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理科视角下的造物之美195件禁止出境文物系列(16)数理化篇
来源:行业知识    发布时间:2023-12-31 03:57:29

  日出东方而落于西,四季变换冷热交替,大自然早在人类懵懂之初就已经有了一套运作自如的系统。热胀冷缩、杠杆原理、金属冶炼都在等待着被人类一一发现。

  早在史前时代,先民便通过化学反应造出了陶器这一最早的人工材料制品;中国也是世界上最早认识漆的特性并将其用作美化装饰之用的国家;秦简《数》中所解“圆材薶地”一题更是比《周髀算经》提前一百年就掌握了相似三角形相应线段成比例的原理。

  陶瓷精美,青铜贵重,这些精美的文物又是怎么样打造出来的?怎么样改进陶窑才可以做到烧陶所需的 1000°高温?怎么来控制瓷釉原料才能生产出青、白等多色釉瓷?如何发现了生漆这一美观耐用的“人工塑料”?越王勾践青铜剑又是如何历经千年而不锈?《清明上河图》中的汴京虹桥又是以怎样的精密结构承载巨重?曾侯乙编钟又是怎么样才能做到“一钟双音”……

  自古以来文人才子辈出,匠人们往往默默无闻,正是他们在实践中不断摸索和总结着数学、物理与化学方面的经验与知识,把造物之美呈现出来。现在,让我们从理科视角来看看这些文物是如何诞生的吧。

  青铜器,在古时被称为“金”或“吉金”(古以祭祀为吉礼,故称铜铸之祭器为“吉金”),是红铜与锡、铅的合金。古人发现,在红铜中加入适当的锡,能够得到更高的硬度,从而利用铜锡合金铸造包括礼器和兵器在内的各种器具。

  《考工记》出自于《周礼》,是中国春秋战国时期记述官营手工业各工种规范和制造工艺的文献。《考工记》中记载了我国古代创制的六种铜锡比例不同的合金成分配比,称之为“六齐” (“齐”,通假字,通“剂”,指合金配方),这是中国也是世界上最早的合金配制记载。

  铜器比例在《考工记》中记载如下:“六分其金而锡居一,谓之钟鼎之齐;五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐;四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐;三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;五分其金而锡居二,谓之削杀矢之齐;金锡半,谓之鉴燧之齐。”这里的“齐”指得就是铜锡比例。

  专家经光谱定性分析与化学分析的沉淀法进行定量分析,“后母戊”青铜鼎含铜 84.77 %、锡 11.64 %、铅 2.79 %,与战国时期成书的《考工记筑氏》所记鼎的铜锡比例基本相符,从中可见中国古代青铜文明的内在传承。

  青铜器由于是铜锡铅合金,所以其颜色要看具体的合金比例。铅和锡可以互溶在一起,所以铅锡合金的颜色基本保持不变,为银白色,但若被锈蚀以后会呈灰白色。铅在青铜器中不与铜锡合金互溶,呈颗粒状存在,可在某些特定的程度上影响青铜器的色泽。所以通常来说,如果铜的含量偏高,则颜色闪金;如果锡的含量偏高,则颜色闪白。专家根据各地出土青铜器制品的实验及结果做多元化的分析,得出了更为具体的结论:随着锡含量的由少增多,青铜器的颜色产生黄、橙黄、金黄、银白、银灰五种颜色的变化。

  刚刚铸造完成的青铜器是金色,青铜器埋于地下,在空气、水、电解液的作用下,会形成不同色彩的腐蚀覆盖层:有黑色的氧化铜(CuO)、红色的氧化亚铜(Cu2O)、靛蓝色的硫酸铜(CuSO4)、蓝色的硫酸铜(CuSO4·5H2O)、绿色的碱式硫酸铜(CuSO4+3Ca(OH)2)、白色的氯化亚铜矿(CuCl)、白色的氧化锡(SnO2)等不同色彩。锈层正常情况下不会改变青铜器物的形态,由于铜锈的性质较稳定,也会保护器物免遭破坏。古色的腐蚀层,成为青铜器庄严古朴、年代久远的象征。

  曾侯乙编钟之所以能成为乐钟,重点是它恰当地运用了合金材料,在科学配比的基础上,采用了“复合陶范”铸造技术、铅锡为模料的熔模法,加上钟壁厚度的合理设计、鼓部钟腔内的音脊设置和炉火纯青的热处理技术,使铸件形成“合瓦形”,产生双音区,构成“共振腔”,从而对其所在的振动区起到负载作用,达到加速高频的衰减,有助于编钟进入稳态振动。

  合瓦形钟体,两侧有棱。而棱是两片瓦状的连接部,是钟体刚性最大的部分,钟体震动时要使棱部进入振动状态需要更大的能量,因此编钟发声时,棱能对钟声起阻尼作用(减振消能),加速钟声的衰减。而且敲击同一编钟的不一样的部位时,因为棱的阻尼作用不同,其振动模式有很大变化。敲击正鼓部,编钟进入振动状态后,棱起着明显的阻尼作用,相反敲击侧鼓部,棱所起的阻尼作用甚微,这样就出现了“一钟双音”的奇迹。

  通过对曾侯乙编钟全部几何尺寸的测试和整理分析发现,各钟的几何尺寸严格遵循着某种数学逻辑关系。就某一钟而言,只要确定其中一个主要尺寸,即可计算出其余的尺寸,而且钟体的尺寸与编钟的声学性质紧密关联。例如,将编钟第一基频与其铣长联系起来分析,能够正常的看到,基频随铣长的变化,明显地分成低频、中频和高频三个区。钟体厚度与铣长也存在内在联系,某两钟铣长相同时,可通过对钟体厚度的调整,改变钟的振动频率;在固定的频率下,限定钟的厚度,也可变化铣长。

  经测定,曾侯乙编钟合金成分的范围是,含锡量 12.49 %— 14.46 %,含铅量 1 %—3 %,余为铜及少量杂质。铸造专家经过试验和比较后认为,这一合金成分与其声学特性有着科学、合理的关系。当含锡量低于 13 %,音色单调、尖刻;当含锡量在 13 %—16 %时,音色丰满、悦耳。但含锡量愈高,青铜愈脆,钟愈易被击破。是否含铅及含铅多少也很重要,铅对钟声的传递能起到阻止作用,可以加快钟声的衰减,有利演奏效果。而不加铅,钟声衰减速度缓慢,乐音会受到干扰。曾侯乙编钟含铅,既能阻止钟声的传递,又不至于影响编钟的音色。

