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至迟到西汉中期，出现了性能较白口铁为好的灰口铁，并很快被用作工程材料。河北满城一号汉墓出土的铁锭，经检验是含低硅、中磷、低硫元素的灰口铁，出土的轴承则为灰口铸铁，具有承载能力大、润滑和耐磨性能好等特点。对河北满城二号墓出土的西汉中期的生铁锭、铁生沟出土的熟铁块和河南渑池出土的汉魏时期的若干铁器的化学成分的分析表明，其含硫量都很低，均在0.07％以下，含磷量偏高些，在0.11％～0.38％之间，用现今国内外炼铁的标准衡量，也是合格的优质铁。灰口铁和优质铁的生产，正是炼炉巨型化、鼓风设施强化以及其他技术进步的产物。
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炒钢、百炼钢和铸铁脱碳钢技术
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炒钢技术的发明与百炼钢工艺的日益成熟，是秦汉时期钢铁技术得到重大发展的又一标志。西汉中期前后，虽然在冶炼块炼渗碳钢时，反复加热、锻打的次数有明显的增多，使钢的质量逐渐得到提高，但由于块炼铁生产效率低，钢铁的制作在原料上受到很大限制，致使百炼钢技术的发展十分缓慢。到西汉中、晚期出现了利用生铁“炒”成熟铁或不同含碳量的炒钢新技术，即将生铁加热成半液体、半固体状态，再进行搅拌，利用空气或铁矿粉中的氧，进行脱碳，以获得熟铁或钢的新技术。上已述及的铁生沟遗址中的低温炒钢炉就是为此目的而设计的，其地出土有含碳量不同的铁料（含碳量为1.288％、0.35％等），大概就是通过不同的加热、炒炼和锻打等工艺措施得到的不同钢料。这项新技术的发明，在炼钢史上是一项重大的技术突破。它使冶铁业能向社会提供大量廉价优质的熟铁或钢料，满足生产和战事的需要。在一定条件下，能够有控制地把生铁“炒”到所需要的含碳量，然后加热锻打成质量较好的钢件，大大促进了百炼钢的发展，使之进入成熟的阶段。1974年在山东苍山县出土了汉安帝永初六年（112年）“三十炼”环首钢刀，1978年在徐州一座小型汉代砖室墓中，发现了一把汉章帝建初二年（77年）的“五十湅”钢剑，经鉴定它们都是以炒钢为原料，经多次反复加热折叠锻打而成的。这说明东汉前期，炒钢以及以此为原料的百炼钢工艺已经相当普遍地被使用了。而在东汉时期，铁兵器完全代替铜兵器，锻制农具和钢工具显著增多的情形，正与这项新技术的发明与推广有着密切的关系。
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欧洲用炒钢法冶炼熟铁的技术在18世纪中叶才开始出现，比我国要晚一千九百余年。
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铸铁热处理技术在汉代有很大发展，臻于成熟。在南阳瓦房庄汉代冶铸遗址所出9件铁农具，经检验有8件是黑心韧性铸铁，质量良好，有一些和现代黑心韧性铸铁已无大的区别。北京大葆台西汉墓葬、南阳瓦房庄冶铸遗址及河南渑池汉魏铁器窖藏都出土具有钢的金属组织的铸铁件，有的残存着少量微细的石墨，它们是经脱碳热处理获得的白心韧性铸铁或铸铁脱碳钢件，由于熔铸时经过液态，杂质很少，质地相当纯净，性能良好，可以用作剪刀一类刃具。由实物检验可知，黑心韧性铸铁多用于要求耐磨的农具等，白心韧性铸铁多用于要求耐冲击性能较好的手工工具，说明当时的冶铸匠师对不同材质的性能及适用范围已有较深入的认识，能较为正确地选材和加工以达到工艺要求。南阳、古荥等处还出土有大量薄铁板，它们经脱碳热处理已成为含碳较低的钢板，可以锻打成器，这实际上是创造了一种新的制钢工艺，是我国古代所独有的。
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尤其突出的是，巩县铁生沟汉代冶铁遗址所出铁，具有和现代球墨铸铁的I级石墨相当的带放射状的球状石墨，类似的有球状或球团状石墨的铸铁生产工具已发现了6件，这是我国古代铸铁技术的杰出成就，而现代球墨铸铁是1947年才研制成功的。
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从铸造技术上看，秦汉时期铁范的使用已大为普及。战国时期，已经出现的叠铸技术（多层陶范叠装，一次铸得多件产品，现代铸造学称为层叠铸造），这时得到了进一步的发展。河南省温县发掘的一处汉代烘范窑，出土有五百多套叠铸范，有16种铸件，36种规格，其总浇口直径为8～10毫米，内浇口薄仅2毫米左右，一套范有4～14层不等，每层有1～6个铸件，最多的一次可铸84件。这就大大提高了生产效率。这一时期铸造工艺出现了更细的分工。根据对汉代铸造作坊出土器物的考察，它大体可分为制模、制范、烘范、熔铁、浇铸等作业，尤其是烘烤铸模、铸范以及铸模、铸范的制造精密，在铸造工艺中起着重要的作用，从而保证了铸件的质量和降低了次品率。
