宋代科学技术

宋代是中国古代科学技术发展的高峰时期。唐代经济的繁荣，文化的昌盛，为宋代科学技术的高度发展打下了坚实的基础。自唐中叶起，生产关系在封建制度范围内开始出现某些有利于生产力发展的变革。960年赵宋王朝的建立，基本完成了这些变革，并结束了分裂战乱局面。社会的相对安定，有利于农业、手工业和商业贸易的繁荣和科学技术的发展。它们相互促进，相得益彰，大约半个世纪后出现了科学技术发展的一个高潮，中国历代擅长的天、算、农、医四门基础学科日臻完善，中国四大发明有三项在宋代完成，其它技术科学也得到长足进步。十一世纪上半叶，东京出现了一个以楚衍为首研究数学、天文历法的中心。数学家贾宪便是楚衍的弟子，他奠定了宋元数学高潮的基础。天文仪器的规模及精确度都大大提高，并从1010到1106年组织了对恒星位置的五次大规模观测。农学和医学有了较大发展。火药用于兵器，指南针用于航海，雕版印刷得到普及，毕?创造了活字印刷。土木建筑进一步发展，制定了建筑规范及反映这些规范的著作。博学多才的大科学家沈括撰《梦溪笔谈》，以三分之一的篇幅总结了他本人及同代人在数学、天文历法、农学、医药、地理、地质、气象、机械、土木建筑、军事技术等方面的创造。1127年，金朝入主中原，赵宋南迁，大批科学技术专家随之南迁。长江流域的经济、文化得到大发展，并超过北方。南宋的科学技术得到更大发展，数学上在13世纪出现了秦九韶、杨辉等大数学家，把中国筹算数学推向最高峰。其它如天文、医学、农学、造船技术、航海技术等也得到空前发展。宋代民族矛盾尖锐，边境战争、南北战争频仍，军事技术得到前所未有的发展。宋代科学技术是世界中世纪科技史上最辉煌的一页。

以数学而论，唐初编纂《算经十书》，在中国数学史上影响深远。然此后唐代数学除与天文历法有关的方面有所发展外，创见不多。经过几百年的孕育积累，数学在宋代得到空前的发展。11世纪上半叶，贾宪撰《黄帝九章算经细草》，提出贾宪三角，创造增乘开方法其数学理论和方法深刻影响了宋元数学高潮。11世纪末，沈括在《梦溪笔谈》中，提出隙积术，是二阶等差级数求和问题，开创了中国古代数学的新课题，杨辉又加以推广。贾宪三角和隙积术为元朱世杰圆满解决高阶等差级数求和问题及招差术奠定了基础。12世纪初刘益首先引入负系数方程，在开方术上贡献极大。13世纪中叶，秦九韶完成巨著《数学九章》，提出了以贾宪增乘开方法为主导的正负开方术，把求高次方程正根的方法发展到完备的境界。秦九韶提出了大衍总数术和大衍求一术，系统解决了一次同余式组问题。贾宪三角、增乘开方法、一次同余式解法，都比阿拉伯同类成果早，比西方同类成果更早600―800年。由于商业发展的需要，筹算乘除捷法在宋代得到更大发展并编为歌诀，出现了许多这类著作，可惜都失传，沈括、杨辉书中保存了部分有关捷法的记载，杨辉总结的许多口诀已接近沿用到现今的珠算口诀。筹算乘除捷算法的发展导致了珠算的产生，珠算取代筹算，完成了古代计算工具的一次重大改革。雕版印刷数学书籍的出版，促进了数学的发展。元丰七年(1084)首次出版《算经十书》，是为中国也是全世界数学书籍第一次印刷。嘉定六年(1213)鲍?之翻刻元丰本，是为世界上现存最早的印本数学著作。

