人类发明史上伟大的贡献：指南针和硫磺火药

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中国的四大发明

指南针

指南针

指南针是中国史上的伟大发明之一，也是中国对世界文明发展的一项重大贡献。指南针是利用磁铁在地球磁场中的南北指极性而制成的一种指向仪器。磁石的这种特性，被古人利用来制成指南工具。最早出现的指南工叫司南，战国时已普遍使用。它是利用天然磁石琢磨而成，样子像一只勺，重心位于底部正中，底盘光滑，四周刻二十四向，使用时把长勺放在底盘上，用手轻拨，使它转动，停下后长柄就指向南方。东汉王充《论衡》记载了它的形状和用法。《鬼谷子·谋篇》里还谈到郑国人到远处去采玉，就带了司南，以免迷失方向。另外，指南车的发明亦谁一步把这种仪器提升至更高的境界。

但是，用天然磁石琢磨而成的司南，成品较低，磁性较弱。到了宋代，人们发明了人工磁化方法，制造了指南鱼和指南针，而指南针更为简便，更具实用价值。它是以天然磁石摩擦钢针制成，在地磁作用下保持指南性能;以后把它装置在方位盘上，就称为罗盘。这是指南针发展史上的一大飞跃。

抌括对指南针放置方法也作过详细研究，总结出4种不同的方法，并作了比较:一、水浮法。把指南针浮在水面以指示方向，至于具体方法，沈括没有说明。到北宋晚期，药物学家寇宗奭的《本草衍义·磁石条》才有介绍，原来是在指南针上穿上灯心草，就可以把针浮起。水浮法的缺点是磁针会随水摇荡不定。二、指甲旋定法。把磁针放在指甲上，可以灵活运转，但缺点是容易滑落。三、碗唇旋定法。把磁针放在碗口边绿上，也可以旋转自如，但同样易掉落。四、悬丝法。取一根新棉丝，用一点蜡黏在磁针中央，悬挂在没有风的地方磁针即可指示方向。比较之下，沈括认为这个方法最为理想。

指南针在公元11世纪时已是常用的定向仪器。指南针的最大贡献，是大大地促进了航海事业的发展。据考证，公元11世纪末，指南针就开始用于航海了。大约在12世纪末到13世纪初，指南针由海路传入阿拉伯，然后由阿拉伯传入欧洲。

造　纸

造纸术的发明，是我们中华民族对人类的一个重大贡献。公元89年，汉和帝即位，他提升一个小宦官蔡伦担任中常侍，让他参与国家大事。后来，蔡伦兼任尚方令，监督工匠为皇宫制造宝剑和其他用品。

蔡伦忠于职守，一上任就到各个作坊去视察。这一天，蔡伦来到制造麻纸的作坊里，看到许多大缸里泡着青麻的茎皮。蔡伦很是好奇，就问这些是干什么用的，一个工匠告诉他，“青麻加上石灰，在水缸里泡上十天半个月就泡烂了，然后捶打成浆，就可以造麻纸了”。蔡伦觉得这太神奇了，连忙惊叹说:“好，好啊!”可是工匠接着说:“用这种方法造出的麻纸虽然比丝棉纸或绸缎花费的成本低，但麻纸太粗糙，吸墨性不强，写起字也很不方便。”

蔡伦听了这一番话，心中若有所思。青麻纸现在还不尽如人意，但比从前用竹简写字方便得多，也比在绢帛上写字便宜得多。如果能把青麻纸改进一下，让它变得平滑光洁，又能吸墨，那就可以广泛使用了。

蔡　伦

此后半个月，蔡伦天天到造纸作坊去，观察工匠们的造纸过程，有时还帮忙挑水或者用榔头捶打青麻，很受工匠们的欢迎和尊重。

蔡伦时刻都在思考改进造纸的方法，但苦于无从人手。为此他饭也吃不香、觉也睡不安。一天中午，他趴在桌上小憩，恍惚之中，他来到作坊旁的晒纸场。明亮的阳光下，灰蒙蒙的青麻纸一会儿变成黄色，一会儿又变成白色了。他伸手去抚摸纸面，感到十分平滑。忽然，天空中传来一阵雷声，紧接着哗哗地下起大雨来。“快收纸!”他大声喊着，随后就一下子惊醒了，原来是一场梦!他再也睡不着了，心想:能否改变造纸原料的配方呢?

他从家里找出一小捆破布头，立即赶到作坊。他找来最有经验的工匠王腊，叫他把破布头洗净，加入泡料的缸里。七八天以后，纸晒出来了。这一次造出的纸平滑得多，和梦里见到的那种灰白的纸差不多。蔡伦的心中充满了无限的喜悦和希望。

随后，他和工匠王腊又经过多次试验，分别用柯皮、麻头、破布、旧渔网等做原料，再加入不同的填料和染料，制成了不同规格、不同质量、不同用途的纸。他造出的纸价廉物美，适合书写，很快得到了推广，并进入了寻常百姓家庭。

蔡伦的造纸术，后来被传到世界各地，经过各地技术人员和工匠2000年的不断改进，造出了各种各样的书写纸、包装纸、建筑板纸等，为人类文明的传播做出了不可磨灭的贡献。

火　药

火药的发明应归功于炼丹家，它的问世经历了一个较长时间的孕育过程。在古代炼丹家的炼丹活动中，硫磺和硝是常用的药品。硫磺被视为“能化金银铜铁奇物”，硝石被认为可“久服轻身”，它们的易燃性亦在炼制活动中被炼丹家所认识。到了9世纪的唐代中叶时，炼丹家更发现了把硫磺、硝和炭混合在一起加热，会发生爆燃，引起火灾，烧伤人的手面，烧毁房屋。由此，人们便把以硫磺、硝和炭为主要成分配制而成的药物称为火药。在经过一段探索后，火药开始被实际应用。火药被引入医学，成为药物，用于治疗疮癣，以及杀虫、辟湿气瘟疫。

