赵宋皇室后代，元代物理学家，还论证了“地球是圆的”

谈及古代科学史，很多人言必谈古希腊，对中国却不屑一顾，其中一个重要原因是中国古代科技重应用、不重理论，重经验、不重实验，与古希腊注重理论总结、注重实验相差甚远。姑且不谈所谓的古希腊文明来历不明，以莫名其妙地违背人类进化逻辑的方式出现，就说从客观实验出发，采用大规模的实验方法去探索自然规律的科学实践上，中国古代也有相应的科学大师，本文所讲的这位科学巨匠叫赵友钦，在世界物理史上有一项开创性的成就，比后来的著名物理学家意大利伽利略海早了两个世纪，同时他还科学论证了“地球是圆的”。

赵友钦是宋末元初人，或名敬，字子恭，自号缘督，因此别人就称他为缘督先生。他是宋室汉王赵元佐十二世子孙，赵光义的十三世子孙，籍贯为江西鄱阳。宋朝灭亡后，为避免受到元朝的迫害，他浪迹江湖，隐逸道家。

在中国历史上，有一个引人注目的现象，即道教和科学的紧密联系，历代都有对科学巨大贡献的道教徒，其中如葛洪、陶弘景、孙思邈等人，足可在中国化学史、医学史等领域占一席之地。但与前人略有不同的是，赵友钦隐逸道门之后，他的兴趣不在炼丹炼药上，而是痴迷于物理光学领域。

中国古代光学有着许多辉煌的成就，其中之一是光学研究，对光的直线传播、小孔成像等现象，《墨经》、《梦溪笔谈》早有记载。然而，对光线直进、小孔成像与照明度最有研究，并最早进行大规模实验的却是赵友钦，他的这些实验在世界物理学史上是首创的，被记载在《革象新书》的“小罅（xià）光景”（即小孔成像）这一部分中。

对于光线直进、小孔成像与照明度等诸多光学现象，尽管古人早有记载，但记载的毕竟比较简略，很多问题并未描述清楚，赵友钦对“室有小罅虽不皆圆，而罅景所射未有不圆；罅虽宽窄不同，景却周径相等”等问题疑惑不解，于是开始长期观察、实验、分析。

通过长期观察、实验、分析，赵友钦得出不少论断：小孔成像“随日月之形皆圆”，而大孔成像与孔的形状相同；孔变小时，像就会变得暗淡，物距孔越远像越暗；孔变大时，距孔越远，其像也越大，但明亮程度不变等。

为了进一步验证由观察自然现象得到的论断的正确性，于是赵友钦就在浙江龙游鸡鸣山筑观星台，建造了“小孔成像”实验楼。实验楼是一栋两层楼，上面是两间房子，每间房子下面各挖一口4尺直径的圆井，右井深4尺，左井深8尺，其中左井里放一张4尺高的桌子。在井底有两块直径4尺的圆板，上面各放置1000根蜡烛，用来模拟日月光源。井口地面上覆盖两块直径5尺的圆板，左边开孔一寸左右，右边开孔半寸左右，以楼顶天花板作为固定的相屏。如此大规模的物理实验，在人类历史上前所未有，比世界著名物理学家意大利的伽利略早了两个世纪。

根据《革象新书》记载，赵友钦的实验分为五步，主要验证了五个光学问题。

其一，保持光源、小孔、像屏三者距离不变，改变小孔的大小，最终确认“小孔虽方，其像必圆”，但随着照度不同，像会出现一浓一淡，“宽者浓而窄者淡”等，并对这种现象进行了科学分析。

其二，改变光源大小与强度，模拟日月食现象，将右边蜡烛减少500支，剩下的集中放置在木板的一边，最终观测到“右间楼板缺其半于西，乃小景随日月亏食之理”，这也表明小孔成像是倒像的道理。

其三，改变像距，调整小孔到屏幕的距离，得出“照度随着光源强度增强而增强，随着像距增大而减小”的粗浅定律。在400年之后，西方才由德国科学家来博托得出“照度与距离平方成反比”的定律。

其四，改变物距，调整光源到小孔的距离。在光源强度、小孔大小、像距都不变时，赵友钦发现物距愈大、像愈小，反之物距愈小、像愈大，“由是察之，烛也、光也、窍也、景也，四者消长胜负所当论者”，揭开“小孔成像”的基本原理。

其五，改变孔的大小与形状，观察大孔成像的情况。赵友钦观察再次确认大小孔成像不同，小孔时“不睹一景之全，碎彻千烛之景”，但大孔时“大罅之景千数，比于沓纸重叠不散，张张无参差。（更）大则总是一井之景，似无千烛之分”。

在结束“小罅光景”篇时，赵友钦最后写道：“是故小景随光之形，大景随空之象，断乎无可疑者。”即大孔成像与大孔形状相同，小孔成像与光源形状相同，这一结论无疑非常正确。

除了上述光学实验之外，赵友钦还有一些世界级的成就：

首先，科学论证了“地球是圆的”。18世纪之前，除了环球航行之外，论证“地圆说”最科学的办法是确定经度差、纬度差，其他的或多或少不够严谨。唐代与元代曾在南北、东西大规模天文观测，发现北海与南海的北极星角度明显不同而确定了纬度差，发现开封与西域的月食出现时间相差1更半而确定了经度差，由此赵友钦指出“测北极出地高下（即纬度差异），及东西各方月食之时刻早晚（即经度差异），皆地体浑圆，地度上应天度之证”，论证了“地球是圆的”，比古希腊的亚里士多德严谨的多。

值得一提的是，很多人认为观测船只桅杆可以论证“地圆说”，但赵友钦指出这种方式不可信，“地体虽浑圆，百里数十里不见其圆，人目直注，不能环曲。试泛舟江湖，但见舟所到之处隆起，而水之来不见其首，水之去不见其尾”，而他认为观测远处大山更为可信，“洞庭之广，日月若出没其中，远山悉在环曲下，不为障也。”说到底，地球太大了，人的目力有限，基本不太可能看得清远处桅杆，而远处大山很大，“不为障也”，可以发现远处大山“悉在环曲下”。

其次，赵友钦还阐述了“月体半明”的问题，为此他将一个黑球挂在屋檐下比作月球，反射太阳光，发现黑球总是半个球亮半个球暗，而从不同位置去看黑球，看到的黑球反光部分的形状不一样。最终，他通过这个模拟实验，形象地解释了月的盈亏现象。

除了天文、光学上的成就之外，赵友钦还有很多成就：数学上的割圆术，他将千寸直径的圆周分割为正16384边形，这一成果记录在《革象新书·卷五·乾象周髀》中；曾经“东海上独居十年”、“发前人所未言”注《周易》数万言，还著有道家的《金丹正理》、《盟天录》、《推步立成》等书。可惜的是，除《革象新书》外的其他著作，后世都已失传了。

今人谈及中国古代科学，简单的“古代中国是实用技术”一句概括，似乎中国古代完全没有实验、没有理论总结，这种说法无疑有失偏颇，赵友钦就是明证。其实，不仅仅是赵友钦，还有战国石申、魏晋刘徽、南北朝祖冲之、宋代贾宪、元代郭守敬等等，都是当时世界上最顶级的大科学家。可以说，如果古代中国没有科学，也就不可能创造出璀璨的文明，不可能数千年占据世界第一，问题在于古代中国没有形成科学传统与传承，比如赵友钦与他的《革象新书》就一直鲜为人知，这才是问题的关键。