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作者：邢春如

出版社：辽海出版社

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古代物理世界（上）试读：

前言

中国的科学技术有着自己的发展道路，成就辉煌，举世瞩目，对人类文明产生过巨大的影响。一、石器时代的科技萌芽

工具的制造是原始技术启始的标志。原始社会时期，人类征服自然界的物质基础十分薄弱，因而，这一时期科学技术的萌芽和发展非常缓慢。工具的制造与火的使用，农业、畜牧业、手工业的起源，原始医药水平的提高，交通工具和居所的建造等都是科学知识与技术萌芽的表现，都给自然界打上了越来越多的人为烙印。这是人类理性曙光的初现，它昭示了那大放异彩的科技发展的未来。二、青铜时代的科技幼苗

这一时期的科学技术在原始社会的基础上有了巨大进步，在世界文明史上占有重要的地位。青铜器是这一时期最具代表性的标志物。夏、商、西周的科技进步，促进了中国早期国家的形成和发展，成就了青铜文化的辉煌，为此后科学技术的发展开辟了道路。三、铁器时代的科技奠基

春秋战国是中国科技知识进一步积累与奠基的重要时期。这一时期所取得的科技成果在中国科技史上占有重要地位，为秦汉及其后的科技发展奠定了坚实的基础。四、壮大成型中的秦汉科技

秦汉科技最显著的特点是科学建制完整、技术体系统一。在这一时期，传统的农、医、天、算四大学科体系框架已基本形成，冶炼、纺织、土木建筑、造纸、船舶制造等主要技术体系及风格也大体确立，从而为此后近两千年的中国科技发展确定了大方向。五、魏晋南北朝的科学技术

这一时期战乱频仍，政局动荡，科学技术以其强大的生命力在曲折中进步着，有些学科甚至获得了突破性进展，主要体现在农业、机械、数学、天文历法、地理、化学等领域所取得的成就。六、隋唐科技

综观随唐科技，可谓是全面推进，重点突出。这一时期既是对先前的诸多科技领域的成就进行了继承与发展，又开创了多方面的世界之最。中国科技在随唐时期获得了蓬勃发展，而且随着中外交流的增强，科技成就不仅促进了中国社会的进步，对世界文明的进展也产生了极大影响。七、鼎盛的宋元科技

这一时期虽说一直战火纷飞，社会也动荡不安，但中国科学技术的发展却进入了一个前所未有的黄金时代。这一时期，可谓人才辈出，硕果累累，取得了一系列极其辉煌的成就，其中包括许多堪称是划时代的创造发明，这些都使宋元科技在世界文明史中占有重要地位。八、传统科技的成熟和集成

明清时期是中国科学技术发展历史上一个重要的转折时期。在明代，中国传统科学技术趋于成熟，中国在大部分科技领域仍居于世界领先地位，各方面的成果得到总结，出现了一批集大成式的著作。

明末清初，中国的科学技术却裹足不前，开始落伍于世界科学技术发展的滚滚洪流。九、西学东渐与国人回应

自明末万历年间开始，西方科技知识开始源源不断地传入中国，这股“西学东渐”的潮流前后持续了上百年的时间，成为推动中国科学技术发展的重要因素。这是一个复杂的过程，其中充满了矛盾和斗争。在这个过程中，国人逐渐由被动到主动地走进了西方人的认识视野，开始接触新的科学知识。十、近代科技的引进和传播

近代中国的落后与贫弱促使许多有识之士开始积极探索中华民族的富强之路，开眼看世界一时间成为时代的潮流。而这股看世界的风气则肇始于林则徐和魏源二人。随之而来的洋务运动的开展则展开了向西方学习的热潮，开启了中国的近代化。十一、中国现代科技事业的开创

辛亥革命的爆发，使中国社会发生了重大转折，现代科技教育体制开始建立。继来之而来的新文化运动，极大地推动了科学精神在中国的启蒙。同时，大批从国外留学归来的新一代科学家纷纷在中国建立科学社团，以及设立高等院校中的理、工、农、医等学科和院系，使现代科学技术得以在中国生根发芽。十二、新中国的科技事业

