宋代の科学技術

沈括（1031–1095）や蘇松（1020–1101）のような博学者は宋代に活躍し、技術や初期の実証科学に貢献した。沈括は、天文子午線の測定を改良し、北極星の計算された位置を修正することによって、真北と北極に向かう磁気偏角の概念を記述した。^{[ 3 ]}彼の研究は、磁気コンパスによる航海の精度を向上させ、それについても記述した。^{[ 3 ]}沈括は、畢勝による活版印刷の発明を記録し、地質学理論を進歩させ、現地観測に基づいて長期的な地形学と気候変動を提唱した。^{[ 4 ] [ 5 ]}日食と月食の知識に基づいて、太陽と月は球形であると主張し、以前の中国の天文学の考えを拡張した。^{[ 6 ]}沈は天文局の魏普とともに、逆行運動を含む惑星運動のモデルを開発し、5年間にわたって月の軌道運動の詳細な観測を行った。 ^{[ 7 ] [ 8 ]}月と太陽の誤差に対する彼らの修正は朝廷で採用されたが、惑星の軌道経路の修正は政治的反対の結果、部分的にしか受け入れられなかった可能性がある。^{[ 8 ]}沈はまた、数学、地理学、経済学、医学、美術批評、考古学、軍事戦略、外交の研究も行った。^{[ 9 ] [ 10 ]}彼はボードゲームの順列の数を計算し、補給ロジスティクスの関数として軍事作戦の最大期間をモデル化し、^{[ 9 ]}流入水時計、天球儀、日時計、天体観測管などの科学機器を改良した。^{[ 11]]}そして、イブン・アル＝ハイサム（965-1039）の初期の業績に倣い、カメラ・オブスクラを用いた初期の実験を行った^{。 [ 12 ]}

申括と同時代の蘇松（1020年 - 1101年）は、1070年に薬学論文『本草土経』を編纂した。この論文には、植物学、動物学、冶金学、鉱物学に関する章が含まれている。^{[ 14 ] [ 15 ]}この著作には、エフェドリンの使用を含むさまざまな薬用法が記録されている。^{[ 16 ]}蘇松はまた、5つの星図を含む天体図鑑も作成した。^{[ 17 ]}彼の地図作成に関する著作は、宋王朝と遼王朝の間の国境紛争を解決するために使用された。^{[ 18 ]} 1088年、彼は開封に水力で動く天文時計塔の建設を指揮し、機械駆動の天球儀を組み込んだ。^{[ 19 ]}この時計は、ヨーロッパの時計で記録されている脱進機機構の使用より2世紀も前に脱進機機構を採用しており、^{[ 20 ] [ 21 ]} 1092年の時計学論文で説明されている動力伝達チェーン駆動機構を備えていた。 ^{[ 22 ]}

宋代には沈括や蘇松以外にも多くの重要な人物がおり、その多くが当時の技術革新に大きく貢献した。馬車牽引式走行距離計という機械式マイル表示装置は古代漢王朝以来中国で知られていたが、『宋史』（1345年編纂）は、それ以前の中国の文献よりもはるかに詳細な記述を提供している。『宋史』には次のように記されている。

走行距離計。[マイル計測用の馬車]は赤く塗られ、四面に花鳥の絵が描かれ、2階建てで、彫刻で美しく装飾されている。1里ごとに、下階の木像が太鼓を叩き、10里ごとに、上階の木像が鐘を鳴らす。馬車の棒の先端は鳳凰の頭で、馬車は4頭の馬に引かれる。護衛は以前は18人であったが、永熙4年（987年）に太宗皇帝は30人に増やした。天勝5年（1027年）に、侍従長の陸道龍は走行距離計の製作仕様を次のように提示した。[...] ^{[ 23 ]}

以下は、侍従長の陸道龍による、車輪や歯車の寸法や大きさの範囲に関する長大な論文である。^{[ 23 ]}しかし、最後の段落では、その装置が最終的にどのように機能するかについての説明がなされている。

