中國通史（第十卷） · 第四十九章物理學

清代處於封建社會晚期，在物理學方面，如光學研究及器具製作有一定的成就之外，傳統的內容幾乎基本停頓。同時，明末清初來華的西方傳教士則帶來了一些西方近代物理學知識。 第一節力學 比重的測定 康熙初年，西方的一些物質比重常數傳入中國，數值較我國歷來沿用值準確，因而推動了在我國的重新測定工作。梅瑴成主持測定了赤金、紋銀、水銀、紅銅、白銅、黃銅、鋼、生鐵、熟鐵、高錫、六錫、倭鉛、黑鉛、白玉、金珀、白瑪瑙、紅瑪瑙、硨磲、青石、白石、紅石、象牙、牛角、沉香、白檀、紫檀、花梨、楠木、黃楊、烏木、油、水等三十二種物質的比重，並將測定結果記載在他主持編撰的《增刪算法統宗》卷一中。我們若將所測各值根據清代及現今的度量衡加以換算，則可知當時的測定值與今值相當接近。 乾隆年間還進行過各地泉水比重的測定。當時由於北京玉泉的水最輕，故以玉泉水為基準，「曾制銀斗較量玉泉之水，每斗重一兩」，然後用這一量器去測定其他地方的水的比重。劉岳雲在《格物中法》卷二「玉泉記」中記載了此事及各地的水重。 傳入中國的西方力學知識比利時傳教士南懷仁撰著的《新制靈台儀象志》（1674），在第二卷中，介紹了較多的力學知識，包括材料的強度、物質的比重、物體的重心與穩度，簡單機械如槓桿、滑輪、螺旋、斜面等的應用及其作用，等等。在第四卷中介紹了「垂線球儀」即單擺的知識，包括單擺的等時性、擺動周期與振幅無關、周期平方與擺線長度成正比等，以及作為用單擺計時的例子，介紹了自由落體的下落距離與時間的平方成正比。書中有些內容引用了伽利略的著述①。 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7期（1964）。 第二節　熱學 明清兩代，有關熱學知識的發展並不多。南懷仁在所著《驗氣圖說》（1671）及《新制靈台儀象志》中提到了某些熱學方面的內容，如介紹了歐洲十七世紀早期有關空氣溫度計、以及弦線扭轉式吸濕性濕度計的原理、結構和應用等知識②。 ②參閱王冰：《南懷仁介紹的溫度計和濕度計試析》，載《自然科學史研究》第5卷第1期（1986）。 第三節　聲學 有關聲學的研究及實驗清代較之明代遠為遜色，且記述不多。 鄭光祖《一斑錄》卷三「物理」篇記載了一些有關聲學的認識。如空氣振動成聲及聲可以被反射：「空中融氣有所震而成聲。前有一牆，曲聲為勒轉，必成應聲。若牆外有圈洞，則愈甚。故山多之處，應聲百出，其變也。」使用「順風耳」傳聲或聽聲：「順風耳用銅製，或如喇叭而較大。人以口就之而喊，其聲洪大可聞於隔山對江。若以耳就之，所聞亦較朗。」他還寫道，「人家牆壁以空甏橫砌而成，使口盡向內，則室中所作之聲盡收入甏，而貼鄰不聞」。這裡空甏起了隔聲的作用。這與方以智在《物理小識》中的記述相同。另外，他還說到「凡平地數十里外人馬大眾行聲，可探之於地下。法以四五尺大竹通去其節，直埋入地，留尺上出，以耳就之，其聲轟轟然」。這種方法與古代的「瓮聽」、「地聽」一樣，都是利用固體傳聲和氣腔共振的原理。 康熙帝對聲學亦甚關注。他曾探討過聲音的共振現象，認為「相聲相應，自然之至理也」①。他還特別研究過測量聲速的問題：「朕以算法較之，雷聲不能出百里。