  专家通过现代科学仪器进行金属探伤分析,观察表面铸造痕迹和马蹄底内残存的铁芯,再结合金属成分检测结果,确认铜奔马是用青铜陶范铸造法,分段铸造焊接而成,且工匠在马的右后腿内夹铸了卯榫状铁芯骨,能加强马腿的强度和支撑力。

  此外,制作者在腿根、踝关节、蹄足等受力部位也专门做了榫卯状特殊处理,使铜奔马得到了最佳强度和支撑效果,令这匹铜奔马一足掠踏飞燕之上,历经 2000 年伫立不倒。不过,铜奔马的制作流程与工艺至今还有许多未解之谜。

  长信宫灯的造型精巧,由头部、身躯、右臂、灯座、灯盘和灯罩六部分所组成。整盏灯是中空的,部件可以灵活拆卸,方便清除灯内的积灰。宫女高举持灯的右臂是一条烟道,烟灰通过右臂进入体内,从而保持室内清洁。灯罩能够最终靠调节开合角度控制灯火的明暗,灯盘中央插上蜡烛,点燃后,烟会顺着宫女的袖管进入体内,不会污染环境。

  长信宫灯的燃烧原理是其最大的亮点之一。在汉代,灯具通常用动物油脂作为燃料,但燃烧时产生的油烟会污染室内空气。而长信宫灯通过巧妙的设计,将烟熏油灯的排烟问题解决得很好。灯燃烧时产生的油烟随着热空气的推动上升,沿宫女的袖管进入中空的灯体内,与金属壁接触后逐渐冷却,凝结在内壁。由于灯体下端没有底盖,这件灯具还可放置在水盘上,烟遇水也会凝结,避免了室内的空气污染。

  勾践剑剑身以黑色菱形几何暗格花纹为主,剑格还用蓝色琉璃和绿松石构成了特殊的装饰,由于表面花纹经过硫化处理,因此在千年之后依然艳丽非凡。剑与剑鞘完全融合,没有一丝缝隙。剑首内壁有11 道间隔 0.2 毫米的同心圆,纹理非常细致,现在的工艺都很难轻轻松松完成。最为奇特的是剑体毫无锈蚀,并且非常锋利,考古队员对其来测试,二十余层纸张竟可一划而破。

  在春秋时期,剑是重要的兵器之一,对剑的不一样的部位都有不同的要求,因此剑的不一样的部位所使用的铜、锡比例也不同。剑脊要求有柔韧度,能弯曲,因此锡含量较低;而剑身处要求锋利、对敌时有力度,因此锡含量较高。专家推断越王勾践剑采用的是复合金属熔铸法,剑脊和剑刃是用两种不同成分的青铜以榫式铸接法铸造而成。

  战国时期,各国度量衡的标准不一,给工商业发展带来很大不便。商鞅变法前,秦国各地度量衡不统一。为了能够更好的保证国家的赋税收入,商鞅制造了标准的度量衡器,要求全国统一施行。

  “爰积十六尊(寸)五分尊(寸)之一为升”。从“商鞅量”中得知,商鞅规定的1标准尺约合今 0.23 公尺,1 标准升约合今 0.2 公升。由量器及其铭文可知,当时统一度量衡一事是十分严肃认真的。商鞅还统一了斗、桶、权、衡、丈、尺等度量衡。要求秦国人必须严格执行,不得违犯。

  出土文物证实,早在商代早期就已出现了青釉器,通常胎质细腻坚硬,胎色灰白,吸水率较低,外层覆盖淡黄色、灰绿色或浅褐色釉层。青釉器具备陶器所没有的优越性,因而得到快速应用与发展。这些青釉器中氧化硅含量约为 75 %,氧化铝含量则为 15 %左右,二者总和约占胎釉成分的 90 %。这一数据表明,青釉器胎体所用原料已经摆脱了制陶所用的易熔黏土,而是采用瓷土。青釉器外有一层玻璃釉,据测定是以氧化钙为助熔剂的石灰釉。石灰釉的熔点在 800 摄氏度左右,属于高温釉。据测青釉器烧成温度需达到 1100-1200 摄氏度。所以,烧成温度的提高对于青釉器的出现至关重要。

  由此可知,青釉器在本质上区别于陶而接近于瓷。但这种青釉瓷距离成熟的瓷器仍有一定距离,故将其称为原始瓷器。瓷器发展演化由此开始,在后世取得源远流长的发展。

  瓷器由瓷胎、釉和彩三部分所组成。单纯施釉很难创造出带有精美图案的瓷器,因为釉本身的表现力有限。比如我们常说的彩瓷,就是用颜料在瓷器上涂抹勾勒烧制而成。根据颜料所在的位置,就衍生出了两类不同的釉彩,分别是釉下彩和釉上彩。

  釉下彩,就是直接在坯体上使用颜料彩绘,绘画完成后在坯体上罩一层透明釉,入窑高温烧制后,即可得到釉下彩瓷器。釉上彩刚好相反,就是直接在瓷器的釉上施彩。再用 700 ℃—900 ℃的低温二次入窑烧制,固化彩料后,即可得到釉上彩瓷器。

  青花和釉里红属于高温釉下彩。青白釉创始于北宋前期,其瓷器胎体洁白,釉料中三氧化二铁含量低于0.99 %,呈色介于青白二色之间。铜红釉,或简称红釉,以铜为着色剂,在还原气氛中烧成,元代才开始熟练拿通体一色的铜红釉烧成技术。青花以氧化钴作着色剂,呈色较为稳定,受空气氧影响较小,烧制成功率较高;釉里红以铜红料为着色剂,在高温还原气氛下烧成,呈色不稳定,极易受密室中氯气影响,难度大,成品率低。

  此谷仓表面以施青白釉为主;所有立柱和正面仓板均匀涂抹铜红釉,栏杆,瓦当、屋脊上子和莲花都用铜红料点提装饰;大门的对联和背板的志铭以青花料书写,仓侧大字则用釉里红书写。四种高温釉(彩)工艺集于一件器物之上,在元代瓷器只此一例。此谷仓承宋代景德镇青白釉之传统,青白釉清激透明,色调高准;元代瓷器上铜红釉开始大面积施用,此器是最早的一件纪年红釉瓷,也是所见的极少的几件元代纪年青花釉里红瓷器之一。

