紙幣的發明
紙幣是北宋時期的一大發明，當時稱為“交子”。南宋和金朝都開始大量發行紙幣。
紙幣是近代以來銀行製度的技術基礎。人們常常忽略這一偉大發明的重要性，但馬可·波羅(1254～1324)沒有忽略它。他在元朝初期將紙幣帶回了歐洲。當時以聚金積銀為富的封建主和舊式商人認為這不可思議，但當資本主義生產發展起來後人們都感到了紙幣的方便。這是繼遠古人類以物易物、繼而發明以金銀或銅錢為主的貨幣以來，貨幣形式的又一次革命。紙幣後來也是資本主義交換機器的潤滑劑，資本主義全麵地利用了這一發明，就像利用了火藥、指南針和印刷術一樣。
北宋和南宋發行紙幣的原因主要是大地主大商人對金銀和銅幣的集中積存，大量貿易引起的金錢外流，使國家感到每年鑄造的銅錢已經捉襟見肘了。這是整個社會與唐代相比商品經濟更加發達的標誌。金國發行紙幣的原因同宋相似，但它的商業不如南宋發達，金朝後期由於抵抗蒙古的入侵，軍費開支巨大，財政出現危機，就靠大量印發紙幣維持。
紙幣的發行給社會經濟生活中帶來了一個新的不穩定因素，使貨幣貶值的問題更加尖銳。在經濟和政治穩定的社會環境中，如果對發行的數量加以合理控製，那麼這種方便交換的新貨幣也可以成為商品經濟的催化劑。但在專製統治的自然經濟中，經濟的崩潰與社會動亂和改朝換代聯係在一起，在這種關頭，經濟利益並不靠經濟政策來調節，而依靠暴力來改變。因而，前朝的紙幣對後朝來說一錢不值。而且，即使是在一朝之中，紙幣的貶值也是不斷發生的。在任何情況下，首當其害的大多是一般中小商人和普通百姓。因而，和平時期紙幣在自然經濟的日常生活中扮演了一個方便交換的臨時性角色，而且或多或少加劇了社會財富的進一步集中。當整個社會在天下大亂中過渡到一個新的政治基點上之後，紙幣自身的價值便消失了。在它加劇社會財富的集中並導致社會徹底重組這個意義上，紙幣又多少是一種革命性的角色。不過，其代價是它本身在社會的徹底重組中完全喪失價值。
宋朝科學技術的全麵發展
宋朝對軍事指揮係統的改革加強了皇帝對軍隊的控製，但同時限製了將帥才能的發揮，削弱了軍隊的戰鬥力。而且，經過改革後高度集權的政治統治，即使是在軍事上取得勝利的前提下，也不宜於駕馭北方強悍而要求相對自由的少數民族統治者。這樣，與唐朝相比，宋朝不但沒有西北和華北充足的軍馬基地，而且還不得不處於同從西到東的北方邊界上的夏、遼(金)勇健的騎兵部隊作戰的境地。
在北方的軍事壓力下，宋人表現了對軍事學術和技術極大的研究熱情。在《宋史·藝文誌》中所列的宋代兵書共有347部，計1956卷，約為唐代的6倍!其中流傳至今最有名的是北宋朝廷組織修纂、由曾公亮(998～1078)和丁度主編的《武經總要》。這部書中最先給出了火藥的確切配方。另外還有前代從未出現過的關於兵器製造和軍事工程方麵的專著。這些著作的大量出現表明宋人已不像前代人那樣僅從兵法方麵來研究戰爭，而開始從純粹的武器技術方麵來研究戰爭了，同時也表明宋代除了出現火器這種新式武器之外，所有傳統的冷兵器和戰爭器械都有了改進和新發展，其品種繁多無比。《武經總要》中所記述的就有攻城器械：壕橋、各種雲梯、轅車(攻城時隱蔽人員用)、搭車、餓鶻車、鉤撞車、燒城門樓的火車、臨衝呂公車等；守城機械：撞雲梯車、飛鉤、夜叉雷、甕聽、吊車、狼牙拍、塞門刀車、絞車、磚擂、木擂、鐵鏈夾棒等；障礙器械：鐵蒺藜、拒馬槍、鹿砦、扌芻蹄、地澀等。所有這些進步，當然首先要歸功於那些官營軍器工場的工匠以及那些熱心於新兵器研究和改進的吏民了。朝廷在這方麵的積極作用是對於新器械(包括非戰爭用途的器械)的發明和創製者給予各種獎賞——賜衣物束吊、錢，增月俸，升官等，並且還對一些新發明及時加以推廣，因而宋代“吏民獻器械法式者甚眾”(《宋史·兵誌》)。
相對北方的其他少數民族政權而言，宋朝控製著經濟文化發達的中原大部和已經全麵開發了的南方，因而一係列新的技術發明首先在這裏誕生。這是一個相對優勢。但對於有大量漢族人民生活的並且多數少數民族亦在日益漢化的北方諸政權來說，中原的任何一種新發明都會很輕鬆地在北方得到應用。因而，宋朝在技術上的優勢還沒有完全扭轉它在軍事上的被動局麵。
除了前述的偉大發明和軍事技術方麵的進步，宋代在所有中國傳統科學技術領域都留下了新的記錄。
北宋一名主管營造的將作監(官營工場長官)李誡(?～1110)組織創作了中國曆史上最著名的建築學專著《營造法式》。這本書集中反映了中國建築以木結構為主的特點，在當時最傑出的代表作是北宋首都汴京的虹橋，顯然，隻有在京師這樣的地方才有建造裝飾性的木橋的必要。就實用和耐用的角度而言，石橋要遠勝於木橋，因為石材和木料相比，不但耐磨性好，而且不會因潮濕水浸後腐朽。建於1053～1059年間的洛陽橋便是一座梁架式石橋，它坐跨在宋的南方貿易城市泉州東北的洛陽江上。南宋於1138～1151年間在福建晉江安海鎮用花崗岩建造了一座約25千米的安平橋(五裏橋)，這座橋跨海與南安縣的水頭鎮相連，作為中國最長的古代橋梁基本完好地保存到了今天。南宋晚期的1237年前後所建的福建漳州的虎渡橋(江東橋)是中國古代最大最長的石梁橋。
1026年，北宋的王惟一(1022～1066年間的禦用醫官)撰修出《銅人腧穴針灸圖經》，統一了針灸家對穴位的看法。王為此還製造了一個銅人，用以對醫學校學生和針灸醫生的教學和考核。南宋時曾擔任過四任法官(提點刑獄官)的宋慈(1186～1249)寫出了一部《洗冤集錄》(5卷)，這是世界最早的法醫學著作，問世後在中國沿用達600多年，並被譯成了多種外文。
宋代的天文學家們繼續了傳統的天文觀測，995～1092年間，先後造了5架巨型渾儀，每架用銅達2萬斤左右。1010～1106年間，進行過5次大規模的恒星位置觀測活動，並且記錄了1054年爆發的一顆超新星。在1079～1085年間，天文學家們通過長期觀測天象，在原有星圖的基礎上畫了一張新的星圖。
1085年，支持王安石變法的皇帝趙頊以38歲而終。在此之後，王的新法遭到了司馬光(1019～1086)為首的一派大臣的反對。司馬光當時用了19年的時間，在幾個史學家的幫助下於1084年編寫出了傑出的編年史《資治通鑒》。這部書在客觀廣泛地取材時，用很大的篇幅記述了從戰國到五代共1362年間曆代君臣治亂成敗的事跡。然而，北宋政權這時也已臨近了難治大亂的關頭。
由於燕肅(生卒年不詳)在1031年發明了用恒定水位保持均勻流量的漏壺(蓮花漏)，在朝廷做官的泉州人蘇頌(1020～1101)和韓公廉組織人於1088年製成了水運儀象台。它用漏壺的流水為動力，推動齒輪係統，使儀器保持和天體一致的運動速度。水運儀象台可以演示和觀測天象，並計時和報時。這個複雜的機械機構與張遂和梁令瓚造的天文鍾相似，但更為複雜精巧，可說是當時世界上最複雜的機械運動係統了。蘇頌為此寫了一部專著《新儀象法要》。另外，蘇頌還是一位藥物學家。可以肯定，當時泉州這個外國商人聚集的城市對年輕的蘇頌產生了影響。他在官場曾於1092～1093年間升至右相，短暫的在位說明這位技術專家在當時波詭雲譎的政界不如在天文機械方麵得心應手。
到南宋時期，宋的江山隻剩下半壁，但天文學家們仍然觀測著全部星空，並在這個王朝接近滅亡的1247年，由黃裳(1148～1196)生前繪出的一張8尺×25尺的星圖被摹刻於蘇州聖廟石碑，這便是我們今天所見的蘇州石刻天文圖，在它上麵刻著1430顆星座。
科學家沈括，生於杭州，通過讀經考取進士並多年為官，用功極勤，精研科學技術。沈括在為官時曾受王安石派遣，於1075年赴遼國進行邊界談判，拒絕割地。他晚年被罷官後在鎮江所寫的名著《夢溪筆談》證明他是一位博學的科學家。這本書總結了他的前代特別是北宋時期科學技術的成就，是一部內容無比豐富的古代科學技術百科全書。對於今天來說，它的價值在於向人們描繪了一幅北宋時代中國科學技術高度發達的曆史圖像。它記錄了當時已出現在社會上的各種各樣的新發明和各類知識，對普通平民的創造和社會地位高的人的成就給予了相同的重視，這一點無疑是符合科學精神的。建築師喻皓(五代末宋初人)的《木經》和建築成就、畢昇的泥活字印刷術、水工高超(慶曆年間人)的合龍堵口方法等都被他認真地記錄下來。
沈括既是一個科技史家，也是一個出色的研究者。他於1072年推薦淮南人衛樸入司天監主持修訂奉天曆，八年而成。他自己也曾大膽地提出了一個曆法改革方案：以十二個節氣定十二月，以立春為一年之始，以便於農時。顯然這不能被大多數人接受，因為傳統的曆法已經深入到中國人的生活之中。王安石的改革因觸及了不少人的經濟和政治利益而遭到反對，沈的曆法方案因會給許多事情帶來麻煩而被否定。在習慣和改革之間有時候很難判定是非。沈括在數學方麵研究過高階等差級數求和一類的問題，對透光鏡和凹麵鏡做了研究和觀測，還做過振動實驗，他已認識到華北平原是由泥沙淤積而形成的。他是世界上史載最早發現磁偏角的人(歐洲人在400年後才發現)。他的可貴品質是博聞廣記，留心觀察和親自動手研究，並試圖推索出自然界的“理”。當然，他清醒地知道，在自己的時代“欲以區區世智情識，窮測至理，不其難哉?”(《夢溪筆談》)無論如何，他在科學技術方麵的智識已達到了他那個時代的學者所能達到的峰巔。值得特別指出的是，沈括的《夢溪筆談》一書是一位老者罷官閑居時的總結性、記述性著作，因而可以看做他生活的那個時代一般知識分子在科技知識方麵所能達到的最高水平。由於沈括也是從讀經和參加科舉考試開始他的為官生涯的，可見儒學並未限製他對科技知識的追求。實際上，他說的用“世智情識”“窮測至理”，便是現代人所說的科學。
宋代的開礦業有了很大的發展。宋英宗在位時期的1064年，鐵的產量已比唐憲宗統治時期的806年增加了4倍，這個增加數字是在治區縮小的情況下取得的。如果把整個西夏和遼國的數字都加在一起，實際增加的倍數還要大得多。宋朝有的礦山的規模已達10萬人之多!全國共有近300處冶鐵場。用煤代替柴薪燒火取暖早在漢代就開始了，不過，在唐朝白居易(772～846)的《賣炭翁》詩中，我們看到唐代的都城中還是以燒木炭為主的。在宋代的汴京中，燒石炭取暖已十分普遍了。用煤煉鐵早在漢代就開始進入試驗階段，在北魏人酈道元的《水經注》中已有明確的記載，但隻是在宋代，這項技術才開始廣泛地應用到冶金方麵。1078年，徐州利國監的大鐵礦(朝廷所經營的礦山)用煤煉鐵。無疑，盡管西亞人最先開始冶鐵，但中國人卻最先開始用煤煉鐵。用煤煉鐵的缺點是產品含硫量較高，但由於煤的燃燒值高於木炭，所以能夠節省下大量的木炭。在人口增加、鐵產量增加和木材日益緊缺的情況下，煤便日益成了煉鐵的基本燃料。北宋時期開封城裏還有煉製“猛火油”的作坊，這是對石油的加工利用。
此外，為增加爐溫和強化煉鐵過程，在宋、西夏、遼等地區的煉鐵場中都出現了用木風扇鼓風的新技術。木風扇是東漢時杜詩發明的鼓風水排改進而來的。北宋時發明的鐵匠和農家爐火用的手拉風箱是最初的活塞式機構。另外，宋時民間還改進了水車，發明了用燭火熱氣轉動的走馬燈(這種供觀賞的燈實際上是現代燃氣渦輪的雛形)。
由於開礦業的發展，北宋末期人杜綰對礦岩作了認真研究。杜綰寫了一本礦岩學著作《雲林石譜》，表明他對古代魚類化石的形成有了基本正確的看法。他寫這本書的時候正是北宋政權臨近滅亡之時，書於1133年出版，已是北宋被金推翻後的第7年。隨著這場宋王朝南遷的曆史動蕩，各地手工業工場的發展出現了一些新的變化，一些地區的繁榮趨勢減弱了，而另一些地區則慢慢地發展起來，但就宋王朝而言，南宋時期它的國力衰落了，發展僅僅局限到了南方的半壁江山。
宋時農業發生的一個重大變化是水稻的種植和產量上升到了全國糧食作物的第一位。這主要是由於北宋初期依靠種稻免租的政策把在南方生長的水稻推廣到了北方。而且，還從越南引進了成熟早、抗旱力強、對土壤肥力要求不高的占城稻，從朝鮮引入了顆粒飽滿的黃粒稻。另外，北方的小麥也開始向南方大力推廣。南宋的陳(生卒年不詳)於1149年寫成了《陳農書》。這是中國現存最早的關於南方水稻栽培地區農業技術的一部著作，而以往的所有農書都是以論述北方農業生產技術為主的。
宋代是中國種棉業發展的一個重要時期。棉花是印度地區最早種植的作物，中國海南的黎族和雲南西部的傣族人在漢代以前已開始種棉。西域各國在兩晉南北朝時期開始種棉，但當時隻用棉花織成粗棉布供當地人穿用，還沒有大批的貿易棉布。北宋時的棉布主要沿海路從印度和阿拉伯商人那裏得到。棉布的流傳刺激了宋代人種棉的興趣，南方的種植業首先發展起來。到南宋後期，江南和東南沿海一代的棉花種植已有了蓬勃的發展。很明顯，棉花的獲得遠比蠶絲的獲得容易，在一個人口大大增加的社會中，用棉布作為珍貴的絲羅錦綢緞的補充是非常必要的。從此之後，棉布繼麻布、絲綢和毛織品、皮料等材料之後，也成了中國人的主要衣著材料。由於紡織業的發展，宋代出現了用水力驅動的大紡車，南宋時還發明了軋棉的纜車。當時中國的各種紡織機械的複雜和精巧都居於世界首位。中國人最早發明了養蠶和製絲業，紡織業是中國古代社會最主要、最持久的技術支柱之一。
