中國古代物理知識及其應(yīng)用舉要

1、中國古代物理知識及其應(yīng)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(rèn)為“中國古代物理學(xué)是有術(shù)無學(xué)”，只是停留在經(jīng)驗階段，沒有理論、沒有方法，充其量也只達(dá)到一定程度技術(shù)的層次。也有人認(rèn)為中國古代人的與物理學(xué)有關(guān)的經(jīng)驗理論也是科學(xué)理論，中國古代物理學(xué)悠久而內(nèi)容豐富。拋開學(xué)術(shù)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(rèn)識并上升到經(jīng)驗得以應(yīng)用，另一方面中國古代人也曾對自然現(xiàn)象的認(rèn)識達(dá)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(xué)，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(rèn)識，人人都可以得出一個結(jié)論。因此，認(rèn)真學(xué)習(xí)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(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(guān)物理

3、知識的歷史看法。因此，隨時間的推移、研究的進(jìn)步、新發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)，人們對中國古代物理知識的認(rèn)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(rèn)識自然現(xiàn)象時形成的物理知識及其應(yīng)用情況。1。力學(xué)知識及應(yīng)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(rèn)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(guān)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(rèn)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(yuǎn)，其氣蒼芒無端末”（王充： 論衡 ） 。中國古人關(guān)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(rèn)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(yuǎn)無極，眼瞀精絕，故蒼蒼然也。譬之旁望遠(yuǎn)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(jìn)退不同，由乎無所根系，故各異也?！盉 對運動的認(rèn)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(jī)械運動。關(guān)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(xué)術(shù)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(dá)到相當(dāng)高的認(rèn)識水準(zhǔn)。中國古人對運動的相對性較早也有了清楚的認(rèn)識，有關(guān)這方面的文獻(xiàn)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(rèn)識到了力學(xué)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。”力學(xué)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(guān)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(jìn)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(dāng)你仔細(xì)觀察這些事情后（雖然當(dāng)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(jìn)，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。”伽利略的思想與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(xué)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(rèn)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(jìn)一步的認(rèn)識。墨經(jīng)?經(jīng)上說：“力，刑之所以奮也。 ”這句話的含義，學(xué)術(shù)界還有爭議，但不可否認(rèn)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(guān)系。墨經(jīng)?經(jīng)上說：“力學(xué)，重之謂。 ”這表明在當(dāng)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(xué)早期翻譯成中文時，還曾譯為重學(xué)。中國古人對彈性力也曾有深刻的認(rèn)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(dāng)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(xué)術(shù)界基本認(rèn)為中國古人在制造弓弩的過程中應(yīng)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(xué)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(rèn)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(fù)荷千鈞，手能決角伸鉤，使之自舉，不能離也?！盌 簡單機(jī)械方面的知識及應(yīng)用杠桿是最簡單的機(jī)械，中國古人制造的簡單機(jī)械中，應(yīng)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(jì)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(fù)缶而入進(jìn)灌韭，終日一區(qū)。鄧析（春秋末人）過，下車為教之曰：為機(jī)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(quán)，重相若也。相衡，則本短標(biāo)長。兩加焉，重相若，則標(biāo)必下，標(biāo)得權(quán)也。 ”學(xué)術(shù)界認(rèn)為這敘述的是杠桿平衡原理。其中標(biāo)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(quán)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。滑輪，古代稱滑車。從春秋戰(zhàn)國開始即有廣泛應(yīng)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(jī)關(guān)，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(xué)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(shù)中水浮驗稻種法，都提示了古人對浮力的認(rèn)識及應(yīng)用。漢代

13、的淮南萬畢術(shù)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(rèn)識。中國古人對大氣壓的認(rèn)識和應(yīng)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(guān)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?！彼卧猎谖浣?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(dāng)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(xué)知識和經(jīng)驗是相當(dāng)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(jī)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(jī)、導(dǎo)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(yīng)等物理知識。制作這種器物，必定有明確的指導(dǎo)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(xué)經(jīng)驗與知識的累積不可。類似的天才設(shè)計在西方，1500

15、年左右才由達(dá)芬奇提出。F 聲學(xué)知識中國古代的聲學(xué)知識是相當(dāng)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(rèn)識到了空氣振動成聲的道理。 明宋應(yīng)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?！痹谒螒?yīng)星對發(fā)聲原理的認(rèn)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(yīng)星對聲音在空氣中的傳播有深刻的認(rèn)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(jì)中期哲學(xué)家、科學(xué)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(yuǎn)聽之，知地勢高下。依傍則筑，略無差矣。”由此可以推測陳遵對聲音傳播的速度應(yīng)該有一定的認(rèn)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(yīng)思想。公元前3 4 世紀(jì)在莊子?徐無鬼中就有關(guān)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。”呂氏春秋？應(yīng)同中說：“類固（同）相如，聲比則應(yīng)。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(yīng)，其驗照然也。試調(diào)琴瑟而錯之， 鼓其宮則它宮應(yīng)之，鼓其商而他商應(yīng)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?！逼渲械膶m、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(jìn)一步說： “樂之器，彈其宮則眾宮應(yīng)。 ”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(yīng)?？慑e令輕，則韻乖鳴自止也。 依其言，即不復(fù)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(yīng)聲：宮弦則應(yīng)

19、少宮，商弦則應(yīng)少商，其余皆隔四相應(yīng)。今曲中有（應(yīng)）聲者，須依此用之。欲知其應(yīng)者，先調(diào)諸弦令聲和，乃剪紙人加弦上，鼓其應(yīng)弦，則紙人躍，他弦即不動。聲律高下茍同，雖在他琴鼓之，應(yīng)弦亦震，此之謂正音?！敝袊湃艘苍谱鬏^復(fù)雜的發(fā)出樂音的機(jī)械，如西京雜記載：“漢高祖初入咸陽宮復(fù)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(xué)知識及應(yīng)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(guān)的知識十分豐富，若干重大貢獻(xiàn)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(rèn)識到了人眼依賴光才能看見東西的道理。而在古希臘，學(xué)者多認(rèn)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(xué)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(guān)于光學(xué)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(yuǎn)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(tuán)，景一。將這八條與墨經(jīng)上相應(yīng)的說部分

21、相參照，學(xué)術(shù)界認(rèn)為這八條敘述的分別是：影子生成的原理；光線與影的關(guān)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(rèn)識使得墨經(jīng)在光學(xué)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(xué)內(nèi)容的著作。近年來又有學(xué)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(guān)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(xué)第九條折射的定量觀察。自然科學(xué)史研究，2002 年第 1 期）對于透鏡的聚光性漢代的淮南萬畢術(shù)中有明確記載： “削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則生火?！蹦咸谱T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(yīng)為透鏡類。在中國古人對光學(xué)的研究中，元朝趙友欽的大型實驗“小罅光景”