中國通史（第六卷） · 第五十一章物理學

第一節力學知識 關於物體的位置、運動及參照物 我國自先秦時代已經有關於物體的位置及運動的討論。《呂氏春秋》中著名的「刻舟求劍」的故事就是一個生動的例子：「楚人有涉江者，其劍自舟中墜於水，遽契其舟，曰：『是吾劍之所從墜。』舟止，從其所契者入水求之。舟已行矣，而劍不行。求劍若此，不亦惑乎？」①這位楚人只考慮劍墜入水時劍與船的相對位置，「從其所契者入水」，當然他不可能找到墜入江中的劍。而《呂氏春秋》的編纂者們則正確地指出，「舟已行矣，而劍不行」。船在運動，因此落入水中的劍相對於船的位置時時在變化。在不考慮河水的衝力作用時，劍相對於河岸是靜止的。顯然，故事的編纂者是知道如何能找到劍的。從物理學意義上說，這裡的問題是，要選擇恰當的參照物，才能正確確定物體的位置和描述其運動的狀態。 古籍中後來有許多討論或論述運動的記載。晉人葛洪有「見游雲西行，而謂月之東馳」的論述①。束晳又說：「仰游雲以觀月，月常動而雲不移，乘船以涉水，水去而船不徙矣。」②這就是說，以雲作為參照物，月亮是運動的；以船作為參照物，則河水是運動的。《隋書》的這段記載肯定了束晳的看法。隋唐時期，人們對於運動的相對性有了更明確的認識。 重心與平衡我國古籍記載，先秦時期就有了一種叫做「欹器」或「宥坐之器」的器物，當注水於這種器物時，「虛則欹，中則正，滿則覆」③。欹器的製造一直流傳到隋唐以後。隋代，耿詢就曾製造和進獻欹器④。唐代，馬待封製造了盛酒的欹器⑤。李皋也製造過，「皋嘗自創意為欹器，以髤木上出五觚，下銳圓，為盂形，所容二斗。少則水弱，多則強，中則水器力均，雖動搖，乃不覆雲」⑥。這裡以盛水多少表現出的水的力量的強弱，來描述其底銳圓的欹器盛水後的狀態。「少則水弱」，即水少其重力不足以傾覆器物；「多則強」，即水多其重力強大以致傾覆器物；「中則水器力均」，即欹器年盛水適中時，水的重力與器物本身保持平衡。試圖探究欹器盛水之後狀態的原因，說明唐代人們對力和力的作用的認識又進了一步。 「被中香爐」是我國古代能工巧匠充分運用重心及平衡等物理學知識創製的。成書於晉代的《西京雜記》記載：西漢時期「長安巧工丁緩者..又①《呂氏春秋》卷十五《慎大覽·貴因篇》。 ①《抱朴子》內篇卷七《塞難》。 ②《隋書》卷十九《天文志》。 ③《荀子》「宥坐」。 ④《隋書》卷十九《天文志》、卷七八《耿詢傳》。 ⑤《太平廣記》卷二二六《伎巧二》。 ⑥《新唐書》卷八○《李皋傳》。 為臥褥香爐，一名被中香爐。本出房風，其法後絕。至緩始更為之。為機環轉運四周，而爐體常平，可置之被褥，故以為名」①。它的結構特點是，「為機環轉運四周，而爐體常平」。這實際上是一常平架裝置，「機環」由迴轉軸線相互垂直並交於一點的三個金屬環構成，內環軸上懸掛爐體。由於各環轉軸彼此制約以及爐體本身重心的影響，任何情況下爐體都不會傾倒。因此若在爐體內點燃薰香，香爐可置於被中，而不必擔心香灰傾覆燒毀被褥。根據史籍記載可知，被中香爐至遲在西漢時已經發明。二十世紀六十年代在陝西西安唐代遺址中曾出土製作精美的被中香爐和銀熏球②。除被中香爐外，歷代製作的類似裝置亦用於取暖、娛樂等用途。而這種常平架裝置，對後世航海和航空中不可或缺的儀器陀螺儀的發明，有重要啟示。 對空氣阻力、升舉力和大氣壓力（壓強）的認識唐代王冰在注《黃帝內經·素問》中指出：「以物投井，及葉墜空中，翩翩不疾，皆升氣所礙也。」此處所述表明，當時人們已了解，物體在空氣中運動時，受到空氣阻力及氣流的升舉力的作用。王冰的注接著指出：「虛管溉滿，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。由是觀之，升無所不降，降無所不升，無出則不入，無入則不出。」①他做了兩個實驗：一是把水灌進一根管子裡，上口封閉並懸掛起，這時水不會從下口流出。二是要想把水很快地注入小口的瓶子裡，是不可能的。