《人類科學技術史-148》中國秦漢魏晉南北朝時期物理學（上）

中國秦漢魏晉南北朝時期物理學（上）

秦漢魏晉南北朝時期，是中國古代物理學發展的重要階段，這一時期在力學、聲學、熱學、電學和磁學、光學方面取得了一系列的成就。

春秋戰國時期，中國古代力學曾獲得很大的發展，是初步形成的階段。秦漢時期，力學又獲大發展，尤其是在應用方面。魏晉南北朝時期，中國的力學從理論到實際運用上都取得了極其輝煌的成就，在當時世界上居于領先地位。

聲學是物理學研究的重要領域，這一時期在這方面出現了豐富的專著以及眾多卓越的發現、發明等。其中對物體發聲、傳聲的研究，聲音成因的解釋，共鳴現象和共振實驗等都有詳細記載。這一時期的樂器創造、樂律學的探討，以及各種用于戰爭偵察、建筑和生產中的聲學知識，都領先于世界。

在長期生產生活中，人們積累了不少熱學方面的知識，尤其在熱能的利用方面又有了較大的發展，主要表現在冶煉、淬火、溫室種菜、煉丹生火，制成熱氣燈等等。

電磁學是物理學專門的領域，主要是研究電磁運動規律。這一時期，人們對摩擦生電，大氣電光等方面已有很深的認識，記載也很多。而在磁學方面對磁石和磁石吸鐵性，指極性及其本質的探索等均有相當的知識，成就很大。雖然由于條件限制未能形成體系，但卻有自身的連貫性，在學術上長期處于領先地位。

中國古代的光學知識十分豐富，尤其在幾何光學方面所取得的成就，長期領先于世界其他各國。秦漢魏晉南北朝時期是中國古代光學研究不可缺少的階段。

1.光學知識

兩漢時代，出現了一種透光鏡，外形與古代普通鏡子一樣，反射面磨得很亮，能照人，但它卻能通過反射把鏡子背面的文字和花紋清楚地反射到屏幕上，這是由于鑄鏡時薄處先冷，鏡背有花紋圖案處較厚，冷卻得較慢，銅收縮得多，而花紋、圖案雖在鏡背，而鏡面也有隱約的痕跡。這充分反映了中國古代人民對光反射特性的深刻認識。

西漢時，中國已有原始的潛望鏡，唐代馬總的《意林》卷6引《淮南萬畢術》一書，稱"取大鏡高懸，置水盆于其下，則見四鄰矣。"中國古代的人們早已知道光線穿過透明體的折射現象。春秋戰國時期，人們已開始用凸透鏡向日光取火。西漢《淮南萬畢術》上有這樣的記載："削冷令圓，舉以向日，以其承其影，則水生。"晉朝人張華也在《博物志》中作了類似的記載。西方直到17世紀才由英國科學家虎克作出類似的試驗，比中國晚了1000多年。

根據王充《論衡.亂龍篇》的記載，東漢時已有了消煉"五石"制成的透鏡陽燧，這是早期的玻璃凸透鏡。遠在公元2世紀之前，中國已發明了放大鏡，可放大四、五倍。顯示出凸透鏡的另一功能。

對于因光的折射所引起的色散現象，古代中國對它的發現和記載都相當早。虹是太陽光沿著一定角度射入空氣中的水滴引起的比較復雜的折射和反射造成的一種色散現象。東漢人蔡邕在《月令章句》中是這樣解釋虹的：虹成于與日向對的云氣中，無云則無虹，陰天亦不會有虹。可見他已對虹的成因及位置有了一定的了解，那時的人已觀察到瀑布之下四濺的水珠亦能呈現七彩。另外，南北朝時的梁元帝肖降在《金樓子》一書中曾記載了君王鹽(又叫王華鹽）的結晶體能折射太陽光呈紅、黃、褐諸色。這是關于天然晶體色散現象的最早記載。

