中國通史（第五卷） · 第二十五章物理學
在三國兩晉南北朝時期的物理學中，雖然總的說來沒有取得如先秦和秦漢時期那樣多的豐碩成果，但在力學、聲學、光學、電和磁學等知識方面，仍有不少值得稱道的新的進展。
第一節力學知識
力系的平衡
三國時期，人們已研究了系統的力的平衡問題。魏明帝（226—230）時關於凌雲台的修造和傾倒情況是很突出的例子。劉宋時劉義慶《世說新語》載：「凌雲台樓觀精巧，先稱平眾木輕重，然後造構，乃無錙銖相負。揭台雖高峻，常隨風搖動，而終無傾倒之理。魏明帝登台，懼其勢危，別以大木扶持之，樓即頹壞。論者謂輕重力偏故也。」①這一段話是說，在建造凌雲台之前，預先做出精密的設計，建台時又「先稱平眾木輕重」，這樣建成的樓台，便「無錙銖相負」，因而儘管高台常隨風搖動，但仍保持了力系的平衡而不致傾倒。後來魏明帝令用大材扶持，反而使樓台頹壞。當時的人就議論說，此台之所以頹壞，是由於「輕重力偏」所引起的後果。這一事例反映了我國當時建築師的高超水平，也反映了當時人們已具有較高的力系平衡的知識。
轆轤的新用途除了用轆轤打水或提舉重物外，魏時還以轆轤舉人。《世說新語》載：「韋仲將能書。魏明帝起殿，欲安榜，使仲將登梯題之。既下，頭鬢皓然，因敕子孫無復學書。」梁劉孝標註引《文章敘錄》曰：「韋誕字仲將，京兆杜陵人，太僕端子。有文學，善屬辭，以光祿大夫卒。」又引衛桓《四體書勢》曰：「誕善楷書，魏宮觀多誕所題。明帝立凌霄觀，誤先訂榜。乃籠盛誕，轆轤長絙引上，使就題之。去地二十五丈，誕甚危懼。乃戒子孫絕此楷法，著之家令。」①《世說新語》說韋誕是「登梯題之」，而《四體書勢》則謂以「籠盛誕，轆轤長絙引上」，看來後者或較可信。因匾額高於地面達二十五丈，安梯登梯都相當困難。
水浮力的巧妙利用在先秦、秦漢造舟技術以及浮囊渡江等知識的基礎上，這一時期還出現了「以舟量物」的好辦法。這就是人所共知的曹沖稱象的故事。《三國志·鄧哀王沖傳》載：「鄧哀王沖，字倉舒，少聰察岐嶷，生五六歲，智意所及，有若成人之智。時孫權曾致巨象，太祖欲知其斤重，訪之群下，咸莫能出其理。沖曰：『置象大船之上，而刻其水痕所致，稱物以載之，則校可知矣。』太祖大悅，即施行焉。」用可分解稱量的重物（如一堆石頭）代替不可分解的巨象，在船的吃水線（水痕）相同的情況下，算出巨象的重量，這確是巧妙的辦法。近人陳寅恪認為，曹沖稱象的故事系佛教故事流傳中國後比附而成的①，季羨林亦持此說①，這或許有可能。中印文化交流甚早，公元前242①《隋書·律曆志》。
①劉義慶：《新語世說》卷五《巧藝·第二十一》。
①劉義慶：《世說新語》卷五《巧藝·第二十一》。
①《陳寅恪文集之一·寒柳堂集》，上海古籍出版社1980年版，第157—161頁。年，西域沙門室利防等18人曾攜帶梵本經籍到過咸陽。至少在公元前1世紀印度佛教已由克什米爾傳入于闐②。但是宋人吳曾的《能改齋漫錄》卷二載：「予按《符子》曰：『朔又獻燕昭王以大豕，曰養奚若，..王乃命豕宰養之。十五年大如沙墳，足不勝其體，王異之，令衡官橋（橋即大衡器）而量之。折十橋，豕不量。命水官浮舟而量之，其重千鈞。..乃知以舟量物，此燕昭王時已有此法矣，不始於鄧哀王也。」燕昭王於公元前311—前279年在位，此時佛教故事或未傳入中國，那麼浮舟量豕之事可說是中國之發明。然而《符子》原書已佚，且系漢晉時人追敘春秋遺事，難以為據。不過，以舟量物之事不論是否由印度傳入（抑或由中國傳至印度），從《三國志》所載，可知我國魏晉時期已經擁有利用水浮力稱量重物的知識了。