中华人民共和国的成立，揭开了中国历史新的一页，也开始书写科学技术的新篇章。经过五十多年的风风雨雨的拍打锻炼，如今中国的科技事业蒸蒸日上，一日千里。更多的科技新成就，必将汇聚成一盏盏明灯，发出更加耀眼的光！《中国科技史话》以全景式眼光，生动地勾画出了中国科技成长壮大和发展演变的轨迹，描绘出科学家探索自然奥秘、造福华夏的奋斗经历，以及在西学东渐背景下所作出的回应和为追赶世界科技潮流所进行的不懈追求过程。《中国科技史话》全书共分48册，它简明扼要，通俗易懂，生动有趣，图文并茂，体系完整，有助于读者开阔视野，深化对于中华文明的了解和认识；有助于优化知识结构，激发创造激情；也有助于培养博大的学术胸怀，树立积极向上的人生观，从而更好地适应新世纪对人才全面发展的要求。

因时间和水平所限，尽管我们作了很大努力，书中的疏漏、错误和不妥之处在所难免，恳请广大读者批评指正。本书编委会2007年5月

一、古代物理学概论

物理知识的萌发

物理学是研究物质基本结构及物质运动的最普遍的形式、最基本的规律。所以物理现象是随时随处可见的，物理规律也随时随处在起着作用；并且，高级与复杂的运动之中，也莫不存在物理问题。这就决定了物理知识的萌发必然是很早的。例如，人类的始祖——猿人，在打制石器工具时，就知道做成各种不同角度的尖劈。这里就隐含着斜面利用的知识。他手中的一根棒，使将起来，也就是杠杆的应用。船的发明是液体浮力的利用，弹弓的发明，更是弹力的巧妙应用……所有这些，不能不被认为是力学知识的胚胎。又如猿人学会了保存火种，后来又发明了取火的方法，不能不说其中有着热学知识的孕育。再如他们在水中捕鱼、洗涤或戏嬉，低头便照见了自己的像，各种物体在阳光之下的投影，此类现象也会播下萌发光学知识的种子。毫无疑问，在17世纪之前的漫长时期里，人类的物理知识，都是十分零星的、肤浅的感性经验。但任何事物的发展，总是有一个从现象到本质，从简单到复杂，从低级到高级的过程，物理学之所以有今天如此丰富的科学内容、坚实的实验基础、详密的逻辑系统、严格的理论推证、广阔的实际应用，推因溯源，不得不归因于长期的积累发展。所以，物理学史的阐述，不能斩去古代这一段。尽管它可能还称不上一门学问，但应当承认它是物理学的萌芽阶段，或者物理学史的“史前期”。否则将使物理学史成为无源之水，无本之木。

在我国，今天的物理学体系确实是在明、清之际由西方传输进来的，就是“物理学”这一名词也是翻译过来的。在我国古书上，“物理”一词的出现是相当早的，西汉刘安（前179～前122）主编的《淮南子》“览冥训”云：“耳目之察，不足以分物理。”这里的“物理”是泛指世间一切事物的道理。宋代的杨杰（11世纪）写过一篇《五六天地之中合赋》，其中有这样几句：“知地数杂而不纯，天数纯而不杂，物理深蕴，岁动周匝，就五十有五之中，五六谓之中合……”这里的“物理”似乎主要是指自然现象的规律。北宋博物名僧赞宁（919～1002）称颂发明地动仪的张衡为“穷物理之极致焉”；南宋学者叶适（1150～1223）著《习学记言》，其中说到曹冲称象的事，称赞“为世开智”物理，盖天禀也。这两个“物理”就涵义与行文而言，好像和我们今天所理解的“物理”意义比较接近。但这也只是个别学者随意行文所致，并没有专门的意义，更没有形成为普遍接受的专门名词。甚至有几部古书就用“物理”题名，比如晋代唯物主义思想家杨泉（3世纪）的代表作就叫做《物理论》。但这是一部哲学著作，并非物理学专书。又如明、清之际的学者方以智（1611～1671）写过一部叫做《物理小识》的书，虽然其中有不少物理学知识，但也是一部百科全书式的著作。总之，在我国古代本来没有“物理”专名，它是从英文Physics翻译过来的。“Physics”，又来源于希腊文Φυοικη，原义是指自然，引伸为自然哲学的意思，后来天文、数学、地学这些学科逐渐丰富起来，从包罗万象的“自然哲学”中分化出去，独立成科，才把Physics专门用来指物理学。1623年意大利传教士艾儒略（1582～1649）著作的《西学凡》，其中把Physics音译为“费西加”。可见在这个时候，我国还没有“物理学”其名。它出现的确切年代，一时还不能查考出来，大约是在19世纪末。在正式使用“物理学”这个名词之前，还曾有过一段时间使用过“格致”或“格物”的名称。那是取《礼记·大学》中“致知在格物，物格而后知至”一句的意思。虽然，后世对这句话有不同的解释，但大致说来，是指穷究事物的原理以获取知识。在清代后期就用以统称“声、光、化、电”等自然科学。后来干脆在狭义上就代表今天所谓的物理学，大学里的物理系，开初就叫做“格物门”。1889年，日本人饭盛挺造编了一本物理教科书，藤田丰八把它译成中文，书名就叫做“物理学”。次年，王季烈把它改译一番，书名仍然不变。1901年，严复翻译名著《原富》，书中也提到“物理学”，但又怕太陌生，特别加注说：“物理之学名‘斐辑格’。”可见那个时候“物理学”一词还不很普遍。

