中國古代物理學

中國古代物理學

嚴格地說，在古代世界中是沒有近代意義的物理學的，但這並不是說物理學不是歷史發展的產物。在漫長的20多個世紀中，中國古代物理學在世界上一直處於領先的地位，只是到了明、清，由於歐洲近代物理學的興起，它才顯得落後了，可以稱之為衰落時期。從「五四」新文化運動開始，中國物理學匯合於世界物理學，呈現出不同於古代物理學的新面目。

一．發展概況

先秦時期的偉大哲學家墨翟(約公元前468-前376)及其墨家學派 (公元前4世紀-公元前3世紀)在他們的論著《墨經》中記述了大量的物理知識，這是春秋戰國時期物理學成就最大的學派，《墨經》的主要成就在力學與光學方面。它探討了力的定義，敘述了慣性運動，研究了槓桿、滑輪、輪軸、斜面等裝置省力的原因，以及浮力與平衡原理，指出了光的直線傳播及反射規律以及小孔、平面鏡、凹凸面鏡的成像情況；觀察了溫度與火色的關係。同時期的《考工記》是應用力學、聲學方面的書，記載了滾動摩擦、斜面運動、慣性現象、拋物軌道、水的浮力、材料強度以及鍾、鼓、磬的發音、頻率、音色、響度及樂器形狀的關係。這時期的《管子·地數篇》、《鬼谷子》、《呂氏春秋》等書中還記載了天然磁石的吸鐵現象以及最早的指南針「司南」。

漢代王充(27～約97)的《論衡》是中國中古時期的百科全書。在力學方面指出外力能改變物體的運動狀態，改變運動速度。而內力不能改變物體的運動，還討論了相對運動，在聲學方面研究了聲的發生、傳播與衰減，並用水波做比喻。在熱學方面研究了熱的平衡、傳導及物態變化。在光學方面闡述了光的強度、光的直線傳播及球面聚焦現象。在電磁學方面記錄了摩擦起電及磁指南器。

在唐代，《玄真子》中記敘了人造虹的簡單實驗：「背日噴水」。唐人將風力分為八個等級。了解到共鳴的道理並應用於音樂中，並指出了雷與電的關係。

宋代沈括(1031-1095)的《夢溪筆談》具有很高的科學價值，被稱為 「中國科學史上的坐標」，其主要成就是在聲學、光學、磁學方面。他研究了聲音的共振現象、針孔成像與凹凸鏡成像規律，形象地說明了焦點、焦距、正倒像等問題；研究了人工磁化方法，指出了把磁場的磁偏角，討論了指南針的裝置方法，為航海用指南針的製造奠定了基礎。他還研究了大氣中的光、電現象。

元代的趙友欽(1279-1368)在《革象新書》中研究了光的直進、針孔成像，利用模擬實驗研究月亮盈虧以及日、月蝕。他擅長用比喻解釋自然現象，使之生動、形象，易於被人們理解。

在明、清時代，朱載堉(1536-1610)在《樂律全書》中用精密方法首次闡明了音樂中的十二平均律。方以智(1611-1671)兼取古今中外知識精華，在《物理小識》中涉及力、光、磁、熱學，研究了比重、濃度、表面張力及槓桿原理，螺旋原理，研究了光的反射、折射、光學儀器，進行了分光實驗解釋虹，還研究了磁偏角隨地域的變化以及金屬導熱問題。《物理小識》是300年前的一部科學著作。

在物理世界觀或宇宙觀方面，中國古代物理學(與哲學混雜在一起) 也有獨到之處。在先秦時期，墨家、惠施(公元前370-前310)提出過類似原子論的思想。他們認為物質可以分割，但分到最後存在著不可再分割的「端」， 「端」是物質的最小單位，類似於原子。但是原子論在以後並未得到發展。中國古代物理中最有特色的理論是陰陽五行說及元氣論，在漫長的中國歷史上長存而不衰。

中國古代物理學雖然在16世紀以前在世界上是領先的，而在17世紀以後卻大大落後了。然後，17世紀以後發展起來的西方近代物理學傳入中國，使中國的物理學改變了面目。 「五四」新文化運動後，中國物理學匯入世界物理學。從而使人們感到中國古代物理學遙遠了。然而，歷史的發展卻又在提示，中國古代物理學中某些深刻的思想 (如元氣論)與現代物理中的某些思想(例如場)極其相近。英國科學史家李約瑟說過一句發人深思的話：「中國傳統科學的思想複合體可能會在科學發展的最終狀態中發揮出大於人們所承認的作用」。

二．磁學成就

磁石的吸鐵性及其應用

　　我國是對磁現象認識最早的國家之一，公元前4世紀左右成書的《管子》中就有「上有慈石者，其下有銅金」的記載，這是關於磁的最早記載。類似的記載，在其後的《呂氏春秋》中也可以找到：「慈石召鐵，或引之也」。東漢高誘在《呂氏春秋注》中談到：「石，鐵之母也。以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也」。在東漢以前的古籍中，一直將磁寫作慈。相映成趣的是磁石在許多國家的語言中都含有慈愛之意。

