中国古代光学发展情况

一、墨翟

在先秦时代,物理领域内成就最大的是墨家,在《墨经》的《经下》中有九条连续的关于光学的命题,每一条均有《经说下》中一条为之进一步解说。

1.

《经》景不徙,说在改为。

译:(运动)物体的投影不随(物体)运动,对影来说,是在不断地改投。

《经说》景:光至,景忘;若在,尽古息。

译:光照到,投影就消失;如果投影不因光照而消失,他将永久止息在原处。

本条论述了古人对于影的形成的认识。在受光物体的后方,光照射不到的区域,便产生了影。

2.

《经》景二,说在重。

译:一个物体而有两种影子(本影、半影),是由于它同时受到两个小光源的照射。 《经说》(景)二光,夹;一光,一。光者(堵),景也。

译:一个物体同时受到两个小光源的照射,就产生两个半影夹持着一个本影;如果只有一个光源,就只有一个(本影)。光有所遮挡就产生影。

本条记述了中国古代对于本影和半影的形成的认识

3.

《经》景到(倒),在午有断与;景长:说在端。

译:针孔所成的像是倒立的,在光束相交汇之处有交点才给出;像的长或短,取决于物体和“端”的关系。

《经说》(景)光之人,煦(照)若射下者之人也高,高者之人也下。足敝(蔽)下光,故成景于上;首敝(蔽)上光,故成景于上。在远近,有端与於光,故景库内也。

译:光从人体上射出,好比射出来的箭矢一般。从人体的低部射出来的光射到高处,从人体的高部射出来的光束射到底部。从足部射出来的光受到前壁的屏蔽,所以成像在高处;从头部射出来的光也受到前壁的屏蔽,所以成像在低处。人在远处或近处对着针孔(端),则在针孔的后壁就出现一个倒立的像。

这条记录说明,中国先秦时代就已经了解了小孔成像的技术。

4

《经》景迎日,说在博(转)。

译:像迎着光源,原因在于有一个反射光线的光体(如平面镜),使入射光的方向反转过来。 《经说》(景)日之光反烛人,则景在日与人之间。

译:太阳(日)的光经反射而回光返照到人(物体),所成都影在人(物体)与日(光源)的中间。

这条是关于反射的认识,当光不是直接照射物体,而是经过一反射体的反射后再照射到物体上时,则此时物体就在光源和影之间。比如将大地作为反射太阳光的面,则我们所见的月面就是物,月的背面就是影,天文学上称为“月面灰光”。它是月面上不能为日光直接照射到,而为地球面上微弱的天光所照射到的部分。

5.

《经》景之大小,说在地(迤)正远近。

译:影的大小,在于物体(相对于光源)的斜正和远近。

《经说》(景)木杝(迤),景短大。木正,景长小。大(火)小于木,则景大于木;非独小也,远近。

译:(景)物体斜对光源,影子长而小;物体正对光源,影子短而大。光源小于物体,则影比物体大;岂止光源小于物体而已,物体的远或近,也要影响到影子的大小。

本条论在光的照射下,物体和影子的大小长短,同光源的大小、物体与光源的相对位置(斜、正、远、近)之间的关系。

6

《经》临鉴而立,景到(倒);多而若少,说在寡区。

译:将平面镜放在地上,人立镜旁,居高临下照镜子,照出来倒立的像。由镜所造成的像虽多,但看到的似乎是少数,这是由于平面镜的大小(尺寸)有限的缘故。

《经说》(临)正鉴景寡,貌能(态)、白黑、远近、杝(迤)正、异(映)于光。鉴【者】,景当俱就;去尔(亦当俱,俱用北(背)。鉴者之臭(糗),于(言监)无所不鉴;景之臭(糗)无数,而必过正,故(顾)同处。其体俱然。

译:物体对平面镜只成一个像,像的容貌,明暗程度、远近和斜正都是由光线映射出来的。当照镜子的人(物体)趋向镜面时,像也随之接近镜面;当物体远离镜面而去时,像也随之远离镜面;物和像都是以背朝着镜面。物体表面所有的点,在镜中没有找不到的。所以像面上的点也是无数的。像总是位于镜面的另一侧。物和像都在距镜面相等距离处。物面上的各个部分和像面上的各个部分之间的关系无一不是如此。

这条争议比较大,一般认为记述的是平面镜成像的特点。人正立在一个球面反射镜前面,得到一个倒立的像。任何物体在球面镜中所成的像都是缩小的。

这条论述的是古人对于平面镜成像的认识。

7.

