书城自然科学自然科学史十二讲
31916200000001

第1章 古埃及的科学技术

位于非洲东北部的尼罗河由南向北倾泻而下,注入地中海。它每年定期泛滥,不仅使河流沿岸的土地得到灌溉,而且水退后留下肥沃的黑土,非常有利于各种农作物的生长,这就给人类的生存、繁衍提供了良好的自然条件。在距今约两万年以前,尼罗河谷两边的高地就有人类居住,距今约2000年至0000年前的旧石器和中石器时代,埃及的气候较今温和湿润,高地水草繁茂,比较适于人类居住。后来由于气候变得日益干燥,所以河西一带成为大片沙砾。大约自公元前6000年至公元前5000年,人们开始逐渐移居于尼罗河谷地,经营农牧业。后来在沿尼罗河两岸狭长的地带上,建立了古埃及王国。尼罗河不仅养育了埃及人民,而且也孕育了灿烂的古埃及文明。

古埃及是人类历史上最早建立王朝的地区之一,公元前3500年在尼罗河下游三角洲一带建立了下埃及王国(北部);在尼罗河河谷地区建立了上埃及王国(南部)。史称前王朝时期。约在公元前3000年,上埃及王美尼斯征服下埃及建立了第一王朝,在古埃及形成了统一的奴隶制国家。

古埃及的历史是指从上埃及王美尼斯的统一至希腊征服古埃及(公元前332年)为止,期间共划分为3个王朝,即为早期王国时期(第一、第二王朝);古王国时期(第三至第八王朝);中王国时期(第九至第十七王朝);新王国时期(又称帝国时期)(第十八至第二十王朝);衰败时期(第二十一至第三十一王朝)。在第七和第八王朝(约公元前22世纪)期间,古埃及陷于分裂,从此再也没有建立起统一的政权。公元前2000年中期是古埃及社会发展比较稳定的时期,同时也是科学技术较为发达的时期。

人类的聚居生存需要进行必要的交往和交流活动,随着交往和交流活动的发展和深入,仅用口耳相传的有声语言已不能满足深层次思想交流和行动交往的需求,因此迫切需要有一种记事的工具和方法。大约在公元前3500年,古埃及人就发明了图形文字,这种图形文字经过长时间的使用,逐渐演变成由字母、音符和词组组成的复合象形文字体系。这些象形文字不但表示着一定的概念,还具有表音的作用,并出现了音节字。在这个基础上,音节字中有一小部分简化成字母符号,共二十四个。所有字母都只标辅音,不标元音。各种符号组成词组,共有六百多个词组。不断演变的古埃及文字,对西方文字的发展曾经产生过很大的影响。居住在地中海东岸的腓尼基(约在现在的黎巴嫩和叙利亚沿地中海一带)人,以海上贸易和殖民著称,大约在公元前3世纪,腓尼基人主要依据由古埃及文字演变出来的北闪米特字母制定了历史上第一批由22个辅音字母(无元音)组成的字母文字,被称为腓尼基字母。后来腓尼基字母文字传入古希腊就产生了希腊字母。以后又从希腊字母产生出拉丁字母和斯拉夫字母,成为欧洲各种文字字母的共同来源。在尼罗河三角洲地带,盛产一种形似芦苇的植物——纸草,利用纸草进行文字书写是古埃及人的一项重要发明。人们把纸草切成长度合适的小段,将其剖开压平,拼排整齐,连接成片,晒干以后即成为一种草纸。他们用芦苇秆之类的东西作笔,蘸上油菜汁和黑烟末调制而成的墨,在草纸上书写文字。由于纸草长时间干燥会变脆裂成碎片,所以,只有极少量的纸草文书能够流传至今。英国大英博物馆内至今还保存着古埃及抄写家阿摩斯(约公元前650年)在草纸上抄写的数学论文——《揭露事物一切奥秘之指南》。保留下来的为数不多的纸草书和刻在金字塔、庙宇墙壁和棺椁上的象形文字,现代学者已经能够译读,其中的内容成为现代人研究人类文明发展史极为宝贵的古代资料。

