中國通史（第三卷） · 第十六章　物理學

物理學是研究物質運動一般規律和物質基本結構的科學，是人類在長期的生產實踐和觀察實驗的基礎上逐漸發展起來的。夏商周時期，人們已積累了大量的有關力、熱、聲、光、磁等方面的知識和對於運動、時空、物質結構等問題的認識，這些知識和認識構成了這一時期物理學的豐富內容。 第一節　力學知識 力學是最早發展起來的學科之一。遠古至春秋戰國時期已應用尖劈和槓桿原理，製造出某些器具，還利用斜面、輪軸等機械提舉重物。下面著重介紹這一時期對於彈力、浮力和摩擦力的利用及對力的本性的認識。 由於狩獵和戰爭的需要，人們很早就發明了弓箭。在山西峙峪舊石器晚期遺址中發現有石鏃，說明距今二萬八千年前就有弓箭的發明。至春秋戰國時期，弓箭的製造有了很大的發展。《考工記》詳細地記載了箭的杆、矢、羽三部分的構造和比例，特別是討論了箭的結構與飛行的關係，認為箭的結構直接影響到飛行狀況及射擊的準確性。若箭杆前部太軟，箭就會往下俯衝；若後部太軟，箭就會往上飄；中部太軟則飛行紆曲；中部太硬就會向上飛揚；羽毛太多則速度慢；羽毛太少較易偏斜①。這些討論已涉及到初步的空氣動力學的內容。這個時期還發明了弩，可以把彈力積聚起來，以使發射力更強。對浮力的利用也相當早。除行舟外，對水的浮力還進行理論探討。墨家學派認為，可以浮在水中的物體，雖其形體較大，但在水中只沉浸較淺的一部分。這是因為物體中間有空隙（「形之大，其沉淺也，說在具」）②。《考工記》也提到利用水的浮力來檢驗車輪製造時各部分是否平衡（「水之，以視其平，沉之均也」）③。 春秋戰國時期，對慣性現象已有一定的認識，如《考工記》就提到：「馬力既竭，輈猶能一取焉」④。物體的垂直下落必須是在沒有外力作用的條件下。墨家曾注意到這一點，指出：「凡重，上弗挈，下弗扳，旁弗劫，則下直」。⑤意思是說在物體下落時，如果上不提它，下不拉它，旁不影響它，那麼它就垂直下落。人們還利用重心的轉移製成「欹器」。《荀子·宥坐》載：孔子參觀魯廟，見到一種可以灌水的容器，當它在空腹時是傾斜的；灌水適中就正立起來；若灌水過滿就會傾覆（「虛則欹，中則正，滿則覆」）。這種欹器是統治者用來做座右銘的，因而叫「宥坐」。這個容器內部具有特殊構造，由水的灌入程度不同，使重心不斷轉移，從而出現三種不同狀態。 由於長期對各種自然力的開發與利用，人們對「力」的本性也進行探討。《墨經》對力作了定義：「力，形之所以奮也」①。這裡的「形」，即是形體，亦即物體。這句話的意思是：力是使物體發生運動的原因。但力是什麼？《墨①《考工記·矢人》。 ②《墨子·經下》。 ③《考工記·輪人》。 ④《考工記·輈人》。 ⑤《墨子·經說下》。 ①《墨子·經上》。 經》說：力是「重之謂」②，即在靜止的時候，力就以「重」來表示。也就是把物體下落的屬性看作力。物體的下落或上舉，都是由於「重」在起作用（「下，舉，重奮也」）。 ②《墨子·經說上》。 第二節　熱學知識 人類在長期對火控制與利用的過程中，逐漸積累了熱學知識。傳說燧人氏「鑽木取火」，《莊子·外物篇》已有關於「木與木相摩則然（燃）」的記載。春秋戰國時期，人們又發明以「陽燧」反射並聚焦太陽光來取火。陽燧是青銅製的凹面鏡，反射太陽光可使某些易燃物（如絨艾）發火。原始人早已認識火勢自然向上之性，因此在蒸煮食物或燒陶、冶金時，均是薪炭在下，被加熱物在上，並採取了通風措施，以便增加爐溫。 關於溫度的測量，古代雖未發明溫度計，但對於溫度的判斷還是有一定辦法的。