和兵器製造業的進步聯係在一起，宋代傳統的手工工具和農器製造都取得了相應的進步。在鑄造工件方麵，北宋留下了7丈3尺高的河北正定縣的隆興寺銅佛(重10萬斤以上)，以及湖北當陽縣玉泉寺鐵塔(13級，重10萬多斤，為分級鑄造而成的，工藝精美，裝飾圖像生動)。中國傳統的陶瓷製造技術進一步純熟——對外貿易始終是這一傳統手工業發展的一個推動力量。宋代彩瓷、青瓷、白瓷的工藝超過了唐代。在900～1000年間(五代十國到北宋初期)，製瓷技術傳到了波斯，進而向西方那些早已掌握了製陶技術的地區輕而易舉地擴散。1223年，日本人加藤四郎來到中國，學會了造瓷技術。
在南宋快要滅亡的1260年，中國人對車馬的係套方式有了重大的改進，以鞍套、圍脖、夾板為主的駕馬套車方式出現了。這使牲畜的力量得到了最好的發揮。
宋朝最大的數學家是到南宋時才產生的。北宋時最有名的數學家隻有賈憲(11世紀人)。賈憲的兩部數學著作失傳了，但他以首創高次冪開方法——賈憲三角而留名。
南宋時出現了一位大數學家秦九韶(1202～1261)。秦生於四川，輾轉來到了南宋的京城杭州。除了古代數學遺產外，秦還經常“從隱君子受數學”，這些隱君子中有中國民間數學家，也不乏旅居杭州的阿拉伯學者和商人。他寫了《數學九章》，創立求數學方程正根的方法。在秦九韶看來，數學“大則可以通神明，順性命；小則可以經世務，類萬物”(《數學九章序》)。
比秦九韶年齡小一些的杭州人楊輝也是南宋一個有名的數學家。楊輝於1261～1275年間寫出了5部數學著作，其中有《詳解九章算法》12卷和《續古摘奇算法》2卷。他對簡捷算法十分有研究，“楊輝算法”便是一個成果。在楊輝最後一部數學著作問世的4年以後(1279)，杭州城被元兵攻破，所以他可能在元朝初年度過了餘生。人們借助他的著作還可了解北宋數學家賈憲的一些成就。
宋代在技術方麵是一個新發明層出不窮的時代，出現了一大批發明家、能工巧匠和有影響的科學家。但宋王朝的國祚卻一步一步地江河日下。在經濟方麵，宋朝從一開始就沒有實行過大的改革，中國社會的一個基本矛盾——土地集中和無地人口增加的問題始終存在。農民的反抗在兩宋初期、中期和末期都時有發生。王安石在1067年的艱難改革便是企圖從根本上扭轉宋朝國運日下趨勢的嚐試，但失敗了。北宋王朝被金兵推翻後，南宋時期已根本沒有力量問師中原。宋代統治者的政策在很多情況下起到了推動科學技術發展的作用。然而，宋代產生和成熟了的一大批科學技術成果沒有能夠改變宋王朝走下坡路的趨勢。
最後還應看到，宋代人對他們的新發明也不光應用在生產、戰爭和經濟生活中，而且也應用到了文化生活的其他方麵。例如用火藥造成了爆竹來做慶賀的禮炮，在發明了紙幣的同時，還把它應用到了祭祖方麵，在喪禮和掃墓時便燒以數量很大的紙錢、紙人和紙馬，來完成一項禮儀。
在宋代產生的一種最不文明和不人道的做法也許要數婦女纏腳，這一習俗可能在五代時開始，在宋代盛行起來，它表明漢族人在逐步失去唐代那種豪放的開放精神。這大概是因為宋距唐已遠，宋初“田製未立”，且放縱地主兼並土地，生活日益富有閑裕的地主對文化生活的要求高了，在中原和江南新興的城市生活中，繁榮和頹靡同時滋生。宋代漢族人的生活中缺乏其他民族的習俗和風氣，而且在社會內部又不能產生新的政治、經濟、文化方麵的變革，沉悶的社會風氣便孕育出了這種病態地對待婦女的心理，人們以摧殘婦女的生理天足為追求美的方式。這種習俗從根本上是不符合儒家的傳統思想的，因為孔子十分強調“身體發膚，受之父母，不可損毀”。從宋代開始一直到中華民國初期纏足被開始根除時，一代又一代的大家閨秀和小家碧玉以及無數窮苦人家的女子為此承擔了無窮無盡的肉體痛苦，並且日益被排擠到社會生活的後台。奇怪的倒是在北方遊牧民族——蒙古族和滿族統治中國的時期，盡管接受了中國傳統的政治思想，但卻沒有按照他們的標準(過遊牧生活的婦女是不可能纏足的)來革除漢族人的這一落後習俗。當然，這也許並不奇怪，因為他們隻是統治者而不是革新者。總之，中華文明在自己的科學技術最輝煌的宋代，也產生了自己最落後的習慣，預示著這個文明在缺乏世界外部強烈新刺激時已經暴露出了“裹足不前”的一麵。
遼國興衰中的技術
與北宋相比，公元916年(唐滅亡後的第10年)建立的遼國明顯的優勢是沒有中原和南方地區那樣的世族豪強，這有利於新興的契丹貴族政權的政治統治。在經濟方麵由於遼地兼有農業和牧業，使遼國能夠建立一支強大的騎兵。由於唐帝國以來對遼東的開發，遼的技術水平是同中原地區相當的。大量的漢族人民保證了中原在技術上的進步能被遼國毫不費力地移植過來。遼的弱點是民族矛盾始終存在，當掌權的貴族集團日益在政治上和心理上蛻化之後，這個政權就比較容易被其他民族推翻。女真族的金國正是在這種情況下取遼而代之的。
與中原及南方的宋朝地區不同的是，遼國境內不是中國文化的中心，社會的文化環境不同於宋朝。在遼國當官的漢族官員沒有多少人熱心著書立說，更沒有去談論“理”和“性”之類的學說。遼是一個注重實際生活的國家，惟一重要的文化事業是參照漢字在立國之後創製成契丹文，用於發布命令和撰寫曆史文獻。在冶金、建築、紡織、工具和武器製造方麵，遼卻不比中原遜色。雖然火藥最先不是由遼國應用到軍事上的，指南針也由於海上貿易不發達而在這裏不被重視，但遼代在山西建造的應縣木塔卻作為世界上最高的木結構建築(6731米)而屹立至今。在契丹人征服回鶻之後，遼從新疆得到了西瓜。另外，通過遼同中亞的阿拉伯人的陸路接觸(遼的西界在今天蒙古人民共和國的中部)，中國的數學中有名的“契丹算法”傳入了中亞，並在13世紀初傳入歐洲。遼國同中亞在陸路上的密切聯係還表現在遼滅亡時中亞被視為一個新的歸宿地。耶律大石(1087～1143)率領的軍隊在金兵的打擊下保護部分人西奔中亞，征服了西域幾個小國，擊退了塞爾柱土耳其人在那裏的勢力，於1124年建立了西遼國。這個王國存在了87年，最後並入了蒙古帝國的版圖。無疑，這個新國家的存在吸引了一大批契丹人、漢人和河西少數民族的西遷，中國的技術和文化通過這個國家伸入了中亞腹地。
金的盛衰和科學技術
金的崛起正是遼衰落的時候。由於金在滅遼時也從中原趕走了北宋王朝，所以，這個北方的新王朝對南遷的宋王朝扮演了一個比遼更強大可畏的角色。統治了中原大部分地區之後，金的經濟和技術實力大大增強了，從最初以遊牧民族為主的部落集團變成了以農業民族為主的國家，最後在科學和文化方麵都更接近一個傳統的中原王朝。據《金史·世紀》記：“生女直(金)舊無鐵，鄰國有以甲胄來鬻者，傾資厚賈以與貿易，亦令昆弟族人皆售之。得鐵既多，因之以修弓矢，備器械，兵勢稍振，前後願附者眾。”
金是第一個以北京為都的王朝，最先在北京建造了宮殿，建造了天文觀象台。火藥是中原地區的最新技術，最初北宋用它來對付金兵。金兵在打敗宋兵後便掌握了這一技術，並用火藥武器來對付蒙古人的軍隊。結果又是蒙古軍隊打敗了金兵，並用火藥武裝了他們自己。就像相對先進的技術沒有幫助北宋戰勝金一樣，金也沒能依靠中原的先進技術戰勝蒙古騎兵。金經曆了同它的前代遼一樣的曆史命運——崛起，強盛，衰落，經常陷入民族矛盾、經濟矛盾、階級矛盾、統治集團內部的矛盾等曆史漩渦之中。
金朝時期，在中國北方出現了三位醫學大師：河北人劉完素(1120～1200)拒絕做官，在民間行醫，研究《黃帝內經》達35年之久，著有《素問玄機原病式》和《傷寒直格》、《宣明論方》等。他最為得心應手的是用寒涼藥物治療熱性疾病。河南人張從正(1156～1228)繼承了劉的思想，著《儒門事親》醫書15卷，他擅長用汗、吐、下三法攻邪驅病。師承劉完素的河北人李杲(1180～1251)根據《黃帝內經》的思想建立了補益脾胃、滋養元氣的治療原則，著有《脾胃論》、《內外傷辨惑論》、《蘭室秘藏》等。
李冶(1192～1279)是金代最大的科學家，也是當時世界上最偉大的數學家之一。他的名字原來叫李治，為了把自己和唐高宗李治區別開來，便在治字中去掉了一點。李冶是河北人，父親在金朝做官。他在進京參加科舉考試後被錄取，被任為陝西的一個地方官，後升遷為河南中州(禹縣)的地方行政長官。當元兵滅金後，他先後在山西和河北隱居研究數學，並結交誌趣相投的朋友切磋學術。他寫了許多數學著作，但在臨終前告訴兒子，除了留下《測圓海鏡》外，燒掉其他書。在他看來，隻有這本書才對將來的人有用處，但他的兒子並沒有按照父親的囑咐去做，所以他的《益古演段》和另外幾部書都留了下來。李冶在隱居期間多次受到元世祖忽必烈(1215～1294)的召見。在強召下李冶入京當了幾個月的官，參與撰修遼、金史的工作，但隨之以年老為由辭官回家，重新投入自己的學術生活中。
李冶的著作表明中國的數學家對高次方程(天元術)的研究已達到了極高的水平。這位和秦九韶、楊輝同時代的北方數學家批評了當時讀經的知識分子中把數學視為九九賤技的思想。在談到數學的意義時他說道：“謂數為難窮，斯可；謂數為不可窮，斯不可。何則，彼冥冥之中，固有昭昭者存。夫昭昭者，其自然之數也。非自然之數，其自然之理也。”(《測圓海鏡·序》)自然之數反映自然之理，這是對數學和自然界事物規律性關係的正確認識。另外，他同時也指出數的關係“遠而乾坤端緒，幽而神情鬼狀……大可以通神明，順性命；小則可以經世務，類萬物”。李冶的這些思想是無愧於大數學家稱號的。
李冶成長在金代，開始專門研究數學在元代，他的主要著作都是在金亡十幾年後才寫成的。可以設想，如果他像他的同時代人劉秉忠、許衡、姚樞等人那樣去元朝宮廷做官，那麼他可能就沒有很多的精力來完成數學方麵的研究。但也可以肯定，他的家產和在金朝做官時的積蓄完全可以支持他簡樸的學術生活，否則他也無法完成數學的著述和研究。
(六)元朝科技
天時和曆史命運
蒙古族居住在額爾古納河上遊，唐代稱為蒙兀室韋，同建立北魏的鮮卑、建立遼的契丹和建立金的女真等同屬於漢人所說的東胡。蒙古族傳說自己是蒼狼白鹿之後。他們過著黑車白帳，隨水草而徙的生活。宋遼夏金政權在近300年中，彼此對峙，無力北顧，草原上的蒙古族部落得到了自由發展的機會。在南宋和金朝時代，蒙古族在遊牧過程中向西發展，其西部部落已進入昔日為匈奴故地的蒙古高原中西部，與畏兀爾(回鶻或維吾爾)毗連。1206年，成吉思汗統一了蒙古各部落。
這時宋金都已在多年交兵中損盡元氣，在政治上均無清明之氣，經濟上麵臨困境，人民反抗時起時伏。西夏政權偏安一隅，但已近遲暮之年。成吉思汗有了向南發展、各個擊破這幾個政權的曆史時機。對西夏、金和南宋來說，正是所謂“高原水出山河改，戰地風來草木腥”了。
在西方，強大的阿拉伯帝國已四分五裂，塞爾柱土耳其人在中亞和西亞擴張的浪潮已經平息，花刺子模王國也已進入分裂衰朽時期。歐洲封建王公和天主教會組織的十字軍、拜占廷帝國、阿拉伯人、土耳其人之間的戰爭消耗了各方的力量。因而，蒙古騎兵從亞洲草原上的西進是難以阻擋的了。
從成吉思汗稱大汗的1806年到南宋消亡的1279年間，經過成吉思汗和他的子孫們的軍事擴張，一個從東亞橫亙到東歐的世界曆史上空前絕後的大帝國——蒙古帝國建立起來了。1281年，元世祖忽必烈進攻日本的十幾萬大軍遭暴風全軍覆沒，蒙古帝國的擴張止於海洋。
北方之馬力，中原之技巧
蒙古部落在唐代是一些技術上非常落後的遊牧部落。由於草原地區缺乏鐵，有兵無甲，甚至多數箭鏃也是骨的。在向西發展時期，從與金和西夏的貿易中得到了鐵之後，才進入了鐵器時代。成吉思汗在其軍事生涯一開始就不斷以新技術武裝他的騎兵。山西渾源人孫威(1183～1240)給他獻了一副鎧甲，這位慣於彎弓射大雕的一代天驕親自用強弓也沒有射透，隨之便封孫威為五路工匠總管。在攻滅了西夏和金的部分州縣後，蒙古政權在這裏建立了自己的軍器、軍需手工業工場，生產軍隊裝備和軍需品。在兵鋒指向西方時，伊斯蘭世界的工匠也加入了蒙古帝國的手工業生產行列。蒙古軍隊在對待反抗的城市居民時經常實行屠戮政策，但惟有能為軍事機器出力的工匠會得以幸免。由於大量中亞工匠加入了兵器製造的行業，加上蒙古帝國的版圖又擴展到了歐洲，所以，蒙古軍隊的刀劍和其他武器的製作吸收了中亞和歐洲的風格，工藝考究，加工精良，更加輕便鋒利。特別值得提到的是1271年來到中國的阿拉伯人亦思馬因和阿老瓦丁，他們是巨型拋石機——回回炮的製造專家。他們的巨石炮在蒙宋戰爭中成了宋朝城池的災星。這二人的家族和後代後來一直擔任著元朝“回回炮”製造和使用的首領。正如《黑韃事略》所記，蒙古人“滅回回後，始有物產，始有工匠，始有器械……滅金虜，百工之事，於是大備”。
