大历史视野下的技术演化｜赛先生看历史
撰文｜刘钝（中国科学院自然科学史研究所/清华大学科学史系）
这里讲的“大历史”，专指长时段的人类文明史，而不是那种眼下在西方学术界颇为时髦、包括宇宙万物在内的big history，它关注的中心是人类的活动而非自然的演化。人与其他动物的主要区别是能够制造工具，一部人类制造与改进工具的历史就是一部技术演化的历史。
从大历史的角度看问题，我把迄今为止人类制造改进工具或技术的演化分成四个阶段。第一阶段是新石器时代，时间大约是距今1万年至5000年之间；第二阶段是机械时代，起始时间距今7000年至5000年不等，截止时间在18世纪中叶；第三阶段不妨称为能源驱动时代，始于18世纪初，至今还处于进行时；第四阶段是智能制造时代，始于本世纪初，有人称之为“工业4.0”，眼下方兴未艾。同时我也隐约感觉，在第四阶段之后，有一个动向已现端倪，其内涵、功效与前景尚不明朗，姑且称之为“赛博格时代”。
历史不是算术，以上所述相邻两个阶段之间或许存在重叠交叉，某项具体技术的源流则需更“技术地”论述，当然也不可能面面俱到，照顾所有的重要技术创新与所有的国家和地区。下面要展开的完全是个人的一管之见，我不指望可以说服所有的读者，当然欢迎批评和讨论。
动物学家发现，某些哺乳动物也会使用工具，例如海狸与黑猩猩就会用石块砸开坚硬的果壳，但是有目的地通过集体知识（collective learning）制造工具却是灵长目人科动物的专擅。制造工具需要原料，地球上最方便的原料是石头。“人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。”诗人气质的政治家说的“小儿时节”，从直立人算起距今已有100多万年，从智人算起也有几十万年。这些现代人的先祖能够用打砸、刮削等手段制作石头工具和武器，例如石刃、石斧、石锤等，考古学上称为旧石器时代。以兽皮条、树皮等将尖锐的石器捆绑在木棍上，延伸了人类祖先的肢体，成为战争、狩猎与生产的利器。
旧石器时代的工具或武器靠打砸、刮削等手段制成
研磨及相关手段的应用促成了新石器革命
距今大约1万年左右，人类制作石头工具的手段发生了一个革命性的变化，除了打砸与刮削之外，研磨成为更重要的手段。人们使用坚硬的石面做磨床或研磨器，石英砂也被广泛采用。原料则从容易剥离破碎的燧石扩展到玄武岩、花岗岩、大理石等多种材质，制作出来的器具越来越精细，越来越耐用，也越来越美观。有了锋利且应手的工具，人们可以在石材上钻孔和切割，可以用兽骨、玉石、蚌壳等材料制成更精巧的器具，钩状物被发明出来捕鱼，骨针被用来缝制毛皮与树皮，石磨被用来研磨谷物，石头或骨头制成的纺锤被用来纺线，石镰、石铲、石鋤以及蚌镰、骨耜等成为新式农具。
新石器时代（距今1万年至5000年）ⓒ damon xtime
陶器则出现于新石器时代晚期，制作陶器所用的转轮通过人力和曲柄实现了圆周运动。陶制的坛坛罐罐用于储存水、食物和种子，刺激了定居生活与农业的发展。制陶需要窑炉、燃料与鼓风设施，也需要一定的分工协作。在有些地区，烧陶技术被用来熔化矿石，这就是冶金术的萌芽。早期的金属制品是熔点较低的黄铜与青铜，随后铁器也出现了，它们的延展性与可塑性远远高于石制和陶制器具。对技术与分工的要求也显得更加必要，各种小型作坊应运而生。在北非、西亚和东亚都出现了人口密集的趋势，可以视为城镇与早期国家的雏形。随着生产力的提高与财富的聚集，实用不再是匠人追求的唯一目标，精美的器具成为显贵的珍爱与巫师沟通神人的法器。
机械时代（距今7000～5000年至18世纪中叶）ⓒ damon xtime
第二个阶段我称为机械时代，跨度也很长，几乎覆盖了从古代四大文明到工业革命之前为止的全部人类文明历史。中国有鲁班的传说，古希腊有代达鲁斯（daedalus）的神话，他们都是古代能工巧匠的化身。不同时代不同地区的工匠发明和制造出各种机械，成为人类利用自然改进生活的重要工具。“机”在古汉语中不但指“机器”，而且指“机心”“机巧”“机智”“机敏”“机会”“机关”。先秦诸子百家中的墨家最具工匠气质，墨子用简单机械表现的“兵棋推演”震慑楚王退兵，与阿基米德（archimedes）借助力学机械保卫城邦的事迹异曲同工。
希腊神话中的巧匠代达鲁斯为儿子制作能够飞行的翅膀
战国时代成书的《周礼•考工记》，是当时官营手工业产品与工艺制作的规范，包括木工、金工、皮革工、染色工、玉工、陶工等6大类30来个工种。举例来说，制造车辆就由“轮人”“舆人”和“辀人”三个部门负责，各司其职又彼此关联配合。1980年陕西临潼始皇陵附近出土的大型铜车马，清晰地展现了当时工匠的制作水平，通过轴、辖、軎等活性装置连接起来的轮子就是一部组合机械——不要忘了20世纪有些地方还在使用那种车轴随轮子一起转动的木“车”。
