人类能力扩展的规律

与人的三种能力相对应，现实世界恰好存在“物质资源、能量资源（人们习惯上把它简称为能源）、信息资源”三类资源。科学技术发展的过程可以看作是，人类利用物质科学技术、能量科学技术、信息科学技术，把三类资源加工成为“扩展人类体质能力、体力能力、智力能力”的科技产品。在这个意义上，我们可以认为，科学技术的任务，就是“认识现实世界三类资源（物质、能量、信息）的性质和人类三种能力（体质、体力、智力）的奥秘，在此基础上，把资源加工成为可以用来扩展人类能力的产品”。

因此，扩展人类三种能力的规律可以概括为如下三点:

——研究和利用物质科学技术，生产质料工具，扩展体质能力；

——研究和利用能量科学技术，生产动力工具，扩展体力能力；

——研究和利用信息科学技术，生产智能工具，扩展智力能力。

质料工具的主要作用是扩展人的体质能力。也就是说，如果把质料工具的功能与人的体质能力适当地结合起来，就使人类的体质能力获得了扩展:具有更强的硬度、更好的弹性、更满意的应力特性、更高的熔点、更低的凝聚点、更强的耐压能力、更强的抗腐蚀能力和抗辐射能力等。

质料工具的制造一方面需要利用一定的物质资源，同时需要应用物质结构和材料力学等科学理论。换言之，制造质料工具的关键在于:利用材料科学技术的理论和方法，把相应的物质资源转变成为具有各种优良性质的材料，并根据力学科学原理把各种材料加工制造成为具有相应功能的人造物——工具。

本书第3章详细描述了人类体质能力（视觉和听觉）的发展进化及其科学方法论。此处，我们以农耕用的犁的发展过程，作为人类扩展体质能力的一个例子。

人类早期的生活依赖刀耕火种等繁重劳动，但只能收获很少的谷物。为了让部落能够休养生息、安居乐业，炎帝决心改进耕播和种植方法。《易经·系辞》说，神农“斫木为耜，揉木为耒，耒耜之利，以教天下”。《礼·含文嘉》说，神农“始作耒耜，教民耕种”，都讲到炎帝神农制作耕播工具——耒耜，如图2．2．1所示。

传说，炎帝在林地里看到野猪正在拱土，长长的嘴巴伸进泥土，一撅一撅地把土拱起。一路拱过，留下一片被翻过的松土。野猪拱土的情形，给炎帝留下很深的印象。能不能做一件工具，依照这个方法翻松土地呢？经过反复琢磨，炎帝在尖木棒下部横着绑上一段短木，先将尖木棒插在地上，再用脚踩在横木上加力，让木尖插入泥土，然后将木柄往身边板，尖木随之将土块撬起。这样连续操作，便耕翻出一片松地。

图2．2．1　耒耜

这一改进，不仅深翻了土地，改善了地力，而且将种植由穴播变为条播，使谷物产量大大增加。这种加上横木的工具，史籍上称之为“耒”。在翻土过程中，炎帝发现弯曲的耒柄比直直的耒柄用起来更省力，于是他将“耒”的木柄用火烤成省力的弯度，成为曲柄，使劳动强度大大减轻。为了多翻土地，后来又将木“耒”的一个尖头改为两个，成为“双齿耒”。

经过不断改进，在松软土地上翻地的木耒，尖头又被做成扁形，成为板状刃，叫“木耜”。“木耜”的刃口在前，破土的阻力大为减小，还可以连续推进。木制板刃不耐磨，容易损坏。人们又逐步将它改成石质、骨质或陶质，有的制成耐磨的板刃外壳，损坏后，可以更换，这就是犁的雏形了。为了适应不同的耕播农活，先民们又将耒耜的主要组成部分制成可以拆装的部件，使用时，根据需要进行组合。

