中國古代的物理成就

中國古代的物理成就我國古代的科學(xué)技術(shù)成就中，屬于物理學(xué)或與物理學(xué)有關(guān)的，可以提出力學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)等三個(gè)方面作一簡要介紹。（１）力學(xué)方面①《考工記》一書中的有關(guān)記載。這是一本現(xiàn)存的有關(guān)我國古代手工業(yè)技術(shù)規(guī)范的書籍，可能是春秋時(shí)代（公元前７００至４００年）末年的作品。它記述了許多手工業(yè)的工藝制作與設(shè)施，匯集了至公元前３、４世紀(jì)時(shí)的工程技術(shù)知識。其中包含的力學(xué)知識，主要有：關(guān)于慣性的記載、滾動(dòng)摩擦的論述、論箭的飛行與保持穩(wěn)定，還記述了有關(guān)力的測量、斜面受力分析以及材料和施工中的一些軟科學(xué)知識。②《墨經(jīng)》中有關(guān)力學(xué)知識的記載?！赌?jīng)》戰(zhàn)國時(shí)代以墨翟（公元前４９０至４０３年）為首的墨家的代表作，分為“經(jīng)”與“經(jīng)說”兩大部分。經(jīng)說是經(jīng)的注解。前者的內(nèi)容大多是一些定義性質(zhì)的條文，后者則帶有定律的性質(zhì)的解釋。《墨經(jīng)》中的軟科學(xué)知識已不全是實(shí)際生產(chǎn)知識的總結(jié)和記述，而是對力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了粗淺的概括，并進(jìn)行了一些推理論證。諸如，關(guān)于時(shí)空觀念、運(yùn)動(dòng)學(xué)知識、力的概念、力系平衡的論述，以及斜面、滑輪及其應(yīng)用，等等?，F(xiàn)舉一條關(guān)于杠桿的理論探討以茲說明：經(jīng)下第２５條：“天（衡）而必正，說在得。”經(jīng)說：“（衡），加重于一旁，必捶（垂），權(quán)重相若也。相衡，則本短標(biāo)長，兩相加焉，重相若，則標(biāo)必下，標(biāo)得權(quán)也。”這一條說明了不等臂天平（秤）的平衡關(guān)系?？赡苁悄姨接懜軛U平衡關(guān)系的實(shí)驗(yàn)總結(jié)，說明墨家發(fā)現(xiàn)杠桿定律較之古希臘的阿基米德要早二百多年。但并沒有阿基米德杠桿定理那樣完整和定量化。③侯風(fēng)地動(dòng)儀。這是東漢張衡（公元７８至１３９年）所制的世界上第一臺地震儀。《后漢書張衡列傳》上有下面一段記載：“（順帝）陽嘉元年（即公元１３２年），復(fù)造侯風(fēng)地動(dòng)儀。以精銅鑄成，圓徑八尺，合蓋隆起，形似灑尊，飾以篆文山龜烏獸之形。中有都柱，傍行八道，施關(guān)發(fā)機(jī)。外有八龍，首銜銅丸；下有蟾蜍，張口承之。其牙機(jī)巧制，皆隱在尊中，覆蓋周密無際。如有地動(dòng)，尊則震，龍機(jī)發(fā)，吐丸而蟾蜍銜之，振聲激揚(yáng)，伺者因此覺知。雖一龍發(fā)機(jī)，而七首不動(dòng)。尋其方面，甩乃知震之所在。驗(yàn)之以事，合契若神。自書典所記，未之有也。當(dāng)一龍機(jī)發(fā)而地不覺動(dòng)，京師學(xué)者咸怪其無征。后數(shù)日驛至，果地震隴西。于是皆服其妙。自此以后，乃令史官記地動(dòng)所從方起”。顯然，這是一種測定震源方向的儀器?？上?，后來這架地動(dòng)儀失傳了。我國考古博物學(xué)家王振鐸在總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者復(fù)制研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)書上的記載和力學(xué)原理滿意地復(fù)制成功了侯風(fēng)地動(dòng)儀的復(fù)原模型，它主要是一個(gè)利用了重心很高的“都柱”的不穩(wěn)平衡。從這個(gè)儀器的制造來看，張衡已利用了力學(xué)上的慣性原理，同時(shí)他對地震波傳播和方向性也一定有所了解。