　　我國古代典籍中也記載了一些磁石吸鐵和同性相斥的應用事例。例如《史記·封禪書》說漢武帝命方士欒大用磁石做成的棋子「自相觸擊」；而《椎南萬畢術》（西漢劉安）還有「取雞血與針磨搗之，以和磁石，用塗棋頭，曝干之，置局上則相拒不休」的詳細記載。南北朝（512～518年）的《水經注》（酈道元）和另一本《三輔黃圖》都有秦始皇用磁石建造阿房宮北闕門，「有隱甲懷刃人門」者就會被查出的記載。《晉書·馬隆傳》的故事可供參考：相傳3世紀時智勇雙全的馬隆在一次戰役中，命士兵將大批磁石堆壘在一條狹窄的小路上。身穿鐵甲的敵軍個個都被磁石吸住，而馬隆的兵將身穿犀甲，行動如常。敵軍以為馬隆的兵是神兵，故而大敗（「夾道累磁石，賊負鐵鏜，行不得前，隆卒悉被犀甲，無所溜礙」）。古代，還常常將磁石用於醫療。《史記》中有用「五石散」內服治病的記載，磁石就是五石之一。晉代有用磁石吸出體內鐵針的病案。到了宋代，有人把磁石放在耳內，口含鐵塊，因而治癒耳聾。

　　磁石只能吸鐵，而不能吸金、銀、銅等其它金屬，也早為我國古人所知。《淮南子》中有「慈石能吸鐵，及其於銅則不通矣」，「慈石之能連鐵也，而求其引瓦，則難矣」。

磁石的指向性及其應用

在我國很早就發現了磁石的指向性，並制出了指向儀器司南。《鬼谷子》中有「鄭子取玉，必載司南，為其不惑也」的記載。稍後的《韓非子》中有「故先王立司南，以端朝夕」的記載。東漢王充在《論衡》中記有「司南之杓（勺子），投之於地（中央光滑的地盤），其柢（勺的長柄）指南」。不言而喻，司南的指向性較差。北宋時曾公亮與丁度（990～1053）編撰的《武經總要》（1044年）在前集卷十五北宋曾公亮主編的《武經總要》中記載的指南魚就是如此。其法是把薄鐵片剪成魚形，燒紅後把尾部蘸入水中，使魚尾指向正北方位，並且稍微向下傾斜，然後取出，魚形薄鐵片就被磁化，讓它浮在水面，就成為可以指向的指南魚。

這種利用地磁場進行磁化的方法，是一個非常了不起的發現和發明，包含有豐富的科學道理。近代科學表明，磁鐵的磁性是由磁疇的規則排列形成的，非磁鐵由於磁疇排列雜亂無章而不具磁性。魚形薄鐵片燒紅以後，內部磁疇活動加劇，沿南北方向放置，可以在強大的地磁場作用下，使磁疇順著地磁場的方向排列。蘸入水中，則可以使磁疇的規則排列比較快地固定下來。至於魚尾稍微向下傾斜，是由於地球磁場的磁傾角作用，可以增大磁化的程度，這也反映了當時中國已經發現了地球的磁傾角。歐洲人用同樣的方法進行人工磁化，比中國晚了四百多年，磁偏角的發現是哥倫布在航海探險中於1492年發現的，而磁傾角的發現則還要更晚一些時候。

我國古籍中，關於指南針的最早記載，主要的有如下幾條：

《塋原總錄》卷一說：客主的取，宜匡四正以無差，當取丙午針。於其正處，中而格之，取方直之正也。

意思是說，要定東西南北四正的方向，必須取丙午向的針，然後在丙、午的位置，「中而格之」，找出正南的方向。亦即讓針指丙午中間的方向，則午向就是正南方向。《塋原總錄》是一部相墓書，撰於宋仁宗慶曆元年（1041年）。作者楊維德是當時的天文學家、星占學家和堪輿學家，大中祥符三年（1010年）左右任司天監保章正，專司占候變異。這條記載中所說的針，雖沒有明確指出是什麼針，但從字裡行間可以斷定是磁針無疑，說明當時已把磁針與羅經盤配套，作為定向的儀器，並且已發現了地球的磁偏角，定為正南偏東7.5度。

《夢溪筆談》卷二十四說：方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。水浮多盪搖，指爪及碗唇上皆可為之，運轉尤速，但堅滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟，綴於針腰，無風處懸之，則針常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。

《夢溪筆談》是北宋沈括所著，撰於公元1088—1095年間。這條記載明確指出指南針是方家（堪輿家）首先發明和使用的，用的是「磁石磨針鋒」的人工磁化方法製成，並且記述了水浮、置指甲上、置碗唇上和懸絲等四種指南針的裝置方法，以及各種方法的長處和缺陷，使人們對當時的指南針有較清晰的認識。文中所說的指南針「常微偏東」，說明沈括也已注意到磁偏角。

