华冈青州方使用以曼陀罗花为主的麻醉剂，被誉为世界外科学麻醉史上的首创，实际上比中国要晚得多。
中国还是免疫学的发祥地，免疫思想很早就已萌发。公元4世纪初，葛洪所著的《肘后方》中记有“疗猘犬咬人方”，即当人被狂犬咬伤后，把咬人的狂犬杀掉，取狂犬的脑子敷贴于伤口上，以防治狂犬病。19世纪时法国著名医学家巴斯德（Louis Pasteur, 1822—1895）防治狂犬病的疗法，也是基于利用狂犬的病毒以增强免疫力。隋代的巢元方在《诸病源候论》中又指出，服用“沙虱”（恙虫幼虫，形似小红蜘蛛，可传播恙虫病）研成的细末，可治疗恙虫病。国外直至20世纪初，才在感染该病毒的鼠类中获得病原，制成疫苗。中国古代在免疫学上最突出的贡献，是关于天花的防治，发明了人痘接种法。该法是取少许天花患者的痘浆或痘痂，植入健康儿童的鼻孔中，使其感染轻度天花，而获得免疫力。种痘法发明于何时，现说法不一，有说是始于宋代的，有说是始于明代的，但至迟在16世纪下半叶已经使用，则是无疑的。大约在16世纪末，中国的人痘接种法传到俄国，继之又传入欧洲，对保护儿童的健康做出了重大的贡献。公元1796年英国医生琴纳（Edward Jenner, 1749—1823）发明牛痘接种法后，方逐渐代替了人痘接种法。
在药物学方面，中药也具有非常显著的特色，它在药物的自然属性和在人体内的治疗作用的基础上，总结出了一套独特的理论系统，并形成了一套独特的药物炮制和配方用药方法。中国古代关于药物和方剂的专著很多，其中唐《新修本草》是世界上第一部国家发布的药典，明代李时珍的《本草纲目》更可堪称古代世界的药物大全。
此外，在妇科、儿科、法医学以及食物医疗保健等方面，中国古代也都有着很多重大的成就。其中，宋代宋慈所著的《洗冤集录》是世界上第一部系统的法医学专著，在法医学史上占有重要的地位。
第六节
造纸术、印刷术的发明和发展
虽然最初的纸不是蔡伦发明的，但是蔡伦在造纸史上的功绩仍然是极其伟大的。首先，他是造纸技术的伟大改革者。在他之前的纸，质地粗糙，夹带有较多未经松散的纤维束，表面不平滑，不宜书写，大都只供包装用。而蔡伦于元兴元年（105）所献的纸，受到汉和帝的赞赏，“自是莫不从焉”，深受人们的欢迎，说明蔡伦所造的纸已相当精良。要得到优质的纸张，工艺上必然要有所改进，特别是“打浆”工艺要比西汉造麻纸时更为成熟和完善。其次，是他开拓了造纸原料的新领域。蔡伦除了继承和改进用麻类原料（麻头、废旧的麻布和麻织渔网等）造纸外，还首创了用树皮（主要是楮皮）作为造纸的新原料。这是造纸技术上的一项重大的技术革命，既为纸的制造开辟了一个更加广阔的原料来源，又促进了纸的产量和质量的提高。正是由于蔡伦的贡献，为人们提供了廉价优质、适于书写的纸张，从而使纸张的应用得到普及和推广，并引起了书写材料的变革。从此，不仅中国原先所用的竹、木简牍和缣帛之类逐步为纸张所取代，而且埃及的纸草、印度的树叶、以至阿拉伯和欧洲的羊皮等，无不一一在纸的面前相继退出了书写材料的舞台。
自蔡伦以后，中国的造纸业持续地得到发展。人们一方面开拓新的造纸原料，一方面在工艺技术上不断地进行改进，使纸的品质越来越高，品种越来越多样。魏晋南北朝时期已开始利用桑皮、藤皮造纸，隋唐五代时期，竹、檀皮、麦秆、稻秆等也都作为造纸原料，先后被利用。工艺技术方面，魏晋南北朝时期已采用帘床设备捞纸，既提高了工效，又使纸张有了一定的规格，便于运输、保藏、书写和装订。防止纸张虫蠹的“潢治法”，也在这个时期发明并推广。所谓“潢治法”，是用黄檗和雌黄等防虫原料进行处理，以防止纸张被虫蛀蚀。从此，“潢治法”成为古代造纸术中的一项传统工艺。唐时竹纸的问世，是造纸技术的重大突破。竹子纤维硬、脆易断，技术处理比较困难，用竹纤维作原料，表明造纸技术已达到相当成熟的程度。在造纸过程中加矾、加胶、涂粉、洒金、染色等加工技术，也都在唐时问世。至于纸张的品种，从唐代到清代更是不断地增多，各种彩色的蜡笺、冷金、错金、罗纹、泥金银加绘、砑花等名贵的纸张，各种宣纸、麻纸、壁纸、花纸等实用纸张，成为人们文化生活和日常生活中不可或缺的必需品。
廉价优质纸张的大量生产，为印刷术的出现提供了必要的物质条件，而刻印、刻石、木刻符箓以及染织上的镂版印花技术，则早已为印刷术准备了充分的技术条件，因此随着社会文明的发展，印刷术在中国很自然地诞生了。中国古代印刷术的发展，可分为两个阶段，一个是雕版印刷术，一个是活字印刷术。雕版印刷术本书另有专章涉及，这里着重讲一下活字印刷术。
