关键词：四大发明；梦溪笔谈；现代物理学；仪器；控制论

    卞正岗
男，教授级高级工程师，多年从事工业自动化仪表、集散系统和现场总线的研制及自动化系统集成的工程实践。

    2008年8、9月份是中国人民盛大的节日，人们正在从物质和精神两方面努力的准备着，据说单就博物馆全国就新添了数百座，当然其内容包括了人文和科技两方面，所以这将形成一次科技的大普及，现在我就从科技发展史方面博览一下。

1 从四大发明谈起

    （1）古代中国的科学技术成就及其对世界的影响是领先的，特别是四大发明是得到公认的。东汉时期蔡伦的造纸术因为其系官方的安排，所以明确有其发明人。重要的是它除在全国推广外，也传入了世界各地，如到八世纪从中亚传到阿拉伯。阿拉伯人垄断欧洲的纸市场四百年，直到公元1212年罗马教廷征服了伊斯兰教统治下的西班牙，造纸厂才在欧洲发展起来。汉朝（延续至唐朝）是我国古代科学技术发展的第一个黄金时期。有学术价值的有《尔雅》、《胜之书》（及其后的《齐民要求》）农学和生物学著作。张仲景的《伤寒杂病论》（后人分成《伤寒论》和《金要略》），其后有《水经注》等水利学著作。东汉张衡在天文观测和天文仪器方面的著作有《灵宪》、《浑天仪图注》、《漏水转运浑天仪记》，仪器除浑天仪外，还有地动仪。这个时期我国数学发展也达到了很高的水平。魏晋时期（公元260年）刘徽的《九章算术注》、（《九章算术》为公元纪元前后的数学著作，作者不详。九章为：方田、粟米、衰分、少广、商功、均输、盈不足、方程、勾股，这被我国以后一千多年间作为数学教科书，而且传至朝鲜、日本、印度、阿拉伯、欧洲。在国外，盈不足被称为中国算法），刘徽提出了超出原著的新理论及创立了割圆术。其后南北朝时期祖冲之的《缀术》是唐朝数学课主要教材，但到宋朝失传。

    汉唐时期中外的科学技术交流也是一个高潮。除去西域的丝绸之路外，以广州为基地的对外贸易，也把中国的文明带到了东南亚、印度和波斯湾。中国也学习了西方的科学技术、文化和宗教，但这个时期欧洲处于中世纪的黑暗时期。

    （2）宋朝是我国古代科技发展的第二个黄金时期，火药、指南针、活字印刷术这三个发明都是在宋朝形成的，火药没有明确的发明者，但肯定是与我国历古以来的炼丹家有关。13世纪我国火药传入阿拉伯，元朝与阿拉伯人作战时就大量使用火药武器。14世纪上半期，欧洲人在和阿拉伯人作战以后，也有了火药武器。指南针利用地磁作用，古称“司南”。具体记载见诸《梦溪笔谈》，书中指出磁偏角的存在。而后南宋曾三异在《因话录》中谈到“地螺”（罗盘）。11世纪指南针已应用在航海上，12世纪传到阿拉伯而后传到欧洲，但16世纪欧洲逐渐由水罗盘、旱罗盘发展成万向支架而超过中国。关于活字印刷术，我们从小就知道是平民毕升发明的。这信息也是源自《梦溪笔谈》。但一直同时流传着雕板印刷，直到元朝王祯（1298年）木活字工艺问题解决了，才得到迅速发展。说到活字印刷术，朝鲜的铜活字、铅活字、法国人谷腾堡（1450年）的铅活字印刷都受到我国的影响及不断改进而得到推广。

