中國古代物理知識及其應用舉要

1、中國古代物理知識及其應用舉要中國古代很早即有物理一詞，但其泛指一切事物的道理。正如明末方以智的物理小識所說， “物理在一切中”，即使“性命、生死、鬼神”，也“只一大物理也。 ”有人認為“中國古代物理學是有術無學”，只是停留在經(jīng)驗階段，沒有理論、沒有方法，充其量也只達到一定程度技術的層次。也有人認為中國古代人的與物理學有關的經(jīng)驗理論也是科學理論，中國古代物理學悠久而內(nèi)容豐富。拋開學術上的爭論客觀地講，一方面中國古代人對許多物理現(xiàn)象有比較深刻的認識并上升到經(jīng)驗得以應用，另一方面中國古代人也曾對自然現(xiàn)象的認識達到極高度抽象的理論層次，并用這些理論理解和解釋自然現(xiàn)象、物理現(xiàn)象。中國古代有沒有物理學，這

2、一方面不同人有不同的理解，另一方面重要的是必須依靠史實說話。只要對中國古代的物理知識和中國古代解釋自然現(xiàn)象的理論有充分的認識，人人都可以得出一個結(jié)論。因此，認真學習這部分知識，就比一味地爭論更加重要和有意義。而且人們對這個問題的結(jié)論，還受限于我們的歷史觀念以及我們所能掌握的史料之豐富程度，而這兩方面都是可變量。如1987 年在河南賈湖斐李崗文化遺址，現(xiàn)為中國科技大學研究員的張居中等人發(fā)現(xiàn)了距今8000 年左右的完整的由鶴類長肢骨制成的骨笛，這些骨笛長約20 cm, 7孔，有7個音階。這一發(fā)現(xiàn)使中國的音樂文化歷史一舉遠遠超越巴比倫、埃及的音樂歷史。象這類發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)自然要修正我們對中國古代相關物理

3、知識的歷史看法。因此，隨時間的推移、研究的進步、新發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)，人們對中國古代物理知識的認識難免還會發(fā)生變化。下面首先簡單展示一下中國古人在認識自然現(xiàn)象時形成的物理知識及其應用情況。1。力學知識及應用A.時空觀早在戰(zhàn)國時魏國的尸佼（前390前330）就給出了宇與宙的定義：“四方上下曰宇，往古今來曰宙?！保?尸子 ） 。不難看出，宇是指空間，宙是指時間。莊子：雜篇?庚桑楚中也提到了宇宙：“有實而無乎處者，宇也；有長而無本剽（本末）者，宙也。 ”意思是有實體而沒有處所，叫做宇；有成長而不見本末，叫做宙。顯然莊子認識到了物質(zhì)寓存于空間（宇），而空間（宇）本身做為一種存在而不象物存于宇那樣，存身于另一對

4、象之中以及時間（宙）之綿延而無形無影屬性。墨經(jīng) 中也有與 尸子 意義相近的關于宇與宙（久） 的定義： “宇， 彌異所也”， “久 （宙），彌異時也”。至漢代，張衡、王充更是認識到了時間空間的無限性： “宙之端無窮”（張衡：靈憲 ） ； “天去人高遠，其氣蒼芒無端末”（王充： 論衡 ） 。中國古人關于宇宙的模型主要有三個。（ 1 ） 蓋天說 最早的蓋天說起于周代，主張 “天圓如張蓋， 地方如棋局”（ 晉書 ?天文志 ） 。（ 2）渾天說主張代表人物是東漢的張衡，他認為： “渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞中黃，孤居于內(nèi)，天大地；天表里有水，天之包地，猶殼之裹黃。天地各乘氣而立，載水而浮。 ” （

