古代光學(xué)知識及其應(yīng)用

光給人們的活動帶來了方便。中國古代人與光現(xiàn)象有關(guān)的知識十分豐富，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也有“目不見”之說，說明那時的中國人已經(jīng)認(rèn)識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》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；光線直線傳播的實驗（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?！辈⒎顷P(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?！?/P>

    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驗－－“小罅光景”，可謂充分體現(xiàn)了物理學(xué)實證的科學(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房間的地上挖了一個直徑約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實驗：

       （1）改換不同的蓋板，即改變光孔的大小和形狀；

       （2）改變點燃蠟燭的數(shù)目，即改變光源的強度；

       （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。

    通過實驗，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。”“小景隨光之形，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了地球軌道傾角和軌道偏心率自那時起到今天縮小了多少?！保≒.S.M.Laplace：《Exposition du systeme du monde》，6th ed .Paris，p389）