2.力學知識

在秦漢、魏晉南北朝時期，人們利用已積累的力學知識，發明了一系列機械，如利用力的分合原理制成犁壁(比歐洲早千余年）；利用力的平衡原理，杠桿原理等制成的三腳樓；利用杠桿原理制成水碓；利用力的傳遞原理制成翻車；采用齒輪系統制成漏水轉渾天儀；應用慣性和杠桿原理等制成候風地動儀；西漢丁緩利用齒輪系統發明的七輪扇及利用力的平衡原理制成的被中香爐；使用杠桿原理和輪轉系統制成水排；應用齒輪的自動離合原理制成指南車及記里鼓車等，生動地反映了中國古代在實際應用中的高超水平。

東漢王充的《論衡》是對這一時期力學知識的初步綜合，是對墨家力學的繼承和發展，已初具動力學的萌芽。王充是東漢時期偉大的唯物主義思想家。《論衡》是評論古往今來一切思潮和學說的是非真偽的論文集。書中對力的作用進行了探討，指出外力是使物體運動的原因，而內力不能使人和物體本身發生運動狀態的變化，且力的大小可用重量的單位來量度，大小不同的力其效果也不一樣。這些論述比前人更進了一步，基本上與近代力學原理相符。

關于物體運動快慢的原理在《論衡》中也有論述，書中指出：在一定外力作用下，重量小的物體運動起來容易；重量大的則困難。書中還有了"速度"這一概念的萌芽，指出一切物體運動的快慢可用相類似的機械運動來比擬進行量度，這是一個很重要的創見。另外，書中還表現出了關于功這一概念的萌芽思想，書中明確提出在考核功的大小時，除用力的多少外，還要確定運動路程的長短。

流體運動現象是日常生活、生產中常見的現象，人們很早就對它進行了研究。春秋戰國時期，墨家對水中物體的浮沉現象進行了考察和研究，指出：一定量的物體如果形體很大，那么它在水中下沉的部分則淺，因為它與平衡有關。并且已懂得物體排開的水與物體本身有一定的關系，并試圖作定量的描述。這無疑是浮力原理的記述。這比古希臘的阿基米德的發現早了兩個世紀。這一原理隨即被應用于造車和造箭的生產工藝中，到秦漢魏晉南北朝時期，這一原理被更為廣泛地采用。著名的曹沖稱象故事，講的就是這一原理，即船上裝上石塊與船上裝大象沉到同一位置，表明它們排開水的重量相同，也就是兩次所受到的浮力相同，這就表明大象與石塊必然等重。

在流體壓力方面，中國古代早就利用大氣壓力來制造虹吸管和唧筒。東漢末年就出現了一種用于灌溉的虹吸管(當時稱為"渴鳥")。以后，虹吸現象在生產和生活中應用更為普遍，醫學上的拔火罐療法也是利用這一現象。關于大氣壓力的探討，南北朝時成書的《關尹子.九藥》中有這樣的記載："瓶存二竊，以水實之，倒瀉；閉一則水不下。蓋不升則不降也。"意思是：把水灌滿有兩個孔的瓶子，然后傾倒，如果閉住一個孔，則水就倒不出來，這是因為有兩個孔，傾倒時一個小孔可同時進氣，便倒出水來；如塞住一個孔，那么就因另一個孔外面的氣壓比瓶中的壓力大，水也就流不出來。這反映了當時人們對大氣壓已有相當的認識。魏晉之際的虞茸在《穹天論》中論述宇宙結構時，說天有如一個倒扣在水面上，用來盛放梳妝用品的木奩，其所以不會下沉，因其中充滿了"氣"，明確地肯定了大氣壓力的存在。

3.聲學知識

東漢學者王充曾用水波來解釋聲音在空氣中的傳播。他在《論衡》一書中寫道："生人所以言語吁呼者，包括口喉之中，動搖其舌，張歙其口，故能成言"即指出了人之所以能發聲，是由于人口的張合，口舌鼓動空氣而發音。并認為，人使空氣振動成聲，聲音通過空氣傳播，同魚使水振動成水波通過水傳播一樣，離開振源過遠，就聽不到聲音了。王充關于聲音猶如水波的物理學思想，是世界上對聲波的最早認識。