硫　磺

火药被引入军事，成为具有巨大威力的新型武器，并引起了战略、战术、军事科技的重大变革。大约在10世纪初的唐代末年，火药开始在战争中使用。初期的火药武器，爆炸性能不佳，主要是用来纵火。随着工艺的改进，火药的爆炸性能加强，新型的火器亦不断出现。《武经总要》中，记载有个火药配方，其中硝、硫、碳3者的比例分别为6030%:10%; 61.54%:30.77%:7.69%;74%:26%(硝:硫)，已接近于现代黑色标准火药的配比。该书中还记载了一种叫做“霹雷火球”的火器，点燃后声如霹雳，为爆炸性火器之肇始。13世纪上半叶，制造出具有巨大爆炸力的火器。1232年，元兵攻打金人的南京(今河南开封)时，金兵曾使用一种叫“震天雷”的器，“火药发作，声如雷震，热力达半亩之上，人与牛皮皆碎迸无迹，甲铁皆透”，可见爆炸威力之强。

新式的管形火器也在13世纪的南宋时期出现。管形火器的出现，表明人类已在更高的层次了解火药的性能，能够更加有效地控制和操纵烈性火药。最先出现的管形火器是火枪，发明于1233年。它用巨竹制成，用以喷射火焰。1259年又发明了突火枪，也是用巨竹制成，内安子窠，点燃后“子窠发出，如炮声，远闻百五十余步”。宋时一步为5尺，约相当于1.58米。到了宋末或元初，管形火器已先后用铜或铁铸制，大型的叫火铳，小型的叫手铳，已经具备了近现代枪炮的雏形。

火药在古代还用来制作娱乐用的焰火。逢年过节时，不管达富贵人还是平民百姓，都喜欢放爆竹、燃焰火，增添节日的喜庆。此外，火药被利用于开山、破土、采矿等。

火药的发明是我国人民对世界科学所做的巨大贡献之一，为人类的文明史写下了不朽的篇章。12世纪时，火药还未传入欧洲，士兵们只得像唐·吉诃德那样，骑在马上用盾牌、长矛、刀剑进行冲杀。人民根本无法用这些原始的武器，冲开贵族领主们所盘踞的坚固城堡。一直到元代初期，蒙古人西征中亚、波斯等地时，阿拉伯人才通过交战知悉了包括火箭、毒火球、火炮、震天雷在内的火药武器，进而掌握了火药的制造和使用。欧洲人又是在和阿拉伯的战争中，接触和学会了制造火药和火药武器的。火药、火器传到欧洲，不仅对作战方法本身，而且对资产阶级战胜封建贵族起了一定作用。恩格斯曾这样评价过:“火药和火器的采用绝不是一种暴力行为，而是一种工业的，也就是经济的进步。”

活字印刷术

公元1041～1048年，平民出身的毕昇用胶泥制字，把胶泥做成四方长柱体，一面刻上单字，再用火烧硬，使之成为陶质，一个字为一个印。排版时先预备一块铁板，铁板上放松香、蜡、纸灰等的混合物，铁板四周围着一个铁框，在铁框内摆满要印的字印，摆满就是一版。然后用火烘烤，将混合物熔化，与活字块结为一体，趁热用平板在活字上压一下，使字面平整。便可进行印刷。用这种方法，印二三本谈不上什么效率，如果印数多了，几十本以至上千本，效率就很高了。为了提高效率常用两块铁板，一块印刷，一块排字。印完一块，另一块又排好了，这样交替使用，效率很高。常用的字如“之”、“也”等字，每字制成20多个印，以备一版内有重复时使用。没有准备的生僻字，则临时刻出，用草木火马上烧成。从印板上拆下来的字，都放入同一字的小木格内，外面贴上按韵分类的标签，以备检索。毕昇起初用木料作活字，实验发现木纹疏密不一，遇水后易膨胀变形，与粘药固结后不易去下，才改用胶泥。

毕　昇

这就是最早发明的活字印刷术。这种胶泥活字，称为泥活字，毕昇发明的印书方法和今天的比起来，虽然很原始，但是活字印刷术的三个主要步骤——制造活字、排版和印刷，都已经具备。北宋时期的著名科学家沈括在他所著的《梦溪笔谈》里，专门记载了毕昇发明的活字印刷术。

毕昇发明活字印刷，提高了印刷的效率。但是，他的发明并未受到当时统治者和社会的重视，他死后，活字印刷术仍然没有得到推广。他创造的胶泥活字也没有保留下来，但是他发明的活字印刷技术，却流传下去了。

1965年在浙江温州白象塔内发现的刊本《佛说观无量寿佛经》经鉴定为北宋元符至崇宁(1100～1103)年活字本。这是毕昇活字印刷技术的最早历史见证。

张衡与地动仪

候风地动仪是汉代科学家张衡的又一传世杰作。在张衡所处的东汉时代，地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载，自和帝永元四年(92)到安帝延光四年(125)的30年间，共发生了26次大的地震。地震区有时大到几十个郡，引起地裂山崩、江河泛滥、房屋倒塌，造成了巨大的损失。张衡对地震有不少亲身体验。为了掌握全国地震动态，他经过长年研究，终于在阳嘉元年(132)发明了候风地动仪──世界上第一架地震仪。

张　衡

据《后汉书·张衡传》记载，候风地动仪“以精铜铸成，圆径八尺”，“形似酒樽”，上有隆起的圆盖，仪器的外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形。仪器的内部中央有一根铜质“都柱”，柱旁有八条通道，称为“八道，还有巧妙的机、关。樽体外部周围有八个龙头，按东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方向布列。龙头和内部通道中的发动机关相连，每个龙头嘴里都衔有一个铜球。对着龙头，八个蟾蜍蹲在地上，个个昂头张嘴，准备承接铜球。当某个地方发生地震时，樽体随之运动，触动机关，使发生地震方向的龙头张开嘴，吐出铜球，落到铜蟾蜍的嘴里，发生很大的声响。于是人们就可以知道地震发生的方向。

汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅(公元134年12月13日)，地动仪的一个龙机突然发动，吐出了铜球，掉进了那个蟾蜍的嘴里。当时在京城(洛阳)的人们却丝毫没有感觉到地震的迹象，于是有人开始议论纷纷，责怪地动仪不灵验。没过几天，陇西(今甘肃省天水地区)有人飞马来报，证实那里前几天确实发生了地震，于是人们开始对张衡的高超技术极为信服。陇西距洛阳有1000多里，地动仪标示无误，说明它的测震灵敏度是比较高的。

据学者们考证，张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理，“都柱”实际上起到的正是惯性摆的作用。同时张衡对地震波的传播和方向性也一定有所了解，这些成就在当时来说是十分了不起的，而欧洲直到1880年，才制成与此类似的仪器，比起张衡的发明足足晚了1700多年。

