宋元科學技術

第四節 科學技術

（一）天文學與數學


　　天文學 宋朝曆法一共改了十九次，是我國曆史上曆法改革頻繁的一個朝代。曆法的不斷改革，反映了天文學研究的活躍。

　　宋朝天文學的發展可分爲三個階段。北宋初到神宗前，曆法以崇天曆爲代表，主要成就是超新星的觀測；神宗朝到北宋末，曆法以紀元曆爲代表，主要成就是水運儀象台的制造；南宋時代以編撰統天曆爲著名。

　　北宋初，用後周王樸的欽天曆。欽天曆在天體運動的計算中提出了等加速運動的公式，是準确的。仁宗朝用崇天曆前後達四十年。著名的天文學家楚衍參與崇天曆的編撰。在司天監任職四十多年的天文學家楊惟德，在他的著述中曾一再介紹崇天曆。崇天曆的天文數據較接近天文實際。至和元年（一○五四年）四月朔有一次日全食。當時在汴京觀測這次日食是“日食既，至申乃見，食九分之餘”。用崇天曆推算食甚時間在申正一刻二十分，食分爲九分半弱，與觀測所得幾乎相同。北宋又有紀元曆，是天文學家姚舜輔等所編撰，它的求赤道坐标變換爲黃道坐标的計算方法比較簡易。紀元曆中還引進了四次方程式的算法。它的各項天文數據多爲金大明曆和元授時曆所采用。北宋沈括提出了十二氣曆的編制方法，雖沒有實行，但在曆法史上無疑是一項卓越的成就。

　　北宋的天象觀測很有成績。對天空三十一大區（即三垣：紫微垣、太微垣、天市垣和二十八宿）恒星位置的觀測共進行了六次。大中祥符、景祐、皇祐、元豐、紹聖和崇甯年間各進行過一次。元豐時的觀測被畫成星圖，見于蘇頌的《新儀象法要》和黃裳的天文圖。一二四七年（淳祐七年）黃圖在乎江府複刊，即現存的蘇州天文圖。崇甯年間觀測到的記錄，部分載入紀元曆内，所測二十八宿距度星的平均誤差絕對值隻有0°.15，已很精密。

　　北宋有兩次超新星的觀測，一次是一○○六年（景德三年），一次是一○五四年（至和元年）。前者是在司天監内觀測到的，在騎官星西，相當今天蠍宮星座，形狀如同半個月亮，四周有光芒，亮度可以鑒別物體。後者是楊惟德觀測到的。這星本來很暗淡，他觀測時忽然亮起來，星的亮度和金星差不多，四周都是光芒，顔色已達到熾白狀。這是因爲星的内部結構突然變化而引起爆發，亮度增加千萬倍所緻。楊惟德觀測到這顆超新星的位置在天關星附近，相當今金牛宮星座内、所以這超新星稱爲一○五四年金牛座超新星。

　　一○○二年（鹹乎五年）司天監對獅子座流星雨的觀測，一○六四年（治平元年）沈括對隕星的觀測，一○六六年（治平三年）司天監對哈雷彗星的觀測，都很有名。沈括對這次隕星的記錄也很翔實。曆史上以隕星爲隕鐵的解釋，沈括是第一人。

　　北宋的天文儀器制造也有成就。在計時儀器方面，仁宗朝有燕肅造蓮花漏，在很多州使用。蓮花漏就是浮漏，用兩個放水壺，一個受水壺，再用兩根叫“渴烏”的細管，利用虹吸原理，把放水壺中的水，逐步放到受水壺中，使受水壺中水平面高度保持恒定。相等時間内受水壺的水流速度恒定，據以測定時間。

　　元祐年間，蘇頌和韓公廉等制造水運儀象台。這是把測量儀器的渾儀，表演儀器的渾象和計時儀器集中在一起的一項劃時代創作。這個水運儀象台分三層，高三丈，上層放渾儀，中層放渾象，下層是傳動機械設置部分。在報時的設置上又分五層木閣。古代以一天爲一百刻，又一天有十二時辰，一夜有五更，一更有五籌（五夜）。這五層木閣都能報告出來。這個儀器用水力轉動，吸收前人許多優點而發明了和鍾表中相同的擒縱器，使這儀象台有節奏的按時轉動，把報時、觀象、測天同時表達出來。劉弇（元豐二年進士）在《龍雲集》卷二《太史箴并序》一文中說：“其後築台，別置渾儀象，激金水其下，機擎輪吞排，晦斡明至，與造化分疾徐低昂。”推崇備至。

　　南宋改曆，以甯宗朝楊忠輔的統天曆爲冠。統天曆定一回歸年的長度是365.2425日，和現代通用的格列高利曆相同。後來元朝的授時曆也同這個數據。統天曆還提出了回歸年日數長度變化的法則。

　　紹興年間，王及甫曾制造假天儀，見他所著的《天經》。這假天儀整個形狀象一個甕，甕裏面“鑽穴爲星”，把我國看不到的南天星座部分作爲甕口，甕用柱撐起，甕口有四柱小梯，觀看時可以扶梯進去。這個甕還有一根軸可以轉動表演。元朝郭守敬造玲珑儀也是一個假天儀，是王及甫工作的繼續。

　　金滅北宋，把紀元曆也帶到北方，成爲金楊級編大明曆的底本。一一八○年（大定二十年），趙知微重修大明曆。趙知微的貢獻有兩條，一是對太陽視運動的計算中初步用了内插法三次差的公式。二是對日月食食限的計算用了幾何方法。這都是天文計算方面進步的措施。契丹人耶律履修乙未曆，沒有實行。後來耶律履之子耶律楚材在元初修庚午曆，庚午曆内容雖十九采自趙知微的大明曆，但耶律楚材在曆法中提出了樸素的地球經度（裏差）概念，也是我國古代天文學上的一項創見。又據《金史·天文志》，興定五年（一二二一年）司天台内還有女真族天文學家夾谷德玉擔任天象觀測工作。

