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我國古代在科學技術方面資料

我國古代的科學技術成就

我國古代的科學技術成就中,屬於物理學或與物理學有關的,可以提出 力學、光學和聲學等三個方面作壹簡要介紹。

(1)力學方面

①《考工記》壹書中的有關記載。這是壹本現存的有關我國古代手工業 技術規範的書籍,可能是春秋時代(公元前700至400年)末年的作品。 它記述了許多手工業的工藝制作與設施,匯集了至公元前3、4世紀時的工 程技術知識。其中包含的力學知識,主要有:關於慣性的記載、滾動摩擦的 論述、論箭的飛行與保持穩定,還記述了有關力的測量、斜面受力分析以及 材料和施工中的壹些軟科學知識。

②《墨經》中有關力學知識的記載。《墨經》戰國時代以墨翟(公元前 490至403年)為首的墨家的代表作,分為“經”與“經說”兩大部分。 經說是經的註解。前者的內容大多是壹些定義性質的條文,後者則帶有定律 的性質的解釋。

《墨經》中的軟科學知識已不全是實際生產知識的總結和記述,而是對 力學現象進行了粗淺的概括,並進行了壹些推理論證。諸如,關於時空觀念、 運動學知識、力的概念、力系平衡的論述,以及斜面、滑輪及其應用,等等。 現舉壹條關於杠桿的理論探討以茲說明: 經下第25條:“天(衡)而必正,說在得。”

經說:“(衡),加重於壹旁,必捶(垂),權重相若也。相衡,則本 短標長,兩相加焉,重相若,則標必下,標得權也。”

這壹條說明了不等臂天平(秤)的平衡關系。可能是墨家探討杠桿平衡 關系的實驗總結,說明墨家發現杠桿定律較之古希臘的阿基米德要早二百多 年。但並沒有阿基米德杠桿定理那樣完整和定量化。

③侯風地動儀。這是東漢張衡(公元78至139年)所制的世界上第 壹臺地震儀。《後漢書張衡列傳》上有下面壹段記載:“(順帝)陽嘉元年 (即公元132年),復造侯風地動儀。以精銅鑄成,圓徑八尺,合蓋隆起, 形似灑尊,飾以篆文山龜烏獸之形。中有都柱,傍行八道,施關發機。外有 八龍,首銜銅丸;下有蟾蜍,張口承之。其牙機巧制,皆隱在尊中,覆蓋周 密無際。如有地動,尊則震,龍機發,吐丸而蟾蜍銜之,振聲激揚,伺者因 此覺知。雖壹龍發機,而七首不動。尋其方面,甩乃知震之所在。驗之以事, 合契若神。自書典所記,未之有也。當壹龍機發而地不覺動,京師學者鹹怪 其無征。後數日驛至,果地震隴西。於是皆服其妙。自此以後,乃令史官記 地動所從方起”。

顯然,這是壹種測定震源方向的儀器。可惜,後來這架地動儀失傳了。 我國考古博物學家王振鐸在總結國內外學者復制研究工作的基礎上,根據書 上的記載和力學原理滿意地復制成功了侯風地動儀的復原模型,它主要是壹 個利用了重心很高的“都柱”的不穩平衡。從這個儀器的制造來看,張衡已 利用了力學上的慣性原理,同時他對地震波傳播和方向性也壹定有所了解。 這些在當時來說都是十分了不起的。

④記裏鼓和指南車。這是三國時魏人馬鈞根據以前的記載模仿制成的兩 種利用各種齒輪的復合運動傳動的自動機構。記裏鼓是利用原動齒輪帶動大 小不同的壹套從輪,使車輪轉動把車行的裏數自動地表示出來的壹種裝置。 指南車是利用壹套能自動離合的齒輪系統的定向裝置,使得立在車上的壹個 木制人像的手永遠指著固定的方向。關於這兩種裝置的結構,在劉仙洲教授 著的《中國機械工程發明史》第壹編第五章中有較詳細的介紹。

(2)光學方面

關於光學知識的記載以《墨經》經下中的八條(16至高無23)最為 系統。其內容涉及影子生成的道理,本影和半影,由物體與光源的相對位置 確定影子的大小,光的直線傳播實驗,光的反射性和平面鏡成像,凹面鏡成 像,凸面鏡成像等。它已觸及了幾何光學很大壹部分,從時間上看要比古希 臘歐幾裏德註《反射光學》早壹百多年,所以,《墨經》中的光學條文,不 僅是我國最早的光學著作,也是世界古代科技史上難得的各較全面的光學著 作。

