古代光學(xué)知識(shí)及其應(yīng)用

古代光學(xué)知識(shí)及其應(yīng)用

光給人們的活動(dòng)帶來了方便。中國古代人與光現(xiàn)象有關(guān)的知識(shí)十分豐富，若干重大貢獻(xiàn)如下。

    《墨經(jīng)》中有：“目以火見”的記載，《莊子》中記載的惠施的觀點(diǎn)也有“目不見”之說，說明那時(shí)的中國人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了人眼依賴光才能見到東西的道理。而在古希臘，學(xué)者多認(rèn)為人眼睛里發(fā)出一些威力，接觸到物體才能產(chǎn)生視覺。

    中國古代對光學(xué)作出理論探索最早而且成績最大的屬《墨經(jīng)》的作者。根據(jù)錢臨照先生的研究（見《物理通報(bào)》1951年第3期），《墨經(jīng)》中關(guān)于光學(xué)的內(nèi)容有八條：

       （1）景不徙，說在必為；

       （2）景二，說在重；

       （3）景倒，在午有端，與景長，說在端；

       （4）景迎日，說在摶；

       （5）景之小大，說在（斜）遠(yuǎn)近；

       （6）臨鑒而立，景倒。多而若少，說在寡區(qū)；

       （7）鑒洼，景一小而易，一大而正，說在中之外內(nèi)；

       （8）鑒團(tuán)，景一。

    將這八條與《墨經(jīng)》上相應(yīng)的《說》部分相參照，學(xué)術(shù)界認(rèn)為這八條敘述的分別是：影子生成的原理；光線與影的關(guān)系；光線直線傳播的實(shí)驗(yàn)（小孔）成像；光反射特性；從物體與光源的相對位置確定影子的大??；平面鏡反射成像現(xiàn)象；凹面鏡的反射成像現(xiàn)象；凸面鏡的反射成像現(xiàn)象。這些認(rèn)識(shí)使得《墨經(jīng)》在光學(xué)史上占有重要地位，它是世界上最早的載有比較完整幾何光學(xué)內(nèi)容的著作。近年來又有學(xué)者指出《經(jīng)上》所言：“荊之大，其沈淺也；說在具”以及《經(jīng)說下》所言：“荊：沈，荊之見也，則沈淺非，荊淺也。若易五之一。”并非關(guān)于浮力而是明確表述了折射概念以及水折射的定量測量。（見李志超：《墨經(jīng)》光學(xué)第九條－－折射的定量觀察。自然科學(xué)史研究，2002年第1期）

    對于透鏡的聚光性漢代的《淮南萬畢術(shù)》中有明確記載：“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則生火。”

    南唐譚峭在《化書》中寫道：“小人常有四鏡：一名圭，一名珠，一名砥，一名盂。圭，視者大；珠，視者??；砥視者正；盂，視者倒。觀彼之器，察我之形；由是無大小、無短長、無妍丑、無美惡。”依李約瑟先生之解釋，“四鏡”應(yīng)為透鏡類。

    在中國古人對光學(xué)的研究中，元朝趙友欽的大型實(shí)驗(yàn)－－“小罅光景”，可謂充分體現(xiàn)了物理學(xué)實(shí)證的科學(xué)精神。據(jù)他的《革象新書》所記，為研究光源通過小孔成像問題，趙友欽在相鄰的兩個(gè)房間的地上挖了一個(gè)直徑約4尺的圓阱，左阱深8尺，右阱深4尺，左阱內(nèi)放一張4尺高的桌子，又將兩塊約直徑4尺的圓板分別放置于左阱桌上和右阱底，圓板上各插1000余支蠟燭，再為兩口阱準(zhǔn)備好當(dāng)中開了大小和形狀各不相同的洞孔的蓋板若干塊，又在西房間的天花板下各設(shè)一塊可改變高度的平板作為屏幕。趙友欽做了下面幾個(gè)實(shí)驗(yàn)：

       （1）改換不同的蓋板，即改變光孔的大小和形狀；

       （2）改變點(diǎn)燃蠟燭的數(shù)目，即改變光源的強(qiáng)度；

       （3）改變作為光屏的木板的高度，即改變像距。

       （4）撤去左阱中的桌子，把其上的蠟燭置于阱底，即改變像距。

    通過實(shí)驗(yàn)，他得出了一些正確的定性結(jié)論：

    “景之遠(yuǎn)近在竅外，燭之遠(yuǎn)近在竅內(nèi)。風(fēng)景近竅者狹，景遠(yuǎn)竅者廣。景廣則淡，景狹則濃。燭雖近而光衰者，景亦淡；燭雖遠(yuǎn)而光盛者，景亦濃?！薄靶【半S光之形，大景隨空之像，斷乎無可疑者?！?/P>

    另一位元代人，早趙友欽近半個(gè)世紀(jì)的郭守敬，利用小孔成像原理改進(jìn)天文測量儀器，于1279年5月30日測得夏至影長為12.3695尺，同年12月11日冬至影長為67.7400尺。對這一結(jié)果，法國大數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家P.S.M.Laplace評價(jià)說：“公元1277年至1280年間的觀測之所以重要，是由于它們的高度精確性，也由于它們明確地證實(shí)了地球軌道傾角和軌道偏心率自那時(shí)起到今天縮小了多少?！保≒.S.M.Laplace：《Exposition du systeme du monde》，6th ed .Paris，p389）