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                                       關鍵詞：四大發明；夢溪筆談；現代物理學；儀器；控制論

    卞正崗
男，教授級高級工程師，多年從事工業自動化儀表、集散系統和現場總線的研制及自動化系統集成的工程實踐。

    2008年8、9月份是中國人民盛大的節日，人們正在從物質和精神兩方面努力的準備著，據說單就博物館全國就新添了數百座，當然其內容包括了人文和科技兩方面，所以這將形成一次科技的大普及，現在我就從科技發展史方面博覽一下。

1 從四大發明談起

    （1）古代中國的科學技術成就及其對世界的影響是領先的，特別是四大發明是得到公認的。東漢時期蔡倫的造紙術因為其系官方的安排，所以明確有其發明人。重要的是它除在全國推廣外，也傳入了世界各地，如到八世紀從中亞傳到阿拉伯。阿拉伯人壟斷歐洲的紙市場四百年，直到公元1212年羅馬教廷征服了伊斯蘭教統治下的西班牙，造紙廠才在歐洲發展起來。漢朝（延續至唐朝）是我國古代科學技術發展的第一個黃金時期。有學術價值的有《爾雅》、《勝之書》（及其后的《齊民要求》）農學和生物學著作。張仲景的《傷寒雜病論》（后人分成《傷寒論》和《金要略》），其后有《水經注》等水利學著作。東漢張衡在天文觀測和天文儀器方面的著作有《靈憲》、《渾天儀圖注》、《漏水轉運渾天儀記》，儀器除渾天儀外，還有地動儀。這個時期我國數學發展也達到了很高的水平。魏晉時期（公元260年）劉徽的《九章算術注》、（《九章算術》為公元紀元前后的數學著作，作者不詳。九章為：方田、粟米、衰分、少廣、商功、均輸、盈不足、方程、勾股，這被我國以后一千多年間作為數學教科書，而且傳至朝鮮、日本、印度、阿拉伯、歐洲。在國外，盈不足被稱為中國算法），劉徽提出了超出原著的新理論及創立了割圓術。其后南北朝時期祖沖之的《綴術》是唐朝數學課主要教材，但到宋朝失傳。

    漢唐時期中外的科學技術交流也是一個高潮。除去西域的絲綢之路外，以廣州為基地的對外貿易，也把中國的文明帶到了東南亞、印度和波斯灣。中國也學習了西方的科學技術、文化和宗教，但這個時期歐洲處于中世紀的黑暗時期。

    （2）宋朝是我國古代科技發展的第二個黃金時期，火藥、指南針、活字印刷術這三個發明都是在宋朝形成的，火藥沒有明確的發明者，但肯定是與我國歷古以來的煉丹家有關。13世紀我國火藥傳入阿拉伯，元朝與阿拉伯人作戰時就大量使用火藥武器。14世紀上半期，歐洲人在和阿拉伯人作戰以后，也有了火藥武器。指南針利用地磁作用，古稱“司南”。具體記載見諸《夢溪筆談》，書中指出磁偏角的存在。而后南宋曾三異在《因話錄》中談到“地螺”（羅盤）。11世紀指南針已應用在航海上，12世紀傳到阿拉伯而后傳到歐洲，但16世紀歐洲逐漸由水羅盤、旱羅盤發展成萬向支架而超過中國。關于活字印刷術，我們從小就知道是平民畢升發明的。這信息也是源自《夢溪筆談》。但一直同時流傳著雕板印刷，直到元朝王禎（1298年）木活字工藝問題解決了，才得到迅速發展。說到活字印刷術，朝鮮的銅活字、鉛活字、法國人谷騰堡（1450年）的鉛活字印刷都受到我國的影響及不斷改進而得到推廣。

