物理世界（七）

刘文旺

二、中国古代物理成就

     同西方国家不一样的是，中国在物理学上的成就主要是在从事于农业生产过程中获得的。西方主要是在航海、工业活动过程中产生的。但是，他们有一个共性，那就是都具有明显的实用性。

在力学部分

     我国历史上的力学理论，具有完善的概念体系。只是应用的数学部分相对较少。因此，从精度上看是欠缺的。没有产生明显的数学语言。

     长度的单位，基本上取自我们的身体，《家语》中就有这样的记载“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻”等等。体积的单位有合、升、斗等。

     我国古代有专司天文历算的官职。《隋志》上有记载：漏刻之制，盖始于黄帝，其后因以命官”。漏壶的种类很多。

     在北京故宫等地方还保留有古代日晷。日晷面与赤道面平行，表针指向天极，形成太阳计时器。

     此外，还有比重（密度）的概念。

     《汉书食货志》：“黄金方寸，其重一斤，白金方寸，重一十四两”（一斤等于十六两）。

     在运动学方面，我们的共享就更明显一些。并且具有很深的认识。

     宋均注释的《尚书》中有“地有四游”，并提出了以下著名的论断：“地恒动而不止，而人不止，譬人在巨舟中闭牖而坐，舟行而不觉也”。这一点比哥白尼、伽利略的观点早1500年。智慧的人的想法往往是一致的——所谓英雄所见略同呀。伽利略正是用封闭的大船的运动来诠释他的相对性原理的。晋人葛洪在《抱朴子》中也指出：“云游西行，而谓月之东行”。

这里诠释了运动的相对性:

伽利略在《对话》中写道：当你在密闭的运动着的船舱里观察力学过程时，“只要运动是匀速的，决不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将像先前一样，垂直滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾，虽然水滴在空中时，船已行使了一段距离。鱼在水中游向水碗前部所用的力，不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇将继续随便地到处飞行，它们也决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离了船的运动，为赶上船的运动显出累的样子。如果点香冒烟，则将看到烟像一朵云一样向上升起，不向任何一边移动。所有这些一致的现象，其原因在于船的运动是船上一切事物所共有的，也是空气所共有的。”

     在《考工记·轮人》记载了斜抛运动。而在《墨经》中，描述了刚性球的运动。

     在动力学方面，我们提出的概念更具有明显的物理特征。

    《考工记·轮人》就有这样的描述，马的体力用完后，车还能向前运动一段距离。这是一种典型的惯性运动。这种对惯性的认识，比伽利略、牛顿提出的惯性概念、惯性运动概念早得太多了。

     在《墨经》中还有更深认识的描述：“力，刑之所以奋也

”。刑只受力物体，奋指受力而运动物体的物体，从静止到运动，从慢速运动到快速运动的过程。因此，这实际上描述了牛顿第二定律的内容——力使物体产生变速运动的原因。只是没有上升为数学描述得语言——牛顿第二定律的公式而已。若当年我们使用了数学，则发现牛顿定律的可能就不是牛顿先生了。不知牛顿先生在九天之上适合感觉。

王充在《论衡》中说：“且田与宅惧人所制，兴功用力，劳佚均等……必铨功之小大，立远近之步数，假令起三尺之功，食一步之内，起十丈之役，食一里之外，功有小大”。这里就有了物理学中物理做功的概念。

在应用力的平衡方面，我国古代隋朝李春在公元605年建造的赵州桥经历了1300多年，只是下沉了5厘米。

在我国的《农政全书》中有这样的记载：在干旱的时候，挖井浇地种植庄稼。到了春秋我国已经出现了天平、称、剪等工具。

     我国的《墨经》中还记载了杠杆原理。这比阿基米德的杠杆原理可早多了。

    伟大呀，我的古老先民！

     《晋书·天文卷》记载了浑天仪，《后汉书·张恒传》上记载了候风地动仪。并记载了它记载的事实：公元138年3月10日甘肃大地震的情况：“尝一龙机发而地不觉动，京都学者咸怪其无征。后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙，自此以后，乃令史官记地动所方起”

     可见其灵敏读之高已经达到了惊人的程度。直到今天，地震预报仍是一个还没有解决的世界难题。候风地动仪甚至在今天都有使用的价值。记得小的时候，发生过唐山大地震，有人就使用类似的东西，感知目的真的发生，稍有一点的变动，人就会全家跑出家门躲避。

