20世纪中晚期，法国的圣阿舍尔，欧洲直立人的生火场景
石器时代
迄今为止最早的人类石器是由著名的古人类学家路易斯·利基（Louis Leakey）于上世纪30年代在坦桑尼亚的奥杜威峡谷（Olduvai Gorge）发现的，距今已有大约260万年的历史了，大名鼎鼎的石器时代从此开始。
奥杜威石器（Oldowan）是一大类刀片型石器的统称，基本上只能用来切肉，没有别的功能。不过大家千万不要小看这些粗糙的石片，它们的出现标志着人类终于从芸芸众生中脱颖而出，走上了一条通往地球霸主宝座的光辉大道。
英语里有句俗话，叫做“人如其食”（You are what you eat），大意是说，我们每个人的身体都是由我们吃进去的食物消化之后变成的，所以要好好吃饭。其实这句话用在任何动物身上都没问题，但地球上的动物之所以千差万别，原因并不是饮食差异，而是基因的不同，这就是为什么鳄鱼的牙齿就是比我们的牙齿更锋利，苍鹰的眼睛就是比我们的眼睛看得远，狗熊的毛皮就是比我们的皮肤更保暖……我们无论吃什么好吃的都无法弥补和这些动物的差距，这就是遗传限制。
与此同时，这些动物本身也会受到遗传规则的制约，再锋利的牙齿也不如钢刀好用，再锐利的眼睛也不如望远镜好使，再厚的毛皮也比不上一间有空调的房子温暖。
换句话说，生物进化本身是有上限的，生化反应再强大也合成不出钢筋混凝土，遗传规则限制了动物们的想象力。奥杜威石器的出现标志着人类祖先终于摆脱了生物的遗传限制，获得了近乎无限的上升空间。
人类获得的这种超能力并不完全来自工具的使用，因为人类并不是唯一会用工具的动物。一些猩猩会用石块砸开坚果，还有一些鸟类会用树枝从树洞里钓虫子吃。但几乎所有动物都只是把自然界早已存在的东西直接拿来用而已，顶多做一点简单的加工。比如某些鸟类会把太长的树枝咬断，做成长度适合的抓虫工具。奥杜威石器的制作过程则要复杂得多，需要先找到一块质地坚硬的石头当锤子，不断地敲打另一块质地较软的石头（称为石核，通常是鹅卵石），直到将石核的一侧敲出锋利的断口。整个过程耗时很长，不但需要精心挑选石材，还要耐心细致地敲打。人类是地球上唯一具备这种耐心和智力的生物，直到今天也找不出第二例。
从这个制作过程可以看出，石器时代的核心就是人类从大自然中找到了一种特殊的原材料，然后运用自己的智慧将其打造成一件称手的工具，用它来完成一项仅靠自己的身体无法完成的工作。
不过，石头并不是人类学会使用的第一种原材料，这个头衔应该让位给木材。木头虽然不如石头坚硬，但它便于加工，可以很方便地制成各种不同的形状。可惜木材不易保存，祖先们制造的木制工具全都消失在历史的长河中了。不过从现存的一些石器的形状可以推断，很多类似斧头的石器原来都是有木柄的，两者很可能是用皮带绑在一起的。皮带来自大型动物的毛皮，这应该算是人类学会使用的第二种原材料，可惜也因为不易保存而没有留下任何直接证据。
古人类学家路易斯·利基
2017年7月5日，“大英博物馆百物展：浓缩的世界史”在上海博物馆举行。图为奥杜威手斧，120万~140万年前，发现于坦桑尼亚奥杜威峡谷（毛毛 摄/视觉中国供图）
奥杜威石器的基本形态一直保持了将近100万年，其间没有发生任何重大变化，由此可见早期人类的技术革新速度是多么地慢。直到距今170万年左右才又出现了一种新型石器，因其最早发现于法国的圣阿舍尔而取名“阿舍利石器”（Acheulean）。这也是一大类石器的总称，主要由形似水滴的手斧组成，可切可削可砸可撬，被誉为“石器中的瑞士军刀”。这种多功能石器自出现后便迅速取代了功能单一的奥杜威石器，而发明阿舍利石器的直立人很可能因为掌握了这种新式工具而终于走出了非洲，随即迅速扩散至整个欧亚大陆。
阿舍利石器的制作难度比奥杜威石器大很多，需要用不同的石锤对同一件石核做精细加工，整套工艺包含5～6个工序，很多步骤都要预先设计好，顺序不能错，对制造者的智力水平提出了很高的要求。这件事充分说明，在人类社会发展的早期，大家能够使用的原材料都差不多，技术才是核心竞争力。
但有一样东西例外，这就是黑曜石（Obsidian）。这是一种玻璃质的火山岩，火山的高温把富含硅的岩石熔化，冷凝后就成了黑曜石。这种石头敲碎后形成的断口远比普通鹅卵石锋利得多，是制作切削刀具和穿刺箭头的最佳材料。可惜这种石材只在火山口附近才能找到，因此黑曜石成为远古时期人类最宝贵的财富，直接促成了早期的部落贸易，居住在不同地域的人群终于有了相互交流的动力。