  瓷器谷仓采用建筑样式,成形难度大。因为器物成形时,要注意以柱为主支撑的建筑模型的各部分重量配置合理,下部可承受上部重量,不致出现高温中软化崩塌。14 世纪中叶以后,景德镇制瓷工艺重大进步之胎料采用了瓷石加高岭土的二元配方。五代和宋代景德镇瓷器的正常烧成温度只有1150-1200 摄氏度,而元代细白瓷器的烧成温度提高到 1200-1280 摄氏度。二元配方铝含量的增加和烧成温度的提升可提高瓷器的硬度和强率,此青花瓷器胎料中,铝含量高达 20.24 %,耐高温性、抗变形力大幅度的提升,烧制大型瓷器成为可能,也满足了精巧细致物件的烧制条件。

  青瓷最早出现在江南,主要是当地富产优质高岭土,还采用不一样于北方馒头窑的龙窑,从而将铁含量降到1 %,还产生1300 度的高温。它表现了汉晋青瓷的工艺水平,还生动复原了两千多年的江南大族庄园生活,它是早期青瓷的典型代表。

  从东汉后期开始,历经三国、两晋、南北朝制瓷工艺的长期实践,到了隋唐,青瓷的烧制技术已趋于成熟。对青瓷的研究根据结果得出,青瓷釉中含有1 %-3 %的氧化亚铁,从而使釉色呈现青绿色。这不仅要求釉药配比合理,特别是铁离子含量要适当,而且烧制过程中须严控窑温和控制通风状况。

  北齐白釉绿彩长颈瓶来自北齐武平六年(575 年)的范粹墓,是目前考古工作者发现的最早一批白瓷。这批白瓷胎料比较细白,没有上化妆土,釉层薄而滋润,釉色乳白,但仔细看又呈现乳浊的淡青色。

  它开创了中国陶瓷釉彩装饰的先河,它是单色釉向彩色釉发展的重要一步,为色彩斑斓的唐三彩奠定了工艺基础。此器施纯正透明釉,釉色薄而滋润,玻璃质感较强,釉色普遍白中泛黄,有些釉厚处泛青色,在乳白色透明釉上施数道绿釉。胎料经过加工淘洗,比较细腻,呈灰白色,胎子外面还施了一层化妆土。

  在中国陶瓷发展史上,早期的瓷器均属于青瓷系统,白瓷的生产要晚于青瓷,白瓷生产的条件比青瓷更为严格,必须降低胎、釉料中的铁的含量。北齐白釉绿彩长颈瓶是中国发现的最早的白瓷器之一,它的出现标志着制瓷工艺的巨大进步,它打破了青瓷一统天下的局面,为以后彩瓷的发展奠定了基础。

  白瓷的烧造技术在唐代已较成熟,唐代邢窑白瓷精工制作,有润滑如玉的触感。经测试表明,邢窑白瓷的瓷胎中氧化硅含量一般在60 %-65 %之间,氧化铝含量则高达 28 %-35 %。氧化铁、氧化钛及其他金属氧化物含量都非常低。原料中氧化铁含量低,决定了邢窑瓷器的白度较高。

  由于南方一些窑区的瓷土中氧化铁含量较高,所以在烧制出青瓷后不久,也烧出了黑瓷。黑瓷胎质坚硬,烧制后釉面明亮,玻璃质感强。这是因为它所采用的黏土中含有一定量的长石和含铁质颇高的云母类矿物,在超过1250摄氏度高温烧制时,产生玻璃相而使瓷胎较好地瓷化,硬度也有所提升。

  寿州窑烧制的黄瓷在古时也颇具盛名。寿州窑在隋代主要烧制青瓷,后来人们发现,不用改变原料,适当加大窑炉的通风量,青釉就变成黄釉;若通风量进一步加大,黄釉则变为了黑釉。当掌握了瓷器的呈色规律,即控制好制瓷原料,特别是釉的配料中氧化铁的含量,控制好烧成气氛的性质后,制瓷工匠们就可随意生产出多色釉瓷。

  唐三彩是唐代独特的一种低温釉陶工艺,因以绿、黄、蓝三色为主故名,制造时入窑两次,先烧釉,釉以铅为熔剂,高温下呈玻璃状可流淌。唐三彩骆驼载乐俑正是利用这一特点,使不同色釉于高温下交混,制造出绮丽的艺术效果。

  就胎体工艺而言,唐三彩骆驼载乐俑的胎骨为瓷土胎,胎体装饰上则是采用了先刻花后填彩的手法。就施釉技法而言,唐三彩骆驼载乐俑主要是采用了“分区施釉法”和“点染融彩法”,前者是指器物上单彩、双彩和三彩的痕迹同时存在;后者则是借鉴了国画中的水墨晕染的手法,在陶器表面点上釉色以出现斑驳淋漓的效果。

  进一步说,这件器物在施釉手法上主要是采用的是“溜釉法”,即采用勺子等容器盛满釉汁从器物周围慢慢溜挂以施釉。在上釉过程中,由于唐三彩的釉流动性很大,玻璃质感较强,不一样的颜色的彩釉便会相互掺杂和融汇,呈现出独特的艺术效果,而这也是唐三彩的精妙所在。

  此壶可以把液体从壶底注入,并从壶嘴正常倒出。它是根据物理学中的“连通器液面等高”的原理做成的,即连通器中只有一种液体,且液体不流动时,各容器中的液面总保持相平。倒流壶体现了古代的一种哲学思维,那就是“倒既正,正是倒”。只要壶内液体维持在同一个高度,水就不会漫溢出来,这也告诫人们在行事时不要落入极端中。

  宋汝窑天青釉弦纹樽是宋代汝窑烧制的工艺品,我们大家可以很清楚的看到釉面的细碎开片,造成开片的原因是烧造冷却时,瓷坯和釉料的热胀冷缩的比率不同,所以在出窑时会造成釉开裂。虽然这是一种瑕疵,但古往今来,人们已经认同了这种开片美,而工匠们也了解并掌握了开片的原理和规律,反而主动追求瓷器的这一种特殊装饰了。

  这件瓷器的开片完美诠释蟹爪纹与鱼鳞状开片,这是汝窑的两个典型特征。蟹爪纹:纹理杂乱,很像螃蟹的爪。鱼鳞状开片则意即开片的形状、裂纹的角度都是倾斜的,没有笔直的裂纹,非常类似于鱼鳞,因此叫鱼鳞状开片。