蒙古部落不但迅速進入了鐵武器時代，而且很快就有了火藥武器。這是從金國虜去火器工匠後得到的。成吉思汗在西征時已用上了火罐、火箭、火藥炸彈，他的子孫們在進攻南宋時受到了火藥武器的打擊，但他們自己也在這個時候擁有了火藥武器。在進攻巴格達、日本時都使用過火藥。而且，忽必烈的元朝把宋的竹管突火槍改進成了金屬管形火器。現在發現的世界上最早的這類武器—一銅火銃，便是元帝國時期創造的。金屬管形火器相對於用機械拋射的火藥炸彈和用弓箭發射的火箭以及用火藥推進的原始火箭來說，是最有前途的火器，因為它把火藥的動力和殺傷力結合在一起，而且可以直接瞄準並在遠距離殺傷敵人。當蒙古帝國衰落之後，東方世界便開始慢慢失去對西方的技術優勢。最後，曾受到東方威脅的歐洲人便依靠改進了的火器來進攻東方最古老的帝國。當然，這是成吉思汗去世600多年後的事了。
在談論蒙古帝國的出現時，不能忘記蒙古民族自身的某些優越條件。遊牧生活所造就的對新的疆域和土地(草原)的渴望，高超的騎術和在廣闊地域機動作戰的能力，對艱苦生活的忍耐和承受能力，以及取之不盡、驅之不乏的馬匹……這些優點，在裝備了強弓硬箭、標槍、刀斧、劍盾和火藥武器之後，再由雄才大略的首領來指揮，馳騁於一個不存在任何強大帝國的亞歐大陸上，自然會像一股草原上疾行的狂風。金朝的最後一個皇帝金哀宗(?～1234)曾認為，蒙古之所以常勝，是由於“恃北方之馬力，就中國之技巧耳”(《金史·完顏婁室傳》)。顯然，沒有這兩個條件，成吉思汗就不能完成他的征服事業。
與中亞交彙的學術
由於阿拉伯世界的學者大量來到中國，而宋代以來中國科學技術已經相當繁榮，中國傳統的科學和技術得到了新的營養，因而在元帝國這樣一個民族十分複雜的遼闊國家裏，依然有著沿古老的傳統向前發展的力量。
元朝建立之前，追隨成吉思汗的金國人趙知微和契丹人耶律楚材都曾研究過天文曆法。忽必烈的哥哥蒙哥大汗幼時曾師從阿拉伯人學習過歐幾裏得的幾何學(由阿拉伯數學家從希臘文摘譯成阿拉伯文)。伊爾汗國建立後，旭烈兀(1219～1265)派阿拉伯天文學家在伊朗西北部建立了馬臘格天文台。許多中國人和西班牙人也在這裏呆過。後來蒙古族天文學家烏魯伯格(1394～1449)在撒馬爾罕建立了天文台，通過觀測，在1420年編成了《烏魯伯格天文表》，這個表曾在中亞和歐洲風行一時。
忽必烈在這方麵也不甘落後，他曾廣泛地搜羅各地名士和科學家。除數學家李冶始終不肯在元朝為官外，金國學者王恂(1235～1281)和郭守敬(1231～1316)、波斯人紮馬魯丁(元初人)、阿拉伯人愛薛(1226～1308)等和一大批東西方學者則聚集到了這個政權之下。元朝時在天文學和數學方麵出現了中國和阿拉伯世界兩大流派熔於一爐的繁榮景象。
郭守敬是其中的佼佼者。據《元史·天文誌》記載，金亡時留在北京的天文儀器已殘舊，他被任命負責新儀器的設計和監造。郭守敬在這時大膽而天才地改進了西漢時製出、宋時改造、金時沿用的渾天儀的結構。過去10噸多重的銅儀器經過他的改造後結構簡單多了，反而能更加方便地觀測天象。經他改造過的渾儀結構與原來有很大的區別，實際上是一個地平經緯儀，當時被稱為立運儀，現在一般稱簡儀。除此之外，他還設計製造了另外十幾種天文和記時儀器。利用新儀器，郭守敬組織測量了前人未命名的1000餘顆恒星，使記錄的星數從以前的1464顆增加到2500顆，並編製了當時星數最多的一張星表。在當時的天文儀器中，還有紮馬魯丁製造的六七種中亞人用的天文儀，這些中亞儀器的漢名說明它們和傳統的中國天文儀器的功能差不多。據說這位波斯人還在中國製造了第一個地球儀。但不知他是根據什麼思想和數據造的，因為當時地球各個部分還沒有被人類完全發現，甚至它的球形也隻是一些人的推測。但他帶來23種阿拉伯文的科學書籍則是肯定的，其中之一是希臘人托勒密的《天文集》的譯本。
擔任太史令的王恂和郭守敬的另一件重要工作是負責主編中國古代最優秀的曆法——授時曆。這個曆的回歸年的長度同今天的公曆相同。顯然，王和郭在數學計算方麵已經創造性地應用了阿拉伯人傳來的幾何學——球麵三角方法。郭守敬由於長於數學和天文，繼王恂升任太史令。他還主持了元初的幾項重要水利工程，發明了以海平麵為基準來計算兩地間高差的方法。為了一些水利工程設計，郭甚至還親自上溯考察黃河源。元代黃河源的最先考察在至元十七年(1280)，當時的招討使都實率人抵達河源，翰林學士潘昂霄按闊闊(都實的弟弟)的敘述，寫成了《河源誌》一書。自然，西藏並入元朝版圖是開展這一探險的政治前提。
在蒙古帝國擴張的過程中，地理考察十分時行。所以，元朝時出現了許多遊記、地理誌和圖誌之類的圖書。其中遊記有耶律楚材的《西遊錄》，隨丘處機(1148～1227，號長春真人)遊曆中亞的李誌常的《西遊記》，隨常德(蒙哥大汗時的特使)於1259年到波斯西北部西覲皇弟旭烈兀的劉鬱的《西使記》。還有作為元朝使者隨員到柬埔寨的周達觀(1295～1297年在柬)所著的《真臘風土記》，遊曆南海及印度洋沿岸各國的汪大淵所著的《島夷誌略》等。朝廷所修的地方誌是1300卷的《大元一統誌》。這部洋洋巨著中引用了北宋976～984年間成書的《太平寰宇記》中不少材料。當然，在地圖方麵最有價值的大概要算朱思本(1273～1337)繪的《輿地圖》了。他用10年時間，總結了唐宋以來的地理學成就，還做了不少實地調查，繪成此圖，它反映了元朝勘察河源的成果，精確度較高，成了明清輿圖的重要範本。這些地理知識大增了中國人對海外的認識，明初的鄭和下西洋是以此為前提的。
元代最有名的大數學家朱世傑(約1280～約1350)是河北人，他“周流四方，複遊廣陵(揚州)，踵門而學者雲集”(莫若：《四元玉鑒序》)。朱世傑是一位集當時數學之大成的民間數學家。他的成就不必多舉，僅《四元玉鑒》一部就夠了。這是一部講多元高次方程組和高階等差級數問題的書，其中高次招差的一般公式和後來牛頓的公式完全一致。他的研究水平已超出了秦九韶和李冶。有名的科學史家、美國人薩頓在《科學史導論》中稱朱世傑是“他所生存時代的，同時也是貫穿古今的一位最傑出的數學家”，他的《四元玉鑒》“是中國數學著作中最重要的一部，同時也是中世紀最傑出的數學著作之一”。顯然，朱世傑的成就已超越了中國古代數學經典著作的範圍。他的成就也超越了所謂中國數學隻研究實用問題的傳統。科學本身是超越民族的，中國學者也可以超越中國傳統——這種超越本身就是傳統在新的曆史條件下的新生。當然，任何超越都必須具備一定的社會曆史條件，這些條件是由更廣闊複雜的曆史自身造成的，是任何傑出科學家所不能隨意改變和創造的。朱的才華閃爍在元朝時曾曇花一現的中外知識雜彙的曆史背景上。他的數學思路中仍是以“天地人物”四元代替四個未知數來解四元方程，陰陽五行學說的影響也很明顯。在元朝時，阿拉伯數字和筆算方法已經傳入了中國，許多數學著作也由阿拉伯人帶到中國，中國的算術也影響了阿拉伯人的數學。在日本和朝鮮，南宋楊輝和朱世傑的著作都被翻譯刻印，日本的算學家們還對這些書加了注解。
元代中國的傳統醫藥學和中亞的醫藥學——回回醫藥學，進行了一次交彙，但這種交彙是不徹底的，因為醫藥學家各有所長，就醫者亦對醫生有所選擇。元朝設立的廣惠司是中亞人組成的醫療機構，它主要為宮廷炮製回回藥劑，為宮廷衛士和大都的外籍人治病。這個廣惠司在朝廷的地位相當高。太醫院裏中醫的地位仍然不低，而且在民間，漢蒙藏各族人民自然多由本族醫生看病，其中藏醫對蒙醫有很深的影響。這多少和元朝統治者尊重西藏的宗教有關。從政治的角度看，元朝對剛剛歸屬的世界屋脊上的宗教給予尊重也是明智的。由於中亞醫生的活動，某些新藥和特殊的治療方法在元代融會到中國傳統醫藥學中。同樣，中國傳統的醫藥學和針灸術也在中亞發生了很大的影響。
元代中醫方麵有兩個大家。一個是宮廷骨科醫生危亦林(1277～1347)。他寫了一部骨科專論《世醫得效方》，其中記有用曼陀羅和烏頭作麻醉劑的方法。危亦林在臨床中使用了這種方法。這是文獻所記的世界上最早的麻醉劑使用。在當時，這種技術無疑是使病人在開刀時免除疼痛的妙術。另一個是民間醫生朱震亨(1281～1358)，他是金代名醫劉完素的三傳弟子，著有《格致餘論》、《局方發揮》等。由於他用藥治病以補陰為主，故被稱為養陰派，是劉完素、張從正、李杲之後的金元四大醫家中的最後一位。元末明初的民間醫生滑壽也很有名。他曾從幾位醫生學習傳統的醫學文獻(《黃帝內經》之類)，尤其對針灸學有獨到的研究，與北宋禦醫王惟一齊名。他於1341年寫出了《十四經發揮》。日本人在針灸取穴時多以滑壽的穴位為標準。
元朝的政治及其後果
13—14世紀期間，元帝國差不多是世界上最強大而富有的帝國。以忽必烈家族為首的蒙古貴族集團統治了成熟的中國農業文明世界。這個王朝的統治給中國曆史帶來了雙重的影響：一方麵，使中國結束了自唐末以來的南北對峙局麵，塞內外重新統一，西藏正式並入了中國版圖，引來了一大批中亞和西方世界的新鮮知識、風俗和物產，中國成了一個世界性的國家，並在統一後的和平中得到了新的發展；另一方麵，中國統一和重新發展的代價是發生殘酷的、大規模的破壞性戰爭，大批積累起來的社會財富與新的國家統一同歸於盡，尤其是中國傳統的專製政治在元朝更加添上了落後的色彩——處於部落製發展時期的蒙古遊牧部落在征戰勝利中迅速拋棄了已不中用的原始民主遺風，發展成為世襲專製和子孫分封的政治製度。元朝在統治中國後按照落後的帶有奴隸製痕跡的政治意識把人分為四等：蒙古人(實際上隻是一部分貴族統治集團中的人)為一等，其下是中亞人和漢族的一部分特權分子，北方漢人和其他北方民族，最下一級是最後被征服的南方漢人和其他南方民族。對各等人在承擔賦稅和勞役方麵有不平等的規定。整個貴族對土地和財富的掠奪性占有情況極為嚴重。這種等級特權的代價是統治集團的孤立，同時也形成了各族人民在文化和心理上接近融合的阻力。當然，文化上的漢化或蒙化對於中國的發展都不一定完全是好事，但不平等的政治地位肯定不利於各族人民在經濟和文化方麵的相互促進。
元朝建立後在政治上采用了漢族地區已形成的一些傳統，包括推崇宋儒已經建立起來的理學，對孔子、關羽、周敦頤、朱熹等人都加以尊崇，辦起國學(包括國子學、蒙古國子學、回回國子學)、地方鄉學、書院、社學，實行科舉製度等。但文化措施不可能掩蓋政治上不平等的現實。經過不多幾代人，這種建立在民族偏見和政治經濟特權之上的統治集團注定要走向腐敗，並激起人民強烈的、不可遏止的反抗。這種反抗一旦發生，作為少數民族的統治者便處於極端脆弱孤立的地位。元朝宮廷曾在民間嚴禁兵器，但是1350年在黃河工地上的民工首先開始用工具反抗。說明在人民心中，中國最大的自然災害——黃河泛濫對他們造成的禍患，與朝廷和官府的壓迫相比已經是次要的了，所以這些治河民工才把治河的勞動工具變成了武器，繼而組織起了有名的紅巾軍。接著，遭受剝削和壓迫最甚的南方立即輕而易舉地建立起幾個獨立的臨時政權。就像自然界的黃河決口，洪水泛濫，不可阻擋，最後造成河流改道一樣，這是中國社會政治和經濟大堤的又一次大決口，其勢也是不可阻擋的。元朝的統治者甚至沒有能力組織強有力的鎮壓，反抗力量之間在相互爭戰後統一於朱元璋的旗幟下，元朝皇帝被重新趕到塞北的草原深處去了。
在曆史上，西晉末年北方民族入主中原的結果是促成北方民族的融合，漢族的語言和文化最後同化了少數民族。蒙古族統治者依靠軍事力量、政治特權和藏族、維吾爾、中亞文化的部分支持較多地保持了自己的民族特色，但他們統治的時間也相對短一些。元朝政治中的等級因素與傳統的漢族專製製度相比還要落後一些。但有一點是肯定的，農業民族的政治和遊牧民族進入農業文明後的政治都是傳統的政治。在這種製度下，可能使社會結構發生突變的所有科學技術果實無論多麼鮮美，都隻能像草原上一歲一枯榮的花草，而不可能像年輪連續延伸的大樹。所以，元帝國時傳入中國的西方新鮮知識和技術隻是一時豐富了中國的文化和社會生活，但卻沒有也不可能和中國的傳統文明交彙而生出可以發生突變的文明新種子。
另外一個值得注意的事實是，在宋元之際的無神論者鄧牧(1247～1306)之後的近一個半世紀中，中國沒有出現影響較大的思想家。這可能是由於元代的政治統治窒息了漢族學者的學術空氣，使思想天空布滿了經久不散的陰霾。
（七）明朝科技
重修長城和改進火器
秦代的長城在漢、北朝、隋時做過修補，唐代沒有修過長城(因為長城不是唐的邊牆)，五代後長城內外大部成了西夏和遼金的國土，元朝時長城一線成了中國政治的中心。元朝滅亡後，一部分殘餘勢力進入漠北，明朝政權統治了元帝國的大部分土地，但卻始終沒能把蒙古高原上的遊牧部落置於自己的政治統治之下，而這些部落在內部趨向統一時總想重溫大元帝國的舊夢。這就使明朝政權同漠北的蒙古部落一直處於對立之中。明朝在把首都遷往北京之後，長城便成為首都城牆的外圍了。