除以舟量物外，水浮力還廣泛利用於農事選種上。北魏農學家賈思勰在《齊民要術》中說：「將種前二十許日開出，水洮（浮秕去，則無莠），即曬令燥，種之。」③又說：「地既熟，淨淘種子（浮者不去，秋則生稗）。」①水浮法選種雖初見於《齊民要術》，但其淵源應當更早。
對大氣壓力和浮力的進一步認識南北朝時期成書的《關尹子》載：「瓶有二竅，以水實之，倒瀉，閉一則水不下，蓋不升則不降；井雖千仞，汲之水上，蓋不降則不升。」②這是一個關於大氣壓力的實驗。所謂不升不降或不降不升之說，即是人們從實驗中得出的經驗知識。當瓶倒覆之時，二孔之中，只有其一孔進入空氣，另一孔才可出水；若閉其一孔，即不讓空氣進入瓶內（不升），則另一孔的孔面就會被空氣所阻，水也不會流出（不降）。井筒汲水，氣從筒外降至井之水面，則水可從筒汲上；若氣不降（例如井蓋嚴密封閉，空氣無由出入），則井水亦不被汲上（不升）。當時人們雖沒有明確的「大氣壓力」的概念，但業已知道空氣具有阻遏水的流動的能力，或者說具有浮托水孔中的水的能力。魏晉時期人們還利用空氣的反作用力製成飛行器具。葛洪（284—363）
在《抱朴子》中說：「或用棗心木為飛車，以牛革結環，劍以引其機。或存念作五蛇六龍三牛，交罡而乘之，上升四十里，名為太清。太清之中，其氣甚罡，能勝人也。師言鳶飛轉高，則但直舒兩翅，了不復扇搖之而自進者，漸乘罡氣故也。」③飛車是類似竹蜻蜓之類的玩具，狀如現在的電風扇，其葉片從軸心按一定方向順次斜插，可藉助空氣的浮力升空。其中所謂「劍」，即是通過牛革繩以旋動軸心的拉弓。近人王振鐸對此飛車作了精審的考證和復原①。《抱朴子》的作者指出，太清之中，罡氣能托起人（勝人），並說鳶飛高空，雖不復扇翅，仍可漸乘此罡氣而自進，這說明當時人們對空氣浮力有較深的理解。晉人郭璞（276—324）注《山海經》時，也談到「飛車」。《山海經·海外西經》「奇肱之國」條下郭璞註：「其人善為機巧，以取百②季羨林：《中印文化關係史論文集》，三聯書店1982年版，第122頁。③沈福偉：《中西文化交流史》，上海人民出版社1985年版，第78頁。①賈思勰：《齊民要術》卷一《收種第二》。
②同上卷二《水稻第十一》。
③《關尹子》卷下，《九藥篇》。
①葛洪：《抱朴子》內篇雜應卷第十五。
禽。能作飛車，從風遠行。湯時得之於豫州界中，即壞之，不以示人。後十年，西風至，復作譴之。」②類似的文字也見於晉張華（232—300）《博物志》中③。
②王振鐸：《葛洪中飛車的復原》，《中國科技史料》第6卷第1期（1985年）。③《山海經·海外西經》郭璞注。
第二節聲學知識
三國兩晉南北朝時期的聲學研究有較大的突破，主要表現在對律管內氣柱振動的研究和對音律的研究兩個方面。
律管氣柱振動問題對律管內氣柱振動的研究是由樂器的以管定音引起的。漢代京房發現律管的音高與管長不協，提出「竹聲不可以度調」，因而創設以弦定音的弦准「均鍾」。但弦線對濕度要求較高，季節變化對「准」的影響較大。晉代荀勖（？—289）另闢蹊徑，研究律管的音高和管長關係，解決了以管定音的問題。實際上這一問題就是律管的氣柱振動問題。一支開口的律管，管內的氣柱振動要越出管端，即氣柱的長度要比律管稍長。長出部分的數值正好等於律管長度與另一較高四律的律管長度之差，這個差數即是所謂「管口校正數」④。荀勖是通過對音高的辨別，得出這個校正數的。《晉書·律曆志》載：「荀勖用十二律造笛像十二枚，聲均調和，器用便利，講肆彈擊，必合律呂。」