书城科普身手不凡的机器人:无处不在的新科技
21159200000001

第1章 科技无处不在(1)

当今世界人类社会进步与发展的动力是什么?毫无疑问,是科学技术。科学技术的成就改变了人类和当今世界的面貌,它对人类与社会发展愈趋增强的辐射与全面渗透,是人类有史以来最为辉煌的文化景观。科学技术的飞跃发展对人类思维方式、生活方式和社会进步的影响,从某种意义上来讲无疑是决定性的。从原子弹的爆炸到核能的广泛利用,从人造卫星上天到阿波罗号月球之旅,从杂交水稻到克隆绵羊,从进入千家万户的数字电视到遍布全球的互联网……

这些日新月异的变化告诉我们,科学技术对社会经济的推动作用已经呈现出一种越来越强的加速作用。

一、萃取五谷精华的酿酒技术

酒在我们生活中随处可见,它已经深深根植于中华民族的血脉之中。逢年过节、婚丧嫁娶等重要的场合都少不了它的身影。

我国酿酒起源很早。《说文解字》中说:“古者仪狄作酒醪……杜康作秫酒。”最普遍的说法就是杜康作酒。

杜康,传说是黄帝手下的一位大臣,主要负责保管粮食。那个时候还没有仓库,所以杜康就把丰收的粮食堆在山洞里。尽管杜康很负责任,但是由于没有科学的保管方法,山洞过于潮湿,粮食全霉坏了。黄帝知道这件事情后,十分震怒,降了杜康的职,还警告他说,如果再让粮食霉坏,他就会被处死。

杜康经历了这件事情非常伤心,但是他还是想把这件事情做好。有一天,他看见森林里有几棵枯死的大树,就想,如果把树掏空,用来储存粮食该多好。他这样一想,马上就付诸实施了。可是没想到,两年以后,装在树洞里的粮食经过风吹雨淋,慢慢发酵了。时间一长,就从里面渗出一种闻起来特别清香的水,喝上一口,味道辛辣而醇美。但喝多了就会头晕目眩,昏昏沉沉。

杜康没有保管好粮食,却意外发现了粮食发酵而来的水,他不知是福是祸,可还是如实报告了黄帝。黄帝召集群臣商议,大臣认为这是粮食的精华,无毒。就命仓颉取名日“酒”。后人为了纪念杜康,就尊他为酿酒始祖。

杜康造酒的故事,从一个侧面表明了酿酒技术在我国起源极早。

在农业产生以前,人们在采集野果时,发现成熟落地的果实,在微生物作用下,经过一段时间,会产生酒的醇香,口感很好。人们自此开始接触到天然的果酒。

在农业产生后不久,人们才开始酿酒,我国人工酿造最早的酒是谷物酒。我们从前面章节知道,新石器时代就有了农业,储藏在陶器中的谷物,因受潮发芽,再经过发酵,就会变成天然的谷物酒。在这个过程里,人们通过观察实践,模仿自然酒的产生过程,有意识地制造谷物酒。酿酒技术的时代到来了。

从化学的观点来看,从谷物生产出酒来,实际上需要两个过程:第一个过程就是淀粉转化为糖类的糖化过程,第二个过程就是糖类变成酒的酒化过程。我们也知道,第一个过程需要催化剂作用才能发生,后一个过程有微生物参与很容易发酵成酒。所以制造酒的关键就在第一个过程。这个过程所需的催化剂也就是酶,有两种方法可以获得酶:其一,利用人口中的唾液淀粉酶,咀嚼过的谷物在天然状态下非常容易发酵,日本就有少女嚼谷粒造酒的方法;其二,利用植物体中的糖化酶,谷物受潮发芽后含有这种酶,古巴比伦人就用此法酿造啤酒。

我国在商代就已经掌握了用麦芽做反应酶酿酒的方法。《尚书·说命》中记载说:“若作酒醴,尔维曲蘖。”蘖就是谷物的芽。商代人们还使用了“曲”。曲也是利用微生物发酵,将稻米、大小麦和豆类分解而成的有益霉菌。酿酒过程使用酒曲,糖化和酒化可以同时进行,不仅大大节省了工序,而且能酿造出更醇美的酒来。商代酿酒所用的“曲蘖”,实质就是由谷物芽和生霉谷物所组成的“散曲”。曲与蘖在酿酒中的区别是:曲是酿酒中的发酵剂,酿出的酒酒精成分多而糖的成分少;而蘖本身就是原料,酿出的酒里酒精成分少而糖分多。我国最初酿酒以蘖为原料,到了商代既用曲也用蘖,到西周时就基本只用曲了。

