指南針、火藥、造紙術
四大發明是指中國古代對世界具有很大影響的造紙術、指南針、火藥及印刷術四種發明，它的說法最早由英國漢學家艾約瑟提出。
四大發明對中國古代的政治、經濟、文化的發展產生了巨大的推動作用，且這些發明經由各種途徑傳至西方，對世界文明發展史也產生了很大的影響。
盡管中華文明有很多重要的成就都以“四大”“五大”等命名，如四大美人、四大古典小說、四書五經，四大發明的概念卻來源于西方學者，并在之后被中國人接受。
意大利數學家杰羅姆?卡丹早在1550年就第一個指出，中國對世界所具有影響的“三大發明”：是司南（指南針）、印刷術和火藥。并認為它們是“整個古代沒有能與之相匹敵的發明。”
1620年，英國哲學家培根也曾在《新工具》一書中提到：“印刷術、火藥、指南針這三種發明已經在世界范圍內把事物的全部面貌和情況都改變了。”
而后，在1861～1863年，馬克思和恩格斯更是將這些發明的意義推到了一個高峰，馬克思在《機械、自然力和科學的運用》中寫道：“火藥、指南針、印刷術――這是預告資產階級社會到來的三大發明。火藥把騎士階層炸得粉碎，指南針打開了世界市場并建立了殖民地，而印刷術則變成了新教的工具，總的來說變成了科學復興的手段，變成對精神發展創造必要前提的最強大的杠桿。”
恩格斯則在《德國農民戰爭》中明確指出：“一系列的發明都各有或多或少的重要意義，其中具有光輝的歷史意義的就是火藥。現在已經毫無疑義地證實了，火藥是從中國經過印度傳給阿拉伯人，又由阿拉伯人和火藥武器一道經過西班牙傳入歐洲。”
英國漢學家麥都思指出：“中國人的發明天才，很早就表現在多方面。中國人的三大發明（航海羅盤（司南），印刷術，火藥），對歐洲文明的發展，提供異乎尋常的推動力。”
四大發明
來華傳教士、漢學家艾約瑟最先在上述三大發明中加入造紙術，他在比較日本和中國時指出“我們必須永遠記住，他們（指日本）沒有如同印刷術、造紙、指南針和火藥那種卓越的發明。這個發明清單被后來的著名英國生化學家、歷史學家和漢學家李約瑟發揚光大。
指南針是用以判別方位的一種簡單儀器。前身是司南。主要組成部分是一根裝在軸上可以自由轉動的磁針。磁針在地磁場作用下能保持在磁子午線的切線方向上。磁針的北極指向地理的北極，利用這一性能可以辨別方向。常用于航海、大地測量、旅行及軍事等方面。指南針的N指北方，E指東方，W指西方，S指南方。
中國是世界上公認發明指南針（Compass）的國家。指南針的發明是我國古代勞動人民在長期的實踐中對物體磁性認識的結果。由于生產勞動，人們接觸了磁鐵礦，開始了對磁性質的了解。人們首先發現了磁石吸引鐵的性質，后來又發現了磁石的指向性。經過多方面的實驗和研究，終于發明了實用的指南針。最早的指南針是用天然磁體做成的，這說明中國古代勞動人民很早就發現了天然磁鐵及其吸鐵性。據古書記載，遠在春秋戰國時期，由于正處在奴隸制社會向封建社會過渡的大變革時期，生產力有了很大的發展，特別是農業生產更是興盛發達，因而促使了采礦業、冶煉業的發展。在長期的生產實踐中，人們從鐵礦石中認識了磁石。最早的指南針是司南。
指南針歷史
“中國最早的指南針理論，是建立在陰陽五行學說基礎上的‘感應說’。”關增建介紹，11世紀中葉時中國大科學家沈括還對指南針感到匪夷所思，他的《夢溪筆談》介紹了指南針的人工磁化方法、磁偏角的發現和指南針的架設方法，但對指南針為什么會指南卻沒有一點概念――“磁石之指南……莫可原其理！”隨后，文人學者們從陰陽五行學說出發，結合當時人們對大地形狀的認識，提出各種指南針理論。例如，最晚成書于宋代的《管氏地理指蒙》，首先提出如下邏輯：
“磁針是鐵打磨成的，鐵屬金，按五行生克說，金生水，而北方屬水，因此北方之水是金之子。鐵產生于磁石，磁石是受陽氣的孕育而產生的，陽氣屬火，位于南方，因此南方相當于磁針之母。這樣，磁針既要眷顧母親，又要留戀子女，自然就要指向南北方向。”
