马钧看到大家使用这种绫机,操作起来很是费时费力,为了提高大家的生产效率,节约劳动时间,于是,马钧就下定决心改良这种织绫机。他深入到织绫生产中,对旧式织绫机进行了认真研究,重新设计了一种新式织绫机。新织绫机简化了踏具,改造了桄运动机件(即开口运动机件)他把原来的60蹑、50蹑减为12蹑,用12根蹑控制60余片综,经过这样改进,新织绫机不仅更精致,更简单适用,织绫机的生产效率也提高了四五倍。特别是他发明了两蹑合控一综的“组合提综法”,用这种方法织出的花绫,花纹图案奇特,配置变化多样,织物表面具有立体感,景物生动逼真,光泽明暗相间,层次变化无穷,马钧的创造使当时魏国所产丝织物能与成都的蜀锦媲美。经改造的新织绫机,受到了广大丝织工人的欢迎,这是马钧一生中最早的贡献,它大大加快了我国古代丝织卫业的发展速度,也为我国家庭手工业织布机奠定了基础。
龙骨水车的发明
水车的应用,在我国有着悠久的历史。大约在东汉时期,翻车就出现了,翻车又叫龙骨水车。据古籍记载,东汉末年有个叫毕岚的人曾制造过翻车,但那时的翻车还比较粗糙。
到了三国时期,有一回马钧在魏国做一个小官,住在京城洛阳,当时在洛阳城里,有一大块坡地非常适合种蔬菜,老百姓很想把这块土地开辟成菜园,可惜因无法引水浇地,一直空闲着。机械发明家马钧看到后,就下决心要解决灌溉上的困难,于是他又在机械上动脑筋。经过反复研究、试验,他终于创造出一种翻车,把河里的水引上了土坡,实现了老百姓的多年愿望。马钧发明创造的这种新式翻车,叫做龙骨水车,龙骨水车应用齿轮的原理使其汲水,用时极其轻便,连小孩也能转动。它不但能提水,而且还能在雨涝的时候向外排水。在近代水泵发明以前,它一直是世界上最先进的提水工具之一。
水转“百戏图”
马钧真不愧为“巧思绝世,变化百端”的发明家,水转“百戏图”的创制更是印证了这一美名。一次,有人进献给魏明帝曹睿一种木偶百戏,造型相当精美,可那些木偶只能摆在那里,不能活动,明帝觉得很是遗憾。于是明帝就问马钧:“你能使这些木偶活动吗?”马钧肯定地回答道:“能!”明帝遂命马钧加以改造。没有多久,马钧就设计制造出了“平地实之,潜以水发”的“百戏图”。他用木头制成原动轮,以水力推动,使其旋转,这样,上层的所有陈设的木人都动起来了。有的击鼓,有的吹箫,有的跳舞,有的耍剑,有的骑马,有的在绳上倒立,还有百宫行署,真是变化无穷,千姿百态。并且这些木人出入自由,动作极其复杂,巧妙程度使原来的百戏木偶无法比拟。水转“百戏图”,被时人称为“巧变百端”的三异之一。
指南车的再现
指南车是一种辨别方向的工具。我们的祖先很早就创造了指南车。传说4000多年前,黄帝和蚩尤作战,蚩尤为使自己的军队不被打败,便做雾气,使黄帝的军队迷失了方向。后来,黄帝制造了指南车辨别了方向,终于打败了蚩尤。东汉时期,张衡就曾利用纯机械的结构,创造了指南车。可惜后来张衡造指南车的方法失传了。
到三国时期,人们只从传说上了解到指南车,但谁也没见过指南车是什么模样。当时,在魏国做官的马钧对传说中的指南车极有兴趣,决心要把它重造出来。然而,一些思想保守的人知道马钧的决心后,都持怀疑态度,不相信马钧能造出指南车。有一天,在魏明帝面前,散骑常侍高堂隆说:“古代据说有指南车,但文献不足,不足为凭,只不过随便说说罢了。”骁骑将军秦朗也随声附和道:“不可能有什么指南车。”马钧说:“空口争论,又有何用?咱们试制一下,自有分晓。”马钧在没有资料,没有模型的情况下,苦钻苦研,反复实验,没过多久,终于运用差动齿轮的构造原理,制成了指南车。事实胜于雄辩,马钧用实际成就以胜利结束了这一场争论。马钧制成的指南车,在战火纷飞、硝烟弥漫的战场上,不管战车如何的翻动,车上木人的手指始终指南,赢得了满朝大臣的敬佩,从此,天下的人没有不佩服他的巧。