《考工記》中精彩地描述了在冶煉金屬時如何判斷爐溫的高低：「凡鑄金之狀，金（即銅）與錫，黑濁之氣竭，黃白次之；黃白之氣竭，青白次之；青白之氣竭，青氣次之，然後可鑄也。」①這是根據不同物質的蒸汽顏色來判斷爐火的溫度：由黑濁到黃白，再到清白；當最後到了「爐火純青」的時候，就可以澆鑄了。這種掌握火候的辦法，直到近代還在使用。《呂氏春秋》：「見瓶水之冰，而知天下之寒」。這是一種關於氣溫的判別法，據此可以製成原始的溫度計。《周禮》中還有關於古人在冬日鑿冰入窖，以便在天熱的時候用它來冷藏食物或保存屍體的記載。 ①《考工記·栗氏》。 第三節　聲學知識 原始人類已知某些物體在受到振動之時會發聲，例如敲擊厚薄不同的石塊、陶器會發出高低不同的聲音；拉動繃緊著的繩索或弓弦，以及用口吹某些空腔或管狀體，也會發出不同的聲音。人們根據這些特點製造了石磬、陶塤等樂器；至周代，由於宮廷音樂的發展，已出現「金、石、絲、竹、匏、土、革、木」八類樂器，即「八音」。其中有板振動和膜振動的（如編鐘、編磬、鈴、鼓等），氣柱振動的（如蕭、管、笙、塤等），弦振動的（如琴、瑟）。春秋戰國以後這些樂器更得到進一步的發展。在樂律方面，西周至春秋戰國，已出現五聲音階、七聲音階和十二律的完整理論體系。五聲音階、七聲音階用宮、商、角、徵、羽來表示，十二律用黃鐘、大呂、太簇、夾鍾、姑洗、仲呂、蕤賓、林鐘、夷則、南呂、無射、應鐘來表示。關於各律的確定，最早可能是採用損益弦長的辦法。《管子》中介紹了一種「三分損益法」，就是把一根弦分為三段，取其三分之二，舍其三分之一，稱為「三分損一」；又增其三分之一，則為「三分益一」，這樣輾轉相生，就可以得到各律。《管子·地員篇》的原話是：「凡將起五音，凡首，先主一而三之，四開以合九九，以是生黃鐘小素之首，以成宮。三分益之以一，為百有八，為徵。不無有三分而去其乘，適足以是生商。有三分而復於其所，以是生羽。有三分去其乘，適足以是成角。」 這種以弦長求各律的三分損益法。以數學語言來表述就是：令黃鐘的宮音弦長為（1×3）4=9×9=81則徵音弦長為×（） 商音弦長為×（） 羽音弦長為×（） 角音弦長為×（） 811+13=108108113=72721+13=9696113=64--於是，按弦長大小其五音的排列為：徵（108）羽（96）宮（81）商（72）角（64） 1978年湖北隨縣發掘戰國早期曾侯乙墓，出土了大批樂器。其中編鐘一套64件，每鍾都有兩個發音部位，敲擊不同部位，能分別發出相隔三度的兩個音，整套編鐘共能發出128個音，音域寬廣，達五個半八度，只比現代鋼琴高低兩端各約少一組。中間三個半八度，十二個半音齊備，可以旋宮轉調，演奏多種樂曲。這麼大規模的編鐘，反映出春秋戰國時期我國先民樂器製造的傑出水平。 《考工記》對於發聲體的形狀、厚薄、大小同發聲的關係，有過科學的記載。如鐘的厚、薄、侈、弇要適當。「已（太）厚則石（聲不易發），已薄則播（聲散），侈（鐘口太大）則柞，弇（鐘口太小）則郁。」①並且指出：「鍾大而短，則其聲疾而短聞；鍾小而長，則其聲舒而遠聞。」鼓也具有這種性質，也是「大而短，其聲疾而短聞」，「小而長，其聲舒而遠聞」。《考①《考工記·鳧氏》。 工記》還指出，可以適當改變發聲體的形狀、厚薄、大小來調音，例如磬的發聲太高，就摩去它的兩旁；如發聲太低，就摩去其兩端。 春秋戰國時期還知道某些共振知識。《墨子》曾提到用倒扣在地下的空瓮來探聽敵方的軍事行動或確定敵方挖地道的方位；《莊子》記載調瑟時引起另一瑟的共鳴現象：「鼓宮宮動，鼓角角動」。 第四節　光學知識 光學知識起源甚早。日光或火光照射物體時所出現的陰影，平靜湖面反映山丘、樹木所成的倒影，對原始人類光學知識的積累都有一定的影響。