除了泥、木活字外，中国还是最早使用金属活字的国家。元时就以铸锡作字，明以后又相继使用铜、锡活字。
造纸术大约在两晋时期即传至朝鲜和日本，唐时传至印度、波斯和阿拉伯，后又相继传入北非和欧洲。印刷术在唐时传入朝鲜、日本和波斯，后又经波斯传至埃及和欧洲。14世纪末，欧洲出现了木板雕印的纸牌、圣像、经典以及拉丁文文法课本，1456年，德国谷腾堡在欧洲首先用活字印刷“圣经”。可以说，造纸术和印刷术是中国奉献给世界文化的厚礼，它对人类文化的保存和传播、普及和提高产生了不可估量的影响，有力地推动了人类文明发展的进程。
第七节
矿物学和采矿技术成就
中国的矿物学同样有着悠久而光辉的历史。李约瑟在比较中西古代矿物学知识时说：“中国人在文艺复兴以前的各个时期内对岩石和矿物的研究，并不是感情用事的，而是科学的，他们的贡献至少可与欧洲人相提并论。”［28］李约瑟的这一评价是不为过分的，事实上中国古代在这方面的贡献，往往超过同时代的欧洲人。
中国最早记载矿物的典籍是《山海经》中的《五藏山经》，其成书年代大约在春秋末期。据统计，《五藏山经》中共记载有矿物89种，包括金属、非金属和各种怪石、各色垩土等矿藏。同时记载了这些矿藏的产地309处。对矿物的性质，如硬度、颜色、光泽、透明度以至敲击声音、医药性能、集合体的状态（土状、块状、卵状、米粒状）等，都有所描述。而成书于公元前3世纪左右的古希腊矿物学名著《石头记》，只记载了16种矿物，分成金、石、土三类。
人们从长期的找矿、采矿实践中，还较早就总结了一套经验性的探矿理论。《管子·地数篇》说：“山上有赭者，其下有铁；上有铅者，其下有银；上有丹砂者，其下有黄金；上有慈（磁）石者，其下有铜金。此山之见荣者也。”所谓“山之见荣”，即是矿苗露头。铁矿表层高价氧化物呈赭色，铅和银常共生，这是现代矿床学所证明了的。这里讲的除把铜和铁的硫化物混称为黄金和铜金外，大体上符合现代关于硫化矿床的矿物分布理论。这段记载表明，在战国时期中国已经总结了一些矿床中矿物分布知识，并提出了根据矿苗和矿物的共生或伴生规律来找矿的方法。这些关于矿物共生的知识，在中国探矿史上一直得到继承，并不断丰富。
利用植物找矿的方法，是中国古代对探矿理论的又一重大贡献。其起源可以上溯到战国时期，《荀子·劝学篇》中就有“玉在山而草木润”的记载，表明关于矿物与植物关系的知识已经萌生。后来这方面的经验性认识不断积累、增多，到唐代的段成式进行了集中和概括。他说：“山上有葱，下有银；山上有薤，下有金；山上有姜，下有铜锡；山有宝玉，木旁枝皆下垂。”［29］这些记载虽与实际情况不完全相符，但却为人们开拓了利用指示植物找矿的新途径，是现代利用植物找矿或生物地球化学找矿理论的滥觞。正如李约瑟所说的：“中国人在中古代所进行的观察，确实可以说是仍在迅速发展中的、范围十分广阔的现代科学理论和科学实践的先驱。”［30］
对于用工具难以采掘的矿层和岩层，中国古代还利用“火爆”的方法进行开采。这种方法出现于何时，现尚难以确定，但至迟在明代已广泛使用。明代陆容曾记述浙江处州（今丽水一带）铜矿的开采方法，说：“采铜法，先用大片柴，不计段数，装叠有矿之地，发火烧一夜，令矿脉柔脆。次日火气稍歇，作匠方可入身，动垂尖采打。”［32］这是利用矿藏中所含不同成分的物质热膨胀系数不同，经火烧后会开裂，然后开采的方法。也有利用热胀冷缩的性质进行开采的，即《明史·河渠志》所载：“焚以烈火，用水沃之，石烂化为烬。”福建泉州在历史上就曾使用这一方法开采花岗岩，称为“火攻”。
特别值得提出的是，中国历史上不但有着较高的开采固体矿藏的技术水平，而且能够开采液态和气态的矿藏，是世界上最早开发、利用石油和天然气的国家之一。