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综上所述，我国早在汉代，钢铁技术已发展到了较为成熟的阶段，封建时期手工业生产的技术条件所能容许和社会生产所需要的钢铁技术除灌钢外已基本齐备。汉代冶铁业规模巨大，遍布全国的冶铁作坊和精湛的钢铁技术成为汉代工农业生产进一步发展、国力增强的重要物质基础。铸钱业也是重要的手工业部门，采用铜范、铁范和泥范来制作，武帝时统一币制，铸五铢钱，至西汉末年共铸钱280亿枚。除铜、铅、锡外，秦汉时期金、银、汞的产量也有很大增长，我国封建时期所能冶炼的八种金属（金、银、铜，铁、锡、铅、汞、锌），除锌以外，在秦汉时期都已掌握其冶炼工艺了。
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图4－7 汉代叠铸范及其铸件（河南温县出土）
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中国科学技术史稿（修订版） [:1701078153]
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四 天文学体系的形成和杰出的科学家张衡
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历法体系的形成
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随着秦王朝的建立，秦颛顼历也就成为统一颁行全国的历法。汉初，仍继续沿用颛顼历。到汉武帝时期，颛顼历日见疏阔，在年终放置闰月的方法等也不能适应当时农业生产发展的需要，于是改历势在必行。公元前104年，汉武帝下令由公孙卿、壶遂、司马迁等人“议造汉历”，并征募民间天文学家二十余人参加（其中著名的有唐都、落下闳、邓平、司马可、侯宜君等人）。他们或作仪器进行实测，或进行推考计算，对所提出的18种改历方案，进行一番辩论、比较和实测检验，最后选定了邓平的方案，命名为太初历。从改历的过程我们可以看到，当时朝野两方对天文学有较深研究者，可谓人才济济。特别是来自民间的天文学家数量之多，说明在社会上对天文学的研究受到广泛的重视，有着雄厚的基础。我国古代制历必先测天，历法的优劣需由天文观测来判定的原则，这时就已得到了确认和充分的体现，这对后代历法的制定产生十分深远的影响。
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太初历的原著早已失传，西汉末年刘歆基本上采用了太初历的数据，把太初历改名为三统历，它被收录在《汉书·律历志》里，一直流传至今。太初历已具备了气朔、闰法、五星、交食周期等内容。它首次提出了以没有中气（雨水、春分、谷雨等十二节气）的月份为闰月的原则，把季节和月份的关系调整得十分合理，这个方法在农历（或被称为夏历）中一直沿用到现在。太初历还第一次明确提出了135个朔望月中有23个食季的食周概念，关于五星会合周期的精度也较前有明显提高，并且依据五星在一个会合周期内动态的认识，建立了一套推算五星位置的方法。这些都为后世历法树立了范例。
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关于月亮每日运行平均度值的概念，至迟在汉代也已形成。在《淮南子·天文训》中就指出：月亮每天运行十三度又十九分之七（由此可推得一恒星月长度为27.3218504日，与理论值之差约为17秒）。到三国两晋南北朝时期，各历法所给恒星月长度值误差降到5秒左右，而在唐宋以后大多数历法恒星月长度的误差已小于1秒，达到了很高的精度。
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东汉早期，天文学家李梵、苏统等人发现月亮视运动的不均匀性。92年贾逵指出：“（李）梵、（苏）统以史官候注考校，月行当有迟疾……乃由月所行道有远近出入所生，率一月移故所疾处三度，九岁九道一复。”【18】这里明确指出了李、苏二人不但认识到月行有快慢，而且已定量地认识到每经一近点月，月亮的近地点（即所谓“疾处”）向前推进3度。更可贵的是，他们指出了月行有快慢是月道有远近的缘故，这是很重要的创见。
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东汉晚期的刘洪在乾象历（206年）中，首次利用这一重要发现于交食的推算。他第一次明确给出一近点月长度的数据为27.5533590日，与今推值27.5545689日相差约百秒。他由实测得到月亮在一近点月内每天的实行度数，因而造表，列出每天实行度数不及或超过平均速度的改正项，具体某一时日的改正项则以一次内插法求得，由此可以在依平均速度推算月亮位置的基础上，加上改正项，而得到较准确的月亮位置。这样也就提高了推算日月食发生时刻的准确度。刘洪把月亮在一近点月内运动的状况分为四个不同的阶段，每段约7日，大体正确地反映了月亮运动速度变化的真切情况，奠定了后世月离表的基础。不仅如此，刘洪还发现了白道（月行轨道面）同黄道（太阳视行轨道面）之间有一个六度左右的夹角，这同现在测得的结果也很相近。他还首次指出了黄白交点退行的现象，实际上已经给出了一个交点月的长度值。刘洪还提出了食限的概念，对为何不是每次朔望都发生交食的问题提供了解答。他指出在合朔时，月亮离黄白交点不超过十五度半才发生日食，后代各历都通用此数作为是否发生日食的判断数据，它同现代的数据也大体相近。刘洪所给出的交食周期也较前精确，他还首次指出了先前历法所定的回归年长度偏大，使用了较前准确的回归年和朔望月长度的新数据，对后世产生了积极的影响。