犁是由耒耜发展演变而成。用牛或马牵拉耒耜以后，才渐渐使犁与耒耜分开，有了“犁”的专名。据甲骨文的记载，犁约出现于商朝。西周晚期至春秋时期出现铁犁，西汉出现了直辕犁，只有犁头和扶手。而缺少耕牛的地区，则普遍使用踏犁。在四川、贵州等省的少数民族地区均有踏犁的实物。使用时以足踏之，达到翻土的效果。至隋唐时代，犁的构造有较大的改进，出现了曲辕犁，如图2．2．2所示。除犁头扶手外，还多了犁壁、犁箭、犁评等。据陆龟蒙《耒耜经》记载，共由十一个用木和金属制作的零件组成，可以控制与调节犁耕的深度。长达丈，十分庞大，必须双牛才能牵挽。中国历史博物馆有唐代犁的复制模型。其原理为今天的机引铧式犁采用。唐朝的曲辕犁与西汉的直辕犁相比，增加了犁评，可适应深耕和浅耕的不同需要；改进了犁壁，犁壁呈圆形，可将翻起的土推到一旁，减少前进的阻力，而且能翻覆土块，以断绝杂草的生长。此后，曲辕犁就成为中国耕犁的主流犁型。

现代犁铧比起历史上的犁铧改进了很多，现代犁嘴多用纯钢代替，犁底则用生铁铸造件制成，犁杆可以调节高度，灵活机动性更高，耕深由原来的固定深度改为可调节高度，如图2．2．3所示。现代三铧犁的犁架设有纵杆和横杆，纵杆上固定三个犁铧，纵杆上还设有犁轮，纵杆的前端设有连接孔，用于与拖拉机连接。具有以下优点:

图2．2．2　曲辕犁

图2．2．3　现代犁

（1）灵活性高。可方便地调节犁铧的深浅和宽窄。

（2）适用性强。适用于不同硬度土壤的耕作。

（3）固定较好，耕作笔直、均匀，耕作质量好。

（4）轻便，动力需求小，不仅延长了拖拉机的使用寿命，而且加快了耕作速度，省油、省时。

在工具的制造和牲畜的使用上，中国人都明显地领先于欧洲人。比如，中国人深翻土地的犁，欧洲到17世纪前后才出现。在农耕时代，农具和牲畜是将人力解放出来的主要生产工具，它们的利用效率直接决定了生产力水平。中国先进的农业技术保证了在从公元2世纪到17世纪的一千多年里，中华文明领先于世界。

动力工具的主要作用在于扩展人的体力能力。于是，如果把各种动力工具的功能与人的体力能力适当地结合起来，就可以使人类的体力能力得到有效的扩展:具有更强大的推动力、牵引力、荷重力、悬浮力、冲击力、切削力、爆破力、摧毁力等。

动力工具的制造一方面需要利用一定的能量资源，同时需要应用能量转换与守恒理论等科学理论。需要注意的是，能量是物质做功的本领，能量离不开物质。因此，制造动力工具的关键在于:利用能量科学技术和材料科学技术的理论和方法，把相应的能量资源及其相伴的物质资源转换成为具有优良性能的材料和动力，并根据能量和材料科学原理把它们结合起来制成具有相应功能的人造系统——动力工具。

图2．2．4　早期火车

可见，与制造质料工具的情况不同，动力工具的制造需要能量和物质两类资源，需要能量科学技术和材料科学技术两方面的理论和方法。

本书第4章详细描述了人类体质能力（视觉和听觉）的发展进化及其科学方法论。此处，我们以火车和铁路为例，描述人类如何利用动力工具扩展体力能力。

即便是中国古典小说《水浒传》中的神行太保，日行一千里，夜行八百里，他从北京到广州也要用两个白天和两个黑夜多。而当前我们乘坐京广高铁只需8个小时。

1765年，英国人瓦特发明了蒸汽机，从此揭开了人类科技革命的序幕。1769年，法国工程师库纳研制成功第一辆蒸汽机车。英国人理查德·特里维西克（1771—1833年）经过多年的探索、研究，终于在1804年制造了一台单一汽缸和一个大飞轮的蒸汽机车，牵引5辆车厢，以时速8公里的速度行驶，这是在轨道上行驶的最早的机车。因为当时使用煤炭或木柴做燃料，就把它叫作“火车”了，如图2．2．4所示。有趣的是，当时这台机车，没有设计驾驶座，驾驶员只好跟在车子旁，边走边驾驶。