石油一名首见于沈括的《梦溪笔谈》，在此之前有石漆、水肥、脂水等称。中国大约在西汉时已发现石油，《汉书·地理志》上郡高奴县（今延安东）条下注说：“有洧水（今延河）可燃”，即石油浮于延河水上，可作燃料。其后，晋张华在《博物志》中指出：“水肥亦所在有之，非止高奴县洧水也”。北魏郦道元在《水经注》卷三中还引《博物志》说，把石油“取著器中，始黄后黑，如凝膏，然（燃）极明，与膏无异。膏车及水碓甚佳，方人谓之石漆”。“”字据《说文解字》称，乃“车毂中铁也”，即轴承的意思。唐李吉甫在记述玉门县（今玉门镇）石脂水时也说：“泉有苔如肥肉，燃之极明。水上有黑脂，人以草盝（捞）取，用涂鸱夷酒囊（革制酒囊）及膏车。北周武帝宣政（578）中，突厥围酒泉，取此脂燃火，焚其攻具，得水逾（愈）明，酒泉赖以获济。”［33］由此可见，由汉代至唐代已发现石油产地多处，并被用作燃料，以及作为车辆和水碓轴承上的润滑油，也用于润革和作为火攻的原料。到宋代时，沈括又用石油的烟作墨，同时指出“石油至多，生于地中无穷，不若松木有时而竭”，必将被作为制墨原料而“大行于世”。
天然气的发现也是在西汉，《汉书·郊祀志》记载，汉宣帝神爵元年（前61年）“祠天封苑火井于鸿门（今陕西神木县西南）”；《汉书·地理志》西河郡鸿门县条下，班固自注说：“有天封苑火井，祠火从地出也。”关于天然气的开发和利用，最早的要数四川盆地，大约是在汉代穿凿盐井时发现的，并被利用来煮盐。西汉扬雄在《蜀王本纪》中说：“临邛有火井，深六十余丈。”［34］张华《博物志》卷九也说，临邛火井“昔时人以竹木执以取火”，“执盆盖井上煮盐（水）得盐”。火井即是天然气井，天然气除被用来煮盐外，还被用以照明。东晋时就有记载说：“民欲其火，先以家火投之（火井口），顷许，如雷声，火焰出，通耀数十里。以竹筒盛其光藏之，可拽行终日不灭也。”［35］唐《十道要记》也记载：“火井有水，郡人以竹筒盛之，将以照路，盖似今人秉烛，即水中自有焰耳。”［36］四川的天然气开发，自汉代以来一直进行着，从未中断，至清道光（1821—1850）年间，已用竹、木、钻头构成的钻机，钻透四川气田的主要地层，建成了深达一千米以上的气井，这是当时世界上最深的气井。
第八节
后来居上的冶金技术
在早期的文明国度和地区中，中国使用铜、铁等金属的年代相对说来是较晚的。埃及大约在公元前5000年时开始进入青铜时代，公元前1000年左右开始进入铁器时代；美索不达米亚地区大约在公元前7000年时开始利用自然铜，公元前4000年时开始进入青铜时代，公元前1200年左右开始进入铁器时代；爱琴海地区大约在公元前3300年时开始进入青铜时代，公元前1000年左右开始进入铁器时代；印度大约在公元前2500年时开始进入青铜时代，公元前800年左右开始进入铁器时代；而中国是在公元前1500年左右开始进入青铜时代，公元前500年左右开始进入铁器时代的。但是，由于中国在冶铸技术方面的发明和创新，使中国的冶金业很快就后来居上，跃升于世界的前列，并为中国古代文明的高度发达奠定了坚实的物质基础。从这里我们可以看到一个技术进步带动生产发展，并进而促进社会文明进步的典型范例。
中国冶金史上的一个最突出的特点，是铸造技术占有重要的地位，以至于铸造既作为成形工艺而存在，又成为冶炼工序中的一个组成部分，达到了“冶”与“铸”密不可分的地步。因此在古代文献中往往是冶铸并称，并对中国文化产生了深刻的影响。如常用词汇“模范”、“范围”、“陶冶”、“就范”等，都是由冶铸技术衍生而来的。这种冶与铸密不可分的冶金传统，是古代世界上其他国家和地区所无法比拟的。
在炼铜中的另一项重要成就是湿法炼铜，也叫胆铜法。这是利用炼丹家所发现的铁对铜离子的置换反应，进行冶铜的方法。其工艺过程是把硫酸铜或碳酸铜（古称曾青、胆矾、石胆等）溶于水，使成胆水，然后投铁块于溶液中，因铁的化学性能比铜活泼，铁离子会置换出铜来。这是世界上最早的湿法冶金，宋代已用此法进行大规模的炼铜生产。
青铜铸造技术的高度发展，对中国的钢铁冶炼产生了巨大的影响。中国在使用铁的初期，就很快产生了生铁的冶铸工艺。生铁的熔点低，便于浇铸、连续加工成形和大量生产，从而促使了中国钢铁冶铸业迅速发展，跃居世界钢铁生产的领先地位。而西方早期主要是炼制块炼铁，通过锻打成形，其生产效率远低于中国的生铁冶铸，直到14世纪欧洲方开始采用生铁冶铸工艺。
由于生铁含碳量高，虽硬但脆，不耐碰击，易毁坏，为改进生铁的性能，中国古代发明了一系列的生铁加工技术。其中，首先是战国时期问世的铸铁柔化术。该项技术又分为两类：一类是在氧化气氛下对生铁进行脱碳热处理，使成白心韧性铸铁；一类是在中性或弱氧化气氛下，对生铁进行石墨化热处理，使成黑心韧性铸铁。而在西方，白心韧性铸铁的生产技术1722年方由法国人首次记述，黑心韧性铸铁是1831年才在美国问世的。到汉代，铸铁柔化术又有新的突破，形成了铸铁脱碳钢的生产工艺，可以由生铁经热处理直接生产低、中、高碳的各种钢材，中国从此成为世界上的先进钢铁生产国。其产品亦随着中外交通贸易的发展，输运到周围各国以及中亚、西亚和阿拉伯一带。