《经》鉴位(洼),景一小而易,一大而正,说在中之外、内。

译:人在球心以外,凹面镜有一小而倒的像;人在凹面镜焦点以内,有一大而正的像。 《经说》(鉴)分鉴;中之内,鉴者近中,则所鉴大,景亦大;远中,则所鉴小,景亦小而必正;起于中缘(燧)正而长其直也。

译:分开两种情况来照凹镜。人在球心之内,从焦点开始向镜面趋近,人距球心近些,由球心看物体大些,像也大些;人离球心远些,由球心看“所鉴”小些,像也小些,像必为正立。

本条论述了古人对于凹球面镜的物象关系的理解。值得注意的是,对于凹面镜而言,当物体位于球心和焦点之间时,尚有一个“一大而易”的像位于球心之外,这个是墨家没有观察到的现象。

8.

《经》监团,景一,天而必(正),说在得。

译文:凸面镜所成之像有大小之别,但无论大小,影像必定是正立的、缩小的单一虚像。

《经说》(鉴)鉴者近,则所鉴大,景亦大;亦远,所鉴小,景亦小;而必正。景过正,故(顾)招。

译文:物体离凸镜近,从镜子看物体大些,像也大些;物体离凸镜远些,从镜子看物体小些,像也小些,而且像总是正立的。凸镜的像恒生于镜面的另一侧;看起来是短小的。

这条是对于凸面镜的认识。

9.

《经》荆之大,其沈浅也。说在具。

译:目视水下物体,沉入深度变浅了。要点在于视线。

《经说》荆:沈,荆之贝也,则沈浅非,荆浅也。若易五之一。

译:沉于水的物体,被看见的只是形象。不是沉入深度变浅,只是形象变浅了。大约变化量为五分之一。

这条很容易理解,就是折射定律的体现。

二、沈括

沈括所著的《梦溪笔谈》是内容丰富的百科全书,大幅总结了我国古代的科学成就,其中有许多关于光学的论述。关于光的直线传播、透镜、面镜成像在墨经中就已经有了记述,这里不再重复。

1. 关于光的色散。

“至其极北黑水境永安山下卓帐。是时新雨雾, 见虹下帐前涧中。予与同职扣涧观之, 虹两头皆垂涧中。使人过涧, 隔虹对立, 相去数丈, 中间如隔销款。自西望东则见, 盖夕虹也。立涧之东西望, 则为日所砾, 都无所睹。”(卷二十一,357条)

这里沈括指出虹是雨止初睛出现的自然现象。虹是怎样形成的呢,文中引用了沈括同时代的另一科学孙彦先对虹成因的解释 +

“虹乃雨中日影也, 日照雨则有之”基本上是科学正确的。但对于为什么会有彩色,即色散现象的认识要到明清时代了。

2. 关于滤光应用的早期记载

“太常博士李处厚知庐州慎县, 尝有殴人死者, 处厚往验伤, 以糟截灰汤之类薄之, 都无伤迹。有一老父求见曰:‘邑之老书吏也, 知验伤不见其迹, 此易辨也。以新赤油伞日中覆之, 以水沃其尸, 其迹必见。’处厚如其言, 伤迹宛然。自此江、淮之间官司往往用此法。”(卷十一,209条)

由于被殴打致死没有外伤只有内伤的人,皮下淤血为青紫色,伤迹不易辨别,在中午新的红油纸伞罩着用水浇着的尸体上,强红光提高了皮下淤血处与周围皮肤的反衬度,伤迹就很清楚了。因此,这个方法是有科学依据的。

3. 关于月相的演示

“日月之形如丸,何以知之, ,以月盈亏可验也。月本无光,犹银丸,日耀之乃光耳。光之初生,日在其傍,故光侧而所见才如钩。日渐远则斜照而光稍满。如一弹丸,以粉涂其半,侧视之,则粉处如钩;对视之,则正圆。此有以知其如丸也。”(卷7)。

