四大發(fā)明分別是：指南針，火藥，造紙術(shù)，印刷術(shù) 。一、火藥的發(fā)明火藥是中國古代煉丹家在煉丹過程中發(fā)明的。人類最早使用的火藥是黑火藥，它是我國勞動(dòng)人民在一千多年前發(fā)明的。它的發(fā)明，聞名于世，被稱為我國古代科技的四大發(fā)明之一，在化學(xué)史上占有重要的地位。 火藥的最主要成分是作為氧化劑的硝石。成書于秦漢之際的《神農(nóng)本草經(jīng)》中已把硝石列為上品藥，即在此之前已經(jīng)具備了發(fā)明火藥的物質(zhì)基礎(chǔ)。秦漢之際也是煉丹術(shù)開始盛行之時(shí)，方士們?yōu)榱藷捴葡傻っ钏?，把各類藥物彼此配合燒煉。五金、八石（各種礦物藥）、三黃（硫磺、雄黃、雌黃）、汞和硝石都是煉丹的常用藥物。其中汞與三黃合煉而得丹砂是煉丹家們的得意之作。但若用硝石與三黃共煉必將燃燒爆炸，因此導(dǎo)致火藥的發(fā)明。就在火藥發(fā)明之后，也曾被引入藥類，《本草綱目》中，說火藥能治瘡癬、殺蟲、辟濕氣、瘟疫。更重要的原因是火藥的發(fā)明來自制丹配藥的實(shí)踐中。 火藥觸火即燃，在較密閉的容器中，還會(huì)發(fā)生爆炸，其化學(xué)反應(yīng)式近于：2KNO3 + 3C + S = N2(+ 3CO2 (+ K2S + 169千卡，還有少許CO、K2CO3 、KSO4，體積很小的火藥，燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的氣體和熱量，體積突然膨大，增至幾千倍，因而在密閉的容器中，會(huì)爆炸，同時(shí)因產(chǎn)生K2S等固體產(chǎn)物，并加雜著未完全燃燒的炭末，所以能看到冒黑煙。 火藥燃燒爆炸的原理，現(xiàn)在的人們不難理解，但在古代，這卻一直是個(gè)謎，現(xiàn)在人們制取火藥也很容易，民間流傳的“一硝二磺三木炭”，就是火藥的簡(jiǎn)易配方。這方法也不知?dú)v經(jīng)了多少年代，勞動(dòng)人民付出多少血汗，才摸索總結(jié)出來。火藥的發(fā)明是我國古代勞動(dòng)人民辛勤勞動(dòng)的成果，它又是隨著生產(chǎn)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步而逐漸完善的。 火藥的發(fā)明與煉丹分不開。我國的煉丹家早就接觸過火藥的原料--硝石、硫磺及木炭等物質(zhì)。這些物質(zhì)在混合過程中，稍不小心就會(huì)著燃燒。古人對(duì)組成火藥的三種主要成分的性質(zhì)有個(gè)認(rèn)識(shí)過程。 認(rèn)識(shí)炭、使用炭較早。在商、周，人們已廣泛用木炭來冶煉金屬，明了炭是較木柴更好的燃料。伐薪燒炭，遂成農(nóng)民的一種副業(yè)，硫磺有天然存在，但人們接觸它，較早的是冶煉中逸出的二氧化硫和溫泉中的硫。因?yàn)樗苯拥卮碳と藗兊母泄?，就在這種接觸中，逐漸認(rèn)識(shí)硫的一些性能，除了了解它對(duì)某些皮膚病有特別的療效外，還認(rèn)識(shí)到硫的一些化學(xué)性質(zhì)。特別是認(rèn)識(shí)到硫與汞化合生成硫化汞，與天然品接近。這種性質(zhì)很受從事煉丹的方士的器重，在他們妄圖用汞煉制“金液”、“還丹”的過程中，常使用硫，在這種活動(dòng)中，進(jìn)一步了解到硫含有猛毒，著火易飛，很難“擒制”。 怎樣使其藥性緩和呢？人們采取了所謂的“伏火法”，即將硫與其他易燃物質(zhì)混合加熱或燃燒，使藥性發(fā)生變化的方法，火藥發(fā)明與這種硫磺伏火的實(shí)驗(yàn)有密切關(guān)系。硝的引入是制取火藥的關(guān)鍵，古人掌握最早的硝，大概是年久的墻腳房根下的土硝，隨著生活實(shí)踐，人們認(rèn)識(shí)了硝石，將硝石在赤炭上一試，即現(xiàn)火焰，其化學(xué)反應(yīng)式約為：4KNO3 + 5C = 2K2CO3 + 3CO2 (+ 2N2 (。