由于马钧掌握了机械原理,因而他在军事上兵器制造方面也有不少发明创造。他在兵器学方面的精深研究,足以和同时代的军事学家诸葛亮相比。他曾改进诸葛亮的连骛(一种可以把箭接连发射出去的连发射远器),使其威力增加5倍。马钧还在原来作战用的发石车的基础上,重新设计出了一种新式的攻城武器——轮转式发石车。
马钧是三国时代最优秀的机械制造家,就是在我国古代几千年的历史当啡也不多见,堪称一代机械大师,当时,有位叫傅玄的文学家曾称赞他说:“马先生,天下之名巧也。”
古代冶炼术
从曹魏、吴、蜀的三足鼎立,中经两晋、南北朝,到隋文帝统一全国。这369年的历史与秦汉时期不同,主要是处于动乱之中。各国间频繁的攻战和政权间迅速的更替,对科学技术的发展和科技文化典籍的流传,无疑会造成很大损失。但是,其间也有过西晋短暂的统一,曹魏在中原屯田,发展生产;北魏孝文帝拓跋宏也曾锐意改革,推行“三长制”与“均田制”,使生产得以恢复和发展。这些都为这个时期科学技术的发展提供了一定的物质条件。所以三国至南北朝时期,尽管充满了战乱,还是出现了一些重要的科技成就和一批重大贡献的科学家。
古代冶炼技术——宿铁法、双液淬火
宿铁法是制钢技术的重大创造。
北齐的信州刺史綦毋怀文是个炼钢专家,他是个讲究“道术”的人,他曾炼造出一种“宿铁刀”,这“宿铁”,就是后世所说的“灌钢”。
“灌钢”,又称“团钢”,它是由生铁和熟铁合在一起冶炼得到的一种含碳量较高、且质地均匀的优质钢,(含碳量在0.05%—2.0%的铁称为钢)。这种具有独创性的灌钢冶炼方法,至少在南北朝时期就已经发明了。
《北史·艺术列传》里记载,綦毋怀文制造的是宿铁刀。他的方法是,选用品位比较高的铁矿石,冶炼出优质生铁,然后把液态生铁灌注到熟铁上,这样几度熔炼,就成钢了。钢炼成之后,他便以熟铁作刀背,用钢作刀锋,并用动物的尿和油脂来淬火。用这种方法制造的宿铁刀,能一下子砍断30多块叠放在一起的胄甲片。引陶弘景的话:“钢铁是杂炼生柔作刀镰者。”这两条史料都记载了灌钢法,它通过将熔融生铁和熟铁合炼,使碳份扩散,趋于均匀,成为含碳量较高的优质钢。液态生铁中的碳与熟铁中的氧化物作用,有利于除去杂质,纯化组织,提高钢的质量。
双液淬火法
陶弘景的史料告诉我们灌钢的应用已较普遍,不仅用来做刀剑,而且用来做镰。灌钢技术的萌芽,可以追溯到东汉,王粲的《刀铭》有“灌辟以数”的句子,“辟”指折叠,“灌”指淋注,说明这时已有灌钢的试炼。灌钢法是我国继炒钢和百炼钢之后,对世界的又一大贡献。
“浴以五牲之溺,淬于五牲之脂”是说用牲畜尿和牲畜脂淬火成钢。牲畜尿中含有盐分,用它做淬火冷却的介质,不仅冷却速度快,而且淬火后的钢较用水淬者更坚硬;用畜脂淬火较水慢,淬火后的钢较用水淬过者韧。可见南北朝时期在炼钢和淬火工艺上都有了重大进步。《北堂书钞》卷123,引《蒲元别传》说蒲元在斜谷(今陕西眉县)为诸葛亮制刀,由于“汉水纯弱,不任淬”,派专人到成都取江水,取来的水杂有八升涪水的水,被蒲元发觉。这个传说虽有些夸大,但说明当时人们已经充分注意了水质对淬火后钢质的影响。《晋太康地理记》也说:“汝南西平有龙泉水,可以淬刀剑,特坚利。”这是当时人们重视水质对淬火影响的又一例证,綦毋怀文的双液淬火法正是在这些积累的经验中发展起来的。