掌握季节的变化对于农业的发展是非常重要的,古埃及人在长期的生产实践中发现,季节的变化与天文现象的变化有关,因而他们开始有意识地观察天文现象的变化,逐渐形成了世界上最早的天文学,并在此基础上制订了相应的历法。自然界有日落日出、月缺月圆和四季轮回的周期现象,分别构成了相应的日、月和年三个时间单位。在农业生产中,年的确定是非常重要的。一年中,只有在适当的时间内分别进行播种、耕作和收获等工作才有可能取得较好的收成。古埃及的农业生产和日常生活与尼罗河有着十分密切的关系,古埃及人经过长期的实践观察发现,在尼罗河三角洲地区,每当出现天狼星与太阳同时从地平线上升起的自然现象时,尼罗河便开始泛滥,出现汛期。根据这一自然现象,人们把历法的制订与尼罗河水情的变化联系在一起。所以,当时古埃及的历法将尼罗河开始泛滥的这一天定为一年的开始。大约在公元前4000年,古埃及人就已经将一年定为365天,具体规定一年分为三季;每季四个月;每月30天;年终再加5天。这与现在使用的历法已经十分接近。古埃及人精确的历法与他们的天文观测紧密相关,当时他们已经能够正确识别许多恒星,出土棺材盖上绘制的星图就是有力的证明。刻于公元前350年至公元前00年间法老陵墓石壁上的天牛像,实际上就是一幅宇宙结构图,这在一定程度上反映了当时古埃及天文学所达到的水平。

数学知识最早源自于社会生产、物品交换和天文学计算等方面的需要,古埃及人在数学领域也取得过相当突出的成就。在现存于伦敦大英博物馆的“莱因特纸草”和莫斯科普希金艺术博物馆的“莫斯科纸草”上,分别记载有85个和25个数学问题及相应的解法,通过对它们的研究发现,古埃及人当时就已经采用了0进制记数法,但表示高位数的方法与现代的表示方法相比要复杂得多,如要表示999这个数字,要依次写9个00、9个0和9个的符号。古埃及人的算术主要是加减法,乘除法通常要化成加减法才能进行运算。古埃及人能够进行分数运算,但对于分子不是的分数,一般都要先将分数进行拆分成单位分数(即分子为的分数),然后再进行加减运算,如将7/29拆分成/6 /24 /58 /87 /232.很显然,这种拆分方法相当烦琐复杂,为此,古埃及人专门创造了一个数表,利用这个数表可以比较方便地对分子不是的分数进行拆分。为什么要进行这样的拆分?当时是怎样找到这种拆分方法的?至今仍有一些不解之谜。但有专家认为,这种过于麻烦的分数算法在某种程度上阻碍了古埃及算术的更进一步发展。古埃及人的数学成就突出表现在几何学领域,这主要是出于尼罗河每年泛滥后要重新进行丈量土地、测定地界的需要。古埃及人计算圆面积时,是将圆的直径减去其/9后再平方,虽然当时古埃及人并没有圆周率的概念,但这种算法相当于圆周率π=(8/9)2×4=3.6,与现在所用3.4的圆周率已经非常接近。古埃及人当时还能计算矩形、三角形和梯形的面积以及立方体、锥体和柱体的体积。被称为人类奇迹之一的古埃及金字塔,建造时就使用了四棱台的体积计算公式,其结果的精确度与用现代计算方法所得基本接近。

古埃及的医学成就也非常突出。古埃及人相信人死后能在另一个世界上继续生活,因而他们将死者的尸体解剖制成木乃伊(干尸),以利于长期保存。古埃及人制作木乃伊的一般方法是先将尸体的内脏掏出,并用含有香料的酒冲洗腹腔,再用盐、树脂和香料对尸体进行处理。处理后的尸体经风干后,安上蓝宝石眼睛,最后用麻布层层包裹,并外涂树胶(以免尸体直接接触空气)。这样就制成了经久不腐的木乃伊。古埃及人通过木乃伊的制作,积累了大量的人体生理和解剖知识,这些知识无疑大大促进了当时古埃及医学的发展。古埃及人的纸草书卷中曾经记载了对许多种疾病病理的描述、诊断和治疗方法,同时也有一些医学论文。在862年发现的“史密斯医学纸草”中,记载了48种身体各部位外伤的诊断与治疗方法,包括头部、肩部、胸部和脊椎部位等。治疗所使用的药物种类有植物药、动物药和矿物药,甚至还有人体的分泌物等;药物制剂有外用药膏、内服药、熏蒸剂和嗅药等。据考证,“史密斯医学纸草”写于公元前700年,被誉为世界第一部外科学著作。写于公元前500年的另一份重要的古埃及医学纸草书——“埃伯斯纸草”,长20.23米,宽30厘米。记述了人体700种疾病的症状及诊断方法,提供了877个治疗药方。“埃伯斯纸草”中还有一些生理学、病理学方面的内容。按现代医学的分科方式,“埃伯斯纸草”中记载的疾病种类已涉及内科、外科、妇科、儿科和眼科等诸多现代医学科目。这些都表明了当时古埃及的医学已经达到了很高的水平。但当时古埃及的医学是与巫术结合在一起的,人们对疾病的治疗往往是药物和咒语并用。