5、張衡： 渾天儀）（ 3）宣夜說傳說出自殷代。晉書?天文志寫道，宣夜之書亡，惟漢秘書郎郗萌記先師相傳曰：“天了無質(zhì)，仰而瞻之，高遠無極，眼瞀精絕，故蒼蒼然也。譬之旁望遠道之黃山而皆青，俯察千仞之深谷而窈黑。夫青非真色，而黑非有體也。日月眾星，自然浮生虛空之中，其行且止皆須氣焉。是以七曜或逝或住，或順或道，伏見無常，進退不同，由乎無所根系，故各異也?！盉 對運動的認識墨經(jīng)?經(jīng)上說：“動，域徙也。 ”顯然這是指物體位置改變的機械運動。關于靜止，經(jīng)上說： “止，以久也。 ”表明對靜止的理解物體在某一位置停留一段時間。在莊子中，莊子記述了其好友惠施的一些學術觀點，其中有： “輪不碾地”以及“飛鳥之景未嘗

6、動也”的說法，可以想見其對運動的思索已達到相當高的認識水準。中國古人對運動的相對性較早也有了清楚的認識，有關這方面的文獻很多，如漢代成書的春秋緯?元命苞中即說：“天左旋，地右動。 ”而南唐的譚峭在其著作化書中也說： “作環(huán)舞者，宮室皆轉(zhuǎn)，瞰迥流者頭目自旋?！备恿钊梭@異的是在漢代成書的尚書緯?考靈曜中，我們可以看到善于觀察的古代中國人竟然認識到了力學的相對性原理的思想： “地恒動不止，而人不知。譬如在大舟中，閉牖而坐，舟行而人不覺也?！绷W的相對性原理也叫伽利略相對性原理。在1623 年出版的伽利略的著作兩大世界體系的對話中，伽利略是這樣描述的： “把你和一些朋友關在一條大船甲板下的主艙里，再

7、讓你帶幾只蒼蠅、蝴蝶和其它小飛蟲。然后，掛上一個水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面一個寬口罐里。 船停著不動時，你留神觀察，小蟲都以等速向各方面飛行，魚向各個方向隨便游動，水滴滴進下面的罐子中。你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，你向這一方向不比向另一方向用更多的力。你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳過的距離都相等。當你仔細觀察這些事情后（雖然當船停止時，事情無疑一定是這樣發(fā)生的），再使船以任何速度前進，只要運動是勻速的，也不忽左忽右地擺動。你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化，你無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定，船是運動還是停著不動?！辟だ缘乃枷肱c中國古人的智慧何其相似！最保守地估計中國古人的這一思想

8、的提出早于伽利略也在1600 年以上。C動力學方面的知識考工記中說：“馬力既竭，朝猶能一取也?！憋@然對慣性有了一定的認識。王充在其論衡?狀留篇中說：“車行于陸，船行于溝，其滿而重者行遲，空而輕者行疾。 ”可見王充的觀點現(xiàn)在看來，對慣性有了更進一步的認識。墨經(jīng)?經(jīng)上說：“力，刑之所以奮也。 ”這句話的含義，學術界還有爭議，但不可否認這是有意識的對力的一種定義，而這句話很大程度上斷定了力與形變的關系。墨經(jīng)?經(jīng)上說：“力學，重之謂。 ”這表明在當時看來，重力仍是最常見最重要的力之一。直到近代西方力學早期翻譯成中文時，還曾譯為重學。中國古人對彈性力也曾有深刻的認識?？脊び?弓人中有“量其力，有三均”的

9、說法。 東漢鄭玄在注解時說： “參、 均者， 謂若干勝一石，加角而勝二石，被筋而勝三石，引之中三尺。假令弓力勝三石，引之中三尺，弛其弦，以繩緩擐之，每加物一石則張一尺，故書勝。 ”唐代賈公彥對鄭玄的話又做如下解釋： “此言謂弓未成時，干未有角，稱之稱一石；后又安角，勝二石；后更被筋，稱之即勝三石。 引之中三尺者，此據(jù)干、角、筋三者俱總，稱物三石，得三尺。若據(jù)初空干時，稱物一石，亦三尺；更加角，稱物二石，亦三尺；又被筋，稱物三石，亦三尺。鄭又云假令弓力勝三尺，引之中三尺者，此即三石力弓也。必知弓力三石者，當馳其弦，以繩緩擐之者，謂張之，別以一條繩系兩簫，乃加物一石張一尺；二石張二尺，三石張三尺。

