改变世界的伟大中国发明（二）

　　任鸿隽
　　＂科学的两个起源，一是实际的需要，二是人类的好奇，而就科学创新而言，好奇心比实际需要更重要＂---任鸿隽引
　　＂四大发明＂（造纸、印刷、火药和磁罗盘）我们可以如数家珍、引以为豪，但其实，中国古代先民伟大发明数倍于此。
　　在人类历史曾经很长一段时间里，中国科学技术水平遥遥领先于西方世界。在英国学者Jack Challoner的《改变世界的1001项伟大发明》一书中，记录了来自中国的有28项之多，包括上期讲述的伞、浮桥、风筝和弩，以及今天要讲述的磁罗盘、高炉、高桥马鞍和马镫，这些伟大发明全部来自于中国这片土地。书中所收录的最后一项定格在1498年明代人所发明的牙刷，就此戛然而止。
　　在这之后，西方世界经历思想与物质世界变革后，现代科技快速发展，而中国由于自身原因长期停滞不前。到了近代百年，遭受到西方以科技变革为后盾的船舰礼炮频繁侵扰、屡次受辱。具讽刺意味的是，火药（约公元800年）、火箭弹（约公元904年）、大炮（约1128年）、地雷（约1277年）、步枪（约1300年），这些现代武器的鼻祖均属中国古人发明。
　　著名汉学家李约瑟（Noel Joseph Terence Montgomery Needham，1900年12月9日－1995年3月24日），著有《中国科学技术史》（一种说法＂中国古代四大发明＂之命名出自此书），他在1930年代提出，＂尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么科学和工业革命没有在近代的中国发生？＂ 1976年，美国经济学家肯尼思·博尔丁正式将这个问题称为李约瑟之问（英语：Needham＂s Grand Question）。
　　李约瑟
　　另一个鲜为人知的事实是，有一位国人，早于李约瑟提出同样问题，呐喊疾呼，甚至是直接给出了答案，他就是任鸿隽先生（1886年12月20日－1961年11月13日），字叔永，男，四川垫江人，曾任孙中山秘书，中国近代科学事业主要开拓者和奠基人之一，创办了中国科学社。中国最早系统提出＂发展科学为吾国之生命线＂、主张以科学立国的中国人之一，并将其富远见的思想付诸实践。
　　《科学》
　　*本期主题：磁罗盘、高炉、高桥鞍和马镫磁罗盘（约公元前400年）
　　磁铁是一种具有天然磁性的矿石，公元前四世纪，中国人就发明了磁铁定位功能，早期发明这种工具是为风水师所用。
　　最简单的罗盘是在一碗水中放入一根木棍，将磁石放在木棍之上，磁石左右晃动后永远指向一个方向。
　　最简单的罗盘磁罗盘原理
　　地球是一个核心是铁水的大铁球，如果将地球想成一块大磁铁，指南针永远与地球的南北轴保持平行，异极相吸、同极相斥，则地球的地磁北极是S极，地磁南极则是N极。
　　地球磁极
　　古代人们是从天然磁石中认识磁性，天然磁石一般是在自然界被磁化的铁矿石，会吸引铁的物品。磁罗盘的应用演化
　　中国是最早研制出的精密指南针，可以追溯到公元前2世纪到公元2世纪的汉代。用矿石磁化的汤匙，充当指南针的指针，又称指南针或司南，成为一种用于指示方向的工具。
　　司南
　　世界上最早的关于用天然磁石磨钢针的方法造磁针，以及人造磁针指南的记载，出现在北宋沈括《梦溪笔谈》。
　　《梦溪笔谈》