從上述材料中，我們可以看到，指南針在十一世紀時已是常用的定向儀器，有多種裝置方法，並已由指南針發現了地球的磁偏角，從而也表明指南針至少已經行用了一段時期。由此可以推斷，指南針至遲發明於十一世紀初期。如果把指南針的發明時代上溯到十世紀時的唐末或五代，也是不無根據的。如王伋（王趙卿，約十世紀末）曾留有「虛危之間針路明」的詩句；(10)佚名的《九天玄女青囊海角經》（約900年）中說：「今之象占，以正針天盤，格龍以縫針地盤」(11)等。這裡所說的「針路」、「正針」、「縫針」等，極可能就是用指南針與羅經盤配套定向的術語。

　　南宋時，陳元靚在《事林廣記》中記述了將指南龜支在釘尖上。由水浮改為支撐，對於指南儀器這是在結構上的一次較大改進，為將指南針用於航海提供了方便條件。

　　指南針用於航海的記錄，最早見於宋代朱彧（yù）的《萍洲可談》：「舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針」。以後，關於指南針的記載極豐。到了明代，遂有鄭和下西洋，遠洋航行到非洲東海岸之壯舉。西方「關於指南針航海的記載，是在1207年英國納肯（A. Neckam，1157～1217）的《論器具》中。

其它與磁有關的自然現象

　　極光源於宇宙中的高能荷電粒子，它們在地磁場作用下折向南北極地區，與高空中的氣體分子、原子碰撞，使分子、原子激發而發光。我國研究人員在歷代古籍中業已發現，自公元前2000年到公元1751年，有關極光記載達474次。在公元1～10世紀的180餘次記載中，有確切日期的達140次之多。在西方最早記載極光的，當推亞里士多德，他稱極光為「天上的裂縫」。「極光」這一名稱，始於法國哲學家伽桑迪。

太陽黑子，也是一種磁現象。在歐洲人還一直認為太陽是完美無缺的天體時，我國先人早已發現了太陽黑子。根據我國研究人員搜集與整理，自前165年～1643年（明崇禎十六年）史書中觀測黑子記錄為127次。這些古代觀測資料為今人研究太陽活動提供了極為珍貴、翔實可靠的資料。

　　遺憾的是，關於磁的認識儘管極為豐富，而關於磁現象的本質及解釋，往往又是含糊的，缺乏深入細緻的研究。就連被稱作「中國科學史上的坐標」的沈括，對磁現象也認為，「莫可原其理」，「未深考耳」，致使在我國歷史上，一直未能產生可與英國吉爾伯特《論磁》比美的著作。

春秋戰國時期（公元前770～前221年），墨子已經得到了力×力臂=重×重臂的槓桿原理，對力、運動、靜止、時空等概念，墨子也都有著精闢的論述。墨子認為，運動是由於物體受力的作用而發生，在空間中表現為位置的移動，在時間上表現為先後的變化；時間和空間既是連續的，又是由不可再分的時間基元「始」和空間基元「端」所構成的。墨子的這些力學成就，以之與古希臘物理學相比，毫不遜色。

三．力學成就

《考工記·輪人篇》在論述車輪製造時，以受力、運動和不同接觸地面的影響等因素出發，在講到輪子的形狀與運動快慢之間的關係時說：「凡察車之道……不微至，無以為速也」。「微至」是指輪和地面的接觸面積少。就是說，車輪與地面接觸少，就容易轉得快。那麼，怎樣才能達到「微至」呢？它接著指出：「欲其微至也，無所取之，取之圜（圓）。」即要盡量把輪子做成理想圓。這是在實踐中對滾動物體的滾動速度與滾動物體的接觸面積大小有關的經驗總結，是符合近代摩擦理論的。在論述如何檢驗輪子各部分是否做得均勻時，它說：「楺輻必齊，平沈（沉）必均。」「水之以視（視）其平沈之均也。」這裡水之，即浸入水中，如果「平沈」即浮沉相同，則輪子各部分必定是均勻的，就符合製作輪子的要求了。這是浮力原理在製造輪子中的應用。在論述到輪子大小對拉力（牛或馬）的影響時，它說：輪太矮，馬就老在上坡一樣。從現在力學知識看，當輪太低時，轅與地面成一角度，馬除了要克服運動阻力外，要承受部分重力，因此馬總象上坡一樣費勁。這是實踐中對斜面受力的一種極好的分析。