地动仪

关于地动仪的结构，目前流行的有两个版本:王振铎模型(1951)，即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体，控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型最近已被基本否定。另一种模型由地震局冯锐(2005年)提出，即“都柱”是悬垂摆，摆下方有一个小球，球位于“米”字形滑道交汇处(即《后汉书·张衡传》中所说的“关”)，地震时，“都柱”拨动小球，小球击发控制龙口的机关，使龙口张开。另外，冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。

那么，地动仪的内部结构究竟什么样子呢?有不少学者对此作过探讨。早在南北朝时，北齐信都芳撰《器准》，隋初临孝恭作《地动铜仪经》，都对之有所记述，并传有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后，二书均失传。今人的研究则以王振铎之说影响最大。王振铎根据前人的猜测，讨论了地动仪内部可能有的各种结构，最后推断都柱的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿。具体说来，都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱，八道围绕都柱架设。都柱竖直站立，重心高，一有地动，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中装有杠杆，叫做牙机。杠杆穿过仪体，连接龙头上颌。都柱倾入道中以后，推动杠杆，使龙头上颌抬起，将铜丸吐出，起到报警作用。

文字的发明

文字的发明并不能归功于某一个人，它是先民们集体智慧的体现。

根据对文字的研究，人们发现在生产力极其低下的情况下，出于生存的需要，人们不得不联合起来，采用原始、简陋的生产工具，同大自然作斗争。在斗争中，为了交流思想，传递信息，语言诞生了。但语言一瞬即逝，它即不能保存，也无法传到较远一点的地方去，而某些需要保留和传播到较远地方去的信息，单靠人的大脑的记忆是不行的。于是，原始的记事方法——“结绳记事”和“契刻记事”应运而生了。

中国最早的文字甲骨文

在文字产生之前，人们为了帮助记忆，采用过各式各样的记事方法，其中使用较多的是结绳和契刻。中国古籍文献中，关于结绳记事的记载较多。公元前战国时期的著作《周易·系辞下传》中说:“上古结绳而治，后世圣人易之以书契。”汉朝人郑玄，在其《周易注》中也说:“古者无文字，结绳为约，事大，大结其绳;事小，小结其绳。”李鼎祚《周易集解》引《九家易》中也说:“古者无文字，其有约誓之事，事大，大其绳，事小，小其绳，结之多少，随物众寡，各执以相考，亦足以相治也。”这是讲结绳为约，说得已相当明白、具体了。

契刻的目的主要是用来记录数目。汉朝刘熙在《释名·释书契》中说:“契，刻也，刻识其数也。”清楚的说明契就是刻，契刻的目的是帮助记忆数目。因为人们订立契约关系时，数目是最重要的，也是最容易引起争端的因素。于是，人们就用契刻的方法，将数目用一定的线条作符号，刻在竹片或木片上，作为双方的“契约”。这就是古时的“契”。后来人们把契从中间分开，分作两半，双方各执一半，以二者吻合为凭。古代的契上刻得是数目，主要用来作债务的凭证。

结绳记事，契刻记事，以及其它类似的记事方法，世界各地的不同民族皆有之。中国一直到宋朝以后，南方仍有用结绳记事的。南美洲的秘鲁，尤其著名。有的民族，利用绳子的颜色和结法，还可以精确地记下一些事情来。

作为原始的记事方法的结绳记事，不论它用一根绳子打结，还是用多根绳子横竖交叉，归根结底，它只是一种表示和记录数字或方位的一些简单的概念，是一种表意形式，可以把它看成是文字产生前的一个孕育阶段，但它不能演变成文字，更不是文字的产生。因为它只能帮助人们记忆某些事情，而不能进行思想交流，不具备语言交流和记录的属性。因此，结绳记事不可能发展为文字。

由于结绳记事和契刻记事的不足，人们不得不采用一些其它的、譬如图画的方法来帮助记忆、表达思想，绘画导致了文字的产生。唐兰先生在《中国文字学》中说:“文字的产生，本是很自然的，几万年前旧石器时代的人类，已经有很好的绘画，这些画大抵是动物和人像，这是文字的前驱。”然而图画发挥文字的作用，转变成文字，只有在“有了较普通、较广泛的语言”之后才有可能。譬如，有人画了一只虎，大家见了才会叫它为“虎”;画了一头象，大家见了才会叫它为“象”。久而久之，大家约定俗成，类似于上面说的“虎”和“象”这样的图画，就介于图画和文字之间，久而用之了。仓颉发明的字也就是这种图画文字。

甲骨文

随着时间的推移，这样的图画越来越多，画得也就不那么逼真了。这样的图画逐渐向文字方向偏移，最终导致文字从图画中分离出来。这样，图画就分了家，分成原有的逼真的图画和变成为文字符号的图画文字。图画文字进一步发展为象形文字。正如《中国文字学》所说:“文字本于图画，最初的文字是可以读出来的图画，但图画却不一定都能读。后来，文字跟图画渐渐分歧，差别逐渐显著，文字不再是图画的，而是书写的。而书写的技术不需要逼真的描绘，只要把特点写出来，大致不错，使人能认识就够了。”这就是原始的文字。

发电机的问世

1820年7月21日，天气酷热，丹麦首都哥本哈根一所学院里，物理教授奥斯特大汗淋漓地在讲课，快要下课时，教授灵机一动，做了一个电学的实验;偶然发现一条导线通电时，导线附近平行放置的指南针会摆起来，好像是有个看不见的手指在拨动它一样。这个举世闻名的电磁感应实验，揭示了电流可以产生磁的秘密;这个发现立刻引起了整个物理界的轰动，许多科学家纷纷转向电磁关系的研究，其中一位青年也因为写下要“将磁转化为电”的誓言。这就是设计并制造出世界第一台发电机的法拉第。

热爱科学

法拉第出生在伦敦市郊一个贫寒的铁匠家庭。他父亲打铁累坏了身体，很难维持一家人的生活，所以法拉第小时候连饭都吃不饱，更谈不上去上学了。

法拉第

13岁那年，法拉第到一家“乔治·里波书店及装订工场”作童工。开始是作报童，后来才作订书学徒。他情性活泼，虚心好学，常常在送报和装订的余暇拼命读书自学。得到了店里老板的允许和鼓励。老板说:“你尽管看吧!你不会因为晓得了书的内容便成为一个差一些的订书匠!”

