冶金技術(shù)在中華文明起源與發(fā)展中的作用

國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的人類跨入文明社會(huì)的三大標(biāo)準(zhǔn)是國家的形成、文字的發(fā)明和金屬工具的出現(xiàn)。據(jù)此，中華文明只有3600多年，其依據(jù)主要有兩點(diǎn)。一是夏朝（公元前2070年—公元前1600年）的青銅器，距今4000多年；二是商朝（約公元前1600年—公元前1046年）的甲骨文，距今約3600多年。

然而，商朝甲骨文屬于成熟文字，并且也只是主要用于祭祀和占卜的文字，并不代表當(dāng)時(shí)社會(huì)的文字使用水平。夏朝青銅器也已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，從夏朝中晚期都城二里頭遺址出土的青銅器來看，其金屬冶煉技術(shù)已經(jīng)屬于成熟時(shí)期，青銅器器型復(fù)雜且精美，包括鑄造難度較大的空腔容器如青銅爵、青銅鼎、青銅鈴鐺等，以及紋飾復(fù)雜的嵌綠松石銅牌飾。也就是說，商朝甲骨文和夏朝青銅器并不是中華文明的起源。

“中華文明五千年”的來歷

關(guān)于“中華文明五千年”的來歷，從文獻(xiàn)資料來看，主要有兩種說法。一種是依據(jù)西漢史學(xué)家司馬遷的《史記》開篇《五帝本紀(jì)》，從黃帝開始算起，即公元前2698年；另一種是根據(jù)17世紀(jì)意大利來華傳教士衛(wèi)匡國（M. Martini）撰寫的《中國上古史》（Sinicae Historiae decas Prima），從盤古開天辟地也就是伏羲時(shí)代的起始年算起，即公元前2952年。那么，從考古上能夠?qū)嵶C中華文明大約有5000多年歷史嗎？又如何來證明？

按照文明起源三大標(biāo)準(zhǔn)，四大文明古國——古埃及、古巴比倫、古印度和中國的起源時(shí)間分別是公元前6000年、公元前5500年、公元前3000年和公元前2000年。為論證中華文明5000年，我國學(xué)者提出了中國方案[1，2]，認(rèn)為多樣性世界，多樣性文明，需要多樣性的文明標(biāo)志（即“滿天星斗”）。中國標(biāo)準(zhǔn)包括：①農(nóng)業(yè)發(fā)展，人口增加，形成區(qū)域中心并逐步發(fā)展為早期城市。②制作玉器、綠松石器、精致陶器、漆器等具有高技術(shù)含量的手工業(yè)專業(yè)化，并為權(quán)貴階層控制。③出現(xiàn)了脫離勞動(dòng)、專門管理社會(huì)事務(wù)的階層，社會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的貧富貴賤分化，形成了不同的階級(jí)。④出現(xiàn)了掌握軍事指揮權(quán)與信仰祭祀權(quán)的王者，以及為王營建的都邑、王居住的宮殿、埋葬王和權(quán)貴階層的高等級(jí)墓葬。⑤出現(xiàn)彰顯權(quán)貴階層身份的禮器和禮制。⑥戰(zhàn)爭和暴力成為社會(huì)常態(tài)，出現(xiàn)一部分人對(duì)另一部分人的剝削和奴役的現(xiàn)象，貴族墓中出現(xiàn)人殉，或用人為宮殿奠基。⑦形成由王控制的、血緣與地緣關(guān)系結(jié)合、依靠社會(huì)規(guī)范和暴力進(jìn)行管理的區(qū)域政體——早期國家。

2023年12月9日，國家文物局發(fā)布了中華文明探源工程取得的最新成果[3]，項(xiàng)目研究認(rèn)為：“大約從距今約5800年開始，中華大地上各個(gè)區(qū)域相繼出現(xiàn)較為明顯的社會(huì)分化，進(jìn)入了文明起源的加速階段，可將從距今5800年至距今3500年的長時(shí)段劃分為古國時(shí)代和王朝時(shí)代兩個(gè)時(shí)代，其中古國時(shí)代可進(jìn)一步細(xì)分為三個(gè)小階段?！?/p>