月球本身不发光这个两千多年前古人就知道了,沈括成功利用这个简单的光学实验进行了证明。

三、赵友钦

赵友钦所著的《革象新书》是我国元代的一本自然科学著作,主要是天文学内容,也有涉及光学。在第五卷《小罅光景》中,赵友钦精心设计了一个相当完备而又十分复杂的大型光学实验, 这个光学实验被公认为世界物理史上的一个独创,享有盛誉,论证了光的直线传播性质和赵友钦对于小孔成像的理解。

四、孙云球

孙云球是明末清初科学家,对于几何光学颇有研究,在苏州用水晶磨制各种镜子,其中以眼镜(远视镜、近视镜、童光镜)和望远镜影响最大。他的光学知识主要源于外国传教士。明末 , 西方传教士不仅携入许多西洋仪器,而且还译著了大量的相关著作。1615年,ManuelDias 撰成《天问略 》 一卷 ,最先向中国介绍了了伽利略制造的望远镜及其新的天文发现,较为简略。1629年,Johann Adam Schall von Bell与李祖白合作撰成《远镜说》 一卷 , 为明清之际最为系统地介绍望远镜及眼镜的原理、制作和使用方法的专书。此书是当时据Girolamo Sirturi 所著的Telescopium 译纂的。在此基础上,孙云球写下了《镜史》,有些学者认为这是国人撰写的第一部光学著作。

五、郑光复

郑光复的著作《镜镜詅痴》一书可说是中国光学史上占有重要地位的一部专著,标志着19世纪上半叶中国光学研究水平发展到了一个前所未有的高峰。《镜镜詅痴》作为几何光学专著来看,不仅内容全面,有大量实验作基础,而且图文并茂,又有系统的理论分析。它的体例安排与逻辑结构也很严谨,既有自己的一系列基本参数,又有一整套表述方式,从理论和实验两方面总结了当时已有的各种光学知识,形成了一个融合中西的独特的几何学体系,并进一步把这些基础理论应用于研究实际问题。

六、邹伯奇

中国古代光学称为“格术”,邹伯奇根据沈括有关格术的的记载,经过反复的光学实验,写成了《格术补》,这是一部比较完整的几何光学著作,他详细分析了反射镜、凸透镜、透镜组等成像规律,以及关于眼镜、望远镜、显微镜等光学仪器的基本原理。同时,邹伯奇也是中国第一个研究照相术的人。

一、墨翟

在先秦时代,物理领域内成就最大的是墨家,在《墨经》的《经下》中有九条连续的关于光学的命题,每一条均有《经说下》中一条为之进一步解说。

1.

《经》景不徙,说在改为。

译:(运动)物体的投影不随(物体)运动,对影来说,是在不断地改投。

《经说》景:光至,景忘;若在,尽古息。

译:光照到,投影就消失;如果投影不因光照而消失,他将永久止息在原处。

本条论述了古人对于影的形成的认识。在受光物体的后方,光照射不到的区域,便产生了影。

2.

《经》景二,说在重。

译:一个物体而有两种影子(本影、半影),是由于它同时受到两个小光源的照射。 《经说》(景)二光,夹;一光,一。光者(堵),景也。

译:一个物体同时受到两个小光源的照射,就产生两个半影夹持着一个本影;如果只有一个光源,就只有一个(本影)。光有所遮挡就产生影。

本条记述了中国古代对于本影和半影的形成的认识

3.

《经》景到(倒),在午有断与;景长:说在端。

译:针孔所成的像是倒立的,在光束相交汇之处有交点才给出;像的长或短,取决于物体和“端”的关系。

《经说》(景)光之人,煦(照)若射下者之人也高,高者之人也下。足敝(蔽)下光,故成景于上;首敝(蔽)上光,故成景于上。在远近,有端与於光,故景库内也。

译:光从人体上射出,好比射出来的箭矢一般。从人体的低部射出来的光射到高处,从人体的高部射出来的光束射到底部。从足部射出来的光受到前壁的屏蔽,所以成像在高处;从头部射出来的光也受到前壁的屏蔽,所以成像在低处。人在远处或近处对着针孔(端),则在针孔的后壁就出现一个倒立的像。

这条记录说明,中国先秦时代就已经了解了小孔成像的技术。

4

《经》景迎日,说在博(转)。

译:像迎着光源,原因在于有一个反射光线的光体(如平面镜),使入射光的方向反转过来。 《经说》(景)日之光反烛人,则景在日与人之间。

译:太阳(日)的光经反射而回光返照到人(物体),所成都影在人(物体)与日(光源)的中间。

这条是关于反射的认识,当光不是直接照射物体,而是经过一反射体的反射后再照射到物体上时,则此时物体就在光源和影之间。比如将大地作为反射太阳光的面,则我们所见的月面就是物,月的背面就是影,天文学上称为“月面灰光”。它是月面上不能为日光直接照射到,而为地球面上微弱的天光所照射到的部分。

5.

