只知道四大发明？古代中国人已能掘地千米，开采天然气了

本文由公众号 “把科学带回家” 提供给孩子最好的科学教育

来源 history等

编译 七君

对中国古代的科技，你了解多少呢？脑海里是否瞬间闪过四大发明？

其实，古人的不少发明，不比四大发明弱。今天就带你来仰望一下古代中国人的智力和动手能力。

清朝人掘地千米开采天然气

听过自贡燊海井吗？

它是世界上的第一口超千米的深井。而清朝的自贡人民已经过上了用燊海井里喷出的天然气煮饭烧卤的人生了。

位于四川省自贡市大安区长堰塘的燊海井开凿于清道光十五年（1835年），至今已有180年的历史，它采用传统的冲击钝钻法施工，到达了1001.42米的深度。燊海井曾日产天然气8500立方米和黑卤14立方米。

现在不少历史学家认为，这是深井钻井技术的前身，而现代石油和天然气钻井技术，实际上是对近两百年前中国技术的重现。

20世纪拍摄的天车

图片来源：Drilling and Gas Recovery Technology in Ancient China, Zhong Changyong and Huang Jian. Wictle Offset Printing, 1997.

从上面的老照片里可以看到，50-100米高的钻机——天车矗立在地面上。德州油井的繁荣景象，实际上早就出现在了2百年前的中国。

井架是用耐用的竹子做的，钻头是用绳索吊起来的。

工人站在木板杠杆上面，像玩跷跷板那样踩踏，铁质的钻头就可以被拉起来。

钻头可以一直下降，并把沿途的岩石打碎。

这种鱼尾形状的钻头是为了在第一次钻井的时候打开一个较大口径的通道。

图片来源：Drilling and Gas Recovery Technology in Ancient China, Zhong Changyong and Huang Jian. Wictle Offset Printing, 1997.

油井用的缆绳非常强韧，它的强度可以和现代钢缆相媲美。

钻杆是用牛力驱动的。

钻头的形状有很多种。为了钻不同的岩石和地质形态，古人设计了不同款的钻头。

利用这样的钻井平台，古人就可以深入地下，开采盐矿、天然气。天然气被开采出来后，就沿着几百米长的管道被输送到附近的烧卤厂，用来制盐。

佩服第一个想到地心去看世界的自贡人。

运输天然气的竹质管道

图片来源：Drilling and Gas Recovery Technology in Ancient China, Zhong Changyong and Huang Jian. Wictle Offset Printing, 1997.

西汉的里程计

记里鼓车

再来看看这个古代的里程计。里程计就是测量距离的工具。你爸妈的汽车上就有里程计。

这个奇怪的车车，叫做记里鼓车。这是世界上第一个里程计，出现在西汉时期。军队行军的时候就会推着这辆车车走，每过500米，上面的太鼓达人就会敲鼓通知大家。

这辆车里的2个齿轮是由车轮驱动的，大的齿轮驱动小的飞轮。

这套传动机制被现代工程师叫做减速齿轮系（reduction gear train），它可以把较高的输入速度转化为较低的输出速度。

一些历史学家认为，在行军时，记里鼓车行走在天子仪仗队前面，用来记录敌军军营的距离，以及行军的路程。

英国巴斯大学的机械设计和自动化讲师 Geraint Owen 说，这套系统和现代的摩托车发动机的原理如出一辙。

一千年前的活塞

在宋朝，也就是1千多年前，古代中国的工业化水平达到了新高度。当时中国出现的机器，在中世纪的欧洲尚未出现，而且等到欧洲人创造出这些机器的时候，已经过去了数百甚至上千年。当时发明的一些技术，直到现在还在被使用。

已故宾夕法尼亚大学的汉学家、经济历史学家郝若贝（Robert M. Hartwell）曾说，中国12世纪的铁和煤的产量几乎与英国18世纪工业革命时期的铁和煤的产量相当。没有配套的冶金工业技术，这样的铁和煤产量是不太科学的。

宋代的一大技术革新，就在于重金属制造工艺。山东济宁市铁塔寺里的铁塔就是当时铸铁技术最好的见证。

山东济宁市铁塔寺内的铁塔，修筑于1105年。

铁塔寺的铁塔是在北宋崇宁四年（1105年）修筑的。这个铁塔的独特之处在于，直到现在，铸造这样大型的铁制物件依旧并不简单。

从现代技术的角度来讲，要铸造这样大的物件，首先必须要让烧融的铁浆保持在高温状态，这样才能造型。让炉温升高的一个方法就是吹入大量空气。现代铸铁技术也是这么干的。

那么，一千年前的人是怎样往炉子里输入空气的呢？总不能靠嘴吹吧。

他们使用的技术，就是这种依靠水力供能的自动鼓风机——风磨。

Owen 表示，可以利用水力使曲柄旋转，曲柄再使风磨扇动。

这和后来发明的蒸汽机的活塞的曲柄连杆机构是相同的原理，只不过运转方向正好相反而已——在蒸汽机里，曲柄推动飞轮；而在风磨里，是飞轮推动曲柄。

有了这项技术，就可以为高炉输入大量空气，达到铸铁所需的高温。

第一位了解到中国的风磨的欧洲人是荷兰东印度公司派往清朝的使团成员倪贺夫（Johan Nieuhof），他于1656年坐船沿京杭大运河经过江苏，看到了风磨。这段经历被他记录在了他的著作《荷使初访中国记》中。