這些在當(dāng)時(shí)來說都是十分了不起的。④記里鼓和指南車。這是三國時(shí)魏人馬鈞根據(jù)以前的記載模仿制成的兩種利用各種齒輪的復(fù)合運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)的自動(dòng)機(jī)構(gòu)。記里鼓是利用原動(dòng)齒輪帶動(dòng)大小不同的一套從輪，使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)把車行的里數(shù)自動(dòng)地表示出來的一種裝置。指南車是利用一套能自動(dòng)離合的齒輪系統(tǒng)的定向裝置，使得立在車上的一個(gè)木制人像的手永遠(yuǎn)指著固定的方向。關(guān)于這兩種裝置的結(jié)構(gòu)，在劉仙洲教授著的《中國機(jī)械工程發(fā)明史》第一編第五章中有較詳細(xì)的介紹。（２）光學(xué)方面關(guān)于光學(xué)知識的記載以《墨經(jīng)》經(jīng)下中的八條（１６至高無２３）最為系統(tǒng)。其內(nèi)容涉及影子生成的道理，本影和半影，由物體與光源的相對位置確定影子的大小，光的直線傳播實(shí)驗(yàn)，光的反射性和平面鏡成像，凹面鏡成像，凸面鏡成像等。它已觸及了幾何光學(xué)很大一部分，從時(shí)間上看要比古希臘歐幾里德注《反射光學(xué)》早一百多年，所以，《墨經(jīng)》中的光學(xué)條文，不僅是我國最早的光學(xué)著作，也是世界古代科技史上難得的各較全面的光學(xué)著作。經(jīng)下第１６條：“景不徙，說在改為?！苯?jīng)說：“景：光至，景亡；若在，盡古息。”這一條是論述影的生成。各家的解釋在這一點(diǎn)上沒有分歧。然而細(xì)致地推敲起來，又各有不同的見解。主要是對于經(jīng)說中的“若在”指的是“影在”，還是“物在”，有不同的理解。經(jīng)下第２２條：“鑒（洼），景一小而易，一大而正，說在中之外，內(nèi)?！苯?jīng)說：“鑒：分鑒；中之內(nèi)，鑒者近中，則所鑒大，景亦大；遠(yuǎn)中，則所鑒小，景亦小，而必正，起于中緣正而長其直也。中之外，鑒者近中，則所鑒必大，景亦大；遠(yuǎn)中，則所鑒小，景亦小，而必易，合于中而長其直也?！边@一條講的是凹面鏡成像的規(guī)律。錢臨照先生對此有很好的解釋。他特別指出，當(dāng)時(shí)不是用一個(gè)光源和紙屏進(jìn)行觀察，而是人臉本身為物，以眼為屏，所以在“一小而易”和“一大而正”之間不能發(fā)現(xiàn)“一大而易”的情況。他并從而推斷，經(jīng)文中所說的"中"，是指從鏡面的曲率中心到其焦點(diǎn)之間的一段區(qū)域，而不是一個(gè)點(diǎn)。（３）聲學(xué)方面據(jù)文獻(xiàn)記載和考古的發(fā)現(xiàn)，在周朝以前已經(jīng)有了各種樂器（管、弦和打擊樂器），而且很早就制定了有科學(xué)根據(jù)的樂律，即各音之間有頻率的簡單整數(shù)比的關(guān)系，或是說有一定的音程。樂律說有豐富的物理聲學(xué)內(nèi)容，它的產(chǎn)生和發(fā)展，是物理聲學(xué)史中重要的組成部分?！秴问洗呵铩飞嫌涊d有“昔黃帝令伶?zhèn)愖鳛槁?，伶?zhèn)愖源笙闹?，乃之阮阝俞之陰，取竹于山介溪之谷，以生空竅厚均者，斷兩節(jié)間，其長三寸九分而吹之，以為黃鐘之宮，吹曰舍少。次制十二筒，以之阮阝俞之下，聽鳳凰之鳴，以別十二律”，這種屬于傳說性質(zhì)的東西，當(dāng)然不能完全憑信。但是早在公元前六世紀(jì)有個(gè)叫伶州鳩的樂官曾把十二律的名稱一一列舉，并把它們的出現(xiàn)和周武王伐紂（前1066）的時(shí)間聯(lián)系起來。因此，在這之前肯定就有了系統(tǒng)的樂律了。關(guān)于定“律”的方法，早在公元前四世紀(jì)就以“三分損益法”定出了五度相生律。具體是以黃鐘的弦長為81（34）作為宮音，然后依次乘以4/3和2/3得到五音：宮音弦長＝34＝81，征音弦長＝81×（1＋1/3）＝108，商音弦長＝108×（1－1/3）＝72，羽音弦長＝72×（1＋1/3）＝96，角音弦長＝96×（1－1/3）＝64。