在這個(gè)反應(yīng)中，硝石是氧化劑，正因?yàn)橄跏幕瘜W(xué)性質(zhì)很活潑，能與許多物質(zhì)發(fā)生作用，所以在煉丹中，常用硝來改變其他藥品的性質(zhì)，就在使用硝石的過程中，人們還掌握了區(qū)別硝石與樸硝（Na2SO4）的方法，南北朝的陶弘景就指出：“以火燒之，紫青煙起，云是真硝石也”。這與近代用焰色反應(yīng)來鑒別KNO3是相似的，人們的這點(diǎn)認(rèn)識(shí)，為爾后的大量采用硝石創(chuàng)造了條件。 對(duì)炭、硫、硝三種物質(zhì)性能的認(rèn)識(shí)，為火藥的發(fā)明準(zhǔn)備了條件。由于醫(yī)藥學(xué)和煉丹活動(dòng)的發(fā)展，至遲在唐代，人們?cè)谑沽蚧欠鸬膶?shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)燃硝石、硫磺、木炭的混合物，會(huì)發(fā)生異常劇烈的燃燒。在《朱家神品丹法》卷五中，轉(zhuǎn)載有唐初醫(yī)藥兼煉丹家孫思邈的“伏硫磺法”。由此記載可見，那時(shí)孫思邈已掌握了硝、硫、炭混合點(diǎn)火會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)的特點(diǎn)，因而注意采取措施，將容器埋入地下，并控制反應(yīng)速度，防范爆炸，這顯然是經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。 有記載，托名西晉鄭思遠(yuǎn)所撰名為《真元妙道要略》的一本煉丹書里，就曾談到：有人將硫磺、硝石、雄黃（As2S3）和蜜合起來一起燒，結(jié)果火焰升起，把臉和手燒壞，而且直沖屋頂，把房子也燒了。這類實(shí)驗(yàn)的多次進(jìn)行，經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，認(rèn)識(shí)的逐步提高，使人們終于掌握了火藥的配制。同類的實(shí)驗(yàn)在唐代中期的《鉛汞甲辰至寶集成》卷二中也有記載，并且記載有關(guān)于失敗的教訓(xùn)，也從而學(xué)會(huì)利用這種混合物的燃燒爆炸性能。二、指南針的發(fā)明古代民間常用薄鐵葉剪裁成魚形，魚的腹部略下凹，像一只小船，磁化后浮在水面，就能指南北。當(dāng)時(shí)以此做為一種游戲。東晉的崔豹在《古今注》中曾提到這種“指南魚”。 北宋時(shí)，曾公亮在《武經(jīng)總要》載有制作和使用指南魚的的方法：“用薄鐵葉剪裁，長(zhǎng)二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對(duì)子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。用時(shí)，置水碗于無風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也?！边@是一種人工磁化的方法，它利用地球磁場(chǎng)使鐵片磁化。即把燒紅的鐵片放置在子午線的方向上。燒紅的鐵片內(nèi)部分子處于比較活動(dòng)的狀態(tài)，使鐵分子順著地球磁場(chǎng)方向排列，達(dá)到磁化的目的。蘸入水中，可把這種排列較快地固定下來，而魚尾略向下傾斜可增大磁化程度。人工磁化方法的發(fā)明，對(duì)指南針的應(yīng)用和發(fā)展起了巨大的作用。在磁學(xué)和地磁學(xué)的發(fā)展史上也是一件大事。北宋的沈括在《夢(mèng)溪筆談》中提到另一種人工磁化的方法：“方家以磁石摩針鋒，則能指南?！卑瓷蚶ǖ恼f法，當(dāng)時(shí)的技術(shù)人員用磁石去摩擦縫衣針，就能使針帶上磁性。從現(xiàn)在的觀點(diǎn)來看，這是一種利用天然磁石的磁場(chǎng)作用，使鋼針內(nèi)部磁疇的排列趨于某一方向，從而使鋼針顯示出磁性的方法。