另一杰出的生铁加工技术是炒钢，它是中国古代由生铁变成钢或熟铁的主要方法，大约发明于西汉后期。其法是把生铁加热成液态或半液态，并不断搅拌，使生铁中的碳分和杂质不断氧化，从而得到钢或熟铁。河南巩县铁生沟和南阳瓦房庄汉代冶铁遗址，都提供了汉代应用炒钢工艺的实物证据。东汉时成书的《太平经》中也说：“有急乃后使工师击治石，求其中铁，烧冶之使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫邪耶。”“莫邪”乃古代宝剑之称。这段文字虽失之疏简，但不难看出，它叙述的是由矿石冶炼得到生铁，再由生铁水经过炒炼，锻打成器的工艺过程。炒钢工艺操作简便，原料易得，可以连续大规模生产，效率高，所得钢材或熟铁的质量高，对中国古代钢铁生产和社会发展都有重要的意义。类似的技术，在欧洲直至18世纪中叶方由英国人发明。
中国古代的炼钢技术主要是百炼钢。自从西晋刘琨写下“何意百炼钢，化为绕指柔”［37］这一脍炙人口的诗句后，“千锤百炼”、“百炼成钢”便成为人们常用的成语。百炼钢肇始于西汉早期的块炼渗碳钢，其后不断增加锻打次数而成定型的加工工艺。到东汉、三国时，百炼钢工艺已相当成熟。上引《太平经》中的“万锻之，乃成莫邪耶”，即是其生动的写照。曹操曾令工师制作“百辟利器”［38］，曹丕的《典论·剑铭》中说：“选兹良金（指铁），命彼国工，精而炼之，至于百辟”。刘备曾令“蒲元造刀五千口，皆连环，及刃口刻七十二涑。”［39］《古今注·舆服》亦说：“吴大帝有宝剑三，……一曰百炼，二曰青犊，三曰漏景。”后世这一工艺一直被继承，并不断得到发展。
创始于魏晋南北朝时期的灌钢技术，是中国冶金史上的一项独创性发明。陶弘景说：“钢铁是杂炼生柔作刀镰者”［40］，北齐的綦母怀文“造宿铁刀，其法烧生铁精以重柔铤，数宿则成刚”［41］，说的就是灌钢技术。灌钢的工艺过程大致为，将熔化的生铁与熟铁合炼，生铁中的碳分会向熟铁中扩散，并趋于均匀分布，且可去除部分杂质，而成优质钢材。灌钢技术在宋以后不断被改进，减少了灌炼次数，以至一次炼成。沈括《梦溪笔谈》卷三说：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之‘团钢’，亦谓之‘灌钢’。”并说“二三炼则生铁自熟，仍是柔铁”，正反映了灌炼次数的减少。其中把柔铁屈盘起来是为了增加生熟铁的接触面，提高灌钢的效率，并促使碳分分布更均匀；封泥则可以促进造渣，去除杂质，并起保护作用。明代灌钢技术又进一步发展，据《天工开物》卷十四记载，已把柔铁屈盘改为薄熟铁片，进一步增加了生熟铁的接触面，加速“生熟相和，炼成则钢”的进程，泥封亦改为草泥混封。灌钢又称“抹钢”、“苏钢”，其工艺自清至近代仍很盛行。在坩埚炼钢法发明之前，灌钢法是一种最先进的炼钢技术。
铜、铁外，中国古代冶炼和使用的金属还有金、银、汞、铅、锡、锌等，其中锌的炼制是中国首先发明的。中国在先秦的青铜中已把锌作为伴生矿加入铜合金中，从汉代至元代更是有意识地把锌的氧化物“炉甘石”加入化铜炉中，以生产锌为主要合金元素的铜合金黄铜。明代时，则开始了大规模地用炉甘石做原料提炼金属锌。从16世纪起，中国的锌便不断传入欧洲。欧洲到17世纪才开始炼锌，其工艺也是源自于中国。
第九节
举世瞩目的机械发明
中国古代在机械方面的创造发明，亦是中国文化史上璀璨光辉的一个组成部分。在风力、水力、热力机械及齿轮系传动等各机械方面，中国古代都有不少创造发明，为人类文明做出了极有价值的贡献。关于农业机械、天文仪器、纺织机械、印刷机械、交通机械、军事机械等方面的成就，已在各有关章节述及，这里仅介绍其他方面的几个突出成就，以见中国古代机械发明之一斑。
指南车