  据汝窑工匠称,烧制汝窑瓷器最大的难点在于釉水。汝窑陶瓷作品传世极少,当时的釉水如何配比制作,至今仍未可知。

  通体施月白色釉,釉内气泡密集,釉面有棕眼。器身边棱处因高温烧成时釉层熔融垂流,致使釉层变薄,映现出胎骨呈黄褐色。钧窑较多的是玫瑰紫,月白釉作为窑变的产物,数量是最少的。窑变釉原理与釉的化学成分及烧造工艺相关,铁会变成绿色或蓝色,铜则会呈现红色。然而特意烧这种月白釉是十分艰难的,只能是偶尔为之。

  钧瓷通过器物、釉色以及对烧成工艺的严控展现出宋人的诗性美学。这一烧成技术的成熟与进步和窑炉结构性能的提升关系紧密。尤其是柴烧工艺的普遍应用,不但给窑带来工艺上的补充,更带来艺术品质上的提升。利用薪柴作为燃料来烧制,柴的火焰长而火力软,在烧成过程中窑室内充满着火焰,能够充分排除窑内残存的空气,使外界空气不易进入,为烧制提供了有利保障。为了获得湿润、含蓄如玉的釉质,工匠会严控烧成温度与气氛,利用低于烧成温度条件下进行烧制来实现工艺理想。

  钧官窑出戟尊所体现的规矩统一、张弛有度的造型离不开技法精湛的成型工艺。官钧成型多采用手工拉坯工艺来实现。但手工拉坯工艺技术要求较高,必须充分理解器物的设计意图才能够准确的把握器物线条的节奏、韵律与力度。

  元青花萧何月下追韩信图梅瓶烧造于景德镇,在材料上选用的是从西城进口的苏麻离青,苏麻离青出自西亚地区,是一种低锰高铁的钴蓝料,含量为10 %-19.05 %,故其青花成色十分浓艳。这种青料烧成的最大特征就是釉聚处会出现黑褐色结晶斑。

  在绘画技法上,此瓶采用了点荣技法,所有图案、花纹都是一笔点画完成,流畅有力,这点和传统青花的分染技法有很大区别。白釉洁净莹润,青料浓艳幽雅,二者相互映衬。加之遒劲的拓抹绘瓷笔法,使画面有丹青之妙。

  元代的瓷器制作在继承传统的基础上又有所创新,制作出了独具特色的精品,这种霁蓝釉梅瓶就是这里面一种。元朝时,景德镇采用了新的制作流程与工艺,把“钴”作为呈色剂融在釉中,烧制出了美丽如蓝宝石般的钴蓝釉。由于制瓷工匠掌握了钴的呈色原理,所以此梅瓶具有色彩浓艳、釉层淳厚、光泽度强、透明度好的特点。

  元蓝釉白龙纹梅瓶通体施霁蓝釉,云龙、宝珠施青白釉。由于此梅瓶器形较大,胎体分三截成形,用釉药粘接,接缝显而易见,底部留有轮修痕迹。施釉方法是先在刻画的龙纹和云纹上施白釉,然后将纹饰罩上,其余部分施蓝釉。其生坯施釉,1280~1300 ℃高温下一次烧成,工艺继承元代传统,延烧不断。

  陆机《平复帖》卷所用纸张是黄麻纸,一种用黄蘗汁染制麻纸而成的古代名纸,由东晋著名的医药学家葛洪(281-341 年)发明,纸质粗厚,耐久防蛀。

  造纸术是中国四大发明之一,距今已有 2000 多年历史。东汉时期,经过宦官蔡伦改进造纸工艺,用树皮、麻头、破布、旧鱼网等植物纤维为原料造纸,纸的质量大幅度的提升。造纸的基础原理是将纤维素质的原料通过加工处理,制成纸张。在这样的一个过程中,涉及到多种化学反应,包括水解反应、还原反应、酸碱反应等。

  首先,在造纸的过程中需要将纤维素材料打成纸张。它的主要原理是利用高温、高压和特定的化学品将木材等原材料分解成纤维素和其他物质,在这样的一个过程中,木质素、半纤维素和其他物质被放置在碱性环境中,水解成单糖(不能再被简单水解成更小的糖类的分子),再通过还原反应形成醇和羧酸(分子中含有羧基,即—COOH),最终生成纤维素(由葡萄糖组成的大分子多糖)。

  碱液蒸煮制作浆法,碱性物质Ca(OH)2(氢氧化钙)与NH4Cl(氯化铵)反应,生成CaCl2(氯化钙)、NH3(氨气)和H2O(水)。即:2NH4Cl+Ca(OH)2→CaCl2+2NH3↑+2H2O。或者是加入碱性物质NaOH(氢氧化钠)与CO2(二氧化碳)发生反应,生成Na2CO3(碳酸钠)和H2O(水)。即:2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O。

  其次,在造纸过程中需要将浆状的纤维素材料在水中搅拌,形成纤维素纤维,且多加入增白剂、防水剂、颜色染剂等。比如东晋医药学家葛洪用黄蘗汁浸染麻纸,在此基础上,又发展成把纸进行“入潢”处理的方法。所谓入潢,就是将麻纸放到黄蘗汁中浸一下,立刻取出晾干,这样就得到“黄麻纸”(即黄色的麻纸)。而黄蘗是芸香科落叶乔木,皮中有生物碱,既是染料,又是杀虫防蛀剂,能很好地解决纸张保护问题。

  古人所使用的墨的制作也十分有趣,蕴藏着丰富的化学、物理知识。古人使用的墨一般是块状,称为“墨锭”,不同于现在的墨的液体形态,是将墨团分成小块放入铜模或木头模后再使用;因其产地不同,又分为瑞墨、徽墨、绛墨等。

  古人留下的书法墨迹历久弥新,这与他们使用的墨有直接关系。古人所使用的墨的主要成分是炭黑,属于碳单质的一种形式。在常温下,碳单质的化学性质稳定,不易发生化学变化,所以古人留下的书法墨迹才能经受时间的洗涤。

