冶金技术在中华文明起源与发展中的作用

原创 潘春旭 科学杂志1915 2024-06-26 10:34 上海

作者：潘春旭

我们常说中国有百万年的人类史、一万年的文化史、五千多年的文明史，还有一句朗朗上口、妇孺皆知的话是“中华文明上下五千年”。这些印记已经牢牢注入每个中国人的基因中。然而，要从历史和科学上论证中华文明是5000多年，而不是4000多年，却并不容易。

国际学术界公认的人类跨入文明社会的三大标准是国家的形成、文字的发明和金属工具的出现。据此，中华文明只有3600多年，其依据主要有两点。一是夏朝(公元前2070年—公元前1600年)的青铜器，距今4000多年;二是商朝(约公元前1600年—公元前1046年)的甲骨文，距今约3600多年。

然而，商朝甲骨文属于成熟文字，并且也只是主要用于祭祀和占卜的文字，并不代表当时社会的文字使用水平。夏朝青铜器也已经达到了很高的水平，从夏朝中晚期都城二里头遗址出土的青铜器来看，其金属冶炼技术已经属于成熟时期，青铜器器型复杂且精美，包括铸造难度较大的空腔容器如青铜爵、青铜鼎、青铜铃铛等，以及纹饰复杂的嵌绿松石铜牌饰。也就是说，商朝甲骨文和夏朝青铜器并不是中华文明的起源。

“中华文明五千年”的来历

关于“中华文明五千年”的来历，从文献资料来看，主要有两种说法。一种是依据西汉史学家司马迁的《史记》开篇《五帝本纪》，从黄帝开始算起，即公元前2698年;另一种是根据17世纪意大利来华传教士卫匡国(M. Martini)撰写的《中国上古史》(Sinicae Historiae decas Prima)，从盘古开天辟地也就是伏羲时代的起始年算起，即公元前2952年。那么，从考古上能够实证中华文明大约有5000多年历史吗?又如何来证明?

按照文明起源三大标准，四大文明古国——古埃及、古巴比伦、古印度和中国的起源时间分别是公元前6000年、公元前5500年、公元前3000年和公元前2000年。为论证中华文明5000年，我国学者提出了中国方案^[1,2]，认为多样性世界，多样性文明，需要多样性的文明标志(即“满天星斗”)。中国标准包括：①农业发展，人口增加，形成区域中心并逐步发展为早期城市。②制作玉器、绿松石器、精致陶器、漆器等具有高技术含量的手工业专业化，并为权贵阶层控制。③出现了脱离劳动、专门管理社会事务的阶层，社会出现严重的贫富贵贱分化，形成了不同的阶级。④出现了掌握军事指挥权与信仰祭祀权的王者，以及为王营建的都邑、王居住的宫殿、埋葬王和权贵阶层的高等级墓葬。⑤出现彰显权贵阶层身份的礼器和礼制。⑥战争和暴力成为社会常态，出现一部分人对另一部分人的剥削和奴役的现象，贵族墓中出现人殉，或用人为宫殿奠基。⑦形成由王控制的、血缘与地缘关系结合、依靠社会规范和暴力进行管理的区域政体——早期国家。

2023年12月9日，国家文物局发布了中华文明探源工程取得的最新成果^[3]，项目研究认为：“大约从距今约5800年开始，中华大地上各个区域相继出现较为明显的社会分化，进入了文明起源的加速阶段，可将从距今5800年至距今3500年的长时段划分为古国时代和王朝时代两个时代，其中古国时代可进一步细分为三个小阶段。”

然而，中国方案不包括文字及冶金术，或者说文字和冶金术的历史被认为没有达到5000年。

冶金术在古代文明起源中的独特与重要作用

在人类跨入文明社会的三大标准中，文字的发明和金属工具的出现独立于国家的形成，正说明它们与国家的形成具有同等重要的地位。

国家对文明起源的重要性不言而喻。它是人类长期生存发展与社会进步的必然结果。实际上，我们经常谈到的，如人口增加、社会分工与分化、王权、城市、祭祀、水利工程、稻作、畜牧、桑蚕、制玉、制陶等，是人类赖以生存的必要条件，它们的发生、发明与发展促进了“国家的形成”，它们也属于文明起源的一部分而包含在“国家的形成”中。但是它们不能够单列，这是由于这些活动是人类为了生存，在长期生活和生产中逐渐积累和发展出来的社会现象和手工业技术，是“国家的形成”的物质基础。因此，一般将“国家的形成”比作“物质文明”。