秦始皇陵附近出土的大型铜车马
通过简单机械的组合，人们制造出各种各样的机器，畜力、风力、水力都得到开发利用，各种机床用于制造新的机器与科学仪器。望远镜与显微镜延伸了人类的眼界，对微观世界与宏观世界的探索始于17世纪，最终引发出以天文学—力学为中心的科学革命。伽利略、牛顿等人不仅是科学革命的参与者，也是动手能力超凡脱俗的巧匠。
安提凯希拉装置残骸及据此复原的天文钟模型
如果要用一项发明作为这一时代技术成就的代表，我提出的首选物是机械钟。1900年，在一艘海底沉船中发现了一个古希腊青铜装置残骸，后来以出水地为其命名，称为安提凯希拉（antikythera）机械，经研究是一台相当复杂的天文钟，制成时间是公元前1世纪。北宋元祐七年（1092），苏颂、韩公廉等人制成以水力驱动、集观测、演示与报时为一身的水运仪象台，其枢轮顶部的一组杠杆装置组成的擒纵器，是所有现代机械计时器之核心部件的始祖。18世纪，英国一位业余钟表匠约翰·哈里森（john harrison），研制成功能够准确测量经度的航海钟，极大地促进了航海事业的发展。
在牛顿时代，造物主常常被想象为一个伟大的钟表匠，日月星辰在他的设计下，如同钟表齿轮一样运动，有条不紊，周而复始。牛顿力学体系就是机械论宇宙观的代表。这一体系把天上和地上的运动统一起来，万有引力的“万有”（universal）就有包罗万象的意思。对于18～19世纪的物理学家来说，似乎只有热力学和电磁学没有被大神牛顿完全罩住，与后两者相应的发明与技术正是下一阶段的演化大戏。
18世纪英国浪漫主义画家威廉·布莱克的作品《亘古以来》（1794）
能源驱动时代（18世纪初至今）ⓒ damon xtime
第三个阶段的焦点是能源的开发与利用，标志事件是18世纪蒸汽机的登场。英国人萨弗里（thomas savery）、纽可门（thomas newcomen）、瓦特（james watt）等人相继进行研制和不断改进，成功地将蕴藏在煤炭等燃料中的化学能转化成热能，通过蒸汽驱动形成往复运动的机械动力，又通过曲柄齿轮等传动设施转换成更容易带动机器运转的圆周运动。蒸汽机的普遍应用引起了人类历史上的第一次工业革命，标志着人类文明从农业社会向工业社会的转型。在蒸汽机之后，汽轮机、燃气轮机、内燃机相继登场，人类获得了比传统的畜力、风力和水力更强大的动力，大规模的机器生产也成为可能，在采矿、纺织、钢铁、运输等方面大放异彩。
瓦特改进的蒸汽机示意图。图源：辛格等《技术史》第4卷127页（上海科技教育出版社，2004）
19世纪下半叶，电力开始登场成为新的更强大的能源。英国之外，法国、德国、奥地利、意大利、美国也都先后完成了以热机为代表的第一次工业革命，而进入以电力为主要驱动的第二次工业革命阶段。电也被普遍用在民生方面，爱迪生（thomas edison）、特斯拉（nikola tesla）等发明家大显身手，电灯、电话、电报、留声机、电影、电车相继问世。20世纪初爆发了以相对论和量子力学为代表的第二次科学革命：前者不但颠覆了人类传统的时空观，而且从根本上揭示了物质与能量的关系；后者在技术上引起的震撼一直延续到今天。首先是无线电技术得到发展，在通讯、广播、电视、导航等方面得到广泛应用。大约同时，在欧美等国家，石油开始取代煤炭成为获取热能的主要原料。
爱迪生 特斯拉
20世纪中叶，在美苏争霸、各国或站队或跟进的格局中，世界发达国家经历了第三次工业革命，其特点是电子计算机的普及与自动化生产的推广，人类的足迹也开始进入太空与深海。1957年，苏联成功发射第一颗人造卫星，1986年开始启用和平号空间站；美国则通过“阿波罗”计划，在1969年实现了人类登月的壮举。中国在极其困难的年代完成了“两弹一星”工程，目前在航天领域已经走在世界前列。
2021年4月29日，中国空间站“天和”核心舱由长征5-b运载火箭发射升空
核能的开发也是在冷战环境下开始的：一方面，它为人类提供了使用强大的清洁能源之可能；另一方面，它也令世界时时处于核战阴云笼罩的恐怖之中。20世纪末，生态问题日益彰显，为了应对资源枯竭、环境恶化、气候变暖、沙漠化、核泄漏等与人类生存攸关的危机，人们开始寻找新的替代能源。页岩油、海底天然气乃至地球以外的潜在能源都得到重视，太阳能、风力、水力、潮汐等传统能源的开发也需要新的技术，所以说能源驱动的时代还是一个进行时。
智能制造时代（本世纪初至今） ⓒ damon xtime