南宋人的指南針原理，仍認為“指南針之所指，即陽氣之所在”，只是圍繞磁偏角現象，立論依據更多轉向地理方位的坐標系統――中國古人認為地是平的、大小有限，這樣地表面必然有個中心，過該中心的那條子午線就是唯一的南北方向。南宋人曾三異等認為，一旦測量地點不在這條南北線上，指南針所指向自然“少偏”。到明代，有人假托南唐人著作指出，指南正針由大地方位系統決定，而偏角則由天體方位劃分系統所決定。關增建認為，這種說法“體現了傳統指南針理論在陰陽感應學說和磁偏角的存在這一矛盾面前所表現出來的窘迫”。
明萬歷年間（公元1573～1620年），傳教士來華，帶來西方的指南針理論、地球學說以及相關科技知識。受其影響，中國學者開始從新的視角探討指南針理論問題，在此過程中，陰陽五行的作用不斷淡化，力學角度的分析不斷增加，但吉爾伯特1600年提出的科學理論連西方學界都沒統一，更談不上入主東土。傳教士中，1658年抵華的比利時耶穌會士南懷仁的指南針理論最系統，但他認為決定磁針指向的是地球的地理南北兩極本身，理論仍然局限在古代科學的范圍，而不像吉爾伯特認識到地球本身存在一個磁體。南懷仁理論在中國影響深遠，直到19世紀中葉，中國仍有學者用它解釋指南針問題。而此時，清末來華的傳教士已開始著手把西方近代磁學知識介紹給中國了。
先秦時代我們的先人已經積累了許多這方面的認識，在探尋鐵礦時常會遇到磁鐵礦，即磁石（主要成分是四氧化三鐵）。這些發現很早就被記載下來了。《管子》的數篇中最早記載了這些發現：“山上有磁石者，其下有金銅。”其他古籍如《山海經》中也有類似的記載。磁石的吸鐵特性很早就被人發現，《呂氏春秋》九卷精通篇就有：“慈招鐵，或引之也。”那時的人稱“磁”為“慈”他們把磁石吸引鐵看作慈母對子女的吸引。并認為：“石是鐵的母親，但石有慈和不慈兩種，慈愛的石頭能吸引他的子女，不慈的石頭就不能吸引了。”據說秦始皇統一六國后，在咸陽附近修阿房宮，宮中有一座門是用磁石做成，如果有人身穿盔甲，暗藏兵器，入宮行刺，就會被磁石門吸住。這個故事告訴我們，古代勞動人民很早就掌握了磁學知識。
當把兩塊磁鐵放在一起相互靠近時，有時候互相吸引，有時候相互排斥。人們都知道磁體有兩個極，一個稱N極，一個稱S極。同性極相互排斥，異性極相互吸引。那時的人們并不知道這個道理，但對這個現象還是能夠察覺到的。
到了西漢，有一個名叫欒大的方士，他利用磁石的這個性質做了兩個棋子般的東西，通過調整兩個棋子極性的相互位置，有時兩個棋子相互吸引，有時相互排斥。欒大稱其為“斗棋”。他把這個新奇的玩意獻給漢武帝，并當場演示。漢武帝驚奇不已，龍心大悅，竟封欒大為“五利將軍”。欒大利用磁石的性質，制作了新奇的玩意蒙騙了漢武帝。
指南針的始祖大約出現在戰國時期。它是用天然磁石制成的。樣子像一把湯勺，圓底，可以放在平滑的“地盤”上并保持平衡，且可以自由旋轉。當它靜止的時候，勺柄就會指向南方。古人稱它為“司南”，當時的著作《韓非子》中就有：“先王立司南以端朝夕。”“端朝夕”就是正四方、定方位的意思。《鬼谷子》中記載了司南的應用，鄭國人采玉時就帶了司南以確保不迷失方向。
