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物理世界（四十四）

2017-10-20 04:46阅读：

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物理世界（四十四）
刘文旺
光学（二）中国古代光学萌芽及发展
中国古代对光的认识是和生产、生活实践紧密相连的。它起源于火的获得和光源的利用，以光学器具的发明、制造及应用为前提条件。根据籍记载，中国古代对光的认识大多集中在光的直线传播、光的反射、大气光学、成像理论等多个方面。
光学发展简史
光的直线传播
1、对光的直线传播的认识早在春秋战国时《墨经》已记载了小孔成像的实验：“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，首蔽上光，故成景于下……”。指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”来比喻光线径直向、疾速似箭远及他处的特征动而准确。
宋代，沈括在《梦溪笔谈》中描写了他做过的一个实验，在纸窗上开一个小孔，使窗外的飞鸢和塔的影子成像于室内的纸屏上，他发现：“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东，又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂”。进一步用物动影移说明因光线的直进“为窗所束”而形成
倒像。
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2、对视觉和颜色的认识对视觉在《墨经》中已有记载：“目以火见”。已明确表示人眼依赖光照才能看见东西。稍后的《吕氏春秋·任数篇》明确地指出：“目之见也借于昭”。《礼记·仲尼燕居》中也记载：“譬如终夜有求于幽室之中，非烛何见?”东汉《潜夫论》中更进一步明确指出：“夫目之视，非能有光也，必因乎日月火炎而后光存焉”。以上记载均明确指出人眼能看到东西的条件必须是光照，尤其值得注意的是认为：光不是从眼睛里发出来的，而是从日、月、火焰等光源产生的。这种对视觉的认识是朴素、明确、比较深刻的。
颜色问题，在中国古代很少从科学角度加以探索，而着重于文化礼节和应用。早在石器时代的彩陶就已有多种颜色工艺。《诗经》里就出现了数十种不同颜色的记载。周代把颜色分为“正色”和“间色”两类，其中“正色”是指“青、赤、黄、白、黑五色”。“间色”则由不同的“正色”以不同的比例混合而成。战国时期《孙子兵法·势篇》更指出：“色不过五，五色之变不可胜观也”。可见这“正色”和“间色”的说法，与现代光学中的“三原色”理论很类似，但缺乏实验基础。清初博明对颜色提出”五色相宣之理，以相反而相成。如白之与黑，朱之与绿，黄之与蓝，乃天地间自然之对，待深则俱深，浅则俱浅。相杂而间，色生矣”(《西斋偶得三种》)。这里孕育了互补色的初步概念，虽未形成一定的颜色理论，但从半经验半思辨的角度看也实在是难能可贵的。
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3、光的反射和镜的利用
中国古代由于金属冶炼技术的发展，铜镜在公元前2000年夏初的齐家文化时期已经出现。后来随着技术的发展，古镜制作技术逐渐提高，应用范围逐扩大，种类也逐渐增多，出现了各种平面镜、凹面镜和凸面镜，甚至还制造出被国外称为魔镜的“透光镜”。1956～1957年河南陕县上村岭1052号虢国墓出土过春秋早期的一面阳燧(凹面镜)，它直径7.5厘米，凹面呈银白色，打磨十分光洁，背面中心还有一高鼻纽以便携带，周围是虎、鸟花纹，图1是它的镜背及剖面图。镜的利用为光的反射的研究创造了良好的条件，使中国古代对
光学发展简史
中国古代铜镜
光的反射现象和成像规律有较早的认识。这方面的记载也较多。关于平面镜反射成像，《墨经》中记载：“景迎日，说在转”。说明人像投在迎向太阳的一边，是因为日光经过镜子的反射而转变了方向。这是对光的反射现象的一种客观描写。关于平面镜组合成像，《庄子·天下篇》中记载：“鉴以鉴影，而鉴以有影，两鉴相鉴重影无穷”。生动地描写了光线在两镜之间彼此往复反射，形成许许多多像的情景。《淮南万毕术》记载：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣”。其原理和现代的潜望镜很类似。对凸面镜成像的规律，在《墨经》中有所叙述：“鉴团，景一，说在刑之大”。经说中进一步解释说：“鉴，鉴者近，则所鉴大，景亦大，其远，所鉴小，景亦小，而必正”。它说明了凸面镜只成一种像，物体总成一种缩小而正立的像，对凸面镜成像规律作了细致描写。关于凹面镜，《墨经》记载：“鉴洼，景一小而易，一大而正，说在中之外、内”。说明当时已认识到凹面镜有一个“中”(指焦点和球心之间)。物在“中”之外，得到比物体小而倒立的像，物在“中”之内，得到的是比物体大而正立的像，这种观察是细致而周密的。