    談到第二個黃金時期，不得不談到沈括。這個被科學史家李約瑟稱為中國科學史坐標的《夢溪筆談》的作者，北宋人，因其活動與那時的海州、潤州有關，所以我特別關心。58歲時（元社五年，公元1090年），他在夢溪園（今鎮江）開始了八年的寫作生涯，默默總結了一生的科技成果，寫成了《夢溪筆談》。該書共三十卷，分故事、辯證、樂律、象數、官政、權智、藝文、書畫、技藝、器用、神奇、異事、謬誤、雜志、藥議等17目609條，其中200多條是屬于科學技術方面的。他第一個提出陽歷與陰歷相結合，改造了渾天儀、制造浮漏和銅表（測試日影用的儀器），并寫有《渾儀》、《浮漏》、《景表》三文；他發明了“隙積術”（高階等差級數求總和的算法）；他考察研究了延境內的石油儲藏和運用，最先使用“石油”這個名字，并預言“此物必大行于世”；他有陽燧凹面鏡、凸面鏡、透光鏡及彩虹、海市蜃樓的研究成果等物理學方面的成果。更重要的是他這種晚年仍然壯心不已的精神應該是我們科技工作者的榜樣。

    我國在宋朝及以后的元朝是代數學發展的高潮時期，有秦九韶的《數書九章》、李冶的《測圓海鏡》和《益古演段》、楊輝的《詳解九章算法》和《楊輝算法》、朱世杰的《算學啟蒙》和《四元玉鑒》。其中《算學啟蒙》是一部代數引論，對日本影響很大，但在我國明朝起就失傳了。明末徐光啟與利瑪竇合作，于1607年翻譯了歐幾里德的《幾何原本》前六章，但我國幾何學亦未形成系統知識。

    （3）以后歷史上從15世紀后半期（明朝）開始，西歐近代科學技術逐漸形成，我國科學技術逐漸落后。究其原因，正如申漳在《簡明科學技術史話》中提出的封建制度阻礙科學技術發展的隱患發作了，這些隱患是壓制工商、僵化哲學、奴化教育、自滿保守。有意思的是他指出我國數學由于自滿保守，未吸取先進的印度數字；而阿拉伯吸收了印度數字，廣泛流傳，后形成了現在的阿拉伯數字；我國與阿拉伯來往甚多，仍沒有吸取阿拉伯數學中的數字、符號、公式等；我國一直用語言文字表達的數學，由于艱深難懂，所以影響了使用、傳播和發展。

2 近代科學技術的形成

    （1）古希臘的科學技術是個黃金時期，經過較長的黑暗時期，但十字軍東征帶來了阿拉伯文明、大學教育的形成打下了發展的基礎。15世紀后半期至18世紀是近代科學技術的興起時期。

    哥倫布1492年發現新大陸及以后航海活動，使人們對地球有了新認識同時也為歐洲獲得了新財富；意大利文藝復興使資產階級登上歷史舞臺，科學得到解放，能在古希臘科學技術基礎上前進，從德謨克利特原子論、歐幾里德幾何學、亞里士多德邏輯學、畢達哥拉斯數學和阿基米德力學中吸取營養，而且繼承了實驗、觀察、數學表述和演繹等科學方法。這個時代的重要人物有達·芬奇、哥白尼、刻卜勒及奠定近代實驗物理學的伽利略。而后，科學中心轉移到英國，格雷山姆學院是最初的科學活動中心。1660年成立了促進物理數學實驗知識的學會，確定它是一個自籌經費、官方批準的民間學術團體。弗蘭西斯·培根提出至今仍很流行的“知識就是力量”的口號。他提出了與以前演繹法不同的歸納法。他認為歸納、分析、比較、觀察和實驗室理性方法的主要條件，他重視科學的組織工作，提出“我自任搖鈴，來把其他有才能的人召喚到一起”。之后有笛卡爾，他是哲學家和數學家。他確定坐標系統，創立了解析幾何學，把物理學和幾何學、代數學以至天文學等統一協調起來，有了變數的概念，力學、運動與數學聯系起來了，從而牛頓在此基礎上建立了微積分，所以笛卡爾是牛頓攀登科學高峰的人梯。

    牛頓是經典的物理學大師。他除建立了微積分外，對光學也有三大貢獻，即發現白光是由各種顏色的光組成的、制成了第一架反射望遠鏡、發展了光的微粒說。另外就是在力學方面的貢獻了，他發現了萬有引力定律，建立了力學的運動三定律，使之成為完整、嚴密、系統的學科，從哲學的角度提出了時、空概念。