宋代天文学研究也取得了许多重大成就。首先是天文观测在其规模和准确度上都超过前代。1054年超新星的记录，与现今天关星附近蟹状星云相吻合，成为当代天文学界感兴趣的一个课题。宋代先后在大中祥符三年(1010)、景钓、皇钓、元丰、崇宁年间组织了五次大规模的恒星观测，元丰年间的观测结果被绘成星图，刻成石碑，这就是今存的苏州石刻天文图。适应天文观测的需要，天文仪器的制造在其规模和精确度上也达到前所未有的水平，北宋从995到1092年近百年间制造巨型浑仪5架，苏颂与范公廉造水运仪象台，后又制造了浑天象，观测者可进入天球内部观察。沈括在简化浑仪上作出了贡献。在计时器具漏壶的制造上消除了水位变化对流量的影响，克服了水流速度由于水温变化而不均匀的问题。宋代制定的历法有记载的达20多个，颁行18个，在历代中是颁行历法最多的，频繁的改历说明了天文观测的进步。沈括的十二气历主张按节气定历，是个独创性改革，由于否定了阴阳合历习惯，未能颁行。两宋颁行的历法中以北宋姚舜辅的纪元历，南宋杨忠辅的统天历为最有创造性。纪元历首创利用观测金星确定太阳位置的方法，统天历的回归年长度为365.2425日，与1582年颁行的格里高利历(即公历)的平均历年相同，但早383年。

北宋仍盛行以图经形式编写地理著作，后来经与图常分开，便称为志。其最著者为乐史编《太平寰宇记》，开方志列人物、艺文之新体例。王存编纂《元丰九域志》，注重当世之务。宋代地图有不少保存至今，西安碑林中的禹迹图，画有方格，注明每方折地百里，是目前所见最早画有方格的地图，其所绘河川海岸，比以往精确，它很可能系沈括所绘。宣和间《九域守令图》所画山东半岛、海南岛比以往准确，对四川水系尤为精详。宋代适应农业生产发展的需要，兴修了不少水利设施，宋初，在黄河、海河流域开挖修浚了许多河渠，用以灌溉。11世纪兴修农田水利工程有一万多处。福建莆田县的木兰陂，是一座有代表性的引、蓄、灌、排综合利用的大型水利工程，900年来一直使用，反映了水利工程的高超技术。

中国以农为立国之本。宋代农业生产技术得到大发展，尤其是江南，更为显著，兴修农田水利设施，开辟新的农田，水稻成为全国产量最高的粮食作物，棉花等新的农作物品种的引入，改变了农作物的分布。南宋初陈?著《农书》，是现存最早论述南方水稻区域农业技术和经营管理的著作，涉及耕耨、育苗、中耕、烤田、灌溉、施肥等内容，体现了精耕细作的传统思想。宋代动植物志和谱录大量出现，反映了园艺技术的高度发展，蔡襄《荔枝谱》，韩彦直《橘录》，欧阳修《洛阳牡丹记》，陆游《天彭牡丹记》，王观《扬州芍药谱》，刘蒙《菊谱》，宋子安《东溪试茶录》等记载了各种园艺植物的品种、分类，性状，栽培技术及历史沿革，在农学和生物学上有一定价值。农业的发展，使人们关心气象，尤其是降水量，秦九韶著作中有世界上最早的测雨雪器的记载。

中医中药学在宋代得到全面发展。宋政府重视医学事业，设立校正医书局，对历代重要医籍进行系统的搜集、整理，并于熙宁间刊行。几次组织医官和医家编纂大型医药书，如集方药学大成的《太平圣惠方》、集方剂学大成的《太平惠民和剂局方》、集治疗大成的《圣济总录》。在掌禹锡《补注本草》、苏颂《图经本草》基础上修订而成的《经史证类备急本草》，在《本草纲目》之前一直作为本草学的范本。病理解剖学在宋代得到进一步发展，而且出现了解剖图谱之类的书。南宋宋慈于1247年著《洗冤集录》，记述了人体解剖、检验尸体、鉴定死因及各种急救方法。该书不仅在我国沿用600多年，而且成为各种法医著作的参考书，译成各种外文。陈言在张仲景病因学基础上进一步把病因分为内因、外因及不内外因三类，把病因学说系统化。宋代对疾病的分类也更加详细而准确。针灸术也有了较大发展。王惟一于1027年著《铜人腧穴图经》统一了各家腧穴说，创制了两具针灸铜人，使针灸图象具有了立体感和真实感，是我国针灸学的宝贵遗产。