也就是說，荀勖利用這一管口校正數制出十二支笛管，以應十二律。笛管上所開各孔，合於音階各音。以黃鐘笛為例：荀勖當時黃鐘的長度為9寸，折合今尺為20.7798厘米，而較高四律的姑洗長度為7寸1分1厘強，合今尺為16.4186厘米，相差4.3612厘米，這就是黃鐘笛上的管口校正數，亦等於黃鐘笛的氣柱長度同該笛宮音孔位至吹口距離的差數。荀勖以此差數（即管口校正數），用三分損益法精確地定出了黃鐘笛上宮商徵羽各孔位置，製成了音高準確的管樂器。這種對管內空氣振動的研究和對律管發音規律的探討以及管口校正數的得出，是中國古代律學史上的一大進步，對後世產生了很大的影響。
音律研究的新成果漢京房為求旋宮轉調，在十二律的基礎上，用三分損益法定出六十律，這種作法雖然繁瑣且並未解決旋相回宮的問題，但其積極探求真理的態度，客觀上推動了律制的研究。南北朝時劉宋太史錢樂之對京房六十律加以引伸，在宋元嘉年間推出三百六十律，以附會周年360日。這類引伸沒有多大理論意義和實際價值。同時代人何承天（370—447）則擯棄京、錢之法，只在十二律內進行各律長度的調整，使得最後一律能回到出發律上。以黃鐘律為例，黃鐘律長9寸，生律第11次得仲呂長6.66寸，再生律一次，即用三分損益法求得律長4.44寸。移低八度，得倍長8.88寸，比出發律（黃鐘）短0.12寸。何承天將此差數0.12寸適當地分作12份，分別加在各律上，形成中國音樂史上最早的十二平均律，初步使十二律周而復始，近似地達到了旋相回宮的目的。①共振現象的研究④張華：《博物志》卷二，《外國》。
①參見繆天瑞：《律學》，人民音樂出版社1983年版，第127—130頁。共振現象在聲學中即是共鳴現象。這一現象在先秦和秦漢時期就已被觀察到了。《莊子》和《易傳》中都曾有所記載。魏晉時期人們除了認識共振現象外，還掌握了消除共振的方法。劉宋劉敬叔（390—470）在《異苑》中有兩條記載涉及共振現象：「魏時殿前大鐘無故大鳴，人皆異之。以問張華，華曰：『此蜀郡銅山崩，故鐘鳴應之耳。』尋蜀郡上其事，果如華言。」「晉中朝有人蓄銅澡盤，晨夕恆鳴，如人扣之。乃問張華，華曰：『此盤與洛鍾宮商相應，宮中朝暮撞鐘，故聲相應耳。可錯令輕，則韻乖，鳴自止也。』如其言，後不復鳴。」①前一條記的是共鳴現象。張華認為，魏殿大鐘是因蜀郡銅山崩毀而引起大鳴的。但蜀郡與魏都洛陽遙遙相距，其銅山崩能否引起洛鍾大鳴，值得懷疑。然而張華作出這樣的解釋，說明他對共鳴現象早有觀察並具有一定知識，因而當洛鍾無故大鳴時能斷定它是共鳴現象。後一條記的是共鳴消除法。張華不但具有共鳴的知識，而且還知道如何消除共鳴的辦法。從現代科學觀點看，共鳴是因振動體的固有頻率同周期性作用的外力的頻率相等或相接近而引起振動體振幅的劇增。張華叫人把銅澡盆（振動體）磨掉一些，是為了使其重量變輕，改變其固有頻率，這樣，銅澡盆就不會同洛鍾發生共振，共鳴現象自然就消除了。
①參見繆天瑞：《律學》，人民音樂出版社1983年版，第121—123頁。
第三節光學知識對視差和大氣消光問題的認識
