古代光学知识及其应用

古代光学知识及其应用

光给人们的活动带来了方便。中国古代人与光现象有关的知识十分丰富，若干重大贡献如下。

    《墨经》中有：“目以火见”的记载，《庄子》中记载的惠施的观点也有“目不见”之说，说明那时的中国人已经认识到了人眼依赖光才能见到东西的道理。而在古希腊，学者多认为人眼睛里发出一些威力，接触到物体才能产生视觉。

    中国古代对光学作出理论探索最早而且成绩最大的属《墨经》的作者。根据钱临照先生的研究（见《物理通报》1951年第3期），《墨经》中关于光学的内容有八条：

       （1）景不徙，说在必为；

       （2）景二，说在重；

       （3）景倒，在午有端，与景长，说在端；

       （4）景迎日，说在抟；

       （5）景之小大，说在（斜）远近；

       （6）临鉴而立，景倒。多而若少，说在寡区；

       （7）鉴洼，景一小而易，一大而正，说在中之外内；

       （8）鉴团，景一。

    将这八条与《墨经》上相应的《说》部分相参照，学术界认为这八条叙述的分别是：影子生成的原理；光线与影的关系；光线直线传播的实验（小孔）成像；光反射特性；从物体与光源的相对位置确定影子的大小；平面镜反射成像现象；凹面镜的反射成像现象；凸面镜的反射成像现象。这些认识使得《墨经》在光学史上占有重要地位，它是世界上最早的载有比较完整几何光学内容的著作。近年来又有学者指出《经上》所言：“荆之大，其沈浅也；说在具”以及《经说下》所言：“荆：沈，荆之见也，则沈浅非，荆浅也。若易五之一。”并非关于浮力而是明确表述了折射概念以及水折射的定量测量。（见李志超：《墨经》光学第九条－－折射的定量观察。自然科学史研究，2002年第1期）

    对于透镜的聚光性汉代的《淮南万毕术》中有明确记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则生火。”

    南唐谭峭在《化书》中写道：“小人常有四镜：一名圭，一名珠，一名砥，一名盂。圭，视者大；珠，视者小；砥视者正；盂，视者倒。观彼之器，察我之形；由是无大小、无短长、无妍丑、无美恶。”依李约瑟先生之解释，“四镜”应为透镜类。

    在中国古人对光学的研究中，元朝赵友钦的大型实验－－“小罅光景”，可谓充分体现了物理学实证的科学精神。据他的《革象新书》所记，为研究光源通过小孔成像问题，赵友钦在相邻的两个房间的地上挖了一个直径约4尺的圆阱，左阱深8尺，右阱深4尺，左阱内放一张4尺高的桌子，又将两块约直径4尺的圆板分别放置于左阱桌上和右阱底，圆板上各插1000余支蜡烛，再为两口阱准备好当中开了大小和形状各不相同的洞孔的盖板若干块，又在西房间的天花板下各设一块可改变高度的平板作为屏幕。赵友钦做了下面几个实验：

       （1）改换不同的盖板，即改变光孔的大小和形状；

       （2）改变点燃蜡烛的数目，即改变光源的强度；

       （3）改变作为光屏的木板的高度，即改变像距。

       （4）撤去左阱中的桌子，把其上的蜡烛置于阱底，即改变像距。

    通过实验，他得出了一些正确的定性结论：

    “景之远近在窍外，烛之远近在窍内。风景近窍者狭，景远窍者广。景广则淡，景狭则浓。烛虽近而光衰者，景亦淡；烛虽远而光盛者，景亦浓。”“小景随光之形，大景随空之像，断乎无可疑者。”

    另一位元代人，早赵友钦近半个世纪的郭守敬，利用小孔成像原理改进天文测量仪器，于1279年5月30日测得夏至影长为12.3695尺，同年12月11日冬至影长为67.7400尺。对这一结果，法国大数学家、物理学家、天文学家P.S.M.Laplace评价说：“公元1277年至1280年间的观测之所以重要，是由于它们的高度精确性，也由于它们明确地证实了地球轨道倾角和轨道偏心率自那时起到今天缩小了多少。”（P.S.M.Laplace：《Exposition du systeme du monde》，6th ed .Paris，p389）