因为不同的火山口出产的黑曜石质地各不相同，有着很高的辨识度，因此黑曜石也成了人类学家研究古代贸易路线的最佳工具，在古人类学研究史上有着很重要的地位。
从工具制造的角度来看，无论是鹅卵石、黑曜石，还是木材或兽皮，其加工过程都是在做减法，既无法重新来过，也很难拼贴，所以这几种原始材料的使用范围非常有限，影响力也不大。
旧石器时代的阿舍利石器
16世纪前的黑曜石刀，出土于中美洲特奥蒂瓦坎古城
金属的出现改变了一切。
人类最早学会使用的金属大概是铜，时间大约在距今1万年前，地点是美索不达米亚地区（即两河流域）。这一时期人类使用的都是天然的纯铜，有很强的延展性，可以通过简单的加热和敲打改变形状，非常适合用于制造钱币和箭镞。另一种很早就被人类熟悉的金属就是金，这种稀有金属的延展性比铜还好，可以敲打成薄片，同时又不太容易被氧化，永远保持鲜艳的颜色，所以更适合用来制造高档首饰或钱币。
那时候的人类大规模使用的金属只有这两种，因为地壳中只有这两种金属是独立存在的，其余的都必须从矿石中提炼，早期人类不具备冶炼金属的技术能力，所以历史学家仍然把这一时期称为“新石器时代”，因为石材依然占据绝对的主导地位。
还有一种新材料值得一提，这就是陶土。最早的陶制人像是在捷克发现的，距今已有2.5万年的历史了。据历史学家推测，人类发明陶器的原因很可能来自土坯房的建造，这种房子的墙壁是用泥砖垒成的，古人发现泥砖晒干后会变硬，遇雨又会变软，因此希望用火烤的方式加快干燥的过程，没想到当泥砖被加热到500℃之后发生了不可逆的变化，不但变得坚硬无比，而且不再怕水了，于是古人发明了窑（Kiln），并把泥巴捏成各种形状放在窑里烧，制成了第一批适合用于厨房的陶器，彻底改变了人类的饮食习惯。
窑的出现还带来了一个副产品，这就是青铜，从此人类进入了一个崭新的时代。
冰岛兰德曼纳劳卡地区的黑曜岩
新石器时代出土于捷克摩拉维亚的女性雕像
青铜时代
曾经有一部人类学纪录片是这样描述铜的发现过程的：非洲大草原的夜晚，一群原始人围坐在篝火边聊天，有人随手将一块绿色的石头扔进了火堆，原本黄色的火焰瞬间出现了一道绿边，非常好看，而那块石头则迅速变成了黑色，消失在灰烬之中。第二天早上，有人去昨晚的火堆里翻找，意外发现灰烬下面出现了一块块黄色的颗粒物，铜就是这样被冶炼出来的。
可惜的是，这个传奇故事并不完全准确。那块绿色的石头名叫孔雀石（Malachite），主要成分是碳酸铜，火焰的绿边就是铜原子引起的。孔雀石燃烧后发黑是因为石头表面蒙上了一层炭，而里面的碳酸铜则在高温下变成了氧化铜。木炭在缺氧条件下会发生不完全燃烧，产生的一氧化碳可以把氧化铜中的氧原子夺走，剩下纯的金属铜。问题在于，铜的熔点是1084℃，普通篝火的中心温度只有600℃左右，达不到这个要求，不可能把孔雀石中的铜熔出来，因此上述过程必须在更高的温度条件下才能完成，这就是为什么铜的冶炼是在烧窑技术发展到一定阶段之后才出现的原因。
铜的冶炼彻底改变了材料的加工原则，这种金属加热后可以变成液体，灌入模具后再冷却，就可以做成任意形状的器物，非常方便。如果不喜欢最终的成品，还可以把它扔回窑里再熔一次，一点都不浪费，比起一次性的石材来说实在是太方便了。
但是，纯铜有个很大的缺点，那就是质地太软，所幸这个问题很快就因一次意外事故而被解决了。美索不达米亚的工匠们发现，如果铜矿石中混入了一点含砷的矿石，做出来的合金铜要比纯铜坚硬很多。可惜砷有毒，不少铜匠因此死于非命，于是大家又尝试了其他金属矿石，终于发现添加10%左右的锡也可以达到同样的效果。就这样，大约在公元前3000年左右，青铜（Bronze）在中东地区首次出现了。
公元前5~1世纪的铁器与青铜器
孔雀石
中国最早的青铜器出现在公元前1400年的商代，主要分为加锡和加铅这两种，还有少量加锌的黄铜。商代的青铜器主要用于制造法器，著名的商后母戊鼎（原名司母戊鼎）和曾侯乙编钟是那个时代青铜器的代表作。
西欧青铜器的出现时间只比中国早大约200年，主要用于制造兵器。公元前1600年至公元600年间的欧洲古墓中出土过大量青铜宝剑，说明那个时期的欧洲尚武成风。青铜虽硬，但作为兵器来说硬度还是略显不足，而且青铜太脆，双剑相交很容易折断，所以曾经有不少历史学家认为青铜兵器只用于宫廷仪式，不怎么用于实战。