有一次，法拉第装订新出版的《大英百科全书》时，看到了一篇关于电学的文章。特别是富兰克林、吉尔伯特这些电学先驱者的故事，点燃了他对科学热爱之火。“电，这里面包含着许许多多的奥妙，如能够掌握它，为人类造福该多好啊!”这种想法一直萦绕在法拉第的脑际。

后来，他还参加了一个青年组织“城市哲学学会”学习。每逢星期三晚上，他在那里学到了电学、力学、光学、化学、天文等多方面的知识，每次听课都作了详细的笔记。

引人入胜

送书，装订书使法拉第读到了不少科技图书，也接触到许多科学界的人士。1812年夏天英国皇家学会有位叫丹斯的先生，常来里波书店装订图书，偶然看到了法拉第的读书笔记，很欣赏他的学风和对科学的理解能力，便送给法拉第四张皇家学会的听课券。作报告的人正是当时赫赫有名的戴维。这是他朝思暮想的事情。每次他都作了详细的记录，回家后，他把听讲笔记整理成册、作为自学用的《化学课本》。

科学就像摆在他面前的一座迷人的宫殿。当他结束学徒生涯的时候，他多么想去从事他喜爱的科学工作。他终于鼓足了勇气，给戴维写了一封信，还附上自己精心装订的《化学课本》，送给戴维审查，并表示“我的理想就是献身科学”，“极愿逃出商界而入于科学界”，“哪怕当个实验室的勤杂工也行。”

戴维收到信后，非常感动，很快写了回信，约他见面。一交谈，戴维非常欣赏法拉第的才干，便在第二年的2月，录用法拉第作他的助手。法拉第非常勤勉，他还在书店当学徒时，就曾用节省下来的钱买一些实验用品，自己摸索着做过不少实验;现在除观察实验过程，做好记录外，他还把戴维做过的实验，常常重做一遍，以求彻底理解，然后洗刷器皿、打扫房间，搬运化学药品，样样都干。他认为，这样做才能使自己学到很多东西。

电变磁吸引了他

1820年，丹麦科学家奥斯特发现“电生磁”的消息传到了英国，法拉第的朋友菲力普斯准备写文章介绍这一发现，作为科学杂志的他怕这种报道缺乏理论依据，就来找法拉第核实。当时法拉第正集中精力研究化学问题，看过稿件后，并没有热衷于去研究这一物理课题。

但是，这一电与磁的奇怪现象，却引起了英国著名化学家武拉斯的注意。他重复了奥斯特的实验后，产生了一个新的念头:通电的金属导线能使磁针转动，那么，如果磁铁一端放一根通电电线时，电线会运动吗?于是，他便在戴维的实验室里做起试验来。当时法拉第正站在旁边仔细地观察了这个实验，他心里琢磨:虽然武拉斯的实验失败了，难道能说明实验没有成功的希望吗?他不相信，一次又一次地做起实验来。

1821年9月3日，他将金属线改放在磁铁中间，并用伏打电池接在金属线两端，通电后，金属线终于向着一个方向移动起来了。

“移动了!移动了!”法拉第高兴地围着实验桌跳了起来。后来，他又多次重复了这个实验，都得到了同样的结果。于是，他将自己的试验写成论文，在当年10月号《科学季刊》上发表了。从此，他将全部兴趣和热情转到电磁学研究上来了。

磁能转化为电

进入电磁世界的法拉第，发现电与磁之间有着密切的关系。当时已有科学界证明:凡是铁或钢外面绕一根通电导线时，这块铁或钢就会被磁化。法拉第从大量的实验中想到:既然电可以转变为磁，那么反过来，磁是不是也可以转变为电呢?1822年法拉第在他的日记本上写下了这样的誓言:

“转磁为电!”

于是，他开始了艰苦扎实的实验工作。他把一根铜线绕在磁铁上，铜线的两端接上电流计，观察电流计，指针一动也不动;他换了一个更大的磁铁，电流还是不动;他再换上一个更灵敏的电流计，指针仍旧纹丝不动。他又把铜线做成空心的线圈，线圈的两端接上电流计，线圈中放一条铁棒，指针仍然不动，说明没有产生电的现象。一次次的失败，并没有使他气馁，他仍信心百倍地把实验做下去。

这次，他把一根长铜线外面用布缠好，起绝缘作用，然后在铁环上绕了两个互不接触的线圈，一个线圈的两端接到开关电池上，另一个线圈的两端接到电流计上。准备好了后，法拉第又怀着激动的心情开始实验。他希望第一个线圈接通电流后，第二个线圈能感应出电流，因此，他一合上开关，使线圈通上电流，就去观察电流计，但指针却毫无动静。他分析可能是线圈的电流太小，于是他一次又一次增加电池的数量，但结果电流计的指针还是一动不动。就这样，10年过去了，法拉第制造了许多线圈和仪器力图把磁变成电，都一一失败了。

法拉第在失败中坚信:磁对于电的关系虽然还是没有显露出来，然而这种关系一定存在。

用磁铁取出电流来

1831年夏天，法拉第反复检查自己的实验记录，对多年来实验的思想和方法作了反思，并且逐件地检查实验器具，连一根导线都不放过。在检查电流计时，法拉第猛然发现他每次实验都是先接通电源，然而转过头来看电流计的。会不会问题就出在这里呢?