    谈到第二个黄金时期，不得不谈到沈括。这个被科学史家李约瑟称为中国科学史坐标的《梦溪笔谈》的作者，北宋人，因其活动与那时的海州、润州有关，所以我特别关心。58岁时（元社五年，公元1090年），他在梦溪园（今镇江）开始了八年的写作生涯，默默总结了一生的科技成果，写成了《梦溪笔谈》。该书共三十卷，分故事、辩证、乐律、象数、官政、权智、艺文、书画、技艺、器用、神奇、异事、谬误、杂志、药议等17目609条，其中200多条是属于科学技术方面的。他第一个提出阳历与阴历相结合，改造了浑天仪、制造浮漏和铜表（测试日影用的仪器），并写有《浑仪》、《浮漏》、《景表》三文；他发明了“隙积术”（高阶等差级数求总和的算法）；他考察研究了延境内的石油储藏和运用，最先使用“石油”这个名字，并预言“此物必大行于世”；他有阳燧凹面镜、凸面镜、透光镜及彩虹、海市蜃楼的研究成果等物理学方面的成果。更重要的是他这种晚年仍然壮心不已的精神应该是我们科技工作者的榜样。

    我国在宋朝及以后的元朝是代数学发展的高潮时期，有秦九韶的《数书九章》、李冶的《测圆海镜》和《益古演段》、杨辉的《详解九章算法》和《杨辉算法》、朱世杰的《算学启蒙》和《四元玉鉴》。其中《算学启蒙》是一部代数引论，对日本影响很大，但在我国明朝起就失传了。明末徐光启与利玛窦合作，于1607年翻译了欧几里德的《几何原本》前六章，但我国几何学亦未形成系统知识。

    （3）以后历史上从15世纪后半期（明朝）开始，西欧近代科学技术逐渐形成，我国科学技术逐渐落后。究其原因，正如申漳在《简明科学技术史话》中提出的封建制度阻碍科学技术发展的隐患发作了，这些隐患是压制工商、僵化哲学、奴化教育、自满保守。有意思的是他指出我国数学由于自满保守，未吸取先进的印度数字；而阿拉伯吸收了印度数字，广泛流传，后形成了现在的阿拉伯数字；我国与阿拉伯来往甚多，仍没有吸取阿拉伯数学中的数字、符号、公式等；我国一直用语言文字表达的数学，由于艰深难懂，所以影响了使用、传播和发展。

2 近代科学技术的形成

    （1）古希腊的科学技术是个黄金时期，经过较长的黑暗时期，但十字军东征带来了阿拉伯文明、大学教育的形成打下了发展的基础。15世纪后半期至18世纪是近代科学技术的兴起时期。

    哥伦布1492年发现新大陆及以后航海活动，使人们对地球有了新认识同时也为欧洲获得了新财富；意大利文艺复兴使资产阶级登上历史舞台，科学得到解放，能在古希腊科学技术基础上前进，从德谟克利特原子论、欧几里德几何学、亚里士多德逻辑学、毕达哥拉斯数学和阿基米德力学中吸取营养，而且继承了实验、观察、数学表述和演绎等科学方法。这个时代的重要人物有达·芬奇、哥白尼、刻卜勒及奠定近代实验物理学的伽利略。而后，科学中心转移到英国，格雷山姆学院是最初的科学活动中心。1660年成立了促进物理数学实验知识的学会，确定它是一个自筹经费、官方批准的民间学术团体。弗兰西斯·培根提出至今仍很流行的“知识就是力量”的口号。他提出了与以前演绎法不同的归纳法。他认为归纳、分析、比较、观察和实验室理性方法的主要条件，他重视科学的组织工作，提出“我自任摇铃，来把其他有才能的人召唤到一起”。之后有笛卡尔，他是哲学家和数学家。他确定坐标系统，创立了解析几何学，把物理学和几何学、代数学以至天文学等统一协调起来，有了变数的概念，力学、运动与数学联系起来了，从而牛顿在此基础上建立了微积分，所以笛卡尔是牛顿攀登科学高峰的人梯。

    牛顿是经典的物理学大师。他除建立了微积分外，对光学也有三大贡献，即发现白光是由各种颜色的光组成的、制成了第一架反射望远镜、发展了光的微粒说。另外就是在力学方面的贡献了，他发现了万有引力定律，建立了力学的运动三定律，使之成为完整、严密、系统的学科，从哲学的角度提出了时、空概念。

