“光之人，煦若射”：谈谈我国古人对“光”和“影”的理解

光，好像很难捉摸，它是哪里来的呢？我国古人有自己的认识。殷代的甲骨文中就有“光”字，说明人们已经注意到它。那时把“光”写作“人”上面加一个“火”；把“昼”字画作一个射出强烈光芒的太阳形。这一方面说明那个时候是以太阳和火把为主要光源的；另方面也说明，那时人们已经知道光是从光源上射过来的。

在《墨经》中就有“目以火见”的记载。“火”代表光源，意思就是人的眼睛靠着光照才能见到东西。东汉的王符在他的《潜夫论》中还特别指出：我们之所以能明明白白地看见一切东西，决不是眼睛中自然有光，而是借着火把发来的光。

现在我们叙述这一点，好象是多余的。但是在几千年前，人们能够认识到这一点也是不容易的。在古代的西洋，恰恰有一些学者，就以为人的视觉是眼睛里发出某种东西，接触到物体而引起的。比较之下，就可以看出我们祖先的认识要正确得多。

一、光的直进性质证明之一：针孔成像

既然承认了光是由光源发来的，就一定要追究一下光是怎样进行的。我们知道，光在均匀媒质中，是沿着直线进行的。最晚在战国时代，人们就认识到这一点了。

《墨经》明确地指出：“光之人，煦若射。”意思是说，光向人照去，犹如箭射。这就很形象地说明了光的直进性质。光的直进性质最好的证明之一就是“针孔成像”。

所谓针孔成像是这么一会事：在光体和墙壁之间放一个屏，在屏上开一个很小的孔，即所谓针孔，就可以看到壁上生成一个光体的倒像；当光体和壁的位置固定，将屏移向壁，那倒像就变小，反之则变大。这个现象只能以光的直进来解释。

令人惊奇的是，《墨经》里对这个现象就有详细的记载。原文是这样的：

“光之人，煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端与于光，故景库内也。”

意思是说，光向人照去，犹如箭射，通过针孔成的像，人的下部在高处，人的上部在下处。为什么呢？因为头部发出的光，被遮去了上部，所以成像在下；足部发出的光，被遮去了下部，所以成像在上。由于在光路上存在一个针孔，所以屏上成的像很明亮。

《墨经》这整段意思中贯穿着光的直进观念，这是难能可贵的。历代研究针孔成像的还很多。宋代沈括对这个现象有特别深刻的理解。他用摇橹来比喻物、孔、像三者之间的直线联系，虽然没有画出光路图，但光线的来踪去迹都指得明明白白，在整个叙述中都包含着光的直进观念。

沈括还从动的位置关系研究针孔成像的情况。他说，若空中飞着一只鸢，它投在地下的影，随鸢而移，如果中间置一针孔，则发现影的运动与鸢的运动相反；鸢飞向东，影向西移，鸢飞向西，影向东动。这在针孔成像研究中，可说是别开一格的。

沈括还批判过去有人把塔通过针孔成倒影的现象，说成是“海翻”的结果，指出这是“妄说”，“影入窗隙则倒，乃其常理”。表现出一个科学家的精神。

此外，我国古代还有人利用针孔成像来观察太阳坐标，也有的用来观察日食，还有的用以把景物投到屏幕上来作画等等。

元代科学家郭守敬，曾对针孔成像作过很深的研究，利用它的原理来改进“景符”(一种天文仪器)，获得很好的效果。

差不多同时的另一位科学家赵友钦设计了一套很有趣的实验来研究针孔成像。他在《革象新书》里详细记录了这个实验，并解释它的理论：

他在楼下左室挖一个深八尺的阱，相邻的右室挖一个深四尺的阱，直径各是四尺，上面都盖上木板。左板上挖一个一寸见方的孔；右板上挖一个寸半见方的孔。另在左阱中放一张高四尺的桌子。那么桌面就和右阱底一样高。两阱中各放一块插有一千多只火烛的圆板，当作光源，赵友钦把它看作太阳或月亮，他就用这样的装置来作针孔成像实验。

第一步，他发现光源透过木盖上的小孔在天花板上成有形的像。左右两个象几乎相同，只不过右边因孔大些，所成的像较亮罢了。

第二步，他留心到平日太阳通过壁上小孔在地上所成的像都是圆形的。当日蚀时，地上的像也有了残缺。他拟这现象，把阱底烛盘上的火烛熄掉一半，发现天花板上的像也缺了一半。烛盘缺左半，像却缺右半；烛盘缺右半，像则缺左半。这证明小孔所成的是倒像。

