冶金技術在中華文明起源與發展中的作用

國際學術界公認的人類跨入文明社會的三大標準是國家的形成、文字的發明和金屬工具的出現。據此，中華文明只有3600多年，其依據主要有兩點。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，并不代表當時社會的文字使用水平。夏朝青銅器也已經達到了很高的水平，從夏朝中晚期都城二里頭遺址出土的青銅器來看，其金屬冶煉技術已經屬于成熟時期，青銅器器型復雜且精美，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

關于“中華文明五千年”的來歷，從文獻資料來看，主要有兩種說法。一種是依據西漢史學家司馬遷的《史記》開篇《五帝本紀》，從黃帝開始算起，即公元前2698年；另一種是根據17世紀意大利來華傳教士衛匡國（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代的起始年算起，即公元前2952年。那么，從考古上能夠實證中華文明大約有5000多年歷史嗎？又如何來證明？

按照文明起源三大標準，四大文明古國——古埃及、古巴比倫、古印度和中國的起源時間分別是公元前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，我國學者提出了中國方案[1，2]，認為多樣性世界，多樣性文明，需要多樣性的文明標志（即“滿天星斗”）。中國標準包括：①農業發展，人口增加，形成區域中心并逐步發展為早期城市。②制作玉器、綠松石器、精致陶器、漆器等具有高技術含量的手工業專業化，并為權貴階層控制。③出現了脫離勞動、專門管理社會事務的階層，社會出現嚴重的貧富貴賤分化，形成了不同的階級。④出現了掌握軍事指揮權與信仰祭祀權的王者，以及為王營建的都邑、王居住的宮殿、埋葬王和權貴階層的高等級墓葬。⑤出現彰顯權貴階層身份的禮器和禮制。⑥戰爭和暴力成為社會常態，出現一部分人對另一部分人的剝削和奴役的現象，貴族墓中出現人殉，或用人為宮殿奠基。⑦形成由王控制的、血緣與地緣關系結合、依靠社會規范和暴力進行管理的區域政體——早期國家。

2023年12月9日，國家文物局發布了中華文明探源工程取得的最新成果[3]，項目研究認為：“大約從距今約5800年開始，中華大地上各個區域相繼出現較為明顯的社會分化，進入了文明起源的加速階段，可將從距今5800年至距今3500年的長時段劃分為古國時代和王朝時代兩個時代，其中古國時代可進一步細分為三個小階段。”

然而，中國方案不包括文字及冶金術，或者說文字和冶金術的歷史被認為沒有達到5000年。

冶金術在古代文明起源中的獨特與重要作用

在人類跨入文明社會的三大標準中，文字的發明和金屬工具的出現獨立于國家的形成，正說明它們與國家的形成具有同等重要的地位。

國家對文明起源的重要性不言而喻。它是人類長期生存發展與社會進步的必然結果。實際上，我們經常談到的，如人口增加、社會分工與分化、王權、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，它們的發生、發明與發展促進了“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，這是由于這些活動是人類為了生存，在長期生活和生產中逐漸積累和發展出來的社會現象和手工業技術，是“國家的形成”的物質基礎。因此，一般將“國家的形成”比作“物質文明”。

人類有了語言，即使沒有文字，也可以生存和交流，那么為何還要創造文字？其原因一般歸納為溝通、交流、傳承、記錄、學習、查驗、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”。文字的發明是人類智慧的結晶，通常被比作“精神文明”。

金屬工具或冶金術的出現被比作“科技文明”，是物質發明的一次“革命”。冶金是從礦石到金屬和合金的質變過程。要獲得一件青銅器，哪怕是最簡單的器物，都得經過一系列復雜的生產流程：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的知識和技能，并且還需多人的相互配合與協調。從材料科學技術的角度上講，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，存在著質變與量變的差距。青銅器的制作存在很高的技術閾值，故而也有一種說法——“金屬冶煉技術的出現”與“以蒸汽機為代表的工業革命”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或青銅器的起源，那么如何尋找這個起源？根據材料科學和冶金學的理論，從宏觀上看，冶金術或青銅器的出現大概要經歷3個發現和4個發明[4]。

3個發現是天然純金屬的發現、單質金屬熔煉現象的發現[5，6]和青銅合金化的發現。在現代材料學發展史上，合金化概念的提出和成熟具有里程碑意義[7]。4個發明是熔煉技術的發明，包括冶煉工藝、冶煉裝置設計和制造；金屬成型技術的發明，包括鑄造、鍛打、焊接等；金屬礦開采技術的發明；合金化技術的發明，即古人能夠有意識地采用不同成分配比制作不同器物。

按照現代材料科學技術的發展規律，古代冶金技術不僅需要“發現”和“發明”，還要經歷實驗室小試→現場中試→產業化生產和應用的發展歷程。也就是說，應該沿著這個路徑去追尋“金屬工具的出現”源頭。實際上，現有的考古發掘已在我國“東西南北中”都發現距今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為是中國最早的銅器，年代為公元前4675±135年；內蒙古敖漢旗境內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；湖北荊門屈家嶺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，考古現場不僅顯示出該處是原始冶煉遺跡，更發現當時的冶煉技術可能已經躍升到較高階段。

