隋唐五代科技史之隋唐五代的物理学和化学

隋唐五代的物理学和化学
　　物理学和化学是现代科学的一个重要分科，渗透到人类社会生活的各个领域，显示出越来越大的威力。隋唐时的劳动人民和科学家，通过对物质的观察以及对自然现象变化的分析研究，进行了较为科学的论述，并进行了大胆的实践，在物理学和化学的领域里取得了很大的进步。
　　（一）隋唐五代的物理学
　　１。唐人对彩虹的认识与试验彩虹是一种自然现象，往往出现在雨过初晴的时候。因其美丽壮观，从古到今人们写下了不少赞美之词。彩虹以它特有的魅力，吸引着人们探讨其成因。大约在１５００年前，唐初的孔颖达（公元５７４- ６４８年）在《礼记注疏？月令》中，就提出了 日照雨滴则虹生 的论点。指明薄云、日照、雨滴是虹产生的条件，并揭示了这三者的关系，清楚地揭示了虹是日光照射雨滴所产生的自然现象。
　　公元８世纪中叶的张志和对彩虹作了进一步研究，并进行了人工造虹试验。他背向太阳，喷出小水珠，就观察到了类似虹霓的现象，从而证实了虹的产生是阳光照射水滴所产生的结果。张志和在《玄真子》卷下中说： 雨色映日而为虹 ， 背日喷乎水成虹霓之状。 这就明确地告诉人们，要想看到虹，就必须背日 ，而面对太阳就看不到彩虹了。这些观察和实验，虽然还没有精确地说明虹所以产主的光学原理，尚未认识到日光在雨滴中经过两次折射和全反射而产生色散的事物本质，但是，在当时的条件下，能对虹的产生及其基本条件有着如此客观的认识，这在人类光学认识史上也是具有重要意义的。它表明，先人通过对虹的观察研究，已经确认它是一种自然现象，这是对光的折射和色散认识的一大进步。
　　２。共鸣与消除共鸣的方法所谓共鸣，就是指一个物体振动的时候，另一个物体也随着振动，并同时发出声音的现象，即发声的共振现象就是共鸣。这一声学现象，我国古代就有许多的记载。唐代《刘宾客嘉话录》中，记述了这样一个有趣的故事：洛阳有一个和尚的房间里挂着一种乐器磬，这个磬经常自鸣发响，和尚不知其原因，并因此受惊扰成疾。一个叫曹绍夔（ｋｕí，音奎）的朋友来看这个和尚，正好传来寺院敲钟的声音，挂在房子里的磬也跟着响起来了。曹绍夔就对和尚说：你明天设宴招待我，就可以为你消去心头之病。第二天，和尚请他吃完饭后，他就掏出一把钢锉，把磬磨去几处，此后，这个磬就不再自鸣作响了。和尚问其原因，曹绍夔说，这个磬原来所具有的音律与寺院钟的音律相同，因此，敲钟时磬也就会同时作响。因为把磬体稍微锉去一点，就改变了磬的固有频率，它就不再和庙里的钟声产生共鸣。和尚的病从此也就痊愈了。这一记载表明了我国唐代时，不仅懂得共鸣现象，而且掌握了消除共鸣现象的科学方法。
　　３。鱼洗与龙洗的奥妙 洗 是唐宋时代用黄铜铸造而成的形似洗脸盆的一种实用工艺品。在盆底铸有几条鱼的叫鱼洗；铸有数条龙的叫龙洗。鱼洗与龙洗不仅铸造精美，而且还有它的特色和奥妙。如果用手缓慢而有节奏地摩擦盆边上的双耳，盆里的水就像受到冲击一样发生振动，甚至还会从 鱼 或 龙 的口沟处沿着盆的边缘向上喷出，喷到盆耳之处。其奥妙在于，当两手搓动其双耳时，便产生两个振源，振波在水中传布，互相干涉，使能量叠加，水面就出现了各式各样复杂的波纹，形成水波荡漾的状态，就好像盆里装有几条活鱼一样，若摩擦频率加快时，较大的水点就会跳出水面，甚至有水柱喷射。