　　金朝從北宋得到的天文儀器，放在法物庫内擱置了二十多年。一一五四年（貞元二年）始交司天台管理。貞祐南渡後沒有搬回開封。又因當時銅的缺乏，在開封也沒有造新的渾儀。據《金史·章宗紀》，承安四年（一一九九年）有醜和尚進浮漏、水稱、影儀、簡儀等圖，當時“命有司依式造之。”浮漏即指蓮花漏。水稱在北宋水運儀象台中約相同于天衡。影儀和簡儀的内容不詳（可能爲後來郭守敬造簡儀和景符時所據）。

　　明昌年間，張行簡又造星丸漏，比較新穎。星丸漏北宋叫輥彈漏刻，很少記載，相傳是後唐僧人文浩所發明。利用一銅丸，通過四個曲折的孔道，從上放入自下落出，保持恒定速度而測定時刻，在行軍和旅途中應用。後來元朝都城用的碑漏，也是星丸漏的一種。又據《金史·章宗紀》，泰和四年（一二○四年）司天台長行張翼曾進《天象傳》。長行是司天台内的散職官名，《天象傳》當是天象記錄的專書。

　　元朝天文學以郭守敬等人編制授時曆爲其高潮。清代所編《疇人傳·郭守敬傳》說：“推步之術，測與算二者而已。簡儀、仰儀、景符、幾之制，前此言測候者未之及也；垛疊招差、勾股弧矢之法，前此言算造者弗能用也。先之以精測，繼之以密算，上考下求，若應準繩，施行于世，垂四百年。可謂集古法之大成，爲将來之典要者矣。”這不獨是對郭守敬等人的評價，也是我國古代天文學的總結。測是觀測，代表儀象；算是曆算，代表曆法。先通過觀測實踐，再通過計算實踐，所得結論是“若應準繩”，便以爲法。一二八○年（至元十七年）授時曆編成，郭守敬等人在給忽必烈的奏報中說：自西漢三統曆到北宋紀元曆共一千一百八十多年，曆法改了七十次，其中新創法的有十三家。從紀元曆到至元十七年又一百七十多年，授時曆考正凡七事，新創法又五事。按授時曆中考正七事都是對天文數據的重新測定。包括冬至時刻、回歸年長度、太陽的位置、月亮的位置、交食的辰刻、二十八宿距度和太陽出入時刻。其中測二十八宿距度比北宋崇甯年間觀測的還要精細。回歸年長度則采用了統天曆的數據而加以詳細證明。創法五事都是對天文計算的改革，可歸納爲兩點，一是全面用内插法三次差計算并定出公式，即所謂“垛疊招差”。二是引進了球面直角三角形法，即所謂“立渾比量”。

　　授時曆的完成主要歸功于郭守敬在儀象觀測上的貢獻。在天文儀器制造上郭守敬确有驚人的創造力。他十五六歲時即緻力于這方面的工作，一直到大德年間将近七十高齡還造天文鍾呈進。專研于此，達半個世紀。郭守敬在天文儀器制造方面勇于創新，力求提高精确度和切合實用。元以前的渾儀上有七八個大小的環，環環相套，在觀測上妨礙視線。郭守敬造簡儀以簡化渾儀，隻保留了兩套觀測用環，一個是測量赤道坐标，一個是測量地平坐标。元以前的圭表高八尺，郭守敬造高四十尺的銅表比舊有的表高五倍，這樣對測量日影長度的相對誤差可減少到五分之一，測量的精确度大爲提高。又在高表上設置了景符，能測量到太陽圓面中心的精确位置。他又造七寶燈漏、櫃香漏、屏風香漏等計時設置，都是根據不同要求而制造使用的。

　　元朝在天文學上還有一項重要的成就，即一二七九年（至元十六年）的大規模緯度測量。這次測量在二十七個觀測站舉行，地理緯度從北緯15°到65°。觀測的結果在陝西行省、河南行省和中書省直轄地的十四個觀測點用緯度值來比較，平均誤差在半度以内。可見觀測的精細可貴。

　　數學 與天文學關系密切的數學，宋元時代也很發達，出現了好幾位有成就的數學家。北宋有賈憲，南宋末有秦九韶和楊輝，金末有李冶，元初有朱世傑。秦、楊、李、朱是金元之際數學上的四大家。

　　賈憲是天文學家楚衍晚年的學生，做過右班殿直和左班殿直。時在沈括之前。王洙《談錄》上說：“賈憲運算亦妙，有書傳于世。”賈憲在數學上的發明有二：一是開方作法本源圖，就是指數爲正整數的二項式定理系數表，從商除、平方、立方、四次方一直到六次方的系數列成一個圖，世稱賈憲三角形。比西方同樣的巴斯加三角形要早六百年。二是增乘開方法，是解一元多次方程求正根的一種簡便方法。這種方法也比西方爲早。商除是一次，平方是二次（是面積），立方是三次（是體積），這都容易理解。再進一步碰到四次是什麽，要突破這一點，确實很非凡，開四次方可以，則開多次方便可類推了。賈憲爲我國古代代數學的發展奠定了基礎。

　　賈憲以後，沈括在數學上也做了些工作。一項叫會圓術，就是已知弓形的弦和圓徑求弧長。在我國曆史上首先提出孤線與直線的關系，但沈括的結論還是一近似公式（這公式元朝郭守敬等人撰授時曆時用到它）。又一項叫隙積術，用到一種高階等差級數求和的方法。沈括還發明了指數相乘的法則。物理學上凹面鏡成倒像的解釋，沈括說籮家叫“格術”。天文學上推算五星運動的順逆留合，沈括說算家叫“綴術”。測量學上的審方面勢，沈括說算家叫“喜術”。當時對待數學和其他科學的關系，于此可見。

　　秦九韶，南宋未普州安嶽人。早年曾在杭州從隐君子受數學。一二四七年（淳枯七年）著《數書九章》一書。他在著作中發展了賈憲的增乘開方法，解一個一元十次方程式，并附有算圖。算圖中列算式如層層剝筍，秩序井然，所以現在還有人把增乘開方法叫“秦九韶程序”。秦九韶還發明了整數論中一次同餘式組的普遍解法，這就是聞名世界的中國剩餘定理。

