《墨經(jīng)》光學(xué)

《墨經(jīng)》光學(xué)

以墨翟為首的墨家是春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期科學(xué)成就最大的學(xué)派。他們的著作《墨經(jīng)》以連續(xù)八條文字記載了光學(xué)問題。它們依次為：1)影的定義及影子生成的道理；2)光線與影的關(guān)系；3)光的直線行進(jìn)的性質(zhì)并以類似小孔照像匣的實(shí)驗(yàn)證明這種性質(zhì)；4)光反射特性；5)從物體與光源的相對(duì)位置來確定影子的大??；6)平面鏡反射成像；7)凹面鏡反射成像；8)凸面鏡反射成像。這八條文字，是墨家從事光學(xué)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行精密觀察的忠實(shí)記錄。前五條，論述光源、物體與影子二者的關(guān)系，從影的定義到這三者的復(fù)雜關(guān)系的綜合論述，光學(xué)中論影的部分大都完備了。從第六條開始，詳細(xì)記述在各種鏡下物與像的位置、大小關(guān)系，光學(xué)中有關(guān)像的部分也大都具備了。既有論影，又有論像，幾何光學(xué)的基礎(chǔ)也就奠定了。前后八條文字，寥寥數(shù)百字，條理清晰，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，可稱得上是2000多年前世界上最偉大的光學(xué)著作。

關(guān)于影的定義，《墨經(jīng)》指出，影子是物體阻礙光線的行進(jìn)造成的。當(dāng)障礙光線的物體移動(dòng)時(shí)，表面看來影子也在移動(dòng)，實(shí)際上這是原影不斷消失，新影不斷形成的物理過程?！赌?jīng)》由此斷論：“影不徙?！泵一菔┮才c墨家作出相似的結(jié)論：“飛鳥之影未嘗動(dòng)也?！贝蟾琶业睦碛梢才c《墨經(jīng)》相同。進(jìn)而《墨經(jīng)》討論了具體的影子，如兩個(gè)光源一個(gè)障礙物，因而形成了重影：一個(gè)本影，一個(gè)半影(圖4-2)。

圖4-2重影

《墨經(jīng)》就光的直線行進(jìn)問題說，光照人如同射箭，是筆直前進(jìn)的。為了證明這一論點(diǎn)，墨家在世界上最早作了小孔成像實(shí)驗(yàn)。筑一無窗木屋，在其朝東的木板墻上有一小孔洞，屋內(nèi)西墻粉刷潔白，當(dāng)太陽剛露出地面時(shí)，木屋外小孔前方的人成像于屋內(nèi)西墻上，屋內(nèi)的人就看到西墻上一個(gè)倒立的人像。為什么是倒像呢？墨家解釋說，關(guān)鍵在于小孔，光線經(jīng)過小孔時(shí)上下位置要發(fā)生交錯(cuò)。從上面射向孔的光，經(jīng)過小孔后射到下面；從下面射向小孔的光，經(jīng)過小孔后射到上面。人的足部遮擋了下面的光，因此成影在上面；而人的頭部遮擋了上面的光，成影就在下面。

繼而，《墨經(jīng)》討論了反射光成影的情形：平面鏡反射太陽光后，由反射光所成的像位于人與太陽之間。這就是《墨經(jīng)》所謂的“影迎日”的現(xiàn)象(圖4-3)。關(guān)于影的最后一段文字，詳細(xì)論述了影的大小與物體的斜正、物與光源距離的遠(yuǎn)近等各個(gè)因素之間的關(guān)系。

影

圖4-3“影迎日”現(xiàn)象

關(guān)于平面鏡成像的規(guī)律，《墨經(jīng)》首先指出，以水面作鏡或者將平面鏡放于地面，這樣站立鏡旁照鏡，影是倒的。同時(shí)還指出平面鏡只有一種像，而且與物相對(duì)稱，物移近或遠(yuǎn)離鏡面，像也移近或遠(yuǎn)離鏡面。

關(guān)于凹面鏡的成像規(guī)律，《墨經(jīng)》中說：“鑒洼(凹)，景(同影)一小而易，一大而正；說在中之外內(nèi)?！蹦以谘芯繒r(shí)，可能還沒有焦點(diǎn)的概念。他們將焦點(diǎn)與球面鏡的球心之間的一段距離稱為“中”。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)是直接對(duì)著凹面鏡看，也就是說，以自己的臉為物，以自己的眼睛作為屏。因此，當(dāng)他們從遠(yuǎn)處向著凹面鏡走近時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己縮小的倒像迎面而來；走到接近“中”的位置時(shí)，像逐漸模糊；而在“中”這段距離內(nèi)，成像在人的背后，因此，觀察者或?qū)嶒?yàn)者自己什么也看不見了；一旦走過“中”并繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，又看到一個(gè)放大的正像(圖4-4)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)及其記錄沒有用物與屏，因而沒有觀察到在球心與焦點(diǎn)之間的成像情形，似乎令人遺憾。然而，以人自己的臉和眼睛當(dāng)作光學(xué)實(shí)驗(yàn)的物與屏，在習(xí)慣于光學(xué)實(shí)驗(yàn)條件齊備的近代，并非人人都曾想過或?qū)嶒?yàn)過的課題。據(jù)說，1907年英國(guó)劍橋大學(xué)馬達(dá)萊恩(Magdalene)學(xué)院在考試時(shí)就有這樣一道有關(guān)凹面鏡的考題。而墨家學(xué)派在2300多年前對(duì)此就作出了完滿的答案。難道這不令人驚訝嗎？

圖4-4凹面鏡成像示意圖

當(dāng)人從遠(yuǎn)離球心的A走到B，成像于A′和B′；當(dāng)人走進(jìn)球心和焦點(diǎn)之間C點(diǎn)時(shí)，成像于人的背后C′；當(dāng)人走過焦點(diǎn)而抵達(dá)D時(shí)，人眼看到鏡背后放大正立的虛像。

圖4-5凸面鏡成像示意圖

關(guān)于凸面鏡成像，《墨經(jīng)》只用“鑒團(tuán)，景(同影)一”四個(gè)字作了總結(jié)?！皥F(tuán)”為凸形，意思是說，凸面鏡只有一種縮小的正立像(圖4-5)。

除了這八條光學(xué)記載外，墨家在回答“為什么能看見周圍的物體”這一問題時(shí)，作出了正確的答案：人依靠眼睛見物，而眼睛依靠光見物。這個(gè)答案成為中國(guó)科學(xué)文化的傳統(tǒng)觀念。然而幾乎同時(shí)古希臘的一些學(xué)者，如恩培多克勒(約公元前490—前430年)、柏拉圖主義者和大數(shù)學(xué)家歐幾里得(約公元前330—前275年)都主張一種奇怪的眼睛發(fā)射說。他們認(rèn)為，眼睛能發(fā)射一種射線，一旦它遇到物體發(fā)出的射線時(shí)就產(chǎn)生視覺。

可惜，《墨經(jīng)》光學(xué)中沒有關(guān)于反射角、入射角的記述，由于當(dāng)時(shí)沒有玻璃制造的透鏡，也就沒有關(guān)于折射的知識(shí)。這方面，確實(shí)又有點(diǎn)令人遺憾。

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