然而，中國方案不包括文字及冶金術(shù)，或者說文字和冶金術(shù)的歷史被認(rèn)為沒有達(dá)到5000年。

冶金術(shù)在古代文明起源中的獨(dú)特與重要作用

在人類跨入文明社會(huì)的三大標(biāo)準(zhǔn)中，文字的發(fā)明和金屬工具的出現(xiàn)獨(dú)立于國家的形成，正說明它們與國家的形成具有同等重要的地位。

國家對(duì)文明起源的重要性不言而喻。它是人類長期生存發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的必然結(jié)果。實(shí)際上，我們經(jīng)常談到的，如人口增加、社會(huì)分工與分化、王權(quán)、城市、祭祀、水利工程、稻作、畜牧、桑蠶、制玉、制陶等，是人類賴以生存的必要條件，它們的發(fā)生、發(fā)明與發(fā)展促進(jìn)了“國家的形成”，它們也屬于文明起源的一部分而包含在“國家的形成”中。但是它們不能夠單列，這是由于這些活動(dòng)是人類為了生存，在長期生活和生產(chǎn)中逐漸積累和發(fā)展出來的社會(huì)現(xiàn)象和手工業(yè)技術(shù)，是“國家的形成”的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，一般將“國家的形成”比作“物質(zhì)文明”。

人類有了語言，即使沒有文字，也可以生存和交流，那么為何還要?jiǎng)?chuàng)造文字？其原因一般歸納為溝通、交流、傳承、記錄、學(xué)習(xí)、查驗(yàn)、借鑒，甚至是為了表示誠信和做出承諾，例如“口說無憑，立字為證”。文字的發(fā)明是人類智慧的結(jié)晶，通常被比作“精神文明”。

金屬工具或冶金術(shù)的出現(xiàn)被比作“科技文明”，是物質(zhì)發(fā)明的一次“革命”。冶金是從礦石到金屬和合金的質(zhì)變過程。要獲得一件青銅器，哪怕是最簡單的器物，都得經(jīng)過一系列復(fù)雜的生產(chǎn)流程：礦石→冶煉純金屬→合金化→制模和制范→鑄造或鍛打等加工→青銅器。其中每一道工序，都要求古代工匠必須具備高度專業(yè)的知識(shí)和技能，并且還需多人的相互配合與協(xié)調(diào)。從材料科學(xué)技術(shù)的角度上講，制作青銅器與制作陶器、玉器和漆器相比，正如制造汽車與制作板車和馬車之間的差別，存在著質(zhì)變與量變的差距。青銅器的制作存在很高的技術(shù)閾值，故而也有一種說法——“金屬冶煉技術(shù)的出現(xiàn)”與“以蒸汽機(jī)為代表的工業(yè)革命”是有史以來真正能稱得上“深刻地改變了人類的生活”的兩次重大“革命性”事件。

青銅實(shí)證中華文明不止五千年

如果說夏朝青銅器不能作為冶金術(shù)或青銅器的起源，那么如何尋找這個(gè)起源？根據(jù)材料科學(xué)和冶金學(xué)的理論，從宏觀上看，冶金術(shù)或青銅器的出現(xiàn)大概要經(jīng)歷3個(gè)發(fā)現(xiàn)和4個(gè)發(fā)明[4]。

3個(gè)發(fā)現(xiàn)是天然純金屬的發(fā)現(xiàn)、單質(zhì)金屬熔煉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)[5，6]和青銅合金化的發(fā)現(xiàn)。在現(xiàn)代材料學(xué)發(fā)展史上，合金化概念的提出和成熟具有里程碑意義[7]。4個(gè)發(fā)明是熔煉技術(shù)的發(fā)明，包括冶煉工藝、冶煉裝置設(shè)計(jì)和制造；金屬成型技術(shù)的發(fā)明，包括鑄造、鍛打、焊接等；金屬礦開采技術(shù)的發(fā)明；合金化技術(shù)的發(fā)明，即古人能夠有意識(shí)地采用不同成分配比制作不同器物。

