中国古代对光的认识.doc

物理学史——中国古代对光的认识

作者：佚名    文章来源：转载    点击数： 1038    更新时间：2008-2-12

   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 (132 ～ 192) 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。在国外对虹的成因做出解释的是在 13 世纪，因此，我们对虹成因的正确描述比西方早约 600 年。
   关于海市蜃楼，我国古代也早有记载，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”。张瑶星认为蓬莱岛上的蜃景是附近庙岛群岛所成的幻景，后来揭暄和游艺画了一幅如图 2 所示的“山城海市蜃气楼台图”图上右方是左方楼台 的倒影。文中记载了登州 ( 即蓬菜 ) 海市，并说：“昔曾见海市中城楼，外植一管，乃本府东关所植者。因语以湿气为阳蒸出水上，竖则对映，横则反映，气盛则明，气微则隐，气移则物形渐改耳，在山为山城，在海为海市，言蜃气，非也。”这一气“气映”说是对当时海市蜃楼知识的珍贵总结。
   极光是一种瞬息变幻、绚丽多彩的大气光象，中国处在北半球，故观察到的只能是北极光。 早在二千年前，我国就对北极光人加以观察，并有所记载，《竹书纪年》中记载：“周昭王末年，夜清，五色光贯紫微。其年，王南巡不返”。此文虽如实地记录了北极光出现的时间、方位和颜色，但把王南巡不返 ( 卒于江上 ) 联系起来说明当时对北极光还没有正确的认识。对北极光的形状、颜色不少书都有详细的描述，并绘有彩色极光图，这些都是研究北极光的极好史料。
(5) 关于成影现象的认识
   日常生活中，在光线照射下，影随时随处可以见到，它引起人们的注意，并探究其形成的规律。立竿见影是我国古代最早被注意的问题，后来用此方法测影定向，并应用于确定墓穴和建筑物的方位上。这套方法在周代已发展很精密，据《考工记》记载，当时有“土方氏”使用圭表，“典瑞氏”管理土圭，“匠人”则使用土圭辨定方位进行建筑，并指出在测表影之先，要使地面保持水平，使表竿保持垂直，这说明当时已认识到投影的长度和光源位置有关，而且也和物体的斜度有关。
   《墨经》中对成影的讨论更加深入，通过实验明确指出：表秆在地面上投影的粗细长短，是随木离光源的远近、木的倾斜度以及光源的大小变化而变化的规律。
   我国古代对光的认识除以上所述外，还有其他一些方面，如折射现象；天然晶体的色散；明清时期，光学从西方传入后，还有了光学仪器的制作等等，但这些认识是零散的，定性的，绝大多数都只停留在对光学现象的描写和记载上。值得提出的是宋末元初的赵友钦（3世纪中叶至 14 世纪初叶），在《革象新书》的“小罅光景”中，描写了一个大型光学实验，在地面下挖了两个圆阱，圆阱上可加放中心开有大小、形状不同孔的圆板盖。通过它可进行只有一个条件不同的对比实验，对小孔( 大小和形状 )、光源( 形状和强度 )、像( 形状和亮度 )、物距、像距之间的关系进行研究。将两块圆板上各插1000多支蜡烛，放在阱底或桌面上作为该实验的光源。通过实验确认了光直线进行的性质，定性地显示了像的明亮程度与光源强度之间的关系，并涉及光的照度和成像理论。他所采用的大型实验方法很有特色，是我国历史上记载的规模最大的实验。还有值得提出的元代郭守敬 (1231～ 1316) 曾巧妙地利用针孔取像器［“景 ( 影 ) 符”］解决了历来圭表读数不准的问题。一般圭表因太阳上下边沿投影在影端生成半影，因此读数比较模糊。正如《元史卷48》所说：“表短，……所谓分、秒、太、少、半之数，末易分别……表长，……影虚而谈，难得实影”。郭守敬在建河南登封观星台时除用水平沟使圭面保持水平外，在表上加一横梁，在圭上加一可移动的“景符”) 即在约宽2寸和斜铜时上扎一针孔，以“楮( 即斜 )竿”调其倾度以迎晶光。这样，太阳针孔像“仅如米许，隐然见横梁于其中”，细如发丝，误差可达 0.1 毫米 。郭守敬的观测结果之精确令拉普拉斯为惊之叹。郭守敬的改进是在实际测量、反复试验中创造，并且带有定量意义，可惜这种创造只是凤毛麟角，很少有人继承下来。