　　关于磁偏角，沈括也做了试验，沈括精于天文历法，因而他从圭表的地理子午观测比较中加以证明。磁针偏角的发现，是古代科学史上的重要成果。欧洲到了13世纪才知道磁针偏角，那时多误解为指南针工艺装置上的缺陷。
　　磁北与正北：磁罗盘上的指针并非指向真正的北极，而是指向目前位于加拿大北部埃尔斯米尔岛上距北极约500公里（约310英里）的位置，这归因于大量铁矿石的沉积。
　　地磁偏角
　　磁罗盘最早见于航海用途的指南针记载于北宋，四十八方位罗盘用于航海的文献纪录，最早见于元代周达观《真腊风土记》（法国探险家就是依据这本书线索找到了湮没在热带雨林几百年的吴哥遗迹）。
　　在明嘉靖年（1522~1566）以前，我国海航一直使用水罗盘，其制作简单方便，但不太平稳，易随船舶的摇动而摇晃。
　　中国传统式样的指南针于十二三世纪传入阿拉伯，后又传入欧洲。欧洲最早对磁针的描写见于英国亚历山大·内卡姆在1195年所写的《论物质的本性》，书中的磁针装置与中国宋代所记的浮针完全一致。
　　之后，欧洲人将磁针放在钉子尖端，可自由转动，制成了旱罗盘，旱罗盘有固定的支点，不像水罗盘那样不平稳，性能更适用于航海。在明嘉靖年间，我国也开始使用旱罗盘。现代磁罗盘
　　培利的指南针：指南针是指示方向装置，最重要的导航仪器之一，罗伯特·培利就是用这个指南针到达北极，据说他是第一个到达北极的人。
　　培利的指南针
　　手持罗盘：它使用一个与地球磁场对齐的磁化指针，下图为美国海军陆战队员在夏威夷训练区进行训练演习中，研究使用这种罗盘。
　　军用手持罗盘
　　罗盘卡：随着工程师和科学家对地磁和导航越来越熟悉，罗盘也变得越来越复杂。这款15世纪的欧洲指南针以罗盘卡为特色，可以指示32个方向。
　　罗盘卡
　　Kayak指南针：在12或13世纪，探险家和水手就已经熟悉使用罗盘导航了。下图这些猎人来自阿拉斯加州的小迪奥米德岛，他们使用指南针成功地航行在白令海峡。
　　军事导航：现代磁罗盘通常配备有放大镜和镜子。在加州华纳斯普林斯的一次陆地导航训练演习中，安全部队中心的一名生存、躲避、抵抗和逃脱(SERE)指导员教学生使用地图和指南针来辨别方向。
　　军用罗盘
　　罗盘箱：磁罗盘必须调整，以考虑地理北(所谓的＂正北＂)和磁北之间的差异。磁性罗盘也必须调整，以补偿来自钢铁或钢铁船舶或飞机的磁性，加一个罗盘外壳，弥补了这两种差异。这个来自皇家游艇＂维多利亚和艾伯特三世＂的罗盘，两侧都有所谓的＂开尔文球体＂。开尔文球是一种铁球，可以根据水平磁场的变化调整指南针。在罗盘的内部(在指南针下方)有弗林德尔的杆，可以根据垂直磁场的变化调整指南针。
　　罗盘箱
　　陀螺罗经 Gyrocompass：今天有许多不同类型的罗盘，包括经常依赖于全球定位系统数据的数字罗盘和回旋罗盘，就像美国海军军需官在日本冲绳附近的美国哈普斯号码头登陆舰上使用的这种罗盘。陀螺罗盘使用旋转陀螺仪跟随地球的旋转轴指向正北。由于磁北不需要测量，也不需要调整，陀螺罗盘经常用于船舶和飞机。
　　陀螺罗经 Gyrocompass高 炉(约公元前200年)
　　高炉是炼铁的一种设施，也是目前最具有规模经济的炼铁法，炼铁的过程是指将金属铁从含铁矿物（主要是铁的氧化物）中提炼出来的工艺过程。