他马上又重新布置了实验装置。这次法拉第特地把电流计摆在电源开关旁边，他开始目不转睛地盯着电流计，然后倏地用手合上电源开关，就在这一刹那，电流计的指针跳动了一下;断开电流的一刹那，电流计的指针又摆动了。摆动的方向与通电时相反。这是千真万确的“一刹那”。法拉第欣喜若狂，不禁连声叫喊:“电流!电流!”这是法拉第10年心血的结晶。原来，只有线圈在磁场上运动的一刹那才有电流。

世界上第一台发电机

接着，法拉第又做了几10个类似的实验，每次都得到相同的结果。他想，第一个线圈刚通电时，铁环有一个变成磁铁的过程，相当于向第二个线圈中插进一块磁铁;断开电流时，铁环的磁性消失，相当于从第二个线圈中抽出一块磁铁，也就是说，磁铁在线圈中进进出出的运动，会使线圈中产生电流。为了证明这个设想，他又用一根26厘米长的永久磁铁，在一个空心线圈中一进一出地运动，线圈中果然产生了电流。运动的磁能产生电流!法拉第终于找到了电磁之谜的这个谜底。但他没有停止实验;他要利用这个发现，制造出一个应用磁铁产生电流的装置。

他找来了一个马蹄型的大磁铁，在磁铁的两极之间，插入一块能旋转的铜板圆盘，铜盘的中心轴连接一根导线，铜盘的边缘与另一根导线保持接触，两根导线再连接到电流计上。待一切准备好后，他用手转动铜盘中心轴的摇柄，使铜盘在两个磁极之间飞快地旋转起来，而电流计的指针也开始摆动。他将铜盘转得越快指针偏转得越厉害;铜盘不停转，指指就继续保持在一定位置。这就是法拉第利用磁感应生电的原理创造出的世界上第一台发电机。

正当大家为此赞不绝口时，一位贵妇人在旁以取笑的口吻问:“先生，你发明的这玩艺儿有什么用?”

法拉第沉思片刻，微微一笑:“夫人，请问新生的婴儿又有什么用呢?”随之，人群中爆发出一阵欢笑——电气化时代的“宝宝”在法拉第手中诞生了。

蒸汽机的发明(www.xing528.com)

詹姆斯·瓦特，1736年1月19日生于苏格兰林诺克市的一个木匠家里。在教会学校读书时，瓦特最喜欢物理和数学，他的物理和数学成绩之佳和其他科目成绩之差的巨大反差，使好多老师和同学们感到吃惊。瓦特的父亲十分崇拜牛顿，在家里挂着牛顿的画像，这使瓦特从小就萌生找机会接受高等教育，做个牛顿那样的人的愿望。

詹姆斯·瓦特

1763年，这已经是瓦特到格拉斯哥大学担任大学机械技师的第6个年头了。这次，格拉斯哥大学从伦敦买回一台纽康门蒸汽机模型供演示实验用，但经常运转不灵。瓦特受安塔逊教授的委托，修理这台纽康门气压蒸汽机模型。

安塔逊教授之所以心急火燎地从伦敦赶回来，就是因为他忘记告诉瓦特使用模型的准确时间了。在格拉斯哥大学，耽误了上课可不是闹着玩儿的。

在接触纽康门蒸汽机模型之前，瓦特对有关蒸汽机的知识知道的并不多。只是在两年前，他曾用帕平研制的蒸汽锅协助布莱克教授进行过高压蒸汽实验。蒸汽机模型一运到实验准备室，好奇心使从小就是机械迷的瓦特跃跃欲试，没等安塔逊教授吩咐，就立即着手拆装和修理它了。半个多月来，蒸汽机迷住了瓦特，使他达到废寝忘食的地步。

晚上，瓦特躺在格拉斯哥城郊大学公寓里，久久不能入睡，满脑子都是纽康门蒸汽机。他拧亮了煤气灯，拿起白天从图书馆收集来的有关蒸汽机的资料，仔细地阅读，又开始琢磨起来……

早在公元100年左右，埃及的亚历山大城有一位学者希罗，制造了一种按照喷射反作`用原理动作的蒸汽发动机雏形。第一部活塞式蒸汽机是1690年由法国人帕平在德国发明的。他是第一个指出了蒸汽机的工作循环的人，为以后活塞式蒸汽机的发展开辟了道路。

17世纪末，随着矿产品需求量的增大，矿井越挖越深，英国的许多矿井遇到了严重的积水问题。当时一般只有靠马力转动辘轳来排除积水。针对这一情况，英国皇家工程队的军事工程师塞维利大尉研制了蒸汽泵。这是一种没有活塞的蒸汽机，尽管该机燃料消耗很大，也很不经济，但它是人类历史上能实际应用的第一部蒸汽机。

蒸气机模型

1705年，英国一个铁匠纽康门，综合了前人的技术成就，设计制成了一种更为实用的气压式蒸汽机。它实现了用蒸汽推动活塞做一上一下的直线运动，每分钟往返12次。每往返一次可将45.5升水提高到46.6米。当时的纽康门蒸汽机主要用于深矿井排水。

然而，纽康门蒸汽机有重大的缺陷，它不仅效率低，做功时需要大量的燃煤，而且只能做简单的往复运动。所以，其使用范围受到限制。人们渴望获得新型的蒸汽机。

瓦特边看边琢磨，越琢磨越睡不着觉了，平素他犟脾气一上来，非马上问个究竟，可以几夜不寐。今晚，也不知是他第几次发犟脾气了，看来，为了弄清这台蒸汽机的工作原理，他又要开夜车了。

第二天，瓦特立即着手工作。首先，他开始研究纽康门蒸汽机的动作方式，分解其动作步骤。锅炉产生的蒸汽进入汽缸内，活塞被压起。接着通过向汽缸内喷水、冷却，使蒸汽凝缩，制成真空。这样，施加在活塞上的大气压将其压下，与活塞杆相连接的泵的活塞被拉起，就可以从矿坑内吸上水来。瓦特注意到，在蒸汽机锅炉里产生的蒸汽量，只够活塞几次工作所用，然后，机器需要等候锅炉将蒸汽积蓄起来，才能开始重新工作。通过进一步观察研究，瓦特又发现，用蒸汽加热汽缸，再用水冷却，是不合理的。汽缸由热变冷，再由冷变热需耗费很多时间。

怎样才能保持汽缸的原有热量，还能使蒸汽凝缩呢?瓦特苦苦地思索这一问题，很长时间得不到答案。这使他茶饭不思，打不起精神来。

格拉斯哥大学校门外，左边是一大片绿草如茵的平地;右边是一个波平如镜的小湖。一天，瓦特漫步在草坪上，不时地把目光投在天空中远去的白云，若有所思。突然一个奇异的想法涌上脑际。这个想法仿佛是打开问题的钥匙，好象是上帝给他送来的及时雨似的。瓦特豁然开朗了。蒸汽是有弹性的物体，所以，可以使其进入真空。如果将汽缸和排气容器相连接的话，蒸汽就可以进入容器内，无需再冷却汽缸，蒸汽就可以冷缩，同样完成纽康门蒸汽机的工作。