春秋時代，人們已經能夠將硬度5度至7度的軟玉和硬玉琢磨成各種形狀的器具，因此也能將硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。東漢時的王充在他的著作《論衡》中對司南的形狀和用法做了明確的記錄。司南是用整塊天然磁石經過琢磨制成勺型，勺柄指南極，并使整個勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置于光滑的地盤之中，地盤外方內圓，四周刻有干支四維，合成二十四向。這樣的設計是古人認真觀察了許多自然界有關磁的現象，積累了大量的知識和經驗，經過長期的研究才完成的。司南的出現是人們對磁體指極性認識的實際應用。但司南也有許多缺陷，天然磁體不易找到，在加工時容易因打擊、受熱而失磁。所以司南的磁性比較弱，而且它與地盤接觸處要非常光滑，否則會因轉動摩擦阻力過大，而難于旋轉，無法達到預期的指南效果。而且司南有一定的體積和重量，攜帶很不方便，這可能是司南長期未得到廣泛應用的主要原因。
司南由青銅盤和天然磁體制成的磁勺組成，青銅盤上刻有二十四向，置磁勺于盤中心圓面上，靜止時，勺尾指向為南。
每塊磁鐵兩頭都有不同的磁極，一頭叫S極，另一頭叫N極。我們居住的地球，也是一塊天然的大磁體，在南北兩頭也有不同的磁極，靠近地球北極的是S極，靠近地球南極的是N極，也正是因為地磁極和地理兩級不完全重合，才出現了地磁偏角現象。我們知道，同性磁極相斥，異性磁極相吸引，所以，不管在地球表面的什么地方，拿一根可以自由轉動的磁針，它的N極總是指向北方，S極總是指向南方。
二千多年以前，也就是春秋戰國時候，中國已經用鐵來制造農具了。勞動人民在尋找鐵礦的時候，就發現了磁鐵，并且知道它能夠吸鐵。
《夢溪筆談》是沈括（1031―1095年）所著的有關中國古代科學技術的著作，書中談到磁學和指南針的一些問題。他在《夢溪筆談》的補筆談中談到了摩擦法磁化時產生的各種現象：“以磁石摩針鋒，則銳處常指南，亦有指北者，恐石性亦不……，南北相反，理應有異，未深考耳。”這是說，用磁石去摩擦縫衣針后，針鋒有時指南，也有時指北。磁石都有N和S兩個極，磁化時縫衣針針鋒的方位不同，則磁化后的指向也就不同。但沈括并不知道這個道理，他真實的記錄了這個現象并坦白承認自己沒有做深入思考。以期望后人能進一步探討。
指南龜是當時流行的一種新裝置，將一塊天然磁石放置在木刻龜的腹內，在木龜腹下方挖一光滑的小孔，對準并放置在直立于木板上的頂端尖滑的竹釘上，這樣木龜就被放置在一個固定的、可以自由旋轉的支點上了。由于支點處摩擦力很小，木龜可以自由轉動指南。當時它并沒有用于航海指向，而用于幻術。但是這就是后來出現的旱羅盤的先聲。
指南龜發明年代不晚于1325年。木塊刻成龜型，龜腹部中心嵌以磁體，木龜安放在尖狀立拄上，靜止時首尾分指南北。
要確定方向除了指南針之外，還需要有方位盤相配合。最初使用指南針時，可能沒有固定的方位盤，隨著測方位的需要，出現了磁針和方位盤一體的羅盤。羅盤有堪輿用的羅經盤和水羅盤、旱羅盤。
盤面周圍刻二十四方位，內中盛水，磁針橫穿燈草，浮于水面。
人們已經知道，地球的兩個磁極和地理的南北極只是接近，并不重合。磁針指向的是地球磁極而不是地理的南北極，這樣磁針指的就不是正南、正北方向而略有偏差，這個角度就叫磁偏角。又因為地球近似球形，所以磁針指向磁極時必向下傾斜，和水平方向有一個夾角，這個夾角稱為磁傾角。不同地點的磁偏角和磁傾角都不相同。成書于北宋的《武經總要》在談到用地磁法制造指南針時，就注意利用了磁傾角。沈括在《夢溪筆談》談到指南針不全指南，常微偏東。指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁傾角的發現使指南針的指向更加準確。
魏晉南北朝時，中國先民對磁石的性質已有了很多認識。就連當時的詩人曹植在矯志詩中也用了“磁石引鐵，于金不連。”的句子。可見他也了解磁石的性質。南北朝梁代的陶弘景在《名醫別錄》中提出了磁力測量的方法，他指出：優良磁石出產在南方，磁性很強，能吸引三、四根鐵針，使幾根針首尾相連掛在磁石上。磁性更強的磁石，能吸引十多根鐵針，甚至能吸住一、二斤刀器。陶弘景不僅提出了磁性有強弱之分，而且指出了測量方法。這可能是世界上有關磁力測量的最早記載。
