中國光學(xué)成就

　　1.取火的方法和對火的認(rèn)識

　　我國古代取火的工具稱為“燧”，有金燧、木燧之分。金燧取火于日，木燧取火于木。根據(jù)我國古籍的記載，古代常用“夫燧”、“陽燧”(實(shí)際上是一種凹面鏡，因用金屬制成成，所以統(tǒng)稱為“金燧”)來取火。古代人們在行軍或打獵時(shí)，總是隨身帶有取火器，《禮記》中就有“左佩金燧”、“右佩木燧”的記載，表明晴天時(shí)用金燧取火，陰天時(shí)用木燧取火。陽燧取火是人類利用光學(xué)儀器會聚太陽能的一個先驅(qū)。講到取火，古代還用自制的古透鏡來取火的。公元前2世紀(jì)，就有人用冰作透鏡，會聚太陽光取火?！秵柦?jīng)堂叢書》、《淮南萬畢術(shù)》中就有這樣的記載：“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影，則火生。”我們常說，水火不兼容，但制成冰透鏡來取火，真是一個奇妙的創(chuàng)造。用冰制成透鏡是無法長期保存的，于是便出現(xiàn)用玻璃或玻璃來制造透鏡。

　　2.針孔成像和影的認(rèn)識

　　公元前4世紀(jì)，墨家就做過針孔成像的實(shí)驗(yàn)，并給予分析和解釋。《墨經(jīng)》中明確地寫道： “景到(倒)，在午有端，與景長，說在端?！边@里的“午”即小孔所在處。這段文字表明小孔成的是倒像，其原因是在小孔處光線交叉的地方有一點(diǎn)(“端”)，成像的大小，與這交點(diǎn)的位置無關(guān)。從這里也可以清楚看到，古人已經(jīng)認(rèn)識到光是直線行進(jìn)的，所以常用“射”來描述光線徑直向前。北宋的沈括在《夢溪筆談》中也記述了光的直線傳播和小孔成像的實(shí)驗(yàn)。他首先直接觀察在空中飛動，地面上的影子也跟著移動，移動的方向與飛的方向一致。然后在紙窗上開一小孔，使窗外飛的影子呈現(xiàn)在窒內(nèi)的紙屏上，沉括用光的直進(jìn)的道理來解釋所觀察到的結(jié)果：“東則影西，西則影東”。墨家利用光的直線傳播這一性質(zhì)，討論了光源、物體、投影三者的關(guān)系。《墨經(jīng)》中寫道：“景不徙，說在改為?！薄肮庵?，景亡。若在，盡古息?！闭f明影是不動的，如果影移，那是光源或物體發(fā)生移動，使原影不斷消逝，新影不斷生成的緣故。投影的地方，如果光一照，影子就會消失，如果影子存在，表明物體不動，只要物體不動，影子就始終存在于原處。墨家對本影、半影也作了解釋。《墨經(jīng)》中有這樣的記載：“景二，說在重?！薄熬岸鈯A。一，光一。光者，景也。”意思是一物有兩種投影(本影、半影)，說明它同時(shí)受到兩個光源重復(fù)照射的結(jié)果(“說在者”，“光夾”)、一種投影，說明它只受一個光源照射，并且強(qiáng)調(diào)了光源與投影的聯(lián)系(“光者，景也”)。與此相連，墨家還根據(jù)物和光源相對位置的變化，以及物與光源本身大小的不同來討論影的大小及其變化。

　　3.對面鏡的認(rèn)識

　　墨子對凹面鏡、凸面鏡和平面鏡成像的原理也進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，已發(fā)現(xiàn)了凹面鏡焦點(diǎn)的存在。如墨家對凹面鏡作了深入的觀察和研究，并在《墨經(jīng)》中作了明確、詳細(xì)的記載?！拌b低，景一小而易，一大而正，說在中之外、內(nèi)。”“低”表示深、凹之意;放在“中之內(nèi)”，得到的像是比物體大而正立的。雖然他尚把球心和焦點(diǎn)混淆在一起，但這些實(shí)驗(yàn)是世界上最早的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，具有重大的科學(xué)意義。李約瑟曾把墨子光學(xué)與古希臘光學(xué)進(jìn)行比較，指出墨子的光學(xué)研究“比我們?nèi)魏嗡南ＥD為早”，“印度亦不能比擬”。

　　北宋沉括對凹面鏡的焦距作了測定。他用手指置于凹面鏡前，觀察成像情況，發(fā)現(xiàn)隨著手指與鏡面距離的遠(yuǎn)近變化，像也發(fā)生相應(yīng)的變化。在《夢溪筆談》中作了記載：“陽燧面洼，以一指迫而照之則正，漸遠(yuǎn)則無所見，過此遂倒?！闭f明手指靠近凹面鏡時(shí)，像的正立的，漸漸遠(yuǎn)移至某一處(在焦點(diǎn)附近)，則“無所見”，表示沒有像(像成在無窮遠(yuǎn)處);移過這段距離，像就倒立了。這一實(shí)驗(yàn)，既表述了凹面鏡成像原理，同時(shí)也是測定凹面鏡焦距的一種粗略方法。

　　墨家對凸透鏡也進(jìn)行了研究。《墨經(jīng)》中寫道：“鑒團(tuán)，景一。說在刑之大?！薄拌b團(tuán)”即燕面鏡，也稱團(tuán)鏡?！熬耙弧北砻魍姑骁R成像只有一種?！靶獭蓖巫?，指物體，它總比像大。我們的祖先，利用平面鏡能反射光線的特性，將多個平面鏡組合起來，取得了有趣的結(jié)果。如《莊子·天下篇》的有關(guān)注解《莊子補(bǔ)正》中對此作了記載：“鑒以鑒影，而鑒以有影，兩鑒相鑒，則重影無窮?！边@樣的裝置，收到了“照花前后鏡，花花交相映”的效果。《間經(jīng)堂叢書》、《淮南萬畢術(shù)》中記有“取大鏡高懸，置水盆于其下，則見四鄰矣?！北砻骱茉缇陀腥酥谱髁俗钤绲拈_管式“潛望鏡”，能夠隔墻觀望戶外的景物。

　　此外，漢代發(fā)明的透光鏡，能夠反射出銅鏡背面的精美圖像，是中國古代光學(xué)的一大發(fā)明，現(xiàn)在仍引起中外學(xué)者的關(guān)注。

　　4.對虹的認(rèn)識

　　虹是一種大氣光學(xué)現(xiàn)象，從公元6世紀(jì)開始，我國古代對虹就有了比較正確的認(rèn)識。唐初的孔穎達(dá)(574-648)曾概括了虹的成因，他認(rèn)為“若云薄漏日，日照雨滴則虹生?！泵鞔_指出產(chǎn)生虹的3個條件，即云、日、“日照雨滴”。沉括對此也作過細(xì)致的研究，并作實(shí)地考察。在《夢溪筆談選注》中寫道：“是時(shí)新雨霽，見虹下帳前澗中?！庇枧c同職扣澗觀之，虹兩頭皆垂?jié)局?。使人過澗，隔虹對立，相去數(shù)丈，中間如隔綃觳，自西望東則見;蓋夕虹也。立澗之東西望，則為日所鑠，都無所睹?！敝赋龊绾吞柕奈恢谜檬窍鄬Φ?，傍晚的虹見于東方，而對著太陽是看不見虹的。地虹有了認(rèn)識之后，便可以人工造虹。8世紀(jì)中葉，唐代曾有過這樣的試驗(yàn)：“背日噴呼水成虹霓之狀”，表示背向太陽噴出小水珠，便能看到類似虹霓的情景。