按照現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，古代冶金技術(shù)不僅需要“發(fā)現(xiàn)”和“發(fā)明”，還要經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)室小試→現(xiàn)場中試→產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的發(fā)展歷程。也就是說，應(yīng)該沿著這個(gè)路徑去追尋“金屬工具的出現(xiàn)”源頭。實(shí)際上，現(xiàn)有的考古發(fā)掘已在我國“東西南北中”都發(fā)現(xiàn)距今5000年以上的金屬器物和冶煉遺址，最早的距今6000年以上[4，5，6，8-10]。例如，陜西臨潼姜寨遺址出土的半圓黃銅殘片和銅管被認(rèn)為是中國最早的銅器，年代為公元前4675±135年；內(nèi)蒙古敖漢旗境內(nèi)紅山文化遺址出土的鑄造青銅飾件的陶制模具，年代為公元前4500年～公元前4000年；山東泰安大汶口文化遺址出土的紅銅屑，年代為公元前4100年～公元前2600年；湖北荊門屈家?guī)X文化遺址出土的銅塊和煉缸，年代為公元前3300年～公元前2700年，考古現(xiàn)場不僅顯示出該處是原始冶煉遺跡，更發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的冶煉技術(shù)可能已經(jīng)躍升到較高階段。

早期被發(fā)現(xiàn)的青銅器數(shù)量少，可能因?yàn)槠渲饕巧詈蜕a(chǎn)用品，難以保留；另外，貴族階層還沒有開始大量使用青銅制作禮器，以及將青銅器埋入墓葬尚未形成風(fēng)氣，這說明早期的社會(huì)還相對(duì)公平。

目前，大量研究已經(jīng)實(shí)證距今5800～5200年前后，中國已經(jīng)進(jìn)入了古國時(shí)代[3]，至于文字的發(fā)明是否在5000年以上，還有待進(jìn)一步考證。不過文字的發(fā)明與金屬工具或冶金術(shù)的出現(xiàn)應(yīng)具有某種相關(guān)性，因?yàn)橐苯鹗且豁?xiàng)系統(tǒng)工程，需要大量的人力、物力和專業(yè)技術(shù)人員，其傳承和發(fā)展需要專業(yè)培養(yǎng)和職業(yè)訓(xùn)練，單靠家庭式作坊的代代相傳特別是口耳相傳，是不可能的。這些專業(yè)培訓(xùn)需要教材，這也可能催生了文字的發(fā)明，這是一個(gè)有趣的課題，希望引起文字學(xué)研究學(xué)者的關(guān)注。

為什么先有青銅時(shí)代，后有鐵器時(shí)代？

1819年，丹麥考古學(xué)家湯姆森（C. J. Thomsen）提出三段分期法，最先將丹麥的史前時(shí)代分為石器時(shí)代、青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代。試圖通過生產(chǎn)工具和生活用具材料的演變，來說明史前社會(huì)的發(fā)展過程，被認(rèn)為具有較強(qiáng)的科學(xué)性，普遍應(yīng)用到世界各國的考古學(xué)中。

為什么先有青銅時(shí)代，后有鐵器時(shí)代？廣泛流傳的說法是因?yàn)殂~與鐵的熔點(diǎn)不同。銅的熔點(diǎn)是1083.4℃，鐵的熔點(diǎn)是1538℃，由于古人沒有高溫爐，所以造成鐵器時(shí)代到來得較晚。如果真的是這個(gè)原因，那又是什么高溫技術(shù)的突破，導(dǎo)致鐵器時(shí)代的來臨？顯然，歷史的真相并不是這樣。

冶鐵與冶銅，完全不同的原理、方法與技術(shù)路線

一般認(rèn)為，在世界范圍內(nèi)，以使用青銅為標(biāo)志的青銅時(shí)代的起止時(shí)間大約在公元前4000年—公元前1000年或稍后，鐵器時(shí)代的起止時(shí)間大約是公元前1000年—公元500年，世界各地有較大差異。

在中國，青銅時(shí)代的起止時(shí)間約為公元前1880年（夏朝中晚期）—公元前500年（春秋戰(zhàn)國時(shí)期），鐵器時(shí)代起止時(shí)間約為公元前500年（春秋戰(zhàn)國時(shí)期）—公元500年（南北朝時(shí)期），其中西漢后期進(jìn)入了完全的鐵器時(shí)代[8，10]。