谈到古埃及的建筑,甚至谈到古埃及的科学技术史,就不能不提到举世闻名的金字塔和神庙。金字塔是古埃及法老(国王)生前为自己建造的陵墓。金字塔的外形呈角锥体,形似汉字的“金”字,故中文翻译成金字塔。在埃及,现今知道的金字塔大约共有80多座,其中最大的一座是修建于公元前2600年的胡夫(古王国第四王朝国王)金字塔。胡夫金字塔由230万块巨石(每块均重约2.5吨)堆砌而成,高46.5米,底边边长230米,塔底占地约52900平方米,绕金字塔一周大约为千米。经过数千年的风化剥落,塔高和塔底边长尺寸都有所减小,现在的塔高38米,底边边长220多米。堆砌金字塔的每块巨石都经过精磨加工,堆砌时虽然没有用灰泥连接,但石块间的砌缝非常严密。胡夫金字塔还设有结构复杂的“地下宫殿”,整体结构设计精密,建造牢固,虽然历经五千年的沧桑,但还安然屹立于尼罗河畔。以当时的技术水平来看,能够建造如此雄伟非凡的金字塔,简直有些难以想象!经过对现存金字塔的测量发现,其底边的周长正好是以其高为半径画圆的周长;从塔北面的入口进入地下宫殿的通道与地平线恰好成30度的倾角,正对着当地当时的北极星;230万块均重为2.5吨的巨石堆砌成00多米高的角锥体,并能在没有灰泥连接的情况下,保证砌缝严密、结构牢固,显然是预先经过精确的设计计算。多年以来,有关专家围绕金字塔进行了大量的研究工作,但时至今日,围绕金字塔的秘密还没有被完全揭开。所以,至今还有人相信金字塔是由外星人建造的;或者说当时金字塔建造者所创造的人类文明已经灭绝,现在的文明是重新发展起来的。随着对金字塔研究工作的进一步深入,这些看法会逐步改变。胡夫金字塔被称为古代世界十大奇观之一。胡夫儿子哈夫拉的金字塔比胡夫金字塔的高度大约矮8米,但它的前面有一座用整块石头雕刻的狮身人面像,狮身人面像高22米,长约60米,希腊人称之为斯芬克斯。据说狮身人面像的面部是哈夫拉的脸形。建筑宏伟壮观的金字塔和威风凛凛的狮身人面像,充分体现了古埃及人的聪明智慧。同时也应该认识到,古埃及建造金字塔的目的是为了显耀法老凌驾于一切的威严,维护当时的奴隶制统治。据说胡夫金字塔是由0万人通过艰苦的劳动用30年的时间才完成的,因此金字塔的建造一方面反映了古埃及人高超的建筑技术,另一方面也给当时的人民带来了巨大的苦难。胡夫以后直到第六朝代的诸代法老,虽然都建有金字塔,但建造的规模越来越小,这在某种程度上也表明了古埃及法老的专制王权在逐步削弱。到了中王国的帝国时期,神庙取代了金字塔成为古埃及最主要的建筑形式。古埃及的神庙建筑也闻名于世。古埃及人是多神教徒,他们崇拜很多的神,神的名字一般以生物或其他自然物命名,如鹰神、鳄鱼神、太阳神、月亮神和河神等,这反映了当时古埃及人对生物与自然力量的恐惧和崇拜。宗教是古埃及人当时最重要的精神生活之一,建造神庙主要是为了显耀神的力量。在古埃及的诸多神庙中,最雄伟的神庙要属位于现今开罗以南600多公里卢克索的卡纳克神庙,该神庙建造于公元前4世纪,它主要是祭祀太阳神和月亮神。卡纳克神庙的主殿占地约5000平方米,矗立着34根巨大的圆形石柱,其中最大的2根石柱直径约为3.6米,高约为2米。庙中的尖塔高约30米,重320吨,是由一整块大理石雕刻而成的。在当时的技术条件下,古埃及人能建造出像金字塔和神庙这样宏伟的建筑,实在是人类历史的奇迹。伴随着高超的建筑技术,古埃及的浮雕技艺也具有相当高的水平。在法老墓室的墙壁和甬道等人们认为神圣的地方,有大量的浮雕作品保存至今。古埃及的浮雕多为图像低于背景平面的凹雕。浮雕表现的内容非常广泛,其中很多题材再现了当时普通人的生活,如农业、园艺、手工作坊和造船的劳动场面等,这些都为现代人研究古埃及的科学技术提供了可靠的佐证材料。尼罗河谷地的土地肥沃,水力资源丰富,所以古埃及的农业和畜牧业一直都比较发达。公元前3000年古埃及人就修建了一些大堤坝和水库,还发明了畜耕。人们用牛和驴等畜力代替人力牵犁耕地,大大提高了农业生产的效率。尼罗河东西两侧的高山蕴藏着丰富的石灰石、花岗岩和玄武岩资源,古埃及人用这些岩石来制作工具和器皿,也用做建筑的材料。在尼罗河谷地的新石器时代文化遗址中,已发现有大量的石刀、石簇、石斧、石镰等工具。古埃及人最早使用的犁是木石结构的,即在木制的犁架上装上石制的犁头,后来又用上了铜犁头。古埃及人在农业生产实践中还培植了许多农作物,如粮食作物的大麦、小麦、亚麻和豆类等;蔬菜作物的胡萝卜、蒜、黄瓜和莴苣等。此外,还有葡萄、椰枣和无花果等作物。当时他们饲养的畜类主要有牛、羊、猪、鸭和鹅等。

