文物中，古代科技的“高光时刻”

□新时报记者 徐敏

一件印记着历史沧桑的文物呈现在博物馆，人们最多想到的是什么？是它背后厚重的历史文化、古人手工技艺的精湛，也是一个时代民俗民风的映射。当然，文物的价值远不只是历史和艺术，还隐藏着当时的“高科技”。

《文物中的物理》《文物中的化学》是后浪出版公司近期出版的一套文物科普图书，分别由中国科学院科学史学家戴念祖和研究员周嘉华所著。当古代文物遇见现代科学，就能真正理解缘何该文物能出现在这一时期，以及该文物蕴藏了怎样的科技原理、承载了古人怎样的智慧，从而知道它为何至今仍被人们赞叹不已。

汉代画像石中的简单机械原理

在我国科学史的发展中，汉代是一个高峰期。表征这个时代科学发展的，不仅有成熟的钢铁冶炼技术、耕犁的发明和应用等，还有大量的雕刻在砖或石板上的图画（即画像石和画像砖），其绘画内容包括了许多手工业和农业生产的场面。尤其是，当时许多先进的生产工具和生活用器都逼真描画于这些石块或砖上。

《文物中的物理》一书中分析了汉代画像石中所体现的近代物理学中被称为简单机械的图画。所谓简单机械，就是指它们能够改变力的大小，或改变作用力的方向。例如，杠杆、滑轮、轮轴、尖劈、斜面和螺旋，都属于简单机械。除了螺旋之外，汉代画像石描绘了其他所有的简单机械。

桔槔是一种利用杠杆原理汲水的工具。汉代画像石中有多幅表现庖厨内容的图画。屠宰、清洗和蒸煮加工食物都要大量用水，因此，与庖厨有关的许多绘画中都有桔槔汲水的画面。从画面上看，在木柱或木架上捆扎一条横木，横木的一端悬吊提水桶，另一端捆扎一石块，这就制成了桔槔。“横木的支点到水桶一端，相当于力臂（动力臂）；支点到另一端相当于重臂（阻力臂）。其科学性是，力臂稍长于重臂。”书中如此分析其物理学原理，这样，当不汲水时，重臂端力矩大于力臂端力矩，空桶被悬吊在空中；只有施力于力臂，空桶才能升降。当其降落到井中汲水时，由于力臂长于重臂，人所施力可以小于重臂端石块的重力；当提升满水的水桶时，由于重臂力矩的作用，又可以省力地将水桶提到地面。

滑轮或称滑车，亦见于有庖厨图的画像石之中。在井架上安装一个滑轮，绕过滑轮的绳索一端悬吊水桶，人手或拉或放绳索的另一端，水桶即产生升降。对使用滑轮的极有趣的描绘见于山东嘉祥武梁祠画像石“泗水取鼎”图。该故事出自《史记·秦始皇本纪》。传说大禹造了9个巨鼎，成为权力的象征。周赧王十九年（公元前296年），秦昭王从周王室取走了九鼎，不幸途中有一鼎“飞”入泗水河。后来，秦始皇命千人入泗水打捞宝鼎。画像石描绘的正是这一打捞景象：河边两岸各有3人前后接续地拉动绳索，脚蹬斜坡，弯腰使劲；绳索的一端通过滑轮连在铁鼎上；上下左右，有许多人围观；当宝鼎刚被拉出水面时，不料一条龙冲出，咬断绳索。画面生动地刻画了绳索断裂的刹那，两边拉绳人往后仰倒的情景。

这幅画像石也反映了古人朴素的物理学思维。

工程力学专家怀丙打捞万斤铁牛

在山西永济境内黄河边上，出土了一只铁牛。铁牛座下连着8根铁柱，全部重量约10吨。这里就是历史上著名的蒲津桥所在，该桥横跨黄河，连接秦晋，以上千艘船作为桥梁，以竹索巨缆维系船舶。唐人张说（667—730）《蒲津桥赞》和其他典籍记载，在唐开元十二年（724年）修理该桥时，增设如此大的铁牛8个于两岸，以维系巨缆，避免

洪水冲毁浮桥。

这只出土的铁牛历尽1300年的风雨，身上铁锈斑驳，然其雄风犹在。颇有趣的是，铁牛不仅是我国最早创制的打捞船的见证者，也是打捞船的受益者。这里不得不提到伟大的工程力学家——僧人怀丙。