　　金代，數學上發明了天元術。大約金中時開始流行，之後得到迅速的推進。一一八四年（大定二十四年），平陽畢履道爲了校訂地理書用到當時流行的算法。又有平陽人蔣周著《益古》一書，記錄了天元術。還有金都水監頒印的《河防通議》（約在明昌年間）也有算法講到天元術。蔣周這部書已伏，《河防通議》中的算法可以從元人引用中得知。最早的天元術比較簡單，立出算式隻是解一個一元二次方程。天元術發明後，平陽、太原、東平、真定等地區廣爲傳播。

　　天元術以“元”代表未知數X，以“太”代表常數項。列式時把元字寫在算碼的右側，如11元即表示2x，或單寫太，如11太也同。寫了元便不寫太，寫了太便不寫元。方程式的各項是從下而上，即太在元下，太是常數項，元是X項，元上是X2項，再上是X3項等等。太下是1/X（即X-1）項，再下是X-2項等等。也有記法從上而下恰恰相反。在用算籌排列時，正數用紅色籌。負數用黑色籌。用算碼時，正負數也用紅黑色區別，但爲了書寫方便，可在算碼的個位數加一斜撇，如-2作■，-231作‖川卜。天元術的方法一般是根據問題中已有條件，立天元一（x）爲未知數（所求數），最後列出方程式，解方程得數。至于解方程式在一元三次以上，就要用到賈憲的方法。

　　金末在真定府一帶流傳的一部數學著作叫《洞淵測圓》，指演算勾股容圓（直角三角形的内接圓）算題共有十三問。李冶根據此書加以推廣，又集天元術的大成，寫出了他的名著《測圓海鏡》。

　　天元術出現後，很自然地發展爲天地二元木，天地人三元術和天地人物四元術。這大概已是元代的事了。

　　現在流傳下來的元代數學著作有：《錦囊啓源》、《透廉細草》、《丁巨算法》（一三五五年），隻存輯本；《算法全能集》、《詳明算法》、《算學啓蒙》（一二九九年）、《四元玉鑒》（一三○三年）存有足本。後兩書都是朱世傑所撰。朱世傑是元朝數學家的代表，也是當時世界上傑出的數學家之一。

　　朱世傑在數學上的貢獻主要是發明四元術和多種高階等差級數求和方法。他是一位數學教習，周遊湖海二十餘年。他的數學實踐活動大約在元朝初期。由天元術發展到四元術是當時數學演算中的必然結果。四元術以天地人物表示四個未知數，天在下，地在左，人在右，物在上，中間是太。和天元術的表示法相類，太（常數項）下面是天的一次方、二次方等等，左邊是地的一次方、二次方等等，右邊是人的一次方、二次方等等，上面是物的一次方、二次方等等。如果天與地相乘則放在左下方各位置，地物、物人、人天相乘類似。隻有不相鄰的天物（上下）、地人（左右）相乘各項，則放在相應的夾縫内。四元術的計算方法用四元消法，把四個元經過剔消，最後剩下一個元。這個元如果不是天元，可以易位。然後用天元術的解法，求得答案。《四元玉鑒》的一篇序文上說：“上升下降，左右進退。互通變化，乘除往來。用假象真，以虛問實。錯綜正負，分成四式。”這種數學思想的形成是經過了比較複雜的思辯過程。在我國古代數學中明确提出數學“用假象真，以虛問實”，這還是第一次。

　　朱世傑的多種高階等差級數求和方法，古代叫垛積術。他以茭草垛（即一加二加三加四……）爲母垛，推演出各種不同方式的垛而求其積。其名稱有英草落一形、三角落一形、撤星更落一形等十多種。朱世傑在垛積命名和演算上都掌握了演繹歸納的初步方法，他演算的結果和推導的公式都很準确。朱世傑這方面的工作，在當時的世界上也是先進的。

　　由于手工業生産的發達，商業上交換的頻繁，宋元時代實用算術方面也有很大的進展。第一是發明了除法口訣。第二是出現了完整的算碼。第三是計算工具由籌算發展爲珠算。

　　簡易乘除法在唐中葉已有人注意。北宋初徐仁美設“增成立一”法，沈括說：“增成一法，都不用乘除，但補虧就盈而已。假如欲九除者增一便是，八除者增二便是。”九除增一和八除增二就是後來的九一下加一和八一下加二等句。同時，宋初的應天曆内提到身外除一、身外除三等，身外除一指除數是十一，身外除三指除數是十二。可知除法口訣在宋初已開始有了萌芽。這一新生事物很快爲廣大人民所掌握，到南宋末和元初，除法九歸的口訣便全部成熟了。二一添作五、三一三十一等句在計算技術中傳誦開來。又在田畝計算中發明了飛歸。在斤兩換算中，創造出斤求兩和兩求斤炔。記錄簡易乘除法的專書應推南宋末楊輝的著作。楊輝是錢塘人，著有《楊輝算法》，對後來省算工作的推廣影響很大。

　　南宋出現了算碼，關鍵是零符号的發明。南宋蔡沈的《律呂成書》内，把118098用文字表示爲十一萬八千□□九十八，這□□即代表空百。畫方時一快便變成○了 。大約江南在南宋末，北方在金末元初，數學著述中都出現了○的符号。零的發現是數學史上一件大事。北宋司馬光《潛虛》中曾經以×表示四。這樣我國算碼的初步形體是| || 川 乂 ò■■■義，後來書寫ò變成8，義變爲夂爲文。這就是後世所說的蘇州碼子字。在阿拉伯數碼字推廣使用以前，我國數學上的演算，商業上的會計都用這種算碼。

