天工開物：科技的百科全書

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時報文化出版的《中國歷代經典寶庫》已經陪大家走過三十多個年頭。無論是早期的紅底燙金精裝「典藏版」，還是50開大的「袖珍版」口袋書，或是25開的平裝「普及版」，都深得各層級讀者的喜愛，多年來不斷再版、複印、流傳。寶庫裡的典籍，也在時代的巨變洪流之中，擎著明燈，屹立不搖，引領莘莘學子走進經典殿堂。

這套經典寶庫能夠誕生，必須感謝許多幕後英雄。尤其是推手之一的高信疆先生，他秉持為中華文化傳承，為古代經典賦予新時代精神的使命，邀請五、六十位專家學者共同完成這套鉅作。...

一、金屬器物的文化
金屬器物的發明、使用，是人類文明史最重要的里程碑之一。讀歷史，我們也慣於以器物使用的進展作爲文化的段落，像石器時代、青銅器時代、鐵器時代。器物的進步，提高了生產力，推動了各種社會活動。例如鐵器的發明，劃時代地改變了人類求生存的力量。當人類掌握了堅固、銳利的鐵器，便可以揚棄那粗糙、易碎的石器，也便可以超越了那稀有珍貴、卻較軟弱的銅器。鐵器它幫助人類擴大了耕種面積，開闢了更多可供居住的土地；它使人們在手工藝作活、莊稼……都做得更迅速、更有效率，也使人類更有信心地面對大自然和人類社會的各種挑戰！
宋應星記錄這些金屬原料、器物，份量很重，一共分三個專篇敘述：
第十四篇〈五金〉──記金、銀、銅、鐵、錫、鉛等金屬原料的採煉。
第八篇〈冶鑄〉──記金屬（銅鐵爲主）的鑄造技術，計有：鼎、鍾、釜、像（銅）、砲、鏡、錢。
第十篇〈錘鍛〉──記鋼鐵的鍛造技術，計有：斤斧、鋤鎛、鎈、錐、鋸、鉋、鑿、錨、針。
經過整理和勾要，我們以下列四個子題來說明：
1.鋼鐵的冶煉。
2.鐵的鑄造、鍛造技術。
3.銅的冶煉和鑄造技術。
4.銀的冶煉。