10、”學術界基本認為中國古人在制造弓弩的過程中應用了彈性定律的知識。彈性定律在西方稱胡克定律，由英國物理學家胡克于1660 年左右發(fā)現(xiàn)，而這比鄭玄即晚了近1500年。漢代王充除對慣性有比較深刻的認識，還清楚只有外界其他物體的作用力才能改變物體的狀態(tài)。他在論衡?效力篇中說：“古之多力者，身能負荷千鈞，手能決角伸鉤，使之自舉，不能離也。”D 簡單機械方面的知識及應用杠桿是最簡單的機械，中國古人制造的簡單機械中，應用杠桿平衡原理的也最為常見。將一長桿通過繩索懸掛于一立柱上，以懸掛點為支點，長桿可象秤桿一樣上下擺，使支點不在桿的中點，這樣的裝置中國古人稱之為桔槔。傳說商湯時“伊尹始作桔槔”（明代羅頎：物原

11、 ） 。 這種裝置在20 世紀70 80 年代中國農(nóng)村尚可普遍看到，主要用于取水，在桿系桶的另一端一般還可以系重物，根據(jù)杠桿平衡原理，這樣提水時省力。漢劉向在說苑?反質(zhì)中說： “衛(wèi)有五丈夫，俱負缶而入進灌韭，終日一區(qū)。鄧析（春秋末人）過，下車為教之曰：為機重其后，輕其前終日灌韭， 百區(qū)不倦利用杠桿原理的還有腳踏碓、水碓以及天平、桿秤等等。墨經(jīng)?經(jīng)說下說：“衡，加重于其一旁，必捶權，重相若也。相衡，則本短標長。兩加焉，重相若，則標必下，標得權也。 ”學術界認為這敘述的是杠桿平衡原理。其中標與本分別指秤桿的支點到秤錘之距離和支點到懸秤鉤處之距離，權即秤錘或砝碼。1954年在湖南長沙左家公山戰(zhàn)國楚墓

12、出土的天平橫杠長27 cm,離桿端0.7 cm處有兩盤，以兩為單位的砝碼系列有：4.00， 1.78， 1.00， 0.495， 0.25， 0.15， 0.062， 0.043， 0.026?；?，古代稱滑車。從春秋戰(zhàn)國開始即有廣泛應用。墨經(jīng)中的“繩制”也指滑輪。禮記正義說公輸班為季康子葬母創(chuàng)造了轉(zhuǎn)動機關，為助楚攻寧創(chuàng)制了云梯，其中都使用了滑輪。轆轤可能產(chǎn)生于商末周初。宋代曾公亮武經(jīng)總要說： “周武王以飛橋、轆轤，越溝塹，飛江天”。D 流體力學方面的知識從上古人們“見霰木浮而知為舟”（淮南子）、東周時人們以舟量物（符子）到北魏賈思勰齊民要術中水浮驗稻種法，都提示了古人對浮力的認識及應用。漢代

13、的淮南萬畢術中記載： “首澤浮針。注云：取頭中垢以涂塞其孔，置水即浮。明末劉侗、于奕正在帝京景物略中寫道： “水面坐膜，銹針投之則浮。 ”這兩則史料反映了古人對液體表面張力的認識。中國古人對大氣壓的認識和應用更加引人注意。東漢末年人們已能利用渴鳥（虹吸管）灌溉農(nóng)田。南北朝成書的關尹子中說： “瓶存二竅，以水實之， 倒瀉； 閉一則水不下，蓋（氣）不升則（水）不降”。唐代王冰在素問論中對此有過解釋： “虛管既滿，捻上懸之，水固不泄，為無升氣而不能降也；空瓶小口，頓溉不入，為氣不出而不能入也。”宋曾公亮在武經(jīng)總要中寫道： “凡水泉有崚山阻者，取大竹去節(jié)，雄雌相合，油灰黃蠟固封，勿令泄氣，推竹首入水中