    同一時代波義耳在化學上的貢獻，哈維和林耐在醫學上的貢獻及1590年詹森發明顯微鏡，都為以后的化學、醫學和生物學的發展打下了基礎。

    （2）近代科學技術的發展時期，約從18世紀中起到19世紀末期，這與兩次工業革命有關。英國紡織機和瓦特蒸汽機的發明，這是第一次工業革命。法國繼英國之后成為科學發展中心，而后法國后來居上，在以電力的廣泛使用為標志的第二次工業革命中（19世紀70年代）成為科技發展中心（后來內燃機實現工業上的應用，也是由德國人奧托和狄塞爾完成）。

    這個時期各學科得到了很快發展。在實踐的基礎上，卡諾奠定了熱力學的基礎，后來發展成熱力學三定律，能量守恒和轉化定律成為了物理學的基礎。如果說先有熱機而后有熱力學，而電學則相反。在富蘭克林、伽伏尼、伏特、安培、歐姆之后，法拉第（1791-1867年）則是研究電磁學的關鍵人物。1831年他經過反復實驗證實了磁作用力變化的時候，另一個線圈中就有電流產生，這開辟了電池之外大量產生電流的新道路。后來他還發現了磁光效應，播下了電、磁、光統一理論的種子。另一個人物就是麥克斯韋（1831-1879年），他把法拉第的工作上升到理論高度，如同牛頓在力學方面一樣，他建立了兩組定量描述電磁場作用規律的方程—麥克斯韋方程組，并且預言了電磁波的存在。麥克斯韋還研究過反饋系統中的離心調速器，并領導建立了世界上著名的卡文迪許實驗室。之后赫茲用實驗證實了電磁波的存在。這些都為后來的發電機、無線電的產生打下了理論基礎。1866年西門子工程師發明了發電機，1896年馬可尼發明了無線電報。其他發明家還有愛迪生、貝爾等人。這里筆者用愛迪生的名言來激勵大家：“天才就是百分之一的靈感加上百分之九十九的汗水”。而這汗水不只是具體科學實驗，還包括了推廣應用、創辦企業、積累財富。

    此外還有化學中門德列耶夫的周期律、李比希的有機分子結構概念、他的學生凱庫勒推測出苯的分子結構、柏琴發現了合成燃料—苯胺紫（這給法國化學工業立下了大功）、諾貝爾的有機化合物炸藥等。諾貝爾按他遺囑設立生理學或醫學、物理學、化學、文學、和平五個獎項。于1901年起，每年12月10日頒發諾貝爾獎，這為現代科學技術的發展起到了推動作用。

    其它就是達爾文的進化論，已廣為人知，生物學中微生物學的巴斯德（1822-1895年）的“巴氏消毒法”也廣為人知，而他在學術上的成就就不那么為人熟知了。在細胞學說的基礎上，他通過研究有機物酒石酸的旋光性，指出同樣的化學成分的物質有不同的旋光性，是因為不同的分子結構，并利用發酵方法，通過細菌的選擇作用破壞消旋酒石酸中的右旋酒石酸，制得了純凈的酒石酸。正是有了這些理論基礎，才解決了法國葡萄酒存放時間長變酸的難題，即把釀好的酒緩慢加溫至50℃殺死微生物，解決了酒變質的問題。進而對微生物的研究，使醫學手術面貌改變，細菌病原說、免疫學等得到發展。而這些也為生命科學在現代科學技術中的發展打下了基礎。

    這個時期天文學和地質學也得到了發展，康德提出太陽系起源的假說，拉普拉斯對其進行了發展，用力學原理和數學方法加以論證，著有《宇宙體系論》一書。拉普拉斯也是一個數學家，用微分學注釋了牛頓的自然哲學的數學原理，發展了概率論。他的拉普拉斯變換至今仍廣為人知。同時代還有兩位數學家：創立了變分法的拉格朗日和創立了畫法幾何學和射影幾何學的蒙日。

    這個時期的能量守恒定律和轉化定律、細胞學說和達爾文進化論為三大發現，為唯物辯證法奠定了基礎。這時期已初步形成了在大學里研究基礎理論，應用研究以企業為主的格局。這個時期與下一個歷史時期保持著連續性。