這種方法比地磁法簡(jiǎn)單，而且磁化效果比地磁法好，摩擦法的發(fā)明不但世界最早，而且為有實(shí)用價(jià)值的磁指向器的出現(xiàn)，創(chuàng)造了條件。 沈括還在《夢(mèng)溪筆談》的補(bǔ)筆談中談到了摩擦法磁化時(shí)產(chǎn)生的各種現(xiàn)象：“以磁石摩針鋒，則銳處常指南，亦有指北者，恐石性亦不……，南北相反，理應(yīng)有異，未深考耳?！边@是說，用磁石去摩擦縫衣針后，針鋒有時(shí)指南，也有時(shí)指北。從現(xiàn)在的觀點(diǎn)來看，磁石都有N和S兩個(gè)極，磁化時(shí)縫衣針針鋒的方位不同，則磁化后的指向也就不同。但沈括并不知道這個(gè)道理，他真實(shí)的記錄了這個(gè)現(xiàn)象并坦白承認(rèn)自己沒有做深入思考。以期望后人能進(jìn)一步探討。 關(guān)于磁針的裝置方法，沈括介紹了四種方法： 1.水浮法——將磁針上穿幾根燈心草浮在水面，就可以指示方向。 2.碗唇旋定法——將磁針擱在碗口邊緣，磁針可以旋轉(zhuǎn)，指示方向。 3.指甲旋定法——把磁針擱在手指甲上面由于指甲面光滑，磁針可以旋轉(zhuǎn)自如，指示方向。 4.縷懸法——在磁針中部涂一些蠟，粘一根蠶絲，掛在沒有風(fēng)的地方，就可以指示方向了。 沈括還對(duì)四種方法做了比較，他指出，水浮法的最大缺點(diǎn)，水面容易晃動(dòng)影響測(cè)量結(jié)果。碗唇旋定法和指甲旋定法，由于摩擦力小，轉(zhuǎn)動(dòng)很靈活，但容易掉落。沈括比較推重的是縷懸法，他認(rèn)為這是比較理想而又切實(shí)可行的方法。事實(shí)上沈括指出的四種方法已經(jīng)歸納了迄今為止指南針裝置的兩大體系——水針和旱針。 《夢(mèng)溪筆談》是沈括(1031—1095年)所著的有關(guān)我國古代科學(xué)技術(shù)的著作，書中談到磁學(xué)和指南針的一些問題。 南宋陳元靚在《事林廣記》中介紹了另一類指南魚和指南龜?shù)闹谱鞣椒?。這種指南魚與《武經(jīng)總要》一書記載的不一樣，是用木頭刻成魚形，有手指那么大，木魚腹中置入一塊天然磁鐵，磁鐵的S極指向魚頭，用蠟封好后，從魚口插入一根針，就成為指南魚。將其浮于水面，魚頭指南，這也是水針的一類。 指南龜是當(dāng)時(shí)流行的一種新裝置，將一塊天然磁石放置在木刻龜?shù)母箖?nèi)，在木龜腹下方挖一光滑的小孔，對(duì)準(zhǔn)并放置在直立于木板上的頂端尖滑的竹釘上，這樣木龜就被放置在一個(gè)固定的、可以自由旋轉(zhuǎn)的支點(diǎn)上了。由于支點(diǎn)處摩擦力很小，木龜可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)指南。當(dāng)時(shí)它并沒有用于航海指向，而用于幻術(shù)。但是這就是后來出現(xiàn)的旱羅盤的先聲。 指南龜發(fā)明年代不晚于1325年。木塊刻成龜型，龜腹部中心嵌以磁體，木龜安放在尖狀立拄上，靜止時(shí)首尾分指南北。三、造紙術(shù)的發(fā)明紙，作為書寫材料，并不是從來就有的。相傳中國上古曾有過結(jié)繩記事的時(shí)代。那時(shí)，連文字也不曾有，更談不上書寫文字的紙張了。 商、周時(shí)代文字已經(jīng)成熟，可還不曾有紙，我們的祖先就想出了各種記錄文字的辦法。他們起初是把文字鐫刻在烏龜?shù)母辜缀团?、羊等?dòng)物的胛骨上。刻在這些甲骨上的文字，叫做“甲骨文”； 春秋戰(zhàn)國以后，我們的祖先又開始使用新的記載文字的材料——簡(jiǎn)牘和縑帛。簡(jiǎn)牘是幾種東西的總稱。把竹子、木頭劈成狹長(zhǎng)的小片，再將表面刮削平滑，這種用作寫字的狹長(zhǎng)的竹片或木條叫做竹簡(jiǎn)或木簡(jiǎn)，較寬的竹片或木板叫做竹牘或木牘。簡(jiǎn)的長(zhǎng)度不一樣，有的三尺長(zhǎng)，有的只有五寸。