由于没有发展出这项关键技术，导致中国古代科技被西方赶超

作者|吴昊阳  来源|工业精神(ID：IndustrieGeist)

文章观点：

工业革命之前人类悄然经历了一次信息革命：产生了3D制图法的雏形和实物仿真模型(仪器仪表);

中国古代美术发展跳过了写实而直接进入写意阶段，因此完美错过了这次工业0.0的信息革命，因此机械结构的复杂性受到制约;

从0.0到4.0，信息革命贯彻始终，其中最重要的主线是图形的表达以及建模方法：透视法，标准制图，计算机3D制图，数字孪生，虚拟现实... ...

以下为正文

最近对欧洲中世纪和近代(即工业0.0时代)的制造技术做了一些研究，发现当时欧洲的机械设计水平已经相当之高，初具现代机械工程的雏形。例如欧洲工业0.0时期由水力驱动的生产系统已经发展得十分了得，蒸汽革命就是水到渠成的事。而欧洲使用水力动力在工业革命之前就存在大量的实物和图片记载，现存最早的遗迹可追溯到古罗马时期，令人叹为观止。

欧洲水力磨坊示意图

攀比是中国人的天性，小到孩子的考试成绩大到祖国母亲的GDP，凡事都要拿出来比一比。本人也不能免俗，于是我特意Google了一下：中国古代是否也像欧洲一样，大量使用了水流作为动力。

中国古代技术文献欠缺图形表达

在《中国科学技术史》中，李约瑟把中国古代描述成技术极度发达的时期，他写到“就技術的影響而言，在文藝復興之時和之前，中國佔據著一個強大的支配地位。……世界受中國古代和中世紀的頑強的手工業者之賜遠遠大於受亞歷山大時代的技工、能言善辯的神學家之賜。”

如果参考各种文献记载，有理由相信我国古代技术水平是领先的。但是我们留下的遗迹似乎不多，大多数描述见于文字，图片说明更少，所以很难判断当时的技术到底处在什么水准。《天工开物》的插图是这样婶的：

虽然可以说明中国人宋代之前就开发出了水车并使用了水力，但是看不出任何水力动力及传动系统的结构的细节设计。也许沈括只是个不懂绘画的文科生，于是我进一步Google，发现画得最好的图片也就是《农经》描述的一种水轮机的结构，用来驱动磨坊。

应该说这种水轮机的结构要比水车先进，因为水流推动转盘时接触的面积更大，因此能量转换率更高。于是一些历史学家就借此图拔高，认为我国古代的科技工作者比欧洲早几百年就掌握了水轮机的设计原理。尽管我们老祖宗这个发明实在不错，但是记录这个发明的示意图仍然令人费解，最重要的涡轮的设计是看不到的;另外，图片上并没有一个画一个明确的变速机构：两个相互垂直的木制齿轮看似大小差不多， 只是把转动的方向变了一下;右边那个图是一个水车汲水装置，借助下游水车的转动把水运到高处。

这两幅插图虽然比沈括的天工开物好了很多，但还只是个初级的示意图，没法给其他工匠具体的设计借鉴。相比之下，美术大师的设计草稿简直就是惊艳了。

达芬奇画的水车的机械结构就非常清楚，而且能看到减速机构的设计；图片中那个螺纹杆机构是欧洲古人设计出来的汲水机构---阿基米德管，演变成后来的抽水机，而没有抽水机就没有办法大规模开采煤矿。。。。。。

大师的手稿即是设计草图，又是对当时出现过的机械机构的忠实记录。

文人统治画坛让中国完美错过第一次信息革命

欧洲搞美术的是工匠，很多美术家同时具备建筑师，石匠，雕塑家等资格认证。所以造型对他们的作品来说是极其重要的，因此就会自发地借鉴到工程和数学的思维。例如中世纪欧洲的建筑师就非常热衷用由尺规作图的方法构建复杂的纹饰图样，在这个过程中欧洲人发现了“黄金分割”和斐波那契数列。再比如透视，达芬奇的设计之所以厉害，是因为他率先熟练掌握了在2D平面上3D视图的表达方法。要知道，在古代把立体的东西画得很像并非易事。

尽管中国画也有透视的观念，但非常懵懂，只提出了“近大远小近实远虚”的原则，古代的“戒画”也就是用戒尺画的以建筑为主的工笔山水画，都是45°平行透视，没有地平线的概念，国学拥趸专家称之为多焦点透视，但我觉得就是当时古人压根儿就没发现视觉焦点的作用。

中国古代书画界的文人雅士更多追求的意境，构图，线条，色彩这些高概念的审美。可以说，中国此时搞美术的这帮文人，其审美水准确实是超前的。陈丹青认为，中国早就诞生了毕加索，看看敦煌壁画就知道了。

中国古代文化名人占据画坛，让中国美术鉴赏过度早熟，不再追求写实。由于艺术市场没有写实的需求，画匠们也就不必钻研如何才能把一件事物描绘得很像，也就不会产生透视法，中国的匠人也就没有办法在纸面上描绘一个复杂的机械结构。