銅與鐵是兩種不同的金屬材料。銅合金以純銅為基本材料，再加上其他元素，如錫青銅是銅錫合金、黃銅是銅鋅合金、白銅是銅鎳合金。慣常說的鋼鐵是對(duì)鋼和鐵的總稱，主要由鐵和碳兩種元素構(gòu)成即鐵碳合金，含碳量對(duì)鋼鐵的性質(zhì)影響極大。銅和銅合金與鋼鐵具有完全不同的金屬學(xué)特征如晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織、相變等，完全不同的物理、化學(xué)、機(jī)械性能，以及完全不同的冶煉及熱加工、冷加工等工藝。

冶銅最大的秘密就在于合金化理念的出現(xiàn)，以及合金化技術(shù)的產(chǎn)生。古人清楚地掌握了制作不同器物，要采用不同金屬配比的奧秘。在工藝上，其核心簡單來說就是“做加法”。首先將銅礦石、錫礦石和鉛礦石分別冶煉為銅、錫、鉛等純金屬，然后將錫和鉛按一定比例添加到銅熔液中，并再次冶煉獲得青銅熔液，最后通過鑄造、鍛打等加工制作出各種各樣的青銅器[4]。

然而，冶鐵具有與冶銅完全不同的冶金原理、技術(shù)路線和冶煉方法，其核心是要出減少或調(diào)節(jié)生鐵中碳元素的含量，簡單總結(jié)為“做減法”。先秦時(shí)期的工匠并不知道這個(gè)原理，這成為困擾古人2000多年的難題，也是鐵器時(shí)代晚于青銅時(shí)代的根本原因。

將生鐵變成鋼，先秦工匠難以逾越的挑戰(zhàn)

廣義的冶鐵技術(shù)包括兩步。第一步是煉鐵，將鐵礦石（如磁鐵礦、赤鐵礦等）進(jìn)行冶煉獲得生鐵，第二步是煉鋼，將生鐵進(jìn)一步脫碳冶煉成鋼。鋼具有更廣泛的使用價(jià)值，在古代也是打制刀劍等武器的基礎(chǔ)和前提。按照現(xiàn)代冶金學(xué)理論，生鐵是鐵礦石經(jīng)高爐冶煉的初級(jí)產(chǎn)品，分為煉鋼生鐵（生鐵）和鑄造生鐵（鑄鐵）。生鐵含碳量高，超過2.11%，還含有硅、錳、硫、磷等較多的雜質(zhì)元素，耐磨且鑄造性好，但硬而脆，幾乎沒有塑性，不能進(jìn)行鍛打。在古代通過鑄造，生鐵可以用于制作耕地的犁鏵，也可以鑄成鐵鍋等簡單器具。但是，生鐵不能制作刀劍等武器，以及更為復(fù)雜的生產(chǎn)、生活用品。熟鐵是指含碳量低于0.02%的鐵，熟鐵太軟，使用價(jià)值不高。

煉鋼是將初級(jí)產(chǎn)品生鐵進(jìn)行再次熔煉，通過一定的工藝和技術(shù)減少其含碳量，而得到二次產(chǎn)品鋼或統(tǒng)稱為鋼鐵。一般要求含碳量在0.02%～2.11%，同時(shí)消除磷、硫、氧、氮等有害元素，保留或增加硅、錳、鎳、鉻等有益元素，并通過調(diào)整元素比例來獲得最佳性能。真正有使用價(jià)值的是具有不同含碳量的碳素鋼，又分為低碳鋼（含碳量為0.02%～0.25 %）、中碳鋼（含碳量為0.25%～0.6%）和高碳鋼（含碳量為0.6%～2%）。鋼因具有強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫、耐腐蝕、易加工、抗沖擊等優(yōu)良性能而被廣泛利用。

