《人类科学技术史-149》中国秦汉魏晋南北朝时期物理学（下）

中国秦汉魏晋南北朝时期物理学（下）
4.热学知识

到秦汉魏晋南北朝时期，人们通过长期的生活与生产实践，已积累了一定的热学知识。并在日常生活中、书籍中有所运用与记载。

从汉代开始，中国古代的人们逐渐发现并初步利用了煤、石油、天然气等高温燃料。这使高温治炼又前进了一大步。到东汉杜诗又发明了鼓风机械——水排，将炉温又提高了一层。那时，人们掌握火候的技术可以说已达到登峰造极的地步。各种出土的名剑，精制瓷器、炉窑遗址等实物，便可向世人展示这一切。但这时，人们仍是靠经验看冶炉的火色来判断火候，而温度的调节则简单由鼓风的急慢来控制。对所制器物硬度的控制，人们已开始利用不同的淬火技术，一般习惯均用特定的水来淬火，而北齐綦母师文在炼制宿铁刀时却用动物油和动物尿两次淬火，这说明他已有很高的技术和丰富的经验，对开始淬火的温度、淬火后取出的时机把握得恰到好处。这些都是热学控温技术的一大进步。

热能的利用与农业生产紧密相关。据《汉书.召倍臣传》记载，在西汉末年已有正式的温室生产。其实秦始皇曾派人在骊山之南建造大棚，用以在冬天载培蔬菜，因技术不过关而没能成功。西汉时所用的方法是"覆以屋庑，昼夜燃蕴火，待温气乃生。"北魏时已出现了用熏烟的方法来防止霜冻的技术以及对霜冻的预报等。著名科学家贾思勰在《齐民要术》中写道："凡五果花盛时，遭霜则无子，常预于园中往往贮恶草生蔡，天雨新晴，北风冻切，是夜必霜。此时放火作煜，少得烟气，则免于霜矣。"古代的中国人利用热能防止自然灾害的作法，充分显示出了他们的聪明才智和对热学知识的深入了解。

炼丹术是从春秋战国到唐代久盛不衰的一门学问，它虽然与仙、道等迷信现象紧密相关，但其中也有不少物理方面的知识。西汉炼丹家魏伯阳在《周易参同契》一书中对水银的挥发现象作了记载，他指出：由于水银与硫磺能化合成黑色的硫化汞，加热能升华成红色硫化汞(俗称丹砂）。因此，用硫磺便可不让水银蒸发。他还指出，即使在猛火中，黄金也不易氧化，不失重，不变形。晋朝葛洪(公元281-341年）在《抱朴子》一书中记载了包括煅(长时间高温加热法）、炼(干燥物质加热法）、灸(局部烘烤法）、熔(熔化法）、抽(蒸馏法）、飞(升华法）、伏(加热使药物变性法）等多种火法炼丹法。但其中也记录了蒸发和凝结、热分解和升华等方面的物理知识。书中还指出了掌握火候对炼丹的影响，以及恒温方面的知识，形成了中国古代物理知识记录的又一种形式。

此外，王充的《论衡》在中国物理学发展史上有一定的地位。它在书中对热传导的见解是：热的传导是气的作用，靠火近则感到温暖是因为距离短，气的作用大；而当离火越来越远时，气的作用就不断减小，热的传导也就不断减弱。这一见解给出了热的传导与距离成反比的科学结论。他不但科学地解释了雨、露、云雾、霜、雪的形成，而且对蒸发、降雨、凝结与温度的关系有了初步论述。他在书中指出："雨之出山，或谓云载而行，云散水坠，名为雨矣。失云则雨，雨则云矣，初出为云，云繁为雨，……云雾，雨之行也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪。雨露冻凝者，皆由地发，不从天降也"，"寒不累时则霜不降，温不兼日则冰不释"。这说明王充把云、雾、雨、露、霜、雪看作是本质上相同的东西，只是在不同的温度和不同的条件下，才表现出不同的形式。这表明他对热现象和热能的变化有了精细的观察和比较深入的研究。