二、鋼鐵的冶煉
中國煉鐵、冶鐵器的起源很早。從近年來在鐵幕內大量出土的鐵器，可以確認，至遲在戰國時代，已是一個生鐵鑄造、和熟鐵鋼鐵鍛造並存的時代。這是煉鐵、鑄鐵、鍛鐵技術已趨於成熟的時代！這是中國人可以引以爲傲的科技成就！
戰國時代的冶煉鋼鐵技術，已脫離了早期幼稚的水平、軟弱的成品，農夫和士兵普遍地使用各種鐵工具和鐵兵器。在這個商業發達商人活躍的時代，既然鐵器已受廣泛的使用，那末，應有以冶鐵致富的商人。果然，我們可以在史記裡，生動地找到幾位「鋼鐵大王」。在貨殖列傳裡，太史公「略道當世千里之中，賢人所以富者，令後世得以觀擇焉」，所以一共舉了八位當代的工商業大亨，八位中有四位卓鄭孔邴氏是鋼鐵大王，竟占有一半，其中如卓氏「鐵山鼓鑄，運籌策，傾滇蜀之民……僮僕千人，擬於人君」。這不可以謂之湊巧，而正可以看出戰國時代至漢初冶鐵業的蓬勃。
根據《山海經》（這部書被認爲是戰國時代的作品），前五卷〈五藏山經〉的記載，當時的中國人所知道的產鐵礦處，一共有三十四個地方。整理這些產鐵處，即可發現，它們大多位於落後的陝西、山西、河南、湖北四省；也就是當時秦、魏、韓、趙、楚所轄的地域。其中又以在韓楚兩國的爲多。在當時，秦昭王就曾說：「吾聞楚之鐵劍利」，到了漢初人們還懷念「強楚勁韓」。然而，「勁韓」是六國中第一個向秦豎白旗屈服的，「強楚」在楚懷王時代被秦三敗於丹陽、藍田、召陵，後來甚至懷王也給誘虜到咸陽。在秦國初滅韓之前，已併有陝西全部、山西之一部、河南湖北之西部、川蜀全地，這片廣闊幅員，提供了普遍製造鐵器的資源，未始不是嬴秦致勝的一個原因。
到了漢代，雄才大略的漢武帝，在全國重要的產鐵地方，設置了「鐵官」以督責努力開發鐵礦。依據《漢書˙地理誌》所記，到武帝元狩四年（西元前一一九年）的時候，全國共有四十九處設立了「鐵官」。當時，兵器、農具、工具、以及漢武帝啟用的「五銖錢」，都需要爲數不少的鐵。到漢元帝即位（西元之前四八年）的時候，御吏大夫貢禹上書提到：鐵官和鑄錢官所用以採煉銅鐵礦的「卒徒」多達十萬人眾。可見其規模之一斑。著名的《鹽鐵論》大辯論，鐵是主角之一。
至遲在漢之前，中國人冶煉鋼鐵的技術，已經燦然大備，許多傲視世界的發明，如冶鍛鑄鐵的技術、水力鼓風爐、百煉鋼……都被廣泛使用。
今天我們知道，鐵在自然界中分布非常廣泛，蘊藏很是豐富，是組成地殼的主要份子。但是和銅以自然形態存在的情形相反，純鐵在地球上幾乎是找不到的。而且，鐵成分很容易氧化生銹，只有與鎳混合的鐵才能免於腐銹，而含鎳的自然鐵又極爲稀少。所以，人類自發現鐵之爲物後，需要經過相當經驗、知識的累積，才能夠從各種鐵礦石中尋思提煉冶製的方法。
我們又知道，天然的鐵礦石，如含鐵量最多的赤鐵礦，經過還原（通常都以木炭作還原劑，並藉以爲燃燒料），會得到含碳量較低（在百分之○‧五以下），熔點較高（攝氏一五三九度），含有較多雜質，比較軟，適合鍛打的熟鐵，又稱鍛鐵、銑鐵；如果提到較高的溫度，達到比較融熔的狀態，熔化更多的碳，便成爲硬度較大，含碳量介於百分之二‧五到四‧五之間，熔點較低（約攝氏一一三○度），適合於型鑄的生鐵，又稱鑄鐵。最堅硬的鋼鐵則是含碳量在百分之○‧五到一‧七之間，並且沒有渣滓的。
從含鐵礦石煉得生鐵或熟鐵，這是冶鐵技術的第一步。宋應星把鐵礦石粗略地分成土錠、碎砂二種，前者分布於西北甘肅、東南泉郡，後者分布於燕京遵化、山西平陽。
稍稍前期的青銅器時代，冶銅需要有溫度能達到一千度以上的冶爐，因爲銅的熔點約一千度。鐵的熔點更高，需要把冶鐵爐的溫度提得更高（一般要在一千三百度以上），才能把鐵礦石熔化出鐵水，因此非要藉鼓風設備，才能不斷地把充分的空氣壓進冶鐵爐裡，促進炭的燃燒，以提高溫度。所以，高功能的高溫冶鐵爐，和一套有效率的鼓風設備是製鐵技術首要的工具。《天工開物》裡，記述高溫的冶鐵爐是這樣的：「用鹽做造，和泥砌成，爐多依傍著山穴爲之。鹽泥外周圍以巨木匡圍起來。鹽泥的塑造，往往要窮數月之功夫，不容有絲毫疏忽，因爲鹽泥若有罅，則全功盡棄。」
接著，說冶煉的經過：「一座冶爐約可載礦土二千餘斤，由四至六人推動風箱鼓風，以硬木柴或煤炭、或木炭爲燃料。礦土化成鐵水後，從爐腰部原留的一小孔流出。每天約早晨六點，下午一點，可出鐵一陀。若是造生鐵用以冶鑄者，就像這樣讓它流成長條圓塊便可。若是造熟鐵，則當生鐵流出時，將鐵水引入爐前低下的一個小塘，數人執柳木棍在旁，一人將汚潮泥曬乾篩成的粉粒很快地撒入後，眾人以柳棍疾攪，即時炒成熟鐵。柳棍每炒一次，燒折二三寸，再用，則又更之。」
這柳棍含碳，是用來作還原劑的。
然後，宋應星說到了「灌鋼」，這是中國人在鋼鐵技術上偉大的發明。所謂「灌鋼」是這樣的：「用熟鐵打成薄片，如指頭闊，長約寸半，以鐵片束包尖緊。將生鐵安置其中，然後以破草覆蓋，泥塗其底下，爐火燒旺鼓足，火力到達一定程度時，則生鐵熔化，淋滲入熟鐵之中，兩情投合。取出加錘，再煉再錘，不一而足，此俗名團鋼，亦曰灌鋼。」
以往，煉鋼是件要花很多力量的事，用熟鐵塊不斷地錘鍛，一直鍛到斤兩不減，才能得到鋼，所謂百煉成鋼，就是如此。這原理是這樣的：熟鐵以炭爲燃料兼還原劑，加熱至一千度左右，碳成份便滲透到熟鐵塊的表面，經過反覆的錘鍛，表面的碳粉便均勻地混雜入熟鐵金屬組織的許多層中，同時也把組織內的熔渣打擊出去。每鍛一次，碳份就增加而重量就減少。一直到斤兩不減，鋼便練成了。
而「灌鋼法」，節省了煉鋼的精力，縮短了煉鋼的過程。因爲，被高溫熔化的生鐵液，直接灌入未經鍛打、有海綿空隙的熟鐵料中，不但能使生鐵內含量較多的碳，不必經過反覆錘打而迅速地滲入熟鐵；而且，高溫產生的強烈氧化作用，又能把熟鐵內的渣滓迅速地氧化除去。所得的鐵，不但解決了生產上的諸多困難（費時、費力、量少），鋼質較鍛打的更均勻。
「灌鋼法」不是《天工開物》裡首創。這是南北朝時代，東魏北齊之交的綦毌懷文所發明的。《北齊書》卷四十九列傳第四十一，記載他「造宿鐵刀，其法燒生鐵精以重柔鋌，數宿則成鋼……」。灌鋼的技術，在南北朝的典籍中，尚多所見，可見得當時即已普遍。
一直要到十九世紀，歐洲近代的「★堝煉鋼法」出現，一千四百年前中國古老的「灌鋼」技術才相形失色。