生鐵和鋼中需要不同含量的碳，是現(xiàn)代冶金學(xué)的概念。在古代，工匠并不知道鐵中有碳，也沒有碳元素的概念。另外，鋼中的碳元素看不見、摸不著，在沒有化學(xué)分析技術(shù)和儀器的情況下，古代工匠要實(shí)現(xiàn)人為調(diào)控鋼鐵中的含碳量，比登天還難！這就是古人在冶鐵時(shí)遇到的巨大障礙。實(shí)際上，冶鐵技術(shù)在青銅時(shí)代已經(jīng)出現(xiàn)，古代工匠已經(jīng)能夠通過鐵礦石冶煉出生鐵。例如，我國目前發(fā)現(xiàn)的最古老的冶煉鐵器——甘肅臨潭磨溝寺洼文化墓葬出土的兩塊鐵條，大約在公元前1510年～公元前1310年，相當(dāng)于商朝時(shí)期。這也說明冶煉溫度并不是阻礙冶鐵技術(shù)發(fā)展的主要因素，或者說當(dāng)時(shí)古人設(shè)計(jì)的冶煉爐已經(jīng)完全能夠?qū)㈣F礦石冶煉成生鐵。

對(duì)于已經(jīng)能夠熟練冶煉青銅，制作出各種各樣精美青銅器的古代工匠來說，鐵沒有青銅“好用”。制作青銅器只需要向銅里面加入不同含量的錫和鉛，而采用同樣的方法冶鐵就不行。古人不知個(gè)中原因，也找不到進(jìn)一步提高生鐵性能的辦法，這就成為一道難以逾越的技術(shù)難題。

千錘百煉鑄就鐵器時(shí)代的千年輝煌

按照冶金史的記載，由于炒鋼、罐鋼和百煉鋼等工藝的發(fā)明，中國才完全掌握鑄鐵脫碳處理技術(shù)，隨著煉鋼逐漸成熟，鋼鐵材料實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，迎來了中國歷史上的鐵器時(shí)代。

“炒鋼”（也稱“炒鐵”）是在將生鐵加熱熔煉時(shí)，反復(fù)攪拌鐵水，使鐵水中的碳與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成揮發(fā)性CO和CO2氣體，從而減少鐵水中的碳。鐵熔液的顏色，以及爐口火焰的顏色和形狀與CO濃度有關(guān)，通過觀察可以判斷冶煉爐中的溫度和含碳量，“火候”和“爐火純青”說的就是這個(gè)意思。炒鋼的產(chǎn)品大多是低碳鋼和熟鐵，但如果控制得好，也可以得到中碳鋼和高碳鋼。炒鋼工藝大約發(fā)明于西漢中晚期，如河南鞏義鐵生溝冶鐵遺址（約西漢中晚期至東漢）、河南南陽瓦房莊冶鐵遺址（約西漢中期到東漢晚期）。

炒鋼法很難掌握， “炒”得過度會(huì)使鐵中的碳減少得過多，得到熟鐵。由此又發(fā)明了罐鋼法，將生鐵和熟鐵混合，以調(diào)節(jié)鋼中含碳量，獲得高質(zhì)量碳素鋼。西漢后期到南北朝是中國制鋼技術(shù)的大發(fā)展時(shí)期，灌鋼法的發(fā)明被認(rèn)為是中國早期煉鋼技術(shù)最突出的一項(xiàng)成就，為世界冶煉技術(shù)的發(fā)展做出了劃時(shí)代貢獻(xiàn)。著名的大馬士革刀采用的就是這種制作方法。

百煉鋼的產(chǎn)生有一個(gè)發(fā)展過程，西漢早期工匠發(fā)現(xiàn)通過多次鍛打可以提高生鐵的質(zhì)量，西漢后期發(fā)明炒鋼以后，生鐵折疊層數(shù)和鍛打次數(shù)增多，該技術(shù)到東漢時(shí)期已廣泛使用，三國時(shí)期高度成熟[8]。百煉鋼以反復(fù)疊打和控制含碳量為其工藝特征，將生鐵或炒鋼反復(fù)加熱、折疊、鍛打，一方面使組織變得致密，同時(shí)也在反復(fù)加熱過程中，生鐵中過多的碳與空氣中的氧反應(yīng)，以CO和CO2氣體的形式揮發(fā)了，間接降低了含碳量，使生鐵變成鋼。文獻(xiàn)記載中常有“五煉”“九煉”“卅煉”“五十煉”“七十二煉”，還有成語“百煉成鋼”，這些詞語中“煉”字前的數(shù)字一般被認(rèn)為是加熱的次數(shù)。百煉鋼制成的刀劍質(zhì)量很高，三國時(shí)期已經(jīng)相當(dāng)普遍了。

