《人类科学技术史-148》中国秦汉魏晋南北朝时期物理学（上）

中国秦汉魏晋南北朝时期物理学（上）

秦汉魏晋南北朝时期，是中国古代物理学发展的重要阶段，这一时期在力学、声学、热学、电学和磁学、光学方面取得了一系列的成就。

春秋战国时期，中国古代力学曾获得很大的发展，是初步形成的阶段。秦汉时期，力学又获大发展，尤其是在应用方面。魏晋南北朝时期，中国的力学从理论到实际运用上都取得了极其辉煌的成就，在当时世界上居于领先地位。

声学是物理学研究的重要领域，这一时期在这方面出现了丰富的专著以及众多卓越的发现、发明等。其中对物体发声、传声的研究，声音成因的解释，共鸣现象和共振实验等都有详细记载。这一时期的乐器创造、乐律学的探讨，以及各种用于战争侦察、建筑和生产中的声学知识，都领先于世界。

在长期生产生活中，人们积累了不少热学方面的知识，尤其在热能的利用方面又有了较大的发展，主要表现在冶炼、淬火、温室种菜、炼丹生火，制成热气灯等等。

电磁学是物理学专门的领域，主要是研究电磁运动规律。这一时期，人们对摩擦生电，大气电光等方面已有很深的认识，记载也很多。而在磁学方面对磁石和磁石吸铁性，指极性及其本质的探索等均有相当的知识，成就很大。虽然由于条件限制未能形成体系，但却有自身的连贯性，在学术上长期处于领先地位。

中国古代的光学知识十分丰富，尤其在几何光学方面所取得的成就，长期领先于世界其他各国。秦汉魏晋南北朝时期是中国古代光学研究不可缺少的阶段。

1.光学知识

两汉时代，出现了一种透光镜，外形与古代普通镜子一样，反射面磨得很亮，能照人，但它却能通过反射把镜子背面的文字和花纹清楚地反射到屏幕上，这是由于铸镜时薄处先冷，镜背有花纹图案处较厚，冷却得较慢，铜收缩得多，而花纹、图案虽在镜背，而镜面也有隐约的痕迹。这充分反映了中国古代人民对光反射特性的深刻认识。

西汉时，中国已有原始的潜望镜，唐代马总的《意林》卷6引《淮南万毕术》一书，称"取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。"中国古代的人们早已知道光线穿过透明体的折射现象。春秋战国时期，人们已开始用凸透镜向日光取火。西汉《淮南万毕术》上有这样的记载："削冷令圆，举以向日，以其承其影，则水生。"晋朝人张华也在《博物志》中作了类似的记载。西方直到17世纪才由英国科学家虎克作出类似的试验，比中国晚了1000多年。

根据王充《论衡.乱龙篇》的记载，东汉时已有了消炼"五石"制成的透镜阳燧，这是早期的玻璃凸透镜。远在公元2世纪之前，中国已发明了放大镜，可放大四、五倍。显示出凸透镜的另一功能。

对于因光的折射所引起的色散现象，古代中国对它的发现和记载都相当早。虹是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴引起的比较复杂的折射和反射造成的一种色散现象。东汉人蔡邕在《月令章句》中是这样解释虹的：虹成于与日向对的云气中，无云则无虹，阴天亦不会有虹。可见他已对虹的成因及位置有了一定的了解，那时的人已观察到瀑布之下四溅的水珠亦能呈现七彩。另外，南北朝时的梁元帝肖降在《金楼子》一书中曾记载了君王盐(又叫王华盐）的结晶体能折射太阳光呈红、黄、褐诸色。这是关于天然晶体色散现象的最早记载。