3 現代科學技術的形成

    （1）從19世紀末至整個20世紀為現代科學技術形成和發展的時期。這個時期科技的進步是驚人的，而且科技真正形成了生產力。在經歷了兩次世界大戰之后美國成了科學技術中心。美國工業是在引進歐洲技術、人才和資金的基礎上發展起來的，同時利用歐洲的科技成果又發明了電報、電話、電燈和飛機等，加之美國1859年鉆成第一口油井之后，石油工業逐漸形成，帶動了汽車、拖拉機、農業機械等工業迅速發展，也為石油化學工業打下了基礎，進而使科學和人才教育又得到迅速發展，并從兩次世界大戰中得到了發展。

    （2）現代物理學的形成，始于倫琴發現x射線，在此基礎上湯姆生發現了電子，打開了微觀世界之門，柏克勒爾發現鈾的放射性，相繼居里夫婦發現了放射性元素釙和鐳，居里夫人成了世界上第一個獲得諾貝爾獎的女人，而且是第一個兩次獲得該獎的科學家。居里夫人在付出了繁重而艱辛的勞動的基礎上從瀝青鈾礦中首先提取出釙Polonium（為了紀念她的祖國波蘭Polonia而得名），她于1910年出版了《論放射性》一書。

    盧瑟福是研究原子結構方面的主要科學家，1899年發現α射線，β射線、γ射線，由于他的團隊的努力得出了原子核的概念。他是杰出的科研組織者，他的團隊中出現了不少杰出的科學家，有下面即將介紹的波爾，有發明質譜儀（測定被測樣品離子的質荷比）的阿斯頓（1922年獲得諾貝爾化學獎）。他們對基本粒子的研究，以至后來加速器、夸克模型及現代形成的高能物理，都沿著團隊精神在不斷深入，到20世紀70年代基本粒子已經有300多種了，而且現在還在發展中。這中間楊振寧、李政道因提出在弱相互作用中宇稱不守恒定律（吳健雄進行實驗檢驗）而獲得1957年諾貝爾物理獎。丁肇中和里希特因發現四種夸克模型預言的粒J／ψ粒子而獲得1976年諾貝爾物理獎。

    現代物理學愛因斯坦占據著重要的位置，他推翻了牛頓的絕對時空觀。1905年他發表了狹義相對論的論文《論動體的電動力學》，1915年創立了廣義相對論，所幸當運動速度遠比光速低的時候，狹義相對論的結論和牛頓力學沒有什么區別。而在高能物理的同步加速器，射電望遠鏡觀察天體等方面相對論就顯示了作用。愛因斯坦的科學道路使人們對科學創造中的直覺作用或中國人說的靈感等有了一定的認識。在普朗克量子論的基礎上，愛因斯坦解釋了光電效應，發展了光的微粒說。波爾是量子力學形成中的一個重要人物，形成了新的原子結構—玻爾模型。他的團隊—哥本哈根的理論物理研究所成了量子力學的一個大本營。他有一句銘言：“我不怕在年輕人面前暴露自己的愚蠢”。量子力學在1925年前后形成高潮，它統一了波動說和微粒說，建立了描述微觀粒子運動的新的數學方法和體系，它的深遠影響如在原子物理和原子能技術、固體物理和半導體集成電路技術、通信技術等方面，已經為人們所知，另外就是量子化學，及應用量子力學來研究化學的化合和分離作用方面，還剛剛開始為人們重視。

    （3）現代科學技術中天文、航空航天、原子能、電子學、計算機技術、化學、生物學進步很大。與我們儀器儀表行業關系較大的現代化學中分析技術的色譜法（色層分析法），在1901年高貝爾斯法和在1903年茨維特已經發現了，并未引起人們注意。1931年庫恩用纖維狀氧化鋁和碳酸鈣做吸附劑，把結晶狀胡蘿卜素分成兩種同分異構體，人們稱這為吸附層析法，引起了人們注意。以后又發展了分配層析法、氣相色層分析法等，人們把利用不同組分在色層柱（色譜柱）中的擴散速度不同而把不同組分物質分開的分析法，統稱為色譜法。由于1944年已經能測定20多種氨基酸在18種溶劑里的紙上相對移動速度（紙上層析法）、1950年后已經能分析出石化產品中的甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、丁烯等氣體成分（氣相色譜），所以對生物化學和石油化工的發展起了很大的作用。現在分析儀器除上面已說到的質譜法、色譜法外，還有光譜法、核磁共振、x射線熒光光譜、電子能譜分析、拉曼光譜法及多種聯用技術，這是科學技術發展中不可或缺的一部分。

