秦汉时期，中国劳动人民在长期的生产和生活实践中，对自然界的兴趣和认识渐趋广泛，视野更加开阔。在自然科学领域，不仅如天文、数学、地学和医学等传统学科较之前代有了较大的进步，而且也获取了地震、电磁、化学等许多新的知识。

地动仪模型

一、张衡与地动仪

中国是一个地震较多的国家。在古代，由于人们缺乏对地球运动的了解，更由于缺乏对地震的预知和必要的防震措施，因而一次较大的地震常给生活在那里的人们带来很大的损失。从汉代开始，人们就把地震作为“灾异”记入各朝代史的《五行志》中。据研究，中国两汉时期共发生了28次较大的地震，所记录下来的各次地震破坏情况有“地坼涌水”“败坏城廓”“山谷坼裂”“伤害人物”“压杀人”等。其中西汉宣帝本始四年（前70年）发生于中原地区的一次地震，造成6000余人死亡。正是由于这一严峻的现实，促使人们对地震加以关注、研究。在汉代，对中国地震学发展作出最大贡献的是张衡。

地动仪剖面图

关于张衡在自然科学方面所取得的成就，前文已几次提及。这里，仅介绍他于东汉顺帝阳嘉元年（132年）发明的“候风地动仪”。这是世界上第一台观测地震方位的仪器。《后汉书·张衡传》对这台仪器有较具体的描述。据记载，地动仪“以精铜铸成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊”。里面的结构，主要有立于中央部位的“都柱”（相当于一种倒立型的振摆）和它周围的“八道”（振摆周围的八组机械装置），外面相应地设置八条口含小铜丸的龙，每个龙头下有一只张口向上的蟾蜍。一旦发生比较强烈的地震，“都柱”因震波的冲击失去平衡，震波从哪一个方向来，“八道”中哪一个方向的一道就被触动，使相应的龙口张开，小铜丸就落入下面蟾蜍口里，观测的人就知道在什么时间、什么方向发生了地震。地动仪制成后，安置于当时的都城洛阳灵台。

据记载，汉顺帝永和三年（138年）二月初三日，地动仪西侧一条龙突然吐出铜丸。当时京城的人们没有感到有地震发生，于是便议论纷纷，认为张衡发明的地动仪不灵。但是不久，陇西（今甘肃东南部）有人飞马来报，说那里二月初三日的确发生了地震。这说明张衡的地动仪是比较准确的。在《续汉书·五行志》中，对于陇西发生的这次地震有如下记载：“金城、陇西地震，裂城廓，室屋多坏，压杀人。”据分析，这次地震的震级在六级以上。这也是人类历史上第一次用仪器来观测地震。在国外，直到13世纪，在波斯马拉哈天文台才有了类似的仪器。到18世纪，欧洲才出现了利用水银溢流来记录地震的仪器。

值得一提的是，张衡设计的地动仪，也体现了他的自然哲学。地动仪形似酒樽（卵形），直径和浑象一样大，象征浑天说的天；立有都柱的平底，表示大地，笼罩在天内；仪体上雕刻的山龟鸟兽等可能象征山峦和青龙、白虎、朱雀、玄武等二十八宿，所刻篆文大约是乾坤震巽坎离艮兑，表示八方之气；八龙在上象征阳，蟾蜍居下象征阴，构成阴阳上下的动静辩证关系；都柱象征天柱，居于顶天立地的地位。如果结合当时的天体理论与哲学思想，以及张衡本人对天文学的研究成就，不难发现地动仪的思想因由。

二、对电和磁性的认识

雷电是自然界中常见的现象。关于雷电的记载，中国古代文献很早就有。如“雷电相薄”[5]“雷雨作而百果草木皆甲柝”[6]“雷不发而震”[7]“雷电击伯夷之庙”[8]“三月癸酉大雨震电。震，雷也；电，霆也”[9]，等等。但是，由于受到当时生产力和科技发展水平的限制，人们对于雷电这样的自然现象一时还难以作出正确的解释。秦汉时期，人们对于雷电的性质及其原因也作了初步的探索。《淮南子·坠形训》记载：“阴阳相薄为雷，激扬为电。”这是用阴阳学说来解释雷电。东汉时期的王充也说：“盛夏之时，太阳用事，阴气乘之。阴阳分争，则相较轸，较轸则激射。”他基本上继承了《淮南子》的观点。从科学的角度讲，这种对于雷电的性质及其起因的解释是欠深刻的，主要还是对这一现象的描述。但是，这种用阴阳学说解释雷电产生原因的观点，却是中国古代在这方面最流行的一种见解。