我國在戰國秦漢之間就提出了對人眼所觀察到的遠處物體距離遠近的判斷問題，其中「小兒辨日」的故事尤為著名。《列子·湯問》載：「孔子東遊，見兩小兒辨斗。問其故，一兒曰：『我以日始出時去人近，而日中時遠也。』一兒以日初出遠而日中時近也。一兒曰：『日初出大如車蓋，及日中則如盤盂，此不為遠者小而近者大乎？』一兒曰：『日初出滄滄涼涼，及其日中如探湯，此不為近者熱而遠者涼乎？』孔子不能決也。兩小兒笑曰：『孰為汝多知乎！』」①日初出時遠還是日中時遠的問題，實際上是個光學問題，它涉及到視差和大氣的消光等因素。這個問題從漢代就開始討論了。東漢初年桓譚（前？—56）在《新論》中提到：漢「長水校尉平陵關子陽，目為日之去人，上方遠而四旁近」①。東漢王充（27—約79）則把日中時的距離看作是直角三角形的直角邊，而把日出入時的距離看作是斜邊，從而斷定「日中近而日出入遠」；至於日中近為什麼反而看起來小則是由於亮度對視覺影響的結果（「日中光明，故小；其出入時光暗，故大。猶晝日察火光小，夜察火光大也」）②。西晉束晳則認為日中與日出入同人的距離相等（「旁方與上方等」）。他先從生理上找原因，認為人們習慣於平視，對於同大的物體，仰視時總覺其小（「旁視則天體存在於側，故日出時視日大也。日無大小，而所存者有伸厭。厭而形小，伸而體大」）。又從亮度上分析人們視白小，視赤大（「日始出時色白者，雖大不甚；始出時色赤者，其大則甚」）。還從比襯的角度分析，認為有比較則覺其大，無所比較則覺其小（「且夫置器廣庭，則函中之鼎如釜；堂崇十仞，則八尺之人猶短。物有陵之，非形異也」）。因此，他認為「物有惑心，形有亂目」，「此終以人目之惑，無遠近也」。總之，束晳從生理、亮度、比襯三個方面解答了日出日中的視差問題③。後秦姜岌贊同日出日中與人距離相等的觀點。他還進一步指出，日出日入時所呈現的赤色是由於「地有游氣」作用的結果（「夫日者純陽之精也，光明外耀，以眩人目，故人視日為小。及其初出，地有游氣，以厭日光，不眩人目，即日赤而大也。無游氣則色白，大不甚矣。地氣不及天，故一日之中，晨夕日色赤，而中時日色白」）。在這裡，姜岌用「游氣」已對日出入時的赤色作了科學的解釋，實際上他所認識的是關於大氣的吸收與消光問題④。
關於多面平面鏡成象和凸透鏡取火的認識魏晉時期人們已開始用多面平面鏡進行成象實驗。葛洪在《抱朴子》中說：「明鏡或用一或用二，謂之日月鏡。或用四，謂之四規者，照之時，前①劉敬叔：《異苑》卷二。
①《列子·湯問》。
②桓譚：《新論》，離事第十一。
③王充：《論衡·說日》。
④王錦光等：《中國光學史》，湖南教育出版社，1986年，第128—129頁。後左右各施一也。用四規所見來神甚多，或縱目，或乘龍駕虎，冠服彩色，不與世同，皆有經圖。」①用兩個平面鏡或用四個平面鏡照人，可得到眾多的人像，「所見來神甚多」即指此。這是葛洪的實驗所得。
西漢時期成書的《淮南萬畢術》載有削冰令圓以取火的方法。晉張華也提到此事，而且他更進一步提到用珠取火。他說：「削冰令圓，舉以向日，以艾於後承其影，則得火。取火法如用珠取火。多有說者，此未試。」②這是現存歷史文獻中最早關於用珠取火的記載，說明當時人已有以珠聚焦取火的知識。當然，這裡所說的珠，應該是相當大的水晶球、琉璃球或玻璃球。關於以珠取火，在晉王嘉所撰的《拾遺記》中也有類似的記述：糜竺「貨財如山，不可算計。內以方諸盆瓶，設大珠如卵，散滿於庭，謂之『寶庭』，而外人不得窺。..旬日，火從庫內起，燒其珠玉十分之一。皆是陽燧旱燥，自能燒物。」③王嘉認為這是因「陽隧旱燥」起燃，但文中提到「設大珠如卵，散滿於庭」，所以也有因珠聚焦起火的可能性。
①薛道遠：《大氣吸收、消光和蒙氣差現象在我國的發現》，載《科技史文集》第3輯，上海科技出版社，1980年，第77—78頁。
②葛洪：《抱朴子·內篇·雜應》。
③張華：《博物志》卷四《戲術》。
第四節電磁學知識
我國遠在戰國秦漢時期就對靜電現象和靜磁現象進行觀察研究，並創製了磁性指向器——司南。魏晉南北朝時期，這種觀察研究仍在繼續進行，並取得了一些新成果。