為了防止漠北蒙古騎兵南下的威脅，明成祖朱棣五次親征漠北，最後死於回軍的路上。朱棣是中國曆史上第一個親征於沙漠絕域的漢族皇帝，也是鄭和下西洋的倡導者，第一次以故宮紫禁城為皇宮。這位試圖威服四海的人沒有以長城為國界的概念。但在他身後不久，永樂雄風就減退了。明代先後在100多年裏重新修繕長城，今天所留的從山海關到八達嶺的磚石城牆以及西北河西走廊盡頭的天下雄關嘉峪關都是明代重修的。雄偉的新長城並沒有使明的江山固若金湯，由於高中級軍官大多世襲的情況也使承平日久的明朝軍隊在永樂朝之後戰鬥力下降。在1449年(歐洲英法兩國百年戰爭結束前4年)，明朝英宗皇帝的50萬大軍在河北懷來東部土木堡被入侵的蒙古瓦刺部落的騎兵襲敗，皇帝被俘，明朝經曆了一次危機。1472年，明朝大將餘子俊為防止蒙古韃靼部落的襲擾，在陝西北部又重修了1700裏新的邊牆。盡管明長城的工程量超過了秦，但卻沒有在長城腳下留下像秦代那樣多的白骨，也沒有新的孟薑女的傳說。這是因為明朝國力勝於秦代，而且不急於求成。
明代修築長城的行為仍然是從傳統的戰略思想出發的。實際上自宋元以來，火器的發展和應用正在使這種行為逐漸變得過時，因為火藥完全可以摧毀磚石城牆。明代的軍事家們沒有充分地看到這一點。但明代的火器專家們在改進火器方麵的工作卻使這一點在後來變得越來越清楚。
無疑，改進火器是擁有雄厚手工業基礎和物質資源的中原王朝的優勢。發揮這一優勢並建立一支以各類輕重型火器為主的軍隊，是在塞外強悍的騎兵部隊麵前取得優勢的保證。早在朱元璋稱帝的13年前，焦玉(元末明初人)曾給朱獻了十幾支他製造的火龍槍。此槍在試放時“勢若火龍，洞穿層革”，朱說道：“此槍取天下如反掌，功成當封大將軍。”明朝在改進火器方麵作了不少努力，火器軍(神機營)在軍隊中的編製一直處於增加的趨勢。在明建文帝(1399～1402年在位)時，大將李景隆的軍隊在同朱棣的軍隊作戰時便應用了多發火箭“一窩蜂”。明時發明的多發火箭還有“群豹橫奔箭”。這方麵最重要的發明要數多級火箭“火龍出水”，這是在水戰時所用的引火箭，在水麵三四尺的高度飛行可達二三裏。“飛空砂筒”則是一種可回返的多級火箭。所謂“神火飛鴉”則是一種高空集束引火箭。除了各種火箭，元時的火銃在明代被發展為各種前裝的巨炮和鳥槍、土槍。明成祖征漠北時火器發揮了相當重要的作用。明中葉，朝廷的10萬京軍中已有6萬火器手。萬曆年間(1573～1620)曾下令讓兵杖局在3年內仿造葡萄牙傳入的佛郎機炮3400尊，大將軍型號的炮10門，二將軍型號的炮79門，三將軍型號的炮20門，神炮669門，神銃1558支，小銅佛郎機銃50支，並隨用子銃、鉛彈、火藥等項。可見其生產能力已不小了。萬曆二十六年（1598年)，和戚繼光、胡宗憲的部隊有交往的軍器專家趙士禎(曾發明多種新型火器)發明了能夠在射擊後迅速裝填的迅雷銃。明朝末年在取得了荷蘭人的大炮時，立即由大學士徐光啟(1562～1633)和龍華民(1559～1654，意大利人，1597年來華，死於中國)、畢方濟(1582～1649，意大利人，1613年來華)、湯若望(1591～1666，德國人，1622年來華)等外國傳教士仿造，並用之於遼東同努爾哈赤的戰爭。除了前裝大炮和鳥槍外，明代的爆炸性火器炸彈、水雷、地雷和燃燒性火器火箭類等都有了明顯的改進。但當時明朝氣數已盡，崇禎皇帝中了清國的反間計，1630年，抗清的遼東明將袁崇煥(1584～1630)被剮，改進了的火器和堅城已難擋清軍的進攻了。
盡管明代在改進火器方麵有相當的發展，但中國的火器技術在明朝末年已經落後於歐洲的葡萄牙和荷蘭了。在徐光啟和傳教士們鑄造歐洲大炮時，比徐光啟小兩歲的意大利人伽利略(1564～1642)已經在研究炮彈的運動軌跡，並得出了拋體運動的規律。毫不奇怪，自從元朝時歐洲發生了文藝複興運動，資本主義生產於明朝時代正在地中海沿岸和歐洲的一些大城市中蓬勃地發展。那裏的手工工場裏，分工越來越細，專業化程度在提高，工藝改進的節奏相當快，產品質量已超過了東方。
一方麵加固長城，一方麵發展火器，這就是明朝的軍事技術史。僅從軍事學的觀點來看，前者是一種耗力費時而且漸趨過時的行為，後者卻是一種尋求革新的努力。這兩項事業在明王朝的曆史中是並行的。重修長城表明這個王朝在政治上和軍事上已經不能駕馭或征服塞外的遊牧民族，而在技術上，明朝也未能徹底地完成火器革命這一軍隊裝備更新換代的任務，它隻是靠這種從本質上來說是矛盾的技術戰略來求得江山的安寧和王朝的延續。曆史證明，在有了新長城和部分火器的條件下，這個王朝可以維持，但絕不可能永固。朱元璋開創並由永樂皇帝推進了的基業在代代相傳的過程中被這種製度本身所腐蝕。最後，長城一線最初曾得到土地而安居實邊的農民後代，大多數變成了流民，在一場旱災中，他們走投無路。李自成(1606～1645)的隊伍聚集起來，為明朝最後一個不昏聵也不英明、又無力回天的崇禎皇帝(1611～1644)送了葬。掌握著相當多的火器的朝廷軍隊被完全操著冷兵器的農民軍隊擊敗。接著，東北的女真族騎兵越過了明代建立起來的長城東端的天下第一關——山海關。
明代在應用火藥方麵還出了一位叫萬戶的民間發明家和探險家，這可能是1400年左右的事。據說萬戶把47支大火箭捆在一個座椅上，手裏持著兩隻風箏，試圖飛上高空。不過，他沒有成功，集束火箭的意外爆炸在半空中結束了他的夢想，但這個夢想卻留給了全人類。
皇家宮殿和私家花園
永樂年間是明朝生產恢複後國力強盛起來的黃金時代。朱棣做了皇帝之後，在文治武功方麵想做一些名垂後世的大事。在南京繼位後，他便派姚廣孝(1335～1418)、解縉(1369～1415)、劉季篪等人負責，由2000多人在5年內編修了中國最大的一部類書《永樂大典》，計11095冊，22937卷。鑒於北方的安全和開發，他計劃遷都北京，召集23萬優秀工匠至北京，並動用上百萬兵民在全國各地采木和營建北京宮殿——故宮宮殿群。這是盤布於從永定門到鍾鼓樓的8千米長的一條中軸線上的建築群，明朝建設後，在清朝康熙年間又進行了擴建。這一巨大工程完工後成了中國曆史上兩代皇朝政治舞台的中心。北京的故宮宮殿群作為世界上現存最大的古代建築群，曾體現著明、清兩代皇朝的威勢，以其輝煌雄偉而著稱，自1420年開始經曆了所有的曆史風雲。
人們今天都知道下令建築故宮的永樂皇帝，但卻很少知道建造它的那些成千上萬的普通勞動者。在這些人中間，兩個傑出的建築設計者幸而留下了名字。一個是江蘇吳江人蒯祥，據說他是天安門的設計者。另一個是越南人阮安，當時的越南北部在明朝的統治之下。他們都是有經驗的力學家、藝術大師和傑出的工程師。除了建設故宮，永樂年間還鑄成了中國曆史上最大的古鍾——永樂大鍾(現存北京大鍾寺)。它高675米，重465噸，內外鑄著23萬多字的佛經咒語，其聲可傳響5千米，是當時北京的“鎮物”。
在故宮建成約100年後建成的北京天壇與其說是力學和建築學的傑作，不如說是應用聲學知識的傑作。天壇的回音壁具有良好的有規則地反射聲音的效果。在現存的中國宮殿中，還有明朝末年(1641)世界屋脊上五世達賴喇嘛重修的布達拉宮。
在明代中期之後，由於南方經濟的發展，私家園林開始產生，最著名的要數蘇州的拙政園，這所花園距今已有400多年的曆史。除了蘇州眾多的私家花園外，無錫、揚州等地也開始建築私家花園。在整個明清時代，南方許多城市中的私家花園成了王公貴族的住宅和別墅。無疑，明朝私家花園的興起是整個社會財富增加時上層統治者中的一般成員生活水平升格的反映。在陰宅建設方麵要提到皇家陵園。帝王生前的住宅是宏偉的，他們的陵墓同樣宏偉。明代的北京十三陵是耗費了無數白銀修建起來的不朽的地下建築，盡管它們的主人早已成為土灰。
政治遠航和海外貿易
如果說明代最偉大的建築傑作故宮同永樂皇帝的政治雄心聯係在一起，那麼，鄭和(1371～1435)船隊在南洋和西洋(加裏曼丹島以西為西洋)的航行也與這位皇帝的政治雄心有關。這位皇帝在陸地上北擊大漠和草原上不肯內附的蒙古部落的同時，還把目光投向了浩瀚的大海。在某種程度上，大元帝國的業績吸引著他。
鄭和的遠祖為麥加王族，北宋時移居中國，其四世祖從成吉思汗西征有功，後代在元朝世代為官。鄭和11歲時被俘入明軍，後在燕王府為太監，並因戰功受朱棣賞識。1405年6月(農曆)由鄭和、王景弘及一批軍官率領的27800多名官兵和水手乘一二百艘巨型木帆槳船出海遠航印度洋。這種海軍遠征船隊式的遠航一共舉行了7次，直到宣德八年(1433)才結束，曆28年。鄭和等人的後半生基本上獻給了這項事業。這次航行的船隊遍抵南海和印度洋沿岸，以及波斯灣、紅海海口和非洲東海岸的30多個國家。
從技術的角度看，鄭和船隊的航海是一次極大的成功。它作為中國航海史和世界航海史上一次空前的壯舉而在印度洋上前人未涉的許多海域留下了航跡帆影，也是中國這個大陸國家首次大步邁向遼闊海洋的探險行為。鄭和船隊利用了中國的偉大發明：指南針，牽星板，裝有披水板、船尾舵和風帆的能夠在逆風頂水情況下航行的寶船。船上除了金幣和貨物外，還裝備了當時差不多是最先進的火藥武器。因而，除了戰勝海上的風浪之外，這支遠航船隊還戰勝了所有遇到的海盜和一些海邊的小國的軍事襲擊。這次遠航成功說明生活於太平洋西岸的中國人完全可以成為大海洋的征服者。在整個古代人類曆史上，這是一次組織最為嚴密、人數最多、規模最大、次數很多、曆時很久技術最為完備的遠航。
關於這次航行的目的，據說有政治的、經濟的、外交的幾個方麵。永樂皇帝在攻陷南京後沒有在宮中找到建文帝(繼承朱元璋皇位的皇帝長孫)的屍體，懷疑他流亡海外，尋找這位流亡者可能是鄭和的一項秘密使命。另外，在鄭和船隊首次出海的前一年(1404)，中亞強大的蒙古後裔建立的帖木兒帝國曾集結了40萬～50萬軍隊準備東進中國，很可能永樂皇帝當時已感覺到了西方的威脅，試圖開辟西洋的海上通路，以結交西海(中國古代對阿拉伯海、波斯灣、地中海等西方水域的通稱)諸國牽製這個可畏的敵人。可幸的是帖木兒在鄭和船隊出海前的4個月(1405年2月)病死在率師東進的路上，他的兒子繼位後放棄了東侵中國的計劃，而明王朝可能較晚才得到這個消息。盡管鄭和船隊出海有這些隱隱約約的國內政治和西方威脅的因素，但船隊所執行的皇帝旨意卻是十分明確的。這就是：向西洋諸國宣示中國的富強，讓他們在朝貢的名義下同中華帝國貿易來往。順從者撫慰之，不恭者擒拿或擊敗之，力圖以恩威並用的方法使他國，畏服，這是中國傳統政治在這次海外遠征中的生動體現。
明朝宮廷采取這樣的政策是容易理解的。隻有為了直接的政治目的才值得用2萬多人的船隊去海上冒險，也隻有以河清海晏為目的的政治才能使海上的航路打通之後，不把和平航行變成征討或海上掠奪。富有天下的皇朝的金銀珠寶已經堆積如山，朝廷已不指望靠武力從海外得到巨額財富，隻有在政治上畏服中國的前提下，大明帝國才能與海外番夷進行貿易。這時候，海外諸國稀罕的珍寶禽獸便作為中國聲威播於四海、四夷來朝的象征，送到中國的土地上。顯然，在鄭和船隊如林的帆影中，洋溢著這種傳統政治的理想色彩，貿易的目的退居於次了。這種政治統率商業的情況是自秦始皇以來的傳統。官府作為統治者的代表，不但掌握著社會中最大的、關鍵性的手工業工場的生產，也掌握著鹽鐵等關係國計民生的致富物資的貿易。民間的資本不可能靠經營商業而成為足以與朝廷抗衡的社會力量。朝廷自己掌握的商業由於享有無可爭辯的特權(代表朝廷，進而代表天下)而不存在任何經營上的競爭對手。所以，科學技術的成果在這裏沒能得到最有效的應用，海上探險的發現也不會改變官方掌握的貿易的基本方向。官方的商業依靠政治上的優勢獲得經濟上的優勢，而並不依靠開拓新的貿易地域獲得經濟上的優勢。即使是民間的商業依靠技術獲得了經濟上的優勢之後，朝廷也會用政治上的優勢來剝奪、限製它。
鄭和偉大的航行圓滿地達到了它的政治目的。在鄭和年老之後，朝廷以經濟的原因取消航行，因為從經濟上來看，如此龐大的船隊長年漂洋過海在貿易中取得的利益遠遠小於它自身的耗費。何況後來從政治方麵來看，對明朝威脅最大的已不再是中亞氣息奄奄的帖木兒帝國，而是臨近北方長城一線的蒙古部落。對科學史來說，十分遺憾的是朝廷在停止遠航活動後竟銷毀了鄭和航海的部分檔案，可見當時明朝的上層統治階層已經失去了永樂年間的雄偉氣魄，轉向經濟上的計較和消極的和平主義。