商周時期已利用靜止的水面來照自己的影。《莊子·德充符篇》：「莫鑒於流水，而鑒於止水，以其靜也」。金文中的「鑒」字，寫作「■」，表示一個人彎腰向水盆照自己的臉。由於商周青銅冶鑄技術的發展，人們鑄造了不少銅鏡。它的出現為光學的實驗研究提供了重要前提。《墨經》中記載了物體成影、光的反射、小孔成像、平面鏡、凹面鏡、凸面鏡成像的實驗結果，內容相當豐富。 墨家認為，影是由物體遮住了光而出現的，其大小同物體、光源、影屏三者之間的位置有關。並且指出，影是不會隨著物體運動而移動的（「景不徙」，景，即影）①。當物體移動時，前影消失，後影產生。人們通常所看到的影的移動，其實只是前影不斷消失，後影不斷產生的連續過程。這是很科學的見解。《莊子·天下篇》也有「飛鳥之景未嘗動也」的見解。 「光的直線前進」是幾何光學中的一條重要原理，在二千四五百年前的墨家學派就已知道了。墨家指出，光的照耀就跟射箭一樣（「煦若射」）。基於這樣的看法，對小孔成像實驗做了正確的解釋：人體反射的光線經過小孔以後，「足蔽下光，故成景於上；首蔽上光，故成景於下」②，這樣，所成的便是倒像。墨家還指出：單個平面鏡所成的像只有一個，同物體的大小、形態完全一樣，而且總是跟物體以鏡面成對稱的。對於凸面鏡來說，所成的也只有一個正立的像，但較小。凹面鏡所成的像較複雜。墨家把凹面鏡的曲率中心至焦點的一段距離稱為「中」，當物體在「中」以外時，所成的是倒立的小像；當物體在靠近鏡面的「中」以內時，所成的是正立的放大的像。（「鏡窪，景一小而易，一大而正，說在中之外內」③）。墨家沒有區分焦點和圓心是其光學成就上的一個缺陷，但他們的實驗研究在世界幾何光學發展史上占有重要的地位。墨家關於幾何光學的理論比古希臘歐幾里得（約公元前330—275年）所著《反射光學》約早了一百多年。 ①《墨子·經下》。 ②《墨子·經說下》。 ③《墨子·經下》。 第五節　磁學知識 春秋戰國時期，人們在採礦、冶金過程中，在與磁鐵礦的經常接觸中，發現了磁鐵礦的吸鐵性。這種吸鐵性就象母親吸引子女一樣，因而人們最初把這種礦石稱為「磁石」。如《管子·地數篇》就寫到：「上有慈石者，下有銅金。」 磁石除了具有吸鐵性之外，還具有南北指向性，指向性與吸鐵性，實際上都是磁石同性相斥、異性相吸的表現。當時人們已利用磁石指向性，製造出指向儀器——司南。《鬼谷子》說到山中采玉，一定要帶著司南以不迷失方向。《韓非子》也說「先王立司南以端朝夕」①。古帝王用司南端正方向，以保障皇位的尊嚴。它實際上就是後世指南針的最早形式。 ①《韓非子·有度》。 第六節　對運動及時空的認識 運動是物質的基本屬性。遠古時代的人們對於運動已有一定的認識，特別是對機械運動更為熟悉。如日月的東升西落，江河的奔騰流逝，門扉的啟閉，矢石的飛行等等。先秦時期的科學家和思想家，曾對機械運動作了探討與研究，其中尤以墨家學派的研究較為深入，墨家給機械運動下的定義是「動，或從（徒）也」②。這裡的「或」，應借為「域」，即區域；徙即遷徙。「或徙」即指位置的移動。這種移動包括轉動（「偏際徙」），這就象門扉去掉門閂時，可以隨意開閉一樣（若戶樞免瑟）。至於圓球的滾動，墨家也進行了討論，認為圓球在平面上無論怎樣滾動，都能保持平衡（「丸，無所處而不中」）。 墨家對靜止的定義是：「止，以久也」①。就是說，靜止表現為物體在某一位置上停留了一段時間。如果物在這段時間內並不停在一個位置上，那就是「不止」了。不止也就是運動。