　　元代已普遍使用算盤。劉因《靜修先生文集》中有算盤詩。元劇中也見算盤。元末明初陶宗儀的《輟耕錄》已論算盤珠。近年發現洪武辛亥（一三七一年）金陵王氏勤有書堂新刊《對相四言雜字》（看圖識字書）有算盤圖，十檔，上二珠下五珠。這是目前發現最早的珠算算盤圖。這部《對相四言雜字》中圖繪的服裝純是元代式樣，知此書的租本當在元代。書中還有算子圖，算子即算籌。《水滸傳》中所稱的算子也即這種算籌。由此看來，元朝到明初仍是籌算和珠算并用時代，大概到明中葉以後，便廢棄籌算而專用珠算。


（二）醫學與本草學


　　宋朝編輯出版了大量醫藥書籍，傳播醫藥文化。仁宗時，兩次集中校刊醫書。一○二六年（天聖四年）編輯出版了王惟一的《銅人腧穴針灸圖經》三卷，并在汴京刻石。又鑄銅人，刻畫經穴傳授。九七八年（太平興國三年），王懷隐主編《太平聖惠方》一百卷，按一千七百二十九種症狀，收集一萬六千八百三十四份處方，分一千六百七十門類編排，在九九二年（淳化三年）和一○八八年（元祐三年）先後出版。太宗雍熙年間，賈黃中等人編輯《神醫普救方》達一千卷之多。徽宗時，曹孝忠主編《聖濟總錄》二百卷，收錄藥方二萬多，已雕闆而不及付印，北宋亡。金軍占領汴京時取走書闆，後在金、元刊刻。

　　神宗元豐中，诏令各地名醫進特效藥方，由太醫局通過試驗，證明可用後，按方制藥，在太醫局熟藥所出售，并把藥方出版，公諸于世。徽宗大觀時，陳師文等又進行訂正，凡錄二百九十七藥方，分二十一門，這就是有名的《和劑局方》。局方的出版是北宋後期醫學中的一件大事。局方所收的都是複方，這是我國古代第一部由國家頒發的配方手冊。嶽珂說：“《和劑局方》乃當時精集諸家名方，凡幾經名醫之手，又經太醫局内臣參校，可謂精矣。”《和劑局方》一書後來曾不斷增補，在宋朝風行一時。

　　北宋醫學已分九科，即：大方脈（内科）、風科、小方脈（兒科）、産科、瘡腫兼折傷（外科）、眼科、口齒兼咽喉、針灸、金鐮兼書禁（金鏈也屬外科，書禁指祝由科等類）。

　　宋代醫學上的成就，以兒科爲最著。北宋中葉，錢乙著《小兒藥證直訣》三卷，錢乙專研兒科四十多年，對兒科常見病都有比較準确的治療方法，已能鑒別痘疹和其他發熱病不同。南宋初，劉昉等人編《幼幼新書》四十卷，同時還有《小兒衛生總微論方》二十卷，收集兒科病例比較全面。前者對嬰兒保育方法、新生兒病和小兒發育異常等都有詳細的記載。後者舉出小兒臍抽風和成人的破傷風屬同一種病，是診斷學上很大的發明。又對小兒缺唇的縫合和小兒骈指的切斷，也創我國醫學上的先例。

　　婦産科在宋代也有進展。哲宗時，楊子建著《十産論》，記載了橫産（手先露或臂先露）、倒産（足先露）、偏産（額先露）、礙産（臍帶攀肩）等不同類型，并說明如何使胎位轉正的各種方法，是我國古代産科學上的著名文獻。南宋陳自明著《婦人大全良方》二十四卷，也是一部婦産科的重要專著。

　　南宋出現了病因學的著作。陳言著《三因極一病證方論》十八卷。三因是把疾病發生歸納爲三種原因：

　　一種是由于氣候影響的疾病，叫做外因病；一種是由于情感關系而得的疾病，叫做内因病；還有一種是由于飲食關系或外傷引起的病叫不内不外因病。當然這種分類法還欠完善，但病因學的出現，說明南宋在醫學研究上跨進了一步。南宋末，施發著《察病指南》，繪有脈影圖，也是一項醫學上的成就。

　　一二四七年（淳祐七年），宋慈著《洗冤集錄》五卷。這是總結宋和宋以前的法醫學知識，包括殺傷、驗屍、檢骨和死傷的鑒別，服毒緻死的毒物介紹，和救死方的記載等。其中合血法和滴骨法，有一定的道理。

　　金代醫學的發展，分爲三期：海陵王以前爲前期，世宗至章宗泰和時爲中期，章宗泰和年以後爲後期。

　　前期醫學的代表是成無己的工作。成無己原爲北宋開封名醫，後随金軍北上，爲權貴攜居臨演。他的工作主要是對《内經》、《傷寒論》等古典醫書作注釋。由于成無己名望很大，所以他的著作受到當時的重視，開金代研究醫學的風氣。中期醫學的代表是劉完素和張元素兩人，《金史·劉完素傳》說他“好用涼劑，以降心火，益腎水爲主。”趙秉文《閑閑老人滏水文集》也說：“本朝大定間，河間劉守真号完素，精幹《素問》，多用涼藥，以矯一時之弊。”所以後世稱劉爲寒涼派。《金史·張元素傳》說：元素“平素治病不用古方”，“古方新病，不相能力”，自爲家法，獨樹一幟。後期醫學的代表是張從正和李杲。張從正，字子和，他去世時金朝還沒有亡。李杲則進入元代。張從正繼承了劉完素的學術思想又有所發揮。他用古醫書的汗下吐法，用得很精，号稱“張子和汗下吐法”。他力主去邪而用攻法，所以後世稱他爲攻下派。張從正晚年頗不得志，他自己寫了一首詩，說“酷嗜醫經五十年，野芹曾獻紫宸前，而今憔悴西山下，更比文章不值錢。”李杲是張元素的學生，他有兩部醫學名著，一是《内外傷辨惑論》，二是《脾胃論》。元好問爲《脾胃論》作序，說：“往者遭壬辰之變，五六十日之間，爲飲食勞倦所傷而沒者将百萬人，皆謂由傷寒而沒。”“壬辰之變”即指《金史·哀宗紀》所載的天興元年（一二三二年）五月“汴京大疫，凡五十日，諸門出死者九十餘萬人，貧不能葬者不在是數”，是一次大的流行病熱症。李杲以爲不是傷寒，用治傷寒的方法是錯誤的。他通過治療實踐創内傷學說。元好問說李杲撰“脾胃論丁甯之，下怯千載之惑。”李杲以爲“内傷脾胃，百病由生。”用溫補脾胃之法治之。後世稱之爲補土派（脾于五行屬土）或溫補派。