從曆史上來看，中國人在宋代最早獲得放帆大洋的權利，元朝時忽必烈曾經試圖向海外的日本和爪哇擴張，但一場風暴使元朝軍隊在日本海岸遭到了覆滅。明朝鄭和的船隊在當時世界上最先進的海上技術武裝下出現在海洋上，規模盛大，影響深遠，它大大增加了中國人對印度洋沿岸世界的認識，開闊了中國人的眼界。隨鄭和出洋的馬觀寫了《瀛涯勝覽》，費信寫了《星槎勝覽》。這些書和那些隨船隊遠行的人們的經曆與傳說在社會中激起了巨大的反響。自此之後，中國東南沿海一帶的海上私人貿易興盛起來了，這裏的居民開始一批一批地遷居南洋諸島國，中國文化開始向這個地區滲透，這實際上為中國向海外發展開創了一個最早的機會。當西方殖民者和商人來到南洋諸島時，中國移民已早於他們在這裏紮下了根。中國人的優勢很明顯：在數量上超過了歐洲人，而且具有同自己的祖國更近的距離。但被天朝政治思想支配的中國明王朝並沒有一直鼓勵海外移民的政策，這些人的海上開拓事業和商業貿易活動不得不靠自身的力量勉強支持。總的看來，明清兩代都對私人海外貿易和移民采取了限製政策。朝廷采取這一政策的理由是它要對國家安定負責，能使依靠大陸經濟生存的朝廷改變海外政策的隻能是海外出現的危及它生存的力量。實際上，早在明朝，日本的浪人和武士便隨著兩地貿易關係的加強來到中國的海岸從事海盜式的掠奪。日本社會中也出現了資本主義的萌芽。中國明朝的將軍戚繼光(1528～1587)在驅殺了這些海盜的同時，在海邊要衝地帶和遼東一帶加築了新的邊牆。這個時期曾參與剿平日本海盜軍事的鄭開陽(生卒年不詳)曾繪著了《萬裏海防圖論》及日本、安南、朝鮮、琉球等一帶的海圖，相對於中國古代的大陸地理著作，這是新的內容，但它也反映了中國人在海洋上依然采取了大陸上的防守戰略，沒有沿著鄭和時代的航道向海上強國發展。另外，和西方國家相比，中國人並沒有過多地參與海外掠奪的海盜事業。嚴格的戶口製度和海禁政策保證了安定，遏製了同追求金錢的惡欲凝結在一起的原始資本主義的生長，成熟的中華農業文明和傳統的政治經濟和文化觀念作為強大的曆史慣性力拖住了中國，使之不能積極參與蔚藍色海洋上血腥的資本主義爭奪活動。中國在明清時代保住了偉大的古老傳統，並且最後迎來了最野蠻的外部打擊和最痛苦的內部掙紮。
朝廷保守的海洋政策也可能消滅了中國科學革命的若幹契機。明代人茅元儀(1594～1644？)在他於1621年出版的著作《武備誌》中保存了有名的《鄭和航海圖》。如果宮廷的航海檔案不被銷毀並能向研究者們開放，中國人有可能從以上材料中記錄的從赤道至北半球不同地區的北極星的不同高度，確切地推測出地球的形狀來，使漢代張衡的朦朧猜想變得更加可信。當然，這隻是一種假設的可能。事實上，由於中國傳統文明本質上是農業文明，中國人重視土地甚於海洋，不如航海民族和商業民族那樣喜歡海上探險，因而這種假設很難成為事實。
經濟、技術的進步和困境
從朱元璋以猛治吏和以寬治民的政策開始，在明朝長達375年的曆史中，隨著土地和財富的集中和官場中腐敗程度的加劇，商品生產也得到了相應的發展。這兩種趨勢是社會生活中兩大股交彙的漩流，一同在曆史的坐標中向前延伸。
明朝前期除了調整土地、興修水利、鼓勵農耕等農業政策外，對私人手工業經營和開礦也放寬了限製，甚至官營工場中的手工業工人在完成規定時間的工作外也可以在業餘時間裏幹自己的活，得到一些額外的收入。經過一二百年的發展，明朝的商品經濟便超過了以往任何一個朝代的水平。在明朝中後期發生的張居正(1525～1582)改革便反映了這一進步。掌握朝政達10年之久的張當時曾起用水利專家潘季馴(1521～1595)治理了黃河、淮河和運河，還在賦役政策上采用了一項新的措施——一條鞭法。按這種辦法，把原來按戶口和人丁派役的方法改為按丁、糧派役，稅款、糧賦、勞役一律折為銀兩征收，朝廷有事再用銀雇人承擔勞役。這一改革能以實現，說明當時一般老百姓已經能夠以銀代賦稅和勞役了，或者能在勞役中掙回一部分朝廷的銀兩了。商品貨幣經濟之盛可想而知。一條鞭法是傳統社會商品經濟發展的產物，它反過來又促進了商品經濟的發展，鬆弛了農民和手工業者對政府的人身依賴關係，使銀錢成了封建社會內部生產關係的潤滑劑。隻是在官僚製度下，這種措施在各級官僚中間導致的第一個結果便是貪汙之風日盛。這種商品經濟的繁榮和官僚集團的貪汙腐化過程的同步化發展趨勢似乎成了社會經濟和政治生活中的一對雙胞胎。但是，無論如何，明代社會生活中出現了一係列前所未有的新現象，最重要的當屬微弱的資本主義生產萌芽了。因為它的命運和科學技術在中國社會中的發展前途有關，也與中國社會能否從傳統的經濟和政治軌道中走出來有關。
早在宋代，反映典型的中國農家生活的著名的“耕織圖”就表明當時技術的發展已能使農民家庭的手工業生產達到相當的規模。家庭手工業的普遍發展正是私人工場手工業產生的技術基礎和社會基礎。隨著家庭手工業發展步幅的加大，農業生產出現兩個重要的變化：一是技術的進步，它是社會中一部分人離開農業耕種轉向專門的手工業生產的保證；另一個是經濟作物的種植數量增加，它為手工業生產提供充分的加工原料。明代在這兩方麵的進步都是明顯的。
明代的農業工具——犁鋤杈鐮和水車等已十分完備，農業生產技術和經驗更加豐富，北方種稻在宋代已經開始，但明代的南方又開始大量播種雙季稻和三季稻。甘薯和玉蜀黍(玉米)等高產作物在北方種植的麵積擴大了。糧食的相對充裕使河南、河北、山東和兩淮地區普遍大麵積種植棉花。在南方鬆江地區200萬畝的墾田中甚至有一半以上種植棉花(《農政全書》)，農民以織助耕，有的地區達到“十室之內必有一機”(《天工開物》)的水平。工匠們在明代把舊的織布機改成了效率很高的“改機”，農民中出現了一部分專以織布為業的機戶，另一些農民則專門植桑養蠶，以供絲織手工業之用。由於明朝從海外傳入了墨西哥的煙草，煙草種植業也很有興旺氣象，明末已有大量人吸煙，但煙草手工業卻還沒有出現。這大概是惟一的耗損農業耕地卻沒有促進手工業發展的行業。當然，煙草在商業方麵的重要性是顯而易見的。除了棉絲紡織業方麵的家庭工場和私人專營工場外，明代在采礦、冶金和陶瓷等行業都出現了規模甚大的民辦工場。在全國最有名的江西景德鎮瓷窯中，有58座官窯，900多座民窯。在官辦和私營的絲織、造紙、漿染、榨油、鑄鐵、製瓷等行業的工場和作坊中，都有被雇傭的專門出賣勞動力的日工和月工。
當民間有了新的財源和富戶之後，朝廷自然會增加新的稅目，各級官僚也不會放棄中飽私囊的機會。這樣，社會矛盾也就出現了。由於民間手工業規模的擴大，在明代反對朝廷和官府的鬥爭中就不僅僅是傳統的破產農民中的“流寇”和饑民了，而出現了所謂“礦盜”、“炭黨”、“藍徒”，他們實際上都是工場工人中的反抗者。明代手工業行會中的工人和城市居民反抗官府的礦監、稅監的鬥爭曾多次爆發，這是中國曆史上首次出現的值得注意的城市工商業者反對專製官僚統治集團剝削的鬥爭，正是資本主義即將興起的一縷晨光。
但是，由於中國城市中工場手工業者和商人沒能通過海外貿易來尋找新的經濟出路，因而他們的事業仍然被限製在大陸農業經濟的範圍內，無法取得衝擊這個傳統經濟的強硬有力的開放性經濟支點，進而在強大的皇權和專製官僚統治麵前爭取政治上和經濟上的權利，這種皇權和官僚統治正是遏製民間資本向海外發展的主要力量。這樣，隨著農民和地主的經濟和政治矛盾的總爆發，中國城市中新生的資本主義生產方式萌芽便在整個社會破壞性的曆史大震蕩中被摧折了。而且，即使沒有這樣的曆史大震蕩的摧殘，也很難想像它會很快長成自由資本主義經濟的大樹。
舊知識和新知識
明代的科學和技術知識在宋元的基礎上還沒有發生重大的革命，因為當時的社會經濟生活還沒有使社會對科學技術進步的需要變得足夠強烈。但這個時代的幾項重大科技成果在中國科技史上無疑具有極重要的地位，它們反映著明代科學技術在當時社會中依然如舊的總處境，也表現了中國傳統科學技術在原有範圍中的成熟性發展和向一個新的轉折點的逼進。
除了前麵已經敘述過的許多技術成就，還有一部集中地全麵反映明代農業和手工業的鴻篇巨著——《天工開物》。這是博學多才的學者宋應星(1587～1666)寫的。宋應星28歲在南昌得中舉人，此後曾在八股文考試中五次進京，但均未高中，做過低級官吏。他後半生對技術的熱情和獻身精神遠遠超過了對仕途的追逐。他潛心研究並於1637年撰成的《天工開物》是繼戰國時的《考工記》之後出現的又一部技術巨著，是中國社會出現資本主義萌芽時的一部偉大的農業和手工業技術百科全書。宋應星在《天工開物》序言中表明他寫此書的目的是讓一般的士人了解更多的實際的事物。這是針對當時的知識分子重經文而輕格致之學和技藝而寫的一部著作，因而作者也指出這是一部“大業文人棄擲案頭”、“於功名進取毫不相關”的書。該書出版後曾在明末清初風行一時，並使作者在身後獲得了世界性的聲名，但在清朝乾隆時代以後被中國社會所冷落。《天工開物》在傳入日本後受到了歡迎，逐漸被譯為日、法、德、英等文，被外國人視為中國技術的百科全書。據此書和明代各類文獻資料以及大量遺址和遺物可知，明人已經采用火藥爆破法采礦，用竹管吸排煤礦中的瓦斯氣，發明了焦炭以冶鐵，冶金煉鋼法有了改進，並最早開始煉鋅。在冶金技術方麵廣泛采用了鼓風的活塞式木風箱，並用木鐵結構的機車在礦山運料。與紡織的改進和推廣聯係起來看，明代後期手工工場中的機器已經相當複雜，機器的手工製造工場已有相當大的規模。
如果比較一下宋應星所處時代歐洲的手工業技術就可以看出，中國和歐洲的技術水平當時是相近的，並沒有拉開很大的距離。因為當時在歐洲發表不久的著名技術著作是意大利人畢林古齊(1480～1530)的《煙火術》(1540年發表)和德國人阿格裏柯拉(1490？～1555)的《金屬學》(1556年發表)。這兩部書比《天工開物》早七八十年，但它們所反映的技術水平是相近的。惟一不同的是：從宋應星的書雖然可以看出中國傳統的技術正在向一個新的進步階梯逼進，但由於中國社會經濟生活中缺乏一種推動力，這個技術上剛剛出現的進步趨勢在逼進臨界點時停止不前了。中國人的技術發展沒有走向變革，宋應星的書不是攀登新的技術階梯的墊腳石，而變成了一個曆史總結。而在歐洲，科學則大踏步地發展起來，從而最後和技術一起彙成了一股科學技術全麵進步的浪潮。關於這一點，值得提到兩個有代表性的人物，這就是比宋應星大23歲的意大利人伽利略和在宋應星辭官回鄉隱居(1644年)時剛剛兩歲的牛頓(1642～1727)。
中國傳統的醫藥學在明代有一個輝煌的裏程碑，它是由湖北人李時珍(1518～1593)樹立起來的。李時珍出身於一個世代醫家，試圖求仕，14歲時中秀才，但其後三次鄉試都未中舉。在心灰意冷中他同科舉仕途告別，投身於先輩的行業，並把畢生精力花費在藥物學研究上。他的勤奮和天才使他成為名醫和中國古代最偉大的藥物學家。李時珍的190萬字的《本草綱目》是研讀前人書籍的讀書心血與千百次采藥行醫的經驗結晶。在介紹該書時，他寫道：“唐宋本所無、金元我明諸醫所用者，增入三十九種，時珍續補三百七十四種，雖曰醫家藥品，其考釋性理，實吾儒格物之學，可裨《爾雅》、《詩疏》之缺。”(《本草綱目·凡例》)此書在作者去世三年後出版，迅速在中國、日本、朝鮮、越南和歐洲流傳。李時珍的書在藥物的數量和對所載藥物的研究方麵都超過了《神農本草經》以及唐代官方的《新修本草》。明代在醫學方麵還有三位有創新思想的人。元末明初的江蘇昆山人王履於1368年寫出《醫經溯洄集》，指出了溫病(傳染病)與傷寒的區別，開始了中醫對傳染病的認識。明末的江蘇吳縣人吳有性(1592～1672)在各地行醫的過程中對傳染病作了專門研究，寫出了《溫疫論》一書，為中醫溫病學說奠定了基礎。另一位江蘇南通人陳實功(1555～1636)則是一位外科專家，1617年寫成著作《外科正宗》，他能把切斷的喉管縫合起來。他們給傳統的中國知識寶庫中增加了新知識。另外一件重大的醫學發明是明朝隆慶年間(1567～1572)安徽太平縣一帶的民間醫生發明的預防天花病的人痘接種方法，開始向全國傳播，這無疑是高出當時世界上任何地區醫學知識的免疫學大發明，反映了中國傳統醫藥學的堅韌生命力。
顯然，隻有在一個世世代代以農業種植為生的農業民族中才可以產生李時珍這樣的醫學家和藥物學家。中醫中藥學與中國的農業文明同根相連。任何一個民族同疾病作鬥爭的條件和技術總是建立在其地理環境和社會生產所提供的基礎之上的。中國的漢族醫藥學與藏族、蒙族以及所謂西醫的區別都是曆史上的生活環境和生活條件所造成的。在古代，它們的區別並不明顯。但在李時珍的時代，西方醫藥學的發展已經出現了新的勢頭，李時珍則致力於一個古老的醫藥學體係的完善。
明代音律學方麵的大師是朱載(1530～1610)。他因發明著名的十二平均律而聞名後世。朱載是明仁宗(永樂皇帝之子)庶子鄭靖王的後代，是王族中有繼承王爵地位權利的一個王子，但他對這一特權地位毫不留戀，卻迷上了樂律學的研究。為此萬曆皇帝給他贈了寫有“讓國高風”的匾。古代的“三分損益法”，西漢人京房、隋代人劉焯的工作，尤其是南朝人何承天的工作等，是朱載工作的基礎。何承天曾企圖完善地解決這個問題，他把三分損益法計算後出現的差數平均地加到了12個律管上，給朱載的研究提供了一個基礎。朱載在長期的鑽研、實驗和計算後終於成功地解決了這個問題。他找到了一個公比為122的等比級數，按照這個公比給出的級數使弦或律管上相鄰兩律的頻比完全相等，並且使比基音高八度的音頻正好比基音高出一倍，從而成功地發現了聲音振動和弦的長度變化之間的一條規律。這是音樂史上的一件大事。朱的成就反映在他寫的《樂律全書》中，這套全書包括13部著作，內容涉及樂律、算學和曆法。
