古代武器中的物理学(3)

图2 石斧
2 古代金属武器
随着人类对自然认识的深入，人们发现了铜矿、锡矿和煤矿，从而进入了青铜器时代。从石器时代到青铜器时代要经过陶器时代，考古学上似乎对陶器时代不是特别看重。笔者以为，从科学的角度看，陶器时代的重要性绝不逊于青铜器时代。陶器与人类用火有关，水加土得泥，泥加火方得陶。陶器时代带来了模范制作工艺、炉灶垒砌技术和高温技术，这些为青铜的冶炼奠定了技术基础。人类用陶罐打水，发现罐口垂直于水面朝下时无法把罐子装满，确立了空气是一种实在的存在，这在未来的化学和热力学发展史上是浓重的一笔。陶器至今依然在广泛使用中，却鲜有再制作青铜器的了。世界各地不同古文明进入青铜器时代的时间有所不同。我国的青铜器时代，按二里头文化推算，大约始于公元前两千年，目前没有定论。青铜器铸造技术在商朝就已经非常成熟，有大量出土的文物为证。
所谓青铜，就是铜与锡、铅、锌等元素的合金。铜矿和比较稀少的锡矿很少出现在一起。古人是如何将铜矿石和含锡、铅、锌元素的矿石(比如锡石，SnO；白铅矿，PbCO)同炭放到一起烧，从而发现了青铜并大体固定下来化学成分的，目前没有确切的、有说服力的证据。按照目前的说法，青铜是含约12%—12.5%的锡，少量的锌、铝、铅、锰等金属元素，以及砷、磷、硅等非金属的铜基合金。青铜具有熔点低(一般低于1000 ℃，可以低至800 ℃，比铜的熔点1083 ℃低得多。记住，在一个时代所具有的加热技术能达到的极限温度处，低1 ℃都是优点)、硬度大、耐腐蚀、适于铸造等特点，因而被用来制作各种器皿和武器。在青铜器时代，青铜是最硬的物质，故而会被用来制造戈、矛、剑、钺、戟、铍(即长矛)等用于劈刺的兵器，当然也会用于制造盔甲、面具等防御性装备。
由于青铜具有耐腐蚀的特点，这使得我们能够目睹三千多年前先辈们精湛的铸造技艺(图3)。《史记·黄帝本纪》云：“帝采首山之铜铸剑，以天文古字铭之。”从出土的一些青铜剑实物来看，这些记录不是虚言。