与此同时，自学成才的英国技师史蒂文森（1781—1848）也在积极改进火车的性能，并且取得了很大的进展。1814年，他制造了一辆两个汽缸的、能牵引30吨货物可以爬坡的火车。于是，人们开始意识到，火车是一种很有前途的交通运输工具。然而，当时的马车业主们极力加以反对。1825年，斯托克顿与达林顿之间开设了世界上第一条营业铁路，史蒂文森制造的“运动号”列车运载旅客以时速24公里的速度行驶其间。尽管火车已经加入了运输的行列，但马车仍在铁路上行驶。到了1829年，曼彻斯特至利物浦间的铁路铺成后，为了决定采用火车还是马车，举行了一次火车和马车的比赛，史蒂文森的儿子改进的“火箭号”获胜。“火箭号”长6．4米、重7．5吨，为了使火燃烧旺盛，装了4．5米高的烟囱。牵引乘坐30人的客车以平均时速22公里行驶，比当时的四套马车快两倍以上，充分显示了蒸汽机车的优越性。于是这条铁路就采用火车了。从这以后，火车终于取代了有轨马车。史蒂文森还在路基和铁轨铺设上下功夫。他曾说过一段有趣的话:“火车与铁轨是夫妻关系，只要它俩关系融洽，火车的速度是不可估量的。”

1909年，中国首条自行设计和运营的铁路——京张铁路（北京至张家口）开通运营。2010年，中国铁路里程数超过俄罗斯，成为世界第二，高铁里程数世界第一。2012年，中国京广高铁全线开通，全长2　298公里，设计速度350公里/小时，现运行速度降为310公里/小时，成为世界上最长的高铁，从北京坐高铁到广州的旅行时间缩短至8小时，如图2．2．5所示。

图2．2．5　中国京广高速铁路及高铁列车

智能工具的主要作用是扩展人的智力能力。于是，如果把智力工具与人的智力能力结合在一起，就可以使人类的智力能力得到有效的扩展:具有更敏锐的观察能力、更广阔的感知能力、更精细的分辨能力、更高效和更可靠的信息共享能力、更强大的记忆能力、更快捷的计算能力、更好的学习与认知能力、更明智的决策能力、更强大的控制能力等。

智能工具的制造一方面需要利用信息资源；另一方面需要应用信息加工与转换（把信息转换成为知识并进一步转换成为智能）的科学理论。同样需要注意的是，信息是物质运动状态及其变化方式的呈现，因此，信息离不开物质，也离不开能量。于是，制造智能工具的关键就在于:利用信息科学技术的理论与方法把信息资源提炼成为知识，并进一步把知识激活成为智能，并根据信息科学技术、能量科学技术、材料科学技术的原理和方法把它们转变成为具有相应智力功能的人造系统——智能工具。

可见，与制造质料工具和动力工具的情形都不同，智能工具的制造需要信息、能量和物质三类资源，需要信息科学技术、能量科学技术、材料科学技术三个方面的综合知识和综合技能。

电报和电话是人类智力能力扩展的典型范例。火车和铁路缩短了人与人之间的物理距离，而电报和电话缩短了人们之间的通信距离。

人类早先使用烽火台、快马、信鸽等作为信息传递的方式。这些方式传输信息简单、传输时间很长。19世纪中叶，摩尔斯编码的发明彻底改变了这个问题。塞缪尔·莫尔斯（Samuel Finley Breese Morse，1791—1872年）是一名享有盛誉的美国画家、电报之父。最初的职业是油漆工。他在认识一位电磁学学者查尔斯·杰克逊后，决定研制一种用电传输信息的装置。经过3年多的钻研，他决定用点、横线和空白共同承担起发报机的信息传递任务。他为每一个英文字母和阿拉伯数字设计出代表符号，这些代表符号由不同的点、横线和空白组成。这是电信史上最早的编码，后人称它为“莫尔斯电码”，如图2．2．6所示。