正如上面所述的，在我国，物理学的发展既有舶来品，又有土生土长的物理知识，后者也是十分可观的、辉煌的。我们勤劳智慧的祖先，对物理现象做过大量的观察、实验和各种形式的记录，并提出许多精辟的见解，取得了重大的成果。这本书主要就是论述这些成果。

中国物理学史料的来源

既然我国古代有许多物理学的知识，但又没有物理学专书，那么，我们从什么地方去找物理学史料呢？大致说来有以下几种来源。

第一，古文献的记载。

第二，古代器物的分析。我们祖国幅员辽阔的大地上留有大量几千几万年前的遗物，包括器物与建筑，这些就是当年文化科学水平的综合反映，是最具体、最生动的记载，也是最过硬的史料。从这些器物中可以分析出当时人们在制造过程中运用了哪些物理知识。例如，诺贝尔物理奖获得者杨振宁博士，观察了大量西周时代的青铜器，发现当对称时人们已经具有物理学中一种极其重要的思想观念——“对称”。又如，西安半坡村出土的新石器时期的遗址里，有一种尖底瓶，引起人们的极大兴趣，它可以印证文献的记载，从中分析出距今5000～7000年以前的人们具有了哪些力学知识。那里还出土一种叫做“甑”的泥制器皿，世界著名科学史家李约瑟博士（1900～1995）[英]认为，那可能是人类最原始的蒸气发生器，这在热学史上应当是很重要的。此外，一些古建筑也向我们提供了丰富的研究内容，譬如山西省的应县佛宫寺木塔，是明暗九层、高达66.49米的纯木结构的建筑珍品，迄今已经历九百多个寒暑，不仅风雨侵蚀，经受了烈度5度以上的强烈地震就有12次之多，此外还经受了强风、炮击等强烈震动，而仍然保持完好，这反映了它的力学结构十分科学合理，从中可以分析出一系列的理论知识。还有些古建筑甚至有了类似的避雷设施，为古代电磁学的研究，提供了重要的线索。此外，还有不少古代水利工程设施如都江堰等，也能向我们提供某些流体力学的原始材料。至于现存的那些古天文仪器，更是光学史料的十分丰富的来源。编钟、鱼洗是声学史的珍贵材料的渊薮。另外，还有一些碑刻与出土文物之类的东西，有文字或图画。例如辽阳三道壕的汉墓中，有不少壁画，其中就有一幅画着风车，这使我们确知距今1700年前，人们就知道如何巧妙地使用空气流动的能量了。总之，这方面蕴藏着丰富的潜在材料。

第三，现存的某些生产工艺。一项生产工艺之中，往往是科学技术知识的综合运用与反映，其中常常寓有一定的物理原理。所以对一项古工艺的分析，可以获得某些物理学史料。当然，在今天来说，古代的工艺往往是落后、原始的，绝大部分早已废弃不用了，或者是失传了。但是也还有一些留传下来，特别是在某些少数民族地区，甚至仍然在沿用。这些可以为我们提供一定的参考，因为有的工艺过程，古书上虽然有过记载，但往往是十分简略，或者不很确切。那么流传的古工艺就成了十分宝贵的史料来源，它或者可以和文献记载相互印证，或者补古文献记载之不足。例如上古所用的摩擦取火的方法，古书就没有写出具体的过程以及所用的材料，以致引起后人理解上的分歧，甚至怀疑它的真实性。近年来，有人根据海南岛一些少数民族地区仍然使用类似的方法取火，才解决了这个问题。由此可见，古代工艺方法是一项活的物理学史料，我们要十分珍视它。