农业的繁荣也促进了各种手工业的发展,如纺织业和制陶业等。在出土的古埃及第一王朝时期的一块亚麻布残片上,经纬线的密度已达到每平方厘米63根×74根,这表明当时古埃及的纺织技术已有了相当高的水准。古埃及人先是使用一种比较简陋的卧式织机,后又改用一种俩人操作、可织出宽幅布的立式织机。制陶业也是当时重要的手工业门类之一,陶器是古埃及人最重要的日常生产和生活用具,现存的一些壁画上可以看到当时古埃及人制陶的情景。制造玻璃的技术是古埃及人对世界的一大贡献,约在公元前6世纪,古埃及已开始大规模地制造玻璃,到公元前5世纪中叶,古埃及制造玻璃的工艺技术水平得到了进一步的提高。从现存古埃及玻璃作坊的遗址中,仍然可以看出当时制造玻璃的整个工艺过程。当时古埃及人已经知道在玻璃的烧制过程中,加入不同的金属氧化物可以生产出各种不同颜色的玻璃。他们先是用玻璃制造玻璃珠和玻璃管等一些装饰物,后来又制成玻璃杯、花瓶和香水瓶等各种日用生活器皿。

当时古埃及人主要是通过尼罗河、地中海和红海来运送货物、进行贸易的,有史料记载:在公元前7世纪,古埃及人便开始开凿沟通红海和地中海的运河(即现在苏伊士运河的前身)。这些情况大大地刺激了古埃及造船业的发展。大约在公元前2000年,古埃及已能制造54米长、8米宽,可供20人乘坐的大船。古埃及修建金字塔的大量石料可能就是用他们自己制造的船通过尼罗河漕运去的。现今留存的一些古埃及壁画也反映了当时造船业的发达。

公元前4000年左右,古埃及开始进入金石并用期。在新王国时期(约公元前6世纪),古埃及已出现了青铜冶炼技术。考察这个时期坟墓中发现的刀、钻、斧、锄等工具,可以了解当时青铜冶炼技术达到的水平。在古埃及一些坟墓中的壁画和浮雕中,可以看到当时人们冶铜的情形。由于知道改进鼓风技术可以提高炉温,所以,人们将用嘴吹鼓风(通过管子)改为脚踏鼓风,提高了鼓风效率,从而使青铜冶炼技术有了很大程度的提高。在古埃及,铁器的使用比较晚,大约一直到公元前7世纪人们才普遍用铁器代替铜器。