《经》景之大小,说在地(迤)正远近。

译:影的大小,在于物体(相对于光源)的斜正和远近。

《经说》(景)木杝(迤),景短大。木正,景长小。大(火)小于木,则景大于木;非独小也,远近。

译:(景)物体斜对光源,影子长而小;物体正对光源,影子短而大。光源小于物体,则影比物体大;岂止光源小于物体而已,物体的远或近,也要影响到影子的大小。

本条论在光的照射下,物体和影子的大小长短,同光源的大小、物体与光源的相对位置(斜、正、远、近)之间的关系。

6

《经》临鉴而立,景到(倒);多而若少,说在寡区。

译:将平面镜放在地上,人立镜旁,居高临下照镜子,照出来倒立的像。由镜所造成的像虽多,但看到的似乎是少数,这是由于平面镜的大小(尺寸)有限的缘故。

《经说》(临)正鉴景寡,貌能(态)、白黑、远近、杝(迤)正、异(映)于光。鉴【者】,景当俱就;去尔(亦当俱,俱用北(背)。鉴者之臭(糗),于(言监)无所不鉴;景之臭(糗)无数,而必过正,故(顾)同处。其体俱然。

译:物体对平面镜只成一个像,像的容貌,明暗程度、远近和斜正都是由光线映射出来的。当照镜子的人(物体)趋向镜面时,像也随之接近镜面;当物体远离镜面而去时,像也随之远离镜面;物和像都是以背朝着镜面。物体表面所有的点,在镜中没有找不到的。所以像面上的点也是无数的。像总是位于镜面的另一侧。物和像都在距镜面相等距离处。物面上的各个部分和像面上的各个部分之间的关系无一不是如此。

这条争议比较大,一般认为记述的是平面镜成像的特点。人正立在一个球面反射镜前面,得到一个倒立的像。任何物体在球面镜中所成的像都是缩小的。

这条论述的是古人对于平面镜成像的认识。

7.

《经》鉴位(洼),景一小而易,一大而正,说在中之外、内。

译:人在球心以外,凹面镜有一小而倒的像;人在凹面镜焦点以内,有一大而正的像。 《经说》(鉴)分鉴;中之内,鉴者近中,则所鉴大,景亦大;远中,则所鉴小,景亦小而必正;起于中缘(燧)正而长其直也。

译:分开两种情况来照凹镜。人在球心之内,从焦点开始向镜面趋近,人距球心近些,由球心看物体大些,像也大些;人离球心远些,由球心看“所鉴”小些,像也小些,像必为正立。

本条论述了古人对于凹球面镜的物象关系的理解。值得注意的是,对于凹面镜而言,当物体位于球心和焦点之间时,尚有一个“一大而易”的像位于球心之外,这个是墨家没有观察到的现象。

8.

《经》监团,景一,天而必(正),说在得。

译文:凸面镜所成之像有大小之别,但无论大小,影像必定是正立的、缩小的单一虚像。

《经说》(鉴)鉴者近,则所鉴大,景亦大;亦远,所鉴小,景亦小;而必正。景过正,故(顾)招。

译文:物体离凸镜近,从镜子看物体大些,像也大些;物体离凸镜远些,从镜子看物体小些,像也小些,而且像总是正立的。凸镜的像恒生于镜面的另一侧;看起来是短小的。

这条是对于凸面镜的认识。

9.