下图这幅插画是农书中解释如何用牛来播种的，如果不说该画作的出处，绝大多数人能得出的结论恐怕都是：牛画得不错。但是对于播种器械的描画却非常粗略，至于种子如何从料斗进入到铁尖，铁尖是不是复合了犁头的功能，种子如何被埋入土里，料斗如何保持平衡，人如何控制牛的方向。。。所有这些技术细节都看不到。尽管聊聊数笔就把播种器械的粗略样式表达出来了，农民的操作方式也跃然纸上：操作人员神情专注，下盘扎实且姿态飘逸，颇具神韵。在旁边留白处配上“锄禾日当午，汗滴禾下土”之类的题诗倒是毫无违和感。但所有这些表现形式都是文人画的特色，至于这个器械到底是什么样子的还是得靠想象。

可见，中国古代工程绘图是非常欠缺表达技巧的，也就是《营造法式》里面的建筑图还可以。但是几乎没有图纸或美术作品对诸如水车，磨盘之类的复杂机械结构进行细致描绘的。也许正是因为这个原因，我国古代的工程技术止步于榫卯结构和明清家具。就像没有CAD，PLM人类是无法设计出诸如航空发动机这样的复杂机械产品的，没有EDA人类也绝无可能设计大规模集成电路。所以古时候，面对诸如高端浑天仪，钟表这类精密仪器的开发，缺乏制图法，其设计难度可想而知。

于是我有一个猜想：绘图技巧的欠缺是中国古代技术无法进一步发展的重要原因。由于缺乏对“透视”的认知，中国的工匠也就无法在平面上准确表达一个立体的结构，特别是复杂的立体结构。如果工匠之间无法通过相对直观的图形表达来准确地传达信息，那么机械产品的复杂度就受到了限制。没有图纸，也不可能从其他工匠那里定制某个零件，也无法实现进一步的产业分工。

也就是在文艺复兴这个阶段，欧洲的科技开始全面赶超中国，原因当然是多方面的。如果我们从信息认知的角度去理解技术革命和工业革命，会发现：透视法是人类几何建模技术的基础，可以说是一次认知革命，其重要性也许并不亚于文字系统的创建。因为语言文字无论如何也没有办法描述一个复杂的结构和运动原理，只有用几何图形才有可能准确描述如此复杂的事物：只有当人类掌握了用透视法在二维平面做出准确的三维图形的表达技法，才有可能理解从不同视角投影，进而产生标准制图法；只有当工程师们采用制图法这个通用的工程语言，人类才有可能协作开发出越来越复杂的工业产品。

由于缺乏透视理论的支持，古代中国匠人无法在2D纸面上准确表达出3D的机械结构，也无法抽象并用简单的几何图形表达出机械运行的原理。即是技术的欠缺，也是认知的不足，最终导致思维无法进一步提升。

所以，我认为工业0.0时代也有一次信息革命，那就是透视理论和制图法，只是历史学家并没有将其从科学革命中单独抽离出来。如果独立地观察工业0.0的这次信息革命，可以发现历次工业革命中似乎存在一条技术发展的主线：图形化直观表达。

工业0.0时代的信息革命

文艺复兴和宗教改革后，欧洲迎来了科学大发展时代。在我看来这个时代也产生了一次信息革命，其理论基础是几何，实践基础是美术的透视法，它把数和形联系起来，让一个工匠可以用图形表达机械原理和自己的想法，最终产生了工程图纸，成为工程师共同的语言。在实物被制造出来之前，人们可以根据图纸的描绘，理解并想象出它的运行方式。要知道，在一个平面上表达复杂几何结构的三维视图并不容易，古埃及人表达一排士兵多是在一个士兵身上画很多只手脚，用的是正面的视角；中世纪欧洲壁画中则开始以鸟瞰的视角表达步兵方阵；中国唐宋时期的戒画也只知道45°平行透视和“近大远小，近实远虚”；应该说达芬奇是最早尝试在纸面上表达一个复杂的机械机构的艺术家；米开朗基罗和之后的建筑师画的建筑蓝图也越来越成熟。工业0.0时代的信息革命的标志就是透视法的产生。

如果没有清晰直观的图纸，一个设计就无法别其他人理解，一个民间发明家的点子也就只有他自己明白，完全没有办法与其他人合作。那么也就无法形成产业分工，也不便于知识的传播和继承。如果没有让人看得明白的图纸，那么机械设计也就只能口耳相传，没有办法在纸面上进行想象的“仿真”。

说到仿真模型，应该说古人很早就使用模型来辅助设计和观察。例如中军帐中的沙盘推演就是战场实物仿真；鲁班和墨子当年也是用各自攻城和守城模型玩了一把兵棋推演，也是战地仿真；浑天仪是一套星象实物仿真系统。。。

如果模型复杂度不高，那么一个工匠可以先制作出（仿真）模型，再根据模型组织多个匠人的劳动协作。但如果产品的结构过于复杂，那么制作模型本身也成了不可完成的工作，没有模型就更别提实物的制造了。

