罗盘、枪炮、印刷术和钟表的出现

时间:2023-12-13 22:19:03

在这个伟大的转折时代,由中国人的四大发明所推进的技术上的进步也是欧洲产生近代科学的动力之一。在诸多技术发明中,罗盘、枪炮、印刷术和钟表的出现具有特殊的意义:罗盘使航海事业如虎添翼,促使全球一体化;枪炮既摧毁了欧洲古城堡的封建割据,也打开了世界每一角落的大门;印刷术使知识不再为少数人所垄断,而真正成了全人类的财富;钟表则使人类的生活进入了一个快节奏、人工化的时代。

罗盘、枪炮、印刷术和钟表的出现

磁针罗盘最早于13世纪在欧洲出现。由于它对航海有特殊的用处,罗盘制造技术发展很快。到了15世纪,用于航海的罗盘已非常普及,而且人们认识到磁针所指与真正的南北极方向有微小的差异。

枪炮的出现与铸铁技术的高度发展以及火药配制技术的提高密切相关。中国人发明的火药大约先通过阿拉伯人再通过十字军被带到欧洲。欧洲关于火药的最早文献记载是罗吉尔·培根在1247年的一封信。早期的火炮类似一个瓶子,里面装有火药,点燃后从喷射口发出有箭头的炮弹。这个瓶子式的装置起初用铁条箍成筒形,到了1350年已主要用青铜浇铸,再过几十年改用生铁铸造。大约在同一时期,用引火线点燃的火绳枪也已被制造出来,到了16世纪,火绳枪被改进成用燧石扳机打火。火器的出现促进了人们对弹道学的研究,而这方面的研究是近代力学的基础性工作。此外,火器的大规模使用开辟了近代技术的标准化、规范化之先河。因为枪弹要求高度的可互换性,这就导致了对枪支零件标准化的关注和研究。

中国的印刷术陆续通过蒙古人对欧洲的入侵而传到欧洲。欧洲人结合自己的文字形式进一步改进了印刷术。德国美因茨的古登堡于1436年至1450年用金属活字印刷术印出了极为精美的书籍,是近代印刷术的开山祖师。纸的大量生产以及印刷术的使用,使欧洲人更容易读到《圣经》,读到新教思想家的著作,使文艺复兴运动和宗教改革运动在更大范围内开展起来,日益深入人心。

机械时钟是修道院制度的产物,也是中世纪手工制作技术高度发达的见证。古代人的计时装置有日圭、漏壶(水漏和沙漏)以及刻有刻度的蜡烛或香。中世纪后期欧洲出现了摆轮钟,以重锤的重力作为动力。13世纪形成了一股风气,所有的大教堂尖顶上都安装这种摆轮钟。1232年至1370年这100多年里,欧洲出现了39座这样的时钟。现存最早的教堂摆钟是多佛摆钟,安装于1348年。这些摆轮钟一般比较粗糙,走时不太准确。时钟的改进历史是与整个近代人类文明史同步的。

机械钟工艺史上的划时代的进步是由近代科学的先驱伽利略和惠更斯推动的。伽利略发现了单摆的等时性,惠更斯则运用单摆的等时性原理制造了第一个摆钟。摆轮的摆动直接来自动力轮的驱动,因而受制于动力机构中摩擦力的影响,摆轮钟精度很低。而单摆的摆动本身不受驱动力的影响,使摆钟的精度大大提高。到了17世纪中叶,时钟的最小误差由每天15分钟减少到10秒钟。

17世纪之后,机械钟表工艺的进步被航海事业的大发展极大地推动。在大海上航行最需要知道船所在的地理位置,即经度和纬度,否则会有触礁沉船的危险。通过太阳的视位置可以很容易地测定纬度,但经度就不太容易。天文学家认识到,经度直接取决于当地时间,如果能够比较不同地方的当地时间,就能知道它们之间的经度差。地球自转一周是24小时,相当于经度变化360度,每小时相当于15度。然而,若想在航行中知道比如祖国的当地时间,就得携带在祖国校准过而又能在颠簸的航行中保持准确的钟。经度问题马上归结为可携带的准确的时钟问题。

当时的摆钟都经不住海上的摇晃。于是有人尝试用发条做动力,用摆轮做等时器。物理学家胡克意识到发条可以做动力储存装置,但他只说没练。第一个制造出靠发条驱动的钟表的是荷兰物理学家惠更斯。1761年,英国人约翰·哈里森制造出了高精度的航海时计,在9个星期的航行中,误差只有5秒。而100年前惠更斯制造的钟,最好的精度是每天差5分钟。