《后汉书·宦者列传》中记载：“蔡伦，字敬仲，桂阳人也。以永平末始给事宫掖，建初中，为小黄门。及和帝即位，转中常侍，豫参帷幄。伦有才学，尽心敦慎，数犯严颜，匡弼得失。每至休沐，辄闭门绝宾，暴体田野。后加位尚方令。永元九年，监作秘剑及诸器械，莫不精工坚密，为后世法。”
这段话基本将蔡伦的生平做了一个较为全面的交代，实际上蔡伦也是宦官出生，出生平寒的蔡伦，从小随父辈种田，但他聪明伶俐，很会讨人喜欢。汉章帝刘炟即位后，常到各郡县挑选幼童入宫。
公元75年，蔡伦被选入洛阳宫内为太监，当时他约15岁。进宫后，蔡伦勤奋学习，进步很快，最后因为成绩优异，被任命为小黄门。由此开始，他走上了仕宦之路，担任过黄门侍郎，掌管宫内外公事传达及引导诸王朝见、安排就座等事。
真正让他与造纸扯上关系，是从公元97年担任尚方令开始。当时，窦太后卒，和帝亲政。公元102年，和帝立邓绥为皇后，邓绥喜欢舞文弄墨，蔡伦为投其所好，甘心屈尊兼任尚方令，主管宫内御用器物和宫廷御用手工作坊。
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在此后的日子里，蔡伦将所有精力都投入到了技术工作中。同时，由于职务上的便利，他有机会观察和接触生产实践的条件。每有空闲，他就闭门谢客，亲自到作坊进行技术调查，学习和总结工匠们多年积累的丰富经验，再加上他自己的聪颖创新，对发展当时的金属冶炼、铸造、锻造及机械制造工艺起到了不小的推动作用。
如当时的钢刀制造以炒铁为料，经多次锻打而百炼成钢。当时所制造的器物在质量、性能及外观上确实是精工制造，堪为后世仿效。
不过，蔡伦最大的成就在于造纸方面。在观察乡间作坊时，他意外的看到了这样一种现象：蚕妇缫丝漂絮后，竹簟上往往会留下一层短毛丝絮，揭下似缣帛，可以用来书写。于是，蔡伦从中得到了巨大的启发，他开始收集树皮、废麻、破布、旧鱼网等原料，在宫廷作坊施以锉、煮、浸、捣、抄等法，试用植物纤维造纸。
功夫不负有心人，终于造出了植物纤维纸。高兴之余，蔡伦将造纸过程、方法整理之后，写成奏章，连同造出来的植物纤维纸，呈报给汉和帝，和帝大加赞赏，蔡伦造纸术很快传开。人们把这种纸称为“蔡侯纸”，全国“莫不从用焉”。
和帝有福见到这种新型的纸，却没福体验其书写的便捷，在植物纤维纸出现的同年，和帝就死了，邓皇后所生的儿子，不足百天的殇帝刘隆继位，在位不足1年，病死，终年两岁，成为历史上年龄最小的皇帝。接下来登上帝位的是13的少年刘祜，是为安帝。皇帝年幼，实际掌权人物为邓绥，她继续重用蔡伦，并封他为“龙亭侯”，一下从一个“小黄门”，跃身成为王侯贵胄。
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本来，蔡伦发明纸这件事也算板上钉钉了，因为《后汉书·蔡伦传》上说：“自古书契多编以竹简，其用缣帛者谓之为纸。缣贵而简重，并不便于人。伦乃造意用树肤、麻头及敝布。鱼网以为纸。元兴元年，奏上之。帝善其能，自是莫不从用焉，故天下咸称‘蔡侯纸’。”
作为中国公认的正史，应该可信度较高，因此，后来的一些中、外着作，都据以尊东汉时代的蔡伦是纸的发明者，把他向汉和帝刘肇献纸的公元105年，作为纸的诞生年份。
然而，从近代开始，考古专家陆续发现了一些早于东汉“蔡侯纸”的纸。如1986年，甘肃天水放马滩再次发现了西汉时期的古纸，与以往考古发现不同的是，这次出土的古纸质量较好，纸面平整光滑，质地薄而软，上面还有用细墨线绘制的山川、河流、道路等图形。
经专家考证，这张古纸的“生日”是西汉早期，比东汉蔡伦造纸的历史早了300多年。所以，这张目前为止世界上所知最早的天水放马滩纸，成为中国在西汉早期就有优秀纸张的唯一物证。
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由此也可以印证一些考古专家有关蔡伦不是纸的发明者的这一推论，并由此推断蔡伦是造纸术的改造者，而不是发明者。蔡伦只是扩大了造纸原料的来源，把树皮、破布、麻头和鱼网这些废弃物品都充分利用起来，降低了纸的成本，尤其是用树皮做原浆纸的先声，为造纸业的发展开辟了广阔的途径。显然，这种说法更接近于历史的真相。
不过，无论如何，作为造纸术的改进者，蔡伦所作出的成就是值得后人颂扬的。正因为植物纤维纸的大行其道，才让中华文化以其为载体逐渐繁荣和进步起来。
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