　　早期中国利用陨铁锻造兵器和工具的历史，可追溯至殷商时代。在春秋战国初期，我国就已经掌握人工冶铁技术，并开始较大规模地生产和使用铁器。
　　最早的高炉铸造于汉代，早期的高炉是由炼铜的熔炉演变而来，在公元前5世纪中国文物中就发现铸铁出土，可见该时代熔炼已经实用化。
　　秦始皇统一中国（公元前221年），在军事上取得极大成功，铁可谓功不可没。
　　到了11世纪，中国宋代的冶铁工业开始转型，从利用木炭炼铁过渡为利用煤来铸造钢铁，从而大片森林得以幸免。高炉的原理
　　使用高炉时，燃料和矿石从炉上方装入，而空气从炉膛底部吹入。材料下降过程中产生化学反应，在炉膛底部形成金属溶液和炉渣，而烟气从高炉上方排出。
　　高炉原理示意图
　　西方的最早的高炉出现在瑞士、德国和瑞典。在公元1150年和1350年之间，与现代高炉相比，这些中世纪的高炉效率极低。
　　法国西多会修士，据说是技术高超的冶金家，他们在13世纪到17世纪之间将关于高炉的先进技术知识传承下来。
　　高炉
　　1709年，英格兰有一个名叫亚伯拉罕达比的人，对高炉进行了改进，并用焦炭取代木炭来熔炼铁矿石，他还将生铁加工成熟铁和熟钢。现代的高炉
　　高炉和炼焦炉一样，一旦点火后就不能轻易停止运行，否则会使得炉体受到严重损伤。在经济不理想的情况下，企业压缩生产，但又不得停火，所以只能降低炉温，使得炉子处于保温状态，延长产品出炉的时间，减少营运成本。这种行为行内称为闷炉。
　　所以有稳定、大量的社会需求是高炉生产的前提。在钢铁行业不景气的时期，维持高炉生产即便成本很高，也不能轻易停炉，因为那将导致更大损失。高桥马鞍与马镫
　　人类从何时开始驯化马匹以及何时开始骑马，这已经无人知晓，从法国岩画来看，早在公元前1.5万年人类就已经开始驯化马匹了。
　　岩画
　　在之后的人类历史演进中，马不断被用来进行生产活动和军事战争。马逐渐配上了缰绳、马嚼子、马鞍，甚至马蹄铁，但直到最后，马镫才姗姗来迟。马镫虽小但作用远大于马鞍，马镫的发明很可能是某个民间高人的瞬间灵感迸发。
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　　李约瑟曾说：＂只有极少的发明像马镫这样简单，但却在历史上产生了如此巨大的催化影响。就像中国的火药在封建社会的最后阶段帮助摧毁了欧洲封建社会一样，中国的马镫在最初帮助了欧洲封建制度的建立。＂正是马镫的发明，才使中世纪的欧洲进入了骑士时代。
　　骑士
　　在没有鞍镫的时代，人们需要骑跨于裸马的背上，称为骣骑，仅靠抓住缰绳或马鬃并用腿夹紧马腹使自己在马匹飞驰的时候不致摔落。
　　这种方式很不可靠，首先是长时间骑马容易疲劳，同时在奔跑的马背上难以有效地使用弓箭，近战中，骑手无法随心所欲地使用刀剑和长矛，劈砍或刺杀落空、双方兵刃的撞击等都随时会令骑手从马上滑下。
　　因此这一时期骑兵除速度占优外，其战斗力是远不如脚踏实地的步兵的，所以在骑兵到达目的地后，往往下马作为步兵投入战场，亚历山大时代的马其顿骑兵就是如此。
　　马其顿兵
　　我们知道罗马人在共和时期并不使用马鞍，至少在凯撒入侵英国期间是这样，以战车为主。直到几年后的帝国时期，罗马人才首次使用四点鞍。
　　战车
　　关于马鞍的起源，有研究者指出，尽管在公元前9世纪时亚述人已经开始使用骑兵，但是从浅浮雕等材料来看，亚述人并没有配备真正的马鞍。马鞍的发明权应归属于欧亚草原的游牧人群。 在欧亚草原东部的确发现过一些早期游牧人群的马具遗存，集中在阿尔泰地区。