中央の水平車輪が1回転すると、台車は1里進み、下の階の木像が太鼓を叩きます。上の水平車輪が1回転すると、台車は10里進み、上の階の木像が鐘を叩きます。使用されている車輪は大小合わせて全部で8インチ（200mm ）で、歯の総数は285個です。このように、動きは鎖のリンクのように伝達され、「犬の歯」が互いに噛み合うことで、適切な回転数で全てが元の出発点に戻ります。^{[ 24 ]} 

宋代（および唐代にも一度）には、走行距離計装置が南向きの輿と組み合わされた。この輿は、おそらく古代中国の機械技師、馬軍（200～265年）によって最初に発明されたものと考えられている。南向きの輿は車輪付きの乗り物で、場合によっては複雑な差動歯車が組み込まれていた可能性がある。（これは現在、ほとんどすべての現代の自動車で、旋回時に異なる速度で回転する車輪に均等なトルクをかけるために使用されている。）差動歯車は、輿がどのような旋回をしても、機械的に操作される指針を常に南の方向に向け続けるために使用されたと考えられる。同じ目的で、他の歯車配置も使用された可能性がある。この装置は、羅針盤の磁力ではなく、機械的な推測航法を用いて、方位を定め、航行した。工部部長の燕肃（961年頃～1040年）は1027年に南向きの馬車装置を再現し、その装置の製作仕様は『宋史』に記されている。^{[ 25 ]}これは、燕が沈括や蘇松のように多才な人物であり、水時計の設計を改良したり、数学的調和や潮汐理論について執筆したりしていたことを考えると、さほど驚くべきことではない。 ^{[ 25 ]}『宋史』には、1107年に南向きの馬車と走行距離計を組み合わせたのは技師の呉徳仁であったと記されている。

大観元年（1107年）、侍従の呉徳仁は南向きの馬車と、記録太鼓（走行距離計）付きの馬車の仕様を提示した。この2台の馬車は製作され、同年、祖先供養の大祭で初めて使用された。^{[ 26 ]}

続いて本文では、2つの装置が一体化された複雑な機械設計について詳細に説明している。（南向きの戦車に関する記事を参照のこと）。

時計仕掛け、油圧式天球儀、走行距離計、機械式羅針盤車両以外にも、宋代には印象的な機械工学装置がいくつか存在した。仏教寺院の機械式回転式書庫や書棚に関する文献上の記述は唐代の823年にまで遡るが^{[ 27 ]}、それらが広く普及したのは宋代である^{[ 27 ]} 。回転式書棚の発明はそれ以前に起こったと考えられており、544年に在家者の伏羲に帰せられている^{[ 28 ]。}回転式書棚は、仏教経典である三蔵経の大量印刷を命じた太祖帝の治世下、宋代の仏教寺院で普及した。^{[ 28 ]} さらに、現存する最古の回転式書棚は宋代（12世紀）のもので、河北省正定市の龍興寺で発見されている。^{[ 27 ] [ 29 ]}しかし、宋代には9つの著名な回転式書庫があり、そのうちの1つは1103年の李傑の著書『営造法式』の挿絵にも描かれている。[ 27 ] ^{[ 30 ]長沙近郊}の開府寺にある1119年の回転式書庫は5つの車輪がすべて一緒に回転し、^{[ 31 ]}蘇州の南禅寺の回転式書庫には何らかのブレーキシステムが備わっていた（最も古い曲線ブレーキバンドはヨーロッパのレオナルド・ダ・ヴィンチの時代に現れるため、中国学者たちはこれがどのように機能したのかまだ確信が持てない）。^{[ 31 ]}後世のイスラム教徒の旅行者シャー・ルフ（トルコ・モンゴルの武将ティムールの息子）は、1420年に永楽帝の治世中に明王朝の中国を訪れ、甘粛省の贛州にある回転式の貯蔵庫を「キオスク」と呼んだ。

別の寺院には、上から下まで15階建ての八角形のキオスクがあります。各階には、カタイ様式で漆塗りの装飾が施された部屋があり、前室やベランダがあります。…それは完全に磨かれた木材でできており、さらに見事に金箔が施されているため、純金でできているように見えます。その下にはヴォールトがあります。キオスクの中央に固定された鉄製のシャフトが下から上まで貫通しており、その下端は鉄板で動き、上端はこのパビリオンを収容する建物の屋根にある頑丈な支柱で支えられています。そのため、ヴォールトの中にいる人は、わずかな力でこの巨大なキオスクを回転させることができます。世界中の大工、鍛冶屋、画家は、ここに来れば自分の仕事で何かを学ぶでしょう！^{[ 32 ]}