鼓风技术
为了提高炉温,缩短冶炼时间,我国古代劳动人民很早就采用了向冶炼炉鼓风的技术。最早的鼓风工具叫“橐”,即用皮革制成的皮囊。用橐鼓风,就是通过拉压的反复动作,使其一张一合,把风鼓入炉中。战国时,发展成多橐排在一起向炉里鼓风,称为“排橐”,或简称为“排”。利用排橐鼓风,能增大进风量,加强燃烧火力,比单橐鼓风进步得多,但它需要大量人力。用人力鼓风,称为“人排”。接着又出现了用畜力作为鼓风动力的“马排”,所需的畜力也很可观。人力畜力的大量耗费,对进一步发展冶铁业是一个严重的障碍。
西汉中期以后,铁业官营,相继出现了一批规模较大的冶炼炉,它们需要提供相当大的风量和风压,这就要求人们改进已有的鼓风装置。东汉时,南阳(今河南南阳)太守杜诗在前人经验的基础上,设计并制造了以水力为动力的一套冶铁鼓风机具——水排。
三国时期的韩暨在东汉杜诗的基础上,将水排进一步推广到了魏国官营冶炼作坊中,用水排代替过去的马排、人排,四季不歇。水排不但节省了人力、畜力,而且提高了工作效率,促进了冶铁业的发展。这时已明确记载韩暨的鼓风水排节省人力、畜力,比马排增加效率3倍。水排在我国沿用了很长一个时期,直到20世纪70年代,一些地方还在使用。
子午线测量
僧一行原名张遂(683—727),又名敬贤。唐朝魏州昌乐(今河南濮阳市南乐县)人。张遂自幼天资聪颖、刻苦好学,博览群书。青年时代到长安拜师求学,研究天文和数学,很有成就,成为著名的学者。本来他是仕途顺畅的,为何会出家成僧?为什么叫做僧一行呢?其中是有原因的。
一行出家前,俗名叫张遂。在当时有名的学问家尹崇的推举下,年轻的张遂成了长安城里有名的学者。这位年轻的学者却不能安心地在长安研究学问。因为当时是武则天当皇帝,其侄子武三思身居显位,权力很大。武三思沽名钓誉,到处拉拢文人名士以抬高自己。张遂是个刻苦钻研、老老实实做学问的青年,他不愿意和武三思这种声名狼藉的贵族同流合污,便假托有病,闭门不见。后来武三思不断地纠缠,张遂只得愤然离京,东去河南嵩山出家当了和尚,取名为一行,故称一行和尚。
其中一行投师也有一个很有意思的故事。据说,张遂当时听说国清寺内一老僧算术高超,就慕名求教。宏大富丽的国清寺内,有一座幽雅的庭院便是这位老僧所居的住所。森森古柏环抱,淙淙清溪当门。一行步过门前小桥,于门屏间听得院中有人摆算筹,便伫立屏息静听。那筹子大约是象牙琢磨的,声音清脆,似珠落玉盘。听这手法、音节,果然是个算学高手。一行暗自高兴:“此行不虚。”正听得出神,拨弄算筹的声音停了。有人说话:“我算准了。今日应有个远来的弟子求教算法,这个时辰该到了,怎不见人!怕是没人引见吧?”接着听见他拨了一个算筹,又说:“听见了吧?门前东流的溪水改向西流了,说明我的弟子已经到门前了。”一行惊呆了:“果然妙算高手!”他立即踉跄而进,对桌案跪拜,“听说师父精通算学,千里来投,只为历算,弟子早悟世幻,无贪无念,只想拜在门下,潜心向学。”老僧呵呵一笑:“果然是再世的颜回啊,老衲真是有幸,收你这个高徒。”这个历史上未留下姓名的老僧从此尽心教他。一行也很发奋,“三更灯火五灯鸡”,很快学会全部算学口诀,为以后编制《大衍历》打下了良好的数学基础。据说当他学成回归时,小院门前溪水复东流。从此他的名声更大,全国尽知。