    同一时代波义耳在化学上的贡献，哈维和林耐在医学上的贡献及1590年詹森发明显微镜，都为以后的化学、医学和生物学的发展打下了基础。

    （2）近代科学技术的发展时期，约从18世纪中起到19世纪末期，这与两次工业革命有关。英国纺织机和瓦特蒸汽机的发明，这是第一次工业革命。法国继英国之后成为科学发展中心，而后法国后来居上，在以电力的广泛使用为标志的第二次工业革命中（19世纪70年代）成为科技发展中心（后来内燃机实现工业上的应用，也是由德国人奥托和狄塞尔完成）。

    这个时期各学科得到了很快发展。在实践的基础上，卡诺奠定了热力学的基础，后来发展成热力学三定律，能量守恒和转化定律成为了物理学的基础。如果说先有热机而后有热力学，而电学则相反。在富兰克林、伽伏尼、伏特、安培、欧姆之后，法拉第（1791-1867年）则是研究电磁学的关键人物。1831年他经过反复实验证实了磁作用力变化的时候，另一个线圈中就有电流产生，这开辟了电池之外大量产生电流的新道路。后来他还发现了磁光效应，播下了电、磁、光统一理论的种子。另一个人物就是麦克斯韦（1831-1879年），他把法拉第的工作上升到理论高度，如同牛顿在力学方面一样，他建立了两组定量描述电磁场作用规律的方程—麦克斯韦方程组，并且预言了电磁波的存在。麦克斯韦还研究过反馈系统中的离心调速器，并领导建立了世界上著名的卡文迪许实验室。之后赫兹用实验证实了电磁波的存在。这些都为后来的发电机、无线电的产生打下了理论基础。1866年西门子工程师发明了发电机，1896年马可尼发明了无线电报。其他发明家还有爱迪生、贝尔等人。这里笔者用爱迪生的名言来激励大家：“天才就是百分之一的灵感加上百分之九十九的汗水”。而这汗水不只是具体科学实验，还包括了推广应用、创办企业、积累财富。

    此外还有化学中门德列耶夫的周期律、李比希的有机分子结构概念、他的学生凯库勒推测出苯的分子结构、柏琴发现了合成燃料—苯胺紫（这给法国化学工业立下了大功）、诺贝尔的有机化合物炸药等。诺贝尔按他遗嘱设立生理学或医学、物理学、化学、文学、和平五个奖项。于1901年起，每年12月10日颁发诺贝尔奖，这为现代科学技术的发展起到了推动作用。

    其它就是达尔文的进化论，已广为人知，生物学中微生物学的巴斯德（1822-1895年）的“巴氏消毒法”也广为人知，而他在学术上的成就就不那么为人熟知了。在细胞学说的基础上，他通过研究有机物酒石酸的旋光性，指出同样的化学成分的物质有不同的旋光性，是因为不同的分子结构，并利用发酵方法，通过细菌的选择作用破坏消旋酒石酸中的右旋酒石酸，制得了纯净的酒石酸。正是有了这些理论基础，才解决了法国葡萄酒存放时间长变酸的难题，即把酿好的酒缓慢加温至50℃杀死微生物，解决了酒变质的问题。进而对微生物的研究，使医学手术面貌改变，细菌病原说、免疫学等得到发展。而这些也为生命科学在现代科学技术中的发展打下了基础。

    这个时期天文学和地质学也得到了发展，康德提出太阳系起源的假说，拉普拉斯对其进行了发展，用力学原理和数学方法加以论证，著有《宇宙体系论》一书。拉普拉斯也是一个数学家，用微分学注释了牛顿的自然哲学的数学原理，发展了概率论。他的拉普拉斯变换至今仍广为人知。同时代还有两位数学家：创立了变分法的拉格朗日和创立了画法几何学和射影几何学的蒙日。

    这个时期的能量守恒定律和转化定律、细胞学说和达尔文进化论为三大发现，为唯物辩证法奠定了基础。这时期已初步形成了在大学里研究基础理论，应用研究以企业为主的格局。这个时期与下一个历史时期保持着连续性。