明代完全具有新特色的一個人物是徐霞客(名宏祖，1586～1641)，他是紡織業最發達的長江三角洲地區的江蘇江陰人。他的家鄉是資本主義萌芽最為旺盛的地區，人們思想相當活躍。徐霞客與前述人物不同的是他從小便對科舉入仕不感興趣，而立誌周遊名山，考察地理。他的母親甚至專為兒子縫製了一頂遠遊冠，並且是他歸來時敘述異鄉新事物的熱情聽眾。他的著作《徐霞客遊記》中最有價值的是對熔岩地貌的考察和研究。他大概是第一個用自己的錢財為資而獻身地理地貌學的中國人。徐霞客沒有為科舉考試而去適應八股文的格式，所以，“他的遊記讀起來並不像是17世紀的學者所寫的東西，倒像是一位20世紀的野外勘測家所寫的考察記錄”。
最後要提到的一個明代技術成就是計算技術方麵的進步：1450年，浙江人吳敬積20年之功完成了《九章算法比類大全》，其中有許多新內容是關於商業數學的。另外，春秋時中國古人發明的籌算方法，在明朝時被新發明的算盤珠算法所全麵取代。算盤在南宋時已經被民間的算學家所發明，元代的一些商棧中已經應用了算盤，元代末期陶宗儀在1366年寫的《南村輟耕錄》中有關於珠算盤的明確記載。明代商業和貿易活動繁榮以後，算盤算法便在全社會全麵推廣開了。在程大位(1533～?)於1592年寫成的《算法統宗》中，595個應用題全不用籌算而用珠算解出。
中西合流的科學趨勢
明朝建立後才一年(1369)，麥加人馬德魯丁和他的兩個兒子來到中國，精通天文的馬德魯丁被任為欽天博士。他的兒子馬沙亦黑和馬哈麻後來也任回回司天監之職，並翻譯過《回回曆法》和《明譯天文學》。中國和阿拉伯世界的學術聯係在明代相對削弱了，但並沒有中斷。
到明代後期，中國的科學技術已相對於歐洲落在後麵，不過這一時期歐亞大陸西方和東方的學術聯係也開始了。由於歐洲在1517年開始了路德領導的宗教改革，新教勢力在各國蔓延，天主教會不得不采取措施應對。1534年，天主教信徒、西班牙貴族依納爵·羅耀拉(1491～1556)創建了耶穌會，1540年得到羅馬教會批準，開始派大批教士到世界各地傳教，擴大天主教勢力。一大批耶穌會教士來到了中國。這也正是歐洲科學革命興起的時期(以哥白尼於1543年發表《天體運行論》為標誌)。這些傳教士大都是飽學之士，對歐洲當時發展中的技術成果和科學發現了解得很多。其中最早於1582年來到中國的意大利人利瑪竇(1552～1610)帶到中國的世界地圖(《萬國全圖》)。就立即在士大夫階層中引起了震動，中國人開始了解遠西諸國的情況和五大洲，知道了中國在地球上的位置。
明朝的大科學家徐光啟(1562～1633)正生活在這個時代。徐出生於上海一個小商人兼地主的家中，於42歲時在南京入了天主教，次年中了進士，在明朝宮廷任翰林院庶吉士，後來升為禮部尚書兼東閣大學士、文淵閣大學士等。徐的經曆說明他是一個受到了歐洲文化影響的傳統知識分子。他在科學上的活動也具有繼承傳統學術與接受歐洲學術兩個方麵，因而使他成了中國科學技術史上一個劃時代的人物。
徐光啟最重要的著作是《農政全書》。這本書大部分是轉錄先代人和同代人已經出版了的文獻，他自己寫的約占1／8，這是一部著力總結當時農業技術的彙集性著作，是中國古代十大農書中的佼佼者，也有相當高的科學史和技術史價值。書中記述了他自己將南稻北移、在北方培育優良稻種的情況。
徐光啟在明朝宮廷當官時，有許多耶穌會的教士們來到北京活動，企圖取得崇禎皇帝對他們傳教活動的支持。徐光啟這個已加入天主教的中國顯官和他的同僚李之藻(1566～1630，浙江人，基督徒)等人對耶穌會教士們的自然科學知識十分感興趣，因而與他們來往密切，推崇備至。當崇禎帝命令編寫新的曆法時，徐光啟和李天經(1579～1659)聘請了龍華民、鄧玉函(瑞士人，1621年來華)、湯若望(德國人，1622年來華)、羅雅穀(意大利人，1624年來華)等歐洲傳教士參加，於1629～1634年編出了《崇禎曆書》。在這本曆書中，傳教士們采用了第穀·布拉赫(1546～1601)的宇宙體係，介紹了托勒密的本輪—均輪係統，引用了哥白尼、伽利略、開普勒(1571～1630)等人的一些天文數據和資料，明確引入了地球的概念。但由於耶穌會教士們對哥白尼理論的偏見，他們沒有講到哥白尼的宇宙體係。另外，由於在開普勒於1609～1619年間發表太陽係行星運動三定律之前，他們中已有人離開歐洲來到了中國，也有人是在此期間或略後一些時間離開歐洲來到中國的，所以《崇禎曆書》對開普勒的偉大發現也沒有介紹，隻譯出了開普勒《論火星的運動》一書中的部分材料。但總的說來，《崇禎曆書》已突破了中國傳統天文學的範圍，引入了許多新的概念，應用了一些新的計算方法，使中國已臨近枯萎的天文學老樹獲得了新的水分和養料，有了抽出新葉嫩枝的可能性，甚至有了產生一次天文學觀念革命的可能。在天文研究的同時，徐光啟開始製造望遠鏡。望遠鏡是1608年由荷蘭眼鏡商漢斯·利佩希發明的。中國漢朝時有了用聚光鏡取火的記載(王充《論衡》)，明末蘇州的製鏡業已很發達。徐光啟召集了一些民間巧匠，在他去世後，由後繼的曆局主持人李天經負責，安排人專門製造，望遠鏡出現了。
徐光啟還開始了另一項比《崇禎曆書》的編寫更重要的工作。這就是他和最早來中國的耶穌會傳教士利瑪竇翻譯出歐幾裏得《幾何原本》15卷中的前6卷，這是中國最早正式翻譯出版的西方科學著作，是通過通曉中文的利瑪竇口譯、徐光啟筆述而完成的。除《幾何原本》外，他們還合譯了《測量法義》、《泰西水法》，徐還寫了《測量異同》和《勾股義》。毫無疑問，這種最初的翻譯沒有任何字典可以查找，它全憑兩位譯者自己頭腦中的知識。利瑪竇為了翻譯和西人學習漢語的方便，於1605年在北京出版了他寫的《西字奇跡》一書，這是中國第一個拉丁字母的漢語拚音方案。徐光啟在當時已經看出，幾何原理“舉世無一人不當學，竊意百年之後，必人人習之”。
在完成這部分翻譯工作之後，徐光啟的同僚李之藻與利瑪竇合作，翻譯了介紹西方筆算方法的《同文算指》。另外，他們還編譯了其他一些歐洲人的數學和天文學著作，並極力在朝中士大夫中間宣揚西學之長。徐、李二人成了中國知識分子中間第一批把目光投向遙遠歐洲的科學世界的人，因而，他們的事業也構成了中西科學發展的一個曆史交叉點。徐、李二位大官的提倡推動了一部分士大夫的仿效。經瑞士人鄧玉函(伽利略的同學)口述，王徵筆譯了《遠西奇器圖說》；經湯若望口述，焦勖筆譯了《火攻揭要》。清初，南懷仁(1623～1688，1659年來華)編譯了《神武圖說》。自此，傳入中國的歐洲新知識已有：歐氏幾何，算術筆算法，對數（由1646年來華的波蘭人穆尼閣(1611～1656)在南京傳給從他學習的薛風祚，薛編成《比例對數表》），三角學，地球的形狀和世界地理，望遠鏡知識，重心、比重和杠杆原理，滑車和輪軸、斜麵原理，火炮鑄造、運用、安置及子彈和地雷製造技術等。處於末路窮途的明朝萬曆、崇禎兩朝的皇帝和官僚們對待基督教和西方的科學技術倒不存在太多的偏見。利瑪竇在當時的士人中很受尊重，有人贈言讚他為“西極有道者，文玄談更雄，非佛亦非老，飄然自儒風”(《西字奇跡》)，他後來通曉中國曆史，能寫一手漂亮毛筆字。湯若望和南懷仁被任命為明朝鑄造銃炮的設計者，崇禎皇帝在明朝滅亡前甚至任命湯若望負責采礦工作。一大批傳教士紛紛在明末湧入中國，這些都是與伽利略同時代的人。當時歐洲的科學技術發展正在加速，進行著從哥白尼到伽利略、從開普勒到牛頓的革命，中國人已有幸緊步其後。當時歐洲殖民帝國還沒有力量以軍事手段侵略和侮辱中華帝國，或許這個古老國家可以在自尊自立的情況下步入近代。但是正在這個時刻，中國的社會已病入膏肓，並且臨近發作了。明末一場可以預測但不可避免的曆史大變亂改變了皇帝以及所有外國傳教士和中國士大夫們的命運。
總的看來，明代中國社會的經濟、科技和文化舊母體中曾慢慢長出一些新的文明枝葉，明代前期曾試圖從傳統的大陸政治基地上走向海洋，後期開始接受距離遙遠的西方文化和科學技術。但在當時世界文明進步的曆史坐標上，中國社會的曆史包袱也日益沉重了。統治階層在政治上的腐敗和保守的傳統經濟模式遏製了社會生活中產生的新活力，曆史中的保守趨勢從整體上壓倒了進取的趨勢。由於發達的農業文明和潛伏於這種文明之中的周期性的土地集中、人口增長、經濟危機、政治腐敗和天下大亂，整個社會無法有效地吸收和利用它自身創造的科學技術成果。具有進步性質的科學、技術、文化方麵的新生事物產生是艱難的，發展是不健康的，中國坐視著歐洲的進步和向全世界的殖民擴張，並在消極地等待著近代資本主義對古老東方的未來衝擊。
在敘述西方科學技術於明末大批傳入中國的同時，還應該通過更大的曆史跨度來看一看東西方的技術文化交流。自從西漢張騫於公元前115年打通絲路以來至鄭和航海的明朝前期，中國的科學技術在整體上始終處於古代世界的最前列。在這1500多年的時間內，從中國經中亞和海路傳到西方和中國周圍各國的技術發明曾對亞洲和歐洲文明的發展起到了極其重要的作用。根據李約瑟博士的研究結果，從漢代至明代從中國輾轉傳向西方的中國古代偉大發明包括繅絲、紡絲和調絲機(遠古發明)、平放織機(也可能是印度的發明)、提花機(商代發明)、鑄鐵技術(春秋時開始采用)、弩(戰國時發明)、石碾(漢代前發明)、水力石碾(漢代發明)、船尾方向舵(漢代出現)、水排(漢代發明)、龍骨水車(漢代發明)、風扇和簸揚車(漢代發明)、紙(漢代發明)、瓷器(漢代出現)、風箏(漢代出現)、獨輪車(三國時發明)、馬蹄鐵掌和馬鐙(三國至晉代發明)、火藥(唐代發明)、雕版和活字印刷術(隋至宋時發明)、活塞風箱(宋代發明)、高效的車馬係套方式(宋代發明)、走馬燈(宋代發明)、指南針(宋代發明)、遊動常平懸吊器(宋代發明)、水密封船艙(宋代發明)、深鑽技術、鐵索吊橋、高效動力帆、弧形拱橋、竹蜻蜓(明代發明)……歐洲人在他們的生產和生活中吸收了古老東方的這些偉大發明，在他們那塊多民族林立的土地上開始了新的技術創造。從元明時代開始，歐洲的科學技術發展速度加快了，中國逐步由先進的技術輸出國變成了潛在的技術輸入國，歐亞大陸兩端的偉大東方古代文明和近代歐洲文明的天平開始偏向西方。這種趨勢一直持續到1840年前後，中國在技術上逐步落後的結果突然暴露在國人麵前，以致使人們改變了對整個世界的看法。
（八）清朝科技
清朝前期的政治、經濟和人口
1644年，清軍入關，趕走了李自成，建立清朝。滿族貴族成了中國政治舞台上的主角。
清朝剛剛建立時所麵臨的政治難題和365年前蒙古貴族滅南宋時所麵臨的政治難題是一樣的：一個少數民族貴族集團如何實現對一個多數人的民族和其他眾多少數民族的統治?蒙古貴族主要依靠武力和民族壓迫解決了這個問題。滿族貴族開始也是以武力為前提的，但滿族生活於與漢人接近的東北地區，比蒙古族更加熟悉漢族文化，所以，滿族貴族沒有像元朝的蒙古貴族那樣在中亞和西藏文化中尋找部分精神拐杖，而更多地接受了漢族的語言、政治製度及政治思想，明智地克服了民族成見，成功地扮演了中國各民族的統治者，其統治年代長達267年。
清朝初期最大的成功要數武功。從順治到乾隆中期之間，清朝便平定了所有漢族地區，收複了台灣，將蒙古高原、新疆、青海、西藏以及西南邊疆的遼闊地區置於自己的統治之下，在1689年，通過和彼得一世(1672～1725)統治下擴張中的俄國的戰爭，簽訂了中俄《尼布楚條約》，後經過雍正、乾隆兩代，西南、西北和蒙古地區的局勢完全安定下來了，一個疆域廣闊的多民族帝國重新穩定地屹立在東亞大陸上。
清初在政治上也有一些特點。這個剛剛同部落聯盟告別的新的統治者還帶著明顯的簡樸的風格。據康熙二十九年的數字，皇宮內的用銀還不及明朝晚期的1／40。這相對於明末已經腐敗衰朽的官僚機器是一個進步。清朝承襲明朝的體製，再加損益，建立了一套集權式的中央機構，繼承了科舉製，把大量的漢族知識分子擴充到各級官吏中去，曾許滿漢通婚，赦免了明末加派的賦稅。康熙皇帝(1654～1722)曾先後6次南巡，祭孔廟，謁明太祖陵，召見士人，並免除了所到之處百姓的當年稅糧。經過一係列的政治活動，清廷獲得了漢族地主和知識分子的支持，穩定了對各族人民的統治。