此外，我国民间还流传着大量的口头谚语。它们并不一定见之于文献记载，但却是一些长期经验的总结，它含有一定的科学内容，而且语言特别生动，内容也很丰富。专就天气谚语来说，有人就曾收集了一大本，从这些关于风霜雨露现象的生动说法中反映出大量物态变化方面的知识，而且对同一个现象，不同地区有不同的说法，分析起来也是很合于物理原理的。可以说，这里面潜存着不少物理学史料，但迄今为止还没有引起人们的足够注意。

显然，上列几项史料来源，当以文献记载为最大量。中国古书数量之多，历来都用“浩如烟海”、“汗牛充栋”等成语去形容，实在一点也不过份。这么多的书被分成经、史、子、集四部，“子”部收有关于天文、历算、农业、医学以及工艺技巧一类的书，这里面涉及一些物理知识。但是，古代没有物理专书，物理学知识是散见于几乎各种类型的书籍之中。这也是物理学科的性质所决定的。例如，上古物理学的最重要的著作《墨经》固然在“子”部，但另一部重要著作《考工记》就在“经”部。“史”部中许多“天文志”、“律历志”等篇章，又是物理学史料的宝库。“集”部收的虽然是诗文小说等文艺作品，由于这些作品题材也异常广阔，涉及自然现象典章制度等等，其中也不乏宝贵的物理学史料。小说的情节大多出于虚构，但也有写实的部分，不可避免地会反映当时的一些情况，例如隋代的《古镜记》是一部神怪小说，其中写到一面反射镜，竟然就是我国古代著名的“透光镜”。即使是纯感情、尚夸张的诗词作品，也含有物理学史料。例如梁元帝（502～548）有一首题为《早发龙巢》的诗，其中有句云“不疑行舫动，唯看远树来”，就十分生动的描述了机械运动的相对性。这样的例子是不胜枚举的。

总之，中国古代物理学史的研究是必须从一切古书中发掘史料的。中国古书没有标点符号，不同的断句读法，可以解释出不同的意义来；古汉语又是一字多义，一个字的不同解释，又可以阐发出迥异的内容。再加以古书，特别是一些笔记小说之类的书，记事往往不尽翔实，或以无作有，或以少作多，或张冠李戴，或添油加醋……因此，每每需要我们作一番鉴别的工作，要去伪存真，去芜存精。这项工作做不好，就得不到真实的史料。所以它是物理学史研究的基础。

怎样做这项工作呢？

首先是把文字释义搞明确。有些古书有它自己的特殊体例和专门用语，读的时候要严格地遵守，否则就无法理解古书的原意，那就更谈不上其他了。

其次，解释出来的科学内容务必是那个时代可能发生的。譬如有人从汉晋时代的《西京杂记》里解释出类似于X光的装置来。这显然是“以无作有”，充其量只能是当时的人们幻想有这一类的“法宝”。从战国开始就有不少古书说公输盘首先制造一种木鸟能在空中飞三天，这个例子是“以小作大”的典型。

此外，中国古书还有个真伪的问题，在我们这里就转化成为某一器物或某一概念出现的年代问题，这些都得小心地对待。

墨家和《墨经》

墨家是先秦诸子之一，也是当时儒家的一个主要反对学派。这两家一起，被称为儒墨显学。墨家在仁、义、礼、乐等道德范畴内都同儒家相抗衡，他们提出了十大主张。这个学派的成员多来自生产第一线，有丰富的技术知识和刻苦的钻研精神，研究科学技术的风气特别盛，尤其是称为“从事”的一派更专注于科学技术，有不少创造发明，对后世的科学发展起着积极的作用。墨翟本人就是一个优秀的手工业工人，深通机械之学。正是这样一个躬身实践并且善于总结经验的人，把他们对自然界各方面的认识写入了《墨经》。《墨经》中的物理学内容，主要是力学和光学。其特点是超出了对物理现象直观描述的阶段，带上了浓厚的理论色彩。他在我国物理史上，第一个给出了力的定义，并大体上叙述了牛顿第一定律的基本内容。他研究了杠杆、滑轮、浮力、随遇平衡、轮轴和斜面乃至时空观念等各种问题，其中有不少理论是正确和接近正确的。他第一个讨论了光的小孔成像原理，指出了光的直线传播规律；他讨论了光的反射、平面镜、凹面镜和凸面镜的成像情况，找出了一些规律性东西。他甚至提出了火色和温度的关系。对光学做如此细致的探讨，使《墨经》俨然成为一部中国最早的几何光学。在两千多年前，提出这样颇为成熟的几何光学理论，实在是难能可贵的。《墨经》的光学比欧几里得光学还早百余年。它不仅是中国光学的始祖，在世界光学史中，也居领先地位。