德国哥廷根大学（University of G～ttingen）的历史学家拉斐尔·赫尔曼（Raphael Hermann）博士不同意这个说法，他研究了那段时期传下来的剑谱，发现很多招式非常奇怪，比如有一招“移花接木”（德文称之为Versetzen）很像是为了防止双剑直接撞击而采取的借力打力的招法。于是他制作了一批仿制的青铜剑，请一些专门练习古代剑法的人按照当年传下来的剑谱对打，研究剑身上留下的撞击痕迹，再和出土的古代青铜剑作对比，发现两者非常吻合。
更妙的是，“移花接木”这一招对应的撞痕最早出现在公元前1300年的意大利青铜剑身上，200年后才出现在英国的青铜剑身上，说明这个招法很可能最早诞生于意大利，200年后才传到了英伦三岛。
赫尔曼博士认为，自己的这项研究成果清楚地说明古代青铜剑既不是摆设，也不是为了打猎用的，而是专门用来打仗的。这是人类历史上出现的第一种专门用来杀人的武器，说明人类社会发展到了一个全新的阶段，终于开始互相杀戮了。
有意思的是，最先爆发的部落战争很可能就是为了争抢制造青铜器所需的金属锡。中国境内的铜矿和锡矿都很丰富，无需担心缺少资源，对此没有切身体会，但地中海沿岸地区严重缺乏锡矿，当地人只能派出商队四处寻找，最远甚至到达过今天的阿富汗和英格兰。英格兰岛过去曾经叫做锡岛，原因就是英国的康沃尔地区蕴藏着储量丰富的锡矿。
中国国家博物馆古代中国展厅的后母戊鼎（摄于2020年9月12日）
就像当年对黑曜石的需求促成了直立人开展原始贸易一样，青铜时代对锡的需求促成了现代人类部落之间的第一次大规模贸易活动。这些商队不可能只运锡矿石，肯定还会带点其他土特产作为交换，贸易双方肯定也会顺便交流一下各自的生活，人类文明正是在这种相互交流的过程中不断发展壮大起来的。
不过，很快就有人意识到，锡矿石绝不仅仅只是一种普通商品，而是一种军需物资，于是锡矿交易便中断了。拥有这种稀缺资源的部落依靠对锡的垄断，迅速提高了自己的经济和军事实力，并依靠兵器上的优势成为称霸一方的帝国。这一时期地中海周围地区出现了好几个强势帝国，几乎全都和青铜武器的制造有关，人类重新回到了以资源定胜负的时代。
这段时期人类的农耕技术也取得了很大进步，随之而来的人口爆炸导致对青铜器的需求暴涨，锡矿渐渐不够用了。不但如此，就连铜矿的储备也开始告急，人类遇到了历史上第一次资源匮乏。更糟的是，用于冶炼青铜的木炭也快没有了，因为附近的大树都被砍光了。如今地中海周边地区几乎找不到原始森林，原因就是当年为了冶炼青铜而大肆砍伐森林，至今也没有恢复过来。
到了公元前1200年时，此前积累的各种矛盾终于达到顶点，地中海地区爆发了一场大混战。这场混战只用了短短50年的时间就摧毁了第一个人类文明中心区的大部分城市，侥幸活下来的人躲进了偏僻的山区，在那里苟延残喘。就这样，辉煌了2000年的青铜时代结束了，人类进入了历史上第一个黑暗时期。
关于青铜时代大崩溃的原因，历史学家们各执一词。有人认为是火山和洪水等突发灾难，有人认为是气候变化引发的旱灾，也有人认为是贵族对普通老百姓的剥削导致的农民起义，还有人认为是粮食和物资短缺引起的部落哄抢。但有一些历史学家指出，这场大混战的主角是一群很可能来自北欧或中欧某地的海盗，他们虽然来历不明，但战斗力极强，所到之处无不尸横遍野，原因在于他们手里拿着的是钢刀，身上穿着的是铁甲。当时地中海周围的帝国军队装备的依然是青铜宝剑和盔甲，一碰就碎，根本不是这些强盗的对手。
就这样，人类被迫进入了铁器时代。
英国南约克郡彭尼斯通炼钢厂通过贝塞麦炼钢法生产钢材（约1914~1918年）
铁器时代
铁这种金属早在公元前4000年就已经被人类知道了，因为有一部分陨石中含有纯的金属铁。掺有少量镍的陨铁比青铜还要软，不适合用来制造工具，再加上陨铁非常罕见，所以铁在那段时期没什么存在感。
地壳中含有的铁大都是以氧化物的形式存在的，需要冶炼。早在青铜时代中期就有人尝试像炼铜那样冶炼铁矿石，但铁的熔点为1538℃，当时的窑不太可能达到这样的温度，炼不成。
到了青铜时代后期，锡矿和铜矿资源不够用了，又有人想到了铁。部分历史学家认为，来自安纳托利亚（今土耳其）的赫梯人（Hittites）最先解决了这个问题，他们把木材制成炭，然后用木炭作为烧窑的燃料，获得了1000℃以上的高温，并在窑内营造了一个富含一氧化碳的环境，将氧化铁矿石中的氧原子夺走，剩下一堆布满气泡的黑色固体物质，这就是海绵铁。之后，铁匠们用锤子不断击打高温下的海绵铁，将其中含有的硅、硫、磷、锰等杂质清除出去，获得了纯的铁块，称之为熟铁。