繊維製造の分野では、ジョセフ・ニーダム（1900～1995）は、中国人が12世紀までにクイリングホイールを発明したと記し^{[ 33 ]}、機械式ベルト駆動は11世紀から知られていたと記している^{[ 34 ]} 。 1090年の秦官の著書『繻書』には、振動する「プロトフライヤー」を備えた絹糸巻き機が記述されており、絹糸が巻き取られる主巻き取り機の装置は、踏み木の動きによって巻き取られ、動力が与えられる^{[ 33 ]} 。この装置では、補助ベルト駆動によってフライヤーの傾斜アームが同時に作動した^{[ 33 ]} 。この機械は1237年の『耿之図』の挿絵に描かれており^{[ 35 ]}、さらに17世紀の本にはより精巧な挿絵が掲載されている。^{[ 33 ]}秦冠の1090年の書物には次のように記されている。

プーリー（偏心ラグ付き）には、駆動ベルトを受け入れるための溝が設けられており、駆動ベルトは機械の動きに応じてプーリーを連続的に回転させるエンドレスベルトである。^{[ 34 ]}

1世紀の杜氏の溶鉱炉のふいごを動かすための水車装置には、無限ロープまたは紐が使われていた可能性がある（下記の風力発電を参照）。^{[ 34 ]}

軍事技術の進歩は、宋王朝が北方の敵対的な隣国から身を守るのに役立った。火炎放射器はビザンツ時代のギリシャに起源を持ち、7世紀までにサイフォンホースを備えた装置でギリシャ火（化学的に複雑で非常に燃えやすい石油液）を使用していた。 ^{[ 45 ]}中国でギリシャ火について最初に言及したのは917年で、呉仁臣が『春秋十国記』に記した。^{[ 46 ]} 919年には、林羽が『無越北史』に記したように、水で消火できない「猛火油」を散布するためにサイフォン式噴射ポンプが使用され、これがギリシャ火の化学溶液を使用した火炎放射器に関する最初の信頼できる中国の記述となった（『本火炳』も参照）。^{[ 47 ]}林羽はまた、「猛火油」は最終的には中国の「南の海」の海上交易先の一つであるアラビア（大石国）に由来すると述べている。^{[ 48 ]} 919年の郎山江の戦いでは、呉越の文武王の海軍が呉の淮南軍を破った。文武の勝利は「火油」（「火油」）を使って艦隊を燃やしたことで促進され、これは中国で初めて戦闘で火薬が使用されたことを意味する。 ^{[ 49 ]}中国人は、二重ピストンふいごを使って単一のシリンダーからガソリンを汲み出し（上昇と下降）、最後にゆっくり燃える火薬マッチで点火して連続的な炎を噴出させた。^{[ 48 ]}この装置は、 1044年の武経宗要の記述と図解に登場した。^{[ 48 ]} 976年の南唐の鎮圧において、宋初期の海軍は975年に長江で南唐と対峙した。南唐軍は宋海軍に対して火炎放射器を使用しようとしたが、強風が吹き荒れた際に誤って自らの火に焼かれてしまった。^{[ 50 ]}

火薬の破壊的な効果は唐代初期に道教の錬金術師によって記述されていたが、火薬に関する現存する最古の記述は1044年の『武経宗要』にあり、そこにはカタパルトから投げられる爆発性の爆弾が記述されている。^{[ 51 ]}砲身と投射砲の初期の開発は宋代後期に見られた。中国の「火槍」（一時的な火炎放射器と銃を組み合わせたもの）の最初の美術的描写は、950 年頃の敦煌の仏教壁画に見られる。 ^{[ 52 ]}これらの「火槍」は 12 世紀初頭までに広く使用されるようになり、中空の竹竿を筒として砂粒（目くらましや窒息のため）、鉛の弾、鋭利な金属片や陶器の破片、そして最終的には火薬で推進する大きな矢やロケット兵器を発射した。^{[ 53 ]}やがて、腐りやすい竹は鋳鉄製の中空の筒に置き換えられ、この新しい武器の用語も「火槍」（「火犀」）から「火管」（「火管」）に変わった。^{[ 54 ]}この銃の祖先は、大砲の祖先、つまり13世紀以来中国人が「多連弾砲」（「百祖連弾砲」）と呼んでいたもので、青銅または鋳鉄製の筒に約100個の鉛の弾丸が詰められていた。^{[ 55 ]} 1132年、徳安の包囲戦で、宋の中国軍はライバルの女真族が率いる金王朝に対して火槍を使用した。^{[ 56 ]}