人类有了语言，即使没有文字，也可以生存和交流，那么为何还要创造文字?其原因一般归纳为沟通、交流、传承、记录、学习、查验、借鉴，甚至是为了表示诚信和做出承诺，例如“口说无凭，立字为证”。文字的发明是人类智慧的结晶，通常被比作“精神文明”。

金属工具或冶金术的出现被比作“科技文明”，是物质发明的一次“革命”。冶金是从矿石到金属和合金的质变过程。要获得一件青铜器，哪怕是最简单的器物，都得经过一系列复杂的生产流程：矿石→冶炼纯金属→合金化→制模和制范→铸造或锻打等加工→青铜器。其中每一道工序，都要求古代工匠必须具备高度专业的知识和技能，并且还需多人的相互配合与协调。从材料科学技术的角度上讲，制作青铜器与制作陶器、玉器和漆器相比，正如制造汽车与制作板车和马车之间的差别，存在着质变与量变的差距。青铜器的制作存在很高的技术阈值，故而也有一种说法——“金属冶炼技术的出现”与“以蒸汽机为代表的工业革命”是有史以来真正能称得上“深刻地改变了人类的生活”的两次重大“革命性”事件。

青铜实证中华文明不止五千年

如果说夏朝青铜器不能作为冶金术或青铜器的起源，那么如何寻找这个起源?根据材料科学和冶金学的理论，从宏观上看，冶金术或青铜器的出现大概要经历3个发现和4个发明^[4]。

3个发现是天然纯金属的发现、单质金属熔炼现象的发现^[5,6]和青铜合金化的发现。在现代材料学发展史上，合金化概念的提出和成熟具有里程碑意义^[7]。4个发明是熔炼技术的发明，包括冶炼工艺、冶炼装置设计和制造;金属成型技术的发明，包括铸造、锻打、焊接等;金属矿开采技术的发明;合金化技术的发明，即古人能够有意识地采用不同成分配比制作不同器物。

按照现代材料科学技术的发展规律，古代冶金技术不仅需要“发现”和“发明”，还要经历实验室小试→现场中试→产业化生产和应用的发展历程。也就是说，应该沿着这个路径去追寻“金属工具的出现”源头。实际上，现有的考古发掘已在我国“东西南北中”都发现距今5000年以上的金属器物和冶炼遗址，最早的距今6000年以上^[4,5,6,8-10]。例如，陕西临潼姜寨遗址出土的半圆黄铜残片和铜管被认为是中国最早的铜器，年代为公元前4675±135年;内蒙古敖汉旗境内红山文化遗址出土的铸造青铜饰件的陶制模具，年代为公元前4500年~公元前4000年;山东泰安大汶口文化遗址出土的红铜屑，年代为公元前4100年~公元前2600年;湖北荆门屈家岭文化遗址出土的铜块和炼缸，年代为公元前3300年~公元前2700年，考古现场不仅显示出该处是原始冶炼遗迹，更发现当时的冶炼技术可能已经跃升到较高阶段。

早期被发现的青铜器数量少，可能因为其主要是生活和生产用品，难以保留;另外，贵族阶层还没有开始大量使用青铜制作礼器，以及将青铜器埋入墓葬尚未形成风气，这说明早期的社会还相对公平。

目前，大量研究已经实证距今5800~5200年前后，中国已经进入了古国时代^[3]，至于文字的发明是否在5000年以上，还有待进一步考证。不过文字的发明与金属工具或冶金术的出现应具有某种相关性，因为冶金是一项系统工程，需要大量的人力、物力和专业技术人员，其传承和发展需要专业培养和职业训练，单靠家庭式作坊的代代相传特别是口耳相传，是不可能的。这些专业培训需要教材，这也可能催生了文字的发明，这是一个有趣的课题，希望引起文字学研究学者的关注。

姜寨遗址出土的半圆黄铜残片和铜管

为什么先有青铜时代，后有铁器时代?