因为纯铁太软，所以铁匠们试着将其放回炭炉里加热，敲打后再浸入水中淬火，如此反复几次之后熟铁就会变硬，称之为“好铁”。用好铁制成的兵器可以轻松地将青铜武器击断，将青铜铠甲刺穿，这就让赫梯人获得了巨大的军事优势，统治了地中海地区长达200年。后来这项技术流传了出去，被海盗们学会了，终于酿成惨祸。
但是，还有一批历史学家相信，炼铁技术并不是赫梯人独创的，而是被很多小部落独立发明出来的。但这种方法炼出的铁质量很不稳定，要么不够硬，做不成兵器，要么因为太硬而变得很脆，同样做不成兵器，所以铁制武器一直没能普及开来，直到海盗们掌握了冶炼好铁的诀窍，这才打败了青铜武士，并在四处征战的过程中把这项技术扩散至整个旧世界。
不管事实真相是怎样的，炼铁的技术含量确实很高。查阅当年遗留下来的历史文献，不难发现古代铁匠们将炼铁视为一项神秘的工作，发明了很多高度仪式化的流程，并以此为根基形成了无数门派。比如有的人一定要在铁水中滴入几滴鲜血，有的人则喜欢用人尿。有位德国铁匠甚至要先用铁屑喂公鸡，然后用吸铁石把铁屑从鸡粪中吸出来，如此重复7次之后再送入窑中。这些奇怪的方法肯定曾经成功过一次，铁匠们不知道具体原因是什么，又不敢冒险尝试新方法，于是这些“独门秘籍”便一直延续了下来，使得铁匠成了古代最有神秘感的职业之一。一些擅长制造兵器的工匠更是被视为国宝，留下了很多有趣的传说，以及一些举世闻名的宝刀宝剑，其中少数名器甚至被认为是权力的象征，比如亚瑟王的“王者之剑”一直被认为具有某种魔力，只要一剑在手，就能统治整个不列颠。
英国发明家亨利·贝塞麦的肖像
当然了，那些宝刀宝剑的背后并没有什么神秘的力量，铸造这些名器的大师们也不具备任何超自然力。炼铁之所以会变得如此繁琐复杂，原因就在于古人并不了解这件事背后的科学原理。人类直到18世纪中期才终于明白，真正决定铁器硬度的不是鸡血或者人尿，而是碳元素。因为碳原子比铁原子小很多，按照一定比例掺入纯铁中的碳原子正好能够嵌进排列整齐的铁原子中间，使之不再能轻松地发生位移，这就大大提高了铁的硬度，又不至于影响其柔韧度。实验表明，碳含量在0.0218%～2.11%之间的铁碳合金性能最好，低于这个区间就会太软，高于这个区间则会太脆，于是这样的铁碳合金有个新名字，叫做钢。
当古代的铁匠们把烧红的纯铁放入炭炉时，炉中的碳原子便趁机嵌了进去，如果比例合适的话，炼出来的铁器表面就覆盖了一层钢，硬度和柔韧度都大大提高。那些宝刀宝剑之所以厉害，原因无外乎就是碳原子的比例刚刚好，或者掺有碳原子的钢层更厚一些而已。著名的乌兹钢（又名大马士革钢）之所以被认为是制造宝刀宝剑的最佳原材料，就是因为印度铁匠发明了一种独特的炼铁技术，让木炭中的碳原子均匀地嵌入生铁之中，把整块铁都变成了含碳量在1%～2%之间的钢材。换句话说，铁匠们发明的那些装神弄鬼的仪式，其作用就是提高了钢所占的比例而已，并没有什么神秘之处。
19世纪中期，英国人亨利·贝塞麦（Henry Bessemer）发明了贝塞麦炼钢法，第一种现代意义上的炼钢法就此诞生。贝塞麦法的原理非常简单：既然炼钢过程中的碳含量不容易控制，那就先往铁水中吹空气，将其中含有的碳变成二氧化碳，彻底清除出去，然后再按照一定比例把碳元素添加回来即可，这就保证了碳原子的比例永远处在最佳范围。
炼铁技术的普及彻底改变了人类社会的权力结构和运作方式，因为铁在地壳中的含量非常丰富，大部分铁矿又分布在地壳表层，不需费太大劲就能被开采出来，因此普通老百姓也能很容易地制造铁器了，这就大大削弱了王公贵族对平民生活的控制力，普通老百姓的话语权扩大了。很多历史学家都认为，铁的普及是民主制度率先诞生在古希腊的重要原因，人类社会重又回到了技术为王的时代。
但是，因为一些很偶然的原因，铁器的出现却在中国产生了相反的效果。前文提到，中国富含铜矿和锡矿，没有经历过地中海地区那样的原材料短缺，所以青铜时代在中国延续了更长的时间。当铁的冶炼技术传进来之后，中国的工匠们有充分的时间和耐心尝试新的冶炼方式，终于将铁矿石熔化成了铁水，可以像青铜那样进行铸造了。