在汉代，人们常将摩擦起电的现象同磁石的吸铁性联系在一起。如王充《论衡·乱龙》记载：“顿牟掇芥，磁石引针。”顿牟即玳瑁，其甲壳经摩擦后会产生静电，可以吸引芥一类的轻小物体。关于磁石吸铁的认识，中国在先秦时期就有记载。如《管子·地数篇》说：“上有慈石，下有铜金。”这里所说的慈石即磁石。据说，秦始皇时曾利用磁石的吸铁性建造阿房宫的北阙门，为的是使“怀刃者止之”[10]。到汉代，人们对磁性有了新的认识，即磁石不能吸铁以外的物体。如《淮南子》记载：“若慈石之能连铁也，而求其引瓦则难矣。”[11]又云：“慈石能引铁，及其于铜则不行也。”[12]这是对磁石能吸引铁属物质而不能吸引非铁属物质的真实描写。

又《淮南万毕术》云：“磁石拒棋。”注：“取鸡血与针磨捣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，置局上，即相拒不休。”棋头涂以磁石，便赋磁性。相拒不休，是指磁石同性相斥、异性相吸现象。这与其说是一种游戏，倒不如说是一种磁性实验。由此，人们对于磁性的认识加深了。

对磁性的了解和掌握，有多方面的用途。利用磁石的指极性，制造出司南，可以指示方向。这在先秦时期就已出现。如《韩非子·有度》记载：“故先王立司南，以端朝夕。”东汉时，王充《论衡·星应》还记载了一种司南的形状：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”据近人王振铎研究，司南是天然磁石琢磨而成的勺状物，底部呈球形，放在地盘上，可以自由旋转，旋定，其柄指南。这里所说的地盘，是用铜或漆木制成的，呈正方形的物体，四周标有八干[13]、十二支和四维（乾坤巽艮），合为24个方向。中间天盘呈圆形，作投转司南之用。整个地盘是采天圆地方之制。这种司南可以看成是后世指南针的前身。

磁性还可以应用于医学方面。中国最早用磁石作为药物治病的记载，见于《史记·仓公列传》。该传记载：“齐王侍医遂药，自炼五石服之。”五石指的是磁石、丹砂、雄黄、矾石和曾青五种矿物性药物。《神农本草经》所列举的46种矿物药中，也有磁石。书中说：“慈石味辛酸寒，主周痹风湿，肢节中痛，不可持物，洗之酸痟。除大热烦满及耳聋。”这里对磁石的药疗作用也作了说明。

此外，磁石还可以应用于建筑、军事等领域。

三、炼丹术的兴起

炼丹术是我国古人为追求“长生”而炼制丹药的方术。大体说来，它包括以下三个方面：第一，用各种无机物，包括金属和矿物，经过化学处理制作“长生药”的研究；第二，为了研制“药用”的人造黄金或白银而进行的冶金研究；第三，为了寻求植物性“长生药”而进行的药用植物研究。所以说，尽管炼丹术的目的是荒诞的，所依据的理论大部分是唯心主义的，但由于这种炼丹实践给炼丹家们提供了许多对自然现象进行观察研究的机会，客观上对我国古代的化学、冶金学、药物学及生理学作出了突出贡献，它被认为是中国近代化学的先驱。

早在战国时期，人们就开始寻求“长生”之方。《战国策》中已有方士向荆王献“不死之药”的记载。齐威王、齐宣王、燕昭王都曾使人入海求药寻仙。秦始皇统一中国后，即遣徐巿（福）等人入海求仙，又派“燕人卢生求羡门、高誓”，“使韩终、侯公、石生求仙人不死之药”。据研究，秦代已有炼丹活动。当时的炼丹，主要是提炼丹砂；丹砂，就是红色硫化汞。红色硫化汞一经加热，就会分解出水银（汞），水银和硫黄化合生成黑色硫化汞，再加热使它升华，又恢复到红色硫化汞的形成。所生成的水银，是金属物质却呈**状态，圆转流动，容易挥发，与寻常物质不同。古人对这些现象感到神奇，遂用这些物质制作“神丹”，作为“长生”之药。据说，当时有“韩终丹法”“羡门子丹法”，都是以蜜或酒拌和丹砂而服食。