早期被發現的青銅器數量少，可能因為其主要是生活和生產用品，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氣，這說明早期的社會還相對公平。

目前，大量研究已經實證距今5800～5200年前后，中國已經進入了古國時代[3]，至于文字的發明是否在5000年以上，還有待進一步考證。不過文字的發明與金屬工具或冶金術的出現應具有某種相關性，因為冶金是一項系統工程，需要大量的人力、物力和專業技術人員，其傳承和發展需要專業培養和職業訓練，單靠家庭式作坊的代代相傳特別是口耳相傳，是不可能的。這些專業培訓需要教材，這也可能催生了文字的發明，這是一個有趣的課題，希望引起文字學研究學者的關注。

為什么先有青銅時代，后有鐵器時代？

1819年，丹麥考古學家湯姆森（C. J. Thomsen）提出三段分期法，最先將丹麥的史前時代分為石器時代、青銅時代和鐵器時代。試圖通過生產工具和生活用具材料的演變，來說明史前社會的發展過程，被認為具有較強的科學性，普遍應用到世界各國的考古學中。

為什么先有青銅時代，后有鐵器時代？廣泛流傳的說法是因為銅與鐵的熔點不同。銅的熔點是1083.4℃，鐵的熔點是1538℃，由于古人沒有高溫爐，所以造成鐵器時代到來得較晚。如果真的是這個原因，那又是什么高溫技術的突破，導致鐵器時代的來臨？顯然，歷史的真相并不是這樣。

冶鐵與冶銅，完全不同的原理、方法與技術路線

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

在中國，青銅時代的起止時間約為公元前1880年（夏朝中晚期）—公元前500年（春秋戰國時期），鐵器時代起止時間約為公元前500年（春秋戰國時期）—公元500年（南北朝時期），其中西漢后期進入了完全的鐵器時代[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。慣常說的鋼鐵是對鋼和鐵的總稱，主要由鐵和碳兩種元素構成即鐵碳合金，含碳量對鋼鐵的性質影響極大。銅和銅合金與鋼鐵具有完全不同的金屬學特征如晶體結構、微觀組織、相變等，完全不同的物理、化學、機械性能，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，以及合金化技術的產生。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、技術路線和冶煉方法，其核心是要出減少或調節生鐵中碳元素的含量，簡單總結為“做減法”。先秦時期的工匠并不知道這個原理，這成為困擾古人2000多年的難題，也是鐵器時代晚于青銅時代的根本原因。

將生鐵變成鋼，先秦工匠難以逾越的挑戰

廣義的冶鐵技術包括兩步。第一步是煉鐵，將鐵礦石（如磁鐵礦、赤鐵礦等）進行冶煉獲得生鐵，第二步是煉鋼，將生鐵進一步脫碳冶煉成鋼。鋼具有更廣泛的使用價值，在古代也是打制刀劍等武器的基礎和前提。按照現代冶金學理論，生鐵是鐵礦石經高爐冶煉的初級產品，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、磷等較多的雜質元素，耐磨且鑄造性好，但硬而脆，幾乎沒有塑性，不能進行鍛打。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，以及更為復雜的生產、生活用品。熟鐵是指含碳量低于0.02%的鐵，熟鐵太軟，使用價值不高。

煉鋼是將初級產品生鐵進行再次熔煉，通過一定的工藝和技術減少其含碳量，而得到二次產品鋼或統稱為鋼鐵。一般要求含碳量在0.02%～2.11%，同時消除磷、硫、氧、氮等有害元素，保留或增加硅、錳、鎳、鉻等有益元素，并通過調整元素比例來獲得最佳性能。真正有使用價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%）。鋼因具有強度高、韌性好、耐高溫、耐腐蝕、易加工、抗沖擊等優良性能而被廣泛利用。

生鐵和鋼中需要不同含量的碳，是現代冶金學的概念。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，在沒有化學分析技術和儀器的情況下，古代工匠要實現人為調控鋼鐵中的含碳量，比登天還難！這就是古人在冶鐵時遇到的巨大障礙。實際上，冶鐵技術在青銅時代已經出現，古代工匠已經能夠通過鐵礦石冶煉出生鐵。例如，我國目前發現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，相當于商朝時期。這也說明冶煉溫度并不是阻礙冶鐵技術發展的主要因素，或者說當時古人設計的冶煉爐已經完全能夠將鐵礦石冶煉成生鐵。

對于已經能夠熟練冶煉青銅，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。古人不知個中原因，也找不到進一步提高生鐵性能的辦法，這就成為一道難以逾越的技術難題。