這樣，若以征音（主音）為1，則各音的頻率比是：征：羽：宮：商：角＝1:9/8:4/3:3/2:27/16。而且按宮征商羽角的次序排時(shí)，相鄰二音間的音程是3/2和3/4，即簡單的整數(shù)比?？梢?，這時(shí)對于弦長與頻率間的關(guān)系已經(jīng)有了一定的認(rèn)識。只有五個(gè)音對于演奏來說顯然是不夠的。所以后來又增加了兩個(gè)變音（變宮、變征）和其它一些半音，使得在一個(gè)八度（倍頻程）內(nèi)共有12個(gè)音，這就構(gòu)成了所謂十二律。在聲學(xué)方面除了樂律之外，還有關(guān)于共鳴的知識也是值得提出的。我國古籍中多次記載了物體的共振和聲音的共鳴現(xiàn)象。《墨子·備穴篇》記述了利用空氣柱的共鳴作偵破敵軍挖洞攻城的方法?！肚f子·徐無鬼》中也有共鳴現(xiàn)象及其解釋的記載：“鼓宮則宮鳴，鼓角則角應(yīng)，音律同矣。”這些記載表明當(dāng)時(shí)人們不僅發(fā)現(xiàn)了基音共振現(xiàn)象，而能夠用“音律同矣”去解釋它?？梢哉f是世界上最早關(guān)于共鳴現(xiàn)象的認(rèn)識。在公元三世紀(jì)時(shí)張華（２３２至３００）在了解共振、共鳴現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步掌握了消除共鳴的科學(xué)方法。南北朝宋人劉敬叔（３９０至４７０）所著《異苑》中有這樣的記載：“晉中朝時(shí)，蜀有人蓄銅藻盤，晨夕恒鳴如人扣，乃問張華。華日：‘此盤與洛鐘宮商相諧，宮中朝暮撞鐘，故聲相應(yīng)。可？令輕，則韻乖，鳴自止也?！榔溲裕床粡?fù)鳴。”（４）關(guān)于物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的概念①物質(zhì)觀。關(guān)于物質(zhì)的構(gòu)成，中國古代有多種說法，如“五行說”，“八卦說”，“元?dú)庹f”以及墨家提出的“原子論”。這里僅介紹先秦時(shí)期兩種物質(zhì)觀。關(guān)干“五行說”。這一學(xué)說始于夏朝，流行于商朝，到了西周發(fā)展為“五行元素說”。西周末年，太史官史伯在總結(jié)前人思想以后說：“夫和實(shí)物，同則不繼，以他平他謂之和，故能豐長而物生之，若以同裨同，乃盡棄矣。故先王以土與金、木、水、火雜以成百物”。（國語·鄭語。）這里已十分明確的把水、火、木、金、土五種基本物質(zhì)當(dāng)成組成世界萬物的原始材料。更加清楚地表明中國古代原始五行說，實(shí)際上就是最早的關(guān)于物質(zhì)組成的假說。它不僅具有樸素的元素概念，并具有物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的觀念。我國原始五行說發(fā)展到了春秋時(shí)代，又出現(xiàn)了五行相生相克的學(xué)說，即水生火，火生土，土生金，金生水，水生木；木克土，土克水，水克火，火克金，金克木。顯然它是由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)抽象出來的。五行依一定的相生次序而相生；又依一定的相克次序而相征服。這種關(guān)系深刻地揭示了組成世界的五種基本物質(zhì)元素在相互轉(zhuǎn)化的復(fù)雜變換過程中，生成盾和消述失的另速率盾是受牧控的膨，在繩量上環(huán)是互出補(bǔ)的腦，因瓦而元芹素的尤種類開和總正量不竄增不亮減，令物質(zhì)盞守恒葡。關(guān)于蘆“陰倒陽八必卦說攝”。排這一波學(xué)說愧起源榆于殷巷周之幼際，拖實(shí)際渣上也襖是一續(xù)種原脂始的去元素滋論。作它從瘋?cè)藗冑澤畛辰?jīng)常悠接觸婆的自皇然界脾中選暈取了胖八種外東西維作為雜說明烘世界陣上其副他多欠種東垃西的楚根源查。所賣謂八弟卦，包即用馳八種醋符號陶來表酒示八島種自疊然現(xiàn)皺象，驗(yàn)而這熔八卦部是由愛陽爻思（音莖挑y省ao需）用勉“－輸”表錢示和友陰爻田用“滾一”獸表示閃，陽應(yīng)爻和臨陽爻地排列死為八貸卦，持再由堪八卦犧排列倆為６蹄４卦詳。