銃の初期の描写として知られているのは、1128年に四川省の洞窟で発見された彫刻で、花瓶型の大砲を持ち、炎と砲弾を発射する人物が描かれている。^{[ 57 ]}しかし、現存する最古の金属製銃身の手砲の考古学的発見は、 1288年に中国の黒竜江省で発掘された黒竜江手砲である。 ^{[ 58 ]}中国人はまた、中空の砲弾に火薬を詰めることで爆発的な可能性を発見した。後に焦瑜が『火龍井』 （14世紀半ば）に記したこの写本には、宋時代の鋳鉄製の大砲「飛雲雷雷砲」（飛雲雷雷砲）が記録されている。写本には次のように記されている。

砲弾は鋳鉄製で、ボウルほどの大きさで球形をしている。内部には半ポンドの「魔法の」火薬が入っている。砲弾は噴火口から敵陣地に向かって発射され、到着すると雷鳴のような音が聞こえ、閃光が現れる。これらの砲弾が10発敵陣地に命中すれば、陣地全体が炎に包まれるだろう… ^{[ 59 ]}

前述の通り、宋代におけるこれらの新兵器の用語の変化は漸進的であった。宋代初期の大砲は、当初は中国の投石機と同じ名称で呼ばれていた。明代後期の学者である毛元義は、1628年に著した『武北志』の中で、この用語の使用と大砲の真の起源について説明している。

宋の人々は、回転式投石機、単柱式投石機、しゃがみ虎式投石機を使用した。これらはすべて、火球、火鷹、火槍などの火器を投射するために使用されたため、「火の投石機」と呼ばれた。これらは大砲の祖先である。^{[ 60 ]}

14世紀の『火龍経』は、1277年に宋代末期の中国人がモンゴルに対して使用し、その後元王朝でも使用された爆発地雷の使用法を詳細に記述した最初の中国の文献の一つでもあった。^{[ 61 ]}爆発地雷の発明は、フビライ・ハンによるモンゴル侵攻に対する防衛戦で羅千霞という人物に帰せられた。^{[ 61 ]}後期の中国の文献によると、中国の地雷は引き紐か、落下する重りを放つピンの動きによるブービートラップのいずれかを使用しており、その重りが鋼鉄製の火打ち石の車輪を回転させ、それが火花を発生させて地雷の導火線に点火する仕組みだった。^{[ 62 ]}

さらに、宋は13世紀後半に戦争で火薬推進ロケットを最も初期の形で使用した^{[ 63 ]。}その最も初期の形態は、古風な火矢である。1126年に北宋の都開封が女真族に陥落した際、夏少宗は女真族の征服の際に2万本の火矢が渡されたと記している^{[ 64 ]} 。さらに古い中国の文献である、宋の学者である曽孔良と楊維徳が1044年に著した『武経総要』には、矢じりの近くに火薬の包みをつけた矢を発射する3本のバネまたは3連弓の弓矢の使用が記述されている。 ^{[ 64 ]}さらに遡ると、方義之の『武礼小史』 （1630年、第2版1664年）には、960年に宋の太祖（在位960～976年）に火矢が献上されたと記されている。^{[ 65 ]}

宋代の中国人は航海に長けており、遠くはファーティマ朝エジプトの港まで航海していた。彼らは船尾舵で操舵し、方位磁石で方向を定める大型外洋船で海外航海に十分な装備を整えていた。沈括と朱瑜が航海用の磁針コンパスについて記述する以前にも、1044年の軍事書『武経総要』には熱残留磁化コンパスについて記述されていた。^{[ 76 ]}これは、加熱、冷却、水を入れたボウルに入れることで弱い磁化効果を生み出す単純な鉄または鋼の針であったが、陸上での航海にのみ使用され、海上での使用については記述されていなかった。^{[ 76 ]}