可見王冰對管子和瓶子中水的出入以及水與氣之間的升降關係進行了仔細的實驗觀察，並作出了合乎科學的解釋。這兩個實驗的結果都說明了大氣壓力的存在。 唐代杜佑對利用虹吸現象「隔山取水」有詳細的敘述：「渴烏隔山取水，以大竹筒雄雌相接，勿令漏泄，以麻漆封裹，推過山外，就水置筒，入水五尺，即於筒尾取松樺乾草，當筒放火，火氣潛通水所，即應而上。」②大氣壓強的存在，使得人們能夠利用虹吸現象來灌溉農田。儘管當時對虹吸的物理原理並無深刻認識，但是，密封竹筒、在筒尾燒乾草、把水從低處引上來並且使水翻越過山，顯然是總結了長期的實踐經驗的結果。 測定液體的濃度北魏賈思勰的《齊民要術》中有用水浮法選種的記載。唐代，段成式寫到關於蓮子在水中的沉浮狀態：「蓮實，蓮入水必沉，唯煎鹽鹹鹵能浮之。」③因蓮子的比重比水的比重大，故入水必沉。但鹽滷的比重比水的比重大，且鹽滷愈濃其比重愈大。雖然當時人們不可能有關於比重與濃度等明確的科學概念，但在長期的生活和生產實踐中懂得，根據蓮子在鹽滷中的沉浮情況就①《西京雜記》卷一。 ②參閱史樹青：《古代科技事物四考》，載《文物》1962年第3期，第47—52頁；西安市文物管理委員會：《西安市東南郊沙坡村出土一批唐代銀器》，載《文物》1964年第6期，第30—32頁。①《黃帝內經·素問》卷十九《六微旨大論篇》第六十八。 ②《通典》卷一五七《兵十·隔山取水》。 ③《酉陽雜俎》卷十九。 可以知道鹽滷的濃度。由於鹽業生產在我國歷來備受重視，所以檢測鹽滷的濃度是很重要的事情，因此後世有許多關於這方面的記載。 力學知識在工程技術中的應用隋唐時期，工程技術中常常要應用力學知識。在許多大型的木構建築如宮殿、佛塔的建造中，在大型鑄件的吊裝及天文儀器的製造安裝中，在橋樑（如隋代建造的著名的安濟橋）和舟船的建造中，無一不應用力學知識。可惜當時沒有系統敘述或總結這方面知識的著作。 第二節熱學知識 段成式在《酉陽雜俎》中述及秦漢時期宮中曾有寶物「青玉燈」①。唐代有一種很可能與「青玉燈」類似的，叫做「仙音燭」的器物。宋代陶穀在《清異錄》中說到：「（唐朝）同昌公主薨，帝傷悼不已，以仙音燭賜安國寺，冀追冥福。其狀如高層露台，雜寶為之，花鳥皆玲瓏。台上安燭，既燃點，則玲瓏皆動，丁當清妙。燭盡絕響，莫測其理。」②此處所述，顯然是因為蠟燭點燃後產生熱氣流，推動玲瓏的花鳥模型轉動，並發出叮噹之聲；蠟燭燃盡後，不再有熱氣流生成，模型停止了轉動，聲音也沒有了。唐代人們還不能完全明白其中的科學道理，故而把這些器物視為至寶。而這些器物之所以奧妙，也正是因為它們符合科學原理，它們能在距今一千多年前設計製造出來，確實令我們讚嘆。 ①《酉陽雜俎》卷十。 ②《清異錄》卷下。 第三節聲學知識 振動、傳聲和共振 人們久已注意到振動和聲的各種現象。早在戰國時期，墨家就在戰爭中利用聲學效應進行偵察。《墨子》「備穴」篇中記載了通過監聽埋在地下的陶瓮中的響聲，可以判斷敵人挖洞攻城的位置和方向。 這種利用固體傳聲和氣腔共振的方法，在歷代一直被用於戰爭偵探。唐代，人們使用稱為「地聽」的裝置。李筌在兵書《太白陰經》中記載：「地聽，於城中八方穿井，各深二丈，令人頭覆戴新瓮於井中坐聽，則城外五百步之內有掘城道者，並聞於瓮中，辯方所遠近。」①杜佑亦有記載：「地聽，於城內八方穿井，各深二丈，以新罌用薄皮裹口如鼓，使聰耳者於井中托罌而聽，則去城五百步內悉知之。」②唐代，人們還懂得消除聲共振即共鳴的方法。有一個關於唐開元年間太樂令曹紹夔的故事：「洛陽有僧，房中磬子，日夜輒自鳴。僧以為怪，懼而成疾，求術士百方禁之，終不能已。曹紹夔素與僧善，夔來問疾，僧具以告。俄擊齋鍾，磬復作聲。紹夔笑曰：『明日設盛饌，余當為除之。』僧雖不信紹夔言，冀或有效。乃力置饌以待。紹夔食訖，出懷中錯，鑢磬數處而去，其聲遂絕。僧問其所以，紹夔曰：『此磬與鐘律合，故擊彼應此。』僧大喜，其疾便愈。」