指南针、火药、造纸术
四大发明是指中国古代对世界具有很大影响的造纸术、指南针、火药及印刷术四种发明，它的说法最早由英国汉学家艾约瑟提出。
四大发明对中国古代的政治、经济、文化的发展产生了巨大的推动作用，且这些发明经由各种途径传至西方，对世界文明发展史也产生了很大的影响。
尽管中华文明有很多重要的成就都以“四大”“五大”等命名，如四大美人、四大古典小说、四书五经，四大发明的概念却来源于西方学者，并在之后被中国人接受。
意大利数学家杰罗姆・卡丹早在1550年就第一个指出，中国对世界所具有影响的“三大发明”：是司南（指南针）、印刷术和火药。并认为它们是“整个古代没有能与之相匹敌的发明。”
1620年，英国哲学家培根也曾在《新工具》一书中提到：“印刷术、火药、指南针这三种发明已经在世界范围内把事物的全部面貌和情况都改变了。”
而后，在1861～1863年，马克思和恩格斯更是将这些发明的意义推到了一个高峰，马克思在《机械、自然力和科学的运用》中写道：“火药、指南针、印刷术――这是预告资产阶级社会到来的三大发明。火药把骑士阶层炸得粉碎，指南针打开了世界市场并建立了殖民地，而印刷术则变成了新教的工具，总的来说变成了科学复兴的手段，变成对精神发展创造必要前提的最强大的杠杆。”
恩格斯则在《德国农民战争》中明确指出：“一系列的发明都各有或多或少的重要意义，其中具有光辉的历史意义的就是火药。现在已经毫无疑义地证实了，火药是从中国经过印度传给阿拉伯人，又由阿拉伯人和火药武器一道经过西班牙传入欧洲。”
英国汉学家麦都思指出：“中国人的发明天才，很早就表现在多方面。中国人的三大发明（航海罗盘（司南），印刷术，火药），对欧洲文明的发展，提供异乎寻常的推动力。”
四大发明
来华传教士、汉学家艾约瑟最先在上述三大发明中加入造纸术，他在比较日本和中国时指出“我们必须永远记住，他们（指日本）没有如同印刷术、造纸、指南针和火药那种卓越的发明。这个发明清单被后来的著名英国生化学家、历史学家和汉学家李约瑟发扬光大。
指南针是用以判别方位的一种简单仪器。前身是司南。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向。常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。指南针的N指北方，E指东方，W指西方，S指南方。
中国是世界上公认发明指南针（Compass）的国家。指南针的发明是我国古代劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的结果。由于生产劳动，人们接触了磁铁矿，开始了对磁性质的了解。人们首先发现了磁石吸引铁的性质，后来又发现了磁石的指向性。经过多方面的实验和研究，终于发明了实用的指南针。最早的指南针是用天然磁体做成的，这说明中国古代劳动人民很早就发现了天然磁铁及其吸铁性。据古书记载，远在春秋战国时期，由于正处在奴隶制社会向封建社会过渡的大变革时期，生产力有了很大的发展，特别是农业生产更是兴盛发达，因而促使了采矿业、冶炼业的发展。在长期的生产实践中，人们从铁矿石中认识了磁石。最早的指南针是司南。
指南针历史
“中国最早的指南针理论，是建立在阴阳五行学说基础上的‘感应说’。”关增建介绍，11世纪中叶时中国大科学家沈括还对指南针感到匪夷所思，他的《梦溪笔谈》介绍了指南针的人工磁化方法、磁偏角的发现和指南针的架设方法，但对指南针为什么会指南却没有一点概念――“磁石之指南……莫可原其理！”随后，文人学者们从阴阳五行学说出发，结合当时人们对大地形状的认识，提出各种指南针理论。例如，最晚成书于宋代的《管氏地理指蒙》，首先提出如下逻辑：