到汉代，炼丹术有了很大的发展。西汉时，汉武帝刘彻为了“长生久视”，曾经在民间广求丹药，并且招致方士亲自炼丹。据史书记载，先是“齐人之上疏言神仙奇方者以万数，然无验者”，武帝“乃益发船，令言海中神山者数千人求蓬莱神人”。在众多的方士中，李少君是最重要的人物。他曾向汉武帝提出：“祠灶则致物，致物而丹砂可化为黄金，黄金成，以为饮食器则益寿，益寿而海中蓬莱仙者乃可见，见之以封禅则不死，黄帝是也。”于是，汉武帝“始亲祠灶，遣方士入海求蓬莱安期生之属，而事化丹砂诸药齐为黄金矣”[14]。与汉武帝同时代的淮南王刘安也“招致宾客之士数千人……言神仙黄白之术，亦二十余万言”。此外，“有枕中鸿宝苑秘书，书言神仙使鬼物为金之术，及邹衍重道延命方，世人莫见”[15]。这里提到的黄金，是炼丹家用丹砂制作的黄金，其物理性质与黄金相似，是一种仿黄金或伪黄金。这种黄金，就其用途而言，是一种药金。从史书记载看，当时制作伪金的人不在少数。《汉书·景帝纪》中元六年（前144年）十二月条记载：“定铸钱、伪黄金弃市律。”作“伪黄金”者就是指炼药金的道士，因作者之多，故不得不以律禁之。不过，由于汉代许多帝王将相、贵族豪强的提倡，这一法律实际上也是徒具形式，各种各样的炼丹之术不仅没有因此消失，反而日益发展起来。

中国古代炼丹的方法可分为火法和水法两种。这两种炼丹的方法在秦汉时期均已出现。前文所提到的最早的炼丹材料丹砂即红色硫化汞，其研制方法用的就是火法。所谓火法，主要是带有冶金性质的无水加热法。在现存的汉代丹经中，对这一方法的运用有大量的记载。成书于西汉末或东汉初的《黄帝七鼎神丹经诀》一书，记载了九种神丹大药的药方和炼法，其中的“神符”、“柔丹”、“伏丹”都是在土釜中加热汞制得，用的是火法。如该书对于铅汞还丹的炼法是这样记载的：“取汞三斤，纳土釜中，复以玄黄覆其上，厚二寸许。以一土釜合之，封以六一泥，外内固济，无令泄。置日中暴，令大干，乃火之。湿者不可，得火则拆破。如调丹华法，以马通若糠火，火之九日夜，寒一日。发之，药皆飞著上釜，状若霜雪，紫红朱绿，五色光华，厚二分寸余，以羽扫除之。”[16]玄黄一名黄芽，即“仙经涂丹釜所须”的黄丹（铅丹）。因为铅丹在500℃以上能分解放出氧气，氧气又能与汞结合生成氧化汞而凝结在温度较低的上釜内壁，所以上述升炼产物为氧化汞（HgO）。这是用火法，以黄芽制汞为丹的还丹炼法。

在大量的炼丹实践中，秦汉时期的炼丹家们还能用火法制成各种汞合金，即汞齐，如锡、金、银、铅等金属的汞齐。西汉淮南王刘安所著的《淮南子·天文训》说，“明镜”要“粉之以玄锡”，“玄锡”就是铅汞齐，是古时用作制铜镜时候的抛光剂。东汉末年著名的炼丹家魏伯阳在其所著的《周易参同契》一书中，也介绍了铅丹的制作方法，并说：“胡粉投火中，色坏还为铅。”就是说，经炭火的作用，胡粉（碱式碳酸铅）不但色变，而且质也变了，还原为铅。这表明中国古代炼丹家对于铅粉与铅的互变关系有一定的认识。与魏伯阳大致同时或稍后的东汉炼丹家狐刚子，可以说是用火法炼丹的专家。在他所著的《五金粉图诀》一书中，记载了他的“九转铅丹法。”所谓“九转”，是指先以铅制备铅丹作为原料，再从铅丹出发用炭火还原出铅，接着以所得铅复炼为丹，如此反复九次。由于铅丹在500℃以上会发生分解，所以狐刚子又特别强调，制铅时不得用“猛火”。从这里不难看出，当时人们虽然是为了寻求长生不老之方而炼丹，但客观上却把中国古代的冶金水平推进到了一个新的高度。