  北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中对墨的制作的步骤有如下记载:“(石油)燃之如麻,但烟甚浓,……予疑其烟可用,试扫其煤以为墨,黑光如漆,松墨不及,遂大为之”“其识文为‘延川石液’者是也,此物后必大行于世,自予始为之”。从沈括的记载中可以了解到,古人使用的墨主要由松脂和石油制得,而用石油所制的墨的质量相比松墨要好。

  传统制墨工艺有炼烟、和料、制作、晒干、描金等。炼烟包括油烟和松烟的炼制,要严控火候、出入风口,掌握收烟时间,才可能正真的保证烟炱黑度、细度、油分、灰分。在燃烧过程中有一个有趣的现象,就是会产生黑色的烟,这背后有着化学反应。松脂和石油的主要成分均是有机物,富有丰富的碳元素,在它们燃烧的过程中,部分碳元素转化为炭黑(黑烟),碳元素的含量越高,有机物越不易充分燃烧,越容易产生黑烟。在制墨时,通常将碗覆盖在燃烧的松脂或石油之上,利用了有机物不充分燃烧易产生黑烟这一现象,便能够得到炭黑了,之后再用获取的炭黑制作成墨,供文人雅士使用。

  此卷为孙位所作,描绘的是魏晋时期竹林七贤的故事,故又名《竹林七贤图》。竹林七贤喝的是什么酒呢?它又是怎样酿造的?他们喝的酒实际上主要是以粮食为原料的发酵原汁酒,即今习称的黄酒。在周朝,酒只能在祭祀时用,不能常饮,饮也不能至醉。酿酒会丧德乱行,国家也会因此覆灭。但事实上,禁酒并没有被真正执行,酿酒业依然蓬勃发展。

  伴随着酿酒业的兴旺,酿酒技术也持续不断的发展,酒的度数也在逐步的提升。“酎”(zhòu)是春秋战国时最受欢迎的酒类,它的生产遂被推广和发展。采用多次发酵以提高酒的酒度,最典型的例子就是“九酝春酒法”,用水五石,用曲三十斤,用稻米一次九石,计九次共八十一石。由于这时的酒曲已以根霉为主,所以根霉能在发酵中不断繁殖,不断地将淀粉分解为糖类,再由酵母菌将部分糖类转化为酒精。整个发酵过程中只加了五石水,用水量也是很少的,因而酿制的酒比较醇厚,略带点甜味。酒的口味已远较商周时的醴、酎要好,竹林七贤喝的酒可能就是这一类酒。

  该卷是北宋画家李公麟创作的绢本水墨淡设色画,是其摹古之作,全图共画 1286 匹马和 143 人,显示了大唐帝国的强盛,充分体现了原作者集群马成势的艺术能力。《临韦偃牧放图》是李公麟唯一的存世之作,弥足珍贵。

  宋朝水墨画大兴,与制墨工艺特别是油烟墨工艺的完全成熟有直接关系。首先,油烟墨相对于其他墨类,坚实细腻,色泽黑亮,具有光泽,适宜绘画。宋代及以后的油烟墨都是桐油和猪油做的,其燃料是桐油、菜籽油、胡麻油等植物油,桐油烟的化学属性与漆烟基本相同。因油类燃料燃烧后蒸发的碳黑含有脂类成分,因此墨的磨口有光泽。

  其次,也正是因为水墨画的另一画基材质———宣纸的发明,使水墨本身和特性,得到了充分的发挥。“宣纸”这种特别的材料的产生,打破了早期中国绘画制作的复杂性。早期颜色只有矿物色或植物色等原生色,需要画家“三矾九染”,设色繁复,致使以“绘画”为游戏的文人画家不能随心抒性。而墨制作流程与工艺的高度完善,使墨的特性在宣纸上,表现得淋漓尽致。最后,使画家们逐渐对画面意境的表现产生了欲望。而文人画家受“儒、释、道”文化的影响,以“王维”为宗师,在前人“破笔画”基础上,借用宣纸特性及毛笔书法,在“宣纸”上通过墨色笔法可以呈现意想不到的韵味来“直抒胸臆”。

  该卷生动记录了中国十二世纪北宋都城东京(又称汴京,今河南开封)的城市面貌和当时社会各阶层人民的生活状况,是北宋时期都城东京当年繁荣的见证。

  在《清明上河图》中存在虹桥数座,虹桥是木结构拱桥,俗称飞桥、蜈蚣桥。虹桥的建造以北宋为盛。虹桥何以载重受压而不坍塌,这也是结构力学上有趣的话题。张择端以写实的手法、合乎透视的原理,精心绘画了宋都汴梁附近的虹桥。从张择端的绘画中可以清楚地看到虹桥的结构。经过一些桥梁专家推算,其跨度约20 米,宽度约 8 米。

  虹桥是纵横相架、自身稳定的木结构。为了能够更好的保证其几乎不变形,使结构成为一个坚固的整体,虹桥的木结构由21组并列的拱骨组成,拱骨采用直径约 40 厘米的圆木。拱骨有两个系统:外面一组,长、短拱骨各两根,相互铰接,称为第一系统;里面相邻的一组,由三根等长拱骨组成,称为第二系统。如此交替排列,全桥共由 11 组第一系统和 10 组第二系统的拱骨组成,当这两个系统各自独立时,都是不稳定结构,唯在这两个系统交会处,以巨木横贯,使拱骨彼此衔接,这才成为一个稳定结构,并将桥面载荷横向分布干各拱骨。

  据分析,这样组成的虹桥木结构,是一个12 次超静定的结构,或者说,这种虹桥具有 12 个多余的约束(或 12 个多余的未知广义力)。并且,经验算此超静定结构各部分应力均未超过允许值。虹桥是古代中国人独创的桥梁结构,目前在闽东北、浙西南还保存有大量的古代虹桥。

  彩绘鹳鱼石斧图陶缸是新石器时代前期的一件葬具,出土于 1978 年的河南省临汝县阎村,临汝县即今天的汝州市。汝州自古以来就是陶瓷的发源地,从原始社会的鹳鱼石斧图汝陶缸,到五大名窑之首,再到现在的大唐汝陶研究所,汝州的熊熊炉火燃烧了 6000 余年,形成过“汝河两岸百里景观,处处炉火连天”的繁荣景象,在中国陶瓷史上占有显著地位。