　　元朝醫學在宋金醫學的基礎上又有所進步。其中有成就的可推朱震亨、危亦林等人。朱震亨，婺州義烏人，著有《格緻餘論》、《局方發揮》等書。他多受劉完素和李杲的影響，但并不拘泥于他們的學說。他主張“陽有餘而陰不足”，創“滋陰養火”方法。後世稱他爲滋陰派。他所用的有些藥劑如大補陰丸、瓊玉膏等，到現在還流傳服用。劉完素的寒涼派、張從正的攻下派、李杲的補土派和朱震亨的滋陰派，号稱金元醫學的四大學派。金元醫學四大家繼承了傳統的醫學體系，但又各自體現了這時期的時代特征。朱震亨的《局方發揮》是批評北宋的《和劑局方》，認爲局方的缺點是按經驗辦事，“官府守之以爲法，醫門傳之以爲業，病者恃之以立命，世人習之以成俗”，沒有考慮到産生疾病的新的因素。“集前人已效之方，應今人無限之病”，勢必要發生問題。這對墨守成規的人是确切的批評。

　　危亦林是傷科專家，著有《世醫得效方》二十卷（一三四三年）。在本書第十八卷中有“用麻藥法”，是世界上用麻醉藥治病的較早記錄。

　　本草學的發展在宋元是一個高潮，尤其是北宋更爲突出。本草學不僅是藥物學，它還包含了植物學、動物學、礦物學等知識，是宋元自然科學全面發展的标志之一。

　　九七三年（開寶六年）劉翰、馬志等修《開寶本草》二十卷，比唐《新修本草》增加藥物一百三十三種。仁宗時掌禹錫等又修本草，一○六一年（嘉祐六年）成書，稱《嘉祐本草》，又增加藥物一百種。次年，蘇頌在這基礎上撰《圖經本草》二十卷，是刊本本草有圖之始。一○九二年（元祐七年）陳承又将這兩書合并，并加注釋，成《重廣補注神農本草并圖釋》二十三卷。唐慎微又添加藥物六二八種，撰《經史證類備急本草》三十二卷。徽宗大觀年間和政和年間又加增訂，世稱《大觀本草》與《政和本草》，廣爲流傳。政和時，寇宗爽撰《本草衍義》二十卷，辨正藥物四百多種。南宋時，出現了彩繪本的本草著述，現傳有《履峂岩本草》。元朱轅撰《大元本草》，“欲廣本草以盡異方之産”書稿未刊，現存有許有王的一篇序文，收在《至正集》内。

　　《圖經本草》中豐富的植物學知識，來自各植物藥産地人民的長期調查研究。對植物形态，一般按苗、莖、葉、花、實、根依次叙述。已知苗莖是同類。對于莖，已能分別“苗如藤蔓”的纏繞莖，“蔓延草木之上”的攀緣莖，和“其莖如筋”的直立莖。對于時，已能區別葉序，凡對生葉序叫做“兩兩相對”；輪生葉序叫做 “葉作層，每層六七葉如車輪”；叢生葉序叫做“葉青碎作叢”。

　　一般爲互生葉序。對葉緣也予注意。對于花，則花萼、花托、花蕊、子房、花序等都有詳略不同的記載。花的顔色說得最爲詳細。《本草衍義》記載石南花說：“正二月間開花。冬有二葉爲花苞，苞既開，中有十五餘花，大小如椿花，甚細碎，每一苞約彈許大，成一球，一花六葉，一朵有七八球，淡白綠色，葉末微淡赤色，花既開，蕊滿花，但見蕊不見花。”對花的觀察如此細緻，與現在的植物志相比，也無遜色。對于果，一般叫莢子或子，子又叫人（仁），大部是對種子而言。還有角（果）、核（果）、莢果等名稱。白瓜也以果實爲名，這和現在叫瓠果的意思相同。

　　宋朝還有很多植物專譜，這也和本草學的發達有關。其中以歐陽修的《洛陽牡丹記》，陳翥的《桐譜》，蔡襄的《荔枝譜》，王觀的《芍藥譜》，劉蒙的《菊譜》和南宋韓彥直的《橘錄》最爲著名。這些專譜分別總結種植的經驗，記載某種植物的品種、性狀、栽培技術、防治病蟲害、果實的加工和貯藏方法等。和園藝學有關的著述，有南宋陳景沂的《全芳備祖》。

　　北宋時已觀察到植物通過嫁接可以産生變異的現象。《圖經本草》中關于牡丹的記載，說“圃人欲其花之詭異，皆秋冬移接，培以壤土，至春盛開，其狀百變。”一○八二年（元豐五年），周師厚詳細叙述了花的四時變接法。劉蒙論菊花時說：“歲取其變者以爲新”，是知道變異與形成新種有關。沈括《夢溪筆談》中已接觸到植物生态學的領域，即植物生态因素與氣候、地形、濕度和高度有關。和沈括同時的陸佃，記載了棗樹根部用繩縛緊可使棗子自落的方法，已觀察到植物生理學有關的一些現象了。

　　動物學知識方面，《圖經本草》内觀察到烏賊“八足聚生，又有兩須”，與近代定爲十腕類相符。又記載動物的生活史，如穿山甲食蟻，牡蛎的“蛎房”如山以及螳螂的産子等，都比以前的記錄生動而具體。《本草衍義》斷定河豚實有大毒，校正了《神農本草經》的錯誤。又論■魚“腹重墜如囊”。寇宗夷“嘗剖之，中有三小蟹，又有四五小石塊，如指而許，小魚五七枚。”則已知道通過解剖觀察動物的食性。元王惲撰《宮禽小譜》介紹十七種鳥類的形态，是我國較早的論鳥類的專書。