2.力学知识

在秦汉、魏晋南北朝时期，人们利用已积累的力学知识，发明了一系列机械，如利用力的分合原理制成犁壁(比欧洲早千余年）；利用力的平衡原理，杠杆原理等制成的三脚楼；利用杠杆原理制成水碓；利用力的传递原理制成翻车；采用齿轮系统制成漏水转浑天仪；应用惯性和杠杆原理等制成候风地动仪；西汉丁缓利用齿轮系统发明的七轮扇及利用力的平衡原理制成的被中香炉；使用杠杆原理和轮转系统制成水排；应用齿轮的自动离合原理制成指南车及记里鼓车等，生动地反映了中国古代在实际应用中的高超水平。

东汉王充的《论衡》是对这一时期力学知识的初步综合，是对墨家力学的继承和发展，已初具动力学的萌芽。王充是东汉时期伟大的唯物主义思想家。《论衡》是评论古往今来一切思潮和学说的是非真伪的论文集。书中对力的作用进行了探讨，指出外力是使物体运动的原因，而内力不能使人和物体本身发生运动状态的变化，且力的大小可用重量的单位来量度，大小不同的力其效果也不一样。这些论述比前人更进了一步，基本上与近代力学原理相符。

关于物体运动快慢的原理在《论衡》中也有论述，书中指出：在一定外力作用下，重量小的物体运动起来容易；重量大的则困难。书中还有了"速度"这一概念的萌芽，指出一切物体运动的快慢可用相类似的机械运动来比拟进行量度，这是一个很重要的创见。另外，书中还表现出了关于功这一概念的萌芽思想，书中明确提出在考核功的大小时，除用力的多少外，还要确定运动路程的长短。

流体运动现象是日常生活、生产中常见的现象，人们很早就对它进行了研究。春秋战国时期，墨家对水中物体的浮沉现象进行了考察和研究，指出：一定量的物体如果形体很大，那么它在水中下沉的部分则浅，因为它与平衡有关。并且已懂得物体排开的水与物体本身有一定的关系，并试图作定量的描述。这无疑是浮力原理的记述。这比古希腊的阿基米德的发现早了两个世纪。这一原理随即被应用于造车和造箭的生产工艺中，到秦汉魏晋南北朝时期，这一原理被更为广泛地采用。著名的曹冲称象故事，讲的就是这一原理，即船上装上石块与船上装大象沉到同一位置，表明它们排开水的重量相同，也就是两次所受到的浮力相同，这就表明大象与石块必然等重。

在流体压力方面，中国古代早就利用大气压力来制造虹吸管和唧筒。东汉末年就出现了一种用于灌溉的虹吸管(当时称为"渴鸟")。以后，虹吸现象在生产和生活中应用更为普遍，医学上的拔火罐疗法也是利用这一现象。关于大气压力的探讨，南北朝时成书的《关尹子.九药》中有这样的记载："瓶存二窃，以水实之，倒泻；闭一则水不下。盖不升则不降也。"意思是：把水灌满有两个孔的瓶子，然后倾倒，如果闭住一个孔，则水就倒不出来，这是因为有两个孔，倾倒时一个小孔可同时进气，便倒出水来；如塞住一个孔，那么就因另一个孔外面的气压比瓶中的压力大，水也就流不出来。这反映了当时人们对大气压已有相当的认识。魏晋之际的虞茸在《穹天论》中论述宇宙结构时，说天有如一个倒扣在水面上，用来盛放梳妆用品的木奁，其所以不会下沉，因其中充满了"气"，明确地肯定了大气压力的存在。

3.声学知识

东汉学者王充曾用水波来解释声音在空气中的传播。他在《论衡》一书中写道："生人所以言语吁呼者，包括口喉之中，动摇其舌，张歙其口，故能成言"即指出了人之所以能发声，是由于人口的张合，口舌鼓动空气而发音。并认为，人使空气振动成声，声音通过空气传播，同鱼使水振动成水波通过水传播一样，离开振源过远，就听不到声音了。王充关于声音犹如水波的物理学思想，是世界上对声波的最早认识。