14、五尺，于竹末燒松樺或干草，使火氣自竹內(nèi)潛通水所，則水自中逆上。 ”可見在當時的歷史條件下，對大氣壓的大型利用已近完善。雖然沒有專門的著述，但從古代的一些天才制作上我們不難看出，古代中國人的力學知識和經(jīng)驗是相當豐富的。如西漢劉歆的西京雜記所載的巧匠丁緩制作的“被中香爐” ： “為機環(huán)轉(zhuǎn)運四周，而爐體常平，可置被褥中，故以為名。 ”其原理與飛機、導彈及魚雷上使用的陀螺儀中的萬向支架如出一轍，涉及重心、平衡以及回轉(zhuǎn)效應等物理知識。制作這種器物，必定有明確的指導思想才能成功，因為這不是靠本能就可以實現(xiàn)的，恐怕僅以一個巧字也難以完成，而非有足夠的力學經(jīng)驗與知識的累積不可。類似的天才設計在西方，1500

15、年左右才由達芬奇提出。F 聲學知識中國古代的聲學知識是相當豐富的。如考工記記載說：“鳧氏為鐘薄厚之所震動，清濁之所由生”，明確了聲音是由物體振動而產(chǎn)生的。東漢的王充在論衡中說： “生人所以言語吁呼者，氣括口喉之中，動搖其舌，張歙其口，故能成言。夫簫笙之管，猶人之口喉也，手弄其孔，猶人動舌也?！闭f明王充認識到了空氣振動成聲的道理。 明宋應星在著作論氣中，說： “氣本渾淪之物，分寸之間，亦具生聲之理，然而不能自為生。沖之有聲焉，飛矢是也；界之有聲焉，躍鞭是也；振之有聲焉，彈弦是也； 持物擊物，氣隨所持之物而逼于所擊之物，有聲焉。凡以形破氣而為聲也，急則成，緩則否，勁則成，懦則否。故急沖急破，歸措無

16、方，而其聲方起。”在宋應星對發(fā)聲原理的認識中，隱然透出，物體的振動（聲源） 不是根本的第一位的原因，占據(jù)第一位置的是氣，聲乃氣生，聲源對氣“生聲”只是一個外界條件、對氣的一種觸發(fā)：或沖之或界之或振之，然而宋應星對聲音在空氣中的傳播有深刻的認識： “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，而其紋浪以次開之，至縱橫尋丈而未歇。其蕩氣也亦猶是焉，特微渺而不得聞耳。 ”在西方，到十七世紀中期哲學家、科學家伽桑狄仍將聲音的傳播看成發(fā)聲體向周圍發(fā)射的極小、看不見的粒子流的運動。北魏酈道元的水經(jīng)注中記載： “江陵城地東南傾，故緣以金堤，自靈溪始，恒溫令陳遵造。遵使人打

17、鼓遠聽之，知地勢高下。依傍則筑，略無差矣?！庇纱丝梢酝茰y陳遵對聲音傳播的速度應該有一定的認識。在諸多聲音現(xiàn)象中，中國古人對聲音的共鳴很有興趣，因為這正好可以用來類比他們的各種感應思想。公元前3 4 世紀在莊子?徐無鬼中就有關于共鳴現(xiàn)象的記載：“為之調(diào)瑟，廢（放置）于一堂，廢于一室，鼓宮宮動，鼓角角動，音律同矣?！眳问洗呵铮繎姓f：“類固（同）相如，聲比則應。鼓宮而宮動，鼓角而角動?！蔽鳚h董仲舒在春秋繁露?同類相動中說：“氣同則會，聲比則應，其驗照然也。試調(diào)琴瑟而錯之， 鼓其宮則它宮應之，鼓其商而他商應之，五音比而自鳴也，無相動相形則謂之自然，其實非自然也，有使然者矣。”其中的宮、商、角、徵、

