《人類科學技術史-094》中國春秋戰國時期的物理學成就（下）

中國春秋戰國時期的物理學成就（下）
3.關于電和磁的認識

在殷商時代的甲骨片中，已經出現了"雷"字；西周時代青銅器的銘文中，也有了"電"字，這指的是雷電。《淮南子.墜形訓》中說："陰陽相薄為雷，激揚為電"，即認為雷和電是陰陽二氣相抗斥和激蕩而產生的。

春秋時期，人們對磁石已有初步的認識。據記載，周大夫關尹子(關喜）對"慈石無我，可見大力"提出解釋說："金烏搦土，慈石吸鐵，二物扭結，而生變化"。公元前4世紀成書的《鬼谷子》中有："其察言也，若慈石之取針"。《呂氏春秋.精通》篇有"慈石召鐵，或引之也"。這些記載表明，當時對磁石吸鐵的知識，已很普遍了。當時尚無"磁"字，用"慈"字表示磁石是"慈愛的石頭"，字義中就包含了具有吸鐵性的意義。

《淮南子.覽冥訓》中記載："若以慈石之能連鐵也，而求其引瓦，則難矣"；在《淮南子.說山訓》中又說："慈石能引鐵，及其于銅則不行也"。這已指出了磁石對鐵性物質和非鐵性物質的作用是不同的。

早在戰國時期，天然磁石已被用于醫療實踐。包括磁石在內的"五石"，已被作為內服藥物。磁石的指極性，也被用于指南器"司南"的制造。在《鬼谷子.謀》篇中稱："鄭子取玉，必載司南，以其不惑也"。這是關于"司南"的最早記載。關于"司南"的形制，在東漢五充的《論衡.是應》篇中記述曰："司南之杓，投之于地，其柢指南"。今人王振鐸考證認為它是用天然磁石琢磨成杓狀的東西，底呈光滑的球形，把它放置于用青銅制成的光滑地盤上，撥動構柄使之輕微轉動，靜止后其柄即指向南方。

4.光學成就

中國古人很早就利用凹面鏡聚太陽之熱取火。《周禮.司寇》有："司烜氏，掌以夫燧，取明火于日"。《莊子》也有"陽燧見日，則燃而為火"的記載。夫燧、陽燧皆指凹面鏡。中國古人還知道了光線穿過透明體的折射現象。《管子.侈靡》中記載："珠者，陰之陽也，故勝火……"。這里所說的"珠"，大約是石英一類透明體經流水沖刷成卵形，類似凸透鏡，可向日取火。《淮南萬畢術》記載公元前2世紀已有人用冰制成透鏡向日取火："削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則火生"。

《墨經》中對光的直線傳播原理記載了精彩的實驗，并提出了精辟的論述。文曰："景到(倒），在午有端，與景長。說在端"；"景：光之人，煦(照）若射。下者之人也高，高者之人也下。足敝(蔽）下光，故成景于上；首敝上光，故成景于下。在遠近，有端與于光，故景庫內也。"這是世界上最早的"針孔成像"的實驗的論述。"景"為"像"，"午"指"交午"，"端"為"點"，指屏中的小孔。這條經文說明，從人體各個部位射出的光線，直線射過小孔(端）并在此相交，從人體下部射來的光線射到高處，從上部來的則射到低處；如足部射出的光被低部的屏所遮蔽，因而只能成像于高處；首部的光線只能成像于低處。因而屏后的幕上就得到一個倒立的像；像的大小則與交點(小孔）的位置有關。文中的"照若射"，用"射"字形容光線的徑直疾進，是十分形象和確切的。墨家還利用光的直線前進的性質，討論了光源、物體和投影三者之間的關系問題。如一個物體同時受到兩個光源的照射時出現的重影現象和半影現象等。

《墨經》中對平面鏡和球面鏡的成像問題，作出了非常深入的論述，反映了當時在這一研究中所取得的輝煌成果。

關于平面鏡成像，《墨經》中有如下一個實驗及其光學解釋的記載："臨■而立，景到(倒）；多而若少，說在寡區"；"臨：正■，景寡，貌能(態）、白黑、遠近、杝正、異(映）于光。■(者），景當俱就；去亦當俱，俱用背。■者之臭(糗），于■無所不■；景之臭無數，而必過正，故(估）同處。其體俱然，■分"。對這一條文的解釋，目前還有不同的意見。譚戒甫、錢臨照先去作平面鏡成像解。經文指出，一物(如人）俯視一平放于地的平面鏡，在鏡中得一倒像。由于鏡面較小("寡區")，觀察者從一個方位只能從鏡中看到不大范圍內的景像。任何物體在鏡內只能有一個像；物的形態、明暗、距離、斜正都由光線映于鏡。當人(物）走近或遠離鏡子時，其像也同時走近或遠離。人(物）朝向鏡子的表面上的一切點("糗")，在鏡中無一不被映出，人(物）體表面之點無數，其像的點也無數。像與人(物）分處于鏡面二側，相對應的點估計與鏡面的距離相等。

墨家對凹面鏡成像進行了深入的研究，取得了驚人的成就。《墨經》中記載了一個凹面鏡成像的實驗及其光學解釋："鑒位(洼），景一小而易，一大而正。說在中之外、內"；"鑒：分鑒。中之內：鑒者近中，則所鑒大，景亦大；遠中，則所鑒小，景亦小，而必正。起于中緣(燧）正而長其直(置）也。中之外：鑒者近中，則所鑒大，景亦大；遠中，則所鑒小，景亦小，而必易。合于中而長其直(置）也"。"鑒洼"即指凹面反射鏡。經文說凹面鏡所成之像有兩種，一種是物在鏡面球心之外時形成的比物小的、倒立的像；一種是物在鏡面球心之內時形成的比物體放大的、正立的像。在后期墨家所作的更準確的進一步說明中，把這一實驗分為"中之內"、"中之外"兩種情形("分鑒")。"中"指"中燧"(焦點）到"合于中"(鏡面球心，物與像重合之處）之間的這一段。如果物體在"中之內"，即焦點之內，就得正立的像，其大小隨物離焦點的遠近變化；如果物體在"中之外"，即在球心之外，就得倒立的像，其大小隨物離球心的遠近變化。值得指出的是，在這個實驗的記述中，墨家已經明確地區分了"球心"和"焦點"，而且還知道了物體和他的像在球心處重合("合于中")。這種準確的描述是與他們所進行的多次周密精確的實驗分不開的。

此外，墨家還對凸面鏡成像作了實驗研究，作出了基本正確的描述。

《墨經》中關于光的直進性以及各種面鏡成像現象的敘述，是一部系統完整的關于幾何光學問題的實驗記錄和理論說明；其內容和近代光學理論基本上是一致的。《墨經》的論述比古希臘學者歐幾里得的《光學》早約一個世紀，在世界光學史上應占有崇高的地位。