有两个原因让中国铁匠们实现了这一壮举：第一，中国工匠增加了窑的高度和宽度，并放进了更多的木炭，又使用鼓风机提高木炭的燃烧效率，终于把窑内温度提高到了1200℃。第二，因为木炭的使用量大，铁矿石被炼成了含碳量高达3.8%～4.7%的铸铁（Cast Iron），如此高的含碳量把铁的熔化温度降到了1148℃。两个因素加在一起，铁终于被熔化了。
西方直到公元15世纪时才学会了用鼓风炉来炼铁，他们把炼成的铸铁叫做“猪铁”（Pig Iron），因为铁水从鼓风炉里倒出来后依次流进一个个相同的模具当中，很像是一群小猪围着母猪吃奶。
不过，这样炼出的铸铁因为含碳量太高而易碎，只有变成钢才更好用。于是中国工匠又发明了搅炼法（Puddling），即把铸铁块加热到800℃～900℃，然后一边搅拌一边吹入热空气，把铸铁表层的碳原子烧掉，将其变为一层钢。
换句话说，中国人的做法是先往铁中掺入大量的碳，再想办法将其去除。西方人则是先生产纯铁，再想办法添加适量的碳。两种方法看似殊途同归，但却有一个根本的不同，那就是含碳量高的铁熔点降低了，于是中国工匠可以采用类似青铜器的铸造法，先将铁熔化后再灌入模具，便于大规模快速生产出统一规格的铁器。西方人则只能采用锻造（敲打）的方式生产铁器，不但生产效率低，而且产品规格不均一。
最后这点区别在生产兵器时产生了完全不同的效果。最先掌握铁器铸造技术的秦国可以迅速生产出一大批完全相同的兵器，帮助秦始皇组建了当时最强大的一支步兵队伍。秦国士兵们操纵着可以互换零件的连弩，打败了其他六国的旧式军队，建立了人类历史上第一个高度统一的强大帝国。秦始皇统一中国之后，又利用这套技术生产出一大批廉价的铁制农具，迅速提高了中国农民的生产力，使得当年的中国成为地球上人口密度最高的国家。
就这样，中国因为在一种重要原材料上取得了历史性的技术突破，走上了一条和其他国家完全不同的发展道路。
意大利莫拉诺岛上的保利玻璃厂，工人们正在制作玻璃（摄于1930年）
玻璃与瓷器
说到材料改变国运，还有一种材料值得一提，这就是玻璃。
人类很早就对玻璃十分熟悉了，前文提到的黑曜石就是玻璃的一种。玻璃的主要成分是二氧化硅，这也是石英砂的主要成分。这种物质的熔点高达1650℃以上，古代烧窑技术达不到这个温度，没法直接加工。但后来有人发现，只要在原料中加一点碳酸钠（苏打）和碳酸钾（草木灰），就可以把玻璃的熔点降至1000℃以下，于是大部分烧陶的窑都可以用来加工玻璃了。
古埃及人早在公元前2500年左右就学会了制造玻璃，他们用玻璃球制作首饰或者装饰品，因为这种晶莹剔透的材料很像宝石，颜色也非常丰富。之后有人尝试用玻璃制造容器，但不怎么成功，直到居住在美索不达米亚的巴比伦尼亚人于公元前200年首次发明了吹玻璃的技术，玻璃器皿才终于摆上了人们的餐桌。古罗马人非常喜欢用这种方法制造出来的玻璃杯，因为他们喜欢喝红葡萄酒，这种饮料最适合用透明的玻璃杯来装，可以一边喝一边欣赏酒的颜色。
中国人很早就知道如何制造玻璃，但这种材料在中国一直没有流行起来，因为我们有一种更好的材料可供选择，这就是瓷。瓷器和陶器的制作过程很相似，差别就在于中国景德镇的匠人在当地发现了一种特殊的高岭土，烧出来的瓷器洁白细腻，非常适合中国人的饮食习惯。比如中国人喜欢喝热茶，瓷茶具导热性差，不烫手，泡好的茶颜色清淡，只有在洁白的瓷器衬托下才更好看，所以喝茶适合用瓷茶杯，喝红葡萄酒则更适合用透明的玻璃杯。
更重要的一点在于，中国境内缺少高质量的宝石矿，所以中国文化从一开始就以玉为美，不太喜欢过于张扬的东西。相比于玻璃的流光溢彩，瓷器有一种温润内敛的感觉，更接近玉的材质，所以更易被中国人接受。事实上，古代欧洲人一直以为中国瓷就是一种玉石，不相信这是在窑里烧出来的人造材料。中国出口到西方的商品当中，除了丝绸之外，最贵重的东西就是瓷器，因为西方人觉得他们买到的是珍贵的玉器。虽然他们后来终于知道了其中的秘密，但却找不到景德镇特有的高岭土，仿制不出来，所以仍然不得不继续从中国大量进口瓷器。
意大利莫拉诺出土的立式杯，约1530年
出土于古威尼斯沉船的玻璃器皿
埃及科普特人制作的玻璃器皿碎片，制于公元4世纪~5世纪初
就这样，中国成了世界闻名的瓷器之国，中国这个词的英文（China）本意就是瓷器。大多数西方国家则更喜欢玻璃，更愿意在这上面下功夫，无论是古代欧洲的葡萄酒杯，还是基督教堂的五彩玻璃窗，工艺上都达到了很高的境界。于是，两种极具可比性的材料在欧亚大陆的东西两端各自独立发展，彼此相安无事。