關於靜電現象的進一步發現漢以前人們已知玳瑁、琥珀等物體經過摩擦可以吸取草芥等一類輕小物體。至三國時期，人們又發現發霉以後的腐芥不被吸引。《三國志·吳書》載：「虞翻少好學，有高氣。年十二，客有侯其兄者，不過翻。翻追與書曰：『仆聞琥珀不取腐芥，磁石不受曲針。過而不存，不亦宜乎！』」①從現代科學觀點看，草芥要能被琥珀吸引，必須乾燥，在帶靜電的琥珀作用下，草芥表面也形成帶相反極性的靜電層，因而能被琥珀所吸引。而腐芥則含有水份，本身已成為導體，自然不能被琥珀吸引。年僅十二的虞翻，聞知琥珀不取腐芥，說明時人已經有此經驗知識。
南北朝時期，人們還通過能否拾芥的試驗來判斷琥珀的真偽。劉宋雷教在《雷公炮炙論》中寫道，「琥珀如血色，熟於布上拭，吸得芥子者真也。」②可見此時對於琥珀拾芥現象的認識已相當普遍了。
關於尖端放電及導電現象的記載漢時已發現「矛端生火」的尖端放電現象。晉代干寶的《搜神記》亦載，「晉惠帝永興元年（304），成都王之攻長沙也，反軍於鄴，內外陳兵。是夜戟鋒皆有火光，遙望如懸燭，就視則亡焉。其後終以敗亡。」①此處的「戟鋒皆有火光」等語，亦應是一種尖端放電現象。
雷擊是自古常見的現象。南北朝時期人們對雷擊現象有了新的發現。《南齊書》載：「永明八年（490）四月六日，雷震會稽山陰恆山保林寺，剎上四破，電火燒塔下佛面，而窗戶不異也。」②保林寺塔頂由金屬為之，佛面也由金粉塗刷，這些都成為導體，當雷暴之時，高能量的雷電使塔頂及佛面形成瞬時電流，從而導致熔化，而木質窗戶則不受影響。
靜磁現象的進一步認識和利用上文提到虞翻已知「琥珀不取腐芥，磁石不受曲針」。此處的「曲針」
當是與鋼（鐵）針相對的由較軟金屬（如金、銀、銅等）製成的容易彎曲的針。三國魏曹植（192—232）在他的一首詩《矯志》中說：「磁石引鐵，於金不連。」此處的「金」是與鐵相對提的，可見也是指鐵以外的金屬。這表明當時人們已用磁石對鐵及其他金屬做過實驗，從而知道磁石只能引鐵，其①王嘉：《拾遺記》卷八《蜀》。
②《三國志·吳書第十二》卷五十七，注[1]。
①雷教：《雷公炮炙論·琥珀》，王興法輯校，上海中醫學院出版社1986年版，第32頁。②干寶：《搜神記》卷七。
他金屬都不能被吸引。
雷斆還用磁石吸鐵的特性來判別磁石的優劣。《雷公炮炙論》云：「夫欲驗者，一斤磁石，四面只吸鐵一斤者，此名延年沙；四面只吸得鐵八兩者，名曰續未石；四面只吸得五兩已來者，號曰磁石。」③從雷斆這些說法中可以看出，他對磁石的吸鐵性是做過多次實驗的。
磁石吸鐵的特性還被應用於醫療上。葛洪在《肘後備急方》中說：「治小兒誤吞針：用磁石如棗核大，磨令光，鑽作竅，絲穿，令含，針自出。」①這種治療小兒誤吞針的方法後世多有採用。
對靜電現象和靜磁現象的解釋對於習見的靜電、靜磁現象，我國古人曾試圖加以解釋。晉郭璞在《山海經圖贊》中說：「磁石吸鐵，琥珀取芥，氣有潛通，數亦冥會，物之相投，出乎意外。」②郭璞認為磁石和鐵、琥珀和芥的這種物物相投的現象是很奇妙的。究其原因，是由於兩種物體均有「氣」的「潛通」的緣故。他認為這種氣的潛感是物體的本性，是符合自然法則的（「數亦冥會」）。事實上，郭璞的這種觀點是對先秦元氣學說的發展和具體運用，這是很可貴的。此種「氣」的觀點一直影響著後世學術的發展。
③《南齊書》卷十九《五行志》。
①《雷公炮炙論·磁石》，王興法輯校，上海中醫學院出版社1986年版，第54頁。②葛洪：《肘後備急方》卷六。