《人類科學(xué)技術(shù)史-162》中國隋唐宋元時期物理學(xué)

中國隋唐宋元時期物理學(xué)

早在中國的戰(zhàn)國時代，物理學(xué)就取得了輝煌的成就，在力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等方面都頗有建樹。隋唐宋元時期，封建制度日益鞏固，科學(xué)技術(shù)向著為宮庭服務(wù)的方向發(fā)展。再加上隋唐確立了科舉制度，科舉制度造成科學(xué)技術(shù)與士大夫階層脫離，使理論科學(xué)的研究主要落在少數(shù)僧侶、道士和隱士的身上。由于這支隊(duì)伍力量薄弱，科學(xué)研究明顯后繼無力。在物理學(xué)方面尤甚。已經(jīng)出現(xiàn)的理論和著作陸續(xù)被人遺忘和散佚，已經(jīng)開始的研究只好中途作罷。因此這一時期的物理學(xué)已經(jīng)是強(qiáng)弩之末。直到明朝，西方近代科學(xué)傳入之后，物理學(xué)的研究才重新方興未艾。不過，由于中國古代積累了豐富的物理學(xué)知識，也由于當(dāng)時少數(shù)物理學(xué)家沈括、趙友欽等人的艱辛努力，隋、唐、宋、元時期，物理學(xué)的許多學(xué)科在世界上仍是領(lǐng)先的，在聲學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)方面均結(jié)出了豐碩的成果。

1.聲學(xué)

早在古代中國就有很豐富的聲學(xué)知識。其中，關(guān)于物體發(fā)聲和傳播的研究、聲音成因的解釋，以及樂器的制造和聲律學(xué)的探討都有詳細(xì)的記載。北宋科學(xué)家沈括則在共振實(shí)驗(yàn)和共鳴現(xiàn)象上作了深入的研究。

沈括(1031-1095)字存中，北宋政治家、科學(xué)家，浙江吳興(今屬浙江杭州）人。他博學(xué)多才，成就卓著。《宋史》說他"于天文、方志、律歷、音樂、醫(yī)藥、卜算，無所不通，皆有所論著"。其中有好些創(chuàng)見，至今仍為全世界學(xué)者稱道。堪稱中國歷史上，同時也是世界歷史上稀有的通才。他的著作有40種，其中《夢溪筆談》26卷，《補(bǔ)筆談》2卷，《續(xù)筆談》1卷。這些都是他晚年定居夢溪園以后，采用筆記體的形式寫成。

《筆談》記錄了他一生積累的各種知識分條，共609條。按照李約瑟教授的輯錄，其中207條屬于自然科學(xué)知識，包括物理、化學(xué)、天文歷法、算學(xué)、氣象、地質(zhì)學(xué)及礦物學(xué)等14種，因此《筆談》是中國科學(xué)史上一部重要著作。李約瑟把這本書稱為"中國科學(xué)史上的坐標(biāo)"。《筆談》詳盡記述了大量科學(xué)史料，從許多側(cè)面反映了當(dāng)時的科技水平。如灌鋼的鍛造法，冷鍛成色的檢驗(yàn)法，所制透鏡及其他銅鏡的特異性能，指南針的裝置法等，都達(dá)到了當(dāng)時世界最高水平。《筆談》還記錄了許多平民科學(xué)家的創(chuàng)造發(fā)明，如發(fā)明活字印刷術(shù)的畢升、建筑工程師喻誥、天文學(xué)家衛(wèi)樸、水利工程師高超等人，都有詳細(xì)的記載。

《筆談》也是這位大科學(xué)家畢生觀察思考和研究結(jié)果的記錄。這些成果在科技史上有許多占有重要地位，如關(guān)于地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成的認(rèn)識、垛積公式、會圓術(shù)、中草藥和醫(yī)方的考證等，都是很了不起的科學(xué)成就。《筆談》中在物理學(xué)方面涉及的內(nèi)容主要有聲學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)等方面。