3 现代科学技术的形成

    （1）从19世纪末至整个20世纪为现代科学技术形成和发展的时期。这个时期科技的进步是惊人的，而且科技真正形成了生产力。在经历了两次世界大战之后美国成了科学技术中心。美国工业是在引进欧洲技术、人才和资金的基础上发展起来的，同时利用欧洲的科技成果又发明了电报、电话、电灯和飞机等，加之美国1859年钻成第一口油井之后，石油工业逐渐形成，带动了汽车、拖拉机、农业机械等工业迅速发展，也为石油化学工业打下了基础，进而使科学和人才教育又得到迅速发展，并从两次世界大战中得到了发展。

    （2）现代物理学的形成，始于伦琴发现x射线，在此基础上汤姆生发现了电子，打开了微观世界之门，柏克勒尔发现铀的放射性，相继居里夫妇发现了放射性元素钋和镭，居里夫人成了世界上第一个获得诺贝尔奖的女人，而且是第一个两次获得该奖的科学家。居里夫人在付出了繁重而艰辛的劳动的基础上从沥青铀矿中首先提取出钋Polonium（为了纪念她的祖国波兰Polonia而得名），她于1910年出版了《论放射性》一书。

    卢瑟福是研究原子结构方面的主要科学家，1899年发现α射线，β射线、γ射线，由于他的团队的努力得出了原子核的概念。他是杰出的科研组织者，他的团队中出现了不少杰出的科学家，有下面即将介绍的波尔，有发明质谱仪（测定被测样品离子的质荷比）的阿斯顿（1922年获得诺贝尔化学奖）。他们对基本粒子的研究，以至后来加速器、夸克模型及现代形成的高能物理，都沿着团队精神在不断深入，到20世纪70年代基本粒子已经有300多种了，而且现在还在发展中。这中间杨振宁、李政道因提出在弱相互作用中宇称不守恒定律（吴健雄进行实验检验）而获得1957年诺贝尔物理奖。丁肇中和里希特因发现四种夸克模型预言的粒J／ψ粒子而获得1976年诺贝尔物理奖。

    现代物理学爱因斯坦占据着重要的位置，他推翻了牛顿的绝对时空观。1905年他发表了狭义相对论的论文《论动体的电动力学》，1915年创立了广义相对论，所幸当运动速度远比光速低的时候，狭义相对论的结论和牛顿力学没有什么区别。而在高能物理的同步加速器，射电望远镜观察天体等方面相对论就显示了作用。爱因斯坦的科学道路使人们对科学创造中的直觉作用或中国人说的灵感等有了一定的认识。在普朗克量子论的基础上，爱因斯坦解释了光电效应，发展了光的微粒说。波尔是量子力学形成中的一个重要人物，形成了新的原子结构—玻尔模型。他的团队—哥本哈根的理论物理研究所成了量子力学的一个大本营。他有一句铭言：“我不怕在年轻人面前暴露自己的愚蠢”。量子力学在1925年前后形成高潮，它统一了波动说和微粒说，建立了描述微观粒子运动的新的数学方法和体系，它的深远影响如在原子物理和原子能技术、固体物理和半导体集成电路技术、通信技术等方面，已经为人们所知，另外就是量子化学，及应用量子力学来研究化学的化合和分离作用方面，还刚刚开始为人们重视。

    （3）现代科学技术中天文、航空航天、原子能、电子学、计算机技术、化学、生物学进步很大。与我们仪器仪表行业关系较大的现代化学中分析技术的色谱法（色层分析法），在1901年高贝尔斯法和在1903年茨维特已经发现了，并未引起人们注意。1931年库恩用纤维状氧化铝和碳酸钙做吸附剂，把结晶状胡萝卜素分成两种同分异构体，人们称这为吸附层析法，引起了人们注意。以后又发展了分配层析法、气相色层分析法等，人们把利用不同组分在色层柱（色谱柱）中的扩散速度不同而把不同组分物质分开的分析法，统称为色谱法。由于1944年已经能测定20多种氨基酸在18种溶剂里的纸上相对移动速度（纸上层析法）、1950年后已经能分析出石化产品中的甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、丁烯等气体成分（气相色谱），所以对生物化学和石油化工的发展起了很大的作用。现在分析仪器除上面已说到的质谱法、色谱法外，还有光谱法、核磁共振、x射线荧光光谱、电子能谱分析、拉曼光谱法及多种联用技术，这是科学技术发展中不可或缺的一部分。