　　这种鱼洗和龙洗的制作，涉及到摩擦、固体振动，以及在液体中的传播、干扰和共振的原理等物理学上的很多问题。在唐代能创造出这样奥妙神奇的龙洗和鱼洗，实在令人叹服。
　　４。对虹吸现象的认识在南北朝时，人们对虹吸现象和产生的原理已有较深入的认识。《关尹子九药篇》中记载着，瓶存二窍，以水实之倒泻；闭一则水不下，盖（气）
　　不升则不降.这里表述的是有两个小孔的瓶子，装入水后，能倒出来。如果闭住一个小孔，水就倒不出来了。文中虽然没有明确提出气压的作用，但基本上阐述了这一道理。到了唐代，对这一物理学现象的认识则更为明确。
　　王冰的《李问》注中就十分清楚地说明： 虚管溉满，捻正悬之，水固不泄，为无升气而不能降也；空瓶小口，顿溉不入，为气不出而不能入也。 王冰以一小口的玻璃瓶灌不进水的事例，将大气压的物理现象，表述得更清楚更透彻了，表明唐代时，人们已经对大气压及虹吸现象有了科学的认识。
　　５。对晶体的研究和制作晶体是固体物理学研究的主要对象。晶体具有规则的几何形状。对这方面的认识在我国已有久远的历史了。早在公元纪元前后，就发现雪花是六角形的。而在各种药书和炼丹的书籍中，也都提到了许多晶体物质。
　　唐初《黄帝九鼎神丹经诀》中，记述了制取结晶硫酸钾的情况，即把朴硝（硫酸钠）、硝石（硝酸钾）两种矿石粉碎、混合，用热水淋汁，待澄清后再用温火煮。然后等到半冷时装入小盆，盆外再用冷水冷却。经过一夜后，就有 状如白色、大小皆有楞角起的结晶硫酸钾出现.从这段记载中可知，晶体具有外部几何形状，而且指出了人造结晶体的制作过程和工艺条件，这在近代科学诞生之前，是不能不令人惊叹的。
　　我国唐代对于各种物理现象的认识和利用，突出地表明我国人民自古以来，就具有极大的发明创造才能和认识自然界的能力，在促进社会进步和人类文明的发展上，作出了特殊的贡献。
　　（二）隋唐五代的化学和化工
　　隋唐五代的化学、化工科技是在古代炼丹术的基础上发展起来的。通过大量的炼丹实践，从中发明了红色硫化汞的合成方法、硫酸钾的制取方法。
　　这些方法的产生在中国化学发展史上也占有十分重要的地位。然而这一时期发明的火药则是我国的最伟大的发明之一，火药的发明对世界文明的发展产生了重大的影响。
　　１。炼丹术与化学进步古代的炼丹术是人们为求长生而发展起来的炼制丹药的方术。历代皇帝及显贵为 长生久视 ，曾在民间广求丹方，并招纳方士从事炼丹。虽然炼丹术是荒诞的，但是历代炼丹家在广大劳动人民积累的生产经验的基础上，通过自己从事采药、炼丹的实践，对化学方面的问题进行了观察和研究，并在这个方面取得了一些重要的成就。
　　炼丹术最早研究的材料是丹砂，也就是红色硫化汞。当时采用的研究方法是火法。这是一种带有冶金性质的无水加热法。据史书记载火法大致包括煅、炼、炙、熔、抽、飞、伏等步骤。到了唐代，陈少微《九还金丹妙诀》所记载的销汞法，也就是用汞和硫磺制丹砂法已经相当细致、准确。原料汞和硫磺的加入比例是一定的，加热时有一定的火候，并按固定的程序进行操作。最后达到 化为紫砂，分毫无欠 的结果，紫砂即丹砂的这一制作方法与近代化学所采用的化学合成法十分相近。用这种工艺方法制成的红色硫化汞，可能是人类最早用化学合成的方法制造的产品之一，是炼丹术在化学上的一大成果。