《淮南子·天文训》记载：“阳燧见日则燃而为火'。这说明中国古代已认识到凹面镜对光线有聚作用。《梦溪笔谈》中也有记载：“阳燧，面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒”。此处不仅述了凹面镜成像的规律，还提出了测凹面镜的焦距的一种粗略方法，发现成正像和倒像之间有个分界点。《梦溪笔谈》又说：“阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内，离镜一、二寸，光聚为一点，大如麻菽，着物则火发，此则腰鼓最细处也”。作者(沈括)把聚光点形容如芝麻和豆粒那么之小，又把它称作“碍”，用“腰鼓最细处”形容地比喻光束的会聚，十分贴切。
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沈括
4、对大气光学现象的探讨大气光学现象是中国古代光学最有成效的领域之一，早在周代由于占卜的需要，已建立了官方的观测机构，虽然他们的工作蒙上了一层神秘的色彩，但是对晕、虹、海市蜃楼、北极光等大气光学现象的观测与记载是长期、系统而又深入细致的，世所罕见。《周礼》中记载有“十煇”，指的是括“霾”和“虹”等在内的十种大气光学现象。到唐代对它的认识更加细致、深入。《晋书·天文志》中明确指出：“日旁有气，圆而周布，内赤外青，名日晕”。此处不仅为晕下了定义，而且把晕按其形态冠以各种形象的名称，如将太阳上的一小段晕弧叫做“冠”；太阳左右侧内向的晕弧叫做“抱”等等。另外在《魏书·天象志》中对晕也有记载。
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海市蜃楼
除此以外，在宋朝以后的许多地方志中也记载有大气光象，还出现了关于大气光象的专著及图谱，其中《天象灾瑞图解》一直流传至今。殷商时期，就出现了有关虹的象形文字，对虹的形状和出现的季节、方位不少书有所记载，如《礼记·月令》指出：“季春之月……虹始见”，“孟冬之月……虹藏不见”。东汉蔡邕在《明堂月令》中写道：“虹见有青赤之色，常依阴云而昼见于日冲。无云不见，太阳亦不见，见辄与日相互，率以日西，见于东方……?这些记载虽然是很粗浅的，经验性的，但它却是关于虹的确凿记录。魏、晋以后，对虹的本质和它的成因逐渐有所探讨，南朝江淹说自己对虹“迫而察之”，断定是因为“雨日阴阳之气”而成。唐初已认识到虹的成因，”若云薄漏日，日照雨滴则虹生”，明确指出“日照”和“雨滴”是产生虹的条件。后来，张志和在《玄真子·涛之灵》中明确指出：“背日喷乎水，成虹霓之状'。第一次用实验方法得出人工造虹，到南宋时，蔡在《毛诗名物解》中，对这一种更有发展：“今以水喷日，自侧视之则晕为虹”。不仅重复了《玄真了》中的实验方法，而且更进一步指出了观察者所在的位置。在国外对虹的成因作出解释的是在13世纪，因此我们对虹成因的正确描述比西方早约600年。
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虹霓
关于海市蜃楼，中国古代也早有记载，如《史记·天官书》：“蜃气象楼台”。《汉书·天文志》：“海旁蜃气楼台”。《晋书·天文志》：“凡海旁蜃气象楼台，广野气成宫阙，北夷之气如牛羊群畜穹庐，南夷之气类舟船幡旗”。这是对海市蜃楼的如实描写，但当时并不了解其成因和机理。到宋朝苏轼对它才有较正确的认识，他在《登州海市》中说：“东方云海空复空，群山出没月明中，荡摇浮进生万象，岂有贝阙藏珠宫”。此处明确地表示海市蜃楼都是幻景，蜃气并不能成宫殿的思想。到明、清之际，陈霆、方以智等人对海市蜃楼作了进一步探讨，陈霆认为海市蜃楼的成因是：“为阳焰和地气蒸郁，偶尔变幻'。方以智认为“海市或以为蜃气，“非也”。
（未完待续）

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