  陶器用黏土或陶土经捏制成形后烧制而成,具有耐火、不溶于水等特性,是最早的人工材料制品。陶器的产生离不开火的使用。相传,原始社会的燧人氏发明了取火的“木燧”,即“钻木取火”的取火工具,由此人们掌握了“摩擦生热”的热学原理。当人们掌握了火的使用之后,还需达到一定的温度,才能实现烧陶时化学组分的变化,产生低共熔玻璃相,粘合黏土中颗粒,降低吸水率,从而增强陶器硬度。若温度不够则就成了生烧,化学反应不充分,吸水率高,硬度差,陶器质量便差。因此,古代人也创造了一种依靠经验进行的温度目测技术,这也是陶器烧制成败与否的关键之处。

  陶鹰鼎是新石器时代仰韶文化中唯一一件以动物塑性的器皿,可见其造型的创新性与特殊性。在中国民间传统文化中,鼎更多的是和“青铜器”联系在一起,更多的呈现出厚重与大气。而陶鹰鼎则是以鹰为型,三足矗立,庄重中带有一丝“萌”感。

  陶鹰鼎虽以鹰为型,却并未影响器皿本身的实用性。纵观鹰鼎,其鹰身肥而有力,肌肉健硕,敦实有力的两腿微微分开,鹰尾下撘,和另外两只脚构成鼎的三足,支撑整个鼎身,其重心面垂直地落在以三足点做圆的圆心附近,此种三足器皿体现了原始先民对物体重心的认知和应用:重心即物体的重量中心,通过物体中心的垂线或垂面与物体的支撑面垂直,则物体实现平衡。

  红山文化女神像是红山文化“女神庙”中众多女神像中唯一完整的人像面部,真人大小,头像以黄土掺草禾为胎、未经烧制,出土时面部涂有红彩,双眼镶嵌青色玉片。

  女神像是人们看到的最早的祖先形象,是祖先用黄土所塑造的。但黄土作为陶塑材料的可塑性大都很差,经过长期的烧陶经验积累,先民认识到杂质少、黏性大的易熔黏土所和的泥料更具可塑性和凝胶性。

  黏土是某些岩石风化的产物,由云母、石英、高岭土、方解石以及铁的氧化物和有机物组成,是人类最早打交道的无机化合物的混合物。黏土的可塑性即泥料形状变化的可能性,凝胶性则是指陶胚烧制过程中不易开裂的性质,与其化学组成和化学结构有关。可塑性和凝胶性取决于黏土中氧化铝、氧化硅等盐类胶状物质及铁、钙、镁、钠、钾等金属氧化物所造成的电解质盐类间的合理配比。一般来说,黏土中氧化铝的含量高,可塑性会增强,而氧化钙的含量高,则陶器会更易变形。

  除此之外,可塑性还与黏土颗粒的粗细有关,粗颗粒越多,可塑性越差。因此颗粒较细的红土、沉积土、黑土等黏土是先民的更好选择。当土质不够细腻时,便能够最终靠淘洗来去除杂质提高凝胶性和可塑性,由此产生了专门淘洗黏土的淘洗池。在淘洗之后将黏土陈放一段时间,黏土中的固态成分在水分子的作用下变成饱含结晶水的凝胶体,进而时黏土更具凝胶性。

  随着经验的积累,人们逐渐意识到有掺和料的陶器会比没有掺和料的更有耐热急变性能。红山文化女神像正是由黄土掺草禾而制成,从掺入植物叶茎或稻壳到掺入砂粒,人们的制陶工艺持续不断的发展,对黏土等材质的认识也不断增加。

  人面鱼纹彩陶盆发掘于半坡遗址当中,此时制陶工艺已发展到了具备设计科学合理的陶窑的阶段。这一时期的陶窑有横穴窑和竖穴窑两类,是由平地露天堆烧发展到一次性泥质薄壳封烧而后发展而成的。平地堆烧陶器时,升温较快,最高温度可达900°,但保温不好,因此热效率低,也常常会出现生烧现象;一次性泥质薄壳封烧改进了平地堆烧的保温问题,而且降低了烧制所消耗的燃料量,提高了热效率烧成温度一般在800-900°之间;而窑炉烧陶的方法,利用窑室又进一步的提高了保温性能和热效率,烧成温度提高到950-1050°之间,同时也解决了泥质薄壳封烧使用的一次性问题。

  横穴窑后部的排气孔会对前部火膛的热气产生吸力,来提升窑室的温度;而竖穴窑则是实现了下方的热力上升到窑室,从而快速升温并持久保温。此类陶窑的出现是烧窑技术的巨大进步。

  网纹船形壶为几千年前先民使用的水器,其造型奇特,纹饰精美有巧思,可谓是当时水器界的时尚精品。而对于这一水器的形状和用处,研究认为网纹船形壶是由当时流行的一种尖底陶罐演变而来的。这种尖底陶罐一般腹大,口小,有研究认为这种尖底器皿是利用了重心原理制造的汲水罐。双耳位于腹部偏下位置,当两边系绳后,会因为双耳低于重心导致空罐呈倾斜状态,而当罐身入水装半罐水时,瓶身则直立,而装半罐水以上时即倾覆。而船型壶则是将这一器型倾斜 90 度,变成了平底两侧有尖角的船形,不仅重量分布均匀,而且也更实用和美观的陶器。

  彩绘蟠龙纹陶盘出土于山西襄汾陶寺遗址第3072号墓,陶盘内壁施黑色陶衣并磨光为地,蟠龙纹以朱红彩绘制而成,是彩绘陶的精美代表。彩绘陶又称烧后彩绘陶,指将陶胎烧成之后在其表明上进行彩绘的陶器,彩绘陶因绘制后不再烧彩,因此色料附着性不牢,花纹受潮或经水便很容易脱落。

  陶盘内蟠龙形象以黑彩和红彩绘成,红黑配色的审美体现了当时先民对色彩的认知,也是他们对于颜色搭配的审美观。而红彩、黑彩也是新石器时代的彩陶器中使用最为频繁的颜色,其中,黑彩的着色剂主要是氧化锰;红彩主要源自天然赤铁矿,赤铁矿也叫赭石,化学成分为Fe2O3、属六方晶系的氧化物矿物,是自然界分布极广的铁矿物,也是一种重要的炼铁原料。除此之外,白色也是彩陶文化中常见的颜色,主要成分是高岭土、含有镁质的黏土、石膏和方解石等。