经历多次实验和修改，问题终于解决了。蒸汽并不需要直接在汽缸里凝聚，而是在与汽缸相连接的另一个容器里凝聚。瓦特发明了冷凝器，在科技发展史上奠定了蒸汽机实用化的坚实基础。不久，他又设想将汽缸两端加盖封闭起来，就可以实现蒸汽机的二冲程运动。将二冲程直线运动转变成循环圆周运动，就容易多了。巧妙的设想为瓦特打开了走向成功的大门。

在瓦特时代，英国的工业界还很少有人能够按着比较复杂的机器图纸，准确无误地加工各种机器部件，甚至连加工常用的机床也还不很精确。按照瓦特设想制造的蒸汽机样机以失败告终，这使得瓦特一贫如洗。瓦特为了完成自己的设计几乎变卖了所有值钱的东西。

瓦特遭到了多次失败，并没有灰心气馁，顶着许多人的嘲笑，为完善自己的发明继续孜孜不倦地工作着。

一天，通过好友布莱克教授的介绍，瓦特结识了发明镗床的威尔金森技师。这位技师为瓦特苦心钻研精神所感动，他决定帮助瓦特，用他拿手的镗炮筒的技术来为瓦特加工汽缸和活塞，解决了蒸汽机的漏气问题。瓦特距离胜利的顶峰更近了。威尔金森加工的汽缸和活塞可谓无以伦比，它使瓦特又越过了一道技术难关，终于制成了第一台新型蒸汽机样机，运行正常达到设计的要求，获得了一致的好评。

瓦特并没有满足取得的成绩，不久又投入了新的研制工作。这需要他解决许多技术难题，又要吃苦了。不久，瓦特又找到了一个重要的合作者威廉·默多克，更使瓦特如虎添翼，研制进度骤然加快。默多克是一个高级机械加工技师，什么东西到了他的手里，都会变成你所想要的样子。他既能解决技术难题，又富有很强的进取心，常常为了工作而忘记一切。

那是1785年，圣诞节的晚上。格拉斯哥城到处都沉浸在节日的气氛里。瓦特心里惦记着尚未完工的蒸汽机，跑到了试验车间。穿过工厂院子时，瓦特看到车间窗子透出的灯光。原来是车间主任默多克在加班。默多克工作认真，从来不愿拖延工作，即使圣诞节也不例外。他到工厂加班是为了连夜加工安装伦敦抽水站的机器零件。

两个人很快就结束了工作，度过了一个奇异的圣诞节。这时，瓦特又走到制图板前面。

“请过来，默多克!”

默多克走近制图板。

瓦特画了个汽缸。

“我想使蒸汽从两端进去推动活塞，从上面关闭汽缸，并把蒸汽输送到这里。对此您是怎么看的呢?”

默多克没做声。瓦特接着又往下画。

“现在汽缸活塞是上下直线运动，我想通过连在大轮上的一个轴改变直线运动。瞧，就是这样!用这样的方法我们可以变直线运动为循环运动。大轮的惯性推动活塞通过死点，就是这儿。”他演示着，“您看如何，默多克?”他又接着问。

“就是说需要做一个新样机。”默多克回答。

“毫无疑问。”瓦特用肯定的语气回答。他又接着问:

“什么时候开始?”

“立刻。”默多克回答很干脆。

“立刻……那好吧，立刻。”瓦特兴奋得语无伦次。

瓦特以狂热的激情投身于工作。他浇铸铜锭、锻造铜件、为汽缸钻孔，接着又车活塞、轴和轴承。原来设计的机器还未竣工，新的样机又开始投入研制，这就是瓦特的性格。

默多克也忙个不停，把炉火烧旺，擦净铸件，开动车床，站在他身旁的瓦特感到吃惊:身材魁梧的默多克竟然能干出最精细、准确的小活儿。一旦投入工作就始终不渝，这是默多克的脾气。

四个星期之后，新样机以崭新的面目和人们见面了，就等待试车了。一切就绪以后，瓦特用他那只因激动而颤抖的手，缓缓地拧开了通向蒸汽机的导气阀。工作状况正常，一切达到预期的效果。瓦特和默多克四只沾满油泥、乌黑的手紧紧握在了一起，成功的喜悦鼓舞了瓦特和默多克。

随即，瓦特又开始向带自动调速器的蒸汽机进军。他一心想彻底完善他的蒸汽机。瓦特从来不愿意说空话，只是默默地工作。所有机器的重要部件他都要亲自参与制造。他既是设计师，又是翻砂工;既是车工，又是钳工。每一道工序和每一个细节，都留下了瓦特的辛劳和汗水。

默多克领着10多个格拉斯哥技术最好的工人，同瓦特一起工作。瓦特的研制工作，吸引了格拉斯哥的能工巧匠。默多克把他们组成了攻无不克的加工小队。

经过一年多的顽强努力，机器逐渐安装好了。

终于，瓦特拧好了最后一个螺母，接着干脆把扳手扔到一旁。然后，长长地吸进了一口气，又徐徐地吐了出来。

“哎，默多克，要是我们现在有蒸汽那该多好啊，那我们就可以当场试验这台机器了。”

“有蒸汽。”

“现在，深更半夜?”

“是的，只要点上火，不消一刻钟我们就会得到所需要的蒸汽压力。”

沉默寡言的默多克说完，带着几个工人走了。静悄悄的车间里，瓦特独自一人面对着机器陷入了回忆的思绪之中。他回想起生养他的苏格兰林诺克小镇，想起爸爸繁忙的造船小工场，想起在机械加工专家摩根门下的学徒生活，更想起妻子米拉的热心支持和鼓励……

不大一会，默多克回来了。

“詹姆斯，一切都准备就绪了。试车吧!”