假如今天的我们再回过头去重新考察这两种材料，无论是从材质本身的性能，还是从器皿的实用性来考量，玻璃和瓷器都不分伯仲，可以说各有千秋。但是，玻璃在透明性上的优势却让这种材质获得了很多额外的用处，并以一种令人意想不到的方式改变了西方社会的历史进程。
欧洲最早的玻璃制造中心是罗马，罗马玻璃也随着罗马帝国的扩张而传遍了整个欧洲。古罗马帝国衰落后，玻璃制造技术逐渐失传，大马士革成为新的玻璃之都。作为东西方贸易的中转站，威尼斯城重新从中东地区引进了这项技艺。为了防止火灾，以及更好地保守秘密，威尼斯人于1291年把玻璃工坊全都转移到了威尼斯城北边1.5公里处的一个名叫莫拉诺（Murano）的小岛上，将其打造成一个类似景德镇的玻璃之都。威尼斯工匠们彼此之间的交流与竞争使得意大利人的玻璃制造工艺飞速提升，终于制造出了可以矫正视力的眼镜。这项发明意义重大，不但让很多近视患者重新获得了新生，还让更多的老年人在眼睛老花之后还能继续读书写字，这就大大提高了欧洲人智性生活的质量。
文艺复兴之所以首先出现在意大利，与玻璃制造工艺的进步有着很大的关系。镜子和透镜的出现推动了光学和几何学的发展，促成了透视原理的出现。文艺复兴画家们放弃了此前盛行的象征主义绘画手法，大量采用写实手法描绘大自然。这一时期的绘画看上去好像是通过一面玻璃窗看世界，从此人们更加习惯于追求真实，为科学的出现奠定了思想基础。
17世纪初期，荷兰人发明了望远镜和显微镜。这两项发明的重要性无论怎么强调都不过分，因为它们彻底改变了人类认识世界的方式。举例来说，佛罗伦萨人伽利略于1609年制造了世界上第一台天文望远镜，首次看到了月亮上的环形山，以及木星的卫星和土星的光环。此前人类大都把天体视为神灵的象征，伽利略的发现终于让人们意识到天上的星星并没有以前想象的那般神奇，而是和地球没什么两样，完全可以像其他自然现象那样被观察和理解。
苏富比拍卖行举办的中国陶瓷展览 （摄于1989年）
再比如，荷兰人安东尼·列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）用自己制造的显微镜第一次看到了微生物，极大地扩展了生物学的边界。几年后，英国人罗伯特·胡克（Robert Hooke）又用显微镜发现了细胞，并证明这是所有生物的基本单位，从此地球上千奇百怪的生物被纳入了同一个体系，现代生物学诞生了。
假如没有这几个人的贡献，现代科学是很难发展起来的。要知道，此前的欧洲学者们大都喜欢通过逻辑思辨来探求真理，望远镜和显微镜的发明让他们意识到这个世界远比肉眼能够看到的要丰富得多，光靠一个人关在家里瞎琢磨是不行的。于是，欧洲的学术界来了个180度大转弯，从经院哲学转向了实证主义。欧洲科学家们也不再只关心哲学辩论，而是纷纷购买科学仪器，开始做实验，通过设计良好的科学实验来研究大自然。如果没有这一思想上的转变，达尔文不可能写出《物种起源》，天文学、物理学、生物学、地质学和化学肯定也不会发展到今天这个程度。
说到化学，玻璃再次帮上了大忙。因为玻璃是一种完全透明的惰性物质，非常适合用来制造化学仪器。用玻璃制造的烧杯、烧瓶、温度计、气压计等科学仪器极大地提高了科学实验的精度，人类关于大自然的绝大部分基础知识都离不开玻璃仪器的贡献。
与此同时，中国的瓷器制造技术也越来越先进了，但除了让瓷碗和茶杯越来越好看之外，对于人类的生活并没有产生其他任何显著的影响。
玻璃和瓷器这两种材料的不同命运和它们背后的人关系不大，纯粹是历史的偶然。这个例子清楚地表明，科学的出现很可能只是一个偶然事件，玻璃这种神奇的材料为科学的诞生提供了催化剂，而科学的诞生又促进了材料技术的进步，人类从此进入了材料科学的时代。
材料的科学时代
材料的本质是物质，而物质的基本组成单元是原子。具有相同核电荷数的同一类原子统称为元素，不同元素之间是不可能通过化学手段相互转换的。牛顿当年不知道这一点，所以才会如此热衷于炼金术。
19世纪60年代时，化学家们已经发现了60多种元素，而且意识到可以按照化学性质的不同将这些元素分成好几组，但却搞不明白为什么会这样。1869年，俄罗斯化学家门捷列夫画出了第一张元素周期表。这张表不但把已发现的元素进行了正确的分类，还预言了几种未知元素的化学特性，而且他的预言没过几年就被证明是正确的。