“磁针是铁打磨成的，铁属金，按五行生克说，金生水，而北方属水，因此北方之水是金之子。铁产生于磁石，磁石是受阳气的孕育而产生的，阳气属火，位于南方，因此南方相当于磁针之母。这样，磁针既要眷顾母亲，又要留恋子女，自然就要指向南北方向。”
南宋人的指南针原理，仍认为“指南针之所指，即阳气之所在”，只是围绕磁偏角现象，立论依据更多转向地理方位的坐标系统――中国古人认为地是平的、大小有限，这样地表面必然有个中心，过该中心的那条子午线就是唯一的南北方向。南宋人曾三异等认为，一旦测量地点不在这条南北线上，指南针所指向自然“少偏”。到明代，有人假托南唐人著作指出，指南正针由大地方位系统决定，而偏角则由天体方位划分系统所决定。关增建认为，这种说法“体现了传统指南针理论在阴阳感应学说和磁偏角的存在这一矛盾面前所表现出来的窘迫”。
明万历年间（公元1573～1620年），传教士来华，带来西方的指南针理论、地球学说以及相关科技知识。受其影响，中国学者开始从新的视角探讨指南针理论问题，在此过程中，阴阳五行的作用不断淡化，力学角度的分析不断增加，但吉尔伯特1600年提出的科学理论连西方学界都没统一，更谈不上入主东土。传教士中，1658年抵华的比利时耶稣会士南怀仁的指南针理论最系统，但他认为决定磁针指向的是地球的地理南北两极本身，理论仍然局限在古代科学的范围，而不像吉尔伯特认识到地球本身存在一个磁体。南怀仁理论在中国影响深远，直到19世纪中叶，中国仍有学者用它解释指南针问题。而此时，清末来华的传教士已开始着手把西方近代磁学知识介绍给中国了。
先秦时代我们的先人已经积累了许多这方面的认识，在探寻铁矿时常会遇到磁铁矿，即磁石（主要成分是四氧化三铁）。这些发现很早就被记载下来了。《管子》的数篇中最早记载了这些发现：“山上有磁石者，其下有金铜。”其他古籍如《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早就被人发现，《吕氏春秋》九卷精通篇就有：“慈招铁，或引之也。”那时的人称“磁”为“慈”他们把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为：“石是铁的母亲，但石有慈和不慈两种，慈爱的石头能吸引他的子女，不慈的石头就不能吸引了。”据说秦始皇统一六国后，在咸阳附近修阿房宫，宫中有一座门是用磁石做成，如果有人身穿盔甲，暗藏兵器，入宫行刺，就会被磁石门吸住。这个故事告诉我们，古代劳动人民很早就掌握了磁学知识。
当把两块磁铁放在一起相互靠近时，有时候互相吸引，有时候相互排斥。人们都知道磁体有两个极，一个称N极，一个称S极。同性极相互排斥，异性极相互吸引。那时的人们并不知道这个道理，但对这个现象还是能够察觉到的。
到了西汉，有一个名叫栾大的方士，他利用磁石的这个性质做了两个棋子般的东西，通过调整两个棋子极性的相互位置，有时两个棋子相互吸引，有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝，并当场演示。汉武帝惊奇不已，龙心大悦，竟封栾大为“五利将军”。栾大利用磁石的性质，制作了新奇的玩意蒙骗了汉武帝。
指南针的始祖大约出现在战国时期。它是用天然磁石制成的。样子像一把汤勺，圆底，可以放在平滑的“地盘”上并保持平衡，且可以自由旋转。当它静止的时候，勺柄就会指向南方。古人称它为“司南”，当时的著作《韩非子》中就有：“先王立司南以端朝夕。”“端朝夕”就是正四方、定方位的意思。《鬼谷子》中记载了司南的应用，郑国人采玉时就带了司南以确保不迷失方向。