　　在高桥鞍出现之前，人们骑乘马匹时，也会用到一种较为原始的鞍具，即软马鞍。这种鞍虽然不具备高桥鞍的硬质骨架，但比起单层的毯子或皮革要复杂许多，已属于鞍具范畴。
　　软马鞍
　　考古所见的战国秦汉时期已经开始使用＂软马鞍＂，直到公元100年左右，骑士们才有福气享受真正舒适的马鞍。
　　最早有鞍垫的木架马鞍出现于中国东汉时期（公元25-200年），其构造为一个覆盖耐磨皮革的木架，中间用衣物填充，舒适度大大提升。为保证良好的骑乘感，马鞍的鞍桥（前部）和鞍尾（后部）比中间部位稍高。初期的马鞍仅是一种简单而有效的马上用具，不久就成为了身份的象征，骑士们对马鞍进行各种奢华的装饰，比如在马鞍上雕刻各种图案和个人象征符号，并镶嵌象牙和珍贵宝石。
　　高桥鞍
　　虽然马鞍对马术有很大的帮助，但在初期，其威力并未全部释放出来，骑士们在马背上依然缺乏有效的保护，直到马镫的出现…
　　马镫是一个平底的环形物，用皮带固定，悬挂于马上鞍的两边，供骑者放置双脚，也可以辅助骑者上下。有了镫，骑者更容易在鞍上坐稳，也更容易控制马匹，从而能够解放双手，在马上做出各种动作，这使马在交通、通信和军事上开始发挥更加重要的作用。
　　马镫
　　中国直到春秋时期作战仍以战车为主，骑兵仅是一种辅助力量。以最强骑兵赵国骑兵为例，赵军骑兵作战时主要是从侧翼、背后等打击敌人，或者威胁对方补给线，没有马蹬使得骑兵近战能力极差，所以需要近战的时候，往往是骑兵下马步战。
　　秦始皇兵马俑坑中，与真马一般大小的陶马身上，马具齐备甚至已经有了马鞍，唯独没有马镫。没有马镫，人就不能很好地固定在马背上，人的力量、马的力量、武器的力量就不能合而为一。所以在马镫发明之前，骑兵很难成为一支独立的武装力量。
　　兵马俑
　　单边马镫的最早记录，来自于中国西部一座陵墓出土的陶器碎片上的描述，其制作时间大概是公元前300年的晋国。最初的马镫只是用于协助骑手上马的工具。
　　因为之前讲的木制高桥鞍的出现，加大了上马的难度。也就在这一时期，中国发明了上马用的单马镫。
　　单马镫
　　湖南长沙金盆岭21号墓（西晋永宁二年，302年）中出土了著名的单镫骑俑。其单镫悬于马鞍左前侧，镫系较短，只供上马时搭足之需，在马上坐定以后，此镫就甩开不用了。
　　从这个意义上说，中国发明马镫的出现是以高桥鞍的使用为前提，世界其他地区未曾出现这样的条件。
　　我国使用单镫的历程相当短，比金盆岭西晋墓仅晚20年的南京象山7号墓（东晋永昌元年，322年）所出陶马已配置双镫。从单镫到双镫，虽是事物发展的自然趋势，但两者的作用却大不相同。
　　双镫马俑
　　有了双马镫的承托，骑者在马上才能真正做到得心应手，控纵自如。比瓦尔（A .D .H .Bivar）说:＂像马镫这样一种普通的器具，不但对于全部罗马古代民族来说，一直是闻所未闻，甚至像萨珊波斯那样习于骑射的养马人，竟然也不知马镫为何物。＂在今伊朗地区，萨曼王朝（10世纪）时才传入马镫，波斯人称之为＂中国鞋＂。马镫是我国先民对世界文明作出的重大贡献。
　　目前世界存世最早的双马镫实物，是1965年出土于中国辽宁省北票市冯素弗石椁墓中的铜鎏金木心马镫，双马镫比欧洲出土的早300年以上。（冯素弗是十六国时期北燕鲜卑化的汉人贵族，死于公元415年）