經(jīng)書和法律，一般寫在二尺四寸長(zhǎng)的簡(jiǎn)上。寫信的簡(jiǎn)長(zhǎng)一尺，所以古人又把信稱為“尺牘”。 我國最早的紙是用什么原料做成的呢？東漢的許慎在他編寫的我國第一部條理清楚、體系分明的字典《說文解字》里談到“紙”的字源時(shí)說：“紙”從系旁。這說明，早期的紙與絲有關(guān)。 我們的祖先很早就植桑養(yǎng)蠶，繅絲織絹了。商代以前就種桑養(yǎng)蠶，到西漢前期，絲織在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中已占有重要的地位。當(dāng)時(shí)，一般用較好的蠶繭抽絲織綢，用剩下的較差的繭子做絲綿。做絲綿時(shí)，先把繭子煮爛、洗凈，然后放到浸沒在水中的蔑席上捶打，直到繭衣被捶得稀爛，接著把連成一片的絲綿取出，這就是漂絮。漂絮之后，蔑席上還必然會(huì)有一層互相交織的亂絲貼著，漂絮的次數(shù)多了，當(dāng)把蔑席涼干后，它上面就附著一層由殘絮形成的薄薄的絲片。人們把它剝下來，發(fā)現(xiàn)它同縑帛相近，可用作書寫，古人稱之為“赫蹄”。 赫蹄的制作方法給了人們很大啟發(fā)，是我國古代造紙術(shù)的重要開端。經(jīng)過不斷的摸索、試驗(yàn)，終于成功地發(fā)明了植物纖維紙。 植物纖維紙是在什么時(shí)候發(fā)明的呢？古籍上沒有記載，但是在1933年，我國考古工作者在新疆羅布淖爾的漢代烽燧遺址中，發(fā)現(xiàn)了一片西漢宣帝時(shí)期的麻紙。1957年在陜西西安灞橋一座西漢墓葬里，發(fā)現(xiàn)了一疊麻紙，經(jīng)揭剝分成80多片。因出土于灞橋，故稱“灞橋紙”。其年代為公元前2世紀(jì)。這是目前發(fā)現(xiàn)最早的植物纖維紙。 伴隨著生產(chǎn)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，我們的祖先不斷地在尋找新的書寫材料，最終發(fā)明了理想的書寫材料，那就是紙。我國造紙術(shù)的發(fā)明，長(zhǎng)時(shí)期以來一般都?xì)w功于東漢時(shí)的宦官蔡倫，這是因?yàn)椤逗鬂h書·蔡倫傳》明確記載：“自古書契多編竹簡(jiǎn)，其用縑帛者謂之紙，縑貴而簡(jiǎn)重，并不便于人。倫乃造意，用樹膚、麻頭及蔽布、魚網(wǎng)以為紙。元興元年奏上之。帝善其能，自是莫不以用焉，故天下咸稱‘蔡倫紙’?！? 但比《后漢書》成書更早的《東觀漢記·蔡倫傳》中，則沒有說明紙是蔡倫發(fā)明的?！稘h記》的作者劉珍、延篤等人都是蔡倫的同時(shí)代人，在唐以前《東觀漢記》一直被視為東漢的“正史”。其中只是說“蔡倫典尚方作紙”，就是說當(dāng)蔡倫任尚方令時(shí)曾主管尚方（宮廷御用的手工作坊）造紙。盡管《東觀漢記》在宋代以后已散佚，但從隋、唐人的類書引語中仍可查得其原文。由此可見，“蔡倫發(fā)明造紙”的提法不是很確切的。 本世紀(jì)以來的考古發(fā)掘?qū)嵺`，也動(dòng)搖了蔡倫發(fā)明紙的說法。首先是1933年，黃文弼先生在新疆羅布泊漢代烽燧遺址上發(fā)現(xiàn)了一片古紙，這是一片麻紙，長(zhǎng)約40厘米，寬約100厘米，紙面可清晰見到麻，在同一遺址中還發(fā)現(xiàn)有漢元帝元年（公元前48年）的木簡(jiǎn)，因此，該紙當(dāng)為西漢時(shí)期的文物，比“蔡倫造紙”的公元105年早了一個(gè)半世紀(jì)。 其后是1957年，在西安市東郊的灞橋再次出土了比新疆羅布泊的紙還要早約一個(gè)世紀(jì)的西漢初期的古紙，而且有數(shù)十張之多，經(jīng)科技史專家潘吉星教授的研究和分析化驗(yàn)，確認(rèn)此灞橋紙主要由大麻和少量苧麻的纖維所制成。因而是世界現(xiàn)存最早的植物纖維紙。1973-1974年在甘肅省居延的肩水金關(guān)漢代遺址中，再一次出土了公元前一世紀(jì)時(shí)的麻紙。