　　《圖經本草》中還記載了紫鉚（即紫膠蟲）分泌紫膠的現象。關于五倍子，北宋著述中說：四川等地有一種蟲叫蟆子，它寄生在鹽膚木樹背陰處，春天生子，卷葉成窠，大如桃李。其寄主及生活狀況幾乎和現在所知相同。南宋開始人工飼養白蠟蟲，并有關于白蠟蟲的生活史的記載。紫膠、五借子、白蠟都是現代某些工業上需要的原料。

　　《圖經本草》中還記有采珠砂時對礦床的認識叫珠砂床，并有岩石斷口特征的描寫。沈括對石膏結晶體的觀察，已經從原有形态、色澤及将石膏加熱後的變化等各方面都作了分析。可見當時人們對某些物質的研究已不隻從表面現象去觀察，而且進一步注意到内部結構了。

　　《圖經本草》載有動物化石的資料。元豐年間，孔武仲的詩集和南宋初杜绾的《雲林石譜》都記錄了魚化石。江西武甯保存有北宋時代所發現的一塊化石的實物，形狀象竹筍，上面有黃庭堅的題詩。黃庭堅說它是筍石。經考定爲中華震旦角石，是一種動物化石。沈括曾注意到植物化石與古地理和古氣候的聯系，這種思想是很進步的。


（三）技術科學


　　宋元時代出現了好多種技術專書。我國古代文化史中的技術科學部分逐漸形成了。這些技術專書中有論建築技術的《木經》和《營造法式》，有論冶煉技術的《浸銅要略》，有論織機技術的《梓人遺制》，有論制鹽技術的《熬波圖詠》，還有論造船技術的船式、船樣諸書。《武經總要》中則收集了有關軍事技術的紀錄。《新儀象法要》是一部論述天文儀器制造技術的專書。這些專書的出現，充分說明了宋元時代在建築、冶煉鑄造、紡織、制鹽、造船等技術各方面都有較高的水平。關于宋代的農業技術和工業技術上的三大發明即活字印刷術、指南針用于航海和火藥用于制造火器，已見另章（見本書第五冊），這裏不再重述。

　　建築——北宋初，工匠喻皓著《木經》三卷，其中規定屋架尺度以梁的跨度爲準，階基高度以柱高爲準，後人都依以爲法。喻皓和畫師郭忠恕參加了九八九年（端拱二年）所完成的開寶寺塔的建築工作。

　　一一○三年（崇甯二年），李誡集合了建築工匠的智慧，并依據他自己從事建築的經驗，編成《營造法式》一書，這是我國古代建築科學的一項寶貴遺産。《營造法式》中的大木作制度首先提出用材的标準，共分八種，這樣木材的使用就能控制。其次對于梁、柱和鬥拱作了詳細的介紹和分析。爲了增加建築物的穩定性，書中記載了柱的“生起”和“側腳”的方法。生起是由中心到四角的柱逐漸增加柱高。側腳是外圍的柱腳稍微向内側倒斜一些。這樣都使建築物重心向内，使梁、柱、枋的結合更加緊密。梁的截面規定高與廣的比例是十五比十（即三比二，3/2=1.5），這和現在計算上要求比例爲（＝1.4142），誤差很小。鬥拱是由方形的鬥和近似弓形的拱累疊而成，介于梁和柱之間。根據建築物的大小，鬥拱分好幾層，逐層向外挑出，形狀上大下小，好象一個托座。前面挑出屋檐，後面承托梁架。鬥拱是我國古代建築中比較複雜的結構部分。鬥拱有放在柱頭的、柱間的和房屋四周轉角的，各有專門的名稱。對屋頂則有“舉折”的制度，即規定各種結構的坡度标準。

　　《營造法式》中的小木作制度，是包括門窗、欄杆、天花闆、樓梯等各件的制造方法和用材規格。還有佛殿中的轉輪藏，設計巧妙，整個轉輪利用中心一根立軸轉動。宋胡寅《斐然集》上說：“載以機輪，推而轉之。”立軸上下都用鐵制器械困住。轉輪分七格，每格放佛經的經匣，輪軸運轉，可檢閱所需要的佛經。四川江油窦圌山雲岩寺内發現南宋初期制作的飛天藏，仍保存了北宋時代的建造手法。飛天藏又叫星辰車，也是輪藏的一種，據研究已有軸承的裝置。

　　小木作還制造各種器械和木樣。北宋最有名的器械是指南車和記裏鼓車。指南車和記裏鼓車北宋以前已有發明，但制法失傳。一○二七年（天聖五年），燕肅重新設計制造指南車，盧道隆設計制造記裏鼓車。一一○七年（大觀元年），吳德仁又設計制造指南車。尺寸規範都有詳細記載。這是我國古代對齒輪系的高度運用。用兩個齒數相同的齒輪，中間嵌入一個中輪，便能按同一速度和同一方向運轉。記裏鼓車是用輪軸機械量度地面距離的特有裝置。歐洲到十七世紀才有類似的計步計的發明。

　　《營造法式》還記錄了當時木工所用的一些新工具，其中有起線刨子，爲加工門窗複雜線腳之用；又有窄鋸，爲鋸曲線時用；又如雕锼的锼，專用來雕縷空花紋。

　　《營造法式》中的窯作制度，記錄了燒窯技術。據《宋會要》記載當時有東西窯務，内工匠分爲瓦匠、磚匠、裝窯匠、火色匠、粘膠匠、鸱獸匠、青作匠、積匠、 窯匠、合藥匠十類。《營造法式》内的分工也大緻相同。其中火色是掌握火候。粘膠指粘瓦粘磚之類。鸱獸指造鸱尾和獸頭等琉璃制品之類。青作是燒青瓷。積匠和窯都指壘窯工作。合藥即合琉璃藥，指配釉料的方法。