　　另外，炼丹家对水银和其它化合方法也进行了大量的研究。唐时的炼丹著作《太清石壁记》中就记载着 造水银霜法 ，水银霜就是升汞或氯化亚汞。其制作方法是先把水银和锡分别加热，并使之成锡汞剂，然后捣碎加盐，再将太阴玄精（氯化镁）、敦煌矾石（粗石膏）或者是绛矾（含铁的粗石膏）
　　掺和进去，用朴硝未即硫酸钠覆盖在上面，加热至７昼夜。
　　用现在的观点来分析，汞和氯化钠、硫酸钠共热是可以生成氯化汞的。
　　而且，氯化汞和过量的汞可再继续反应，就生成氯化亚汞。从加工工艺上看，这一方法虽然很复杂，但说明了当时在这方面的研究是很深入的，提高了人类对化学现象的认识。
　　唐代炼丹家对铅的化合物也进行了许多研究。唐代清虚子在《铅汞甲庚至宝集成》中记载一 造丹法.使用铅、硫、硝三种物质，经过溶化和 点醋 等一系列操作，即可制成名为 黄丹胡粉 的粉末，据初步分析，这种粉末可能是纯度不高的醋酸铅。
　　炼丹家对金石药的溶解也取得了相当丰富的经验和知识。晋代以前的一部著作《道藏》记有《三十六水法》，其中记载了古代炼丹家溶解３４种矿物和二种非矿物的５４个配方。到了唐代，炼丹家对此则有更深刻的认识。例如，在《三十六水法》中记有 丹砂水 法，即溶解丹砂的方法。这一方法中除了用醋和硝石以外，还加有石胆，就是硫酸铜。唐人著作《黄帝九鼎神丹经诀》中特意指出： 化丹砂即需石胆 ，就是很有意义的。因为硫化汞在醋酸和硝石的混合液中是难于溶解的，但加入硫酸铜的时候，却能溶解。用现代化学的观点来看，这种化学现象的发现，揭示了硫酸铜在溶解丹砂过程中起到了催化剂的作用，这在化学史上也是一种进步。
　　在《黄帝九鼎神丹经诀》中还记载着用水法制取硫酸钾的方法，其工艺是用热水将朴石、硝石溶化，经沉淀后，取澄清的混合溶液，再加热使水蒸发，当浓缩到一定程度后，装入容器内用冷水降温，经过２４小时，溶液中即有结晶的硫酸钾生成。这种利用物质不同的溶解度来制造药物的方法，是中国古代化学史上的一项发明。
　　中国古代的炼丹家们虽然没有研究成长生不老的金丹，但他们通过炼丹的实践总结出了不少化学方面的经验，取得了不少成果，在客观上对我国化学技术的进步，起到了重要的推动作用。
　　２。火药的发明火药是我国的一项伟大发明。至今已有１０００多年了。火药的发明是人们长期生产实践的结果，是我国古代劳动人民和科学家们智慧的结晶。
　　人们在长期的生产实践中，对木炭、硝石、硫磺３种物质的性能有所认识。如早在商周时期，人们感到木炭比木柴更好烧，特别在是冶金生产中，木炭的优越性更为明显。古代的炼丹家，在炼丹的实践中，发现一些药用材料毒性大，性质活泼。因此，在使用硫磺、砒霜等毒性大的金石药之前，先用烧灼的方法进行 驯伏 、 伏火 ，使其减少或失去原有的毒性。在 驯伏 、 伏火 的过程中，炼丹家们发现硫的性质活泼，着火后容易飞升，难以控制。炼丹方士们还发现硝的化学性质很活泼，将硝撒在赤炭上，一下子就产生焰火，并能和许多物质发生作用。南北朝齐梁时的医药家、道士陶弘景在《名医别录》中还总结出了识别硝石的方法，即 以火烧之，紫青烟起，云是硝石也.人们对炭、硫、硝的性质有了一定的认识。这就为火药的发明创造了条件，奠定了基础。