千錘百煉鑄就鐵器時代的千年輝煌

按照冶金史的記載，由于炒鋼、罐鋼和百煉鋼等工藝的發明，中國才完全掌握鑄鐵脫碳處理技術，隨著煉鋼逐漸成熟，鋼鐵材料實現大規模應用，迎來了中國歷史上的鐵器時代。

“炒鋼”（也稱“炒鐵”）是在將生鐵加熱熔煉時，反復攪拌鐵水，使鐵水中的碳與空氣中的氧發生反應，生成揮發性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，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”說的就是這個意思。炒鋼的產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”得過度會使鐵中的碳減少得過多，得到熟鐵。由此又發明了罐鋼法，將生鐵和熟鐵混合，以調節鋼中含碳量，獲得高質量碳素鋼。西漢后期到南北朝是中國制鋼技術的大發展時期，灌鋼法的發明被認為是中國早期煉鋼技術最突出的一項成就，為世界冶煉技術的發展做出了劃時代貢獻。著名的大馬士革刀采用的就是這種制作方法。

百煉鋼的產生有一個發展過程，西漢早期工匠發現通過多次鍛打可以提高生鐵的質量，西漢后期發明炒鋼以后，生鐵折疊層數和鍛打次數增多，該技術到東漢時期已廣泛使用，三國時期高度成熟[8]。百煉鋼以反復疊打和控制含碳量為其工藝特征，將生鐵或炒鋼反復加熱、折疊、鍛打，一方面使組織變得致密，同時也在反復加熱過程中，生鐵中過多的碳與空氣中的氧反應，以CO和CO2氣體的形式揮發了，間接降低了含碳量，使生鐵變成鋼。文獻記載中常有“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”字前的數字一般被認為是加熱的次數。百煉鋼制成的刀劍質量很高，三國時期已經相當普遍了。

鐵器時代的煉鋼憑的是經驗，直到20世紀以后，隨著各種碳氮化學分析儀器的出現，才真正實現對鋼中含碳量的精確控制，使得鋼鐵材料的質量大幅度提高。如今測定鋼中含碳量的方法很多，例如紅外吸收法、發射光譜法、波長色散X射線法、非水溶液滴定法、色譜法、電化學方法和在線分析法。其中，基于紅外吸收法發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，測出CO2流經紅外吸收器前后的能量（頻率）變化，則可計算出含碳量；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，根據溶液吸收CO2前后的體積差計算試樣中含碳量。

傳說中的制劍大師歐冶子、干將和莫邪是春秋末期到戰國初期（約公元前475年）的人物，正處于青銅時代，或鐵器時代的萌芽期。他們制作的名劍受到當時帝王和同時代人們的推崇。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，被譽為華夏千古名劍。現在大多數學者認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。處于青銅時代的歐冶子一家，在其他工匠還在鑄造青銅劍的時候，已經能夠制作出數百年以后才出現的高質量鋼鐵刀劍，這是他們超越時代的過人之處。

可以猜想歐冶子最先發現冶鐵成鋼的秘密，并且進一步發明了鍛打和淬火工藝。由于冶鐵的技術特點，這些技術沒有大范圍傳播，導致冶鐵技術沒有流傳下去。直到西漢中期，漢武帝派人赴西域大月氏學習鋼刀制作技術，冶鐵技術才逐漸成熟和普及，也使得中華文明正式進入鐵器時代。

結 語

作為兩種重要的金屬材料，青銅和鋼鐵的起源與發展符合材料科學技術的發展規律，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，需要專業知識的支撐、大批專業技術人員的配合，以及大規模生產，現代是這樣，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，去追尋和實證中華冶金技術的起源與發展。我們可以自信地向世界莊嚴宣告，中華青銅文明不止5000年，中國的冶鐵技術在2000多年前就已經位居世界前列！

[1]朱忠鶴. 為什么說中華禮制源頭在“牛河梁”. 遼寧日報， 2022-07-20.

[2]張清俐. 探尋中國文明起源的陶寺模式.中國社會科學報， 2022-07-27.

[3]張小筑. 知所從來 思所將往 方明所去——中華文明探源工程最新進展成果公布. （2023-12-11）[2024-1-18]. http：//www.ncha.gov. cn/art/2023/12/11/art_722_185882.html.

[4]潘春旭. 中國古代青銅器的現代材料學. 北京： 冶金工業出版社， 2023.

[5]郭靜云， 邱詩螢， 范梓浩， 等. 中國冶煉技術本土起源： 從長江中游冶煉遺存直接證據談起（一）. 南方文物， 2018（3）： 63-77.

[6]郭靜云， 邱詩螢， 范梓浩，郭立新.中國冶煉技術本土起源： 從長江中游冶煉遺存直接證據談起（二）. 南方文物， 2019（3）： 47-61.

[7]郭可信. 金相學史話（4）： 合金鋼的早期發展史.材料科學與工程， 2001， 19（3）： 5-12.

[8]華覺明. 中國古代金屬技術——銅和鐵造就的文明. 鄭州： 大象出版社， 1999.

[9]許宏. 東亞青銅潮： 前甲骨文時代的千年變局. 北京： 三聯書店， 2021.

[10]何堂坤. 中國古代金屬冶煉和加工工程技術史. 太原： 山西教育出版社， 2009.

關鍵詞：古代冶金術 青銅起源 鐵器時代 文明起源 材料科技考古學 ■