在唐开元年间修理蒲津桥后300余年，该桥虽有小修理，但未曾发生彻底毁坏之事。直到宋庆历年间（1041—1048），该桥被特大洪水冲毁，数万斤的铁牛被卷入黄河中。后来朝廷征集能打捞出铁牛的人，僧人怀丙出策打捞。怀丙打捞铁牛的方法，《宋史·僧怀丙传》这样记载：“水暴涨绝梁，牵牛没于河，募能出之者。真定僧怀丙以二大舟实土，夹牛维之，用大木为权衡状钩牛。徐去其土，舟浮牛出。转运使张焘以闻，赐之紫衣。”也就是说，在满载土石的两艘大船间架以巨木梁，木梁中悬挂绳索、铁链、铁钩，绳索或铁钩捆结于河中铁牛身上。然后逐步卸去船上的土石，船比之前更高地浮于水面，铁牛即从河床淤泥之中出来了。再继续搬运铁牛上河岸，诸如运用滑轮等起重装置，就比在河中急流间方便多了。

怀丙所用的物理学原理主要是浮力起重。《宋史·僧怀丙传》述及怀丙平生3件大事，除了打捞铁牛外，他还修理真定十三层浮屠，“不闻斧凿声”而巧妙地更换了该塔中一根已坏的木柱；修理赵州桥，“不役众工”而将其倾斜的桥身扶正。从这些事实看，怀丙是古代伟大的工程力学家。他所创造的浮力起重法，至今仍是机械打捞船的实用方法。

《文物中的物理》还举了另一个古代力学应用典范的建筑：现存世界上最早、最高的一座木塔——山西应县木塔，也是古代材料力学与结构力学辉煌成就的例证。应县木塔整个体系类似于现代高层建筑的“双套筒”式结构，这被认为是建筑中抗震性能最好的一种体系。整体八角形的设计，从力学上看也更合理，所受的风压比四方形要轻，而钝角受力均匀也增加了抗震能力。

这些历尽千年的文物能保存到现在，也映射着科学技术的文明之光。

化妆品和洗涤剂中的化学元素

自古以来，人们的审美大多是“一白遮百丑”，以白为美。为此人们特别是女性致力于美白，使用搽粉或者扑粉的方法使脸色变白。

《文物中的化学》书中谈到，古代女性所用的粉主要是白色的米粉或铅粉。铅粉是一种化学物质，其实是作为白色颜料的碱式碳酸铅。《楚辞·大招》上说：“粉白黛黑，施芳泽只。长袂拂面，善留客止。”可见在战国时期人们已经在搽粉了。粉可以干用，也可以湿用，干用即粉扑，扑于手、面；湿用则先以粉和水，再涂于手、面。魏晋时期，不仅妇女搽粉，男子也有搽粉的，例如曹植、何晏等文人脸上经常涂抹得很白。铅粉这种化学物品作为涂白的化妆品一直沿用到近代，直到近代化学知识传入以后，人们才知晓铅粉被氧化变黑的机理及铅粉对皮肤的损害，铅粉作为化妆品才被慎用。

不仅古人们用的化妆品中有化学物质，洗涤用品中用来去污的成分也有化学物质。人们最早使用的洗涤用品可能是草木灰浸取液，《周礼·考工记》中提到运用草木灰来洗丝，即“以涚水沤其丝”，因为丝在染色之前要洗净。由此推测，当时人们也是采用这种浸取液来洗净衣物。《礼记·内则》有“冠带垢和灰清漱，衣裳垢和灰清浣”的记载，说明洗涤衣冠所用洗涤剂即是草木灰。草木灰水浸液的主要化学成分是碳酸钾和碳酸钠。但人们对天然的碳酸钠可以用作洗涤剂认识较晚，大约直到金、元以后，才用碳酸钠配以淀粉及香料制成石碱，用以洗涤。

古代中国还有一种常用的洗涤剂是猪胰，它含有多种消化酶，可以分解脂肪、蛋白质及淀粉等物质，故有去污作用。古代人们认识到猪胰的去污能力，可能与原始的皮革加工中的油鞣技术有关。澡豆是使用猪胰为原料制作而成的洗涤用品，主要成分是猪胰，和以豆粉及香料而成，经自然干燥后呈块状。这里的猪胰需研磨成糊状，破坏其细胞膜，使消化酶渗出，同时混以豆粉，豆粉中也有皂甙和卵磷脂，可以起泡和乳化，所以具有较好的洗涤效果。不过澡豆的制造成本较高，多为富贵人家所用。

不只是化妆品和洗涤用品，其他文物如唐三彩、中国古代的玻璃、酿酒技术等等，均隐藏着当时看来是高科技的化学原理。作者将化学的专业知识通俗化，用化学知识看文物，呈现出一个别具趣味的文物世界。

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