中國通史（第九卷） · 第五十七章物理學

明代的物理學在某些方面，如聲學，有突出的成就。但物理學同其他傳統科學一樣，發展十分緩慢。明末西方傳教士來華，西方近代物理學知識也開始傳入。 第一節力學材料 力學知識 宋應星在《天工開物》中敘述了測量弓的彈力的方法：「凡試弓力，以足踏弦就地，秤鉤搭掛弓腰，弦滿之時，推移秤錘所壓，則知多少。」①這裡涉及到力與形變的關係及其測量方法。 風力與水力的利用我國古代很早就知道在航行中利用風力和水力。宋應星在《天工開物》中指出：「凡風篷尺寸，其則一視全舟橫身，過則有患，不及則力軟」，「凡風篷之力，其末一葉敵其本三葉。調勻和暢，順風則絕頂張篷，行疾奔馬。若風力洊至，則以次減下。狂甚則只帶一兩葉而已」，「凡風從橫來，名曰搶風。順水行舟，則掛篷之玄遊走。或一搶向東，止寸平過，甚至卻退數十丈。未及岸時，捩舵轉篷，一搶向西，借貸水力，兼帶風力軋下，則頃刻十餘里」①。這裡宋應星述及了帆的寬度與受風力的關係、帆的頂部與底部受力的大小，以及船在順風和側向風（甚至逆風）時的航向和張帆方向。宋應星還指出：「凡舵尺寸，與船腹切齊。若長一寸，則遇淺之時船腹已過，其梢尾舵使膠住，設風狂力勁，則寸木為難不可言。舵短一寸，則轉動力怯，回頭不捷。..舵上所操柄名曰關門棒，欲船北則南向捩轉，欲船南則北向捩轉。」②論述了舵的長短對舵力大小、舵的方向對船航行方向的影響。從這些文字中可知，當時對於作用力和反作用力的大小和方向、船的受力狀況與變化等已有充分的認識，因此能操作自如，安全航行。 比重的概念及其應用程大位在《算法統宗》卷一中，列出了金、銀、玉、鉛、銅、鐵、石等七種物質的「輕重率」（即比重），「謂諸物皆見方一寸，其輕重不同如此」。程大位所列數值系引自《孫子算經》卷上，但由於歷代度量衡的變遷，數值已不準確。 在比重的應用方面，明代基本上沿襲宋元時代製鹽工業發展而創造的測鹵法，即用蓮子檢驗鹽滷濃度的方法。陸容在《菽園雜記》中記曰：「..以重三分蓮子試之。先將小竹筒裝鹵，入蓮子於中。若浮而橫倒者，則鹵極咸，乃可煮燒；若立浮於面者，稍淡；若沉而不起者，全淡，俱棄不用。」①方以智在《物理小識》中寫道：「鹵積則能載物，故淘土為巨器，泛中流必無沉溺。姚寬曰：煮海試鹵者，杓鹵而置蓮子數枚，三浮五沉者淡；七八浮①《天工開物》卷十五《佳兵》。 ①《天工開物》卷九《舟車·漕舫》。 ②《天工開物》卷九《舟車·漕舫》。 ①《菽園雜記》卷十二。 則淳鹵矣。取其浮而直。閩人以雞子、桃仁試之。飯豆亦可試也。」②他補充了一種用「飯豆」測試的方法。另外，方以智還記述了在冶煉多種金屬混合其中的礦石時，由於比重的不同，「重者在下，浮土在上，以次分焉」③。對虹吸現象的進一步認識明代，人們對虹吸現象的認識已深入一步。徐光啟述及「過山龍」（即虹吸管）的引水條件是「必上水高於下水，則可為之，至平則止」，在流水中「必須上流高於下流」④。徐霞客在遊歷雲南雞足山時，曾推斷寺廟裡噴泉的高度，「此必別有一水，其高與此並」⑤。方以智也認為，過山龍「其來處何高，則所激之高可與之比。或故使之瀑下，就以筒承瀑，則水激而上。上既出，則流通而不止矣」⑥。 