瓦特又一次把手放在进气阀门的刹把上。此刻，他倒觉得有些胆怯了。假如此时上帝有意要和他的蒸汽机作对，假如设计中有错误而被忽略了，假如汽缸壁和调速轮等部件上出现难以发现的裂纹，那该如何是好呢?一时间，一向果断、刚毅的瓦特显得有些缩手缩脚了。

现在，只要转动阀门的刹把，高压的蒸汽就会猛力地冲入汽缸。要么失败，要么成功，瓦特想了许多。最后，瓦特还是坚定地转动了阀门手柄。随着一阵震耳欲聋的巨大声响，高压蒸汽进入了汽缸。透过气缸缝隙冒出的吱吱作响的气雾，瓦特凝视着铁青脸色的默多克。工人们也屏住了呼吸。几分钟之后，蒸汽笼罩了整个机器和试验车间，灯光更加显得暗淡微弱了……

瓦特觉得他的心简直快要跳到嗓子眼了。

机器依旧纹丝不动。

透过气雾，他看见默多克双手在调整调速轮。终于，活塞开始上下缓慢地运动了，吱吱声中断，接着活塞开始加速运动。通过曲柄和连杆的作用，一进一退的直线运动正在变成缓慢而平稳的转动。

瓦特僵直地钉在地上，嘴里像是被棉花堵住了似的，吐不出来又咽不下去。瓦特双手创造出来的机器倒把他自己给迷住了。默多克想用手使劲将调速轮刹住，但是轮子却把他的手推向一旁。他急了，使出全身的力气再加上几个身强力壮的工人，也做不到这一点。“这就是力量!”他大声地叫道。瓦特兴奋地点了点头。工人们欢呼起来，叫喊着跑出了车间。

蒸汽机火车

“比水的力量大，它还可以加大，到处都可以用它。我想，有一天人们可以把机器安在马车上，不必套上马。车子就可以跑起来;或者将它安在航船上，逆风无帆，船儿也能漂洋过海，遍游四方。但是，我认为，它可以大大地减轻工人的劳动，给他们带来更多的闲暇时间。对此，你认为怎么样，默多克?”

“到那时，全世界就会变得更美好，亲爱的詹姆斯。这不正是你一直所希望的吗!”

两位老朋友幸福地畅谈着未来，憧憬着蒸汽机将给人类带来的益处。这时，太阳已悄悄地露出了笑脸，仿佛也在祝福这一对科学开拓者。从此，一个震撼文明世界的“蒸汽时代”开始了。

杂交水稻之父

饥饿是人类的天敌。自从诞生的那一瞬间开始，人类就为了获得足够的食物而努力着。但是，在人类发展漫漫长河中，饥饿却一直威胁人类的生命安全。这种状况直到20世纪70年代才得到改善。改善这种状况的人就是被世界各国誉为“杂交水稻之父”的中国科学家袁隆平。

袁隆平，1930年9月1日生于北平(今北京)，汉族，江西省德安县人，无党派人士，现在居住在湖南长沙。他是中国杂交水稻育种专家，中国工程院院士。现任中国国家杂交水稻工作技术中心主任暨湖南杂交水稻研究中心主任、湖南农业大学教授、中国农业大学客座教授、联合国粮农组织首席顾问、世界华人健康饮食协会荣誉主席、湖南省科协副主席和湖南省政协副主席。2006年4月当选美国科学院外籍院士，被世界誉为“杂交水稻之父”。国际水稻研究所所长、印度前农业部长斯瓦米纳森博士高度评价说:“我们把袁隆平先生称为‘杂交水稻之父’，因为他的成就不仅是中国的骄傲，也是世界的骄傲，他的成就给人类带来了福音。”

袁隆平

1953年，袁隆平毕业于西南农学院。1964年开始研究杂交水稻，1973年实现三系配套，1974年育成第一个杂交水稻强优组合南优2号，1975年研制成功杂交水稻制种技术，从而为大面积推广杂交水稻奠定了基础。

1980～1981年，袁隆平赴美任国际水稻研究所技术指导。1982年任全国杂交水稻专家顾问组副组长。1985年提出杂交水稻育种的战略设想，为杂交水稻的进一步发展指明了方向。1987年任863计划两系杂交水稻专题的责任专家。1991年受聘联合国粮农组织国际首席顾问。1995年被选为中国工程院院士。1995年研制成功两系杂交水稻，1997年提出超级杂交稻育种技术路线，2000年实现了农业部制定的中国超级稻育种的第一期目标，2004年提前一年实现了超级稻第二期目标。

看着这一连串的成就，大家一定以为袁隆平培育杂交水稻之路一直顺利而平坦。其实，袁隆平教授培育杂交水稻之路充满了坎坷和艰辛。

1960年袁隆平从一些学报上获悉杂交高粱、杂交玉米、无籽西瓜等，都已广泛应用于国内外生产中。这使袁隆平认识到:遗传学家孟德尔、摩尔根及其追随者们提出的基因分离、自由组合和连锁互换等规律对作物育种有着非常重要的意义。于是，袁隆平跳出了无性杂交学说圈，开始进行水稻的有性杂交试验。

1960年7月，他在早稻常规品种试验田里，发现了一株与众不同的水稻植株。第二年春天，他把这株变异株的种子播到试验田里，结果证明了去年发现的那个“鹤立鸡群”的稻株，是地地道道的“天然杂交稻”。他想:既然自然界客观存在着“天然杂交稻”，只要我们能探索其中的规律与奥秘，就一定可以按照我们的要求，培育出人工杂交稻来，从而利用其杂交优势，提高水稻的产量。这样，袁隆平从实践及推理中突破了水稻为自花传粉植物而无杂种优势的传统观念的束缚。于是，袁隆平立即把精力转到培育人工杂交水稻这一崭新课题上来。

在1964年到1965年两年的水稻开花季节里，他和助手们每天头顶烈日，脚踩烂泥，低头弯腰，终于在稻田里找到了6株天然雄性不育的植株。经过两个春秋的观察试验，对水稻雄性不育材料有了较丰富的认识，他根据所积累的科学数据，撰写成了论文《水稻的雄性不孕性》，发表在《科学通报》上。这是国内第一次论述水稻雄性不育性的论文，不仅详尽叙述水稻雄性不育株的特点，并就当时发现的材料区分为无花粉、花粉败育和部分雄性不育三种类型。

从1964年发现“天然雄性不育株”算起，袁隆平和助手们整整花了6年时间，先后用1000多个品种，做了3000多个杂交组合，仍然没有培育出不育株率和不育度都达到100%的不育系来。袁隆平总结了6年来的经验教训，并根据自己观察到的不育现象，认识到必须跳出栽培稻的小圈子，重新选用亲本材料，提出利用“远缘的野生稻与栽培稻杂交”的新设想。在这一思想指导下，袁隆平带领助手李必湖于1970年11月23日在海南岛的普通野生稻群落中，发现一株雄花败育株，并用广场矮、京引66等品种测交，发现其对野败不育株有保持能力，这就为培育水稻不育系和随后的“三系”配套打开了突破口，给杂交稻研究带来了新的转机。