　　冶煉和鑄造技術——蘇頌《圖經本草》中說到，江南、西蜀凡有爐冶的地方都有鐵。鍛家燒鐵赤紅，在砧上打鐵，有打落細皮屑的叫鐵落，俗名鐵花。鐵礦石初煉出來鑄■（音寫xiě。鑄造方法）器物的叫生鐵。再三銷拍，可以作金屬薄片的叫熟鐵。生熟相和用來作刀劍鋒刃的叫鋼鐵。鍛竈中飛出如塵，紫色而輕虛，可以磨瑩銅器的叫鐵精。對北宋鍛鐵生産過程，記載完備無遺。其中鐵精即三氧化二鐵，現代還用來作爲金屬寶石等器抛光之用。銷拍就是炒煉。生熟相和制造鋼鐵，就是沈括《夢溪筆談》中所說的灌鋼或團鋼法。

　　宋朝在銅的生産上，除一般礦冶外，還采用了膽水浸銅法。一○三五年（景祐二年），宦官閻文應獻計給許申“以藥化鐵成銅”。後二年，錢遜奏報：“信州鉛山産石碌，可烹煉爲銅。”浸銅法是把生鐵鍛成若幹薄鐵片，如魚鱗狀排列在膽水槽中，浸的時間短則五天，長則十天。要看膽水的濃度而定。浸後，膽礬的銅離子被金屬鐵取代，形狀如赤煤附在原鐵片的周圍。把它取出刮下來，在爐中“烹煉”三次便成銅。當時的生産指标大約是鐵二斤四兩得銅一斤。槽中沒有被化的鐵片可保留，另外加新鐵片，再爲浸制。用這種浸銅法生産銅，世界上以我國爲最早。這是水法冶金技術的起源，是宋朝人民向自然界索取銅原料的一項重大發明。紹聖年間，當時管理饒州興利場的張潛曾總結了工匠們膽水浸銅的經驗，寫有《浸銅要略》一書，原書失傳，現隻保存了一篇序言。

　　宋朝有許多大型鑄件，其中有針灸銅人，銅制渾儀、銅鼎等。宋徽宗時所鑄的九鼎共重二十二萬斤，即每鼎重二萬多斤。留傳到現在的北宋大型鑄件有山西太原晉祠金人台的大鐵人等。這些大型鑄件說明了當時鑄造工藝的技術水平。

　　宋朝的鑄造工藝仍爲傳統的泥型鑄造、失蠟鑄造和砂型鑄造。關于失蠟鑄造，南宋趙希鹄的《洞天清祿集》說：“古者鑄器，必先用蠟爲模。”這“古者”當指北宋以前的方法。關于砂型鑄造，據記載南宋初仁和縣出橐籥沙，可用來做鼓鑄之模。《遊宦記聞》中也提到蕲春錢監有沙模作。沙模就是砂型。太原晉祠的大鐵人實物上有明顯的接縫，一般失蠟法都是整鑄，沒有分段的必要。又大鐵人胸部及小腿上都雕刻文字，砂型鑄造本身強度低，不受雕刻，所以不象用砂型，很可能是用泥型鑄造法。

　　鑄造這樣的大鑄件，熔煉和澆注技術也是關鍵所在。《紹熙雲間志》記載一○二四年（天聖二年）鑄造銅鍾，說：“洪爐啓而祝融奮怒，巨橐扇而飛廉借力”，對掌握大爐的操作技術，十分形象。“俄而煙飛焰歇，豁然中度，華鍾告成，厥功斯就”，澆注過程相當迅速。一一○五年（崇甯四年）鑄九鼎，也是“熔冶之夕，中夜起視，炎光屬天，一鑄而就。”由此可以推測到北宋澆注設備的程度。

　　制鹽技術——一是海鹽的煎取技術，二是井鹽的汲取技術。一三三○年（元至順元年）陳椿所著的《熬波圖詠》對海鹽煎取術記載十分詳細。《熬波圖詠》中的 “鑄造鐵拌圖”是宋元時代高爐型的一種。圖中提供了全套設備的圖樣，用風箱來鼓風。風箱的設施又見于北宋《武經總要》中的“行爐圖”。王祯《農書》内的水排圖也用到風箱。宋元時代風箱的發明是我國鼓風設備的一項重要發展。這種形式的風箱一直流傳到現在。《熬波圖詠》中最值得稱贊的就是蓮管秤試法。先把鹵水分爲四等，第一等是原鹽鹵，鹽分爲百分之百。第二等是三分鹽鹵一分水，比例爲百分之七十五。第三等是一半鹽鹵一半水，剛好是百分之五十。第四等是一分鹽鹵二分水，比例是百分之三十三。然後用石蓮子四枚浸過，放在一個盛水的竹管内，竹管口上用竹絲隔好不令蓮子漾出。分別放在四等鹵水中作試驗。凡是四個蓮子都浮起來的是第一等鹵水，都沉下去的是第四等鹵水，如果立浮于面的則看深淺程度可定爲第二等或第三等。這樣定出一個标準，便可以檢驗所得的鹵水可煎或不可煎。這種道理與現在用浮沉子測量液體比重的意義大緻相同。

　　井鹽的汲取，以四川爲最盛。北宋四川鹽井有大口井和小口井兩種。大口井沿襲舊制。小口井則爲北宋所發明，稱爲卓筒井，簡稱筒井。用困刃鑽鑿井口如碗口大，深達數十丈，用大竹去節作套管以保全井壁，用皮囊汲取鹽鹵。筒井後來叫竹井，鑽掘技術仍是在北宋的基礎上加以發展的。

　　開掘鹽井時，有硫化氫氣體危害性極大。後蜀廣政二十三年（九六○年），陵州陵井井口冒出毒氣，“毒氣上如煙霧，煉匠人皆死”。這毒氣就是硫化氫。北宋時通過觀察，從實踐中認識到這種毒氣能溶于水，凡雨天可免中毒，故發明在井下設置水盤滴水，以保證安全施工，解除危害。