沈括的《夢溪筆談》有兩卷專講音律。他的一個朋友家中有一個琵琶，放在空蕩蕩的房間里。用笛吹奏雙調(diào)的時候，琵琶也跟著發(fā)音。這使人非常驚訝。那人把琵琶當(dāng)成寶貝，敬若神明。沈括知道后大不以為然，指出這只不過是共鳴現(xiàn)象。他為了顯示共振現(xiàn)象，剪了一些小紙人放在弦上，每弦一個，然后開始演奏。除了本身被彈奏的弦線以外，另一根與它音調(diào)有共振關(guān)系的弦也會振動起來。它上面那個小紙人頻頻跳動，而其他弦上的紙人卻安然不動。沈括還進(jìn)而證實(shí)，只要聲調(diào)高低一樣，相應(yīng)的弦照振不誤。沈括設(shè)計(jì)的紙人演示共振實(shí)驗(yàn)，是世界上同類實(shí)驗(yàn)中最早的一個。

2.電學(xué)和磁學(xué)

中國古代電學(xué)、磁學(xué)的知識十分豐富。早在先秦、兩漢年間，就有摩擦起電、雷電以及尖端放電的記載。到了唐代，人們在實(shí)踐中找到了防止雷擊的辦法。唐代王睿在《炙殼子》中記載道：漢代古建筑柏梁遭火災(zāi)，有一個搞巫術(shù)的人提出把瓦做成魚尾形狀(叫做"鴟吻"或"蚩吻")后，放在屋頂上可以防止雷電引起天火。有人解釋說，這是在仰起的"鴟尾"中吐出一根金屬長舌向著天空，舌根和一根著地的細(xì)長鐵絲相連。這種記載如果屬實(shí)，說明當(dāng)時人們已經(jīng)在實(shí)踐中應(yīng)用避雷針了。從雷電對物質(zhì)作用的觀察中，中國古代實(shí)際上已區(qū)分了導(dǎo)體和絕緣體。

沈括在《夢溪筆談》中記載了內(nèi)侍李舜舉家被雷擊時"金石皆鑠，而草木無一毀者。"沈括通過雷電對金石、草木作用的不同效果，實(shí)際上已經(jīng)看到了導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別。

中國古代在磁學(xué)方面也成績斐然。春秋時期，磁石吸鐵的知識已相當(dāng)普遍。到東漢時已發(fā)明了"司南"，即指南針的雛形。《論衡》中記載"司南之杓，投之于地，其柢指南"。到了宋代，沈括在《夢溪筆談》中第437條記載了指南針。這時，指南器已由司南勺、指南魚發(fā)展為針形，成為一種更簡便、更有實(shí)用價值的指南儀器。它和現(xiàn)代磁針的形式已極為接近。《夢溪筆談》中記載的使用天然磁石摩擦鐵(鋼）針使其磁化的人工磁化方法，直到19世紀(jì)現(xiàn)代電磁鐵出現(xiàn)以前，幾乎所有磁針都是這樣制成的。

在使用指南針的過程中，人們還認(rèn)識了磁偏角。沈括說指南針不是指向正南，而是"常微偏東"。寇宗奭還說："常偏丙位"，即磁偏角在0°到15°之間。歐洲大約到13世紀(jì)才知道磁偏角，當(dāng)時還誤以為是指南針構(gòu)造的缺點(diǎn)造成的。

指南針是中國舉世聞名的"四大發(fā)明"之一。指南針一經(jīng)發(fā)明，很快被應(yīng)用于航海。南宋時又發(fā)明了羅經(jīng)盤，或稱為地螺、針盤等。指南針在航海中的地位更加重要了。

中國的指南針由海路傳入阿拉伯，大約在1180年由阿拉伯傳入歐洲。指南針的出現(xiàn)大大促進(jìn)了航海技術(shù)的發(fā)展。

3.光學(xué)

宋末元初卓越的科學(xué)家趙友欽在光學(xué)方面很有成就。趙友欽又名敬，字子恭，號緣督，鄱陽(今江西鄱陽）人。有關(guān)趙友欽生平事跡的史料很少，生卒年月也不詳。僅有《革象新書》(5卷）流傳下來，使我們得以了解一點(diǎn)這位科學(xué)家的貢獻(xiàn)。

