 古代中原长期居于中国政治、经济、文化的中心，了解中原地区数学、物理、化学、天文、地理、生物、医学和农业、水利、冶金、纺织、陶瓷、交通等科学技术的发展历程，不啻是对中国传统科学技术历史缩影之概览。 中原是一个区域概念，但又不是一般意义上的区域范畴。这一概念的形成经历了一个漫长的发展历程。“中原”一词，与先秦时期人们开始认可的“天地之中”的位置相关，也与这一区域在全新世大暖期较为适宜的生态环境有着密切联系。在今河南境内的广大地区，先后发现了距今10000年前后的李家沟文化、8000年左右的裴李岗文化、6000年左右的仰韶文化和距今5000～4000年的龙山文化，可知这里是早期人类最早的密集聚居区。文明的曙光最早在这一地区升起。 自然科学知识的萌芽  天文学知识的萌芽 中原地区的先民，早在旧石器时代，在采集和渔猎生产中，就对太阳的出没、月亮的圆缺、寒来暑往、物候等有了一定的认识。进入新石器时代，农牧业生产成为社会经济主体，农业收成的好坏主要取决于天时，人们需要掌握季节的变化规律。中原地区先民的天文历法知识是在生产实践中逐步积累起来的。到了新石器时代中期，人们已经运用对天象的观测来确定时间、方位和季节了。 仰韶文化时期的大河村人对太阳进行了观测，并把太阳的形象以彩绘的形式表达出来。郑州大河村仰韶文化遗址出土的一片彩陶绘有太阳的图像，此图中间为红色的圆心，四周为褐色发射状太阳光芒（图1）。 图1 有太阳图像的彩陶片 （郑州市文物考古研究所：《郑州大河村》，科学出版社，2001年，图版三〇：2、3） 从发掘的新石器时代墓葬和房屋的朝向来看，人们已经有了明确的方位观念。舞阳贾湖遗址墓葬朝向以西为主，次为西南，少量为西北，不见东、南、北三个方向。这些墓葬的朝向与天文关系密切，表明当时很可能有了以日落定西方的固定概念。河南淮阳平粮台龙山文化城址发掘的房屋朝向均为南b。可见，当时人们已经掌握了确定方位的方法，有明确的四方观念。
早在新石器时代，中原地区已经形成了“四象”观念，四象是中国古代天文学坐标体系的雏形。 1988年在河南濮阳西水坡的一座距今6000多年前的仰韶文化墓葬中有了惊人发现。此墓葬中墓主人头朝南，脚朝北，在其身体的东侧有用蚌壳摆成的龙形图案，其东侧是用蚌壳摆成的虎形图案，脚边正北有用两根人胫骨和蚌壳摆成的勺形图案。中国古代把全天黄、赤道附近的天区分为二十八宿，二十八宿按东南西北四个方位分为四组，每组七宿，人们根据各方星宿的形象加上想象，组成一种动物之像，四方之星像即为四象。四象中，东为苍龙，角、亢、氐、房、心、尾、箕，有46个星座；西为白虎，奎、娄、胃、昴、毕、觜、参，有54个星座；南为朱雀，井、鬼、柳、星、张、翼、轸，有42个星座；北为玄武，斗、牛、女、虚、危、室、壁，有65个星座。濮阳西水坡墓葬中墓主人东为龙、西为虎的造型正是四象观念的体现。中国的四象、二十八宿星官体系到汉代最终完善，之后的天文观测中，一直使用这一星官体系（图2）。 图2 濮阳西水坡蚌壳龙虎北斗图 （杜石然主编：《中国科学技术史·通史卷》，科学出版社，2003年，第42页，图1-33） 物理化学知识的萌芽 人类区别于其他动物的显著特征之一就是具有思考能力，有了观测和思考的能力，人们便会在生产和生活实践中，逐步加深对身边物质的物理性质和化学性质的认识。在实践中人们对力、声、光、热等现象及物质形状和性质的变化有了直观的认识，并自觉和不自觉地运用这些知识来制造生产工具和生活用具。 早期的物理学知识体现在石器、弓箭、乐器等的制造上。在生活实践中，人们知道用坚硬的石块可以比较容易地砸开坚果的果壳，用带刃的刮削石器可以较容易地刮兽皮和树皮，尖状石器可以较容易地挖出植物地下的块根。弓箭是利用材料弹性势能的原理，通过把人类自身的力量和物体的弹力结合起来，变势能为箭镞的动能，使箭镞射向远方，从而达到射杀目标物的目的。在中原新石器时代的遗址中常发现大量的骨镞，说明当时人们已经普遍使用弓箭了。弓箭的发明是人类技术的一大进步，是物理学应用技术的典范。中原先民很早就对声学知识有所了解，知道风吹空腔可以发出不同的声音，在人为控制下风吹空腔发出的声音可以延长和缩短。新石器时代，人们运用已经掌握的声学知识制造出了能吹奏优美音乐的乐器。舞阳贾湖裴李岗文化遗址出土了一批骨笛，距今约8000年，多为七孔，已经具备了七声音阶结构（图3）。濮阳贾湖遗址出土的骨笛是先民利用声学知识的杰出代表。