     我们中国有着悠久的历史，创造了灿烂的文化。编钟是世界上独一无二的发明。记载了先民的智慧。从地下发掘出的没藏上千年的编钟还能使用，能听到他演奏的声音（电视台中真的用这一套编钟进行了演奏），仿佛又回到了几千年之前。这一使我们非常自豪。美国是很发达的，但是，在发达他们也品尝不到这种自豪感。

     在殷商使其出土的文物和典籍中记载着各种乐器，据《诗经》记载，大约有29种乐器。1978年陕西扶风出土了西周青铜编钟、1979年湖北随县出土的战国时期的乐器就有124件。这一方面说明我们在声学上的成就，另一方面，也让体现了我国冶金技术的先进性。

     王充在《论衡·论死篇》中分析人的讲话是“气括口喉之中，动摇其舌”。这就论述了物体发声的原因，在于震动。这一点与现代的声学的认识是完全一样的。

     此外，《考工记》中有钟鼓发生的响度的描述、《礼记·乐记》中有关于音色的记载。明朝音乐学家在1584年提出“十二平均律”时，还发现了无理数的数值：

=1.41421356237095048801689，其精度已经达到了很高的程度。

     魏《水经注》四世纪时，陈遵造江陵金堤，利用从高处发出的鼓声传导低处所用的时间，准确地没计算出了两地的距离。这是利用声音传递速度于实际生活中的典型例子。

     据沈括记载，士兵夜枕空牛皮囊，感知敌人的行军使得声音。这不但声音能得到放大，地面是固体传递声音的速度快于空气。可以增加预警时间。

     北京天坛的回音壁，应用了声波的传递特点。这个地方我带儿子去过，从一旁的喊声，可以从另一个地方隐约感知到。只是当时的人很多。若是在晚上且人很少的情况下，一定会有很好的效果，当时的人们，无不赞美古人的伟大。身边的几个老外也傻乎乎地跟着我们一起做，并不停地发出赞美的声音。

     在热学方面，我古老国民有很深的造诣。《华阳园志·蜀志》记载：李冰父子在建造都江堰得过程中，有“积薪烧之”。就是利用物体的热胀冷缩的方法，开山辟岭。

《考工记》：“凡铸金之状，金与锡，黑浊之气竭，黄白次之，黄白之气竭，青白次之，青白之气竭，青气次之，然后可铸也”这一段描述了物体的温度与颜色的关系。我们有一句俗话说实物的温度达到了很高的程度时，总爱用如火纯青来描述，而青色对应的温度已经上千度了。可见，当时我们的冶炼术已经是很高明了。

当然，我们的记载有些也有化学的知识，如我国的五行说认为，木藏火。体现了碳与氧气发生化学反应，能释放出热能的观点。

     在电学方面，沈括的《梦溪笔谈》中有这样的记载：“一家遭雷后，宝刀银器等熔化流一地，而草木无一毁者”。《三国志·吴书》记载了琥珀带点吸引轻小物体的现象，

     西晋张华的《博物志》上记载：“今人梳头脱著衣时，有随梳解结有光者，但有咤声”，这典型地描述了摩擦起点的过程。

     这体现了原始的摩擦生电的思想，描述的有神有色很具体。这一现象在我们日常的生活中可以经常见到。可见，我们的先民们很早就注意到这一现象并把它记录下来。更为主要的是，这体现了科学探索的精神。

     我国对磁性的认识也是很早的。《管子•地数篇》记载：“山中有磁石者，其下有铜金”。这是不但是一种对磁性的认识，还把这一事实具体应用在寻找矿石的过程中。

     此外，我国的《吕氏春秋》、《鬼谷子》、《淮南子》、《山海经》均有“慈石（磁石）吸铁”的描述。例如在《淮南子》中有这样的记载：“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦责难也”！这体现了古人对具体的吸引现象分析的很透彻。现代物理认为，磁铁只能吸引贴钴镍等磁性材料。

     不仅如此，还对磁铁由明确的应用。

     《水经注》记载：秦始皇的阿房宫的大门是用磁石建成的，这样，当有刺客携带兵器经过时，就会被发现。

     《鬼谷子•谋篇》：“郑采玉者以司南指路”。

《韩非子•有度》“先王立司南，以端指夕”。

此外，1044年背诵的曾公亮《五经总要》，具体介绍了司南的做法：把薄铁片制成鱼的样子，然后沿南北方向把贴片放在冷水中冷却，尾部稍微下沉一些然后保存在有磁性的容器中。用的时候，在没有风的地方这时鱼首所指的方向就是南方。