图2．2．6　国际莫尔斯码

有了电码，莫尔斯马上着手研制电报机。他在极度贫困的状态下，进行研制工作。终于在1837年9月4日，莫尔斯制造出了一台电报机。它的发报装置很简单，是由电键和一组电池组成。按下电键，便有电流通过。按的时间短促表示点信号，按的时间长些表示横线信号。它的收报机装置较复杂，是由一只电磁铁及有关附件组成的。当有电流通过时，电磁铁便产生磁性，这样由电磁铁控制的笔也就在纸上记录下点或横线。这台发报机的有效工作距离为500米。之后，莫尔斯又对这台发报机进行了改进。为了在实践中检验发报机的性能，莫尔斯计划在华盛顿与巴尔的摩两个城市之间，架设一条电报线路。为此，他请求美国国会资助3万美元，作为实验经费。国会经过长时间的激烈辩论，终于在1843年3月，通过了资助莫尔斯实验的议案。1844年3月，国会通过了拨款，电报线路终于建成了。

1844年5月24日，莫尔斯坐在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅中，用激动得发抖的手，用他倾注十余年心血研制成功的电报机，向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份电报:“上帝创造了何等奇迹！”

电报的发明，使人类第一次能够及时获得千里之外的信息，但是，人类还需要一种工具，实现人们之间的即时信息传递，电话便实现了这个功能。

亚历山大·贝尔拥有电话的发明专利，1847年他出生于苏格兰的爱丁堡，并在那里接受初等教育。1870年贝尔移民到加拿大，一年后到美国。1882年他加入美国国籍。贝尔本人是一个声学生理学家和聋哑人语的教师。在他之前，意大利人安东尼奥·梅乌奇和德国人菲利普·雷斯都曾发明过电话机，尽管美国国会2002年6月15日269号决议确认安东尼奥·梅乌奇为电话的发明人，但传声效果极坏，实际上无法使用。1876年贝尔与他的助手沃特森试验了世界上第一台可用的电话机，如图2．2．7所示。

图2．2．7　亚历山大·贝尔及其发明的电话

1877年，由贝尔、华生、桑德士、哈勃特四人组成的贝尔电话公司，以出租电话机和电话线，收取使用费的方式，开始为一些最早接受电话的家庭装设电话。慢慢地，大家逐渐认识了电话的价值，装设的家庭也越来越多，而它的功能也越能显现出来。因此，电话机就有如雨后春笋一般，一支接一支的装设，最后，终于设立了总机。贝尔电话公司的业务日趋发达，最后改名为美国电话电讯公司，成为独占全美国百分之九十以上的庞大组织。

1878年，美国人乔治·科伊发明了电话交换机，1879年，帕克医生发明了电话号码。1885年，贝尔电话公司成立了美国电话和电报公司（即后来著名的AT＆T公司）。在20世纪初，除南极之外，世界各地都有了四通八达的电话网络。电信行业从此成为世界上发展最快的工业。电话已经成为人类文明生活中的不可或缺的物品。

把以上所讨论的内容结合起来，我们可以引出人类能力进化和科学技术发展的极为重要的规律:正如人类能力的发展呈现出“体质能力的发展最先起步，接着是体力能力的成长，然后是智力能力的发展”，科学技术的发展也是“材料科学技术最先出现，接着是能量科学技术的进步，然后是信息科学技术的发展”。当然，这种阶段性的划分是相对而言的，而不是绝对截然划分的。

人类能力发展和科学技术发展的这种先后顺序，不是偶然的，而是有着深刻的进化论根源和认识论根源。

一方面，在人类的体质能力、体力能力和智力能力这三者之间，作为“万物之灵”的灵性体现，智力能力相对而言最为复杂，体质能力相对而言较为简单，体力能力则介于前二者之间；而人类的进化过程必然从简单走向复杂，因而必然会有体质能力的进化在前，体力能力的进化随后，智力能力进化更后的能力进化之序。

另一方面，从利用资源制造工具（即科学技术）的发展过程来说，在物质资源、能量资源、信息资源三者之间，物质资源相对而言比较直观，信息资源相对而言比较抽象，能量资源则介于前两者之间；而人的认识过程总是要从直观逐渐走向抽象，因而也必然会有材料科学技术的发展在前，能量科学技术的发展随后，信息科学技术的发展更后的科学技术发展进步之序。

因此，我们可以说，推动人类能力进化和人类文明进程的主要原因，不是政治的更替和战争的胜利，而是科学技术的发展进步。