又称司南车，相传为黄帝所作，亦有说周公所作，实际上大约是西汉问世。《西京杂记》记载有：“司南车，驾四，中道。”东汉的张衡、三国时魏国的马钧都曾造过指南车，其后历代史书差不多都有指南车的记载。如《晋书·舆服志》说：“司南车，一名指南车，驾四马，其下制如楼，三级；四角金龙衔羽葆；刻木为仙人，衣羽衣，立车上，车虽回运而手常南指。”《宋书·礼志五》说：“其制如鼓车，设木人于车上，举手指南。车虽回转，所指不移。”《南齐书·祖冲之传》说：“冲之改造（指南车之）铜机，圆转不穷而司方如一。”但是，这些记载都过于简略，对其构造、原理都未述及，而且各代所造之指南车都很快流失。也即是说，各代都是在无资料记载和实物的情况下重新制造。只是到宋代的史籍才对燕肃和吴德仁制造的指南车有较详细的记述。燕肃曾任宋仁宗时的工部郎中，他于天圣五年（1027）在“……至国朝，不闻得其制”［42］的情况下，“创意成之”，造了一部指南车。吴德仁曾任宋徽宗时的内省侍，他于大观元年（1107）对燕肃所造之指南车进行了改进。
记里鼓车
即利用车轮的转动距离而自动报告车行里程的车子，其原理和作用类似于现汽车上的计程表。关于记里鼓车的最早文字记载亦是在《西京杂记》中，其云“记道车，驾四，中道”。其后各代史书亦都有记述，《晋书·舆服志》云：“记里鼓车，驾四，形制如司南，其中有木人执槌向鼓，行一里则打一槌”；《宋书·礼五》云：“（记里车）制如指南，其上有鼓，车行一里，木人辄击一槌”；五代马缟所注的《中华古今注》亦曰：“记里鼓车，所以识道里也，谓之大章车。起于西京，亦曰记里车。车上有二层，皆有木人焉。行一里下一层击鼓；行十里上一层击钟。”但如指南车的命运一样，记里鼓车也是每次造后即很快失传，记载也是过于简略。
《宋史·舆服一》记有天圣五年内侍卢道隆和大观元年吴德仁所造的记里鼓车，对车子的形制、大小、齿轮传动结构等都有较详细的记载。其制为独辕双轮车，车箱分上下两层，下层有木人执槌司鼓，上层有木人执槌司镯（或钲）。车箱里设置有一套减速齿轮系，并分别与上下两木人相连。当车子每行走一里时，控制下层木人的齿轮转动一周，木人击鼓一次；当车子每行走十里时，控制上层木人的齿轮转动一周，木人击镯（或钲）一次，从而达到报告行程里数的效果。
水转百戏
三国时马钧所创制。当时，有人送给魏明帝一木制玩具，上有百戏的造型，形象优美，制作精巧，但却是静止固定的，不会活动。马钧便对之进行改制，他用木料做了一个大原动轮，平放于地上，用水力驱动，原动轮便会带动戏中的各种造像活动起来。“设为女乐舞象，至令木人击鼓吹萧；作山岳，使木人跳丸掷剑，缘倒立，出入自在；百官行署，舂磨斗鸡，变巧百端。”［43］“水转百戏”的具体构造现已无从得知，但从其能使各种戏中的造型活动，可推断其内部一定运用有一套复杂的齿轮系以及凸轮、连杆等传动机构。水转百戏所达到的机械水平，即使在今天看来也是令人惊叹的。
指南车，记里鼓车，水转百戏，唐、宋、元时的水运天文仪器，明代的五轮沙漏，以至各种农用的水转连磨等等，均结构复杂，构思灵巧，反映了中国古代已经对齿轮系的传动原理有着相当深刻的认识，也体现了中国古代高超的设计思想和创造才能。
地动仪
鼓风机械
在金属冶炼中，为了使燃料充分燃烧，以提高炉温，一般都装设有鼓风机械。最早的鼓风器称为橐，是一种皮囊。把多个橐排在一起称排橐，用马力、人力、水力推动就称马排、人排、水排。水排是东汉时南阳太守杜诗于公元31年发明的，用于鼓铸农器，收到了“用力少，见功多，百姓便之”［46］的效果。三国时韩暨在魏国官营冶铁作坊进行推广，以代替马排、人排。由于鼓风器何时由皮橐发展为风扇，现尚不清楚，故杜诗、韩暨的水排是用皮橐或风扇，结构如何，不得而知，但至迟在北宋时，木风扇已取代皮橐。北宋的《武经总要》中的行炉，元代王祯《农书》中的水排，都用的是水风扇。书中的水排图，有立轮式和卧轮式两种，是用水作动力推动轮子旋转，进而拉推风扇以鼓风，应用的是通过轮轴、拉杆，或者传动带，把圆周运动改变为直线往复运动的机械原理。
中国在鼓风技术方面最重要的发明，是活塞式风箱。活塞式风箱可能出现于唐代或宋代。公元1280年印制的《演禽斗数三世相书》中，刊载有一幅世界上最古老的双动式活塞风箱图，相传该书是唐初袁天罡所撰著的，宋代初次刊行。明代《天工开物》中所载的活塞式风箱，与此类似。活塞式风箱正逆行程都作有用功，每行程中一端排气鼓风，另一端同时吸取等量空气，因而能提供连续风流，提高鼓风效率，是鼓风技术上的重大进步。欧洲直至公元1716年方发明了类似的双动往复式水泵，为后来的活塞式机械打开了道路。
走马灯