  漆器是用天然漆在各种器物的表面上所制成的器具及工艺品。天然漆,又名大漆、生漆,是漆树皮内流出的白色乳液,是一种油溶性树脂。其主要的化学成分为漆酚、漆酶。在一定的温度和湿度下,漆酶在化学反应下能产生漆膜。生漆本身也是一种高分子材料,当它被用来涂饰木器时,干燥后就会形成一层坚牢、光亮的薄膜覆盖在器物表面,不仅保护了器物本身,还使其明亮美观,此外这层膜还具有一定的耐热、耐酸碱能力。

  新石器时代河姆渡文化木胎朱漆碗的圈足和外壁上涂的朱红色涂料,为天然生漆。漆膜由三种不同含量的元素组成,其中漆膜光泽的主要成分为氧化铁。这一发现表明早在六、七千年之前,中国长江流域的人们已将天然漆用于装饰生活器具的表面。

  春秋战国时,漆器数量变大,分布变广,色漆的调配技术获得极好的发展。这一时期在制造彩色漆器的时候,会用桐油和各种颜料或染料构成的抽彩加绘各种花纹图案。桐油是我国特产的应用得较为广泛的干性植物油。它是从油桐树种子中榨出来的,主要成分是桐油酸。桐油和漆液合用是化学技术史上的卓越创举。朱然墓出土的贵族生活图漆盘、司马金龙墓出土的漆屏、湖北江陵望山 1 号墓出土的彩漆木雕小座屏、曾侯乙墓出土的战国彩绘乐舞图鸳鸯形漆盒,都是这段时期漆工艺发展的印证。

  秦汉时期,油漆技术进入了一个新的发展阶段,皇家盛行将漆器作为陪藏品埋入坟墓,如马王堆一号墓木棺椁、西汉识文彩绘盝顶长方形漆奁和西汉黑漆朱绘六博具等。

  此壶的制作流程与工艺很独特。壶盖帽为捶揲成型的覆式莲瓣,顶中心铆有一个银环,环内套接了一条长 14 厘米的银链与提梁相连,壶肩部焊接着一端有三朵花瓣的像弓剑形状的提梁。壶身是先将一整块银板捶打出壶的大致形状,再以模压的方法在壶腹两面模出两匹相互对应奋首鼓尾、衔杯匐拜的舞马形象,然后再将两端黏压焊接,反复打磨致平,几乎看不出焊接的痕迹。

  鎏金舞马衔杯纹银壶以锤揲、錾刻、鎏金等工艺加工制作而成,显示出了唐代高超的金银器制作水平。捶揲即是充分的利用金银的延展性能,用捶子将金银打造成圆形薄叶,然后置于器物或模具上再从中央开始挤压捶打,就会形成有凹凸纹饰的器物。早在公元前 2000 年,西亚地区就掌握了捶揲技术。随着中外文化的密切交流,捶揲技术从西亚传入我国,唐代工匠熟练掌握了这种工艺,从而使金银器制造技术进入了新的发展阶段。

  锡杖由五十八两白银,二两黄金铸造成型。钣金,铸造成型,纹饰鎏金。杖头有垂直相交的银丝盘曲的桃形双轮,轮顶为仰莲束腰座,上托智慧珠一颗,双轮每股各套錾花涂金银锡环三枚。

  鎏金即镀金,也叫“火镀金”或“汞镀金”。这样的做法是把黄金块或片剪碎,在1063 ℃的温度下,按一两黄金加七两水银的比例,使金溶化于水银之中,冷却后即成泥状固体,俗称“金泥”,然后把金泥用刷子涂抹于器物表面,用无烟炭火温烤加热,使水银蒸发,黄金就固留于器表作为装饰。若要鎏金层厚一些,可反复进行几次。所鎏的金层经久不退,产生绚丽的装扮修饰的效果,而且能很好地保护器物表面不受氧化。鎏金工艺复杂而用料较俭,金黄银白的色彩对比强烈,整体效果于富华端庄中带有简洁的情趣。我国在战国时期就已发明了鎏金技术,这在世界上是最早的。

  唐代金银器制作的过程很多,据《唐六典》记载,当时金的加工方法就有销金、拍金、镀金、织金、砑金、披金、泥金、镂金、捻金、戗金、圈金、贴金、嵌金、裹金等14种之多,综合运用,巧夺天工。唐代制银使用吹灰法,就是用上等的炉灰先做成灰窠,将含银的铅砣置于窠中,加热使熔化,铅入灰中,纯银则留存于灰窠上。对出土银器进行测定,其纯度很高,说明唐代冶银技术已达到较高水准。李白曾有“炉火照天地,红星乱紫烟”的诗句,正是这种冶炼工艺的写照,反映了当时金银加工制作的盛况。

  太阳神鸟金箔是一片圆形、瞳孔般的金箔,厚度仅有0.02 厘米,含金量却高达 94.2 %。通过显微镜的观察,可以大致推测这件金饰的制作流程。先用自然砂金热锻成圆形,再经过反复锤揲,最后依据相应纹饰的模具不断刻划、切割。

  包金嵌玉兽首银带钩的主要装饰工艺包括錾刻镂雕、鎏金、镶嵌等。工匠按设计图用薄纸拷贝出纹样,贴在材料上,用小錾錾出虚线,也就是点组成的线条,取下纸样,靠木锤、铁锤按印锤打出大型轮廓。在打起外形过程中一般要多次过火烧,以保持它的柔软度。通过镂空工艺錾刻掉设计中不需要的部分,形成透空的纹样,称镂空或透雕。

  錾刻是在金属表明上进行装饰的一种工艺,用小锤熟练地击打各种大小和不同纹理的錾子,使其在金属表面留下錾痕,形成各种流畅生动的花纹图案,达到装饰的目的。这种工艺始于春秋晚期,盛行于战国。

  此包金嵌玉兽首银带钩属于錾花工艺的镂空浮雕,通过錾花中的镂空工艺刻划出带钩一端的兽首、钩身两侧盘绕的夔龙以及两只对称的凤鸟纹饰。錾花制作流程与工艺既要依靠工匠自身的雕刻技艺与经验,又要凭借錾花制作工具。这些工具都是工匠根据所錾刻花纹的需要自制的。自制錾花胶也是錾花工艺的一个重要环节。因为在錾花中需要它起一个固定、粘接和衬垫的作用,以便錾花刀在材料上面良好地工作。