其算法依黃鐘准尺寸，定一秒之垂線，或長或短或重或輕，皆有一定之加減。先試之銃炮之屬，煙起即響，其聲益遠益遲，得准比例而後算，雷炮之遠近即得矣。朕每測量過百里，雖有電而聲不至，方知雷聲之遠近也。」①他的方法是利用單擺（即南懷仁在《新制靈台儀象志》中所介紹的「垂線球儀」）測定時間，先測出從看到煙起至聽到炮聲的時間間隔，再比較從閃電到雷聲的時間間隔，從而推斷出聲源的距離。 ①《康熙幾暇格物編》上冊，卷下「同聲相應」條。 ①《康熙幾暇格物編》，上冊，卷上「雷聲不過百里」條。 第四節　光學 傳統的光學研究及記載 清代，盧兆漋、鄭光祖等均有關於針孔成像和面鏡成像方面的觀察和記述②，基本上與沈括的研究和認識類同。 鄭光祖《一斑錄》卷三寫道：「舟上撐篙，篙入水如曲。漁人獵魚鱉，照所見，不獲也，須求之於下乃獲。碗中置一錢於底，遙望不克見，注水於碗，令極滿，則錢影浮於水面。」我國自古以來雖然有許多關於大氣光學現象及其他的記載，其中一些現象與折射密切相關，但總的說來，對摺射現象的研究較少。至清代，人們對摺射的認識僅止於此。 光學器具的製作我國自製眼鏡始於清初，孫雲球即是蘇州眼鏡業的創始人。他先是製造眼鏡，後來製成「千里鏡」（望遠鏡），還製造過「存目鏡」（放大鏡）、「萬花鏡」、「鴛鏡」、「半鏡」、「夕陽鏡」、「多面鏡」、「幻容鏡」、「察微鏡」（顯微鏡）、「放大鏡」、「夜明鏡」等七十種光學儀器和器具，後人譽之為「巧妙不可思議」①。他寫成《鏡史》，總結制鏡經驗，在當時「市場依法製造，各處行之」，為中國光學儀器發展史作出過重要貢獻，可惜《鏡史》已佚失。 黃履莊也研究製作過「千里鏡」（望遠鏡）、「臨畫鏡」、「顯微鏡」 等。值得注意的是製造「瑞光鏡」，其「製法大小不等，大者徑五六尺，夜以一燈照之，光射數里，其用甚巨。冬月人坐光中，遍體生溫，如在太陽之下」②。這大概是屬於探照燈一類的裝置。 光學著作清代的光學著作，以鄭復光的《鏡鏡詅痴》和鄒伯奇的《格術補》為代表作。 鄭復光繼承中國古代傳統的光學知識，同時又吸收明末清初西方傳入我國的近代光學知識，加以研究並融會貫通，寫成幾何光學專著《鏡鏡詅痴》。該書分四個部分：1.「明原」，闡述光學基本概念、幾何光學基本定律；2.「類鏡」，論述幾種反射鏡和折射鏡的質料和性能，著重介紹幾種方形透鏡的特性及光學現象；3.「釋圓」，論述圓形透鏡的性質，包括凸、凹透鏡的成像規律，成像特點，透鏡組的成像，及凸、凹透鏡之間的量的關係；4.「述作」，闡述十七種光學儀器和器具的製造和使用方法等。其中，「釋圓」部分是全書的重點，是鄭復光用力最深、成就最大的部分，他建立了單個透鏡的「順三限」和「側三限」以及透鏡組的「距顯限」和「變顯限」的理論，這是在當時閉關鎖國時代，鄭復光獨自試驗和研究建立起來的獨特的理論體②盧兆漋：《天香樓偶得》；鄭光祖：《一斑錄》卷3「物理」。 ①《吳縣誌》卷75「列傳藝術二」。 ②《虞初新志》卷6「黃履莊小傳」。 系。鄭復光還在他的另一著作《費隱與知錄》中，討論了有關針孔成像、冰透鏡取火、近視眼、遠視眼及眼睛的調節等有關光學方面的一些問題。 鄒伯奇對光學理論的研究成果主要集中在《格術補》一書中。