我国古代物理学的成就

我国古代物理学的成就

中国古代自然科学与自然哲学经历了几个时期：春秋战国时期（前770~前221）为形成时期；从秦、汉经三国、晋、南北朝到隋、唐、五代（前221~960）是发展时期；宋、元至明初（960年至15世纪）是鼎盛时期​‍‌‍​‍‌‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌​‍​‍​‍‌‍​‍​‍​‍‌‍‌‍‌‍‌‍​‍‌‍​‍​​‍​‍​‍​‍​‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍‌‍‌‍‌‍​。在漫长的2000多年中，中国古代物理学在世界上一直处于领先的地位，只是到了明、清时期，由于欧洲近代物理学的兴起，它才显得落后了，可以称为衰落时期​‍‌‍​‍‌‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌​‍​‍​‍‌‍​‍​‍​‍‌‍‌‍‌‍‌‍​‍‌‍​‍​​‍​‍​‍​‍​‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍‌‍‌‍‌‍​。从五四新文化运动开始，中国物理学汇合于世界物理学，呈现出不同于古代物理学的新面目​‍‌‍​‍‌‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌​‍​‍​‍‌‍​‍​‍​‍‌‍‌‍‌‍‌‍​‍‌‍​‍​​‍​‍​‍​‍​‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍‌‍‌‍‌‍​。

先秦时期的伟大哲学家墨翟（约前468~前376）及其墨家学派（4世纪~前3世纪），在他们的论著《墨经》中记述了大量的物理知识，这是春秋战国时期物理学成就最大的学派。《墨经》自然科学的主要成就在力学与光学方面。它探讨了力的定义，叙述了惯性运动，研究了杠杆、滑轮、轮轴、斜面等装置省力的原因，以及浮力与平衡原理；指出了光的直线传播及反射规律以及小孔、平面镜、凹凸面镜的成像情况；观察了温度与火色的关系。

《论衡》书影

同时期的《考工记》是应用力学、声学方面的书籍，记载了滚动摩擦、斜面运动、惯性现象、抛物轨道、水的浮力、材料强度以及钟、鼓、磬的发音、频率、音色、响度及乐器形状的关系。

这时期的《管子·地数篇》、《鬼谷子》、《吕氏春秋》等书中还记载了天然磁石的吸铁现象以及最早的指南针“司南”。

汉代王充（27~约97）的《论衡》是中国中古时期的百科全书。在力学方面，《论衡》指出外力能改变物体的运动状态，改变运动速度；而内力不能改变物体的运动。同时，《论衡》还讨论了相对运动，在声学方面研究了声的发生、传播与衰减，并用水波作比喻。在热学方面，《论衡》研究了热的平衡、传导及物态变化；在光学方面，阐述了光的强度、光的直线传播及球面聚焦现象；在电磁学方面，记录了摩擦起电及磁指南器。

在唐代，有人进行了大规模的大地测量，这实际上是世界上第一次进行的子午线的实际测量。在《孙真人丹经》中记述了火药的配方：硫黄、硝石和木炭。《玄真子》中记述了人造虹的简单实验：“背日喷水”。唐人还将风力分为8个等级；了解到共鸣的道理并应用于音乐中；还指出了雷与电的关系。

宋代沈括（1031~1095）的《梦溪笔谈》一书具有很高的科学价值，被称为“中国科学史上的坐标”，其主要成就是在声学、光学、磁学方面。他研究了声音的共振现象、针孔成像与凹凸镜成像规律，形象地说明了焦点、焦距、正倒像等问题；研究了人工磁化方法，指出了磁场的磁偏角，讨论了指南针的装置方法，为航海用指南针的制造奠定了基础。他还研究了大气中的光、电现象。

这一时期的赵友钦（1279~1368）在其《革象新书》中研究了光的直进、针孔成像，利用仿真实验研究月亮盈亏以及日蚀、月蚀。他擅长用比喻解释自然现象，使之生动、形象，易于被人们理解。

在明清时期，朱载堉（1536~1610）在其《乐律全书》中，用精密方法首次阐明了音乐中的十二平均律。方以智（1611~1671）则兼取古今中外知识精华，在其《物理小识》中涉及了力学、光学、磁学、热学等，研究了比重、浓度、表面张力及杠杆原理、螺旋原理，研究了光的反射、折射、光学仪器，进行了分光实验以解释虹，还研究了磁偏角随地域的变化以及金属导热问题。《物理小识》是300年前的一部科学著作。

在物理世界观或宇宙观方面，中国古代物理学（与哲学混杂在一起）也有独到之处。在先秦时期，墨家、惠施提出过类似原子论的思想。他们认为物质可以分割，但分到最后存在着不可再分割的“端”，“端”是物质的最小单位，类似于原子。但是这种类似原子论的思想在以后并未得到发展。中国古代物理中最有特色的理论是阴阳五行说及元气论，在漫长的中国历史上长存而不衰。

在《尚书》、《国语》中就列出了五行的名称：水、火、木、金、土及其性质，“以土与金、木、水、火杂之，以成万物”。五行之间相互依存、相互制约。

《周易》中则把自然界分为天、地、雷、火、风、泽、水、山八个领域（后来对应为乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑），天地是最基本的阴阳。后来把一切事物都纳入阴阳这对基本范畴中，并认为任何事物都受阴阳总规律支配。