  秦朝官吏,为了进行分配土地和收取租税的工作,必须要懂得土地面积的测量和计算方式。秦简《数》作为秦朝官员学习这些数学知识的教材,并不是当时的最高数学成就,这足以说明中国早期数学水平比我们原本想象的要高得多。“利用水作为体积换算、割补术算圆面积、棱锥与棱台的体积计算公式、化除为乘,分次平方运算……”这些数学知识囊括了代数学、几何学、概率论等细分领域。

  最先颠覆我们常识的是勾股定理。约成书于公元前1世纪的《周髀算经》,记载西周初年数学家商高在回答周公的问题时说:“故折矩,以为勾广三,股修四,径隅五……故禹之所以治天下者,此数之所生也。”由此出现了勾股定理。回看秦简《数》中有一例算题“圆材薶地”,也呈现了勾股定理,并且比《周髀算经》早一两百年。

  壁画所用的颜料绝大多数都是天然矿物颜料,如白垩、铅白、铁红、朱砂、铅丹、胭脂等,是从矿石中提炼出来的颜色。矿石能够耐受光照射与气候的变化而具有色泽厚重、色质纯净、色彩稳定、色相纯美、历久不变色等特点,而且矿石多为结晶体矿石所制,结晶体的光泽增加了色彩的明度,色彩发光效果好,覆盖力极强。

  唐代壁画在绘制时多使用多种天然矿物颜料,如研究者运用科学仪器对陕西历史博物馆收藏的近十几座墓的壁画样品做多元化的分析后发现:唐墓壁画颜料白灰层含有各种色系的矿物颜料,如白色系有白垩(石灰,方解石)、铅白(胡粉);红色系有铁红(赭石,土红 )、朱砂、铅丹、胭脂;黄色系有密陀僧 、土黄、藤黄,除此还有绿色系、蓝色系、黑色系、紫色系等多种色系。

  其中红色系中的铁红的主要成分是氧化铁,是一种无机化合物,化学式为 Fe2O3,为红棕色粉末,不溶于水,主要用作无机颜料,用于油漆、橡胶、塑料、建筑等的着色。

  朱砂,大红色,有金刚光泽至金属光泽,属三方晶系。朱砂的主要成分为硫化汞,但常夹杂雄黄、磷灰石、沥青质等。为古代方士炼丹的主要的组成原材料,也可制作颜料﹑药剂。

  铅丹,也称为红丹或红铅,主要成分为四氧化三铅(Pb3O4),一般是通过铅或一氧化铅高温煅烧而获得,其颜色依纯度不同而呈现橙黄色或橙红色,因而,铅丹并不像朱砂那般呈正红色。比较有趣的是,铅丹单独使用时,变色最严重,均由红色转化为棕黑色的二氧化铅,而与朱砂混合使用时,就不会发生变色,是因为当铅丹和朱砂混合使用时,由于朱砂内的Hg是重金属离子,能有效地抑制霉菌在混合颜料表面的生长,不能产生过氧化氢,使铅丹的氧化反应难以发生。

  据绿松石片背面发现的麻布或者丝织物的痕迹推测,古人是在事先铸好的铜牌上面垫一层麻布或者丝织物,然后再将绿松石片逐一粘到上面。

  在殷墟,同样出土了一件商代嵌绿松石文物——嵌绿松石弓形器,检测结果为所用胶合材料为大漆、蜂蜡和植物油。弓形器与象牙杯出自同一地,因此专家觉得弓形器所采用的胶合材料有可能和象牙杯一致。

  《本续》用麻纸印制,有着非常明显的地方特色。西夏立国后,在不断输入中原纸张的同时,逐渐掌握了造纸技术,政府机构中设有纸工院管理造纸,并有专业纸匠。现存的西夏书籍多用麻纸印制,与宋元流行的皮纸有明显的区别。这说明西夏国内纸的品种很多,造纸技术较为发达。

  在西夏后期汉文写本《杂字》“器用物部”中,记载西夏当时的纸有“表纸、大纸 、小纸、三抄、连抄、小抄、银碗、纸马、折四、折五、匙箸、金纸、银纸、蜡纸、京纸”等十几种。西夏辞书《文海》在解释纸时说:“此者白净麻布树皮等造纸也。”这说明西夏国当地有自产纸,并以麻布和树皮为造纸原料。

  西夏麻纸的打浆度约40°SR,比敦煌写经纸低得多,而这是否与采用麻布作为原料有关,也有待分析。

  此物为犀皮漆器,正面髹黑漆,采用了“黑面红中黄地片云斑犀皮”技法,是三国漆器中罕见的精品。犀皮,又称西皮、犀毗、波罗漆、虎皮漆,在传统大漆工艺里,是一种广受欢迎的漆艺表达形式。“犀皮”并不是犀牛皮,而是用黄、赤、黑三色填入,纹理常似犀牛皮、虎皮。

  犀皮漆的做法是以65 %的生漆和蛋清乳合调成厚漆,在以工具为引起料,趁漆器半干时制造凹凸表面,将不一样的颜色的漆料堆涂在高低不平的器胎上。漆料待干后再用不同色漆分层髹涂并加以研磨,由于漆层高低不同,制作出的图案取决于表面起皱和点纹高低起伏的变化,由此产生出色泽亮丽、光滑异常、自然生动的艺术效果。

  绿玻璃盖罐和绿玻璃小瓶都在陕西西安西郊李静训墓出土,但二者在制造上却又有区分。绿玻璃盖罐的制作采用的是魏晋时期引入的西方技术,有别于传统的透明度不高的铅玻璃,新技术含钠钙成分较高。而绿玻璃小瓶的质地为高铅玻璃,是中国自己制造的玻璃器。

  中国古代玻璃技术萌芽于西周,到了战国时期已发展起一个具有独特化学组成的玻璃系统,沿用的是PbO-BaO-SiO2,和PbO-SiO2系统。战国时期,铅钡玻璃出现,后又逐渐消失了。铅玻璃则盛行于战国、两汉,而且一直延续到近代。在两汉时期,一些地区曾出现过钾玻璃。

  此后,中国古代玻璃也由单一系统发展为多系统,通过文化交流,吸收了外来技术。考古还曾发现战国时期的少量类似于西方古罗马璃制品的钾钙玻璃和钠钙玻璃制品。隋唐时期的玻璃成分则主要是采用高铅玻璃和钠钙玻璃两种不同配方,钠钙玻璃在这段时期明显增多,这也和当时东西方经济文化往来分不开。