第三步，另用一块木板挂在天花板之下接像，也就是缩短了像与小孔的距离(象距)，发现像的亮度变大了。

第四步，他撤去左阱内的小桌，把烛盘放在阱底，也就是增长了光源与小孔的距离(物距)。发现天花板上的像缩小了，但亮度却增大了。

第五步，他撤去了覆盖在阱口的两块板，另作直径一尺多的两块圆板，右板中心开了一个边长为四寸的方孔，左板开了边长五寸多的三角形，各以绳索吊在天花板底下，可以调整高低，目的在同时改变像距与物距。此时左面的火烛拼成圆形，右面的火烛拼成半圆形。抬头看天花板上的像，左面是三角形，右边是方形。可见大孔所成的像，只随孔的形状变化，不随光源的形状变化。说明了大孔成像(明亮部分)和针孔成像是不同的。

赵友钦用这个古今中外最大的针孔暗匣作的实验，是多么全面和巧妙，记录是多么忠实，所得到的结论又是多么正确！他对于针孔成像的大小、形状、浓淡、正倒等都有正确的解释，在解释中处处贯穿着光线直进的思想，这个实验在光学史上占有重要的地位。

二、光的直进性质证明之二：成影

在光源和墙壁之间，放进一个不透明的物体，在墙壁上就看见一个黑影。那影的大小和物体的大小之比。恰恰等于光源到墙壁的距离和光源到物体的距离之比，这正是光线直进的又一个有力证据。

“形影不离”，说明影是随时可见的。今天，人们很难想象，这普普通通的影，竟是古人的“时钟”，没有它，将不知时日。所以古人对影的研究开始得很早。

早在公元前八百多年，人们就在大地上竖直地栽上一根木杆，太阳高度变化就会使投在地上的杆影长度变化，这影子就标出了时间的早晚。这“时钟”，在古代叫做“晷”。它在我国古代沿用很久。今天，北京的故官里还可以看到这种日晷。

晷的发明说明那时就已有了较丰富的有关影的知识。春秋战国时期，关于影的成因问题还争辩过一阵子。现在，我们很容易了解:影是物体遮藏光线所成的。《墨经》中已经大致认识到这些意义，指出：只要光一照到，影就消逝了，如影还存在，则遮蔽光线的物体一定始终没有离开。

在《墨经》里，对于成影的大小规律有详细的记载。作者大概仿照“晷”的样子进行实验研究，在大地上竖立一根木杆，并改变各种条件观察影的大小。里面总结出这样的规律：

①木杆向光源倾斜，影必短而粗；木杆正立，影必长而细。

②如光源小而木杆粗，那影一定大于木杆。

③光源距离木杆的远近，也会影响影的大小。

这些结论，不但都是符合实际的，而且说得相当全面，很是难得。《经》文是这样说的：

“景(即影)之大小，说在杝(倾斜的意思)正；远近。”“景:木槌，景短大；木正，景长小。火(指光源)小于木；则景大于木；非独小也，远近。”

不仅如此，《墨经》还专门有一条文字，探讨两个光源同时照射一个物体时所成的影。那里面已经包含有现在所讲的“本影”，“半影”的意思：凡是全部光线都能照射到的，是全亮区；凡是完全没有光线照射到的是黑影；只有部分光线照射到的地方，在全黑区和全亮区相衬之下，现出淡影。可见《墨经》讨论影的知识是多么周到，宝贵。

三、古人对日月蚀的解释

对于日月蚀的解释，是成影理论的具体运用。我国不但有人类最古的日月蚀记录，在日月蚀的观测和推算预报方面，也都有举世公认的辉煌成就，这些都要由天文学史去介绍。这里只介绍古人如何利用光学知识去解释日月蚀的成因。

我们知道，当太阳、地球、月球三者运行到一条直线上时，若地球在中间，遮蔽了太阳光线，光线无法到达地球，这就是日蚀。我国在公元前四世纪的时候，人们已开始对此有某些认识。当时的天文学家石申，已教人们根据月亮和太阳的相对位置去预报日蚀，但并未明确从光学的角度加以解释。

到公元前20年，刘向就直截了当地指出：“日蚀者，月往蔽之。”其实，这样的说法，在战国以来就开始有了。当然，解释最透彻的要算是东汉时期的科学家张衡。他在《灵宪》里有一段文字，专门讨论日月蚀问题，在光学史上很重要。说：

“太阳象火，月亮象水。火发出光，水反射光。月亮的亮光来自对太阳的照射，月面的‘魄’，则是由于日光被遮蔽的结果…太阳发出的光线，并不一定能达到月面，是由于地的遮掩。这称为‘暗虚’，就是月蚀。……当月亮经过太阳的轨道时，就出现日蚀。”

张衡这段话清清楚楚地利用光线遮蔽的关系解释日月蚀，是成影理论的运用，也就是把光的直进性质用来解释日月蚀的现象。