1819年，丹麦考古学家汤姆森(C. J. Thomsen)提出三段分期法，最先将丹麦的史前时代分为石器时代、青铜时代和铁器时代。试图通过生产工具和生活用具材料的演变，来说明史前社会的发展过程，被认为具有较强的科学性，普遍应用到世界各国的考古学中。

为什么先有青铜时代，后有铁器时代?广泛流传的说法是因为铜与铁的熔点不同。铜的熔点是1083.4℃，铁的熔点是1538℃，由于古人没有高温炉，所以造成铁器时代到来得较晚。如果真的是这个原因，那又是什么高温技术的突破，导致铁器时代的来临?显然，历史的真相并不是这样。

冶铁与冶铜，完全不同的原理、方法与技术路线

一般认为，在世界范围内，以使用青铜为标志的青铜时代的起止时间大约在公元前4000年—公元前1000年或稍后，铁器时代的起止时间大约是公元前1000年—公元500年，世界各地有较大差异。

在中国，青铜时代的起止时间约为公元前1880年(夏朝中晚期)—公元前500年(春秋战国时期)，铁器时代起止时间约为公元前500年(春秋战国时期)—公元500年(南北朝时期)，其中西汉后期进入了完全的铁器时代^[8,10]。

铜与铁是两种不同的金属材料。铜合金以纯铜为基本材料，再加上其他元素，如锡青铜是铜锡合金、黄铜是铜锌合金、白铜是铜镍合金。惯常说的钢铁是对钢和铁的总称，主要由铁和碳两种元素构成即铁碳合金，含碳量对钢铁的性质影响极大。铜和铜合金与钢铁具有完全不同的金属学特征如晶体结构、微观组织、相变等，完全不同的物理、化学、机械性能，以及完全不同的冶炼及热加工、冷加工等工艺。

冶铜最大的秘密就在于合金化理念的出现，以及合金化技术的产生。古人清楚地掌握了制作不同器物，要采用不同金属配比的奥秘。在工艺上，其核心简单来说就是“做加法”。首先将铜矿石、锡矿石和铅矿石分别冶炼为铜、锡、铅等纯金属，然后将锡和铅按一定比例添加到铜熔液中，并再次冶炼获得青铜熔液，最后通过铸造、锻打等加工制作出各种各样的青铜器^[4]。

然而，冶铁具有与冶铜完全不同的冶金原理、技术路线和冶炼方法，其核心是要出减少或调节生铁中碳元素的含量，简单总结为“做减法”。先秦时期的工匠并不知道这个原理，这成为困扰古人2000多年的难题，也是铁器时代晚于青铜时代的根本原因。

将生铁变成钢，先秦工匠难以逾越的挑战

广义的冶铁技术包括两步。第一步是炼铁，将铁矿石(如磁铁矿、赤铁矿等)进行冶炼获得生铁，第二步是炼钢，将生铁进一步脱碳冶炼成钢。钢具有更广泛的使用价值，在古代也是打制刀剑等武器的基础和前提。按照现代冶金学理论，生铁是铁矿石经高炉冶炼的初级产品，分为炼钢生铁(生铁)和铸造生铁(铸铁)。生铁含碳量高，超过2.11%，还含有硅、锰、硫、磷等较多的杂质元素，耐磨且铸造性好，但硬而脆，几乎没有塑性，不能进行锻打。在古代通过铸造，生铁可以用于制作耕地的犁铧，也可以铸成铁锅等简单器具。但是，生铁不能制作刀剑等武器，以及更为复杂的生产、生活用品。熟铁是指含碳量低于0.02% 的铁，熟铁太软，使用价值不高。

炼钢是将初级产品生铁进行再次熔炼，通过一定的工艺和技术减少其含碳量，而得到二次产品钢或统称为钢铁。一般要求含碳量在0.02%~2.11%，同时消除磷、硫、氧、氮等有害元素，保留或增加硅、锰、镍、铬等有益元素，并通过调整元素比例来获得最佳性能。真正有使用价值的是具有不同含碳量的碳素钢，又分为低碳钢(含碳量为0.02%~0.25 %)、中碳钢(含碳量为0.25%~0.6%)和高碳钢(含碳量为0.6%~2%)。钢因具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击等优良性能而被广泛利用。