大约发明于唐代。唐时的“影灯”可能即是走马灯，宋代称马骑灯。《全唐诗》崔液《上元夜六首》之二：“神灯佛火百轮张，刻像图形七宝装。影里如闻金口说，空中似散玉毫光”；宋范成大《石湖居士诗集》卷二十三《上元纪吴中节物俳谐体三十二韵》的“转影骑纵横”，生动地为人们描绘了走马灯的形象。走马灯的构造是在一根立轴上部横装一个斜翼系统和叶轮，立轴下端附近则装一盏灯或一支烛。灯（或烛）点燃后，上方空气受热膨胀，密度降低，热空气即上升，而冷空气由下方进入补充，产生空气对流，从而推动叶轮旋转，并带动与立轴相连的各种图像转动。走马灯的制作原理，与现代燃气机相一致，可称之为燃气机的始祖。遗憾的是，中国古代一直把其作为玩物，没有能进一步加以研究，使之走向实际应用。欧洲在公元1550年发明了类似的燃气轮，用于烤肉，以后随着工业革命的浪潮，很快得到发展，在工业生产中被广泛地应用。
第十节
古代知识分子与科学
科学是脑力劳动的产物，因此科学的发展与知识分子的状态之间有着密切的关系。
知识分子在中国古代被称为士。先秦时就有士农工商四民之说，《汉书·食货志》说：“士、农、工、商，四民有业。学以居位曰士”。也就是说，士是四民之首，是以学识取得地位的。《说文解字》说：“士，事也”。《白虎通》也说：“士者事也，任事之称也”。“传曰：通古今，辩然不，谓士。”《说文解字》又云：“数始于一终于十，（士）从一从十，孔子曰：‘推十合一为士’。”段注云：“数始一终十，学者由博返约，故云推十合一。博学、审问、慎思、明辩为行，惟以求其至是也，若一贯之，则圣人之极致矣。”郑也说过：“仕（通士）之言事也”，“引伸之，凡能事其事者称士”。由上引述可以看出，士的社会功能一是任事，一是致圣人之道，即负责处理事务和维护传统伦理道德的双重使命。在一个君主专制的政体中，在一个“君君、臣臣”位秩森严的社会中，服从君主，忠于君主，为君主任事，辅助君主处理国事，这在中国历史上是被视为天经地义的，知识分子也是以此而立身处世的。
既然知识分子是以协助政务、治理国家为己任的，在一个幅员广袤的一统国家中，国家事务包括政治、经济、军事、文化、教育、外交等各个方面，而科学技术是国计民生所不可或缺的，自然也就导致了一批官吏不能不去从事这方面的工作。因此在历史上，凡是与国家治理有关的科学技术，都置有相应的官方机构进行组织和管理，并任命官吏主持其事。当然，这些官僚知识分子之所以也从事科学技术工作，其出发点是为治理国务，是被动的，并非出于探索自然界奥秘的目的。本质上，他们是轻视科学技术，视科学技术为末技的。而他们注重的是经史治国，“君子博学于文，自身而至于家国天下，制之为度数，发之为音容，莫非文也”［47］。由此，也就决定了中国科学史上的另一特殊现象，即与国家事务关系密切的学科特别发达。其中，又以农、天、算、地、医等学科最为发达，成就最大。
中国历史上一直以农立国。《吕氏春秋·上农篇》云：“古先圣王之所以导其民者，先务于农。民农非徒为地利也，贵其志也。民农则朴，朴则易用，易用则边境安，主位尊。民农则重，重则少私义（议），少私义（议）则公法立，力专一。民农则其产复，其产复则重徙，重徙则死其处而无二虑。”［48］也就是说，农业不但可以获取土地之利，保证国家的财政收入，而且可以把农民固定在土地上，便于征调和统治。所以历代政权都奉行以农为本的国策，组织和管理农业生产也因之成为政府的一项要务。历史上的农学家都是在这农本思想的指导下，从事农学工作的。贾思勰著《齐民要术》的宗旨，是要政府重视农业生产，以达到“要在安民”［49］的目的；韩鄂在《四时纂要·序》中，开宗明义曰：“夫有国者，莫不以农为本；有家者，莫不以食为本”，认为这是“贤愚共守之道也”；王祯《农书·自序》曰：“农，天下之大本也”，他著书是希望“躬任民事者，傥有所取于斯与”；徐光启的《农政全书》，则是在农业“为生民率育之源，国家富强之本”［50］的思想指导下写成。
在中国传统的宇宙论中，存在着一个有意志的“天”，“天”是至高无上的，天地万物乃至人世间的一切事务，都受着“天”的支配和主宰，而且认为天文现象与世间人事之间存在着相对应的关系。人世间的君主是“天子”，代表“天”的意志行事，并受着“天”的制约。为了卜知天意，沟通天人关系，于是出现了星占术，由之星占术便被与政务紧密地联系起来。历法则被视为顺应天意，代天“敬授民时”的重要举动，为“王者所重”，“王者易姓受命，必慎始初，改正朔，易服色，推本天元，顺承厥意”。［51］历史上的天文学是与星占学及历法纠缠在一起的，因而天文学便寄寓于星占学和历法而受政府直接控制，国家还设立了钦天监专司其职。这样，天文学便带上了神圣而又神秘的色彩，连天文仪器的制造，天文台站的设置和历法的制定、颁布等，都成了政权的象征。