从这里我们可以看出，古人对地磁的认识是很精准的。“尾部稍微下沉一些”这分明对应于地磁场的磁倾角的存在。在这一点上沈括做得更好。此外，沈括还发现了磁偏角现象。“针……常微偏东，不全南也”。

 我国古代的光学知识是很丰富的。《墨经》中讲述了诸如：影子的形成、影与半影的知识、光源的概念等。《墨经》在光学史上占有重要的地位，他是世界上最遭罪完整的几何光学著作。但是他的著作的缺点就是没有给出定量的阐述。

我国古代取火的工具称为"燧"，有金燧、木燧之分。金燧取火于日，木燧取火于木。根据我国古籍的记载，古代常用"夫燧"、"阳燧"（实际上是一种凹面镜，因用金属制成成，所以统称为"金燧"）来取火。古代人们在行军或打猎时，总是随身带有取火器，《礼记》中就有"左佩金燧"、"右佩木燧"的记载，表明晴天时用金燧取火，阴天时用木燧取火。阳燧取火是人类利用光学仪器会聚太阳能的一个先驱。讲到取火，古代还用自制的古透镜来取火的。公元前2世纪，就有人用冰作透镜，会聚太阳光取火。《问经堂丛书》、《淮南万毕术》中就有这样的记载："削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。"我们常说，水火不兼容，但制成冰透镜来取火，真是一个奇妙的创造。用冰制成透镜是无法长期保存的，于是便出现用玻璃或玻璃来制造透镜。

《墨经》中最为突出的成就是解释了小孔成像现象：“景倒，在午有端”。《说》：“景，光之人，煦若射，下者之人也高，高者之人也下，足蔽下光故成景于上，首敝上光，故成景于下”。

在手工方面，我们的先民们制作了平面镜、凹面镜、凸面镜、潜望镜等。并且有了初步的平面镜成像规律的描述。

墨子对凹面镜、凸面镜和平面镜成像的原理也进行了比较系统的研究，已发现了凹面镜焦点的存在。如墨家对凹面镜作了深入的观察和研究，并在《墨经》中作了明确、详细的记载。“鉴低，景一小而易，一大而正，说在中之外、内。”“低”表示深、凹之意；放在“中之内”，得到的像是比物体大而正立的。虽然他尚把球心和焦点混淆在一起，但这些实验是世界上最早的光学实验，具有重大的科学意义。李约瑟曾把墨子光学与古希腊光学进行比较，指出墨子的光学研究“比我们任何所知的希腊为早”，“印度亦不能比拟”。

北宋沈括对凹面镜的焦距作了测定。他用手指置于凹面镜前，观察成像情况，发现随着手指与镜面距离的远近变化，像也发生相应的变化。在《梦溪笔谈》中作了记载：“阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”说明手指靠近凹面镜时，像的正立的，渐渐远移至某一处（在焦点附近），则“无所见”，表示没有像（像成在无穷远处）；移过这段距离，像就倒立了。这一实验，既表述了凹面镜成像原理，同时也是测定凹面镜焦距的一种粗略方法。

墨家对凸透镜也进行了研究。《墨经》中写道：“鉴团，景一。说在刑之大。”“鉴团”即凹面镜，也称团镜。“景一”表明凸面镜成像只有一种。“刑”同形字，指物体，它总比像大。我们的祖先，利用平面镜能反射光线的特性，将多个平面镜组合起来，取得了有趣的结果。如《庄子·天下篇》的有关注解《庄子补正》中对此作了记载：“鉴以鉴影，而鉴以有影，两鉴相鉴，则重影无穷。”这样的装置，收到了“照花前后镜，花花交相映”的效果。《间经堂丛书》、《淮南万毕术》中记有“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。”表明很早就有人制作了最早的开管式“潜望镜”，能够隔墙观望户外的景物。

此外，汉代发明的透光镜，能够反射出铜镜背面的精美图像，是中国古代光学的一大发明，现在仍引起中外学者的关注。

《淮南万毕术》：“取大镜高悬，置水盆于下，则见四邻也！”可见我国古代的先民们不但有丰富的光学知识，还开拓了具体的应用研究。在日本、巴黎和我国的上海还各保留着一面西汉是制作的“透光镜”。

（未完待续）