清廷在經濟政策方麵繼承了曆代統治者重視農業的基本國策。對於滿族人民來說，這是一個向全麵農耕定居生活的一次轉折。清朝初期與曆代不同的一個經濟政策對中國產生了重大的影響：康熙年間取消了對新增加人口的賦稅，按照地畝征收賦稅，這樣便鬆開了以經濟手段抑製人口增長的繩索，使人口的數量向土地能夠養活的最大值逼近。到康熙的孫子乾隆皇帝(1711～1799)時代，中國的人口首次超過了3億。在中國曆史上，自從春秋戰國時鐵器得到應用之後，人口開始增加，到漢時最高的記錄達到5000萬左右。從漢代到宋代，中國的人口數字大致上在2000萬(最低點甚至少於2000萬)至6000萬之間振蕩。宋代(包括宋、遼金、西夏等)人口的最大值曾達到9000萬左右，但宋代以來的人口數字基本上在5000萬至9000萬左右振蕩。一直到明代萬曆六年(1578)的統計數字也才是6690萬。人口的減少主要是由戰亂和災荒造成的；人口的增加主要在盛世和平安時期，而且與農業的技術進步關係密切，比如，自明朝時期就傳入中國的美洲高產作物玉米、甘薯、花生和馬鈴薯等也是人口增加的因素。當然也與朝廷的政策有關。清廷的政策使宋代以來的人口振蕩線被徹底突破了。中國的人口數量達到了曆史上空前的程度。對於人口來說，基數越大，增加的數量就越為可觀。按照傳統社會的標準，人口的數量是繁榮的一個重要標誌。所以，清朝和曆代中國皇朝相比，在這方麵也是空前的。實際上，乾隆盛世人口的猛增使中國社會走到了衰落的出發點。
和任何前朝一樣，清朝以農為本，由官府嚴格地控製了兵器和火器製造以及一些有大利的手工業和商業，並且采取了比明代更為保守的海外經濟政策。從更廣闊的世界的角度來看，由於歐洲在清朝時期在經濟、政治、科學技術方麵飛速的進步，清王朝在傳統舊路上的循行使中國遠遠落在了世界文明進步潮頭的後麵。
科學技術的發展和相對落後
科學技術與政治沒有直接關係，王朝可以利用它。清朝的統治者在開國後仍然在注意搜羅一些傳教士和中國士人中的科學家為國家和王朝服務，而且，自發的民間研究也沒有遭到禁止。所以，盡管和歐洲相比，清朝的科學技術已完全喪失了優勢，但並沒有停止，而是繼續發展著。清朝以文字獄來鎮壓那些懷念明朝的知識分子，但卻沒有禁止過對科學和技術的研究。然而在康熙之後的清朝統治者的政策間接地損害了中國科學技術的發展(後麵還要進一步討論這一點)。
清初有名的民間天文學家王錫闡(1628～1682)，號曉庵，江蘇吳江人，深入地研究了中國傳統的曆書和當時已由徐光啟等人和傳教士們介紹給中國人的西方天文學，著《曉庵新法》6卷和《五星行度解》。王錫闡集中西之長，提出了精確的計算日月食的方法，並發明了計算水星、金星淩日的方法。另一位大科學家是安徽人梅文鼎(1633～1721)，他從未涉足仕途，而以畢生精力從事天文和數學，著述共有80多種!他研究、評論了前人的成就，也介紹和討論了他那個時代人們的成就，並自己製造天文儀器從事觀測，在平麵幾何和立體幾何方麵都有許多創新。梅文鼎還從事天文和數學方麵的教學。當然，他沒有對西方的學術做全麵透徹的了解和研究，認為大地球形說包含在渾天說裏，亞裏士多德的九重天在屈原的《楚辭》中就已提到了。大學士李光地(1642～1718)把梅的著作推薦給康熙皇帝，康熙讀後甚為驚異，在1704年南巡時召他到船上共同進餐。他的孫子梅成被皇帝帶到了宮廷，後來成了《數理精蘊》的主編之一。
清朝時期，歐洲數學已進入了微積分(變量數學)時代。這些知識部分地由傳教士傳入了中國。1701年來中國的法國人杜德美(1668～1720)帶來了三個沒有證明的無窮級數展開式，其中一個是牛頓給出的，一個是格列高利(1584～1667)給出的。乾隆時期的著名數學家明安圖(?～1765)用30多年的時間研究並證明了這三個公式，並發明了另外6個公式。明安圖是蒙族人，當過欽天監監正，參加過地理測量工作。他著《割圓密率捷法》未成而逝，由他的兒子明新和學生陳際新續寫成出版了。後來，董佑成(1791～1823)、項名達(1789～1850)、戴煦(1805～1860)等都對級數和解析幾何做了研究，獨立地取得了一些成果。這些成果同當時的歐洲數學成果相比，水平是低的，但卻反映了中國傳統數學在繼續進步。令人遺憾的是他們當時獨立研究，而沒有和已經走在前麵的歐洲數學界建立起聯係，隻是到戴煦去世前後才出現了新局麵。
在醫藥學方麵清代仍然有所前進。醫生葉桂(1667～1746，蘇州人)、吳瑭(1736～1820，江蘇淮陰人)、王士雄(1808～1867，浙江海寧人)等都研究了溫病學說。經過他們的研究和著述宣傳，中醫對傳染病的論治就有了傷寒和溫病兩個大的學派。明清以前的中醫隻掌握了對傷寒類傳染病的診斷和治療，顯然放過了一大類傳染病，因而，溫病學說的建立是一個大發展。另外，明代已經出現的防治天花病的人痘接種法經過清代醫生的推廣和應用，得到了改進，並且在康熙二十七年(1688年)由專門來中國學習的俄國醫生傳入土耳其和歐洲。1796年，英國人琴納(1749～1823)發明了牛痘接種法，這種更加安全的方法於1805年由葡萄牙人傳入中國，逐漸代替了人痘接種法。還有一些學者在傳統醫藥學方麵做出了新的貢獻。杭州人趙學敏(1719～1805)對李時珍的巨著《本草綱目》做了修補，他在1750年以後編寫了許多藥物學著作，其中《本草綱目拾遺》收錄了李時珍沒有收入的716種藥物。他的另外一些書則保存了許多民間驗方。河北人王清任(1766～1831)則是第一個認真研究解剖學的中國醫生，他寫了《醫林改錯》一書。王認為，“著書不明髒腑，豈不是癡人說夢?治病不明髒腑，何異於盲子夜行?”(《醫林改錯·上卷》)他通過觀察那些被野狗撕開的被遺棄的幼兒屍體和解剖，了解了人體的許多生理結構，強調把治病和了解人體的生理結構聯係起來。這對中醫的發展提出了新問題，實際上預示著中醫向西醫方向的一個進展。中國古代的先聖們認為心是思維的器官，這同中醫忽視解剖學有關。在中國少數民族中，藏醫由於藏族有過“天葬”的習慣，對人體結構了解得比較清楚，外科也相當發達。曾經做過巡撫和總督的河南人吳其(1789～1847)對植物學著了迷，寫了著名的《植物名實圖考》，插圖相當逼真，這是那個時代一部最有名的植物學著作。
清朝時期，技術依然沿著傳統的道路進步著。這表現在中國傳統的陶瓷、木器和漆器、紡織品、天文儀器、車馬和農具、船、火器和刀劍弓箭之類武器的製造等都更為精巧，尤其是光學技術和理論方麵的進步更為顯著。清初民間著名的光學儀器製造家孫雲球(?～約1662)，在33歲時就造出了望遠鏡(千裏眼)、顯微鏡(察微鏡)、幻容鏡、萬花鏡等，並著有《鏡史》。寄居在揚州的黃履莊(1656～1684？)學習過從西方傳入的幾何學，他是個機械發明家，曾製造過溫度計、濕度計、千裏眼、探照燈(這些亦為當時先進的發明)、水鍾、機械風扇和製造彈簧發條的機器。顯然，這是在中國傳統技術基礎上吸收了歐洲人的新發明後創製的。在此之後還有滿族學者博明(1730前後～1789？)，他受過良好教育，在仕途不順心，故潛心於學術研究。他對各種色彩的對應和複色問題、近視、遠視和小孔成像問題都有研究。鄭複光(1780～1853？)“博涉群書、尤精算術”，著《鏡鏡訁令癡》，把數學方法應用到光的反射定律、全反射現象、透鏡成像等方麵，從而把中國光學理論推到了接近近代光學理論的水平。廣東南海人鄒伯奇(1819～1869)在技術方麵的成就更為突出。他繪製過地圖，製造過一架太陽係表演儀，宣傳哥白尼的學說。他最突出的成就是對照相技術的研究。鄒伯奇在1844年獨立地發明了照相術(照相機和用玻璃作底版的照相材料)。為了照相，他還研製了許多光化學藥物。鄒伯奇的著述有《格術補》和《理化精詳》。在他的發明做出兩年後，歐洲人的照相機才由鴉片戰爭(1840)後湧向中國的英法人員帶來。盡管鄒伯奇的發明是偉大的，但中國在當時沒有近代工業，所以他的創造不會發展到影響整個社會生活的地步。
清朝時期在傳統技術方麵雖有堅韌的進步，但始終沒有產生一場真正的近代意義上的技術革命，和這個時期歐洲技術進步的節奏相比，相對差距大大拉開了。歐洲技術進步主要表現為：英國人凱伊在1733年發明飛梭，1785年，卡特賴特發明水力織布機。這標誌著織布業的完全機械化。1774年英國人莫茲利(1771～1831)發明滑動刀架，標誌著由機器製造機器的開始。1782年(乾隆四十七年)，瓦特(1736～1819)發明雙向運動的蒸汽機。於是，從英國產業革命開始(約1750～1820年間)，歐洲人用鐵製造機器，其精密度和耐用度及工作效率都大大超過了中國傳統的木質為主的機器，甚至船也逐漸用鋼鐵來製造。強大的蒸汽成了工業的動力，水力、風力、畜力和人力都成了輔助的東西。火器得到了發展，重要部件成為鋼鐵材料，結構得到改善，性能大大提高。中國的傳統火器已經相形見絀。電正在被歐洲人用數學方法來研究，並試圖把它應用到工業中……中國在地理上遠離當時已執世界科技牛耳的歐洲，依靠傳教士傳來的西方宗教、科學、技術和文化等東西還不足以推動這個文明古國脫離她那已經習慣了的軌道。無論是統治者還是仕人和老百姓，都沒有感受到近代文明的飛速進步會給自己帶來巨大的威脅。由幾千年完整曆史構築成的自信心仍然支撐著這個民族按照自己習慣的步伐前進。傳教士和西方的知識
西方傳教士在中國的活動是從明朝萬曆年間開始的。科學技術活動是他們宗教活動的一部分。傳教士靠新鮮的西方近代科學知識來吸引中國的士人，並爭取皇朝對他們宗教活動的支持。實際上，在許多情況下，由於科學技術知識比基督教義更能使注重實用的中國人接受，他們中的一部分人常常把大部分精力傾注在科學技術工作方麵，而不是傳教方麵。
在順治、康熙兩朝(1644～1722)中，由於清朝的天下還不穩定，滿族統治者在文化心理上正處於同漢族士人接近的過渡階段，因而朝廷對這些歐洲人基本上采取了利用和比較寬容的態度。在順治時，湯若望掌管著司天監，這裏有許多傳教土。康熙時南懷仁曾掌管司天監，並奉諭督製過歐洲大炮。南懷仁去世後，法國國王路易十四派來了學識淵博的法國傳教士張誠(1564～1707，1687年來華)和白晉(1656～1730，1687年來華)。其中張誠還以翻譯身份參加過中俄1689年的談判，白晉在1697年回國後又在第二年引來了10名法國傳教士。1715年來華的意大利人郎世寧（1688～1766)是清朝的宮廷畫家。康熙從小就接受了中國曆史和文化熏陶，又從南懷仁那裏學習了幾何學，從張誠和白晉那裏學習丁測量、天文、解剖和哲學，對科學技術有很大興趣。在康熙朝，由於這位皇帝的提倡和熱心，在1708～1718年間，測繪了一幅全國地圖——《皇輿全覽圖》。參加這項測繪的有法國人白晉、雷孝思(1663～1738，1689年來華)、杜德美(1668～1720，1701年來華)和大批學習過數學與測量的中國人。這次測繪發現了經線一度的長距問題。由於地球是扁圓球，數據無疑是精確的。當時掌管法國科學院的卡西尼(1625～1712)堅持地球是長圓球，而牛頓則認為是扁圓球。傳教士們並沒有把這些數據同牛頓的地球扁圓說大膽地聯係起來，隻是把測量結果留給了後人。清朝在完成這一測量後便把《皇輿全覽圖》作為密件藏入內府。而在歐洲，傳教士已把它的複製品和相應資料公之於眾，廣為流傳。那時的歐洲，也正是牛頓的理論風靡的時期。在東方，地理測量成果被視為皇朝的國寶和神聖的禦物，在歐洲，卻成了學術研究的資料。這便是當時的東方和歐洲的一個差別。另外，在康熙年間由傳教士巴多明(1665～1741)奉欽命寫成的人體解剖學講義《欽定各體全錄》，由於皇帝一改初衷而未能出版，原因是皇帝認為此書不可示諸青年和普通人。1690～1721年間，根據張誠、白晉等人的譯稿和已有的翻譯過來的書籍，由梅轂成(康熙時代人)、何國宗等編成了《數理精蘊》一書，介紹了大致於1600年以來傳入中國的幾何學、三角學、代數和算術知識。這本書由於康熙皇帝的支持、倡導和關心而署上了皇帝的大名。
順治、康熙兩朝對西方傳教士的利用是從維護皇朝利益出發的，而為了皇朝的政治利益，清朝也限製了傳教士和漢族人的接觸。這期間由傳教士和漢族官員合譯西書已不似明末那麼自由。滿族貴族和漢族士人中一部分人也表現出了對傳教士的猜忌。老年官員楊光先(順治、康熙朝人)在彈劾湯若望時甚至認為：“寧可使中夏無好曆法，不可使中夏有西洋人”(《不得已》)。可見，盲目排外的情緒不光存在於滿族人中間。而傳教士中也確實有一些平庸之輩，在康熙五十四年(1715)，奉使鑄造天文儀器的傳教士紀理安(生卒年不詳)竟然自作聰明地把元代郭守敬創製的簡儀當廢銅熔化了!雍正盡管對中華民族強調華夷無別，卻把除了在司天監任職之外的外國傳教士統統趕到澳門看管起來，並在1723年撤除了各省的天主教堂。到乾隆時代，情況略有好轉。這個時期曾在清朝司天監供職的德國人戴進賢(1680～1746，1716年來華)主持編寫的《曆象考成後編》中介紹了開普勒的行星運動軌道(橢圓)知識，以及牛頓計算地球與日、月距離的方法。法國人蔣友仁(1715～1774，1744年來華)編的《坤輿全圖》中介紹了200多年前發表的哥白尼的日心說。1756年乾隆皇帝曾命劉統勳、何國宗和明安圖等人重新測量過天山南北的地理，他們和幾個傳教士合作，最後繪製了一幅新的全國地圖《乾隆內府輿圖》。這實際上是當時一幅最精詳的亞洲大陸地圖。到1773年(乾隆三十八年)，羅馬教皇解散了耶穌會，由傳教士傳入西方科技知識的過程中止了。1785年耶穌會恢複，但這個中止了的學術過程卻再沒有恢複。