《考工記》還分析了與彈道有關的技術。它在《矢人篇》中說：「水之以辯其陰陽，以設其比，夾其比以設其羽，參分其羽，以設其刃，則雖有疾風，亦弗之能憚矣。」這就是說，為了要使箭在飛行中保持穩定，採取了把箭上的羽毛按一定比例對稱地安排，然後加上箭頭，則在飛行中就不怕風的影響了。接著又說：「前弱則俛（俯），後弱則翔（仰），中弱則紆（紆絗旋轉之意），中強則揚。」「羽豐則遲，羽殺則。」這說明了箭桿如果前輕後重，或前重後輕，都會影響飛行的高度；中間輕重配置不當，會影響飛行的穩定性；羽毛太多，則飛行速度慢。而羽毛太少，則箭容易落向旁側，射不到目的物。

《考工記》最早作出了關於物體慣性的論述。在《輈人篇》中說：「勸登馬力，馬力既竭，輈尤能一取焉」。意思是說，馬拉車的時候，馬已停止用力了，但車還能前進一段路程，這裡指出了物體的一種基本屬性——慣性，這也是世界上對慣性現象的最早論述。

東漢王充在對物體的運動進行了仔細觀察的基礎上，在《論衡》中指出了人的視覺，在觀察物體的運動快慢時會造成錯覺的原因和如何量度物體運動的快慢。他在《論衡》中說：「天行已疾，人去高遠，視之若遲。蓋望遠物者，動若不動，行若不行；何以驗之？乘船江海之中，順風而驅，近岸則行疾，遠岸則行遲，船行一實也，或疾或遲，遠近之視使之然也。」說明是由於觀察者離運動物體遠近不同，因而感到它的快慢也就不同了的道理。這也說明王充已知道了視角差對於觀察物體運動快慢的影響。在關於運動的快慢上，又說「日晝行千里，夜行千里，麒麟晝日亦行千里，然則日行舒疾與麒麟之步相類似也。」意思是太陽和麒麟在日間運動的快慢相比是一樣的，說明已有了現代物理學中「速率」概念之萌芽。

關於力和運動的關係，王充說：「是故車行於陸，船行於溝，其滿而重者行遲，空而輕者行疾，」「任重，其進取疾速，難矣。」又說「古之多力者，身能負荷千鈞。乎能決角伸鉤，使之自舉。不能離地。」顯然已不僅知道在外力的作用下，若外力大小一定，則物體越重，要它開始運動，或使之運動狀態發生變化就越難。這顯然是現在稱之為牛頓第二運動定律的萌芽，而且還認識到內力不能改變物體運動狀態這一事實。

漏水運轉渾天儀和候風地動儀，是東漢張衡（公元78—139年）根據物理的力學原理先後製成的。它們分別在天象和地震觀察上發揮了作用。漏水運轉渾天儀是一台自動測示天象的儀器，它以一空心銅球表示天球，天球畫有星座和黃道、赤道，緊附在天球外的有地平環和子午環等，天球可以支架在子午環上繞天軸轉動。另外把計量時間的漏壺與渾象聯繫起來，即利用漏壺的等時性，以漏壺漏出的水為原動力，再通過渾象內部裝置的齒輪等使傳動和控制設備，以使渾象每日均勻地繞天軸旋一周從而達到自動地、近似正確地演示天象的目的。候風地動儀以精鋼製成，形似酒尊，裡面均勻排列八根「都柱」——上粗下細的立柱。由於都柱重心高，當地面一有震動，就極容易向震動方向倒下。尊外相應地設置八條口含小銅球的龍，每個龍頭下面都有一隻蟾蜍，昂首張口（見插頁圖5）。當某一都柱倒下時，就帶動了連接的龍，使龍口張開，所含的銅球落下到其下面的蟾蜍口中。因此觀察落下的銅球的方位，就可判斷地震發生的方向。

　　在運動的相對性概念方面，晉天文學家束皙（261～303年）說過：「乘船以涉水，水去而船不徙矣」（《隋書·天文志》）；晉葛洪（283～363年），號抱朴子，在其著作《抱朴子·內篇·塞難》中說：「游雲西行，而謂月之東馳。」《晉書卷十一天文志》更將這一相對運動的思想用於解釋天體運行：「天旁轉如推磨而左行，日月右行，隨天左轉，故日月實東行，而天牽之以西沒。譬之蟻行磨石之上，磨左旋而蟻右去，磨疾而蟻遲，故不得不隨磨以左回焉。」有極大價值的是至少成書於東漢時代的《尚書緯·考靈曜》（著者不詳，收入明代孫毅編纂的《古微書》卷一《尚書緯》），該書在提出「地有四游，冬至地上行北而西三萬里，夏至地下行南而東三萬里，春秋二分是其中矣」的同時，提出了著名論斷：「地恆動而人不知，譬如閉舟而行，不覺舟之運也。」這種對運動相對性的觀點，《考靈曜》比伽利略的《對話》至少早約1500年。此觀點說明我國古代物理思想達到過的高度。

四．光學成就

光學的起源也和力學、熱學一樣，可以追溯到二、三千年前。我國的《墨經》就記載了許多光學現象，例如投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等等。