鐵器時(shí)代的煉鋼憑的是經(jīng)驗(yàn)，直到20世紀(jì)以后，隨著各種碳氮化學(xué)分析儀器的出現(xiàn)，才真正實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼中含碳量的精確控制，使得鋼鐵材料的質(zhì)量大幅度提高。如今測(cè)定鋼中含碳量的方法很多，例如紅外吸收法、發(fā)射光譜法、波長色散X射線法、非水溶液滴定法、色譜法、電化學(xué)方法和在線分析法。其中，基于紅外吸收法發(fā)展出的燃燒紅外吸收法屬于碳（和硫）定量分析專用方法，鋼鐵試樣在氧氣流中燃燒生成CO2，在一定壓力下，CO2吸收紅外線的能量（頻率）與其濃度成正比，測(cè)出CO2流經(jīng)紅外吸收器前后的能量（頻率）變化，則可計(jì)算出含碳量；非水溶液滴定法的原理是將鋼鐵試樣燃燒生成的CO2通過40%的氫氧化鉀溶液，根據(jù)溶液吸收CO2前后的體積差計(jì)算試樣中含碳量。

傳說中的制劍大師歐冶子、干將和莫邪是春秋末期到戰(zhàn)國初期（約公元前475年）的人物，正處于青銅時(shí)代，或鐵器時(shí)代的萌芽期。他們制作的名劍受到當(dāng)時(shí)帝王和同時(shí)代人們的推崇。歐冶子制作的8把寶劍——湛盧、純鈞、勝邪、魚腸、巨闕、龍淵、太阿、工布，被譽(yù)為華夏千古名劍?，F(xiàn)在大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為歐冶子制作的是鋼鐵劍，而非青銅劍。也就是說，歐冶子是“鍛劍”大師，而不是“鑄劍”大師。處于青銅時(shí)代的歐冶子一家，在其他工匠還在鑄造青銅劍的時(shí)候，已經(jīng)能夠制作出數(shù)百年以后才出現(xiàn)的高質(zhì)量鋼鐵刀劍，這是他們超越時(shí)代的過人之處。

可以猜想歐冶子最先發(fā)現(xiàn)冶鐵成鋼的秘密，并且進(jìn)一步發(fā)明了鍛打和淬火工藝。由于冶鐵的技術(shù)特點(diǎn)，這些技術(shù)沒有大范圍傳播，導(dǎo)致冶鐵技術(shù)沒有流傳下去。直到西漢中期，漢武帝派人赴西域大月氏學(xué)習(xí)鋼刀制作技術(shù)，冶鐵技術(shù)才逐漸成熟和普及，也使得中華文明正式進(jìn)入鐵器時(shí)代。

結(jié) 語

作為兩種重要的金屬材料，青銅和鋼鐵的起源與發(fā)展符合材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，具有重要的歷史、文化和考古意義。與其他技藝相比，冶煉青銅與鋼鐵，制作青銅器和鐵器，需要專業(yè)知識(shí)的支撐、大批專業(yè)技術(shù)人員的配合，以及大規(guī)模生產(chǎn)，現(xiàn)代是這樣，古代也是如此。

踏著古人金屬冶煉的足跡，通過科技與考古的交叉融合，去追尋和實(shí)證中華冶金技術(shù)的起源與發(fā)展。我們可以自信地向世界莊嚴(yán)宣告，中華青銅文明不止5000年，中國的冶鐵技術(shù)在2000多年前就已經(jīng)位居世界前列！

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關(guān)鍵詞：古代冶金術(shù) 青銅起源 鐵器時(shí)代 文明起源 材料科技考古學(xué) ■