《人类科学技术史-162》中国隋唐宋元时期物理学

中国隋唐宋元时期物理学

早在中国的战国时代，物理学就取得了辉煌的成就，在力学、声学、光学等方面都颇有建树。隋唐宋元时期，封建制度日益巩固，科学技术向着为宫庭服务的方向发展。再加上隋唐确立了科举制度，科举制度造成科学技术与士大夫阶层脱离，使理论科学的研究主要落在少数僧侣、道士和隐士的身上。由于这支队伍力量薄弱，科学研究明显后继无力。在物理学方面尤甚。已经出现的理论和著作陆续被人遗忘和散佚，已经开始的研究只好中途作罢。因此这一时期的物理学已经是强弩之末。直到明朝，西方近代科学传入之后，物理学的研究才重新方兴未艾。不过，由于中国古代积累了丰富的物理学知识，也由于当时少数物理学家沈括、赵友钦等人的艰辛努力，隋、唐、宋、元时期，物理学的许多学科在世界上仍是领先的，在声学、电磁学和光学方面均结出了丰硕的成果。

1.声学

早在古代中国就有很丰富的声学知识。其中，关于物体发声和传播的研究、声音成因的解释，以及乐器的制造和声律学的探讨都有详细的记载。北宋科学家沈括则在共振实验和共鸣现象上作了深入的研究。

沈括(1031-1095)字存中，北宋政治家、科学家，浙江吴兴(今属浙江杭州）人。他博学多才，成就卓著。《宋史》说他"于天文、方志、律历、音乐、医药、卜算，无所不通，皆有所论著"。其中有好些创见，至今仍为全世界学者称道。堪称中国历史上，同时也是世界历史上稀有的通才。他的著作有40种，其中《梦溪笔谈》26卷，《补笔谈》2卷，《续笔谈》1卷。这些都是他晚年定居梦溪园以后，采用笔记体的形式写成。

《笔谈》记录了他一生积累的各种知识分条，共609条。按照李约瑟教授的辑录，其中207条属于自然科学知识，包括物理、化学、天文历法、算学、气象、地质学及矿物学等14种，因此《笔谈》是中国科学史上一部重要著作。李约瑟把这本书称为"中国科学史上的坐标"。《笔谈》详尽记述了大量科学史料，从许多侧面反映了当时的科技水平。如灌钢的锻造法，冷锻成色的检验法，所制透镜及其他铜镜的特异性能，指南针的装置法等，都达到了当时世界最高水平。《笔谈》还记录了许多平民科学家的创造发明，如发明活字印刷术的毕升、建筑工程师喻诰、天文学家卫朴、水利工程师高超等人，都有详细的记载。

《笔谈》也是这位大科学家毕生观察思考和研究结果的记录。这些成果在科技史上有许多占有重要地位，如关于地层地质结构的形成的认识、垛积公式、会圆术、中草药和医方的考证等，都是很了不起的科学成就。《笔谈》中在物理学方面涉及的内容主要有声学、光学和磁学等方面。

沈括的《梦溪笔谈》有两卷专讲音律。他的一个朋友家中有一个琵琶，放在空荡荡的房间里。用笛吹奏双调的时候，琵琶也跟着发音。这使人非常惊讶。那人把琵琶当成宝贝，敬若神明。沈括知道后大不以为然，指出这只不过是共鸣现象。他为了显示共振现象，剪了一些小纸人放在弦上，每弦一个，然后开始演奏。除了本身被弹奏的弦线以外，另一根与它音调有共振关系的弦也会振动起来。它上面那个小纸人频频跳动，而其他弦上的纸人却安然不动。沈括还进而证实，只要声调高低一样，相应的弦照振不误。沈括设计的纸人演示共振实验，是世界上同类实验中最早的一个。

2.电学和磁学

中国古代电学、磁学的知识十分丰富。早在先秦、两汉年间，就有摩擦起电、雷电以及尖端放电的记载。到了唐代，人们在实践中找到了防止雷击的办法。唐代王睿在《炙壳子》中记载道：汉代古建筑柏梁遭火灾，有一个搞巫术的人提出把瓦做成鱼尾形状(叫做"鸱吻"或"蚩吻")后，放在屋顶上可以防止雷电引起天火。有人解释说，这是在仰起的"鸱尾"中吐出一根金属长舌向着天空，舌根和一根着地的细长铁丝相连。这种记载如果属实，说明当时人们已经在实践中应用避雷针了。从雷电对物质作用的观察中，中国古代实际上已区分了导体和绝缘体。