傳教士在中國的活動不但把新鮮的歐洲科學技術知識帶給了中國，也通過書信和來往把中國古老而豐富的各種知識輸向了歐洲。在這方麵最重要的要數傳教士和德國人萊布尼茨(1646～1716)的來往。這位微積分的發明人之一，受到了中國學術思想的深刻影響，曾經和在中國的傳教士保持著密切聯係。自康熙六年(1667)起，他和許多到過中國的傳教士討論過中國傳統文化問題。從康熙二十八年起，他和傳教士閔明我(1639～1712)建立了穩定的聯係。萊布尼茨於康熙三十六年編了《中國最新消息》，內容涉及中國的哲學、自然科學、醫學、倫理學、政治和藝術等。當時在法國度假的傳教士白晉讀到這本書後，把他寫的《康熙皇帝》、《中國現狀》兩本書寄給了萊布尼茨。萊布尼茨在了解中國學術的過程中認識到，二進製算術和中國古代八卦的六爻有著明確的關係。1703年他在法國皇家科學院《紀要》上發表的論文的名稱為《二進製計算的闡述——關於隻用0和1，兼論其用處及伏羲氏所用數字的意義》。
清朝時期西方科學進步的速度是十分迅速的，革命性的突破接二連三地發生。這一漫長的時期，中國和歐洲的學術聯係基本上中斷了。
在海洋的挑戰麵前
從曆史上看，自秦以來中國最大的外部挑戰在北方，北方塞外的遊牧民族天性剽悍，過著流動的遊牧生活，常常進窺中原富庶的農業區。征服他們要依靠強大的騎兵和充足的物資，防禦他們要靠長城和屯墾戍邊的大批軍隊，統治他們常常隻能依靠分劃瓦解的政治權術。但在清朝，中國北方邊界已經擴展到元朝的舊域，長城已不再有軍事意義，北方已成了一個純地理概念，而不再和邊疆聯在一起。
清朝時期同以往任何二個朝代都不同的是：周圍世界發生了重大的變化，中國的外部挑戰從區域和性質上都有了改變。主要原因是歐洲發生了經濟、政治和宗教方麵的變革，尤其是技術的進步使整個世界變得越來越小。資本主義的觸角安裝在技術上麵，向全世界所有方向和角落伸出。中華帝國東南方遼闊無垠的太平洋一直是最安全的屏障，但在麥哲倫航行之後，卻逐漸變成了向外敞開的前方。潛在的攻擊來自古代中國人還不了解的最遠的西方世界。同中國曆史中傳統的北方邊患相比，這是一種全新的挑戰，是商業、技術和武力的全麵挑戰，因而也是一種更加難以應付的挑戰。中國人開始時對這一挑戰的性質沒有清醒的認識，所以不會有應付它的最有效的方法。傳統悠久而穩固，國力依然強大，最初仍然可以處變不驚。
明朝嘉靖三十二年(1553)，葡萄牙人在中國的澳門居住下來從事貿易。緊步其後塵的西班牙人，在南洋的呂宋島上取得了據點。明王朝還沒有感覺到這場海洋上挑戰的嚴峻性便在內外危機中壽終正寢了。1662年鄭成功趕走了占據台灣的荷蘭人，接著康熙皇帝重新統治了台灣。由於清朝前期西方國家還沒有在技術方麵取得對中國的絕對優勢，所以，中國海岸上資本主義國家的零散船隻還不足以構成對帝國的威脅，但這畢竟是以往曆史上沒有出現過的新現象。對科技發展十分關心並和傳教士們關係密切的康熙皇帝敏感地覺察到了西方世界對東方千年帝國的潛在威脅。他曾告諭地方官：“海外如西洋等國，千百年後，中國必受其累，國家承平日久，務需安不忘危”(《紀市舶》，《熙朝紀政》卷六)。然而，他的子孫後代並沒有做到這—點，由於對漢族人的提防心理使他們的政治視野始終限製和集中在維護帝國已有的基業方麵。乾隆時期，中國社會達到了政治穩定、人口驟增的盛世。1793年，英國國王的使者馬嗄爾尼來中國遞交國書，要求通商和互派使節，乾隆皇帝在托馬嗄爾尼帶給英王喬治二世的信中，對英國國王的要求是這樣回答的：“……天朝物產豐盈，無所不有，原不籍外夷貨物以通有無。”對於通商和互派使節的要求，則以為“與天朝體製不合，斷不可行”。這時可能乾隆皇帝還不知道英國人瓦特在11年前發明了蒸汽機。甚至在鴉片戰爭發生的24年前(1816)，乾隆的兒子嘉慶皇帝再次回絕了英國大使提出的通商要求，他甚至自負地認為：“天朝不寶遠物，凡爾國奇巧之器，亦不視為珍異”，“嗣後毋庸遣使遠來，徒煩跋涉，但能傾心效順，不必歲時來朝始稱向化。”(《嘉慶敕諭》)這時，英國人已在機器工廠的車間中用機器製造機器，斯蒂文遜(1781～1848)製成了火車頭，美國人富爾頓(1765～1815)把蒸汽機裝到了船上。英國剛剛打敗了拿破侖(1769～1821)，正在依靠整個工廠體係和資產階級的議會向全世界擴張，工業革命中的暴發戶正處於日不落帝國的黃金時代。
歐洲的資本主義工業國家最初接觸東方的中華帝國時，由於地域上的遙遠，開始隻具有文化性質，接著帶上了經濟性質，但這都是試探性的。當他們受到中華帝國帶有保守性的反抗之後就毫不猶豫地訴諸武力了。這種武力的物質基礎是蒸汽機推動的軍艦和機器製造的大炮，以及裝有雷汞(1800～1818年間發明)發火裝置的前裝步槍。清朝時期，中國的火器沒有任何重大的改進，甚至放棄了明代的不少發明。主要以騎兵起家的清王朝以鳥槍和冷兵器裝備步騎兵，大炮的重量盡管增大了，其質量反而比明末降低了。隨著乾隆後期戰事的減少，軍隊的訓練已不如以前嚴格，軍隊的戰鬥力一直趨於降低。在海軍方麵，明末清初，鄭成功的船隊和康熙皇帝的海軍都是有戰鬥力的舊式海軍。但在英國人的輪船和兵艦來到西太平洋洋麵上之前，清帝國不但沒有一支由蒸汽輪船裝備起來的海軍，甚至連一支常規的裝備舊式木艦的海軍也沒有。水師往往是在臨戰前不久由海邊陸軍軍官臨時編練的。清帝國在收複了台灣和澎湖列島之後，放棄了向南海以遠的發展，開始滿足於閉關自守，海軍建設自然逐步廢弛。西方近代的工業文明和東方古老的大陸文明注定要在海上首先發生一次劇烈的大碰撞。
清廷在康熙之後的閉關自守政策牽涉到中國古老的社會價值觀念，其中包括政治觀念、貿易觀念。西方年輕的資本主義在擴張時總是冒犯性的，帶著侵略性和血腥味。從傳統的觀念出發，作為“民之父母”的皇帝鎖上大門，為保證天下的安寧。對於鄭和航海之後陸續移居到南洋諸島上的那些人，當他們同當地人與後來的西方殖民者在經濟上發生利益衝突、甚至發生武力衝突時，臨近的祖邦大國明、清皇朝的恩典都是讓他們放棄在海外已站穩腳跟的事業，離開血腥的海上旋渦，回到祖先耕種過的大陸樂土上來。明末以來中國人已伸出到南洋的第一支有生命力的海外經濟幼芽也遭到了萎縮的命運。為了使海上的不安不影響陸上的安定，乾隆盛世強化了海疆政策。經濟上自給自足的中國不依靠海外貿易生活。天朝隻願意外夷的朝貢而不與之進行平等的交易。這樣，中國就失去了對外貿易的自主性，而為西方殖民者在西太平洋地區的殖民活動讓開了大路。在世界資本主義生長的初期，中國的政治還停留在靖國安民的水平上，中國人似乎還不需要西方的新產品，更不能接受與這些新產品的生產和貿易一同來到世界上的資本主義觀念。傳統的慣性是巨大的。世界上最大和最古老的帝國不可能在世界發生了微妙變化的時刻用變通的經濟、行政管理、外交、法律等方式來對付外國人在沿海一帶進行的貿易活動，或者以積極的軍事行動來對付殖民者的活動。當然，如果從當時中國政治製度的特點來看，也許令人遺憾的是康熙皇帝的繼承人並沒有繼承他那種曾得到西方傳教士和中國士人讚揚的對科學技術的愛好。乾隆和嘉慶兩位皇帝都是那樣自負，當時統治階層中的精英人物在看到了西方國家的科技產品時，不是為了發展而去積極地學習、掌握和運用新的科技，而是從免除內憂外患的皇朝政治思想的角度，在西人的科技優勢麵前采取了視而不見的鴕鳥態度，而對中國民眾則采取了盡量保密的政策。這種政策最終導致中華民族近代時期在西方列強麵前處於落後挨打的被動地位。
(九)近代科技
師夷之長技以製夷
清朝在英法炮艦麵前遭受的那些失敗和恥辱是由複雜的曆史、經濟、技術、政治、軍事、文化、人事等原因造成的。然而，不可回避的事實是：中國的武器裝備不如人，中國的失敗是因為中國沒有近代的工廠與工廠中製造出來的炮艦和新式槍炮。
林則徐最先深刻地認識到這個事實，也最先開創了學習和了解外部世界的學術風氣。他主持編寫了介紹西方政治、經濟、地理和曆史的《四洲誌》。這實際上是明末徐光啟、利瑪竇早已開始了的工作，隻不過是200多年後的重新進行。鴉片戰爭後，江文泰編了《紅毛英吉利考》，由遍遊海外諸域的謝清高口述，楊炳南、李兆洛、吳蘭修等人整理編寫了《海錄》，蕭令裕編了《英吉利記》，1844年魏源(1794～1857)編了《海國圖誌》。魏源在序言和書中提倡“師夷之長技以製夷”，這成了一個指導性的口號。徐繼佘在1848年編了《瀛環誌略》。這些書都是介紹西方地理、國情和技術的。鴉片戰爭的炮聲對中國社會的震撼，迫使中國人把目光投向世界，開始認識到世界上還有勝過中國的西洋夷國。林則徐的學生馮桂芬(1809～1874)在造了一些學習西方科學技術的輿論之後，還初步分析了中國在四個方麵不如西方國家：“人無棄才不如夷，地無遺利不如夷，居民不隔不如夷，名實必符不如夷。”他還提出了廢除八股文和獎勵科學技術人才的改革主張。
在中國這樣一個經濟落後、政治專製的國家中，造反和革命可以起於社會底層，但改革往往必須從上層開始。而促使上層改革的原因往往是社會或外部明顯的危及統治階層利益的不祥征兆。鴉片戰爭和太平天國農民起義便是這樣的征兆。知識分子呼籲學習西方的聲音是和這兩次戰火同時發出的。1860～1895年間，清朝的大臣奕(1833～1898)和曾國藩(1811～1872)、李鴻章(1823～1901)、左宗棠(1812～1885)、張之洞(1837～1909)等一批封疆大吏掀起了操辦洋務的熱潮，開始把西方的近代工業和技術搬到中國。其中曾國藩和李鴻章是從鎮壓太平天國的軍事活動中體會到近代工業的力量的。當時已腐朽的八旗兵和地方綠營兵在裝備著冷兵器和少量火藥武器的農民軍隊麵前不堪一擊，隻有對軍隊進行徹底的改革才可能扭轉局麵，而這種改革必須靠裝備近代武器和用新的方達操練。曾的湘軍和李的淮軍是使軍隊近代化的第一步嚐試。“師夷之長技”先製服了中國的造反農民。洋務派在全國各地陸續開辦了一批擁有近代技術的兵工廠、造船廠、機械廠和一些采礦、冶金、紡織、電訊企業，其中有曾國藩1862年在安慶設的軍械所；李鴻章1865年在上海設的江南製造局、在南京設的金陵製造局、1872年他和盛宣懷(1844～1916)開始籌辦的輪船招商局、1877年辦的開平礦務局、1878年辦的上海機器紡布局、1880年籌辦的天津有線電報局；左宗棠1866年在福州辦的馬尾造船局、1880年辦的甘肅織呢廠；張之洞1889年開始籌辦的漢陽鐵廠和隨後4年中辦的湖北槍炮廠，以及紡紗、織布、製麻、繅絲4個局。除此之外，全國許多省份都由省上官員用官資設了一些機器工廠。例如劉坤一(1830～1902)1875年在廣州、1881年在南京辦的火藥局，丁寶禎(1820～1886)1877年在四川辦的成都機器局，奕(1840～1891)1883年在北京辦的神機營機器局等。這些機器工廠都是靠買進歐洲工業國家的機器，聘請一部分外國技師，啟用一些精通技術的中國人，訓練一些中國工人而辦起的。由於機器生產不是在中國土地上成長起來的，中國人一開始還不能熟悉和有效地掌握機器生產的技術。並且，不是由靠自己創業起家的精明資本家來管理工廠，而是靠官僚及其委托的代理人來管理。所以，這類官辦的企業效率不高，常常由於材料來源、技術、產品銷路等問題陷入困境和麵臨倒閉危險。在這種情況下往往靠官資的填充來維持局麵。不過，無論如何，西方近代的技術和科學終究隨著洋務運動的開展，被大量地引入了中國。近代的蒸汽機和機器體係、化學技術、槍炮製造技術、鐵船的製造技術、采礦和冶金技術等在洋務派的工廠和礦山先後落了腳，為中國社會製造出了第一批機器工業產品和從事機器生產的工人。這為中國社會在機器生產條件下的資本主義的最初發展，起了催化和示範作用。隨著洋務派在富國強兵口號下大辦工廠，一些有錢的地主官僚和商人也開始開辦一些小型的近代工廠，從事一些民用產品的生產，這是中國民族資本主義的起點。自鴉片戰爭之後，外國人開始在中國建立銀行與商業機構，接著就開辦工廠。這樣，中國社會形成了極其複雜的半殖民地、半官僚、又夾雜民族資本主義的經濟。洋務派辦的工廠是中國人最先辦的大型工廠和企業，其中一些後來破產和關閉了，不少在艱難坎坷中幾易其手，但在同外資和民間資本所辦企業的激烈競爭中頑強地生存下來了。