    下面把與21世紀關系很大的現代生物學敘述一下，兼提控制論等三論。孟德爾在1900年前30年發表了遺傳學定律，未引起人們重視。而30年后荷蘭的法弗里斯、德國的科倫斯、奧地利的切馬克在各自文章中都提到了這位奧地利的孟德爾的發現，從而揭開了現代遺傳學的序幕。孟德爾的豌豆雜交試驗，在數學統計基礎上提出遺傳因子的分離定律和自由組合定律，而后摩爾根對果蠅的研究在遺傳因子（后來稱為基因）和染色體的關系方面取得突破性進展。他建立了實驗室，形成了團隊，為雜交育種、醫學防治遺傳性疾病及分子生物學開辟了道路。分子生物學從細胞到生物大分子特別是蛋白質、核酸在20世紀初已為人們所知。我國1958年開始合成胰島素，1965年為世界上首次合成結晶牛胰島素。而后人們對胃蛋白酶、脫氧核糖核酸（DNA）加以研究，最終發現DNA中具有全部遺傳功能。物理學進入生物學領域，這里出現了德國的德爾布魯克（波爾學生），稱為遺傳學研究中的“信息學派”。這里不能忘記控制論的創始人維納1948年發表的《控制論或關于動物和機器中控制和通訊的科學》。他把對生物系統的研究和機器系統的研究聯系起來，而且用了信息、反饋的概念，提出了數學的關系，在控制論、信息論、系統論（包括錢學森的《工程控制論》）三論的幫助下，這無疑為量子力學學者和現代生物學家揭開DNA之謎起到積極的作用。故有人把控制論、相對論和量子力學稱為20世紀的三大科學成果。而維納自己認為“作為一個數學家和一個自動控制學家的分界線，應當是1935年在中國的時候”（這時他在清華大學任教，科研合作者有李郁榮教授）。由于揭開了DNA雙螺旋結構的秘密，分子生物學成為最有希望的學科之一。從1957年到1976年中，諾貝爾獎金化學獎中1/3、醫學或生理學獎1/2的得獎者都是分子生物學家。作為自動控制的學者應該看到：通過分子生物學研究感覺、記憶、學習、思維等高級神經活動，正在推動著控制論的發展，從而將使計算機技術、自動化技術得到新的發展。而化學與生物學的交匯，產生了更多的成果，有機化學家和生物化學家合作已經有了研究具有生命復雜性的分子體系的能力，所以有了合成胰島素等生物大分子、生物催化劑（生物酶）、化學遺傳學的化學生物學等成果，由于生物學信息的爆炸，將會使化學家和物理學家一樣大有用武之地。

    第三次工業革命是什么，現在還不能下定論，但電子技術、信息技術和生物工程都在其中。

    美國在工業化過程中逐漸打下了基礎，教育和技術上去了，而后形成了世界科學發展中心，這是值得我們借鑒的。

4 中國現代科學技術形成初探

    （1）中國19世紀中葉之后，逐漸淪為半封建半殖民地社會，但是求索現代科學技術的發展之路一直在進行當中。

    首先是在中西方交流初期西方傳教士功不可沒，除前面說到的利瑪竇外，還有湯若望，南懷仁、白晉以及以后更多的傳教士，使中國知道世界上還有蓬勃發展中的科學技術；而后是李鴻章辦洋務，軍事工業從上海三所洋炮局發展到與曾國藩聯合設立江南制造總局，繼而建立了煉鋼廠，栗色火藥廠等，而后，逐漸籌辦了民用企業，如輪船招商局、開平礦務局、電報總局，開始設立學堂，派遣留學生出國考察學習等；留學生在中國現代科學技術發展中起了重要作用，1871年開始選派幼童去美國書院學習軍政、船政、步算、制造等學科，這些人中回國的有詹天佑、劉冠雄等人，還有福州船政局選派的嚴復、劉步蟾、林永升等人，而后曾國藩和李鴻章在清廷批準下，又不斷派學生出洋深造，以后在不同歷史時期從未中斷。