春秋时代，人们已经能够将硬度5度至7度的软玉和硬玉琢磨成各种形状的器具，因此也能将硬度只有5.5度至6.5度的天然磁石制成司南。东汉时的王充在他的著作《论衡》中对司南的形状和用法做了明确的记录。司南是用整块天然磁石经过琢磨制成勺型，勺柄指南极，并使整个勺的重心恰好落到勺底的正中，勺置于光滑的地盘之中，地盘外方内圆，四周刻有干支四维，合成二十四向。这样的设计是古人认真观察了许多自然界有关磁的现象，积累了大量的知识和经验，经过长期的研究才完成的。司南的出现是人们对磁体指极性认识的实际应用。但司南也有许多缺陷，天然磁体不易找到，在加工时容易因打击、受热而失磁。所以司南的磁性比较弱，而且它与地盘接触处要非常光滑，否则会因转动摩擦阻力过大，而难于旋转，无法达到预期的指南效果。而且司南有一定的体积和重量，携带很不方便，这可能是司南长期未得到广泛应用的主要原因。
司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成，青铜盘上刻有二十四向，置磁勺于盘中心圆面上，静止时，勺尾指向为南。
每块磁铁两头都有不同的磁极，一头叫S极，另一头叫N极。我们居住的地球，也是一块天然的大磁体，在南北两头也有不同的磁极，靠近地球北极的是S极，靠近地球南极的是N极，也正是因为地磁极和地理两级不完全重合，才出现了地磁偏角现象。我们知道，同性磁极相斥，异性磁极相吸引，所以，不管在地球表面的什么地方，拿一根可以自由转动的磁针，它的N极总是指向北方，S极总是指向南方。
二千多年以前，也就是春秋战国时候，中国已经用铁来制造农具了。劳动人民在寻找铁矿的时候，就发现了磁铁，并且知道它能够吸铁。
《梦溪笔谈》是沈括（1031―1095年）所著的有关中国古代科学技术的著作，书中谈到磁学和指南针的一些问题。他在《梦溪笔谈》的补笔谈中谈到了摩擦法磁化时产生的各种现象：“以磁石摩针锋，则锐处常指南，亦有指北者，恐石性亦不……，南北相反，理应有异，未深考耳。”这是说，用磁石去摩擦缝衣针后，针锋有时指南，也有时指北。磁石都有N和S两个极，磁化时缝衣针针锋的方位不同，则磁化后的指向也就不同。但沈括并不知道这个道理，他真实的记录了这个现象并坦白承认自己没有做深入思考。以期望后人能进一步探讨。
指南龟是当时流行的一种新装置，将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内，在木龟腹下方挖一光滑的小孔，对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上，这样木龟就被放置在一个固定的、可以自由旋转的支点上了。由于支点处摩擦力很小，木龟可以自由转动指南。当时它并没有用于航海指向，而用于幻术。但是这就是后来出现的旱罗盘的先声。
指南龟发明年代不晚于1325年。木块刻成龟型，龟腹部中心嵌以磁体，木龟安放在尖状立拄上，静止时首尾分指南北。
要确定方向除了指南针之外，还需要有方位盘相配合。最初使用指南针时，可能没有固定的方位盘，随着测方位的需要，出现了磁针和方位盘一体的罗盘。罗盘有堪舆用的罗经盘和水罗盘、旱罗盘。
盘面周围刻二十四方位，内中盛水，磁针横穿灯草，浮于水面。
人们已经知道，地球的两个磁极和地理的南北极只是接近，并不重合。磁针指向的是地球磁极而不是地理的南北极，这样磁针指的就不是正南、正北方向而略有偏差，这个角度就叫磁偏角。又因为地球近似球形，所以磁针指向磁极时必向下倾斜，和水平方向有一个夹角，这个夹角称为磁倾角。不同地点的磁偏角和磁倾角都不相同。成书于北宋的《武经总要》在谈到用地磁法制造指南针时，就注意利用了磁倾角。沈括在《梦溪笔谈》谈到指南针不全指南，常微偏东。指出了磁偏角的存在。磁偏角和磁倾角的发现使指南针的指向更加准确。