人们在认识波的同时，已知声音的高低是与物体的振动分不开的，认识到钟的厚薄不同声音的清浊不一，弦线的长短、密度、张力不同，则音调也各异。王充在《论衡》中还提出了"天且雨……琴弦缓"，即天要下雨，空气潮湿，琴弦会松缓下来，张力变小，频率也发生变化的观点。除此之外，秦汉时人们早已学会了鉴别音色，对响度和音品都有一定的认识，还知道了因振动所引起的共振和共鸣现象。其实共振和共鸣现象在战国时代的《庄子.杂篇》中已有记载，并用音律相同去解释。但真正具体深刻解释这一现象理论还是在西汉。董仲舒(公元前179-104年）在《春秋繁露.同类相动》中的解释最具代表性。他明确指出，凡是物体自鸣，都是有其原因的，就是声音相应，强音则使物体自鸣。利用共振原理，汉代人制成了称之为洗的铜器。它的形状与洗脸盆相似，底部浅且平，盆边有两耳，边缘较宽大，盆底铸有两条龙或鱼，俗称龙洗或鱼洗。其喷水原理涉及到固体振动在水中的传播、共振现象和干涉效应。如用两手有节奏地摩擦盆边上的两耳，就会使盆内的水产生复杂的波纹，好似鱼或想象中的龙在盆底运动翻起浪花。如摩搓得好，还可使水喷到空中3尺多高。这种器皿的问世，显示了当时人们已掌握了声学的共振和干涉效应的知识。晋代学者张华(公元232-300年）在《博物志》一书中就利用共振原理去解释洛钟和铜盆的自鸣现象，并第一次提出了清除共鸣的科学方法：使物体的重量减轻。这说明张华已知共鸣的原因在于音调相应，以及音调和振动体形状均与轻重有关。此外，在秦汉魏晋南北朝时期，声音效应已被广泛用于战争，利用共鸣测知对方的行动和方位；在建筑中则利用共鸣、反射等来建造琴室、庙宇、宫殿等特殊需要的建筑。

从数学的角度对乐器上的乐音进行研究，是中国古代物理学的重要组成部分。大约在公元前11世纪，对音律的研究已形成初步的理论系统，到春秋战国时期，出现了一种"三分损益法"的乐律计算方法。运用这个方法完成一个音阶中各个律的计算以后，使比基音高或低8度的音只能约略地比基音高或低一倍，与真正的准确值一倍还有一定的差距，即高一个"古代音差"。这样就不能组成一个完整的8度，这无疑是美中不足之处。为消除这一差数，秦汉魏晋南北朝时期，涌现了大量对此进行探索的乐律学家，尤以西汉的京房(公元前77-前37年）、南北朝时的何承天(370-447年）、钱乐之(5世纪）和沈重(6世纪）的贡献更为突出。京房所采取的办法是把高出的差数插入黄钟与大吕(十二律中的两个）之间，并重新用清黄钟这个音为起点，仍用三分损益法顺次求出其他各音，同时，把这些音插入到相当的位置中去。从而把一个音阶中的律数增到50个(实为60个）。钱乐之和沈重也是按此方法，将律数增到360个。但总体来说，他们这种作法只不过是缩小这个差数，而不能消除这个差数。而且他们将律增加过多，不仅无法演奏，而且也难以制出这种乐器。何承天把按三分损益法计算结果造成的律管长度上的差数均分为十二份，然后累加到基音以后的各律上去，从而使基音和高8度的音在长度上恰好成倍比。但由于是按律管长度来平均分配差数，而不是按频率(或音分）来分，从而使各律间音程混乱，转调更困难。但这个大胆的创新，打破了5度相生的陈规，提出了乐律研究的新方向——等程研究，为十二平均律的出现指明了道路。值得一提的是晋代的荀勖在乐律学方面曾作出过重要的贡献。据《晋书》卷19记载，晋泰始十年(公元274年），荀勖制成了12支笛；其12支笛应十二律，其校正数就是一个律管的长度和另一较高四律的律管长度之差数。"荀勖笛"不仅是乐器，也是判别音高的声学仪器。这种十二笛及管口校正的产生和应用，是中国古代声学史上的一项重大成果。比欧洲早了15个世纪。