1.取火的方法和對火的認識

我國古代取火的工具稱為「燧」，有金燧、木燧之分。金燧取火於日，木燧取火於木。根據我國古籍的記載，古代常用「夫燧」、「陽燧」（實際上是一種凹面鏡，因用金屬製成成，所以統稱為「金燧」）來取火。古代人們在行軍或打獵時，總是隨身帶有取火器，《禮記》中就有「左佩金燧」、「右佩木燧」的記載，表明晴天時用金燧取火，陰天時用木燧取火。陽燧取火是人類利用光學儀器會聚太陽能的一個先驅。講到取火，古代還用自製的古透鏡來取火的。公元前2世紀，就有人用冰作透鏡，會聚太陽光取火。《問經堂叢書》、《淮南萬畢術》中就有這樣的記載：「削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則火生。」我們常說，水火不兼容，但製成冰透鏡來取火，真是一個奇妙的創造。用冰製成透鏡是無法長期保存的，於是便出現用玻璃或玻璃來製造透鏡。

2.針孔成像和影的認識

公元前4世紀，墨家就做過針孔成像的實驗，並給予分析和解釋。《墨經》中明確地寫道：「景到（倒），在午有端，與景長，說在端。」這裡的「午」即小孔所在處。這段文字表明小孔成的是倒像，其原因是在小孔處光線交叉的地方有一點（「端」），成像的大小，與這交點的位置無關。從這裡也可以清楚看到，古人已經認識到光是直線行進的，所以常用「射」來描述光線徑直向前。北宋的沉括在《夢溪筆談》中也記述了光的直線傳播和小孔成像的實驗。他首先直接觀察在空中飛動，地面上的影子也跟著移動，移動的方向與飛的方向一致。然後在紙窗上開一小孔，使窗外飛的影子呈現在窒內的紙屏上，沉括用光的直進的道理來解釋所觀察到的結果：「東則影西，西則影東」。墨家利用光的直線傳播這一性質，討論了光源、物體、投影三者的關係。《墨經》中寫道：「景不徙，說在改為。」「光至，景亡。若在，盡古息。」說明影是不動的，如果影移，那是光源或物體發生移動，使原影不斷消逝，新影不斷生成的緣故。投影的地方，如果光一照，影子就會消失，如果影子存在，表明物體不動，只要物體不動，影子就始終存在於原處。墨家對本影、半影也作了解釋。《墨經》中有這樣的記載：「景二，說在重。」「景二，光夾。一，光一。光者，景也。」意思是一物有兩種投影（本影、半影），說明它同時受到兩個光源重複照射的結果（「說在者」，「光夾」）、一種投影，說明它只受一個光源照射，並且強調了光源與投影的聯繫（「光者，景也」）。與此相連，墨家還根據物和光源相對位置的變化，以及物與光源本身大小的不同來討論影的大小及其變化。

3.對面鏡的認識

墨子對凹面鏡、凸面鏡和平面鏡成像的原理也進行了比較系統的研究，已發現了凹面鏡焦點的存在。如墨家對凹面鏡作了深入的觀察和研究，並在《墨經》中作了明確、詳細的記載。「鑒低，景一小而易，一大而正，說在中之外、內。」「低」表示深、凹之意；放在「中之內」，得到的像是比物體大而正立的。雖然他尚把球心和焦點混淆在一起，但這些實驗是世界上最早的光學實驗，具有重大的科學意義。李約瑟曾把墨子光學與古希臘光學進行比較，指出墨子的光學研究「比我們任何所知的希臘為早」，「印度亦不能比擬」。

北宋沉括對凹面鏡的焦距作了測定。他用手指置於凹面鏡前，觀察成像情況，發現隨著手指與鏡面距離的遠近變化，像也發生相應的變化。在《夢溪筆談》中作了記載：「陽燧面窪，以一指迫而照之則正，漸遠則無所見，過此遂倒。」說明手指靠近凹面鏡時，像的正立的，漸漸遠移至某一處（在焦點附近），則「無所見」，表示沒有像（像成在無窮遠處）；移過這段距離，像就倒立了。這一實驗，既表述了凹面鏡成像原理，同時也是測定凹面鏡焦距的一種粗略方法。

墨家對凸透鏡也進行了研究。《墨經》中寫道：「鑒團，景一。說在刑之大。」「鑒團」即燕面鏡，也稱團鏡。「景一」表明凸面鏡成像只有一種。「刑」同形字，指物體，它總比像大。我們的祖先，利用平面鏡能反射光線的特性，將多個平面鏡組合起來，取得了有趣的結果。如《莊子·天下篇》的有關註解《莊子補正》中對此作了記載：「鑒以鑒影，而鑒以有影，兩鑒相鑒，則重影無窮。」這樣的裝置，收到了「照花前後鏡，花花交相映」的效果。《間經堂叢書》、《淮南萬畢術》中記有「取大鏡高懸，置水盆於其下，則見四鄰矣。」表明很早就有人製作了最早的開管式「潛望鏡」，能夠隔牆觀望戶外的景物。