    下面把与21世纪关系很大的现代生物学叙述一下，兼提控制论等三论。孟德尔在1900年前30年发表了遗传学定律，未引起人们重视。而30年后荷兰的法弗里斯、德国的科伦斯、奥地利的切马克在各自文章中都提到了这位奥地利的孟德尔的发现，从而揭开了现代遗传学的序幕。孟德尔的豌豆杂交试验，在数学统计基础上提出遗传因子的分离定律和自由组合定律，而后摩尔根对果蝇的研究在遗传因子（后来称为基因）和染色体的关系方面取得突破性进展。他建立了实验室，形成了团队，为杂交育种、医学防治遗传性疾病及分子生物学开辟了道路。分子生物学从细胞到生物大分子特别是蛋白质、核酸在20世纪初已为人们所知。我国1958年开始合成胰岛素，1965年为世界上首次合成结晶牛胰岛素。而后人们对胃蛋白酶、脱氧核糖核酸（DNA）加以研究，最终发现DNA中具有全部遗传功能。物理学进入生物学领域，这里出现了德国的德尔布鲁克（波尔学生），称为遗传学研究中的“信息学派”。这里不能忘记控制论的创始人维纳1948年发表的《控制论或关于动物和机器中控制和通讯的科学》。他把对生物系统的研究和机器系统的研究联系起来，而且用了信息、反馈的概念，提出了数学的关系，在控制论、信息论、系统论（包括钱学森的《工程控制论》）三论的帮助下，这无疑为量子力学学者和现代生物学家揭开DNA之谜起到积极的作用。故有人把控制论、相对论和量子力学称为20世纪的三大科学成果。而维纳自己认为“作为一个数学家和一个自动控制学家的分界线，应当是1935年在中国的时候”（这时他在清华大学任教，科研合作者有李郁荣教授）。由于揭开了DNA双螺旋结构的秘密，分子生物学成为最有希望的学科之一。从1957年到1976年中，诺贝尔奖金化学奖中1/3、医学或生理学奖1/2的得奖者都是分子生物学家。作为自动控制的学者应该看到：通过分子生物学研究感觉、记忆、学习、思维等高级神经活动，正在推动着控制论的发展，从而将使计算机技术、自动化技术得到新的发展。而化学与生物学的交汇，产生了更多的成果，有机化学家和生物化学家合作已经有了研究具有生命复杂性的分子体系的能力，所以有了合成胰岛素等生物大分子、生物催化剂（生物酶）、化学遗传学的化学生物学等成果，由于生物学信息的爆炸，将会使化学家和物理学家一样大有用武之地。

    第三次工业革命是什么，现在还不能下定论，但电子技术、信息技术和生物工程都在其中。

    美国在工业化过程中逐渐打下了基础，教育和技术上去了，而后形成了世界科学发展中心，这是值得我们借鉴的。

4 中国现代科学技术形成初探

    （1）中国19世纪中叶之后，逐渐沦为半封建半殖民地社会，但是求索现代科学技术的发展之路一直在进行当中。

    首先是在中西方交流初期西方传教士功不可没，除前面说到的利玛窦外，还有汤若望，南怀仁、白晋以及以后更多的传教士，使中国知道世界上还有蓬勃发展中的科学技术；而后是李鸿章办洋务，军事工业从上海三所洋炮局发展到与曾国藩联合设立江南制造总局，继而建立了炼钢厂，栗色火药厂等，而后，逐渐筹办了民用企业，如轮船招商局、开平矿务局、电报总局，开始设立学堂，派遣留学生出国考察学习等；留学生在中国现代科学技术发展中起了重要作用，1871年开始选派幼童去美国书院学习军政、船政、步算、制造等学科，这些人中回国的有詹天佑、刘冠雄等人，还有福州船政局选派的严复、刘步蟾、林永升等人，而后曾国藩和李鸿章在清廷批准下，又不断派学生出洋深造，以后在不同历史时期从未中断。