二、精美的青铜器及其冶炼铸造技术

青铜是人类历史上一项伟大的发明,它是铜与锡、铅等化学元素的合金,因其颜色呈青灰色而得名。青铜器是我国金属冶铸史上最早出现的合金。

青铜器文化在我国历史久远,我们一般将其分为三个阶段,即形成期、鼎盛期和转变期。形成期是距今4000~4500年的龙山时代,相当于尧舜禹所处的时代;鼎盛期包括夏、商、西周、春秋及战国早期,延续约1600余年,即中国的青铜器文化时代;转变期是指战国末期到秦汉时期,这时青铜器正逐步被铁器所取代,数量骤减,功能上也由在礼仪祭祀和战争活动等重要场合使用的礼乐兵器变为日常用品,随之而来的是器制种类、构造特征和装饰艺术的转变。

在青铜器文化的鼎盛期,特别是夏、商、周时代,青铜器被赋予丰富的文化内涵,可以用来制造各种变化多端、优美典雅的器物。“国之大事,在祀及戎”,代表当时冶铸技术最高水平的青铜器,也被广泛用在战争和祭祀礼仪上,其功能为武器和礼仪用器以及围绕二者的附属用具。此时的青铜器遍及各个领域,包括青铜兵器、青铜礼器、青铜乐器以及青铜工具、青铜饮食器具等。

青铜器纹饰是青铜文化的一朵奇葩。商代的青铜器上以饕餮纹、云雷纹和夔龙纹为主,到了商后期和西周时期,出现了各种各样的动物纹饰。青铜器文化的另一个价值体现在铭文上。为了颂扬先人和自己的功业,或是为了纪念某一重要事件,就在青铜器上铸造纹文,以求流传不朽。这些铭文对于历史学者而言,起着证史、补史的作用。

千姿百态、精美绝伦的古青铜器,全面反映了我国青铜冶炼铸造技术的杰出成就。在商周时代,我国的青铜冶炼铸造技术更是达到了前所未有的高度,令当时世界其他各国望尘莫及。

青铜器的制作工艺大体分为冶炼和铸造两大部分。

冶炼是制造青铜器的一道重要程序。合金里面要加的主要是锡和铅。加锡的作用是降低合金的熔点,提高青铜的强度和硬度,减少金属线收缩量;加铅则是为了减少枝晶间显微缩孔的体积和改善金属的切削加工性能。治炼青铜,首先要选取原料,孔雀石是用来冶铜的矿物原料,锡矿石和方铅矿分别用来冶炼纯锡和纯铅。紧接着就是熔炼。先分别炼出铜、锡、铅,然后再将三者按照一定的比例混合,进行第二次熔炼。

铸造是青铜器最后成型的关键一步。夏商周时代,铸造器型复杂的铜器都是采用多范铸造的方法。最早的范是石范,大约商中期以后,陶范迅速取代了石范。陶范的基本铸造法就是先用泥制出模型,再在泥模上筑一层泥作为外范。在外范之上刻出花纹来,然后将泥模刮去一层,刮出的厚度就是铜器的壁厚,将刮过的泥模作为内范,最后在内、外范之间空隙中浇铸铜液,冷却后拆除范,铜器就铸成了。对于更复杂的器型,主要采用分铸法。分铸法分为三种:1.分别铸出主、附件,然后用钎焊连接;2.先铸主件,在主、附件连接部分留出榫卯结构,然后将附件范与主体结合,浇铸附件;3.先铸附件,再将附件与主件范连接,再浇铸主件。这是非常巧妙的方法。

三、指南针的发明

利用磁铁在地球磁场中的南北指极性而制成的一种指向仪器,有多种形体。指南针是中国古代四大发明之一。

早在春秋时期,中国劳动人民就在采矿、冶炼中逐渐认识了磁石。到战国时期就有人用磁石做成器具来判定方向,当时叫“司南”。它是在一个无沿的方盘匕放置一只水勺似的磁石,水勺的柄端向南指。到北宋后期中国人民创造了人工磁铁,又创制了“指南鱼”把用磁钢片制成的“鱼”放在水面上,以此指示方向。后来经过反复研究改进,又把磁钢片改成细小的磁钢针,并使它的尖端成为磁北极,末端成为磁南极,这就成了指南针。

指南针发明以后,我国人民首先把它应用在航海事业上。南宋时,阿拉伯商人和波斯商人常搭乘我国的海船往来贸易,也学会了使用指南针。他们又把指南针传人欧洲。指南针的应用推动了欧洲的航海事业,很快就开始在全世界各个领域上使用指南针。

指南针的发明对社会发展起到了重要作用,不仅在我国古代军事、生产、日常生活中起过重要作用,而目.对促进东西方文化的交流和世界的发展都有功绩。中国也是最早把指南针用于航海事业的国家,并把航海事业推进到了一个新的时代,促进了各国之间的经济贸易和文化交流。指南针传到世界各国以后,各国也都用指南针来帮助航海了。指南针技术传人欧洲后,推动了欧洲航海事业的发展。15世纪末到16世纪初,欧洲各国航海家纷纷将指南针用于航海,他们不断探险,开辟新航路,发现了美洲,完成了环绕地球的航行。马克思曾这样说过:“指南针打开了世界市场,并建立了殖民地。”