《革象新書》第5卷首篇"小罅光景"中詳細(xì)記載了趙友欽所做的光學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是在一個兩層樓房中進(jìn)行。一樓分為左右兩室，樓下兩室各挖一個直徑為4尺的圓阱，阱上蓋有木板，板上各有一小孔，阱中各放插有一千多只蠟燭的圓板作為光源。趙友欽通過這個實(shí)驗(yàn)對一系列幾何光學(xué)問題進(jìn)行了具體的觀測和研究。最后他作出了結(jié)論：①孔相當(dāng)大時，屏上所產(chǎn)生的像與孔的形狀相同；②孔相當(dāng)小時，屏上所生的像和光源的形狀相同，但方向相反(即蠟燭的光在東，像在西），這就是小孔成象。趙友欽說這個結(jié)論"斷乎無可疑者'。象這樣嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇笮蛯?shí)驗(yàn)，在14世紀(jì)中葉時，世界上還是絕無僅有的。趙友欽通過實(shí)驗(yàn)還得到：照度隨著光源的強(qiáng)度增加而增加，隨距離的增加而減小。而西方在400年后，才由德國科學(xué)家蘭伯特(1728-1777)得出了照度和距離平方成反比的定律。

沈括在研究凹面鏡成像實(shí)驗(yàn)中也總結(jié)出規(guī)律。他指出，當(dāng)手指在焦點(diǎn)之內(nèi)，所成的像是一個正立的虛像；當(dāng)手指漸漸遠(yuǎn)離鏡面，移至焦點(diǎn)時，成像在無窮遠(yuǎn)，即"無所見"了；當(dāng)手指移至焦點(diǎn)之外，就成為倒立的實(shí)像了。沈括發(fā)現(xiàn)了焦點(diǎn)，并把它看作是正像和倒像的分界點(diǎn)，這是一個十分重要的進(jìn)展。

4.力學(xué)與熱學(xué)

隋、唐、宋、元時期，中國應(yīng)用力學(xué)知識已經(jīng)達(dá)到了一個很高的水平。

北宋著名科學(xué)家蘇頌(1020-1101)和韓公廉(生卒年不詳）于1088年制作了一座杰出的天文計(jì)時儀器——水運(yùn)儀象臺。這座復(fù)雜的大型儀器采用了民間使用的水車、筒車("升水輪")、桔槔、凸輪和天平秤桿等機(jī)械原理，把觀測、演示和報(bào)時設(shè)備集中成一個整體，成為一部自動化的天文鐘。這是世界上最古老的天文鐘，在國際上受到極高的評價，這反映出當(dāng)時中國力學(xué)知識已經(jīng)有相當(dāng)高的水平。

此外，宋代有許多關(guān)于浮力的記載，宋代還有人應(yīng)用大氣壓力來制造虹吸管和唧筒。北宋曾公亮在《武經(jīng)總要》中，具體記述了如何用竹筒制成大型虹吸管，把被高山阻隔的泉水引過來的裝置。這說明，當(dāng)時中國的流體力學(xué)也已有一定的水準(zhǔn)。

這一時期，熱學(xué)知識的應(yīng)用也很普遍。在燒制陶器和冶煉金屬的過程中，都需要大量的熱學(xué)知識。尤其火藥的發(fā)明，使中國古代在熱的動力應(yīng)用方面居于世界領(lǐng)先的地位。

中世紀(jì)時期的中國物理學(xué)由于始終缺乏穩(wěn)定的理論研究隊(duì)伍，而且由于人們偏重物理學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，對自然界的理論研究缺乏興趣。因此，這一時期中國雖然在學(xué)術(shù)上長期處于世界領(lǐng)先地位，但缺乏系統(tǒng)性和連貫性，更沒有形成完善的科學(xué)體系。中國物理學(xué)表面的輝煌下潛伏著嚴(yán)重的危機(jī)。自宋、元以后，中國整個物理學(xué)逐漸走向衰退，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方的近代物理學(xué)。