快的運動，墨家稱為「無久之不止」，它就象飛矢過楹一樣快；較慢的運動，墨家稱為「有久之不止』，它就象人走過橋，要有一定的時間。這裡的「有久」、「無久」都是時間的量度。值得注意的是，墨家所謂的「無久」，並非指時間為零。墨家認為，「無久」就是剛開始的時候，或者是指「當時」（「始，無久也」，又「始，當時也」）。因此，墨家的「無久」，是指時間極短，就象剛開始的時刻。 春秋戰國時期對於時空問題已有較正確的認識。《管子·宙合篇》中提出了「宙合」的概念，認為天地十分之大，它囊括了世界萬物；而宙合比天地更大，它又囊括了天地（「天地，萬物之橐，宙合又橐天地」）。這宙合就是後來所說的宇宙。《莊子·庚桑楚》說到：「有實而無乎處者，宇也，有長而無乎本剽（即本梢）者，宙也。」因此，宇宙是無限空間，無限時間的總稱。墨家則把它稱為「宇」和「久」。他們定義「久」為「彌異時也」②即貫穿所有不同的時刻，包括「古、今、旦、暮」。定義「字」為「彌異所也」③，即遍及所有不同的場所，包蒙乎東西南北。 關於運動與時空的關係，墨家指出：「宇域徙，說在長宇久」④，意思是物體的運動必須經過一定的空間和時間（在空間上要有一個距離，在時間上要有一個時間間隔），也就是說運動必須在時空中進行。 ②《墨子·經上》。 ①《墨子·經上》。 ②《墨子·經上》。 ③《墨子·經上》。 ④《墨子·經下》。 第七節　物質結構假說 在殷周之際，人們已從日常的生產生活實際中抽象出兩種有關宇宙生成的樸素唯物主義學說。一種是「八卦」說，認為天、地、山、澤、水、火、風、雷等八種自然物是構成世界的基本物質；另一種是「五行」說，認為水、火、木、金、土五種自然物質構成了世界萬物。這兩種學說長期並行，對後世影響很大。 至春秋戰國時期，人們又進一步地對構成世界萬物的那些自然物的內部結構，作了思辯性的探索。墨家學派認為物質內都是由無數個「端」所組成的。端極細小，內部無間隙（「端，是無間也」），因此它不可能剖開（「非半，弗■」）。要是把一根木條（假如下考慮它的厚度）一半一半地砍斷，可有兩種砍法：如果是從前頭砍起，先砍掉一半，後再砍掉一半的一半，..這樣砍下去，砍到某一步必定會出現砍不下去的情況（「進前取也，前則中無為半」），那是因為在中間的位置上恰好有端的存在（「猶端也」）；如果是從前後同時砍，同樣砍到某一步也會遇到砍不下去的端（「前後取，則端中也」①）。 公元前四世紀的名家惠施也持相同的見解，他說：「至小無內，謂之小一。」②這個「小一」無內部可言，也和端一樣，可以看成是一種原子。但是某佚名辯者提出了相反的論點，即認為物質內部的結構是連續不斷的，他們說：「一尺之棰，日取其半，萬世不竭」①。這是一種關於物質無限可分的思想。 也是公元前四世紀時期的宋鈃、尹文等人則提出了另一種學說——「元氣說」。他們認為「凡物之精，比則為生，下生五穀，上為列星』②。這「精」是什麼？「精也者，氣之精者也」。③「精」就是「氣」，「氣」流行於天地間，登於天，入於淵，在於海，在於山。也就是說，天地間一切東西都是由精氣產生的。宋鈃、尹文學說是從老子繼承來的。老子說：「道生一，一生二，二生三，三生萬物。萬物負陰而抱陽，沖氣以為和。」④在這裡，老子把「道」看成是物質的始原，它是物質性的，也就是氣。 元氣學說是我國古代關於物質結構的最主要的學說，春秋戰國時期啟其端，漢唐時期對其作了充實與發展，至宋明時期出現了更大的發展。元氣學說的產生與發展，在我國物理學史和哲學史上，都占有重要的地位。 ①《墨子·經說下》。 ②《莊子·天下篇》。 ①《莊子·天下篇》。 ②《管子·內業篇》。 ③《管子·內業篇》。 ④《老子》第四十二章。