三大发明火药、指南针、活字印刷术在宋代最后完成。火药本是由炼丹术士发现的，宋代火药的配方已脱离了初期阶段，各种药物成分有了比较合理的定量配比，并在军事上得到应用。《武经总要》中分别记录了毒性火药、燃烧性火药及爆炸性火药的配方。后又在抗金战争中发明了“霹雳炮”、“震天雷”等爆炸性火炮。1132年南宋陈规发明了管形火枪。宋代还发明了自身具有发射和推进能力的火箭，是现代火箭的鼻祖。火药和火器制造成为手工业的一个重要部门。指南针的发明和使用是远洋航海事业的必要条件。《武经总要》、《梦溪笔谈》记载了两种人工磁化钢针的方法，为具有实用价值的指南针的发明提供了技术条件。至于磁针的装置方法，沈括提到有水浮、置爪、碗边及缕悬等法。指南针的发明，使“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针”。南宋时期则主要靠指南针导航，天文导航降为次要地位，这使人们获得了在大海上全天候的航行能力，从而大大促进了航海事业的发展。宋代海外贸易的大发展，水战的频繁，使造船技术也趋于封建社会的鼎盛期。船舶性能，船体结构、规模，船只数量都达到历史的新水平，在当时世界上处于领先地位。雕版印刷术发明大约起源于唐代，主要用来印刷年历、课本等，宋代雕版印刷大发展，用来印制经、史、子、集等主要著作。北宋庆历间(1041―1048)，毕?发明了活字印刷，把印刷技术推进到一个新阶段。火药、指南针、印刷术对世界文明作了重大贡献。

宋瓷体现了宋代制瓷技术达到了纯熟的境界。全国形成了北方的定窑、磁州窑、钧窑、耀州窑及南方的景德镇窑、越窑、龙泉窑、建窑等各具特色的八大窑系。宋代青瓷发展臻于炉火纯青的高峰。白瓷也进一步发展，并由北向南推广，以景德镇为主，景德镇成为瓷都。宋代，有色金属和黑色金属矿的开采有更大发展，冶炼技术有新的进步，如采银炼银的“吹灰法”。宋代广泛推广胆铜法，提高了铜产量，到南宋，胆铜产量已占全国铜产量的85%。钢铁冶炼中采用木风扇为冶炉鼓风，强化冶炼过程，提高了产量。同时，广泛采用煤炼铁，而欧洲到18世纪才作到这一点。《梦溪笔谈》还记载了进一步改进灌钢技术的方法。适应矿冶事业的发展，人们对矿物的研究认识也大为进步，1133年杜绾著《云林石谱》3卷载石品116种，记载其产地、采法、光泽、质地，是一部重要的矿物学著作。中国是丝绸大国，宋代纺织机具非常先进，提花机已经定型，出现了用水力发动的多锭大纺车，纺织技术上最重要的成就是纱罗锦缎等织物的织造方法和提花工艺的改进，南宋时锦品已达40多种，最著者有苏州宋锦，南京云锦。

中国古代以木结构为主体的建筑结构形式，发展到宋代也达到了新的高峰。城市建设从布局、市政到城防都比唐代有很大变化，东京(今河南开封)和临安(今浙江杭州)都是100多万人口的繁荣大城市。北宋注意对建筑技术的总结，多次组织编修建筑技术规程，1100年李诫编成的《营造法式》对历代工匠的经验及当时的建筑技术成就，建筑工程作法、定额作了全面的系统的总结，图文并茂，科学水平很高，是带有法令性的专著，标志着宋代建筑技术已向标准、定型的方向发展，对当时及后世影响极大。宋代建桥很多，在建造拱桥和梁桥上有很多技术突破，前者以汴梁(今河南开封)虹桥为代表，以木梁交叠而成，既易架设，又便于通航，跨径近25米，在世界桥梁史上是罕见的，《清明上河图》上便画了这样的桥。梁桥以泉州北宋的洛阳桥、南宋的安平桥为代表。洛阳桥江面开阔，江海交汇，采用在石堤上筑桥墩的方法，是个创新，所采用的浮运架梁法，在现代桥梁工程中得到广泛使用。洛阳桥长800多米，宽7米，至今900余年仍横跨在洛阳江上。