傳入的西方力學知識明末傳入我國的西方近代力學和機械學知識，主要集中在鄧玉函（J.Terrenz，1576—1630）口授、王徵筆述並繪圖的《遠西奇器圖說錄最》（1627）中。該書共三卷。第一卷六十一款，敘述力學基本知識與原理。包括地心引力，重心，各種幾何圖形重心的求法，重心與穩定性的關係，各種物體的比重，浮力等。第二卷九十二款，敘述各種簡單機械的原理與計算，包括槓桿、滑輪、螺旋、斜面等一般知識。第三卷介紹各種實用機械，共五十四幅圖說。該書匯總了從阿基米德到十六世紀初的西方力學和機械學知識，並且其中有些內容引用了伽利略的著述①。 ②《物理小識》卷七《金石類·鹽》。 ③《物理小識》卷七《金石類·分金爐》。 ④《農政全書》卷十七《灌溉圖譜》。 ⑤《徐霞客遊記》卷七上《滇游日記》。 ⑥《物理小識》卷八《器用類·轉水法》。 ①參閱嚴敦傑：《伽利略的工作早期在中國的傳布》，載《科學史集刊》第七期（1964），第8—27頁。 第二節聲學 對聲的認識及應用 宋應星在《論氣》中寫道：「氣本渾淪之物，..及夫沖之有聲焉，飛矢是也；界之有聲焉，躍鞭是也；振之有聲焉，彈弦是也；辟之有聲焉，裂繒是也；合之有聲焉，鼓掌是也；持物擊物，氣隨所持之物而逼及於所擊之物有聲焉，揮椎是也。」②說明一切聲現象都離不開氣的因素，聲音的產生是因為物體的振動或急速運動對空氣的衝擊。他還寫道：「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，而其文（紋）浪以次而開，至縱橫尋丈而猶未歇。其蕩氣也，亦猶是焉，特微渺而不得聞耳。」①在此宋應星明確地用水波與聲波相比較，認為聲音傳播過程中空氣的振動與水波的振動類似。當然他那個時代還不可能知道聲波是縱波而水波是橫波的差別。 方以智曾進行聲波共鳴現象的觀察和實驗，他說：「《夢溪筆談》曰：今有琵琶，以管色奏雙調，則琵琶有聲應之，以為異物。殊不知乃常理。二十八調，但有聲同者即應，若遍二十八調而不應，則是逸調也。古法一律七音，共八十四調，更細分之，逸調至多，偶見其應，便以為奇耳。智（方以智）按洛鍾西應，即此理也。今和琴瑟者，分門內外，外彈仙翁，則內弦亦動，如定三弦子為梅花調，以小紙每弦帖之，旁吹笛中梅花調一字，此弦之紙亦動。曹師夔鑢磬不應鐘，猶之茂先（張華）知銅山崩也。聲音之和足感異類。豈誣也哉！」②他還記述了一種原始的隔聲技術：「私鑄者匿於湖（地洞）中，人猶聞其鋸銼之聲，乃以瓮為甃，累而牆之，其口向內，則外過者不聞其聲。何也？聲為瓮所收也。」③與隔音消聲相反，在音樂演奏中常常為了增強效果而需要共鳴裝置。文震亨寫道：「古人有於平屋中埋一缸，缸懸銅鐘以發琴聲者然。不如層樓之下，蓋上有樓板，則聲不散；其下空曠清幽，則聲透徹；或於喬木、修竹、岩洞、石室之下，地境清絕，更為雅稱耳。」④具有聲學特性的建築馳名中外的北京明代建築物天壇，其中的回音壁、三音石和圜丘具有奇妙的聲學效果。「回音壁」是一道圓形的圍牆，高約6米，半徑約32.5米。圍牆內有三座建築物，北面一座皇穹宇距離圍牆最近處約2.5米。整個圍牆整齊光滑，是良好的聲反射體。圍牆的弧形使得當入射角小於22°時，聲波可被圍牆連續反射而不受皇穹宇的散射。