18、羽即中國人所說的“五音”。大宮與小宮，大角與小角頻率比為1:2，都是相隔八度的兩個音階，由此可知“聲比則會”的內(nèi)在含義。漢代鄭玄在集解史記中則進一步說： “樂之器，彈其宮則眾宮應。 ”意思是與宮音同高或高一個、二個乃至幾個八度的宮音的弦線都可以和宮音弦共鳴。到了晉時，人們不僅熟知共鳴的產(chǎn)生條件，還找到了改變物體固有頻率因而消除共鳴的方法。南北朝劉敬叔在異苑中載： “晉中朝時，蜀中有人蓄銅澡盆，晨夕恒鳴如人叩，乃問張華。華曰：此盤與洛陽鐘宮商相諧，宮中朝暮撞鐘，故聲相應?？慑e令輕，則韻乖鳴自止也。 依其言，即不復鳴。 ”至宋時，沈括在夢溪筆談中作了弦線共振的演示實驗： “琴瑟弦皆有應聲：宮弦則應

19、少宮，商弦則應少商，其余皆隔四相應。今曲中有（應）聲者，須依此用之。欲知其應者，先調(diào)諸弦令聲和，乃剪紙人加弦上，鼓其應弦，則紙人躍，他弦即不動。聲律高下茍同，雖在他琴鼓之，應弦亦震，此之謂正音?！敝袊湃艘苍谱鬏^復雜的發(fā)出樂音的機械，如西京雜記載：“漢高祖初入咸陽宮復鑄銅人十二枚，坐皆高三尺，列在一筵上，琴筑笙竽各有所執(zhí)，皆綴花采，儼若生人。筵下有二銅管，上口高數(shù)尺。出筵后，其一管空，一管內(nèi)有繩，大如指。使一人吹空管，一人扭繩則眾樂皆作，與真樂不異焉?！?。光學知識及應用光給人們的活動帶來了方便。中國古代人與光現(xiàn)象有關的知識十分豐富，若干重大貢獻如下。墨經(jīng)中有： “目以火見”的記載， 莊子中

20、記載的惠施的觀點也有“目不見”之說，說明那時的中國人已認識到了人眼依賴光才能看見東西的道理。而在古希臘，學者多認為人眼睛里發(fā)出一些微粒，接觸到物體才能產(chǎn)生視覺。中國古代對光學做出理論探索最早而且成績最大的屬墨經(jīng) 的作者。根據(jù)錢臨照先生的研究（見物理通報1951 年第 3 期） ， 墨經(jīng)中關于光學的內(nèi)容有八條：（ 1 ）景不徙，說在必為。（ 2）景二，說在重。（ 3）景倒，在午有端，與景長，說在端。（ 4）景迎日，說在摶。（5）景之小大，說在袍（斜）遠近。（ 6）臨鑒而立，景倒。多而若少，說在寡區(qū)。（ 7）鑒洼，景一小而易，一大而正，說在中之外內(nèi)。（ 8）鑒團，景一。將這八條與墨經(jīng)上相應的說部分

21、相參照，學術界認為這八條敘述的分別是：影子生成的原理；光線與影的關系；光線直線傳播的實驗（小孔成像）；光反射特性；從物體與光源的相對位置確定影子的大??；平面鏡反射成像現(xiàn)象；凹面鏡的反射成像現(xiàn)象；凸面鏡的反射成像現(xiàn)象。這些認識使得墨經(jīng)在光學史上占有重要地位，它是世界上最早的載有比較完整幾何光學內(nèi)容的著作。近年來又有學者指出經(jīng)上所言： “荊之大，其沈淺也。說在具”以及經(jīng)說下所言： “荊：沈，荊之見也，則沈淺非，荊淺也。若易五之一。 ”并非關于浮力而是明確表述了折射概念以及水折射的定量測量。（見李志超：墨經(jīng)光學第九條折射的定量觀察。自然科學史研究，2002 年第 1 期）對于透鏡的聚光性漢代的淮南萬畢術中有明確記載： “削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則生火。”南唐譚峭在化書中寫道： “小人常有四鏡：一名圭，一名珠，一名砥，一名盂。圭，視者大；珠，視者??；砥視者正；盂，視者倒。觀彼之器，察我之形；由是無大小、無短長、無妍丑、無美惡。 ”依李約瑟先生之解釋， “四鏡”應為透鏡類。在中國古人對光學的研究中，元朝趙友欽的大型實驗“小罅光景”