秦汉时，人们除用火法炼丹外，还采用水法炼丹。他们在溶解金石药的长期实践中，对水溶液中的复杂反应取得了相当丰富的经验性认识。中国古代用水法炼丹处理药物的方法，大致有以下几种：化（溶解，有时也用熔化）、淋（用水溶解出固体物的一部分）、封（封闭反应物质，长期静置或埋于地下）、煮（在大量水中加热）、熬（有水的长时期高温加热）、养（长时间低温加热）、酿（长时间静置在潮湿或含有碳酸气的空气中）、点（用少量药剂使大量物质发生变化）、浇（倾出溶液、让它冷却）、渍（用冷水从容器外部降温），以及过滤、再结晶等。用水法制备药物，首先要准备华池，就是盛有浓醋的溶解槽（有时用缸、盆代替），醋中投入硝石和其他药物。硝石在酸性溶液中能提供硝酸根离子，起到类似稀硝酸的作用，所以许多金属和矿物能被它溶解。中国古代炼丹家有意识地在醋酸中加入硝石，用近代化学观点来说，就是将酸碱反应和氧化还原反应统一起来加以应用，这在化学史上是一种创造。而这一方法，至少在西汉时人们就已发现。在迄今所知的世界上现存的最早的炼丹术著作、淮南王刘安时就已行世的《三十六水法》一书中，保存了古代炼丹家溶解34种矿物和2种非矿物的54个方子。如该节第一方为“矾石水”方，书中说：矾石水（含有铜盐）“以华池和，涂铁，铁即如铜”。另一本书《淮南万毕术》也说：“曾青得铁则化为铜。”曾青难溶于水，需要在酸性条件下才能较快地进行置换反应，而醋酸则是水法炼丹中常用的溶剂。这说明西汉时的炼丹家在用水法炼丹过程中，已掌握了铁对铜盐的置换反应的知识。这一反应的发现，奠定了唐宋时代水法炼铜——胆铜法的基础。当然，由于受到时代条件的限制，他们还不能对水溶液中的金属置换反应作出正确的解释。

值得一提的是，水法炼丹并不是千篇一律地都使用醋和硝石，方法是多种多样的。如《黄帝九鼎神丹经诀》介绍了制取硫酸钾的方法：用热水溶化朴硝和硝石，取澄清的混合溶液加热蒸发，使它浓缩，然后在小盆中用冷水从外部降温，经过一宿的时间，溶液中生成的硫酸钾就慢慢结晶出来。这是利用溶解度的不同制取药物的方法，也是化学史上的一项创造。

总之，秦汉时期炼丹术的产生与发展，不仅直接推动了药物学、冶金技术的发展，而且也出现了不少与化学有关的创造与发明。在我国现存的最早的药物学专著《神农本草经》中，把炼丹常用的40多味金石药分别列入上、中、下三品，其中丹砂还被列为上品第一，即是医药学吸取炼丹术成就的一个明证。至于炼丹所用的一些方法与技术，则在冶金技术中得到广泛的应用，并且一直影响到后世，同时对中国古代化学的发展起了积极的促进作用。因此，可以说，炼丹术是中国古代科学技术上一个特殊的领域，一门独立的学问，其丰富的内容仍有待于我们作进一步的开发和利用。

四、生物学知识的丰富

中国古代的生物学是与农学和医学的发展紧密地联系在一起的。秦汉时期，随着农业和医药卫生事业的不断发展，人们对动植物的接触和利用的范围日益扩大，生物学知识也日渐丰富。这一时期，人们不仅有了较为准确的生物分类知识，而且对于各种生物的属性、形态有了更为精确的了解，并在农业和医学诸方面加以广泛的应用。

对于生物的分类，是生物学的基本要素，也是人类认识和利用生物的重要手段。从秦汉时期留下的各种典籍中，可以看出当时人们已对各种动植物有了相当的认识。成书于西汉时期的《尔雅》一书，提供了较为完整的中国古代生物分类知识。《尔雅》是中国最早的一部词典，是一部专门解释古代词语的著作。在这本书中，涉及生物分类的，有释草、释木、释虫、释鱼、释鸟、释兽、释畜等篇，其中前六篇主要包括野生的植物和动物，最后一篇主要讲家养动物。从它的篇名排列次序来看，反映了当时人们对于动植物的分类认识，就是分植物为草、木二类，分动物为虫、鱼、鸟、兽四类。这是中国古代劳动人民对动植物分类的朴素的、自然的认识。

在《尔雅》一书中，记载了许多动植物的名称，反映了当时人们较为丰富的生物学知识。如在《释草》篇中，记载了一百多种植物名称，都是草本植物；《释木》篇记载了几十种木本植物名称。《释虫》篇载有80多种动物名称，其中绝大多数为节肢动物，其余为软体动物，因此，虫类大致相当于现代生物分类学上的无脊椎动物。《释鱼》篇列举了70多种动物，以鱼类为主，还有两栖类、爬行类、节肢动物、扁虫类和软体动物。《释鸟》列举了90多种动物，除蝙蝠、鼯鼠应列入兽类外，其余均属鸟类。《释兽》列举了60多种动物，均属兽类。由此可见，《尔雅》不仅对于动植物的分类基本上是正确的，而且也反映出当时人们对每一类生物的认识是相当明确的。