四、生铁冶炼技术

干将和莫邪,传说是春秋时期一对铸剑的夫妇。

有一天,吴王把干将请去,让他为自己铸两把绝世的宝剑。吴王给干将一块生铁和一些铁胆肾。生铁据说是王妃夏日纳凉,抱了铁柱,心有所感,怀孕而生。铁胆肾则是两只吃钢铁的小兽被杀后取出来的。

干将回到家中,便与妻子莫邪架起炉子,装好风箱,另外还采了五方名山铁的精华,混合在生铁和铁胆肾里。他们观天时,察地利,等到阴阳交会的时辰便开始铸剑。刚到3个月的时候,天气骤冷,铁柱不熔化了。于是莫邪就剪下自己的头发和指甲,投入到熊熊的炉火里;干将也割破手指,滴血入炉,铁水就开始沸腾了。

夫妻二人辛苦锤炼,历时3年,才将剑铸成。剑铸成的时候,两朵五彩祥云坠入炉中。二人开炉一看,只见“哗啦啦”喷出白气,震得地动山摇,白气直冲上天,久久不散。再看炉子,已冷如冰窟,炉底一对宝剑青光闪烁。剑成之后,为了纪念自己的辛勤劳动,他们用自己的名字命名宝剑。雄剑叫干将,雌剑叫莫邪。

干将和莫邪铸剑的故事,反映了春秋战国时期我国冶铁技术已经达到相当高的水平。

我国古代用铁的历史可追溯到商代。但冶铁术出现较晚,到西周晚期才见端倪。虽然我国古代大约在公元前1000年才出现人工冶铁,显然要晚于西亚诸国,但是在随后的400年左右的时间里,接连出现的一系列冶铁技术的重大进步,使我国冶铁术跃居世界先进地位。

春秋时期大量铁制品的出土,表明大约在公元前8~7世纪,我国冶铁业已有了块炼铁冶炼术和块炼铁渗碳钢技术。这两项技术对于农具、手工工具,尤其是兵器质量的提高起了很关键的作用。在河北易县燕下都战国墓葬出土的钢剑和钢戟,就是运用块炼铁渗碳钢技术冶炼而成,还经过了淬火热处理。淬火热处理技术的使用,也是我国冶铁技术进步的一个表现。

最迟在春秋晚期,生铁冶铸技术出现了,它是我国冶金史上一个划时代的进步。生铁,亦称铸铁,需要在较高温度(1100~1200℃)下,使铁矿石液化还原而炼得的铁。生铁优点很多,如含碳量高(2%~4%),质地硬,熔点低,适于和便于铸造成型。这就使得较大量和较省力地提炼铁矿石、铸造复杂器形的铁器成为可能。而西方直到14世纪才真正开始用生铁铸造物品。

在战国早期,人们已经熟练掌握了生铁热处理脱碳技术。这又是一项意义重大的技术进步。运用这项技术,对生铁进行柔化处理,不仅增长了铁器的使用寿命,而且加快了铁器替代铜器的步伐,从而使生铁广泛用于铸造生产工具成为可能。这项技术比欧美早了2000多年。

值得一提的是,在战国早期,我国就已经出现了生铁制钢工艺,在世界冶炼史上处于遥遥领先的地位。它是生铁铸件通过有控制的退火处理,在保温的状态下脱碳,从而成钢。伴随着冶铁技术的进步,冶铁业也蓬勃兴起,生产规模不断扩大,成为当时手工业生产最重要的部门之一。在战国早期,冶铁业相对集中于秦、楚等地区,到战国中、后期已遍及广大地区。钢铁制品从兵器到各种手工工具,再到各种生活用具,种类繁多,质量越来越好,社会各行各业的生产效率得到了大幅度提高。

综上不难看出,冶铁技术在我国虽然起步较晚,但是发展极其迅速,伴随着一系列重大的冶铁技术进步,在春秋战国时期(尤其是战国中后期),我国冶铁业得到了空前的发展,迅速跃居世界冶铁业的前列。

五、对宇宙的探索——天文仪器浑仪和浑象

浑仪是我国古代的一种天文观测仪器,用来测定天体位置的坐标。在古代,“浑”字含有圆球的意思。因为古人认为天是圆的,形状像蛋壳,所以就把观测天体位置的仪器叫做“浑仪”。

为了观测日月星辰的变化,制订天文历法,我国大约在战国时代就制造出了浑仪。作为一种天文学家测定天体方位必需的仪器,浑仪自汉代以来历朝都有制造和改进。

最初,浑仪的结构非常简单,由三个圆环和一根金属轴组成:最外面的那个圆环固定在正南北方向上,叫做“子午环”;中间固定着的圆环平行于地球赤道面,叫做“赤道环”;最里面的圆环可以绕金属轴旋转,叫做“赤经环”;在赤经环面上安装一根望筒,可以绕着赤经环中心转动。观测时用望筒对准某一天体,然后,根据赤道环和赤经环上的刻度来确定该天体的位置。