經下第16條:“景不徙,說在改為。” 經說:“景:光至,景亡;若在,盡古息。”這壹條是論述影的生成。 各家的解釋在這壹點上沒有分歧。然而細致地推敲起來,又各有不同的見解。 主要是對於經說中的“若在”指的是“影在”,還是“物在”,有不同的理 解。

經下第22條:“鑒(窪),景壹小而易,壹大而正,說在中之外,內。” 經說:“鑒:分鑒;中之內,鑒者近中,則所鑒大,景亦大;遠中,則 所鑒小,景亦小,而必正,起於中緣正而長其直也。中之外,鑒者近中,則 所鑒必大,景亦大;遠中,則所鑒小,景亦小,而必易,合於中而長其直也。” 這壹條講的是凹面鏡成像的規律。錢臨照先生對此有很好的解釋。他特 別指出,當時不是用壹個光源和紙屏進行觀察,而是人臉本身為物,以眼為 屏,所以在“壹小而易”和“壹大而正”之間不能發現“壹大而易”的情況。 他並從而推斷,經文中所說的"中",是指從鏡面的曲率中心到其焦點之間的 壹段區域,而不是壹個點。

(3)聲學方面

據文獻記載和考古的發現,在周朝以前已經有了各種樂器(管、弦和打 擊樂器),而且很早就制定了有科學根據的樂律,即各音之間有頻率的簡單 整數比的關系,或是說有壹定的音程。樂律說有豐富的物理聲學內容,它的 產生和發展,是物理聲學史中重要的組成部分。

《呂氏春秋》上記載有“昔黃帝令伶倫作為律,伶倫自大夏之西,乃之 阮阝俞之陰,取竹於山介溪之谷,以生空竅厚均者,斷兩節間,其長三寸九分 而吹之,以為黃鐘之宮,吹曰舍少。次制十二筒,以之阮阝俞之下,聽鳳凰 之鳴,以別十二律”,這種屬於傳說性質的東西,當然不能完全憑信。但是 早在公元前六世紀有個叫伶州鳩的樂官曾把十二律的名稱壹壹列舉,並把它 們的出現和周武王伐紂(前1066)的時間聯系起來。因此,在這之前肯定就 有了系統的樂律了。

關於定“律”的方法,早在公元前四世紀就以“三分損益法”定出了五 度相生律。

具體是以黃鐘的弦長為81(34)作為宮音,然後依次乘以4/3和2/3得到 五音:

宮音弦長=34=81,

征音弦長=81×(1+1/3)=108,

商音弦長=108×(1-1/3)=72,

羽音弦長=72×(1+1/3)=96,

角音弦長=96×(1-1/3)=64。

這樣,若以征音(主音)為1,則各音的頻率比是:征:羽:宮:商:角 =1:9/8:4/3:3/2:27/16。而且按宮征商羽角的次序排時,相鄰二音間的音程是3/2和3/4,即簡單的整數比。可見,這時對於弦長與頻率間的關系已經有 了壹定的認識。

只有五個音對於演奏來說顯然是不夠的。 所以後來又增加了兩個變音(變宮、變征)和其它壹些半音,使得在壹個八度(倍頻程)內***有12個音, 這就構成了所謂十二律。

在聲學方面除了樂律之外,還有關於***鳴的知識也是值得提出的。我國 古籍中多次記載了物體的***振和聲音的***鳴現象。《墨子·備穴篇》記述了利 用空氣柱的***鳴作偵破敵軍挖洞攻城的方法。《莊子·徐無鬼》中也有***鳴現 象及其解釋的記載:“鼓宮則宮鳴,鼓角則角應,音律同矣。”這些記載表 明當時人們不僅發現了基音***振現象,而能夠用“音律同矣”去解釋它。可 以說是世界上最早關於***鳴現象的認識。 在公元三世紀時張華(232至 300)在了解***振、***鳴現象的基礎上,還進壹步掌握了消除***鳴的科學 方法。南北朝宋人劉敬叔(390至470)所著《異苑》中有這樣的記載:“晉中朝時,蜀有人蓄銅藻盤,晨夕恒鳴如人扣,乃問張華。華日:‘此盤與洛鐘宮商相諧,宮中朝暮撞鐘,故聲相應。可令輕,則韻乖,鳴自止也。' 依其言,即不復鳴。”