此外，漢代發明的透光鏡，能夠反射出銅鏡背面的精美圖像，是中國古代光學的一大發明，現在仍引起中外學者的關注。

4.對虹的認識

虹是一種大氣光學現象，從公元6世紀開始，我國古代對虹就有了比較正確的認識。唐初的孔穎達（574-648）曾概括了虹的成因，他認為「若雲薄漏日，日照雨滴則虹生。」明確指出產生虹的3個條件，即雲、日、「日照雨滴」。沉括對此也作過細緻的研究，並作實地考察。在《夢溪筆談選注》中寫道：「是時新雨霽，見虹下帳前澗中。」予與同職扣澗觀之，虹兩頭皆垂澗中。使人過澗，隔虹對立，相去數丈，中間如隔綃觳，自西望東則見；蓋夕虹也。立澗之東西望，則為日所鑠，都無所睹。」指出虹和太陽的位置正好是相對的，傍晚的虹見於東方，而對著太陽是看不見虹的。地虹有了認識之後，便可以人工造虹。8世紀中葉，唐代曾有過這樣的試驗：「背日噴呼水成虹霓之狀」，表示背向太陽噴出小水珠，便能看到類似虹霓的情景。

五．聲學成就

在中國古代物理學中，聲學的成就可以說是一技獨秀：

1.樂器製作與樂律理論

　　中國古代音樂是世界文明中的一個寶庫。河南舞陽縣賈湖村的骨笛，是公元前5000～前6000年新石器時代的遺物，這是迄今發現的世界上最早的樂器。西周時期，見於《詩經》記載的樂器就有29種，其中頻率固定的打擊樂器有鼓、馨、鍾、鈴、（革兆）（搖鼓）等，調頻彈撥樂器有琴、瑟，管類樂器有簫、管、塤、笙等。《漢書·律曆志》已將當時的樂器品種按質料分為八種：「土曰塤，鮑（木瓜）曰笙，皮日鼓，竹曰管，石日馨，金日鍾，木日祝，絲曰瑟。」從眾多出土的古樂器中，引人注目的是編馨和編鐘。編馨是用特殊石頭（如玉石）製成的具有若干固定音列的組合馨。 1950年在安陽武官村出土的殷代大理石馨，82 厘米×42厘米× 2.5厘米，音色渾厚如銅； 1970年在湖北江陵出土的楚國編馨25 只，其形狀已頗為規則，音域達三個八度。編鐘是由一系列銅製的鐘掛在木架上的組合鍾。1978年在陝西扶風曾出土了西周的青銅編鐘，1979年在湖北隋縣的戰國曾侯乙墓出土了公元前443年的編鐘，一套共65件，總重2500餘斤，總音域跨五個八度， 12個半音齊全，音色優美，效果極佳，充分顯示了我國古代音樂、冶金和樂器製造水平之高超。

由於重視「禮、樂、術、數」，我國古代研究樂音數學規律的律學相當發達，《二十四史》有許多律曆志的記載。最晚到殷商時期已產生了宮、商、角、征、羽五聲，西周編鐘已刻有十二律（由於對樂音成組的認識，而產生十二律，其名稱為：黃鐘、大呂、太簇、夾鍾、姑洗、仲呂、蕤賓、林鐘、夷則、南呂、無射和應鐘，黃鐘為十二律中的第一律）中的一些銘文。以黃鐘為標準音高之首，逐次按半音降低，就形成了十二律。最早的樂律計演算法見於《管子·地員篇》中的「三分損益法」，約產生於公元前7～3世紀間，即將主音律的弦（或管）長三等分，取其兩份（全管長的2/3，為損一），或增加一份（全管長的4/3，為益一），依次確定十二律中其它各律的方法。這種以弦長為準的方法，與歐洲當時以頻率為準的「五度相生法」是成倒數關係的。16世紀末，朱載堉提出了十二平均律的理論和演算法。十二平均律是我國對音樂聲學的重大貢獻。

2.聲的傳播與發聲原理的探討

　　據北魏酈道元《水經注》卷三十四《江水》記載：陳遵在造江陵金堤（公元512～518）時，曾利用鼓聲推算高地的高度，可能是利用鼓聲的傳播速度推算的。這一記載很有意義。