　　造船——宋代造船，已根據船樣打造。船樣又叫船式。一○○○年（鹹平三年），造船務匠項绾等曾獻轉海船式。船樣有的是編成圖冊以供選用。有的是設計船型，制成模型，然後制造。有的即據實體仿造。一二○三年（嘉泰三年），池州秦世輔先造新樣鐵壁铧嘴船和平面海鹘戰船兩種，經過試驗後确屬快便。甯宗下诏，三衙江上諸軍如要修造戰船都照池州船樣。凡定船樣時都考慮到船舶的總體布置，爲了防止船舶部分破壞而影響整體，已有密艙的設備。船型根據需要各有區別。沿海航行和遠洋航行船型不同。南宋沿海航行已有防沙平底船。一一五八年（紹興二十八年），福建路安撫轉運司言，鱽魚船隻是明州上下淺海去處，風濤低小，可以差使；如果福建廣南出海航行，則海道深闊，非明州沿海可比，所以要另制船樣，造尖底海船使用。

　　一九七四年，福建泉州灣後堵港西南海灘發掘出一艘南宋時代木造海船，尖底，有十三個船艙，分艙密室的殘形還依稀可見。船中還發現大量香藥、銅錢等。可見這是一艘航行于我國南海一帶的貨運海船。

　　據記載，宋朝以“料”作爲船舶載重的計量單位。最小的般爲五十料，最大的達五千料。

　　大概内河船行的民船和戰船在五百料以内，沿海航行、遠洋航行的則在四百料以至五千料不等。漕運綱船，每五百料船二十五隻，或四百料船三十隻，叫一綱。一綱可載重一萬二三千石。船舶主要結構尺寸大緻也根據料的标準而定。如三百料的長四十五尺闊十尺，八百料的長七十尺闊十八尺等。宣和年航行到高麗的海船， “客舟”長一百多尺闊二十五尺，“神舟”長闊三倍于客舟，更爲高大了。

　　南宋初，陳傅良論“治大舟”，對控制船舶航行的三大重要部分：推進、操縱和系泊裝置都有闡述。關于推進方式，宋朝船舶主要仍是風帆。徐兢說宣和時到高麗的船，“舟行終不若駕風之快也”。當時航行時風正、風偏和風息，都以大帆或小帆調節使用。南宋初，還大量制造車船，用車輪作推進裝置。楊太起義軍曾以車船大敗宋軍。踏車回旋，橫沖直撞，将宋軍人船數百隻盡碾沒入水。建炎中，乎江造船場造八橹戰船、四橹海鹘船等。乾道時，建康造船場造一車十二槳四百料戰船。馮堪造多槳戰船，一艘用槳四十二枚，橹和槳都是傳統的推進工具。

　　關于操縱機構，主要是船尾舵。南宋後期已知道“柁與船首，适得其平”，因爲如果舵太長或太短都妨害了操縱船舶的航行。宋朝海船的船尾舵有正舵大小二等，在遠洋航行時還用到副舵。系泊設備主要是矴（碇）。海船用矴可重達千斤，“千斤鐵矴系船頭，萬丈灘中得挽留。”近山抛泊叫抛矴或放矴。還有遊矴在風濤緊急時應用。掌管舵的叫舵手，掌管矴的叫碇手。

　　北宋熙甯中已設置船塢，修治長二十餘丈的龍船。南宋乎江府一帶有藏船屋，是爲保護船隻避免在露天受自然界的損害而制造的。

　　據《金史》記載，當時還創造了滑道下水法。船舶造成後，用新的秫稭鋪在地上，又用大木頭在兩旁夾緊，乘霜滑拉動，這樣不很費力的下入水中。據南宋周密《癸辛雜識》記載，遇海船擱淺時，一種方法是把船裝的貨取出，以減輕負重，如還無效，便縛排求活。這都是利用了浮力的道理。北宋懷丙曾用兩船架起沉入河中的鐵牛，也是利用浮力。

　　宋張商英《佛國禅師文殊指南圖贊》有海船圖，并說：“酌海深淺，于其遠近，望月觀星，知來識往。”“酌海深淺”是測深，“于其遠近”是測程，“望月觀星”是天文航海，“知來識往”是熟知海道。海船的制造與航海技術的發達是分不開的。

　　紡織——紡織技術分紡和織兩方面，宋元時代紡的技術以元王祯《農書》中記載的水轉大紡車爲其代表，織則以元初薛景石《梓人遺制》集其大成。

　　水轉大紡豐是在紡的工藝上以水力代替人力的創舉。原來紡車都用手搖，後來發明了腳踏紡車，有三個錠子。王祯《農書》中已記有五個錠子的腳踏紡車。山于水力的應用，元代出現了有三十個錠子的大紡車。王祯說：“車紡工多日百斤，更憑水力捷如神。”水轉大紡車的錠子是直立的，改變了手搖和腳踏紡車中錠子橫排的形狀，這樣便于操作而少占用空間。現在的紡紗機中紡錠也是直立，可能就是從這種大紡車發展而來。

　　《梓人遺制》有一二六三年段成已的序，說明這是元初的作品，是薛景石總結元以前的織機構造而寫成的專書。序文中說道：“其所制作，不失古法，而間出新意。”“求器圖之所自起，參以時制，而爲之圖。”“每一器必離析其體而縷數之，分則各有其名，合則共成一器。”現在所知，《梓人遺制》是世界上論織機構造最早的一部專書。技術專著的編纂，是宋元時代技術科學的一個特點。

　　《梓人遺制》中列舉四種木織機，一是華機子，即提花機。一種是立機子，即立織機。一種是羅機子，即專織紗羅紋織物的木機。一種是小布卧機子，即織一般絲麻原料的另一種木機。《宋會要·食貨》記宋初置有機抒院，每人管機三四張。又記九九八年（咸平元年）績錦院舊有錦绮機四百餘張。這應當包括了提花機及其他木織機。這樣的規模已是很不小了。