(4)關於物質和運動的概念

①物質觀。

關於物質的構成,中國古代有多種說法, 如 “ 五行說 ”, “八卦說”,“元氣說”以及墨家提出的“原子論”。這裏僅介紹先秦時期 兩種物質觀。

關幹“五行說 ”。這壹學說始於夏朝,流行於商朝,到了西周發展為 “五行元素說”。西周末年,太史官史伯在總結前人思想以後說:“夫和實 物,同則不繼,以他平他謂之和,故能豐長而物生之,若以同裨同,乃盡棄 矣。故先王以土與金、木、水、火雜以成百物”。(國語·鄭語。)這裏已十 分明確的把水、火、木、金、土五種基本物質當成組成世界萬物的原始材料。 更加清楚地表明中國古代原始五行說,實際上就是最早的關於物質組成的假 說。它不僅具有樸素的元素概念,並具有物質相互轉化的觀念。 我國原始五行說發展到了春秋時代,又出現了五行相生相克的學說,即

水生火,火生土,土生金,金生水,水生木;

木克土,土克水,水克火,火克金,金克木。

顯然它是由實踐經驗抽象出來的。五行依壹定的相生次序而相生;又依 壹定的相克次序而相征服。這種關系深刻地揭示了組成世界的五種基本物質 元素在相互轉化的復雜變換過程中,生成和消失的速率是受控的,在量上是 互補的,因而元素的種類和總量不增不減,物質守恒。

關於“陰陽八卦說”。這壹學說起源於殷周之際,實際上也是壹種原始 的元素論。它從人們生活經常接觸的自然界中選取了八種東西作為說明世界 上其他多種東西的根源。所謂八卦,即用八種符號來表示八種自然現象,而 這八卦是由陽爻(音挑yao)用“-”表示和陰爻用“壹”表示,陽爻和陽 爻排列為八卦,再由八卦排列為64卦。八卦分別是三乾、坤、震、 巽(xun)、坎、離、艮、兌等,它們分別表示天、地、雷、風、水、火、山、 澤。由於陰陽的排列23 即可得八卦,同理再由八卦排列為82,即可得64 卦。世界就是在陰陽兩種對抗物質勢力運動推動下孳生著。 發展著。這是壹種十分樸素的萬物生成的唯物主義觀念。 然而,這兩個本來獨立發展的、具有唯物主義色彩的物質學說,到後來 經鄒衍之手,加以歪曲比附,推演到人事和社會歷史上去,使其被蒙上了濃 厚的迷信色彩,走上了唯心主義的玄學途徑,失去了作為說明世界的壹種初 級認識作用。

②運動觀念。

在我國古代,人們把運動理解為壹般變化,其中包括產生 和消滅,數量增減和性質變化,以及位置移動。對於位置的移動,《墨經》 中有專門的論述,並對“運動”和“靜止”的觀念下了定義:經上:“動, 或(域)徙(徙)也。”意思是說,凡物之動,乃其所處的位置的變化。經 說:“動:偏祭(際)徙(徙)者,戶樞免瑟。”這裏補充說明轉動也是運 動;經上:“止,以久也”。“久”即時間,意思是說,靜止,是指某物體 在某壹時間限以上處於空間中同壹位置,即物體在某壹位置上停留壹段時間, 這就是靜止狀態。經說:“無久之不止,當牛非馬,若夫(矢)過楹。有久 之不止,當馬非馬,若人過梁。”這裏墨家進壹步說明靜止與運動的關系: 把靜止分為“無久之不止”與“有久之不止”兩種情形。前者講的是運動飛 快的物體,使人感覺不到在空間某壹位置有停留的時間;後者講的是運動緩 慢的物體,使人能夠感覺到它在空間停留壹段時間(靜止)。除墨家外,先 秦時期,許多學者都提出過關於運動和靜止的辯證命題。如惠施的“日方中 方睨,物方生方死。”公孫龍的“鏃矢之疾而有不行不止之時”;“飛鳥之 影未賞動也”。等等。

除去以上列舉的力學、光學、聲學和物質與運動等四個方面之外,在這 壹時代中,我國還有許多其它的物理學方面的成就,例如磁現象和靜電現象、氣象知識等等,不再壹壹加以介紹了。

即使從以上的壹個很不完整、很不系統的介紹,我們已經可以看到,我 國古代確實有不少很有價值的物理學成就。跟文學、藝術、哲學等其它領域 壹樣,比之其它文明古國毫無遜色,甚至可以說有過之而無不及。尤其是春 秋戰國時代,是我國古代學術上的壹個繁榮昌盛的時期,是歷史上有名的百 家爭鳴時期,也是由奴隸制向封建社會過渡或封建制度逐步確立的時期。在 這樣的壹個時代,才能產生象墨子那樣偉大的思想家和科學家。當然,墨子 或墨家的成就除去由於所處時代的原因之外,還因為他們比較接近生產者, 以及他們有著比較正確的認識論的觀點。如“五路”之說,把知識分為“聞 知(間接經驗)、說知(理性認識)、親知(直接經驗)”,並且註意名符 其實的認識標準(“名實耦,合也。以名學實,舉,擬實也”)。