    早期留学生严复是在学术上起到重要作用的人物，他在福州船政学堂学习五年，1872年毕业，1877-1879年在英国留学，回国后在北洋水师学堂工作20年。他是个翻译家、思想家。他翻译的《天演论》主要介绍赫胥黎的思想，一时间中国兴起了“看新书”的风潮。

    另一位就是蔡元培，1917年-1927年他任北大校长，推动了“五四运动”，使得德、赛二“先生”，即民生、科学深入人心。1927年4月他提议创建中央研究院，1928年正式成立，他任第一任院长。这期间科学技术的杂志和学会或企业研究机构也陆续成立，出名的有中国地学会、中华医学会、中华工程师学会、化学工业研究室。侯德榜发明了侯氏制碱法为世界领先水平。当时达到世界知名的还有华罗庚，李四光、钱学森等多位学者。到1949年中国已有205所大学（其中40所有科研能力）、40个学术团体、中央研究院和北平研究院有20个研究所（其中大约有700名从事自然科学的科学家），1949年11月中国科学院成立。

    （2）新中国建国初期20世纪50年代从国外留学回国的科学家和科技人才，为开展世界科学技术前沿领域的科研工作起到了重要作用，同时我国有计划的培养了大批科技人才，还出现了陈景润、袁隆平等世界知名科学家。
1956年制定了12年科学发展规划，其中有分子生物、核物理、高能物理、高分子化学、半导体物理、计算机、自动化、生态环境、空间技术等。最重要的就是“两弹一星”这个宏伟工程。近年报告文学小说性质的《59.6秘史》公诸于世，其中就谈到我们仪器仪表行业熟知的汪德昭、王大珩等人，从中可以看出我国已经有了一个具有中国特色的社会主义国家发展科学技术的成熟经验，这对于我国今后科学技术水平的提高非常重要。科学技术落后就要被动挨打，中国人已有了刻骨铭心的体会；而在实行市场经济、全球经济一体化中，科技进步的甜头，大家也已尝到。今后科学、技术、产业之间相互作用和转化将更快，而三者都与资金、人才、信息有关，应该让资金流、人才流、信息流更优化，才能使中国科学技术发展更快。

5 结束语

    （1）学习科学技术史与奥运有关的是人们的思想感情，国人要克服民族自卑感，增强民族自豪感，避免民族优越感，欢迎客人们的到来，构筑和谐的环境。

    （2）要用奥运精神来推动各项工作，包括科技工作，奥运精神中更高更快更强及重在参与正是我们科技工作所需要的。

    （3）奥运得金牌，发布金牌榜这是团队精神与发挥个人作用相结合的典范，科学技术工作也应如此，我们团队精神要发挥，科技界多出金牌的人物（学科带头人）更是重要。

    （4）科学史的研究特别是中国科学史的研究是日久天长的事，50年代清华大学副校长刘仙洲带领一批人研究中国古代科技可以借鉴。在此基础上还要研究出科学发展的动力等规律、各学科的形成及相互之间的关系、确定各时期的带头学科、新旧知识更替规律（知识废旧率）等，以便于科学管理。

    （5）关于科普，这与国民教育、素质教育、人才培养关系很密切，这要整个科技界齐动手才好。法拉第70岁时仍给青少年作科普讲座； 爱因斯坦少年时代从一部科学通俗读物中知道了整个自然科学领域中的主要成果和方法，这对年轻人成长来说是多么重要。这些生动的例子很值得我们思考。传播科学知识、培养人们的科学世界观，同样离不开科普。

    最后以一个故事作为结束：现代奥运会第一块金牌的获得者康若利的故事。他是一名哈佛大学的学生，要求去雅典参加首届现代奥林匹克运动会。校方不批准，他申请退学也不批准。他下定决心，如期参加了奥运会。说来也巧，他参加的三级跳远是第一项比赛，而且他得了冠军，拿到了现代奥运会的第一块金牌。他回国后，哈佛大学校方竟然对他宣布开除学籍。而这事一直到康若利80岁时，哈佛大学才为他“平反”， 宣布他为哈佛大学博士。这是一段真实的历史！