該書深入討論了透鏡成像原理和成像公式，他得到透鏡物距、像（「影」）距和焦距（「日限」）之間的定量關係：「置日限尺寸自乘為實，以物距鏡減日限為法除之，得影加遠之數」；「或置日限尺寸為實，以物距鏡乘之，物距鏡減日限除之亦同」；「若先有影距鏡數，與物距鏡相乘，與物距鏡相併為法除之，得此鏡之日限」。我們如果以u、v和f分別表示物距、像距和焦距，上面三句話用式子可分別表示為fufvffuufvvuvuf2-=--=+；；．這三個式子實際上就是透鏡成像的高斯公式111uvf+=．鄒伯奇還討論了透鏡組的焦距、幾種折射望遠鏡和反射望遠鏡（即伽利略式、克卜勒式、格雷高里式、和卡塞格林式望遠鏡）以及放大鏡、顯微鏡的結構和原理，眼睛和視覺的光學原理等。鄒伯奇還是我國照相術的先驅。他曾製成「攝影之器」（實為一種取景器），並用來繪畫景物①。之後在此基礎上，研究製成了我國第一台照相機。 西方傳入的光學知識南懷仁所著《新制靈台儀象志》第四卷，較多涉及光學知識，主要是關於光的折射和色散。該書是最早涉及西方關於折射現象的研究和知識的中文著作，所述基本上是自托勒密之後至十七世紀初以前西方對摺射現象的認識。書中所列光在空氣—水，水—空氣，空氣—玻璃，玻璃—空氣，水—玻璃及玻璃—水界面上發生折射時的折射角度表（南懷仁稱其為「氣水差」、「水氣差」、「氣玻璃差」、「玻璃氣差」、「水玻璃差」、「玻璃水差」）的數值有很大的誤差，有些還是錯誤的。他也沒有及時地把折射定律介紹到我國①。該書對於稜鏡色散和虹霓生成的解釋，出自牛頓以前西方對色散的認識，即認為色散是由於透明體的厚度不同而引起的，當然，這種解釋是完全錯誤的②。 ①《鄒征君遺書·存稿·攝影之器記》。 ①參閱王冰：《南懷仁〈新制靈台儀象志〉所述之折射》，載《自然科學史研究》第4卷第2期（1985）。②參閱王冰：《明清時期西方近代光學的傳入》，載《自然科學史研究》第2卷第4期（1983）。 第五節　電和磁指南針和羅盤廣泛應用於航海 在清代，指南針更加廣泛普遍地被應用於航海。康熙年間，閩浙總督滿保奉命巡海，加強台灣等地防衛，曾進呈《西南洋各番針路方向圖》。徐葆光出使琉球，他撰寫的《中山傳信錄》卷一「針路」條，即有我國出使海船使用旱針的最早記載。乾隆年間，周煌出使琉球，撰成《琉球國志略》，書中首卷繪有旱羅經圖及針路圖。 磁屏蔽現象的發現和對磁偏角的觀測劉獻廷《廣陽雜記》有一段記載：「磁石吸鐵，隔礙潛通。或問余曰：『磁石吸鐵，何物可以隔之？』猶子阿孺曰：『惟鐵可以隔耳。』其人去復來，曰：『試之果然。』余曰：『此何必試，自然之理也。』」①顯然當時已了解磁屏蔽現象，但不知其原理，只能用「自然之理」來籠統地加以解釋。康熙帝曾對磁偏角進行過觀測：「定南針所指，必微有偏向，不能確指正南，且其偏向各處不同，而其偏之多少亦不一定。如京師二十年前測得偏三度，至今偏二度半。各省或偏西或偏東，皆不一。惟盛京地方得正南，今不知改易否也。宋沈括《夢溪筆談》謂，磁石磨針，必微偏東向。而元周達觀《真臘風土記》謂，定南多丁未針。《大觀本草注》謂，丙丁皆火位，庚辛受其制，物理相感耳。而推求真南之道，昔人未嘗言之。朕曾測量日影，見日至正南影必下垂，以此定是正南真向也。」②清代人們已通過觀測知道磁偏角因地因時而異。 ①《廣陽雜記》卷1。 ②《康熙幾暇格物編》上冊，卷上「定南針」條。