南北朝时期，中国早已有了储存天然冰的窖场，用来冷藏食物，并且十分普遍。虽然早在商周时已有这样的冰窖，但其社会化程度远不如这一时期。

热的本性一直引起人们的关注和探讨。古代中国的五行说，把火看成是构成宇宙万物的物质元素中的一种。南北朝时成书的《关尹子》指出：热是一种可自由出入物体本身的"外物"，当瓦与高温的火接触时，就有热进入瓦石，所以瓦石会热起来；而当瓦石接触冷水时，就有热以瓦石传出，所以瓦石会变冷。而北齐的刘昼更以"热质说"的口吻指出：热是藏在树木之内的一种物质，钻木的时候就会跑出来，从而产生火。这些应算是热学发展史上较早的关于热的本质的一种假说。

秦汉时代，已经出现利用热室气因轻而上升的原理的记载。淮南王刘安编著的《淮南子》中记载："取鸡子，去其汁，然艾火纳空卵中，疾风因举之天。"虽然这种东西根本飞不起来，但表明了时人已知道用艾火生产热能而使重物上升的道理，开始了制造热气球的设想。后来，蜀国丞相、著名的政治家、军事家诸葛亮利用热空气的浮升原理而发明了"孔明灯"，这应该是热气信号灯的前身。同时，出现了利用燃烧加热空气去推动纸轮旋转的燃气灯与走马灯等器物。这表明，人们已认识到，空气热升冷降而成对流，并使轴转动这一原理。这些器物的制作原理与现代涡轮喷气发动机的燃气轮原理相似。可以说，中国的走马灯应算是近代燃气轮的始祖。而直到公元1550年，欧洲才出现燃气轮的雏形。

5.司南的发明

中国春秋时期就注意到了磁现象的存在，当时，《管子.地数》一书中记载了天然磁石的吸铁现象。在使用磁石的过程中，人们发现了磁石具有指极性，根据这一特性，制成了可能指示南北方向的工具——司南。最早的可靠记载是战国末期的法家著作《韩非子》一书。在《有度篇》中有"先王立司南以端朝夕"，意思就是用司南这种东西测定方向。在《韩非子.有度篇》中详细地描述了司南形状东汉王充的《论衡.是应》中也有司南勺的记载："司南之杓(勺），投之于地(放置司南勺的盘子），其柢指南。"河南南阳东汉墓出土的石刻上有司南的图画。由此可知司南是用天然磁石制成的，样子像勺，圆底，可以在平滑的刻有方位的底盘上自由旋转，勺柄就指向南方。但因司南由天然磁石磨制而成，磁性较弱，在制作过程中，由于受震而会失去磁性，加之磁勺与底盘接触处转动摩擦的阻力较大，所以还难以达到理想的指南效果。尽管如此，司南还是被广泛用于建筑、航海、祭祀等活中，起到了指南针的作用。并为指南针的发明奠定了基础。随着航海事业的发展，人们更为迫切地需要研制更为有效的指向仪器。为此进行了不懈地努力，战国末期的《吕氏春秋》一书中所讲的"慈(磁）石召铁"，又向前大大跨进了一步。春秋以后由于铁器的广泛使用，进而又发现了磁石吸铁的特性，从而有可能出现人工磁化的铁。这是继磁石指极性后物理学上的又一重要发现。约到公元10世纪，经过对人工磁化方法和使用磁针指向的探索研究，最终发明了指南针。

然而，中国古代物理学的发展也不是一帆风顺的。由于传统观念对纯理论探讨的轻视与排斥，将记载大量物理学知识的《论衡》加上"秘玩以为玩助"的罪名，视为"异端邪说"而长期遭受冷落。加之当时中国古代科学家还缺乏将力学、光学、热学等物理现象进行独立研究，建立独立的、系统的学术系统的意识，因此中国古代后期的物理学研究，还无法形成完整、系统的理论体系。