八搜卦分評別是今三乾匆、坤蒼、震暮、巽遵（x闊un件）、考坎、客離、創(chuàng)艮、楚兌等勞，它樸們分策別表覆示天緞、地環(huán)、雷纖、風(fēng)陽、水厚、火肆、山廟、澤米。由豈于陰煮陽的成排列盯２3旬即止可得在八卦很，同誓理再救由八愛卦排面列為揉８2所，即召可得皮６４龍卦。株世界糕就是康在陰層陽兩傭種對嫌抗物和質(zhì)勢徒力運(yùn)摟動(dòng)推頸動(dòng)下并孳生插著。聲發(fā)展縱著。擋這是遞一種摧十分歸樸素吐的萬尊物生翅成的蹈唯物丘主義怖觀念襪。然而運(yùn)，這辛兩個(gè)英本來盟獨(dú)立萍發(fā)展冰的、芽具有電唯物惱主義懲色彩夫的物出質(zhì)學(xué)顛說，忘到后盛來經(jīng)室鄒衍質(zhì)之手預(yù)，加語以歪歪曲比既附，部推演舉到人吵事和已社會(huì)浴歷史矛上去餡，使回其被紅蒙上拜了濃樣厚的霉迷信輩色彩乞，走漠上了踐唯心膏主義若的玄攀學(xué)途湖徑，孟失去呢了作材為說蓬明世歲界的卵一種申初級吉認(rèn)識慌作用陵。②運(yùn)駝動(dòng)觀桶念。翻在我涌國古木代，錫人們倍把運(yùn)銷動(dòng)理夫解為披一般孟變化障，其曾中包競括產(chǎn)犬生和和消滅引，數(shù)債量增溝減和留性質(zhì)伸變化泳，以稻及位鄙置移憂動(dòng)。杠對于評位置壩的移尿動(dòng)，品《墨妄經(jīng)》列中有蜂專門任的論彩述，習(xí)并對號“運(yùn)留動(dòng)”靜和“柿靜止齡”的搶觀念跟下了包定義捕：經(jīng)污上：餐“動(dòng)能，或術(shù)（域蓄）徙攪（徙紡）也綱。”緒意思藝是說扎，凡盜物之吉?jiǎng)樱捘似滟p所處速的位淚置的胞變化憲。經(jīng)吊說：懷“動(dòng)尤：偏弱祭（暮際）個(gè)徙（沉徙）孟者，野戶樞就免瑟績?！睅胚@里灑補(bǔ)充蒸說明妖轉(zhuǎn)動(dòng)寧也是兵運(yùn)動(dòng)傾；經(jīng)蟲上：持“止瞇，以雷久也饞”。動(dòng)“久達(dá)”即雀時(shí)間閑，意稿思是徹說，矛靜止輸，是殘指某累物體槍在某醋一時(shí)辛間限伍以上改處于婚空間雙中同捐一位些置，圓即物罵體在干某一激位置香上停盟留一策段時(shí)役間，津這就額是靜伴止?fàn)钚g(shù)態(tài)。渡經(jīng)說況：“研無久靜之不恒止，走當(dāng)牛領(lǐng)非馬披，若傷夫（夏矢）踩過楹訴。有茄久之導(dǎo)不止嫁，當(dāng)五馬非趟馬，瞎若人蒜過梁央?！睒沁@里昆墨家近進(jìn)一頃步說刑明靜丟止與壞運(yùn)動(dòng)泊的關(guān)吸系：露把靜耽止分濾為“紅無久效之不信止”能與“焦有久困之不維止”祝兩種杯情形困。前許者講弓的是閥運(yùn)動(dòng)睜飛快遞的物靈體，熟使人殖感覺擔(dān)不到惡在空奴間某衣一位馳置有響停留門的時(shí)對間；悲后者膚講的下是運(yùn)拖動(dòng)緩衣慢的價(jià)物體廣，使丑人能叢夠感萄覺到夢它在李空間麥停留襲一段尋時(shí)間驢（靜情止）傾。除似墨家吹外，禽先秦憐時(shí)期盾，許摧多學(xué)趙者都典提出捷過關(guān)嚼于運(yùn)硬動(dòng)和藝靜止幫的辯習(xí)證命宰題。晨如惠標(biāo)施的彼“日竊方中己方睨甘，物屯方生寸方死殘?！睌彻珜O蹤蝶龍的喚“鏃癢矢之株疾而倚有不周行不遺止之組時(shí)”索；“擔(dān)飛鳥綢之影牢未賞徑動(dòng)也錫”。等等景。除去瓶以上辛列舉女的力溫學(xué)、榴光學(xué)輔、聲秩學(xué)和返物質(zhì)出與運(yùn)乓動(dòng)等肅四個(gè)握方面唉之外屬，在臟這一腦時(shí)代系中，譯我國希還有混許多始其它廢的物瓦理學(xué)慢方面差的成叔就，強(qiáng)例如妹磁現(xiàn)間象和懂靜電雜現(xiàn)象陣、氣油象知蛙識等扛等，棉不再閥一一吹加以磁介紹嶼了。即使雹從以津上的挖一個(gè)歉很不賢完整啟、很英不系漸統(tǒng)的紹介紹魂，我舌們已描經(jīng)可蝕以看便到，寸我國屈古代賞確實(shí)撕有不僅少很枝有價(jià)膽值的孤物理斗學(xué)成饒就。滋