公元712年,唐玄宗即位,得知一行和尚精通天文和数学,就把他召到京都长安,做了朝廷的天文学顾问。张遂在长安生活了10年,使他有机会从事天文学的观测和历法改革。僧一行一生最大的贡献是领导了全国性的大地天文测量和编制《大衍历》以及改制天文仪器三件事。
开元十二年(724),他领导了全国12处的天文测量,分别到达唐帝国的南北两端。测量内容是每个测点的北极高度、冬夏至日、春秋分日、太阳正南时的日影长度。其中位于黄河平原上的上蔡、扶沟、浚仪太岳台(今开封西北)、滑州白马(今河滑县)四地的测量数据特别重要。因四地几乎位于同一经线,又都处于平地,误差较小。测量的结果表明一直被沿用的“南北地隔千里,影差一寸”的数据是错误的。一行得出南北相差351里80步北极高度相差一度(古制1里300步,一步5尺),换算为现代的数据是南北相距129.22公里,北极高度相差一度,现测值为111.2公里。虽有较大的误差,但终归纠正了“南北地隔千里,影差一寸”的传统错误,又开始了世界上第一次实测地球子午线的创举。根据子午线一度的长度可以求得地球的大小,这是多么了不起的成就啊!到公元814年阿拉伯统治者阿尔。马蒙在幼发拉底河以北又一次进行了子午线长度的测量,得到了比一行更准确的数值,但比一行晚了90年。
一行在实测的基础上,于开元十三年(725)开始着手编制《大衍历》。727年写成初稿,一行就病逝了。《大衍历》以《皇极历》为基础,进行了改革和创新,分为七篇:步中朔术、发敛术、步日缠术、步月离术、步轨漏术、步交会术、步五星术。所写的内容是平朔望和平气,七十二候,太阳和月球每天的位置与运动,每天见到的星象和昼夜时刻,日食和月食的测算,五大行星位置的测算。他的制历内容与结构表明我国古代历法体系已臻成熟。在西方历法传入之前,《大衍历》的结构为历代所效法。《大衍历》发明了定气概念,得出太阳是运动冬至日最快,以后由快到慢,夏至日最慢,以后由慢到快,再到冬至曰最快,循环往复。他主张依据太阳实际视运动安排节气,这就叫定气,改变了以前将一年分为二十四等分的定二十四节的做法(平气)。一行将“不等间距二次内插法”引入《大衍历》的计算,欧洲直到17世纪才把内插法用于天文计算。在计算日、月食和五星运动时,《大衍历》考虑到视差(人位于地表观测和地心的位置有差别)对交食的影响,创立了一套计算视差影响的经验公式。由于上述的成就使《大衍历》较以前的历法更精密。
一行在天文学上的第三大贡献是仪器制造。他在领导天文测量时,发明了复规用来测量。他又与梁令瓒共同制造了观测天象的“浑天铜仪”和“黄道游仪”,浑天铜仪是在汉代张衡的“浑天仪”的基础上制造的,上面画着星宿,仪器用水力运转,每昼夜运转一周,与天象相符。还装了两个木人,一个每刻敲鼓,一个每辰敲钟,其精密程度超过了张衡的“浑天仪”。“黄道游仪”的用处,是观测天象时可以直接测量出日、月、星辰在轨道的坐标位置。一行使用这两个仪器,有效的进行了对天文学的研究。
僧一行在天文学上的成就,不仅在国内闻名,而且在世界上都有很大影响。此外,僧一行的天文学观点,有的比世界著名天文学家早1000多年。
《茶经》
喝茶能静心、静神,有助于陶冶情操、去除杂念。而中国就是茶的故乡,制茶饮茶有几千年的历史。尤其到了唐代,茶叶成为生活必需品。唐代陆羽创造了一套茶学、茶艺、茶道思想,编著了《茶经》,这成为茶文化一个划时代的标志。