当時の中国文学には、港湾の運営や側面、海上商船、海外貿易、帆船そのものに関する記述が数多く残されている。1117年、著者の朱瑜は、航海用の磁気コンパスだけでなく、船の甲板に投げられた鉤付きの百フィートのロープについても記述している。これは、海底の泥のサンプルを採取し、乗組員が泥の臭いや外観から自分たちの位置を判断するために使用された。^{[ 77 ]}さらに朱瑜は、損傷した場合に沈没を防ぐための船体の防水隔壁、前後のラグ、張ったマット帆、風上に向かって進む慣習についても記述している。^{[ 78 ]}朱瑜の宋代の船に隔壁船体区画があったという記述を裏付けるように、1973年に中国南部沿岸付近の水域から、全長78フィート（24メートル）、幅29フィート（8.8メートル）の宋代の貿易船が引き揚げられ、その船体には12の隔壁区画があった。 ^{[ 79 ]}宋代の海事文化は、これらの新技術と、河川や運河の交通量の増加によって発展した。周囲には、政府運営の穀物税輸送船、朝貢船やはしけ、民間の船舶、小型漁船で忙しく働く多数の漁師、そして豪華なプライベートヨットの快適さを楽しむ富裕層が賑やかに見られた。^{[ 80 ]}  

朱瑜以外にも、海洋に関心を持つ著名な中国の著述家がいた。1178年、広州の税関職員であった周曲飛は、『霊外大達』の中で、マダガスカルまで及ぶアラブ人のアフリカ人奴隷貿易について記述し、^{[ 81 ]}中国の航海船の大きさ、海上での耐久性、乗船者の生活について次のように述べている。

南の海とその南を航行する船は、まるで家のような船だ。帆を広げると、空に浮かぶ巨大な雲のようになる。舵は数十フィートもある。一隻の船には数百人が乗り、一年分の穀物を積んでいる。船上では豚が飼われ、ワインが発酵される。死者も生者も記録されず、人々が青空の海に出発したら、本土に戻ることはない。夜明けに船上で鐘が鳴ると、動物たちは思う存分水を飲み、乗組員も乗客もすべての危険を忘れる。船上の人々にとって、すべては空間、山々、ランドマーク、そして異国の地の中に隠され、失われている。船長は「順風で何日かで何国かに行くには、何山が見えなければならない。（そして）船は、何方向に舵を切らなければならない」と言うかもしれない。しかし、突然風が弱まり、指定された日に山が見えなくなるかもしれない。このような場合、方位を変えなければならないかもしれません。また、船は（その一方で）目印をはるかに超えて流され、方位を見失うかもしれません。嵐が起こり、船はあちこちに吹き飛ばされ、浅瀬に遭遇したり、隠れた岩礁に乗り上げたりして、（甲板室の）屋根まで壊れてしまうかもしれません。重い貨物を積んだ大型船は外洋を恐れる必要はありませんが、浅瀬ではむしろ遭難するでしょう。^{[ 82 ]}

後世のイスラム教徒のモロッコ人ベルベル人旅行家イブン・バットゥータ（1304年～1377年）は、周曲飛よりも中国の帆船についてより詳細に記述している。彼は、中国の海域とその周辺では、独特の中国式ジャンク船のみが航行に使用されていたと記している。^{[ 83 ]}彼は、中国の船の中で最大のものは合計12本の帆柱を持ち、小型のものは3本だったと記している。^{[ 83 ]}中国の船とその乗組員について、イブン・バットゥータは次のように述べている。

これらの船の帆は竹の細片を編んで筵状にしたものでできています。船乗りは（航海中は）決して帆を下ろさず、風がどちらから吹いているかに応じて帆の向きを変えるだけです。船が錨を下ろすと、帆は風に張られたままになります。これらの船はそれぞれ1,000人の男性によって運営され、そのうち600人が船員、400人が海兵で、その中には盾を持った弓兵や弩兵、ナフサの壺を投げる者もいます。それぞれの大型船の後ろには、「ニスフィ」、「トゥルティ」、「ルビ」（脚注：舵付きの小型ボートであるピンナースと手漕ぎボート）の3隻が続きます。これらの器は、中国のザイトン（泉州）市、またはシン・キラン（シン・アル・シン（広州）と同じ）以外ではどこにも作られていない。^{[ 83 ]}