图3 舞阳贾湖骨笛 （河南省文物考古研究所：《舞阳贾湖》，科学出版社，1999年，彩版40） 化学知识的萌芽最初体现在用火、制陶、冶铜、酿酒等方面。中原先民很早就学会了用火，安阳小南海遗址、南召小空山遗址、荥阳织机洞遗址等洞穴都发现有灰烬层和烧过的兽骨，这些都是人工用火的遗迹。中原先民最初使用的火源应是自然火，后来在摩擦起火的启发下，学会了人工取火。火本身就是一种化学反应，主要是草木中的碳与大气中的氧在高温下产生二氧化碳，并在这个过程中不断释放热量和光。最初人们利用火释放的热量取暖和烧烤食物，利用火发出的光照明和驱赶野兽。火能改变很多物质的物理性能和化学成分，虽然当时人们不知道其中的科学道理，但在长期熟练运用火的基础上，逐渐摸索出了制陶和冶铜技术。 烧制陶器的过程就是把黏土加热烧烤，改变其化学成分和结构的过程。长期积累的烧陶经验使人们知道，用不同的陶土加入不同的羼和料，在不同的烧制温度下，烧制出的陶器性能、外观等理化性质不同，据此，人们烧制出适合不同用途的陶器。新石器时代中晚期，铜的冶炼技术在陶器烧制技术的基础上出现了。人们在烧制陶器等过程中，逐步发现孔雀石在较高温度下可以炼出青铜，青铜是合金，是自然界所没有的、人工制造的物质，其有延展性和韧性，可以根据需要铸造出不同形状和性能的青铜器具。用青铜铸造的器具有石器具和陶器具所不具有的诸多优点。冶铜技术的出现是人类科技史上的巨大进步，是人类对化学知识运用达到一定高度的质的飞跃。酿酒是另一种原始先民运用化学知识的杰作。对贾湖裴李岗遗址出土陶片上残留的酒石酸分析，其化学成分与现代稻米、米酒、葡萄酒、蜂蜡、葡萄丹宁酸包括山楂的化学成分相同，表明新石器时代中原地区的人们已经掌握了酿酒技术。推测，最初的酒可能是人们无意中发现的。堆积的粮食或水果自然发酵形成酒，人们发现这种酒有一种特殊的味道，且对缓解疲劳、疾病的治疗等有一定的功效，于是人们开始尝试人工酿酒，并有意识的改进酿酒技术。 数学知识的萌芽 中原地区的原始先民与我国乃至世界其他地区的人类一样，在生活和生产实践中不断积累有关事物的数量和形状的知识，成为自然科学基础的数学随之萌芽。 对“有”与“无”、“多”与“少”的认识是人们识数的开始，进而知道了“一”和“多”“二”“三”等的区别，之后知道的数目逐渐增多。早期的记数方法有石子记数、结绳记数和刻痕记数等。石子记数是采用一一对应的原则进行记数的方法。舞阳县贾湖裴李岗文化遗址出土的装在龟甲中的石子是石子记数的遗物。1987年，考古工作者在该遗址的20多座墓葬中发现大量的装有石子的龟甲随葬品，这些龟甲和石子可能与占卜有关，石子都是数过的（图4）。从石子数量分布情况来看，贾湖人或许已经有了三位以上整数的观念。从部分墓葬中发现的龟甲数目都是2、4、6、8等偶数来看，贾湖人可能已经认识了奇偶数的规律。结绳记数的实物因易于腐烂而难以发现，但可以推断，中原先民应该使用过此种记数方法。贾湖遗址的很多随葬品上发现有刻痕记数的遗迹。该遗址出土的众多随葬品上有大量的刻契符号，有些符号类似于甲骨文和金文中的数字。殷商时期人们对自然数的认识已经相当成熟，对数的认识必然经历了相当长的发展过程。贾湖随葬品上或横或竖的一道或多道直向刻痕，应是人类早期记数遗迹。 图4 舞阳贾湖龟甲及内装石子 （河南省文物考古研究所：《舞阳贾湖》，科学出版社，1999年，彩版四二：2） 舞阳贾湖遗址出土16支完整的骨笛，这些骨笛是截取飞禽的胫骨而成，骨管的形状不是很规则，每支骨笛的粗细、长短、厚薄皆不相同。在如此不规则的骨管上能设计出多个符合音律要求的孔，说明贾湖人已经知晓从1～10的差别，且能灵活运用数的等分和不等分。 新郑裴李岗遗址出土的石器有石磨盘、石磨棒、锯齿镰、长条形石铲（图5）等，从这些石器器物形状来看，人们已经有了平面、球、圆、柱、平行、垂直等初等几何观念（图6）。