《神农本草经》是中国两汉时期一部最重要的药物学著作。该书共收录植物及植物性药物252种，动物及动物性药物67种，基本上包括了现代中医的常用药物。书中还根据药物的性能和使用目的的不同，将药物分为上、中、下三品。上品药一般是毒性小或无毒的，大都是“主养命以应天”的补养药物；中品药有的有毒，有的无毒，多兼有攻治疾病作用并能滋补虚弱的药物；下品药多是有毒而专用于攻治疾病的药物。这是中国药物学最早的分类法，也是生物学领域的一种分类学说。虽然从动植物分类上看，它较之先秦时期的《礼记》及两汉时的《尔雅》不同，更倾向于人为的分类而不是自然的分类，但是，由于书中不仅记述了药物的名称，还深入地记载了各种药物的性味、药效、主治乃至产地，因此，就其对动、植物的认识而言，不论从广度或深度上看，都比先秦时期大大地发展了。

人们在从事农业生产时，也大量地接触到各种生物。从现有的文献记载看，两汉时期人们已对作物的栽培与农作物病虫害的防治有了相当的了解。如《氾胜之书》指出，种豆时要灌水，“临种沃之，坎三升水”，种麻时遇“天旱，以流水浇之，树五升”，说明要根据天气、土壤等环境情况，进行合理灌溉，以保持植物体的水分平衡。该书还介绍了利用雪水处理种子使稻麦耐寒多实，利用灌溉水控制田间温度促进稻麻生长，用手摩果实控制瓠定向生长，以及独特的施用种肥的泼种法等一系列方法。这些方法都是改善农作物或园艺作物生态环境的增产措施。《汉书》中还记载了当时人们在蔬菜栽培上的“温室栽培法”。当时太官园中，冬天能种植“葱韮菜茹”。其办法是“覆以屋庑，昼夜熬（燃）蕴火，待温气乃生”[18]。这种方法，虽然只是在个别地方采用，尚未普及，且其技术水平也不及现代农业，但在当时无疑是一项了不起的发明。

在古代，农作物的生长常受到各种病虫害的威胁。因此，对于各种昆虫及其习性的了解十分必要。两汉时期，一些进步的思想家针对当时流行的“天罚说”，将害虫的繁殖与人事相联系的错误观点，进行了有力的驳斥，提出了唯物主义的有说服力的见解。如东汉时期著名思想家王充认为，害虫的繁衍与人事无关，它们与其他的生物一样，也需要一定的食物和气候条件：“甘香渥味之物，虫常生多”，“然夫虫之生也，必依温湿，温湿之气，常在春夏，秋冬之气，寒而干燥，虫未曾生”。他还注意到昆虫各有自己的生活史，“出生有日、死极有月，期尽变化，不常为虫”[19]，进而谈到用干暴麦种、煮马粪汁浸种和驱赶蝗虫入沟内加以杀灭等方法，就能防治虫害。这种用理性的方法去研究和处理病虫害，无疑具有重要的思想价值。

遗传与变异，是生物学中两个十分重要的概念，也是自然界中广泛存在的现象。两汉时期，人们在大量的生产和生活实践中，对于生物间的遗传与变异现象也有了一定的认识。如王充在《论衡》中说：万物“因气而生，种类相产”[20]，“物生自类本种”[21]。这里说的就是物种的遗传性。他还进一步指出：“万物生天地之间皆一实也。”[22]即万物的生殖和种类的各种特性遗传给后代，都是通过种子“实”来实现的。如“草木生于实核，出土为栽孽，稍生茎叶，成为长短巨细，皆由实核”[23]。这就是说，植物的个体发育是从种子开始的，亲代的特征可以通过生殖而由种子留传给后代。但不同种类的生物却不能**和繁殖，因而也不可能有什么遗传。他说：“若夫牡马见牝牛，雌雀见雄鸡，不相与合者，异类故也。”[24]对于生物的变异现象，史书也多有记载。如《尔雅》中就记载了多种马以及它们之间的差异。王充《论衡》中还清楚地论述了生物的变异。他指出：“种类无常”，“同类而有奇，奇为不世，不世难审”[25]，并举出许多例子加以说明。如“越常献白雉。白雉，雉生而白色耳，非有白雉之种也”[26]。就是说，白雉与平常的雉一样，只是毛色出现了白色的变异，并非特别的种类。在《氾胜之书》中，对多种农作物的选种提出了具体的要求，这显然是当时人们利用业已掌握的生物遗传与变异知识以提高农业生产的一个例证。