這些事實(shí)有力地說明了，早在西漢我國勞動(dòng)人民就已經(jīng)發(fā)明了造紙術(shù)。 以上事實(shí)有力地說明了，早在公元前2世紀(jì)的西漢初期，我國已發(fā)明了造紙術(shù)，而且當(dāng)時(shí)造出的紙已經(jīng)可以用于書寫文字和繪圖，這比蔡倫早了兩三百年。但早期的西漢麻紙比較粗糙，不便書寫，到了公元后二世紀(jì)，在宮廷中任尚方令的蔡倫，憑借充足的人力和物力監(jiān)制并組織產(chǎn)生了一批良紙。蔡倫雖然不是紙的最早發(fā)明者，但他改進(jìn)造紙技術(shù)，擴(kuò)大了造紙?jiān)系膩碓?，把樹皮、破布、麻頭和魚網(wǎng)這些廢棄物品都充分利用起來，降低了紙的成本，尤其是用樹皮做原漿紙的先聲。從這個(gè)意義上說，蔡倫在歷史上是作為紙的監(jiān)制者和推廣者的身份出現(xiàn)的，他的這些活動(dòng)對(duì)造紙術(shù)的發(fā)展是有利的，因此也不應(yīng)完全抹殺他的作用。 漢代的麻紙制造過程，根據(jù)科學(xué)工作者的模擬實(shí)驗(yàn)，大體是將麻頭、破布等材料先用水浸濕，使之潤(rùn)脹，再用斧頭剁碎，放在水中洗去污泥、雜質(zhì)，然后用草木灰浸透并蒸煮，原留于造紙?jiān)现械哪舅?、果膠、色素、油脂等雜質(zhì)可進(jìn)一步除去，再加以清水洗滌后，即送去舂搗，搗碎后的纖維在水槽中配成懸浮的漿液，再用濾水的紙模撈取紙漿，濾水后曬干即為成品紙，經(jīng)必要的砑光，即可用于書寫。 由此可見，漢代的勞動(dòng)人民用這些簡(jiǎn)陋的設(shè)備，從紡織品廢料中制成植物纖維紙。確實(shí)是件了不起的事，是化學(xué)史上一項(xiàng)重要發(fā)明。四、印刷術(shù)的發(fā)明中國是世界上最早發(fā)明印刷術(shù)的國家。印刷術(shù)是按照或圖畫原稿制成印刷品的技術(shù)。早期的印刷是把圖文刻在木板上用水墨印刷的，現(xiàn)在的木版水印畫仍用此法，統(tǒng)稱“刻版印刷術(shù)”( 亦稱“雕版印刷術(shù)”) 刻版印刷的前身是公元前流行的印章捺印和后來出現(xiàn)的拓印碑石等。造紙和制墨等生產(chǎn)技術(shù)出現(xiàn)之后, 逐漸發(fā)明了刻版印刷技術(shù)。刻版印刷術(shù)最早出現(xiàn)在洛陽。在造紙術(shù)改進(jìn)60年后出現(xiàn)刻版印刷術(shù)，僅供皇帝御用。 印刷術(shù)的發(fā)明和發(fā)展,經(jīng)歷了很長(zhǎng)的歷史時(shí)期。六世紀(jì)下半葉到七世紀(jì)上半葉的隋唐之際，另出現(xiàn)了雕版印刷。開始時(shí)主要在民間使用,特別是用于家家歷書、農(nóng)書和醫(yī)書等印刷。到了九世紀(jì),出現(xiàn)了大規(guī)模的雕版印刷。北宋慶歷年間（公元1041-1048年）平民畢升發(fā)明了泥活字,開始了活字印刷的歷史。元大德二年（公元1298年）左右,王禎創(chuàng)造了木活字,并發(fā)明了能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的排字盤,這一創(chuàng)造把活字印刷提高到一個(gè)新的水平。中國古代的印刷工匠還創(chuàng)造了套色印刷。此外,用銅墻鐵壁、錫、鉛等金屬活字的印刷也很發(fā)達(dá)。 世界上現(xiàn)存最早的印刷物是唐咸通九年(公元868年)印制的《金剛經(jīng)》,它全長(zhǎng)4877毫米,高244毫米,由七張粘連起來而成一卷。卷首有釋迦說法圖,末有“咸通九年四月十五日王(王+介)為二親敬造普施”題記。原藏于甘肅敦煌千佛洞,1899年發(fā)現(xiàn)。1907年為英國人斯坦因盜去，現(xiàn)存于英國倫敦不列顛博物館)。 隋唐時(shí)，我國的刻版印刷術(shù)先后傳至朝鮮、日本、越南、菲律賓、伊朗等國,后又輾轉(zhuǎn)傳至非洲和歐洲。直至公元14世紀(jì)末，歐洲始有刻版印制品。