阴阳五行说认为“五行”是万物的本源，而“阴阳二气”又为“五行”的本源。

在《管子·水地》中提出“水者，万物之本原也”，与古希腊自然哲学家泰利斯（T h a l e s，约前624~约前547）所说的“水为万物之母”如出一辙。《管子·内业》提出精气说，认为万物是由气的变化而成，万物最小的单位是气，气又充塞于天地间，“其细无内”，“其大无外”，是“至大”与“至小”的统一。

荀况（荀子）则提出“元气说”，认为“气”是万物的共同基础。在《荀子·天论》中，他还指出“天行有常”，认为自然现象是有规律的。

汉代王充提出“元气自然论”，认为“元气”是万物原始的物质基础。在《论衡·自然篇》中指出“天地合气，万物自生”，在《道虚篇》中指出“天地不生，故不死；阴阳不生，故不死”。

唐代柳宗元（773~819）、刘禹锡（772~842）二人也持“元气论”观点。

宋代李觏（1009~1059）则把天地五行万物生成的“元气论”观点说得很清楚：“夫物以阴阳二气之会而后有象，象而后有形。”张载（1020~1077）则提出了“太虚”这个范畴，“太虚无形，气之本体，其聚其散，变化之客形尔”。他认为“太虚”是不定形的气体，“太虚不能无气，气不能不聚而为万物，万物不能不散而为太虚”。他指出了“气”的两种存在形式：万物与太虚，以及两者间的相互转化。叶适（1150~1223）认为“气”不生不灭，气是造化的根本。气本身只能发展变化，而没有终始。

明代吕坤（1536~1618）认为“天地万物只是一气聚散”，“形生于气”，“形中有气”，“有无形之气，无无气之形”，“气无终尽之时，形无不毁之理”，提出了他对于“气”与“形”的关系的理解。

明清之际的王夫之（1619~1692）是“元气论”的集大成者，他认为自然万物都是“气”的体现，“气”无所不在又无所不包。“气”构成万物，万物有生有灭，而“气”则只有聚散变化​‍‌‍​‍‌‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌​‍​‍​‍‌‍​‍​‍​‍‌‍‌‍‌‍‌‍​‍‌‍​‍​​‍​‍​‍​‍​‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍‌‍‌‍‌‍​。自然无虚空，“凡虚空皆气也”，他还用“元气论”阐明了自然界不可能被创造，也不可能被消灭。

古代中国的“元气论”影响十分巨大，古代中国的宇宙结构理论、地球运动理论、天体演化理论都是建立在“元气论”基础之上的。

中国古代物理学中某些深刻的思想（如“元气论”）与现代物理中的某些思想（如“场”）极其相近。确实，“元气论”反映的物质运动比西方原子论反映的物质运动复杂得多。“元气论”对西方近代力学（最简单的运动）的发展并无贡献，这是可以理解的。但是对于中国古代物理学是一笔有价值的遗产。英国科学史家李约瑟说过一句发人深省的话：“中国传统科学的思想复合体可能会在科学发展的最终状态中发挥出大于人们所承认的作用。”

中国的科学技术也是一颗明珠。它在天文、数学、农学、医学、物理等诸学科内，在技术领域都有使西方人大为惊奇的成就。仅从物理学中的“世界第一”就足以证明这一点。

1.时空观的先进性。远在先秦时期，不少中国古代哲人就把空间和时间联系起来考虑。战国时期成书的《管子·宙合》篇就把时间称为“宙”，空间称为“合”，其中说，“天地，万物之橐，宙合又橐天地”。意思是说，万物都包含在天地之内；而天地又包含在时空的“宙合”之中。

2.物质无限可分论的最早提出者。战国的惠施已经认识到“至小无内，谓之小一”，意思是说物的构成单位没有内部的极限，是无限小的。与惠施同时代的辩者还用具体比喻来说明物质的无限可分性，即“一尺之棰，日取其半，万世不竭”。这种物质不可穷尽的观点，比古希腊的原子论更深刻地反映了自然界的辩证本性。

3.对共振现象的认识与实验。我国古代很早就对共振现象有记述，先秦时代的《庄子》一书就记载了调瑟时发生的共振现象。这种基音与泛音共振现象的发现比西方早得多，欧洲直到15世纪才由达·芬奇首次进行共振实验。《墨子·备穴》还记述了共振现象的具体应用：在城墙根下每隔几米，挖一个坑，坑内埋置容量为70~80升的陶瓮，瓮口蒙上皮革。若有敌人挖地道攻城，可以根据各陶瓮声响情况，确定敌人挖掘的位置和方向。

4.世界上最早的游标卡尺。公元初年，王莽变法改制，制作了一种铜卡尺。它长14.22厘米，分固定尺和活动尺两部分。尺的正面刻有寸、分等刻度。从原理、性能、用途看，这个游标卡尺同现代的游标卡尺十分相似，但它比西方科学家制成的游标卡尺早1700多年。

5.常平架装置。公元4世纪前成书的《西京杂记》里记载了长安工匠丁缓发明的被中香炉。将香炉中的檀香木块点燃后，可以把香炉随便放进被子里，不仅不会烧坏被子，连香炉灰也不会撒出来。奥妙在于炉内有一种叫做“常平架”的装置，它由内外两个金属环组成，两环用转轴联结，外环又通过另一转轴与外架联结。这种常平架装置在近代航海磁罗经、电罗经上有广泛应用。欧洲直到16世纪才出现常平架装置，比中国晚了1600多年。

与物理学相关的中国的世界第一还有许多，如磁偏角和磁倾角的发现、对太阳能的利用、潜望镜、透光铜镜、光的直线传播、小孔成像、十二平均律等方面的发明和发现，都是世界上最早的。

（马一玲）