倪贺夫

@wikipedia

自动化舂谷

其实，宋朝已经把齿轮传动运用到了炉火纯青的地步，并已经实现了自动化生产，可以说是现代大工业的先驱了。

其中一个实例，就是2千年前的水力杵锤——水碓（duì）。

江西景德镇直到现在还在使用水碓，这就是这项宋朝科技历经考验的证明。

水碓技术，本质上利用的是流水的机械能和重力势能来转动水车。水碓上有一些凸轮轴和柄，它们加载在主轴上面，转动的时候可以让前排的碓杆上的锤子周期地怼需要舂的东西。

水车和主轴相连，水流经过，水车旋转，主轴跟着旋转，锤子就可以动起来了。

每个碓杆大概能使50千克的力。水车每转一次，就能带动整套装置产生400千克的力。

水碓不仅被用于舂谷，还被用于舂碎金属。现在景德镇还延续着水碓的舂碎工艺。

《天工开物》（1637年）中记载的水碓

@wikipedia

等速螺线玉佩

再来看一个让人啧啧称奇的工艺品。

看到这个来自春秋战国时期（公元前771-475年）的玉石首饰了吗，上面的螺纹引起了许多考古学家和工程学家的兴趣。因为…这看起来不像是纯手工能制造的。

是这样的，上面玉石首饰中的纹路叫做等速螺线，也叫阿基米德螺线。

等速螺线

等速螺线要求一条射线从原点射出的同时，以等角速度绕原点旋转。光这个数学描述就可以让你想象徒手描绘等速螺线的难度了。

春秋战国时期玉石首饰上的等速螺线

图片来源：DOI: 10.1126/science.1096588

现在要制造这种螺纹的话，可以用一类叫做复合机（将2个以上的简单机械组合起来的机器）的机械，它可以匀速向外旋转，产生等速螺线。难道说在春秋时期，就已经出现了这样的机械了吗？

哈佛大学物理系的研究者陆述义（Peter J. Lu）就是这样想的。他猜测春秋时期的中国人已经发明了复合机，并把相关论文发表在了2004年的《科学》（Science）上。

在西方，最早的有文献记载的复合机可以追溯到公元1世纪的古希腊数学家和发明家亚历山大港的希罗（Hero of Alexandria）。如果陆述义等人的猜测有了实锤，那么古代中国人就比古希腊人更早发明复合机。

那么，制造这种等速螺线的复合机是什么样的呢？可能是下面这样的。绿色的是笔，白色的是玉石。拉动黄色的杆子，就能画出等速螺线。

图片来源：DOI: 10.1126/science.1096588

圆盘的转速必须和笔向外移动的速度同步，否则等速螺线是画不出来的。

笔和一根绳索相连，绳索则绕在可以控制圆盘旋转的轴上面，这样一来，笔向外移动的速度就等于圆盘的转速，等速螺线就能画出来了。接着工人再根据画好的等速螺线进行雕刻。

水运仪象台

最后，就是每个中国人都值得了解的水运仪象台。

水运仪象台是古代的天文计算机，可以说是古代中国科技皇冠上最耀眼的珍珠之一了。

这个天文计算机是在1000多年前的宋朝元祐元年（1086年）开始设计制造的。它的发明人，是一位超前于时代的全能工程师——苏颂。

苏颂

@wikipedia

他的设计如此复杂，如此超前，以至于在很长时间里工程师和历史学家都搞不明白它的原理。

许多西方人在第一次看到它的时候，都无法想象古代居然有这样的技术，因为它不仅可以计算年月日，还能计算天体在天球中的运动。

水运仪象台有12米高，7米宽，包含4个系统和超过400个零件。它的正面有个塔，塔里会有假笑男孩出来叮铃铃报时。

水运仪象台内部还有一个浑象可以让人观察天体的运转。

水运仪象台具有世界上最早的擒纵机制。擒纵机制是机械钟表的关键零件。难怪曾任联合国教科文组织自然科学部部长的李约瑟直截了当地说，水运仪象台是欧洲天文钟的直接祖先。

摆钟的锚式擒纵

@wikipedia

另外，苏颂还设计了一种齿轮和配套的销子，它们的功能是让齿轮以特定的速度旋转。

西方在几百年后才发明了类似的擒纵机制，造出了机械钟，让人类把擒纵机构的滴答声和时间联系在一起。

原版的水运仪象台毁于北宋覆灭时。在靖康之祸（1127年）时它被金兵掳走，后来被丢弃。而南宋时期苏颂的儿子苏携保存的手稿没人看得懂，所以在很长时间里没有人能够复原水运仪象台。

现在我们能知道它是怎么造的，多亏了苏颂自己写的《新仪像法要》（A new design for a mechanized armillary sphere and the celestial globe）。这本书成书于约900年前，里面详细记载了水运仪象台的47张蓝图。

你现在可以在中国国家博物馆里观赏它的1:5复原物以及《新仪像法要》。此外，中国台湾的国立自然科学博物馆和日本长野县的“諏訪湖時の科学館儀象堂”有1:1的水运仪象台复原物。

日本复原的水运仪象台内部

@Seiko