《经》荆之大,其沈浅也。说在具。

译:目视水下物体,沉入深度变浅了。要点在于视线。

《经说》荆:沈,荆之贝也,则沈浅非,荆浅也。若易五之一。

译:沉于水的物体,被看见的只是形象。不是沉入深度变浅,只是形象变浅了。大约变化量为五分之一。

这条很容易理解,就是折射定律的体现。

二、沈括

沈括所著的《梦溪笔谈》是内容丰富的百科全书,大幅总结了我国古代的科学成就,其中有许多关于光学的论述。关于光的直线传播、透镜、面镜成像在墨经中就已经有了记述,这里不再重复。

1. 关于光的色散。

“至其极北黑水境永安山下卓帐。是时新雨雾, 见虹下帐前涧中。予与同职扣涧观之, 虹两头皆垂涧中。使人过涧, 隔虹对立, 相去数丈, 中间如隔销款。自西望东则见, 盖夕虹也。立涧之东西望, 则为日所砾, 都无所睹。”(卷二十一,357条)

这里沈括指出虹是雨止初睛出现的自然现象。虹是怎样形成的呢,文中引用了沈括同时代的另一科学孙彦先对虹成因的解释 +

“虹乃雨中日影也, 日照雨则有之”基本上是科学正确的。但对于为什么会有彩色,即色散现象的认识要到明清时代了。

2. 关于滤光应用的早期记载

“太常博士李处厚知庐州慎县, 尝有殴人死者, 处厚往验伤, 以糟截灰汤之类薄之, 都无伤迹。有一老父求见曰:‘邑之老书吏也, 知验伤不见其迹, 此易辨也。以新赤油伞日中覆之, 以水沃其尸, 其迹必见。’处厚如其言, 伤迹宛然。自此江、淮之间官司往往用此法。”(卷十一,209条)

由于被殴打致死没有外伤只有内伤的人,皮下淤血为青紫色,伤迹不易辨别,在中午新的红油纸伞罩着用水浇着的尸体上,强红光提高了皮下淤血处与周围皮肤的反衬度,伤迹就很清楚了。因此,这个方法是有科学依据的。

3. 关于月相的演示

“日月之形如丸,何以知之, ,以月盈亏可验也。月本无光,犹银丸,日耀之乃光耳。光之初生,日在其傍,故光侧而所见才如钩。日渐远则斜照而光稍满。如一弹丸,以粉涂其半,侧视之,则粉处如钩;对视之,则正圆。此有以知其如丸也。”(卷7)。

月球本身不发光这个两千多年前古人就知道了,沈括成功利用这个简单的光学实验进行了证明。

三、赵友钦

赵友钦所著的《革象新书》是我国元代的一本自然科学著作,主要是天文学内容,也有涉及光学。在第五卷《小罅光景》中,赵友钦精心设计了一个相当完备而又十分复杂的大型光学实验, 这个光学实验被公认为世界物理史上的一个独创,享有盛誉,论证了光的直线传播性质和赵友钦对于小孔成像的理解。

四、孙云球

孙云球是明末清初科学家,对于几何光学颇有研究,在苏州用水晶磨制各种镜子,其中以眼镜(远视镜、近视镜、童光镜)和望远镜影响最大。他的光学知识主要源于外国传教士。明末 , 西方传教士不仅携入许多西洋仪器,而且还译著了大量的相关著作。1615年,ManuelDias 撰成《天问略 》 一卷 ,最先向中国介绍了了伽利略制造的望远镜及其新的天文发现,较为简略。1629年,Johann Adam Schall von Bell与李祖白合作撰成《远镜说》 一卷 , 为明清之际最为系统地介绍望远镜及眼镜的原理、制作和使用方法的专书。此书是当时据Girolamo Sirturi 所著的Telescopium 译纂的。在此基础上,孙云球写下了《镜史》,有些学者认为这是国人撰写的第一部光学著作。

五、郑光复

郑光复的著作《镜镜詅痴》一书可说是中国光学史上占有重要地位的一部专著,标志着19世纪上半叶中国光学研究水平发展到了一个前所未有的高峰。《镜镜詅痴》作为几何光学专著来看,不仅内容全面,有大量实验作基础,而且图文并茂,又有系统的理论分析。它的体例安排与逻辑结构也很严谨,既有自己的一系列基本参数,又有一整套表述方式,从理论和实验两方面总结了当时已有的各种光学知识,形成了一个融合中西的独特的几何学体系,并进一步把这些基础理论应用于研究实际问题。

六、邹伯奇

中国古代光学称为“格术”,邹伯奇根据沈括有关格术的的记载,经过反复的光学实验,写成了《格术补》,这是一部比较完整的几何光学著作,他详细分析了反射镜、凸透镜、透镜组等成像规律,以及关于眼镜、望远镜、显微镜等光学仪器的基本原理。同时,邹伯奇也是中国第一个研究照相术的人。


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