第四个阶段是智能制造时代，大约始于本世纪初，其源头则可追溯到上个世纪末互联网的大规模兴起，这标志着人类开始进入一个信息主导的社会。人工智能的一个代表成果是谷歌公司推出的集大数据、大计算与大决策为一体，能够通过学习自我改进的“阿尔法狗”（alphago），它对李世石、柯洁等围棋超一流高手的胜绩显示了人工智能难以预料的未来。
柯洁对弈alphago
2013年，德国在汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0”的概念，其核心是提升制造业的智能化水平，建立具有高度适应性的智慧工厂和高效的物联信息系统。这或许可以作为专家们宣称的第四次工业革命的一个注脚。2015年5月，中国对外公布了“中国制造2025”行动纲领，旨在部署全面推进实施制造强国的战略。其中的五大工程是：制造业创新中心建设工程，智能制造工程，工业强基工程，绿色制造工程和高端装备创新工程。在技术层面，包括新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械等十个重点领域。
前文将大历史视野下的技术演化分为四个阶段，也多次提到工业革命与科学革命。当今的人们很容易将技术与工业混为一谈，为了避免读者混淆，容我将涉及工业革命的部分再作一点归纳。
大致说来，专家们认为一共有四次工业革命，都发生在技术演化的后两个阶段，即能源驱动时代和智能制造时代。第一次工业革命是以蒸汽为驱动的，英国率先完成，时间大约在1750年至1860年之间。第二次工业革命是以电力为驱动的，美、英、法、德等西方强国并驾齐驱，时间大约在1860年至1950年之间。第三次工业革命是在美、苏两个超级大国争霸的世界格局中开启的，其特点是自动化和电子化的迅猛发展以及从海洋到太空的激烈竞争，时间大约是1950年至1990年之间。第四次工业革命以“工业4.0”为帜志，其特点是智能生产与智能社会的出现，互联网、3d技术、人工智能、生物工程、云计算、大数据、量子通讯与计算等，正以前所未有的势头促进高新技术的迅速演化与人类社会的发展。
人类历史上的四次工业革命 ⓒ 知乎东莞中拓空油压自动化
与前三次工业革命以物质为驱动有别，第四次——如果能被称为工业革命的话，其驱动力主要是信息与智慧。眼下被炒的火热的“元宇宙”（metaverse），不过是通过技术手段对现实世界数字化与虚拟化的结果，未脱智能制造时代的窠臼。
以上述及的各阶段技术演化，基本上都不涉及人类个体。随着人工智能与生物工程的发展，一种被称作“赛博格”（cyborg）的新事物开始出现。这一观念在美国悬疑小说作家丹·布朗（dan brown）2017年推出的《本源》一书中有清晰的描述。人类与器械的结合可以追溯到为了改进或延伸官能所发明的义肢、眼镜等物；但是直到上世纪60年代，美国宇航局的两位科学家提出以机械、药物、生物工程等手段对人体进行拓展，以适应星际航行的艰苦环境，自此，人造器物与人类脑神经的联系才开始得到重视并取得长足进步。2003年，出生于西班牙的英国艺术家哈比森(neil harbisson)成为世界上第一位在头颅中植入传感天线的人机混合人，通过技术对身体的介入，成功地解决了自己天生的色盲问题。
美国小说家丹·布朗 第一个赛博格人哈比森
可以想象，有朝一日，如果可以将含有存储、记忆与学习功能的芯片直接植入大脑，令其随着生命个体一道存活；将可以影响肌肉、骨骼与神经功能的纳米原件注入血液，制造由大脑控制的强健躯体；通过基因编辑工具改造人的基因并令其具备遗传功效，一个人类的加强版就会出现，成为这个星球的新一代主宰。谁不希望自己的子孙后代更聪明、更强大、更坚韧呢？赛博格或人机混合物，十分可能成为目前已知的生命六界——动物界、植物界、原生生物界、真细菌界、原始细菌界、真菌界——之外，一个全新的生命形态。重要的是，它可能同样遵循达尔文“适者生存”的法则。
地球上的生物六界 ⓒ damon xtime
所谓“第七界”的赛博格们，必定比现在的人类更强壮、更聪明、更善于学习、更适应生存环境。如果介入得当，也会比现代人类更理性、更讲道德和更富有同情心——或者相反。这并不仅仅是科幻小说与科幻电影中的虚构景象，而是生命演化地平线上依稀可见的一道微弱晨曦。
赛博格时代与第七界 ⓒdamon xtime
技术是把双刃剑，这话在今日简直成了陈腔滥调，然而确实需要念兹在兹无日或忘。在我们回顾与展望技术的演化时，哲学的思考、道德心的约束，对自然与生命的敬畏，以及长时段大历史的眼光是不可或缺的。
本文原为阿里达摩院2022跨年度科技分享会x-time演讲稿，略有增修并配图，节录稿曾刊2022年2月7日《光明日报》。
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