因此，如果一人貼近圍牆講話，而相距較遠的另一人如也貼近牆壁，則可聽得很清楚。「三音石」是位於回音壁中心的一塊石板，人若站在此處擊掌，可聽到三次甚至多達五六次迴響。②《論氣》氣聲二。 ①《論氣》氣聲七。 ②《物理小識》卷一《天類·同聲相應之徵》。 ③《物理小識》卷一《天類·隔聲》。 這是因為聲音等距離地傳到圍牆後，被反射回到中心，於是聽到第一次回聲；然後聲波再次傳到圍牆，再次被反射回來，又聽到第二次回聲；如此往返，直到聲波能量衰耗殆盡。「圜丘」是一座由青石和大理石砌成的圓形平台，高出地面約5米，半徑約11.5米。平台中心略高，向四周略有傾斜。除東南西北四個出入口外，四周全部圍有青石欄杆。人若在圜丘中央大叫一聲，聽到的聲音比平時要響亮。這是由於聲波被欄杆反射到稍有傾斜的檯面上，再從檯面上反射到人耳，與原來的聲音混合在一起的緣故。 朱載堉創建十二平均律朱載堉創建的「新法密率」，是我國古代最傑出的科學發現之一。這也是世界上首次提出的十二平均律的數理理論，為現代鍵盤樂器（如鋼琴等）的創製奠定了基礎。 朱載堉的「新法密率」理論及其計算方法在他的《律歷融通》、《律學新說》和《律呂精義》等書中均有闡述。「新法密率」的主要科學貢獻：一是創造了以弦律為主的十二平均律；二是採用「異徑管律」的方法，提出了解決管口校正的新途徑。 朱載堉把八度分成十二個半音，運用等比生律，使得任何相鄰兩律間的頻率比都相等，從而獲得各律音高間隔的等程性，成功地解決了旋宮轉調的問題。其用數學公式可表示為，式中表示在一個八度音程中十二個半音的任意一個音的弦長。這樣新法密率實際上就是以為比例因子的十二平均律。 TTnnn+1212=1.05946=2T12,,""朱載堉在發明十二平均律的同時，還提出「異徑管律」。這就是以管定律時，各律管的內徑須隨律管長度而異。他利用這種不同管徑的特點來達到縮小空氣柱與管長不一致的問題。他研究得出，在一個八度音程中按音高次序排列的十二個律管的管徑構成了以為比率的等比數列。用數學公式可表示為2412422ddnn+=. 第三節光學 傳統的光學研究及記載關於針孔成像和面鏡成像的問題，方以智①的研究和記述基本上與宋代沈括的研究和記述類似。 關於色散現象，李時珍①、方以智等均有觀察與記述。方以智指出：「凡寶石面凸則光成一條，有數棱者則必有一面五色。如峨嵋放光石，六面也；水晶壓紙，三面也；燒料三面水晶亦五色；峽日射飛泉成五色；人於回牆間向日噴水，亦成五色。故知虹■之彩、星月之暈、五色之雲，皆同此理。」②他列舉了數種晶體的色散及虹霓現象等，認為這些自然界的普遍現象有著相同的道理。可以說，這是對我國古代色散知識的一個總結性記錄。 至於透光鏡，在郎瑛的《七修類稿》中記載：「映日，則背花俱見。凡突處，其影皆空。」③方以智對此亦有研究：「世有日中見鏡背盤龍，入室則隱者，..人不解其故，以為異寶。此假作者，先以精銅少劑鑄鏡，鑿龍或花其背，復熔倍錫之銅劑填之，磨使平，又以鉛蓋其面，日中照之，則龍文盡出。博物如沈存中（沈括），猶訝透光之奇。吾衍（吾丘衍）始明之。」④對於透光鏡的鑄造方法，方以智與元代吾丘衍的見解相似。 