魏晋南北朝时，中国先民对磁石的性质已有了很多认识。就连当时的诗人曹植在矫志诗中也用了“磁石引铁，于金不连。”的句子。可见他也了解磁石的性质。南北朝梁代的陶弘景在《名医别录》中提出了磁力测量的方法，他指出：优良磁石出产在南方，磁性很强，能吸引三、四根铁针，使几根针首尾相连挂在磁石上。磁性更强的磁石，能吸引十多根铁针，甚至能吸住一、二斤刀器。陶弘景不仅提出了磁性有强弱之分，而且指出了测量方法。这可能是世界上有关磁力测量的最早记载。
磁石吸铁是因为每块磁石两头都有不同的磁极，一头叫正极，另一头叫负极。人类居住的地球也是一块天然大磁铁，地球的南北两头也有不同的磁极，地球的北极是负磁极，地球南极为正磁极。根据同性磁极相排斥，异性磁极相吸引的原理，拿一根可以自由转动的磁针，无论站在地球的什么地方，它的正极总是指北，负极总是指南。
战国时期，人们利用磁石指示南北的特性制成了指南工具──司南。但是，战国时期的司南是什么样子无法考证。《中国历史》课本插图──“司南”，是根据中国历史博物馆展品“汉代司南模型”绘制的。这个模型是后人根据史书记载以及地下出土的汉代地盘实物制成的。地盘是青铜做成的，内圆外方，中心圆面磨得非常光滑，以保证勺体指示方向的准确性。中心圆外围依次布列八卦、天干、地支和二十八宿，共计二十四个方位。地盘中心的小勺是用整块的天然磁铁磨成的，磁铁的正极磨成司南的长柄，勺头底部是半球面，非常光滑。使用时先把地盘放平，再把司南放在地盘中间，用手拨动勺柄，使它转动，等到司南停下来，勺柄所指方向就是南方。这种勺形司南直到八世纪时仍在应用。
中国古代四大发明中为哥伦布提供保证的是指南针。中国指南针的外传，欧洲造船业和航海术的发达，为远洋航行和开辟新航路提供了条件。其中最先取得发展的是葡萄牙人，他们的船队向东航行；其次是西班牙人，他们另辟海途，转而西航。
在哥伦布1492年的第一次航行中，他在巴哈马群岛的一个他叫作“圣萨尔瓦多”的地方登陆，而不是计划中的日本。在后来的三次航行中，哥伦布到达过大安的列斯群岛、小安的列斯群岛、加勒比海岸的委内瑞拉、以及中美洲，并宣布它们为西班牙帝国的领地。
哥伦布的首次远航探险、航渡美洲在地理开发史上具有重大的意义。哥伦布一行到达了美洲东部中段的印度群岛的两个大岛古巴、海地和若干小岛，从而拉开了发现新大陆的帷幕。哥伦布一行开辟了从欧洲横渡大西洋到美洲并安全返回的新航路，从而把美洲和欧洲、进而把新大陆和旧大陆紧密地联系起来。
哥伦布对他以为的“西印度地区”做了较详细的记载和描绘，使旧大陆的人们对这里有了初步的认识和了解。至此，由葡萄牙人开创的中世纪晚期以来的地理到达从量变发展到质变，从渐进演化成飞跃，从而开始了地理大发现。
指南针
我国的四大发明分别是造纸，印刷，指南针，火药。那么在传播到欧洲之后，随着航海时代的到来，又由欧洲人传播到了全世界。像题主说的哥伦布探索发现美洲，就是四大发明在实践上的重要应用。首先航海的最基本需求就是分辨方向，那么指南针就可以保证即使在大雾天或者是无法见到星星太阳月亮等星体的时候帮助航行者分辨方向。其次，在探索陌生的美洲大陆时，火药可以帮助哥伦布这些探险家更容易的保持火源，同时还可以作为武器保护自己。最后，不论是记录航线还是记录探索的各类见闻，都需要造纸术所制造的纸张，并且使用印刷术来保存和传播这些知识。所以四大发明其实为了哥伦布的探险都提供了重要的保证。如果一定要选一个最重要的保证，那么应该就是指南针了。毕竟在大海航行，如果没有指南针分辨方向，那么几乎是肯定不可能发现美洲大陆的，如果没有登陆的话，后续那些作用也就无从谈起了
中国文化历史悠久，其著称于世的古代四大发明，更是闪耀着中华民族的智慧之光。造纸术、印刷术、指南针和火药的发明，是中国在世界科技史上的杰出贡献，更为世界科学文化成果的传播和交流有着不可磨灭的突出成就。
图1