三、鐵的鑄造、鍛造技術
中國的鑄造技術源遠流長，如果只以器物的眼光去看，中國的科技信史，以殷商的鑄銅技術爲起始。不但今天故宮博物館裡，存列著爲數尚不少的青銅鑄器；民國初年中央研究院進行的安陽殷墟發掘，尚發現了當時的煉鋼作坊，對了解當時的鑄銅技術及其過程極有幫助。
以鑄銅技術爲基礎而發展鑄鐵技術，是很自然、是一脈相承的。
《左傳˙昭公二十九年》（西元前五一三年）曾記錄：晉國的趙鞅荀寅領了軍隊，在汝水邊築城，向國內征收了「一鼓鐵」的軍賦，以「鑄刑鼎」，鼎上著有范宣子的〈刑書〉。這是文獻上所能見之中國最早的鑄鐵事件。
比較軟、有延展性、熔點較高的熟鐵，只要相當溫度能夠將它燒紅，便可錘鍛成堅銳的熟鐵製器。而比較硬、脆、含碳量較高的生鐵，雖然熔點比熟鐵低了三百多度，但性質適合於鑄製的生鐵，要把它在高溫下熔化成鐵液，倒進鑄笵（鑄模）以成型，這個高溫技術的熱處理問題，是比較不容易解決。也就是說，鑄鐵對高溫的要求過於鍛鐵。因此，世界各地區古文明的鐵器發展，幾乎都是先由鍛鐵技術，再演進到鑄鐵技術。依這個演進模式，我們可以合理地推斷：由見諸於出土的戰國時代鑄鐵器所呈現的技術水平，絕不是剛發明鑄鐵技術所能有的。因此，遠在這之前一定還有一段漫長發展的鍛鐵時期。
但是，由另一些文獻記載，及鑄鐵器普遍出土，河南興隆鑄鐵場址的發現，及最重要的一個原因：中國的鑄鐵技術是承續著陶鑄、和高度水準的鑄銅技術一脈發展的。由這些證據，也有一部分學者認爲，中國鐵器的發展，是和其他古文明地區適得其反的，鑄鐵發展在先，鍛鐵在後。
在這截然不同的兩種看法外，又有部分學者折衷地認爲：鑄鐵在中國是二元發展的。大致上，北方是屬鑄鐵系統，南方則爲鍛鐵系統。
如果不爲起源論爭議，我們即可以得到一個結論，就是：戰國時代，不論是鑄、鍛鐵器都已普遍使用，並有相當程度的鍛鑄技術。
到了明代，《天工開物》記鑄造（銅鐵）技術，已將之分工細化，分別詳細描述鼎、鍾、釜、像、砲、錢各種鑄件的製造技術。
傳統的鑄造技術，大致要經過幾道手續：
1.先製原型；
2.用原型翻成鑄模；
3.熔解合金，注入鑄模；
4.鐵液（合金）凝固後，拆模清掃表面；
5.表面加工處理。
我們從《天工開物》舉出鑄鍾爲例，印證這些過程：「鑄造萬鈞（斤）鍾，要掘坑深丈餘尺，乾燥之如爲房舍。另外埏泥作原型，質料爲石灰和三合土。原型乾燥後，以牛油、黃蠟塗附其上厚數寸，其中油占百分之八十，蠟占百分之二十。其上要有遮蔽，以防晴雨，讓油蠟穩定後，雕鏤書文、物象，絲髮成就。然後舂極細土篩之，和炭末和成泥，漸塗墁於其上，厚至數寸。讓內外透體乾堅。之後，外加火力，把中間那層油蠟熔化，由一個口流淨盡。再由此倒入熔化的鐵液，塡補中間空處，便將鍾鼎鑄成矣……」
這不但是一口鍾，而且是一口大鍾，過程並不容易。
鑄料很少用單一的純金屬，大都是合金，合金的比例，關係鑄品是否符合品質要求。中國高度發展的鑄鐵（銅）技術，當然是包括高度的合金知識，因此，能依各種不同用途要求的鑄物，而選定合金比例。
像鑄一口二萬斤的銅鍾，《天工開物》裡說：須費銅四萬四千斤，錫四千斤，金五十兩，銀一百二十兩。