数学作为一门工具性学科，与国计民生关系极为密切。地理情况的了解，地图的测绘，土地的丈量，赋税的计算，国库的收支，货物的交易，建筑工程、水利工程的设计和施工，乃至音律的制定等等，都离不开数学。同时，天文、历法亦与数学密不可分，故此中国古代是天算不分的。孙子说：“夫算者，天地之经纬，君生之元用”，可以“观天道精微之兆基，察地理纵横之长短。”［52］《后汉书·律历上》在论数时也说：“故体有长短，检以度；物有多少，受以量；量有轻重，平以权衡；声有清浊，协以律吕；三光运行，纪以历数。然后幽隐之情，精微之变，可得而综也。”可见中国古代对于数学的功用，已有相当深刻的认识。数学的这些功用，都与治理国家的政务直接相关，故数学一直受到历代政权和知识分子的重视，成为“士”必受训的“六艺”之一。
对于地理情况的了解和掌握，更是治理一个庞大国家的要务。《山海经》中已指出：“此天地之所分壤树谷也，戈矛之所发也，刀铩之所起也……得失之数，皆在此内，是谓国用。”［53］二十四史中，十六史有《地理志》，以供“王者司牧黎元，方制天下，列井田而底职贡，分县道以控华夷”［54］之用。地图的绘制也受到历代政权的重视，西晋裴秀的《禹贡地域图》之制作，是为了使“王者不下堂而知四方”［55］；唐李吉甫编纂《元和郡县图志》，是为了“佐明王扼天下之吭，制群生之命，收地保势胜之利，示形束壤制之端”［56］。
医学虽有些特殊，著名的医家很多没有进入仕途，但由于医学关系到每个人的生命安危，对于维护社会的安定有重要的作用，加上儒家思想认为，医学“上以疗君亲之疾，下以救贫贱之厄，中以保身长全，以养其生”［57］，所以也受到历代政府和知识分子的重视。政府设有医药机构，并颁布药典或医方，连王焘、苏颂、沈括、苏轼等著名的官员都研究医药，撰写医书。
纵观中国历史，可以看到，凡与国家治理有关的科学领域和技术部门，都受到政府的直接控制。也可以说，中国历史上较为发达的科学领域和技术部门，大都带有官营的印记，与国家的治理息息相关。
知识分子以做官为出路，进入仕途之后以治国为己任。为了达到这一目标，特别是汉代独尊儒术后，只有熟读儒家经典方能做官和治国，因此知识分子大多把精力耗费在皓首穷经之中，去修习所谓“内圣外王”之功。即内以圣人的道德为体，外以王者的仁政为用，体用兼备，各尽其极致。如此，培养出来的人才只能是属于通儒，育出的是娴熟于经典的文化人，而不是一个专才。“治经入官，则君子之道焉”［58］，对科学技术，仅“可以兼明，不可以专业”［59］。这是一条反专业化的道路。用现代社会学的术语说，也就是造就的知识分子属于功能普化型，而不是功能专化型。所以，中国古代的知识分子，包括科学家在内，大都是以经学作为进身的阶梯，身兼多种职能，注意力主要集中在现实的人世，关心的是治国平天下的政业，而很少是以自然界作为研究对象，以科学技术作为终身事业的。也正因为如此，那种探索自然界奥秘的独立的科学思想和科学精神，没能在中国形成。
同时，由于中国历史上的主要科学领域和技术部门，是直接为国家的治理服务的，注重的是科学技术的功用，而不注重于探究其事理和原因，因而造成了“但言其当然，而不言其所以然”［60］的学术倾向。
上述两个原因，决定了中国历史上的科学形态是属于实用型，注重于实用性，充满了务实精神，而非理论型，在理论方面的研究受到忽视。
当然，科学技术的存在及其发展，是不可能完全离开理性思维的，哪怕是最简单、初级的理性思维。但在古代中国，这些理性思维的因素大都被寓于实际（有形、有数的事物）之中，被强大的务实精神所笼罩着，没能被抽象出来，升华而形成独立的系统的理论。此外，也不可否认，在中国历史上的科学中也应用过一些理论，如元气学说、阴阳学说、五行学说等，但这些理论与知识分子是功能普化型的一样，也是功能普化型的理论，它普适于天地万物以至人事和人身。这种高度普适性的理论，虽也可以用来笼统地、模糊地解释一些自然现象，可是其客观效果却束缚了人们对自然界进行具体的、有分析的探讨的科学精神，阻碍了人们深刻认识事物本质的进取心理的发展，因而最终成为形成科学性专化理论的一种阻力。