生铁和钢中需要不同含量的碳，是现代冶金学的概念。在古代，工匠并不知道铁中有碳，也没有碳元素的概念。另外，钢中的碳元素看不见、摸不着，在没有化学分析技术和仪器的情况下，古代工匠要实现人为调控钢铁中的含碳量，比登天还难!这就是古人在冶铁时遇到的巨大障碍。实际上，冶铁技术在青铜时代已经出现，古代工匠已经能够通过铁矿石冶炼出生铁。例如，我国目前发现的最古老的冶炼铁器——甘肃临潭磨沟寺洼文化墓葬出土的两块铁条，大约在公元前1510年~公元前1310年，相当于商朝时期。这也说明冶炼温度并不是阻碍冶铁技术发展的主要因素，或者说当时古人设计的冶炼炉已经完全能够将铁矿石冶炼成生铁。

对于已经能够熟练冶炼青铜，制作出各种各样精美青铜器的古代工匠来说，铁没有青铜“好用”。制作青铜器只需要向铜里面加入不同含量的锡和铅，而采用同样的方法冶铁就不行。古人不知个中原因，也找不到进一步提高生铁性能的办法，这就成为一道难以逾越的技术难题。

千锤百炼铸就铁器时代的千年辉煌

按照冶金史的记载，由于炒钢、罐钢和百炼钢等工艺的发明，中国才完全掌握铸铁脱碳处理技术，随着炼钢逐渐成熟，钢铁材料实现大规模应用，迎来了中国历史上的铁器时代。

“炒钢”(也称“炒铁”)是在将生铁加热熔炼时，反复搅拌铁水，使铁水中的碳与空气中的氧发生反应，生成挥发性CO和CO₂气体，从而减少铁水中的碳。铁熔液的颜色，以及炉口火焰的颜色和形状与CO浓度有关，通过观察可以判断冶炼炉中的温度和含碳量，“火候”和“炉火纯青”说的就是这个意思。炒钢的产品大多是低碳钢和熟铁，但如果控制得好，也可以得到中碳钢和高碳钢。炒钢工艺大约发明于西汉中晚期，如河南巩义铁生沟冶铁遗址(约西汉中晚期至东汉)、河南南阳瓦房庄冶铁遗址(约西汉中期到东汉晚期)。

炒钢法很难掌握，“炒”得过度会使铁中的碳减少得过多，得到熟铁。由此又发明了罐钢法，将生铁和熟铁混合，以调节钢中含碳量，获得高质量碳素钢。西汉后期到南北朝是中国制钢技术的大发展时期，灌钢法的发明被认为是中国早期炼钢技术最突出的一项成就，为世界冶炼技术的发展做出了划时代贡献。著名的大马士革刀采用的就是这种制作方法。

百炼钢的产生有一个发展过程，西汉早期工匠发现通过多次锻打可以提高生铁的质量，西汉后期发明炒钢以后，生铁折叠层数和锻打次数增多，该技术到东汉时期已广泛使用，三国时期高度成熟[8]。百炼钢以反复叠打和控制含碳量为其工艺特征，将生铁或炒钢反复加热、折叠、锻打，一方面使组织变得致密，同时也在反复加热过程中，生铁中过多的碳与空气中的氧反应，以CO和CO₂气体的形式挥发了，间接降低了含碳量，使生铁变成钢。文献记载中常有“五炼”“九炼”“卅炼”“五十炼”“七十二炼”，还有成语“百炼成钢”，这些词语中“炼”字前的数字一般被认为是加热的次数。百炼钢制成的刀剑质量很高，三国时期已经相当普遍了。

铁器时代的炼钢凭的是经验，直到20世纪以后，随着各种碳氮化学分析仪器的出现，才真正实现对钢中含碳量的精确控制，使得钢铁材料的质量大幅度提高。如今测定钢中含碳量的方法很多，例如红外吸收法、发射光谱法、波长色散X射线法、非水溶液滴定法、色谱法、电化学方法和在线分析法。其中，基于红外吸收法发展出的燃烧红外吸收法属于碳(和硫)定量分析专用方法，钢铁试样在氧气流中燃烧生成CO₂，在一定压力下，CO₂吸收红外线的能量(频率)与其浓度成正比，测出CO₂流经红外吸收器前后的能量(频率)变化，则可计算出含碳量;非水溶液滴定法的原理是将钢铁试样燃烧生成的CO₂通过40%的氢氧化钾溶液，根据溶液吸收CO₂前后的体积差计算试样中含碳量。