人們在認識波的同時，已知聲音的高低是與物體的振動分不開的，認識到鐘的厚薄不同聲音的清濁不一，弦線的長短、密度、張力不同，則音調也各異。王充在《論衡》中還提出了"天且雨……琴弦緩"，即天要下雨，空氣潮濕，琴弦會松緩下來，張力變小，頻率也發生變化的觀點。除此之外，秦漢時人們早已學會了鑒別音色，對響度和音品都有一定的認識，還知道了因振動所引起的共振和共鳴現象。其實共振和共鳴現象在戰國時代的《莊子.雜篇》中已有記載，并用音律相同去解釋。但真正具體深刻解釋這一現象理論還是在西漢。董仲舒(公元前179-104年）在《春秋繁露.同類相動》中的解釋最具代表性。他明確指出，凡是物體自鳴，都是有其原因的，就是聲音相應，強音則使物體自鳴。利用共振原理，漢代人制成了稱之為洗的銅器。它的形狀與洗臉盆相似，底部淺且平，盆邊有兩耳，邊緣較寬大，盆底鑄有兩條龍或魚，俗稱龍洗或魚洗。其噴水原理涉及到固體振動在水中的傳播、共振現象和干涉效應。如用兩手有節奏地摩擦盆邊上的兩耳，就會使盆內的水產生復雜的波紋，好似魚或想象中的龍在盆底運動翻起浪花。如摩搓得好，還可使水噴到空中3尺多高。這種器皿的問世，顯示了當時人們已掌握了聲學的共振和干涉效應的知識。晉代學者張華(公元232-300年）在《博物志》一書中就利用共振原理去解釋洛鐘和銅盆的自鳴現象，并第一次提出了清除共鳴的科學方法：使物體的重量減輕。這說明張華已知共鳴的原因在于音調相應，以及音調和振動體形狀均與輕重有關。此外，在秦漢魏晉南北朝時期，聲音效應已被廣泛用于戰爭，利用共鳴測知對方的行動和方位；在建筑中則利用共鳴、反射等來建造琴室、廟宇、宮殿等特殊需要的建筑。

從數學的角度對樂器上的樂音進行研究，是中國古代物理學的重要組成部分。大約在公元前11世紀，對音律的研究已形成初步的理論系統，到春秋戰國時期，出現了一種"三分損益法"的樂律計算方法。運用這個方法完成一個音階中各個律的計算以后，使比基音高或低8度的音只能約略地比基音高或低一倍，與真正的準確值一倍還有一定的差距，即高一個"古代音差"。這樣就不能組成一個完整的8度，這無疑是美中不足之處。為消除這一差數，秦漢魏晉南北朝時期，涌現了大量對此進行探索的樂律學家，尤以西漢的京房(公元前77-前37年）、南北朝時的何承天(370-447年）、錢樂之(5世紀）和沈重(6世紀）的貢獻更為突出。京房所采取的辦法是把高出的差數插入黃鐘與大呂(十二律中的兩個）之間，并重新用清黃鐘這個音為起點，仍用三分損益法順次求出其他各音，同時，把這些音插入到相當的位置中去。從而把一個音階中的律數增到50個(實為60個）。錢樂之和沈重也是按此方法，將律數增到360個。但總體來說，他們這種作法只不過是縮小這個差數，而不能消除這個差數。而且他們將律增加過多，不僅無法演奏，而且也難以制出這種樂器。何承天把按三分損益法計算結果造成的律管長度上的差數均分為十二份，然后累加到基音以后的各律上去，從而使基音和高8度的音在長度上恰好成倍比。但由于是按律管長度來平均分配差數，而不是按頻率(或音分）來分，從而使各律間音程混亂，轉調更困難。但這個大膽的創新，打破了5度相生的陳規，提出了樂律研究的新方向——等程研究，為十二平均律的出現指明了道路。值得一提的是晉代的荀勖在樂律學方面曾作出過重要的貢獻。據《晉書》卷19記載，晉泰始十年(公元274年），荀勖制成了12支笛；其12支笛應十二律，其校正數就是一個律管的長度和另一較高四律的律管長度之差數。"荀勖笛"不僅是樂器，也是判別音高的聲學儀器。這種十二笛及管口校正的產生和應用，是中國古代聲學史上的一項重大成果。比歐洲早了15個世紀。