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从太初历到乾象历（其间还有一个东汉四分历，由编䜣、李梵、贾逵等人于85年集体修订，它比太初历有显著进步，如他们测得黄赤交角的数值已达到较高的精度；又增加了二十四节气昏旦中星，昼夜刻漏和晷影长度等新内容，为后世历法所遵循，等等），我们看到两汉历法，确已为后世历法的发展提供了楷模，已经形成了一个独特的体系。
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我国古代的历法有十分广泛的内容。历日制度的安排取阴阳合历的形式，日月五星的视运动以及与之相关的气、朔、闰、交食、晷漏等均为其研究的课题。所谓独特的体系，是指进行上述问题的研究时采用了一整套独特的方法，形成了鲜明的风格与特点。对日月五星视运动的各种周期（朔望月、近点月、交点月、恒星月、回归年长度、交食周期、五星会合周期等等）和有关天文常数（二十八宿的距度、黄赤交角、黄白交角、昼夜刻漏、晷影长度以及第五章将要谈到的岁差值等）的测定，和对月亮在一近点月内逐日的运行情况（月离表）、太阳在一回归年内逐气的运行情况（日躔表，这在第六章中将要谈到）以及五星在一个会合周期内的动态（五星动态表）的测定，构成了历法的基本框架。而当推求某一时刻日月五星的位置时，则将某一特定历元到该时刻的长度，减去相应周期长度的若干倍，得一余数，据此于月离、日躔或五星动态表中作进一步地计算，采用代数的方法（主要是内插法）推算所求时刻日月五星的具体位置，并解决气、朔、交食等相应的问题。这就是我国古代历法体系的基本内容和方法。它又与我国古代特有的天文仪器、宇宙理论、系统的天象观测等一起，构成了天文学体系的丰富内容。
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天文仪器和天象记录
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秦汉时期测量仪器的进步也是十分突出的。在制定太初历时，落下闳改进了浑仪，并以此重新测量了二十八宿的距度。汉宜帝时，耿寿昌以铜铸成了用以演示天象的仪器——浑象（相当于现今所谓的天球仪），这在我国天文仪器史上是一个创举。东汉早期，浑仪不断得到改进和完善，汉和帝永元四年（92年）贾逵在要求制造黄道铜仪的奏议中说：“臣前上傅安等用黄道度日、月弦望多近，史官一以赤道度之，不与日、月同。”【19】这说明民间天文学家傅安等人，已经制成了置有黄道环的浑仪，并用以观测日、月行度，得到了比仅有赤道环的浑仪要精确的结果。和帝永元十五年（103年）制成了“太史黄道铜仪”。另外，“去极度”（北天极与天体间的弧度）概念的出现表明，浑仪上也应有了四游环（即赤经环）的设置。秦汉时期天文仪器的发展，到张衡而达到一个高峰，这在下面还要讲到。
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秦汉时期，对于天象的观测和记录有两个明显的特点。第一是各种天象的记录趋于齐备，出现了准确的太阳黑子记录。《汉书·五行志》载，“河平元年（公元前28年）三月己未。日出黄，有黑气，大如钱，居日中央”，对黑子出现的时间、形状、大小和位置均作了明确的记述。此后，仅在二十四史中，就有一百多次黑子记录。新星和超新星的明确记载也首见于汉代，如“元光元年（公元前134年）六月，客星见于房”【20】，是中外历史上都有记载的第一颗新星，但西方记录未注明月、日及方位，不如我国记录简明、准确。又如“中平二年（185年）十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消”【21】，是世界上最早的超新星记录。自此以后到1700年，我国有90个新星记录，其中可能有11颗超新星。
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第二是天象记录日趋详尽、精细。如对日食的观测，不但有发生日期的记载，而且开始注意到了食分、方位、亏起方向及初亏和复圆时刻等。关于彗星记事，对于彗星运行路线、视行快慢以及相应的时间都用生动而又简洁的文字描绘出来。对于极光的记录，无论数量还是质量，此时也较前增加和提高。据统计，截至1751年，我国共有极光记事近300次。
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