磁石吸鐵是因為每塊磁石兩頭都有不同的磁極，一頭叫正極，另一頭叫負極。人類居住的地球也是一塊天然大磁鐵，地球的南北兩頭也有不同的磁極，地球的北極是負磁極，地球南極為正磁極。根據同性磁極相排斥，異性磁極相吸引的原理，拿一根可以自由轉動的磁針，無論站在地球的什么地方，它的正極總是指北，負極總是指南。
戰國時期，人們利用磁石指示南北的特性制成了指南工具──司南。但是，戰國時期的司南是什么樣子無法考證。《中國歷史》課本插圖──“司南”，是根據中國歷史博物館展品“漢代司南模型”繪制的。這個模型是后人根據史書記載以及地下出土的漢代地盤實物制成的。地盤是青銅做成的，內圓外方，中心圓面磨得非常光滑，以保證勺體指示方向的準確性。中心圓外圍依次布列八卦、天干、地支和二十八宿，共計二十四個方位。地盤中心的小勺是用整塊的天然磁鐵磨成的，磁鐵的正極磨成司南的長柄，勺頭底部是半球面，非常光滑。使用時先把地盤放平，再把司南放在地盤中間，用手撥動勺柄，使它轉動，等到司南停下來，勺柄所指方向就是南方。這種勺形司南直到八世紀時仍在應用。
中國古代四大發明中為哥倫布提供保證的是指南針。中國指南針的外傳，歐洲造船業和航海術的發達，為遠洋航行和開辟新航路提供了條件。其中最先取得發展的是葡萄牙人，他們的船隊向東航行；其次是西班牙人，他們另辟海途，轉而西航。
在哥倫布1492年的第一次航行中，他在巴哈馬群島的一個他叫作“圣薩爾瓦多”的地方登陸，而不是計劃中的日本。在后來的三次航行中，哥倫布到達過大安的列斯群島、小安的列斯群島、加勒比海岸的委內瑞拉、以及中美洲，并宣布它們為西班牙帝國的領地。
哥倫布的首次遠航探險、航渡美洲在地理開發史上具有重大的意義。哥倫布一行到達了美洲東部中段的印度群島的兩個大島古巴、海地和若干小島，從而拉開了發現新大陸的帷幕。哥倫布一行開辟了從歐洲橫渡大西洋到美洲并安全返回的新航路，從而把美洲和歐洲、進而把新大陸和舊大陸緊密地聯系起來。
哥倫布對他以為的“西印度地區”做了較詳細的記載和描繪，使舊大陸的人們對這里有了初步的認識和了解。至此，由葡萄牙人開創的中世紀晚期以來的地理到達從量變發展到質變，從漸進演化成飛躍，從而開始了地理大發現。
指南針
我國的四大發明分別是造紙，印刷，指南針，火藥。那么在傳播到歐洲之后，隨著航海時代的到來，又由歐洲人傳播到了全世界。像題主說的哥倫布探索發現美洲，就是四大發明在實踐上的重要應用。首先航海的最基本需求就是分辨方向，那么指南針就可以保證即使在大霧天或者是無法見到星星太陽月亮等星體的時候幫助航行者分辨方向。其次，在探索陌生的美洲大陸時，火藥可以幫助哥倫布這些探險家更容易的保持火源，同時還可以作為武器保護自己。最后，不論是記錄航線還是記錄探索的各類見聞，都需要造紙術所制造的紙張，并且使用印刷術來保存和傳播這些知識。所以四大發明其實為了哥倫布的探險都提供了重要的保證。如果一定要選一個最重要的保證，那么應該就是指南針了。畢竟在大海航行，如果沒有指南針分辨方向，那么幾乎是肯定不可能發現美洲大陸的，如果沒有登陸的話，后續那些作用也就無從談起了
中國文化歷史悠久，其著稱于世的古代四大發明，更是閃耀著中華民族的智慧之光。造紙術、印刷術、指南針和火藥的發明，是中國在世界科技史上的杰出貢獻，更為世界科學文化成果的傳播和交流有著不可磨滅的突出成就。
圖1
偉人曾說過：“在很早的時候，中國就有了指南針的發明。還在一千八百年前，已經發明了造紙法。在一千三百年前，已經發明了刻板印刷。在八百年前，更發明了活字印刷。火藥的應用，也在歐洲人之前。所以，中國是世界文明發展最早的國家之一，中國已有了將近四千年的有文字可考的歷史。”
造紙術――化腐朽為神奇