是将“野败”这一珍贵材料封闭起来，自己关起门来研究，还是发动更多的科技人员协作攻关呢?在这个重大的原则问题上，袁隆平毫不含糊、毫无保留地及时向全国育种专家和技术人员通报了他们的最新发现，并慷慨地把历尽艰辛才发现的“野败”奉献出来，分送给有关单位进行研究，协作攻克“三系”配套关。

1972年，农业部把杂交稻列为全国重点科研项目，组成了全国范围的攻关协作网。1973年，广大科技人员在突破“不育系”和“保持系”的基础上，选用1000多个品种进行测交筛选，找到了1000多个具有恢复能力的品种。张先程、袁隆平等率先找到了一批以IR24为代表的优势强、花粉量大、恢复度在90%以上的“恢复系”。

1973年10月，袁隆平发表了题为《利用野败选育三系的进展》的论文，正式宣告我国籼型杂交水稻“三系”配套成功。这是我国水稻育种的一个重大突破。紧接着，他和同事们又相继攻克了杂种“优势关”和“制种关”，为水稻杂种优势利用铺平了道路。

大面积推广的杂交水稻

1976年，袁隆平培育出的杂交水稻在全国范围内推广。当年，中国水稻的产量震惊了世界。在推广杂交水稻之前，较好的土地亩产也不过400千克。而袁隆平教授培育的杂交水稻平均亩产则达到了500千克以上。

20世纪90年代后期，美国学者布朗抛出“中国威胁论”，撰文说到21世纪30年代，中国人口将达到16亿，到时谁来养活中国，谁来拯救由此引发的全球性粮食短缺和动荡危机?这时，袁隆平向世界宣布:“中国完全能解决自己的吃饭问题，中国还能帮助世界人民解决吃饭问题”。其实，袁隆平早有此虑。早在1986年，就在其论文《杂交水稻的育种战略》中提出将杂交稻的育种从选育方法上分为三系法、两系法和一系法三个发展阶段，即育种程序朝着由繁至简且效率越来越高的方向发展;从杂种优势水平的利用上分为品种间、亚种间和远缘杂种优势的利用三个发展阶段，即优势利用朝着越来越强的方向发展。根据这一设想，杂交水稻每进入一个新阶段都是一次新突破，都将把水稻产量推向一个更高的水平。1995年8月，袁隆平郑重宣布:我国历经9年的两系法杂交水稻研究已取得突破性进展，可以在生产上大面积推广。正如袁隆平在育种战略上所设想的，两系法杂交水稻确实表现出更好的增产效果，普遍比同期的三系杂交稻每公顷增产750－1500千克，且米质有了较大的提高。至今，在生产示范中，全国已累计种植两系杂交水稻1800余万亩。1998年8月，袁隆平又向新的制高点发起冲击。他向时任国务院总理的朱镕基提出选育超级杂交水稻的研究课题。朱总理闻讯后非常高兴，当即划拨1000万元予以支持。袁隆平为此深受鼓舞。在海南三亚农场基地，袁隆平率领着一支由全国十多个省、区成员单位参加的协作攻关大军，日夜奋战，攻克了两系法杂交水稻难关。经过近一年的艰苦努力，超级杂交稻在小面积试种获得成功，亩产达到800千克，并在西南农业大学等地引种成功。目前，超级杂交稻正走向大面积试种推广中。

啤酒的故事

啤酒“beer”这个词来自意为“大麦”的德文。大麦是酿造啤酒的主要原料。啤酒是我们日常生活中最常见的饮料之一。你知道啤酒的历史及酿造过程吗?

啤酒酿造的历史很久远，大约与谷物生产有着同样古老的历史，在古代农村旧址出土的粘土罐中发现的发酵谷物就是证据。很多历史学家认为，最初的谷物啤酒酿造于公元5000年以前，是由古巴比伦和埃及人酿造的。

在历史上，地方统治者常制定管理啤酒质量的法律。因为当时认为坏啤酒是假货，对健康有害。德国长期以来有管理啤酒酿造的严格规章，15世纪和16世纪实行过一些极端的惩罚措施:如鞭打、流放甚至处死那些生产或销售坏啤酒的人。直到现在，德国人把啤酒限制为大麦、啤酒花藤、酵母和水制成的饮料。由于啤酒质量的严格要求，使这种饮料比很多地方的饮用水更安全。在德国，很多人以饮啤酒代替饮水。

印第安人曾使用过一种独特的方法来酿造啤酒，叫做发酵玉米糊法。方法是:把玉米放入嘴里嚼碎，和唾液混合在一起，变成糊状物，然后从嘴里吐出后放入一只大容器内发酵。发酵是因为唾液中淀粉酶把一些玉米淀粉转化为糖，糖又被空气中和植物上的酵母作用而发霉。拉丁美洲的印第安人，现在仍然用此法，采用木薯淀粉来酿造啤酒。虽然很多早期移居美洲的人很喜欢喝啤酒，但是没有什么人肯用印第安人的方法来酿造啤酒。

啤　酒

19世纪末和20世纪初，营养科学有很多重要发现。美国科学家戈尔德巴格在整个20世纪20年代和20世纪30年代初，为使人们相信一种很严重的皮肤粗糙病，是由于缺乏一种或多种营养素造成的，而不是由传染性物质或遗传所造成的这一事实，做了大量的艰苦的工作。在他的努力下，公共卫生护理人士向美国东南部人们发出了吃酿酒酵母菌的倡议，但当时他们并没有意识到，啤酒本身可提供丰富的治疗皮肤粗糙病的维生素尼克酸。

第二次世界大战后，在德国，医学家们研究了啤酒酵母的营养价值，从此，酿酒开始了造福于人类历史的最新篇章。医学家们发现，啤酒酵母菌中含有硒和铬等人体必需营养素。长期以来，啤酒酵母这一最有营养的酿酒副产品，一直用于饲养家畜，而人们吃了这些动物食品又间接受益。这使人想到:如果酿造啤酒时，减少过滤和澄清以保留更多的酵母，人类可以更直接地从啤酒中得到更多的营养了。