同时，在读经入仕的道路上，知识分子养成了崇尚经典的学风和唯经典是从的惰性，也影响到科学领域中。各门主要的科学学科都树立有经典，后人的工作更多的是继承、沿袭、注疏，并在此基础上补充、改进，而创新精神不足，缺乏对科学文化体系进行变革的活力。这也决定了中国古代科学技术只能沿着传统的道路缓慢地前进，没能产生质的飞跃，自行进入近代理性的科学阶段。
总之，知识分子从治理国家政务的实用目的出发，进行科学技术工作的结果，一方面给中国历史上的科学技术带来了动力，使中国古代具有较高的科学技术水平，取得了不少划时代的成就，在很长的历史时期中处于世界的先进行列，甚而居领先的地位；另一方面也给中国历史上的科学技术带来了局限，特别是缺乏对自然界进行理性探索的精神，致使未能形成专化性的科学理论，而只能停留在经验性的认识阶段。及至进入近代科学时期，便赶不上时代的潮流，被时代的潮流远远地抛在后面。
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［1］ 培根《新工具》，商务印书馆，1984，第103页。
［2］ 贝尔纳《历史上的科学》，“为中文译本写的序”。科学出版社，1981。
［3］ 李约瑟《中国科学技术史》，中译本，第1卷，科学出版社，1975，第3页。
［4］ 李约瑟《中国科学技术史》，中译本，第1卷，第545—547页。
［5］ 李约瑟《中国科学技术史》，中译本，第3卷，科学出版社，1978，第333页。
［6］ 《九章算术·盈不足》。
［7］ 《九章算术·方田章》刘徽注文。
［9］ 参见王振铎《司南指南针与罗经盘》（上），《中国考古学报》第三册，1948。王振铎先生的研究和考证是有历史根据的，是可信的。现有人提出“司南”指的是北斗星；又有人提出《论衡》中“投之于地”的“地”字是“池”字之误，“池”即水银池。这两种见解根据都不足，论证亦不严密，有臆断之嫌。
［10］ 引自《古今图书集成》卷六五五。
［11］ 引自《古今图书集成》卷六五一。
［12］ 李约瑟《中国之科学与文明》，中译本，第七册，台北商务印书馆，1980，第147页。
［13］ 曾公亮《武经总要前集》卷一一。
［14］ 曾公亮《武经总要前集》卷一二。
［15］ 同上。
［16］ 同上。
［17］ 葛洪《抱朴子内篇·黄白篇》。
［18］ 培根《新工具》，商务印书馆，1984，第64页。
［19］ 陶弘景《神农本草经集注·硝石条》。
［20］ 《吕氏春秋·用民》。
［21］ 贾思勰《齐民要术·种谷第三》。
［22］ 《荀子·王制》。
［23］ 《管子·轻重》。
［24］ 《素问·阴阳应象》。
［25］ 沈括《梦溪笔谈》卷一八。
［26］ 王祯《农书·杂录》。
［27］ 王祯《农书·杂录》。
［28］ 李约瑟《中国科学技术史》，中译本，第5卷，第363页。
［29］ 段成式《酉阳杂俎》前集卷一六。
［30］ 李约瑟《中国科学技术史》，中译本，第1卷，第484页。
［31］ 铜绿山考古发掘队《湖北铜绿山春秋战国古矿井遗址发掘简报》，《文物》1975年第2期。
［32］ 陆容《菽园杂记》卷一四。
［33］ 李吉甫《元和郡县志》卷四〇。
［34］ 《太平御览》卷八六九引。
［37］ 刘琨《重赠卢谌》。见《古诗笺》，上海古籍出版社，1980，第121页。
［38］ 《太平御览》卷三四五引《内诫令》。
［39］ 《太平御览》卷三四六引《刀剑录》。
［40］ 《重修政和经史证类备用本草》卷四玉石部引。
［41］ 《北史·綦母怀文传》。
［42］ 《宋史·舆服一》。
［44］ 李约瑟《中国科学技术史》，中译本，第1卷，第341页。
［45］ 《后汉书·张衡传》。
［46］ 《后汉书·杜诗传》。
［48］ 夏纬瑛《吕氏春秋上农等四篇校释》，农业出版社，1979。
［49］ 《齐民要术·序》。
［50］ 徐光启《农政全书·凡例》。
［51］ 《史记·历书》。
［52］ 《孙子算经·序》。
［53］ 《山海经》卷五。
［54］ 《旧唐书·地理志一》。
［55］ 《北堂书钞》卷九六。
［56］ 李吉甫《元和郡县图志·序》。
［58］ 《晋书·食货志》。
［59］ 《颜氏家训·杂艺篇》。
［60］ 阮元《畴人传》卷四六。