从仰韶遗址出土的陶器器形及其复杂的纹饰来看，人们对几何形状已经有了深刻的认识。此时期的陶器种类丰富，主要有鼎、罐、盆、碗、壶、豆、杯、瓮、尊、瓶、甑、钵、器座等，这些陶器的截口多为圆形和矩形。陶器上的几何纹饰是以点、线、面的粗细、长短、交叉、曲折的变化所表达的，主要有圆形及其变体纹、菱形纹、弧形纹、多边纹等，或为单独图案，或为连续图案。例如，1978 年在河南省临汝县阎村出土的一件彩陶缸上绘有鹳鱼石斧图，画面是一只站着的鹳鸟衔着一条鱼，旁边有一带柄的石斧。此图将点、圆、三角形、矩形、弧形等几何图形巧妙地结合在一起，勾勒出鹳的眼睛、鱼的身体和石斧的结构。鹳鱼石斧图画面栩栩如生，是一件难得的史前艺术珍品。 图5 长条形石铲 （龙山文化，郾城郝家台遗址出土） 图6 石环 （仰韶文化，郑州大河村出土） 生物学知识的萌芽 由于生存的需要，人类在长期采集、渔猎过程中对作为食物来源的动植物，逐渐有所认识和了解，积累了一些生物学方面的知识。在旧石器时代，人们在采集植物的过程中，已经能够区别多种植物，知道哪些植物的果实或茎叶或块根可以食用，它们的这些部位生长到何时可以采摘。在渔猎过程中，人们熟悉自己生活的周围都有些什么动物，知道哪些威胁人身安全，哪些动物较易捕获，到什么地方、用什么方法捕获猎物。 河南安阳小南海旧石器时代洞穴遗址中，出土1种安氏鸵鸟及17种哺乳动物，哺乳动物包括刺猬、方氏鼢鼠、洞熊、狗獾、狼、豹、野驴、披毛犀、野猪、水牛、普氏羚羊等。说明这些脊椎动物都是小南海人猎取的对象，他们应对这些动物的习性有所了解。到新石器时代，人们的生物知识更为丰富，能够把自己所熟识的一些形象十分生动地描绘下来，且能进行艺术化创作（图7）。河南临汝阎村鹳鱼石斧彩陶缸上的鹳鸟和鱼栩栩如生，鹳鸟和鱼身体各部位的大小比例适当、结构合理。人们熟知鱼是鹳鸟的食物，艺术化地再现了鹳鸟和鱼的关系，展现自然界动物之美。濮阳西水坡蚌壳塑造的龙虎图案具有艺术气息，虎是现实中存在的动物，而龙是自然界所没有的动物，是人们综合多种动物的特点，加以想象的创作。 图7 灰陶人头 （龙山文化，郑州上街铝 厂出土） 新石器时代，中原先民对生物学知识的应用集中体现在农作物的栽培和家畜的驯养技术上。中原先民对植物的知识丰富，较早地从众多植物中优选出粟、稻、麦、高粱、麻等作为农作物进行栽培。粟，又名谷子，去壳后为金黄色的小米。粟具有生育期短、适应性广、耐干旱、耐瘠薄、抗逆性强等特点，粟的子粒可食用、可酿酒、易储藏，其茎叶和谷糠可作牲畜的饲料。粟所具有的诸多优点，使它成为中原地区人们首先驯化成功的农作物之一，且长期把它作为主粮。裴李岗文化遗址中就出土有粟谷的痕迹，如在新郑沙窝李遗址的第2层中就发现有分布面积0.8～1.5平方米的炭化粟粒。稻也是中原地区人们最早栽培的农作物之一。 图8 陶猪头 （仰韶文化，淅川县下王岗出土）
图9 浮雕壁虎陶缸 （仰韶文化，汝州市洪山庙出土） 在舞阳贾湖遗址中，发现有炭化稻和稻壳印痕，经鉴定为栽培的粳稻。渑池仰韶村遗址、淅川下集遗址和黄楝树遗址、洛阳西高崖仰韶文化遗址、郑州大河村仰韶文化遗址、禹州阎寨村遗址、汝州李楼龙山文化晚期遗址、三门峡南交口遗址等，都发现有稻谷或稻壳印痕。新石器时代中原地区的人们还种植麦、高粱、麻等农作物。在陕县庙底沟文化遗址中发现有麦类的印痕，距今有7000年的历史a；在郑州大河村遗址中发现有一瓮高粱和麻籽炭化物b。新石器时代，中原先民的动物学知识不断丰富，从众多动物中优选出猪、羊、狗、牛等作为家畜进行驯养。在中原地区的新石器时代文化遗址中，出土有猪、羊、狗、黄牛、水牛的骨骼，还出土有陶塑猪头（图8）、浮雕壁虎陶缸（图9）。
本文摘编自王星光主编《中原科学技术史》第1章，内容有删减。 （本期编辑：安 静）
中原科学技术史 王星光 主编 责任编辑：孙 莉 曹 伟 北京：科学出版社2016.12 ISBN 978-7-03-051486-8
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