　　到了唐代，在硫磺伏火的多次实验中，人们认识到点燃硝石、硫磺、木炭的混合物，会出现非常剧烈的燃烧。在《诸家神品丹法》卷五中，载有唐代医药家兼炼丹家孙思邈的 丹经伏硫磺法 ，这种方法是将硫磺、硝石各２两研成粉末，装入销银锅或砂锅内，将锅放入坑内，锅与地面相平，四面用土填实，再将没有被虫蛀过的３个皂角逐一引燃，夹入锅内，使硫和硝燃烧，待火熄灭后，再取３斤生熟木炭煅炒，待木炭炒至消去三分之一时，即退火，趁还未冷却时，取出混合物，这个操作过程就是 伏火 的过程，也是世界上关于火药的最早记载。
　　唐宪宗（公元８０６- ８２０年）时的《铅汞甲庚至宝集成》卷二也载有清虚子的 伏火矾法 ，所用的药物是硝石、硫磺各２两，２。５钱马儿铃（一种含有碳素的果实，加热能碳化）。这种方法与孙思邈的 伏硫磺法 用药基本相同。公元１０世纪，在郑思远编辑的《真元妙道要略》中，有一则关于火药燃烧造成事故的记载。其中描述说： 有以硫黄（磺）、雄黄合硝石，并密烧之，焰起，烧手及尽屋舍者.从中可看出，正是这些药物极易起火燃烧，而酿成丹房失火的事故。唐代的炼丹家们正是从 伏火 及起火燃烧的事故中，获得了一个十分重要的认识，即硫、硝、炭三种物质的混合物具有燃烧、爆炸的性能，可以组成一种 火药 ，从此，火药被人类所发明。
　　火药的发明为火药的应用提供了物质基础。在火药发明之前，军事家经常采用火攻战术，在火攻战中就使用了带火的箭，这种箭的头部绑上油脂、松香、硫磺等易燃物。使用时先将箭头点燃，然后射出去。但这种火箭的燃烧速度较慢，火力也不大，杀伤力小，又容易被扑灭。采用火药来代替这些一般的易燃物，其燃烧速度和火力大增，所以在唐朝末年，宋朝初年就已被军事家们所采用。此后，也就是宋初，在石炮的基础上，创造了火炮，即把火药装在容易发射的容器内形成火药包，由原来的抛射石头的机器抛出，提高了武器的威力，更加引起了人们时火药与火药武器的重视。
　　火药武器的出现，又推动了火药的研究和生产。特别是宋代对火药及火药武器的研究成果明显，成就巨大。北宋曾公亮等编写的军书著作《武经总要》（公元１０４４年）里，描述了多种火药武器，记载了当时３种火药的配方。
　　配方中按其使用要求，调整了不同成份的比例，并按其作用制成了分别具有燃烧、爆炸、放毒和制造烟雾作用的火药炮。如，蒺藜火球，里面装有火药，同时还装入带刺的铁蒺藜。火药包爆炸时，铁蒺藜就飞散出来，阻塞道路，防止骑兵前进。里面装有砒霜、巴豆之类毒物的毒药烟球火炮，燃烧后毒烟四处扩散，使人员中毒而削弱敌方战斗力。此后又出现了一大批新式火药武器，如北宋末年创造的 霹雳炮 、 震天雷 ，１１３２年出现了火枪，到了元代又诞生了铜制火炮；在明代创造了自动爆炸地雷、水雷和定时炸弹，还制成了 火龙出水火箭，它是利用４个装有火药的大火箭筒，火药燃烧后，产生反作用力，把龙形筒射出，当４支火箭筒里的火药烧完后，又点燃火龙腹里的神机火箭，推动箭头射向敌阵。
　　中国火药的发明也给世界各国的科技发展提供了宝贵的经验，带动了整个人类社会的科技进步。
　　１２２５- １２４８年间，火药由商人经印度传入阿拉伯。欧洲人，首先是西班牙人，在１３世纪后期翻译阿拉伯人的书籍时，才开始知道火药，英法各国直到１４世纪中期，才见到应用火药和武器的记录。火药、火器在欧洲的传播，不仅对作战方法的改进有现实的作用，而且对资产阶级战胜封建贵族，推动社会进步，乃至资本主义生产力的发展，都产生了巨大的影响。火药这一伟大的发明及其所产生的深远影响，将永远载入世界科技史册。