①我們知道，當振動體的固有頻率與周期性變化的外力的頻率很接近或相等時，振動體的振幅會急劇增大，這就產生共振或共鳴現象。僧房中磬的固有頻率與齋鐘的振動頻率很相近，因此當敲擊齋鍾時，磬便發生共鳴。在磬被銼過之後，質量發生了改變，因而固有頻率也發生了改變，磬就不再與鍾發生共鳴了。 音律學由於文化的繁榮和中外交流的密切，樂器的製作和使用方面亦愈加精良和廣泛。因此，隋唐五代時期，人們繼續從理論上和實踐中探討音律學的問題，特別是關於旋宮轉調的問題。隋代劉焯、五代王朴等都作出過努力。王朴的新律是在三分損益法的基礎上，適當調整一個音階內其他各律的數值，使得清黃鐘和黃鐘的音高比值為二。這個方法實際上並未脫出三分損益法的框架，只是其結果在數值上與明代朱載堉的十二平均律很接近。 ①《太白陰經》卷四《戰具類·守城具篇》第三十六。 ②《通典》卷一五二《兵五·守拒法附》。 ①韋絢：《劉賓客嘉話錄》。又見於王說：《唐語林》卷五補遺。 第四節光學知識 反射和折射 隋唐時期，對於利用多枚平面鏡多次反射成像的現象進行了許多討論。 唐初，陸德明在《經典釋文》里，註解《莊子》「天下」篇時指出：「鑒以鑒影，而鑒亦有影，兩鑒相鑒，則重影無窮。」可以看出，當時對兩枚平面鏡之間的反覆成像已有充分認識。至五代南唐時，譚峭的認識更進了一步：「以一鏡照形，以余鏡照影。鏡鏡相照，影影相傳。不變冠劍之狀，不奪黼黻之色。是形也，與影無殊；是影也，與形無異。乃知形以非實，影以非虛，無實無虛，可與道俱。」①這裡譚峭不僅指出了「影」（即像）可在鏡中再次成像，因而「影影相傳」，會有無窮多的像生成；而且進一步指出了平面鏡所成之像與物完全相同，「形」「與影無殊」、「影」「與形無異」，因而無窮多個像也是完全相同的。 譚峭所撰《化書》中還有一段話：「小人常有四鏡：一名圭，一名珠，一名砥，一名盂。圭，視者大；珠，視者小；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。」②這段話無疑也與光學成像有關。目前對它有兩種不同的解釋。一種觀點認為這裡所說的「四鏡」是四種面鏡，敘述的是人或物經這四種面鏡反射後所生成像的情況。圭為凹面柱狀鏡，得到放大的虛像；珠為凸球面鏡，得到縮小的虛像；砥為平面鏡，生成正立的像；盂為凹球面鏡，生成倒立的像。①另一種觀點認為「四鏡」是四種透鏡，圭、珠、砥、盂分別為雙凹、雙凸、平凹、平凸透鏡，敘述的是人或物經這四種透鏡折射後所生成像的情況。②色散與虹從古代起人們就注意到自然界的色散現象，如虹，並試圖解釋其成因。 到了隋唐時期，這方面的認識有了很大的進步。唐初，孔穎達的《〈禮記〉註疏》中寫道：「若雲薄漏日，日照雨滴則虹生。」可見當時對虹生成的情況已經觀察得極為細緻，結論十分科學，粗略地揭示出虹的成因。這種認識很可能被人們普遍接受，所以常見諸於唐代的詩賦題詠中，如「日影化為虹」（陳潤：《賦得浦外虹》）；「日照虹霓似」（張九齡：《湖口望廬山瀑布》）等。唐代張志和在《玄真子》中，除明確指出「雨色映日而為虹」之外，還寫到「背日噴乎水成虹霓之狀」③。這是人們有意識地進行的日光色散實驗，它直接模擬了虹霓現象，表明了當時人們已了解虹霓現象人為產生的方法。①《化書》卷一《道化·形影》。 ②《化書》卷一《道化·四鏡》。 ①參閱王錦光、洪震寰：《中國光學史》第100—102頁，湖南教育出版社，1986版。②參閱JosephNeedham，ScienceandCivilisationinChina，Vol.4，PartI，P.117。③《玄真子》濤之靈。 第五節靜電知識 晉代張華曾仔細觀察到：「今人梳頭、脫著衣時，有隨梳，解結有光者，亦有咤聲。」①類似的情況也為唐代人們觀察到。唐代段成式則記載，人們若在黑暗之中，對黑貓「逆循其毛，即若火星」②。此處所述的黑暗之中及黑色的貓，無非是為了看得更加明顯而已。 ①《博物志》卷二。 ②《酉陽雜俎》續集卷八。