イブン・バットゥータは続けて、それらの建造方法と、船体の隔壁区画の正確な描写について説明した。

船は次のように作られます。非常に厚い木材（板）でできた2つの（平行な）壁が立てられ、その間の空間に、それぞれ3エルの長さの大きな釘で縦横に固定された非常に厚い板（隔壁）が渡されます。これらの壁がこのように構築されると、下甲板が取り付けられ、上部構造が完成する前に船が進水します。喫水線に近い木片と船体の部分は、乗組員が体を洗ったり、生理的な用を足したりするために使われます。これらの木片の側面には櫂も付いており、櫂はマストと同じくらい大きく、10人か15人の男が立って漕ぎます。^{[ 83 ]}

イブン・バットゥータは航海乗組員の人数について言及しただけでなく、船の大きさや船内の豪華な商船室についても詳しく描写している。

船には4つの甲板があり、その上には商人用の船室とサロンがある。これらの「ミスリア」のいくつかには食器棚やその他の便利な設備があり、施錠できる扉と、居住者用の鍵がある。（商人は）妻や妾を連れて行く。船員が船室にいても他の乗組員が気づかず、船が港に到着するまで誰もその姿を見ないということもよくある。船員も子供をそのような船室に住まわせ、（船の一部では）庭のハーブ、野菜、生姜を木製の桶で栽培している。このような船の指揮官は偉大な首長であり、彼が上陸すると、弓兵とエチオピア人（つまり黒人奴隷だが、中国ではこれらの兵士は恐らくマレー人であっただろう）が槍と剣を携え、太鼓を鳴らしトランペットを吹き鳴らしながら彼の前に行進する。彼が宿泊先のゲストハウスに到着すると、彼らは門の両側に槍を構え、滞在中ずっと騎馬警備を行った。^{[ 84 ]}

宋王朝時代には、外輪船として知られる効率的な自動車船の建造にも多大な関心が寄せられた。外輪船は中国ではおそらく5世紀頃から知られており、^{[ 85 ]}唐王朝の784年には李高による外輪軍艦の設計が成功したことで確実に知られるようになった。 ^{[ 85 ]} 1134年には、浙江省の副運輸長官である呉歌が、合計9つの車輪を持つ外輪軍艦と13の車輪を持つ外輪軍艦を建造させた。^{[ 86 ]}しかし、宋王朝には、船体の両側に12個の車輪を備えた非常に大きな外輪船もあった。^{[ 87 ]} 1135年、名将岳飛（1103年 - 1142年）は楊耀率いる反乱軍を待ち伏せし、湖に浮草や腐った丸太を流し込んで外輪船を絡め取り、船に乗り込んで戦略的な勝利を収めた。^{[ 86 ]} 1161年、宋軍は長江沿いの唐島の戦いと蔡石の戦いで、金宋戦争中に女真族の金王朝に対して火薬爆弾と外輪船を効果的に使用した。雁顔梁（海陵王）率いる女真族の侵攻は南宋を征服できなかった。^{[ 86 ]}

1183年、南京の海軍司令官陳唐は、90隻の外輪船とその他の軍艦を建造した功績で褒賞を与えられた。^{[ 86 ]} 1176年、宋の孝宗皇帝（在位1162年～1189年）は、損傷した外輪船をジャンク船やガレー船に改造することを望んでいた南京の官僚郭剛に対し、蔡石の戦いで中国軍の勝利をもたらした高速攻撃艇を高く評価していたため、海軍の造船所での外輪船の数を制限しないよう命じた。^{[ 88 ]}しかし、外輪船は戦争での効果的な攻撃以外にも用途が見つかった。泉州の商船総督を務めたアラブ人またはペルシャ人のイスラム教徒、濠守庚（1250年～1275年）は、外輪船が中国人によって曳航用のタグボートとしても使われていたと記している。^{[ 89 ]}