虽然这项发现非常伟大，但门捷列夫当时并不知道质子和中子的区别，他本人甚至怀疑原子是否存在，只是盲目地相信这个世界一定有某种暗含的秩序，所以元素周期表是典型的概念先行的产物，和现代科学研究的基本原则背道而驰。所幸门捷列夫猜对了，元素的化学性质确实和原子核内的质子数有对应关系。或者更准确地说，和原子最外层电子轨道上的电子数量直接相关，物理学和化学终于结合到一起了。
从此，寻找新材料的科学家们兵分两路。一路人马致力于开发新元素的新特性，比如他们利用硅原子的半导体性质建立了微电子工业，并使很多稀有金属都有了用武之地；另一路人马则把注意力放在了开发常见原子的全新组合上，化工行业由此诞生，为人类提供了大量优质而廉价的塑料和化纤。
塑料和化纤等化工材料的主角是碳原子，这不是偶然的。碳的质子数为6，每个碳原子都包含6个电子，其中2个电子占据了原子核的内层轨道，4个电子占据了外层轨道，并将其填满。这4个外层轨道电子当中的每一个都能和其他原子的外层电子形成化学键，所以碳原子是天底下最喜欢“交朋友”的原子。这一特性使得碳原子成为构建新型复杂化合物的最佳选择，不但生命选择了碳原子作为有机物的骨架，化学家们也选择碳原子作为塑料和化纤的骨架。
因为碳原子太特殊了，即使不让其他原子参与，只用碳原子来构建新物质，也会制造出很多神奇的材料。举例来说，如果每个碳原子都和另外4个碳原子结合，就会形成一个极其稳定的立体金字塔式结构，这就是自然界最硬的物质——钻石。如果每个碳原子只和另外3个碳原子结合，形成一个类似六角形渔网的二维碳原子层，然后让无数个这种单层碳原子“渔网”叠加起来，其结果就是质地非常柔软的石墨。铅笔芯就是用石墨制成的，这是因为碳层与碳层之间仅靠一种非常弱的“范德华力”相连接，一蹭就掉色。
钻石和石墨是纯碳在自然界唯二的两种存在形式，人类对此早已很熟悉了。上世纪70年代，一位名叫大泽荣治（Eiji Osawa）的日本理论化学家预言了一种包含60个碳原子的笼状结构，这一预言在1985年被英国科学家哈里·克罗特（Harry Kroto）、美国科学家理查德·斯莫利（Richard Smalley）和罗伯特·科尔（Robert Curl）实现了。三人在美国莱斯大学（Rice University）的实验室里首次合成出了C60分子，这个貌似足球的分子直径约0.7纳米，包含12个八面体和20个六面体，看上去很像美国建筑师巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）设计的球顶建筑，因此被命名为富勒烯（Fullerene），制造出富勒烯的三位科学家获得了1996年诺贝尔化学奖。
富勒烯不但形状优美，而且异常结实，并具有很多独特的性质，潜力巨大。受此发现的启发，很多材料科学家开始研究碳基分子，希望能制造出比钻石更坚硬的物质，以及具备超导等神奇特性的特殊材料。
这些研究很快结出硕果。日本化学家饭岛澄男（Sumio Iijima）于1991年首次制造出了碳纳米管，你可以把它想象成二维的碳原子“渔网”卷成的一个三维的空心管，有点类似一根迷你的碳纤维，强度与重量之比异乎寻常地大。于是有人设想用这种材料制成一架“天梯”，将来人们去太空就可以不用坐火箭了，直接坐天梯就可以了。
下一个大发现同样令人震惊。两位同样出生于俄罗斯的英国科学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）于2004年制备出了世界上第一种二维材料石墨烯（Graphene），并因此而获得了2010年诺贝尔物理学奖。顾名思义，石墨烯就是组成石墨的单层碳原子“渔网”。这张网厚度只有0.335纳米，20万片石墨烯叠加在一起也只有一根头发丝那么厚。在显微镜下，石墨烯很像蜂巢，每个六角形的顶点都是一个碳原子。这个二维碳网是世界上最薄、最强韧和最坚硬的物质，导电性超好，导热速度比此前发现的任何物质都要快，可以用来制造迷你发电设备。这种材料还具备量子世界独有的克莱因对穿效应，允许电子自由穿过，仿佛没有障碍一样，因此有潜力取代硅芯片，成为下一代超级计算机的核心材料。
虽然大部分科学家都承认石墨烯的潜力非常大，但业内预计到2021年时全球石墨烯行业的产值只有1.5亿美元，而且绝大部分都来自各个国家物理所的研究经费。事实上，物理圈子里一直流行一个说法：如果一个物理学家要想发论文，那么最好的办法就是去搞石墨烯，因为这玩意儿出论文太容易了，但那些论文都没什么价值，距离实际应用还有很遥远的距离。