沈括在《梦溪笔谈》中记载了内侍李舜举家被雷击时"金石皆铄，而草木无一毁者。"沈括通过雷电对金石、草木作用的不同效果，实际上已经看到了导体与绝缘体的区别。

中国古代在磁学方面也成绩斐然。春秋时期，磁石吸铁的知识已相当普遍。到东汉时已发明了"司南"，即指南针的雏形。《论衡》中记载"司南之杓，投之于地，其柢指南"。到了宋代，沈括在《梦溪笔谈》中第437条记载了指南针。这时，指南器已由司南勺、指南鱼发展为针形，成为一种更简便、更有实用价值的指南仪器。它和现代磁针的形式已极为接近。《梦溪笔谈》中记载的使用天然磁石摩擦铁(钢）针使其磁化的人工磁化方法，直到19世纪现代电磁铁出现以前，几乎所有磁针都是这样制成的。

在使用指南针的过程中，人们还认识了磁偏角。沈括说指南针不是指向正南，而是"常微偏东"。寇宗奭还说："常偏丙位"，即磁偏角在0°到15°之间。欧洲大约到13世纪才知道磁偏角，当时还误以为是指南针构造的缺点造成的。

指南针是中国举世闻名的"四大发明"之一。指南针一经发明，很快被应用于航海。南宋时又发明了罗经盘，或称为地螺、针盘等。指南针在航海中的地位更加重要了。

中国的指南针由海路传入阿拉伯，大约在1180年由阿拉伯传入欧洲。指南针的出现大大促进了航海技术的发展。

3.光学

宋末元初卓越的科学家赵友钦在光学方面很有成就。赵友钦又名敬，字子恭，号缘督，鄱阳(今江西鄱阳）人。有关赵友钦生平事迹的史料很少，生卒年月也不详。仅有《革象新书》(5卷）流传下来，使我们得以了解一点这位科学家的贡献。

《革象新书》第5卷首篇"小罅光景"中详细记载了赵友钦所做的光学实验。实验是在一个两层楼房中进行。一楼分为左右两室，楼下两室各挖一个直径为4尺的圆阱，阱上盖有木板，板上各有一小孔，阱中各放插有一千多只蜡烛的圆板作为光源。赵友钦通过这个实验对一系列几何光学问题进行了具体的观测和研究。最后他作出了结论：①孔相当大时，屏上所产生的像与孔的形状相同；②孔相当小时，屏上所生的像和光源的形状相同，但方向相反(即蜡烛的光在东，像在西），这就是小孔成象。赵友钦说这个结论"断乎无可疑者'。象这样严谨的大型实验，在14世纪中叶时，世界上还是绝无仅有的。赵友钦通过实验还得到：照度随着光源的强度增加而增加，随距离的增加而减小。而西方在400年后，才由德国科学家兰伯特(1728-1777)得出了照度和距离平方成反比的定律。

沈括在研究凹面镜成像实验中也总结出规律。他指出，当手指在焦点之内，所成的像是一个正立的虚像；当手指渐渐远离镜面，移至焦点时，成像在无穷远，即"无所见"了；当手指移至焦点之外，就成为倒立的实像了。沈括发现了焦点，并把它看作是正像和倒像的分界点，这是一个十分重要的进展。

4.力学与热学

隋、唐、宋、元时期，中国应用力学知识已经达到了一个很高的水平。

北宋著名科学家苏颂(1020-1101)和韩公廉(生卒年不详）于1088年制作了一座杰出的天文计时仪器——水运仪象台。这座复杂的大型仪器采用了民间使用的水车、筒车("升水轮")、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测、演示和报时设备集中成一个整体，成为一部自动化的天文钟。这是世界上最古老的天文钟，在国际上受到极高的评价，这反映出当时中国力学知识已经有相当高的水平。

此外，宋代有许多关于浮力的记载，宋代还有人应用大气压力来制造虹吸管和唧筒。北宋曾公亮在《武经总要》中，具体记述了如何用竹筒制成大型虹吸管，把被高山阻隔的泉水引过来的装置。这说明，当时中国的流体力学也已有一定的水准。

这一时期，热学知识的应用也很普遍。在烧制陶器和冶炼金属的过程中，都需要大量的热学知识。尤其火药的发明，使中国古代在热的动力应用方面居于世界领先的地位。

中世纪时期的中国物理学由于始终缺乏稳定的理论研究队伍，而且由于人们偏重物理学的实际应用，对自然界的理论研究缺乏兴趣。因此，这一时期中国虽然在学术上长期处于世界领先地位，但缺乏系统性和连贯性，更没有形成完善的科学体系。中国物理学表面的辉煌下潜伏着严重的危机。自宋、元以后，中国整个物理学逐渐走向衰退，远远落后于西方的近代物理学。