可以说，绘图就是在纸面上的建模，而透视等绘图技巧则相当于当时的“先进算法”。算法即认知，谁掌握了新的算法，谁对信息世界就有了新的认知，谁就能在此基础上发展出跨世代的技术。

绘图法的逐渐成熟让欧洲人得以设计制作出极端复杂的机械钟表和测量器械。相比之下，尽管东汉时期中国古人就发明了浑天仪，但是受设计能力的限制，技术迭代十分缓慢，也很难由此发展出机械计时机构。

如果我们从现代工业文明的视角去看当时的天文学理论和发明，上面那个结构让人眼花缭乱的浑天仪就是地球中心系统的“CPS”或“数字孪生”，只不过当时没有数字化模型，对信息的建模采用了实物模型，浑天仪与星象之间构成“MPS（Model-Physical System）”或“实物孪生”模型。人类追求图形化表达古已有之，从2D多视图表达，到CAD三维建模，再到虚拟现实建模，人类追求模型的真实表达的脚步就从来没有停下过。与3.0相比，0.0时期表达信息的媒介是机械模型，而不是数字模型。

能够改变人类认知的技术创新往往是工业革命的前奏

几何学和绘图法在工程领域的应用让人类能够清晰的描述和表达复杂的原理和概念，在工业（制造业）领域是一次认知创新，随即开始了机械工业革命；二进制也是一种全新的认知，以此为基础开启了比特时代。如此看来，当下可见的能够被视为认知创新的技术当属机器学习，而机器学习也正在以人类难以理解的方式改变着世界。

以此推论：第四次工业革命的关键基础性技术是AI算法，而不是互联网或任何基于信息网络的生产体系结构。

评价工业革命，也许可以从以下三个维度，将工业革命划分为三条主线，包括材料革命，动力革命和算力革命。三者分别从材料，能量和信息三方面改变着人类的工业产品，而这三个革命中的任何一个当真爆发，都足以说明新的一次工业革命的到来。反之，如果三者中没有任何一个实质性的突破，那么只能说明当前的技术仍然在“内卷化”。

工业0.0时期欧洲的工业设备和仪器设计已经比较成熟，很多机床机械结构与现代机床已经没有什么区别。当时最大的瓶颈就是动力和材料，蒸汽机的大规模应用让采矿业得到发展，煤和铁矿石产量的增加又让钢材的品质和产量大幅提升。可以说工业1.0是动力（蒸汽机，煤）革命和材料（大规模炼钢）革命的共同作用下产生的。在此之前已经发生了信息革命（透视法制图）。

1.0和2.0时代的机械计算机和信号分析器在当时也有很多非常出色的发明，下面两个视频可以充分显示出当时机械工程师的才华，可以说机械计算机是人类机械设计的巅峰之作。可以说在当时相当长的一段时间里，以计算机技术为基础的精密仪器仪表等行业一直受困于技术瓶颈，机械计算机可以看作是技术内卷化的设计产物。

如果没有信息革命，那么机械计算仍然会占统治地位。人类如果想建造一台像上面视频那样由电机马达驱动的高速机械计算机用于控制火箭发射，那么所需要消耗的钢材也许和一艘轮船差不多；而为了减小计算机的体积和消耗的材料，人类一定会对算法进行优化，开发出一些列更适合十进制机械运算的指令集；同时，人们也会针对特定的问题，设计建造各种特殊的专用机械计算机，这样也就不存在软件开发，所有的程序设计都将是机械设计。。。。。。

只有当图灵机的构想提出后，人类对计算科学的认知才发生根本性改变，于是大型商用机电计算机才开始爆发式增长，才慢慢出现了机电计算机和现在的电子计算机。可见认知革命带来的技术创新是颠覆性的。

工业3.0取代2.0，最核心的变革是运算工具由机械结构换成了电子芯片，是人类计算能力的提升，是一次算力革命，而这次算力革命的前提也是认知革命。

人类现在面临的算力的瓶颈与工业2.0时代极其相似：现有的二进制电子计算机的系统结构已经优化到区域完善，而量子计算技术似乎已经被三体人锁死，因此人类只能先从算法上做文章，于是AI算法将成为最近的一次算力革命，是第四次工业革命标志性技术之一。

因此，我认为人类目前仍然被困于工业3.0，因为动力革命（可控核聚变）和材料革命（石墨烯）看起来离我们还很远。近期唯一能掀起大浪头的应该说是以机器学习和量子计算机为代表的算力革命。例如在制造领域，机器学习已经在运动控制和模式识别方向有很大突破，而通过机器学习提升设备的工艺水平并优化设计（例如仿真阶段通过机器学习优化工艺模型）是非常值得进行战略投入的领域（并不是普通企业玩的），而这个方向的突破将有可能一举解决生产设备（硬件）卡脖子的问题。

总之，当我们遇到难以突破的技术障碍时，尝试从基础认知层面解决问题，也许会有豁然开朗的效果。

编者按：本文转载自微信公众号：工业精神(ID：IndustrieGeist)，作者：吴昊阳，德国莱兴巴赫-哈缪公司(Reichenbacher Hamuel GmbH)亚太区商务总监，技术咨询顾问