　　铜鎏金木心马镫
　　公元4世纪，罗马人在与匈奴人的战争中初次接触到马镫，深感惊奇。
　　中国马镫的发明甚至催生了欧洲的封建制度，为什么这么说呢？
　　西方一些历史学家将骑士阶级的兴起归因于中世纪欧洲使用马镫，骑兵部队的重要性催生了骑士阶级。马镫的使用为骑士阶级的诞生铺平了道路，骑士阶级创造了附属国制度，欧洲的国王授予贵族土地头衔。在中世纪的封建社会里，贵族们通过服兵役来换取国王的土地。
　　中世纪骑士
　　有了金属马镫的蒙古骑兵所向披靡横扫欧洲，1206年，世界遇到了一支无与伦比的力量，成吉思汗的蒙古军队。
　　成吉思汗的蒙古军队是征服俄国和波兰的最强大的骑兵弓箭军。许多历史学家认为他强大的骑兵的力量是由于技术上的突破:金属马镫。金属马镫赋予蒙古骑手无与伦比的机动性、稳定性和平衡性，使他们在任何战斗中都具有极大的优势。他们之前所使用的原始马镫也只不过是绷带、皮带或者用一种亚麻织成的腿带。
　　马镫和马鞍的发明不亚于坦克的发明，它极大地开发出骑兵的战斗力，骑兵不再是战场上配角，马匹也不再是运输工具，而升格为战争工具。由此骑兵部队成为了战场上大杀器，甚至可以主宰着一场战役的成败。说中国近代无科学之原因
　　任鸿隽先生在1915年《科学》杂志创刊号上发表《说中国无科学之原因》文章指出，＂今夫吾国学术思想之历史，一退化之历史也。秦汉以后，人心梏于时学。其察物也，知其当然而不求其所以然。其择术也，骛于空虚而引避乎实际＂。
　　他批评国人以急功近利的心态看待科学，面对西方物质文明的成就，总＂以为人家把功利放在第一位＂，殊不知，科学其实是一种＂只求真理不问利害＂的学问。他反复强调，＂人类物质文明的进步并不是科学家最初的动机，而是科学研究的必然结果。＂
　　因此，在国家落后，许多人血脉贲张之际，任鸿隽得出结论：＂只想从物质文明方面来追赶西方，只想把科学当做一种富国强兵、改善生活的手段＂，是一种得鱼忘筌、舍本逐末的做法。他对科学纯粹性的强调，被人们视作科学精神的完美阐释。
　　事实上，在当下科技和教育体制中，不正到处充满着急功近利、舍本逐末的现象吗？有能力者往往不如＂长袖善舞＂的人受欢迎，这正表现为任鸿隽所提倡的＂为学而学＂精神的缺失，于是乎＂为利而学＂的价值观大行于世。
　　如果教育抹杀了下一代的好奇心，未来的发明创造的动力源泉从何而来呢？
　　STEAMCorner
　　最后，引用李约瑟研究所所长古克礼转述了李约瑟临终前的观点：＂李约瑟先生透过他多年来对中国以及中国人的了解，他确信中国能够再度崛起，一个拥有如此伟大的文化的国家，一个拥有如此伟大的人民的国家，必将对世界文明再次做出伟大贡献。＂
　　我们坚信如此！
　　文章主要内容来源参考：
　　《1001 Inventions That Changed the World》Jack Challoner
　　考古中国
　　中国辽宁博物馆官网
　　中国军事博物馆官网
　　Wikipedia
　　延 伸 阅 读
　　那些改变世界的28个中国伟大发明（一）
　　＂立于风暴之巅＂--循迹STEAM美国发展之路
　　人类为什么不冬眠？
　　＂蚁人＂背后的科学依据 : 如何获得超能力？
　　《蚕的来世今生》STEAM科学项目精彩回顾