伟人曾说过：“在很早的时候，中国就有了指南针的发明。还在一千八百年前，已经发明了造纸法。在一千三百年前，已经发明了刻板印刷。在八百年前，更发明了活字印刷。火药的应用，也在欧洲人之前。所以，中国是世界文明发展最早的国家之一，中国已有了将近四千年的有文字可考的历史。”
造纸术――化腐朽为神奇
“茭白犹霜雪，方正若布棋。宣情且记事，宁同鱼网时。”――南朝梁元帝萧绎
造纸术作为我国古代科学技术的四大发明之一，从古至今，在人类的文明发展史上都占据着举足轻重的地位。造纸术最早起源于西汉时期，经过不断的发展和改造，逐渐达到鼎盛时期。
造纸术的每一段发展历程，都为当时社会的政治、经济、文化等带来了不可估量的影响。造纸技术自诞生后，在经历了不断的成长和发展，而达到了辉煌至鼎盛的时期。
图2
西汉元年时期，中国就已经出现了造纸技术，但由于当时造纸技术的“技术含量”较高，所以社会上所流行的书写材料呈现出竹，帛，纸并行的局面。
到了东汉元兴元年，蔡伦在原有的造纸技术上加以改进。《蔡伦转》中有言“伦典尚方作纸，用故麻名麻纸，木皮名毂纸，鱼网名网纸。”经蔡伦改进而成的造纸术，就是将废弃的麻头、破布、树皮、旧鱼网等用水浸泡后，切碎，再加草木灰蒸煮，舂捣打浆，最后将纸张捞出，然后“苫”或“篑”来抄造，以保证纸张成型。这种造纸技术极大的提高了纸张的质量，因其原料廉价，且极易寻得，再加上蔡伦造纸术经的不断推广和改进，纸张慢慢进入到日常生活用品。后人也将这种纸称为“蔡侯纸”，以纪念蔡伦造纸技术的伟大功绩。
古代造纸术直到魏晋南北朝时期，才得到了空前的发展。人们逐渐开始使用纸质档案来记录人类实践活动的内容，纸张得以全面取代了简牍、绵帛成为了社会普遍的书写用具，甚至在国外都有着显著的影响。
图3
中国古代造纸术最先传入与我国毗邻的朝鲜和越南，东汉末年期间，又经由朝鲜传入日本。唐朝时期，造纸术传入阿拉伯，直到十二世纪中叶，阿拉伯人才将造纸技术传入欧洲。公元1276年，意大利建造了第一家造纸厂；公元1348年，法国相继建立多家造纸厂。因为法国纸张的出口，德国也随之在14世纪建立自己的造纸厂。而英国在15世纪才传入造纸技术。总体来说，欧洲的造纸业在17世纪才全面发展开了，比中国要落后很久。
中国古代造纸术的出现，为世界科学、文化和信息的传播提供了极大的便利途径，也在一定程度上促进了国家政治、经济、文化的发展，其实用价值不可估量，更具有着划时代的重要意义。
印刷术――踏“印”寻源
印刷术的发明同样是人类历史上最伟大的发明之一，印刷术和造纸术都是中国对世界科学文化发展所作出的巨大贡献。
在公元前4世纪，也就是战国时期，私人印章可谓是最早的印刷术了。那时称之为“玺”，但秦时双灭六国后，将楚国的和氏璧凿为国玺，“玺”字自此成为封建帝王的专属，一般人的玺只得称为印章。最初的印章都多是凹入的阴文，用封泥之上。
图4
由此可知战国和秦汉时期出现的印章、拓碑等用以复制文字、图画的方法，为活字印刷的诞生提供了技术储备条件。而随着纸和墨的诞生，也逐渐为活字印刷的诞生奠定了坚实的物质基础。
到了唐代，将印章和拓碑这两种方法逐渐结合在了一起，从而形成了雕版印刷术。其操作方法非常的简单，就是在木质比较坚硬的枣木或梨木上面刻写用以印版，印版前先在版面上刷上一层墨汁，然后将柔软的纸张附在上面，用鬃刷来回压几遍，最后揭下，就完成了一张印制。雕版印刷的出现代替原始的人工抄写，印制出来的印品也更为准确、规范、整齐。
在敦煌千佛洞所发现的长达488厘米、宽约0.3厘米，高24.2厘米的《金刚经》，就是王d在唐懿宗咸通九年，使用雕本印刷技术刻印而成的佛教经书，足以看出当时雕本印刷技术的成熟。
图5
但随着社会文化的不断发展，刻书的范围不断增加，所需书籍的数量急剧增多，雕版印刷术的不足逐渐显现出来。于是，人们就开始寻求一种更为便捷，更为经济的印刷技术，活字印刷术应运而生。