这种理想与现实的巨大落差并不是石墨烯独有的，而是整个微观材料领域的普遍现象。这个领域的开创者是著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman），他于1959年12月29日在加州理工学院做了一个名为《物质底层有大量空间》（There is Plenty of Rooms at the Bottom）的演讲，首次提出科学家可以通过直接操纵原子的方式制造出全新的材料。
费曼的那次演讲寓言了纳米技术（Nanotechnology）的出现，富勒烯则是纳米领域第一个广为人知的研究成果，碳纳米管和石墨烯则是第二个和第三个。美国IBM公司于1981年发明的扫描隧道电子显微镜（STM）则为纳米技术提供了一个极为有用的工具，从此人类不但可以直接看到原子，甚至可以用这台显微镜直接操纵原子，使其按照人类的意愿重新排列。IBM公司就曾经利用STM将25个氙原子排成IBM商标，把此前只存在于科幻小说的情节变成了现实。
按照通用的定义，纳米技术研究的是直径在0.1～100纳米范围内的东西。处于这一尺度的物质经常会做出一些违反直觉的事情，这就是纳米研究之所以吸引人的主要原因。目前纳米技术的实际应用主要集中在微电子、能源、表面活性剂和服装纤维等领域，但除了微电子之外，其余领域的应用范围都不大，产值也不高。美国国家科学基金会（NSF）曾经在2001年时预测纳米技术的产值将在2015年时达到1万亿美元的水平，但直到2020年，纳米技术的全球市场总产值也仅为700多亿美元，远低于预期，尤其和人工智能、无人驾驶和移动互联网这三项后来居上的高新技术相比，差距更是明显。
除了技术上的困难之外，纳米技术发展缓慢的一大原因就是公众的支持度不够，尤其在西方国家，无论是严肃媒体还是娱乐新闻，只要涉及纳米技术，往往不是警告就是质疑，鲜有正面描述。比如美国著名畅销小说作家麦克尔·克莱顿（Michael Crichton）曾经写过一本名为《猎物》（Prey）的惊险小说，暗示纳米技术具备某种先天的危险性，早晚有一天会失控。因为这个原因，纳米领域的从业人员一直非常低调，生怕这项技术成为大众讨论的焦点，最终和转基因技术一样成为公众舆论的牺牲品。
纳米技术的遭遇告诉我们，科技的发展并不总是随心所欲的。人类在材料领域的进步比起其他领域来讲似乎慢了很多，我们至今也没能研制出开不坏的汽车、冬暖夏凉的服装面料、常温常压下的超导材料，更不用说一架能够直通空间站的“天梯”了。于是今天世界上的大多数人仍然像他们的父母辈那样，住在钢筋混凝土盖的房子里，穿着棉花或化纤织成的衣服，使用金属和塑料制造的工具。
唯一不同的是，由于生产效率的不断提高，这些属于上个世纪的材料都变得越来越廉价了，于是我们再也不用像祖辈们那样珍惜它们，而是用坏了就换新的，修都懒得修。就这样，人类被自己发明的新技术惯坏了，变成了一个喜欢浪费的物种，这个坏习惯总有一天会让人类吃苦头。
结语
美国宇航员斯考特·凯利（Scott Kelly）在国际空间站生活了将近一年，回到地球后写了本书，记录了他在太空中的生活，书名叫做《我在太空的一年》（Endurance：A Year in Space, a Lifetime of Discovery）。
书中详细描述了太空行走的整个过程，其中有一个小细节给我留下了深刻的印象。宇航员们穿好太空服之后，进入一个特殊的太空舱，然后关上舱门，和生活区彻底隔离开。读到这里，我以为他们接下来就会打开舱门，飘向太空了，但宇航员们还要做一件事，那就是打开抽气阀门，把这个特殊太空舱里的空气抽干净，之后才会打开舱门飘出去。
换句话说，就这么一点点空气，他们也舍不得丢掉，因为在太空里，任何一点物质都是非常宝贵的。
如果我们把视角放远一点，不难发现宇宙中虽然充满了能量，但99.99%的空间都是真空，原子是极其罕见的存在。而分子量比氦大的原子更是少见，太阳系里只有在几颗固态的行星以及它们的卫星上才能找得到。
我们所说的材料，绝大部分都是由这些大分子量的原子组成的。从某种意义上说，这些材料才是宇宙中最宝贵的东西，我们没有任何理由浪费。
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