“茭白猶霜雪，方正若布棋。宣情且記事，寧同魚網時。”――南朝梁元帝蕭繹
造紙術作為我國古代科學技術的四大發明之一，從古至今，在人類的文明發展史上都占據著舉足輕重的地位。造紙術最早起源于西漢時期，經過不斷的發展和改造，逐漸達到鼎盛時期。
造紙術的每一段發展歷程，都為當時社會的政治、經濟、文化等帶來了不可估量的影響。造紙技術自誕生后，在經歷了不斷的成長和發展，而達到了輝煌至鼎盛的時期。
圖2
西漢元年時期，中國就已經出現了造紙技術，但由于當時造紙技術的“技術含量”較高，所以社會上所流行的書寫材料呈現出竹，帛，紙并行的局面。
到了東漢元興元年，蔡倫在原有的造紙技術上加以改進。《蔡倫轉》中有言“倫典尚方作紙，用故麻名麻紙，木皮名轂紙，魚網名網紙。”經蔡倫改進而成的造紙術，就是將廢棄的麻頭、破布、樹皮、舊魚網等用水浸泡后，切碎，再加草木灰蒸煮，舂搗打漿，最后將紙張撈出，然后“苫”或“簣”來抄造，以保證紙張成型。這種造紙技術極大的提高了紙張的質量，因其原料廉價，且極易尋得，再加上蔡倫造紙術經的不斷推廣和改進，紙張慢慢進入到日常生活用品。后人也將這種紙稱為“蔡侯紙”，以紀念蔡倫造紙技術的偉大功績。
古代造紙術直到魏晉南北朝時期，才得到了空前的發展。人們逐漸開始使用紙質檔案來記錄人類實踐活動的內容，紙張得以全面取代了簡牘、綿帛成為了社會普遍的書寫用具，甚至在國外都有著顯著的影響。
圖3
中國古代造紙術最先傳入與我國毗鄰的朝鮮和越南，東漢末年期間，又經由朝鮮傳入日本。唐朝時期，造紙術傳入阿拉伯，直到十二世紀中葉，阿拉伯人才將造紙技術傳入歐洲。公元1276年，意大利建造了第一家造紙廠；公元1348年，法國相繼建立多家造紙廠。因為法國紙張的出口，德國也隨之在14世紀建立自己的造紙廠。而英國在15世紀才傳入造紙技術。總體來說，歐洲的造紙業在17世紀才全面發展開了，比中國要落后很久。
中國古代造紙術的出現，為世界科學、文化和信息的傳播提供了極大的便利途徑，也在一定程度上促進了國家政治、經濟、文化的發展，其實用價值不可估量，更具有著劃時代的重要意義。
印刷術――踏“印”尋源
印刷術的發明同樣是人類歷史上最偉大的發明之一，印刷術和造紙術都是中國對世界科學文化發展所作出的巨大貢獻。
在公元前4世紀，也就是戰國時期，私人印章可謂是最早的印刷術了。那時稱之為“璽”，但秦時雙滅六國后，將楚國的和氏璧鑿為國璽，“璽”字自此成為封建帝王的專屬，一般人的璽只得稱為印章。最初的印章都多是凹入的陰文，用封泥之上。
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由此可知戰國和秦漢時期出現的印章、拓碑等用以復制文字、圖畫的方法，為活字印刷的誕生提供了技術儲備條件。而隨著紙和墨的誕生，也逐漸為活字印刷的誕生奠定了堅實的物質基礎。
到了唐代，將印章和拓碑這兩種方法逐漸結合在了一起，從而形成了雕版印刷術。其操作方法非常的簡單，就是在木質比較堅硬的棗木或梨木上面刻寫用以印版，印版前先在版面上刷上一層墨汁，然后將柔軟的紙張附在上面，用鬃刷來回壓幾遍，最后揭下，就完成了一張印制。雕版印刷的出現代替原始的人工抄寫，印制出來的印品也更為準確、規范、整齊。
在敦煌千佛洞所發現的長達488厘米、寬約0.3厘米，高24.2厘米的《金剛經》，就是王d在唐懿宗咸通九年，使用雕本印刷技術刻印而成的佛教經書，足以看出當時雕本印刷技術的成熟。
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但隨著社會文化的不斷發展，刻書的范圍不斷增加，所需書籍的數量急劇增多，雕版印刷術的不足逐漸顯現出來。于是，人們就開始尋求一種更為便捷，更為經濟的印刷技術，活字印刷術應運而生。