　　對於發聲原理，東漢王充在《論衡·論死篇》中先說明人的語言是由於「氣括口喉之中，動搖其舌，張合其口」而生的，然後推廣到「簫笙之管，猶人之口喉也，手弄其孔，猶人之動舌也」。宋代張載（1020～1077）及明代王夫之（1619～1692）進一步形成「形」（物體）與「氣」相衝突而發聲的觀點：「聲者，形氣相軋而成」。可以是「兩氣」相碰，如「谷響雷聲之類」，「兩形」相碰，「桴鼓所擊之類」，「形軋氣，羽扇敲矢（指羽扇生風、飛矢鳴鏑）之類……氣軋形，人聲笙簫之類」（《張子正蒙注》）。明宋應星具體考察了聲的發生的幾種情況：「沖」（「飛矢」），「界」（「躍鞭」），「振」（「彈弦」），「辟」（「裂繒」，即撕絲織品），「合」（鼓掌），「擊」（揮椎）。他認為發聲第一必須有氣：「氣而後有聲」，「氣本渾淪之物，分寸之間，亦具生聲之理，然而不能自生」；第二必須是「以形破氣」，「氣之一動」，「急沖急破，其聲方起」，例如「擊物」就是「氣隨所持之物而逼及於所擊之物有聲焉」（《論氣·氣聲》）。

　　關於聲音發生與傳播更為深刻的見解是王充和宋應星指出的。王充在《論衡·變虛篇》中將魚「動於水中，振旁側之水」與人的「操行」（行動）引起「氣應而變」加以對比。宋應星則明確提出「物之沖氣也，如其激水然。氣與水，同一易動之物。以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其文浪以次而開，至縱橫尋丈而猶未歇。其盪氣也亦猶是焉，特微渺而不得聞耳。」（《論氣·氣聲七》）。他們明確指出：「氣」被「沖」如同「水」被「激」，「盪氣」與水的「文浪」相似，可從「一拳」依次「開」至「縱橫尋（古8尺）丈」猶未止，只是「盪氣」微小到聽不見而已，這就是「氣聲」。對聲波的發生與傳播從物理上分析如此精闢，在我國古代物理學中是很突出的。

中國是首先發現聲音共鳴現象的國家。早在春秋戰國時期，人們就已發現了聲音的共鳴現象，並加以利用。《墨子·備穴篇》中記載有，為了偵知敵方是否挖地道攻城，可在城內沿城牆根每隔一定的距離挖一口井，井中放置大瓮，瓮口緊繃薄牛皮，派耳朵聰敏的人貼著瓮口監聽。如敵方開挖地道，即可由井瓮發出的聲音情況來判斷敵方地道的方位，預作準備。這反映了當時已經發現了聲波共鳴可使聲音放大的現象，並加以巧妙地利用。又據《莊子·徐無鬼篇》記載，西周的魯遽曾把二瑟置於二屋，一屋中撥弦，另一屋中相應的弦即隨之振動，「鼓宮宮動，鼓角角動，音律同矣」。如果調一瑟中的某一弦，使它與五聲中任何一聲都不相當，那麼彈動它時，另一瑟上的二十五根弦都會振動。這可說是世界上最早的共振實驗。後來，沈括也進行了類似的實驗。他在一根琴弦上放置一小紙人，彈動另一架琴上頻率相應的弦，則弦上的紙人就會跳動；彈動其它的弦，則紙人不動。歐洲直到十七世紀，方進行了相似的實驗。

3.古代建築中的聲學效應

　　利用聲學效應的建築在我國已發現不少。古典籍中關於空穴傳聲類的記載與建築有關的也有「地聽」、「牆聽」（《墨子·備穴篇》）等，用陶瓮口向內砌牆可以隔音，在琴室及戲台下埋大缸可增加混聲迴響效果。著名的北京天壇中的迴音壁、三音石與圜丘都巧妙地利用了聲的反射效應。還有河南郟縣蛤蟆音塔，四川潼南縣大佛寺的石琴等。

　　近年來深入研究了山西永濟縣普救寺鶯鶯塔的蛙聲。《西廂記》中「日午當庭塔影圓」，就是指此塔。該塔初建於隋唐，現存的塔重修於1564年明嘉靖年間，是一座方形空筒式十三層密檐式磚塔，高36.7米，建於陡坡的高處，周圍空曠，整個塔身和塔檐由塗釉青磚建成，這些青磚的聲反射係數達0.95～0.98，是聲音的良反射體。塔身成空筒形，對聲波起著諧振腔作用。由於十三層塔檐各層砌磚所成曲線的巧妙配合，對來自塔前距離約24米處的擊石聲產生良好的反射及會聚作用，因而「於地擊石，有聲如吠蛙」。同樣，遠處的聲音通過十三層塔檐反射就會聚在檐前附近，使人耳接收到的聲波能量大增。五里外的蒲州鎮的演唱聲，猶如塔內有戲台。

我國古代建築是利用聲學效應的科學寶庫，還有待於進一步發掘。上述成就體現了聲學與音樂、聲學與哲學和聲學與建築、軍事等的結合，這也是我國古代物理學發展的根本特點之一。

六．電學成就

我國古代對電的認識，是從雷電及摩擦起電現象開始的。早在3000多年前的殷商時期，甲骨文中就有了「雷」及「電」的形聲字。西周初期，在青銅器上就已經出現加雨字偏旁的「電」字。