传说中的制剑大师欧冶子、干将和莫邪是春秋末期到战国初期(约公元前475年)的人物，正处于青铜时代，或铁器时代的萌芽期。他们制作的名剑受到当时帝王和同时代人们的推崇。欧冶子制作的8把宝剑——湛卢、纯钧、胜邪、鱼肠、巨阙、龙渊、太阿、工布，被誉为华夏千古名剑。现在大多数学者认为欧冶子制作的是钢铁剑，而非青铜剑。也就是说，欧冶子是“锻剑”大师，而不是“铸剑”大师。处于青铜时代的欧冶子一家，在其他工匠还在铸造青铜剑的时候，已经能够制作出数百年以后才出现的高质量钢铁刀剑，这是他们超越时代的过人之处。

可以猜想欧冶子最先发现冶铁成钢的秘密，并且进一步发明了锻打和淬火工艺。由于冶铁的技术特点，这些技术没有大范围传播，导致冶铁技术没有流传下去。直到西汉中期，汉武帝派人赴西域大月氏学习钢刀制作技术，冶铁技术才逐渐成熟和普及，也使得中华文明正式进入铁器时代。

结 语

作为两种重要的金属材料，青铜和钢铁的起源与发展符合材料科学技术的发展规律，具有重要的历史、文化和考古意义。与其他技艺相比，冶炼青铜与钢铁，制作青铜器和铁器，需要专业知识的支撑、大批专业技术人员的配合，以及大规模生产，现代是这样，古代也是如此。

踏着古人金属冶炼的足迹，通过科技与考古的交叉融合，去追寻和实证中华冶金技术的起源与发展。我们可以自信地向世界庄严宣告，中华青铜文明不止5000年，中国的冶铁技术在2000多年前就已经位居世界前列!

作者简介

潘春旭：教授，武汉大学物理科学与技术学院，武汉 430072。cxpan@whu.edu.cn

Pan Chunxu: Professor, School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072.

[1]朱忠鹤. 为什么说中华礼制源头在“牛河梁”. 辽宁日报, 2022-07-20.

[2]张清俐. 探寻中国文明起源的陶寺模式.中国社会科学报, 2022-07-27.

[3]张小筑. 知所从来 思所将往 方明所去——中华文明探源工程最新进展成果公布. (2023-12-11)[2024-1-18]. http://www.ncha.gov.cn/art/2023/12/11/art_722_185882.html.

[4]潘春旭. 中国古代青铜器的现代材料学. 北京: 冶金工业出版社, 2023.

[5]郭静云, 邱诗萤, 范梓浩, 等. 中国冶炼技术本土起源: 从长江中游冶炼遗存直接证据谈起(一). 南方文物, 2018(3): 63-77.

[6]郭静云, 邱诗萤, 范梓浩，郭立新.中国冶炼技术本土起源: 从长江中游冶炼遗存直接证据谈起(二). 南方文物, 2019(3): 47-61.

[7]郭可信. 金相学史话(4): 合金钢的早期发展史.材料科学与工程, 2001, 19(3): 5-12.

[8]华觉明. 中国古代金属技术——铜和铁造就的文明. 郑州: 大象出版社, 1999.

[9]许宏. 东亚青铜潮: 前甲骨文时代的千年变局. 北京: 三联书店, 2021.

[10]何堂坤. 中国古代金属冶炼和加工工程技术史. 太原: 山西教育出版社, 2009.

关键词：古代冶金术    青铜起源    铁器时代    文明起源    材料科技   考古学■

  本文刊载于2024年第76卷第3期《科学》杂志（P32-P36）《科学》杂志是AMI综合评价（A刊）扩展期刊于1915年1月在上海问世， 早年由任鸿隽，杨杏佛，胡明复，赵元任等学者编辑写作，是我国历史最长的综合性科学刊物。杂志定位为高级科普期刊，致力于科学知识、理念和科学精神的传播，科学与人文互动，历史和前沿并举，为提升我国全民科学素质和建设创新型国家服务。杂志现任主编为中国科学院院士白春礼先生，主办单位为上海科学技术出版社有限公司。

科学杂志1915

《科学》1915年创刊，是我国历史最悠久的综合性科学刊物，她开启了中国科学传播事业的新时代。1985年第二次复刊的《科学》致力于全视野、综合性地介绍现代科学技术的前沿发展。名誉主编：周光召；主编：白春礼。