一、金屬器物的文化
金屬器物的發明、使用，是人類文明史最重要的里程碑之一。讀歷史，我們也慣於以器物使用的進展作爲文化的段落，像石器時代、青銅器時代、鐵器時代。器物的進步，提高了生產力，推動了各種社會活動。例如鐵器的發明，劃時代地改變了人類求生存的力量。當人類掌握了堅固、銳利的鐵器，便可以揚棄那粗糙、易碎的石器，也便可以超越了那稀有珍貴、卻較軟弱的銅器。鐵器它幫助人類擴大了耕種面積，開闢了更多可供居住的土地；它使人們在手工藝作活、莊稼……都做得更迅速、更有效率，也使人類更有信心地面對大自然和人類社會...

天工開物◆科技的百科全書　　　　　　　　　　　
出版的話
【導讀】
第一章 來認識中國傳統科學與技術 （一）小引 （二）你曾聽過有一本古書叫《天工開物》的嗎？ （三）模糊的典範 （四）中國有沒有科學？ （五）中國古代的科學 （六）中國古代的科學家

第二章　來認識《天工開物》 （一）初識《天工開物》 （二）《天工開物》回娘家 （三）宋應星這個人

第三章　來認識《天工開物》的時代背景 （一）前言 （二）黑暗的政治 （三）政經分離的社會 （四）經濟文化重心的南移 （五）經濟因素下傳統農業社會的初步瓦解 （六）《天工開物》的社會背景 （七）結語

第四章　《天工開物》裡的農業技術 （一）大地之戀 （二）《天工開物》雖不是農書，但三分之一的內容在講農事 （三）中國最早的農業生產統計 （四）種稻 （五）種麥及其他 1.麥的裁培 2.麥的田間管理及病蟲害防治 3.關於其他作物 （六）穀類的加工調製 （七）主要的經濟物——甘蔗

第五章　《天工開物》裡的食品製造技術 （一）明代的食生活 （二）製鹽 （三）製糖 （四）製油 （五）製麴造酒

第六章　《天工開物》裡的金屬冶煉技術 （一）金屬器物的文化 （二）鋼鐵的冶煉 （三）鐵的鑄造．鍛造技術 （四）銅的冶煉和鍛造 （五）銀的冶煉

第七章　《天工開物》裡的染織技術 （一）小引 （二）絲織技術的起源 （三）絲織技術的發展 （四）中西絲路 （五）天工開物所記載桑蠶絲織 （六）天工開物所記載特殊的絲織品 （七）天工開物記載其他種類的衣料 （八）毛織 （九）染色技術 （十）結語

第八章　《天工開物》裡的陶瓷技術 （一）小引 （二）陶器發展簡史 （三）瓷器源於陶器 （四）瓷器的進一步發展 （五）施「釉」原理 （六）宋瓷 （七）由《天工開物》所見的明代製瓷技術 （八）瓷器的外傳

第九章　《天工開物》裡的造紙技術 （一）小引 （二）早期的書寫材料 （三）簡牘與縑帛 （四）製紙的源起 （五）蔡倫改進造紙技術 （六）造紙術的進一步發展 （七）天工開物中的造紙技術 （八）造紙術的外傳

第十章　《天工開物》裡的造船技術 （一）小引 （二）古代的造船和航海 （三）鄭和下西洋 （四）漕舫 （五）海舟 （六）造車

第十一章　《天工開物》裡的兵器和火藥技術 （一）明代的武器 （二）弓與矢 （三）弩 （四）火藥的發明和應用 （五）火藥武器的發展 （六）火藥、火藥武器的外傳和交流 附錄一　思慮與悲憫﹕宋應星──合理社會的追尋者 盧建榮 附錄二　野議
附錄三　原典精選

天工開物◆科技的百科全書　　　　　　　　　　　
出版的話
【導讀】
第一章 來認識中國傳統科學與技術 （一）小引 （二）你曾聽過有一本古書叫《天工開物》的嗎？ （三）模糊的典範 （四）中國有沒有科學？ （五）中國古代的科學 （六）中國古代的科學家

第二章　來認識《天工開物》 （一）初識《天工開物》 （二）《天工開物》回娘家 （三）宋應星這個人

第三章　來認識《天工開物》的時代背景 （一）前言 （二）黑暗的政治 （三）政經分離的社會 （四）經濟文化重心的南移 （五）經濟因素下傳統農業社會的初步瓦解 （六）《...