　　王充在《論衡·雷虛篇》中寫道：「雲雨至則雷電擊」，明確地提出雲與雷電之間的關係。在其後的古代典籍中，關於雷電及其災害的記述十分豐富，其中尤以明代張居正（1525～1582）關於球形閃電的記載最為精彩，他在細緻入微的觀察的基礎上，詳細地記述了閃電火球大小、形狀、顏色、出現的時間等，留下了可靠而寶貴的文字資料。

　　在細緻觀察的同時，人們也在探討雷電的成因。《淮南子·墜形訓》認為，「陰陽相薄為雷，激揚為電」，即雷電是陰陽兩氣對立的產物。王充也持類似看法。明代劉基（1311～1375）說得更為明確：「雷者，天氣之郁而激而發也。陽氣困於陰，必迫，迫極而迸，迸而聲為雷，光為電」。可見，當時己有人認識到雷電是同一自然現象的不同表現。

　　尖端放電也是一種常見的電現象。古代兵器多為長矛、劍、戟，而矛、戟鋒刃尖利，常常可導致尖端放電發生，因這一現象多有記述。如《漢書·西域記》中就有「元始中（公元3年）……矛端生火」，晉代《搜神記》中也有相同記述：「戟鋒皆有火光，遙望如懸燭」。避雷針是尖端放電的具體應用，我國古代地採用各種措施防雷。古塔的尖頂多塗金屬膜或鎏金，高大建築物的瓦飾製成動物形狀且衝天裝設，都起到了避雷作用。如武當山主峰峰頂矗立著一座金殿，至今已有500多年歷史，雖高聳於峰巔卻從沒有受過雷擊。金殿是一座全銅建築，頂部設計十分精巧。除脊飾之外，曲率均不太大，這樣的脊飾就起到了避雷針作用。每當雷雨時節，雲層與金殿之間存在巨大電勢差，通過脊飾放電產生電弧，電弧使空氣急劇膨脹，電弧變形如碩大火球。其時雷聲驚天動地，閃電激繞如金蛇狂舞，碩大火球在金殿頂部激躍翻滾，蔚為壯觀。雷雨過後，金殿經過水與火的洗鍊，變得更為金光燦燦。如此巧妙的避雷措施，令人嘆為觀止。

　　我國古人還通過仔細觀察，準確地記述了雷電對不同物質的作用。《南齊書》中有對雷擊的詳細記述：「雷震會稽山陰恆山保林寺，剎上四破，電火燒塔下佛面，而窗戶不異也」。即強大的放電電流通過佛面的金屬膜，全屬被融化。而窗戶為木製，仍保持原樣。沈括在《夢溪筆談》中對類似現象敘述更為詳盡：「內侍李舜舉家，曾為暴雷所震。其堂之西室，雷火自窗間出，赫然出檐。人以為堂屋已焚，皆出避之。及雷止，共舍宛然。牆壁窗紙皆黔。有一木格，其中雜貯諸器，其漆器銀者，銀悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一寶刀，極堅鋼（剛），就刀室中熔為汁，而室亦儼然。人必謂火當先焚草木，然後流金石。今乃金石皆鑠，而草木無一毀者，非人情所測也。」其實，只因漆器、刀室是絕緣體，寶刀、銀扣是導體，才有這一現象發生。

　　在我國，摩擦起電現象的記述頗豐，其常用材料早期多為琥珀及玳瑁。早在西漢，《春秋緯》中就載有「瑇瑁（玳瑁）吸衤若（細小物體）」。《論衡》中也有「頓牟掇芥」，這裡的頓牟也是指玳瑁。三國時的虞翻，少年時曾聽說「虎魄不取腐芥」。腐芥因含水分，已成為導體，所以不被帶電琥珀吸引。琥珀價格昂貴，常有人魚目混珠。南朝陶弘景則知道「惟以手心摩熱拾芥為真」，以此作為識別真假琥珀的標準。南北朝時的雷敩在《炮炙論》中有「琥珀如血色，以布拭熱，吸得芥子者真也」。他一改別人以手摩擦為用布摩擦，靜電吸引力大大增加。西晉張華（232～300）記述了梳子與絲綢摩擦起電引起的放電及發聲現象：「今人梳頭，脫著衣時，有隨梳、解結有光者，亦有吒聲」。唐代段成式描述了黑暗中摩擦黑貓皮起電：「貓黑者，暗中逆循其毛，即若火星」。摩擦起電也有具體應用。據宋代的張邦基《墨庄漫錄》記載：孔雀毛紮成的翠羽帚可以吸引龍腦（可制香料的有機化合物碎屑）．「皇宮中每幸諸閣，擲龍腦以辟（避）穢。過則以翠羽掃之，皆聚，無有遺者」。關於摩擦起電的記載還很多。

　　近代電學正是在對雷電及摩擦起電的大量記載和認識的基礎上發展起來的，我國古代學者對電的研究，大大地豐富了人們對電的認識。

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