    早期留學生嚴復是在學術上起到重要作用的人物，他在福州船政學堂學習五年，1872年畢業，1877-1879年在英國留學，回國后在北洋水師學堂工作20年。他是個翻譯家、思想家。他翻譯的《天演論》主要介紹赫胥黎的思想，一時間中國興起了“看新書”的風潮。

    另一位就是蔡元培，1917年-1927年他任北大校長，推動了“五四運動”，使得德、賽二“先生”，即民生、科學深入人心。1927年4月他提議創建中央研究院，1928年正式成立，他任第一任院長。這期間科學技術的雜志和學會或企業研究機構也陸續成立，出名的有中國地學會、中華醫學會、中華工程師學會、化學工業研究室。侯德榜發明了侯氏制堿法為世界領先水平。當時達到世界知名的還有華羅庚，李四光、錢學森等多位學者。到1949年中國已有205所大學（其中40所有科研能力）、40個學術團體、中央研究院和北平研究院有20個研究所（其中大約有700名從事自然科學的科學家），1949年11月中國科學院成立。

    （2）新中國建國初期20世紀50年代從國外留學回國的科學家和科技人才，為開展世界科學技術前沿領域的科研工作起到了重要作用，同時我國有計劃的培養了大批科技人才，還出現了陳景潤、袁隆平等世界知名科學家。
1956年制定了12年科學發展規劃，其中有分子生物、核物理、高能物理、高分子化學、半導體物理、計算機、自動化、生態環境、空間技術等。最重要的就是“兩彈一星”這個宏偉工程。近年報告文學小說性質的《59.6秘史》公諸于世，其中就談到我們儀器儀表行業熟知的汪德昭、王大珩等人，從中可以看出我國已經有了一個具有中國特色的社會主義國家發展科學技術的成熟經驗，這對于我國今后科學技術水平的提高非常重要。科學技術落后就要被動挨打，中國人已有了刻骨銘心的體會；而在實行市場經濟、全球經濟一體化中，科技進步的甜頭，大家也已嘗到。今后科學、技術、產業之間相互作用和轉化將更快，而三者都與資金、人才、信息有關，應該讓資金流、人才流、信息流更優化，才能使中國科學技術發展更快。

5 結束語

    （1）學習科學技術史與奧運有關的是人們的思想感情，國人要克服民族自卑感，增強民族自豪感，避免民族優越感，歡迎客人們的到來，構筑和諧的環境。

    （2）要用奧運精神來推動各項工作，包括科技工作，奧運精神中更高更快更強及重在參與正是我們科技工作所需要的。

    （3）奧運得金牌，發布金牌榜這是團隊精神與發揮個人作用相結合的典范，科學技術工作也應如此，我們團隊精神要發揮，科技界多出金牌的人物（學科帶頭人）更是重要。

    （4）科學史的研究特別是中國科學史的研究是日久天長的事，50年代清華大學副校長劉仙洲帶領一批人研究中國古代科技可以借鑒。在此基礎上還要研究出科學發展的動力等規律、各學科的形成及相互之間的關系、確定各時期的帶頭學科、新舊知識更替規律（知識廢舊率）等，以便于科學管理。

    （5）關于科普，這與國民教育、素質教育、人才培養關系很密切，這要整個科技界齊動手才好。法拉第70歲時仍給青少年作科普講座； 愛因斯坦少年時代從一部科學通俗讀物中知道了整個自然科學領域中的主要成果和方法，這對年輕人成長來說是多么重要。這些生動的例子很值得我們思考。傳播科學知識、培養人們的科學世界觀，同樣離不開科普。

    最后以一個故事作為結束：現代奧運會第一塊金牌的獲得者康若利的故事。他是一名哈佛大學的學生，要求去雅典參加首屆現代奧林匹克運動會。校方不批準，他申請退學也不批準。他下定決心，如期參加了奧運會。說來也巧，他參加的三級跳遠是第一項比賽，而且他得了冠軍，拿到了現代奧運會的第一塊金牌。他回國后，哈佛大學校方竟然對他宣布開除學籍。而這事一直到康若利80歲時，哈佛大學才為他“平反”， 宣布他為哈佛大學博士。這是一段真實的歷史！