傳入的西方光學知識明末，西方近代光學知識開始傳入我國。如利瑪竇曾用三稜鏡表演色散現象。陽瑪諾（EmmanuelDiaz，1574—1659）在《天問略》（1615）中，最早提到光學望遠鏡，他說：「近世西洋精於曆法一名士，務測日月星辰奧理而衰其目力尫贏，則造創一巧器以助之。」此處「精於曆法一名士」實指伽利略，他於1609年制望遠鏡，並用以觀測月面、金星、土星、木星、星團、銀河等天體。湯若望（J.AdamSchallvonBell，1592—1666）所著《遠鏡說》（1626）是在我國最早介紹望遠鏡的專著。該書首先列舉了利用望遠鏡仰觀月亮、金星、太陽、木星、土星和宿天諸星，及直視遠處山川江河、樹林村落、海上行舟和室中諸遠物的情形，然後介紹了伽利略望遠鏡的結構和用法，在天文觀測及戰爭中的功用，還介紹了眼鏡、凸透鏡和凹透鏡的製造、使用及成像原理，光的折射現象，凸透鏡與凹透鏡組合使用的成像原理、造法、用法及注意事項等。總之，該書從功效、原理、結構和使用等方面介紹伽利略式望遠鏡，並附有光路圖（儘管是錯誤的）及整架望遠鏡的外形圖。估計望遠鏡實物當在此前後傳入我國。 明末，薄鈺曾成功地把「千里鏡」（望遠鏡）應用於戰爭，觀察敵方所①《物理小識》卷八《器用類·陽燧倒影》。 ①《本草綱目》卷八《金石部·玉類》。 ②《物理小識》卷八《器用類·陽燧倒影》。 ③《七修類稿》續稿卷七《奇謔類》。 ④《物理小識》卷八《器用類·鏡背紋》。 在和炮彈落點①。明代已有關於眼鏡傳入我國的記載，見於郎瑛的《七修類稿》卷六《事物類》及張寧的《方洲雜錄》。它們主要是遠視眼鏡，由陸路經甘肅、陝西，或海路從廣東輸入，因稀少而昂貴，被視為珍品。 ①參閱《吳縣誌》卷七五下《列傳·藝術二》。 第四節電和磁指南針和羅盤廣泛應用於航海 明代的造船航海技術是較先進的。十五世紀初，鄭和率領船隊七次航海下西洋。航海羅盤的使用是遠航成功的重要技術保證之一。隨同鄭和遠航的鞏珍曾記載當時航海「皆斫木為盤，書刻干支，浮針於水，指向行舟」①。可見當時普遍使用羅盤指示航行。「至嘉靖間，遇倭夷之亂，始傳倭中法，以針入盤中，貼紙方位其上，不拘何方，子午必向南北，謂之旱羅經」②。「近年吳、越、閩、廣屢遭倭變，倭船尾率用旱針盤，以辨海道。獲之仿其制，天下人始多旱針盤。但其針用磁石煮製，氣過不靈，不若水針盤之細密也」③。說明自明中葉開始，從日本傳入有支軸指南針的旱羅經，應用於航海。在張燮的《東西洋考》卷九「西洋針路篇」和「東洋針路篇」中，就分別敘述了從南中國海至南洋和從澎湖至菲律賓、婆羅洲及台灣等地所應採取的針位方向。 摩擦起電現象張居正曾記載他親身經歷的現象：「凡貂裘及綺麗之服皆有光。余每於冬月盛寒時，衣上常有火光，振之進炸有聲，如花火之狀。人以為皮裘麗服溫暖，外為寒氣所逼，故搏擊而有光，理或當爾。」①冬季空氣乾燥，皮毛絲綢容易摩擦產生靜電。與張居正幾乎同時，都邛也記載了：「吳綾為裳，暗室中力持曳，以手摩之，良久火星星出。」②但是，在那個時代對電的本質尚無了解。 ①《西洋番國志》自序。 ②李豫亨：《青鳥緒言》。 ③李豫亨：《推篷寤語》。 ①《張文忠公全集》文集第十一。 ②《三餘贅筆》「吳綾出火」。