《考工记》

差不多和《墨经》出现的同时，在中国科学技术史上，又开放丁另一朵奇葩——《考工记》，它和《墨经》像一对孪生的姊妹，交相辉映，同放异彩。在对物理学的贡献上，二者又有异曲同工、殊途同归之妙。如果说《墨经》是从生产实践中提取理论性的科学知识加以阐述，那么《考工记》则是在阐述手工业制作中的一些科学技术。《考工记》的作者已不可考。现存《考工记》是《周礼》中的一篇——“冬官篇”。把《考工记》编入《周礼》，完全是一种偶然。这二者本是风马牛不相及的，是汉朝的河间献王在整理儒家典籍时，因当时的《周礼》缺了“冬官”一篇，就将《考工记》补入。这一补大大提高了这本书的身价。因为它一变而成为儒家的经典，便能世代相传直至今天。这部书的成书年代看法也很不一致。郭沫若认为是春秋时期齐国的官书，但也有人认为是战国时期的齐国人所作。从内容看，这部书当产生于具有高度社会分工的封建社会初期，即春秋战国之交。书中所论及的工种达30种之多，包括“攻木之工七，攻金之工六，攻皮之工五，设色之工五，刮摩之工五，搏埴之工二”。它所涉及的内容很广，有车、耒等生产工具的设计规范和制造工艺；弓、矢、剑、戟、戈、削等兵器的制作和规范；钟、鼓、磬等乐器，还有王城、世室、明堂、宗庙等建筑物的设置和规范。

文章是按工种排定次序，如“轮人”是做车轮的工人，“舆人”是做车子的工人等等。由于秦始皇焚书，原书也有部分佚失，其中段氏、韦氏、裘氏、筐人、榔人、雕人只存目，内容已经没有了。统观全书，语气不尽相同，又有重复。因而可以推断这部书不是出自一个人的手笔，可能是当时一些知识分子记录各今工种的经验和制作工艺后，再经过统编而成。这部书大约是经历了一个很长的时期才成现在这个样子，连《考工记》这个名称都是后来的学者加上去的。

此书中的物理内容主要是力学和声学。它的力学知识是体现在工艺制造之中的。其中有车轮的滚动摩擦问题、斜面运动、惯性现象、抛射体轨道的准确性、水的浮力、材料强度等问题。在声学方面，主要是讲述了钟、鼓、馨的发音、频率、音色、响度同它们的形状的关系。

最早研究这本书的是汉代的经学家郑众和郑玄，他们为此书作了注。唐朝的贾公彦又为此书作疏。到清代，研究的人多起来，比较精到的当推戴震和他的学生程瑶田。戴震作《考工记图》，程瑶田作《考工创物小记》，这两本书对研究《考工记》很有参考价值。

刘安及其淮南王书

西汉的淮南王刘安（前179～前122），沛郡丰（今江苏沛县东）人，是汉高祖刘邦的孙子。他喜欢读书弹琴，写得一手好文章，也十分喜爱“方技”，大力提倡“神仙道术”。刘安仍有战国诸公子的遗风，愿意“养士”。淮南地区是当时的文化中心之一，人物荟萃，许多有学问的人都投到他的门下，以致有“宾客方术之士数千人”。这些人搞出了许多“奇方异术”，大约多是属于炼丹及其他方面的幻术，所谓“含雷吐火”之术，这其中大概有许多是运用科学技术的设计。刘安本人因而也积累了不少科学技术知识，所以日理万机的汉武帝也每每召他进宫，谈论这方面的问题，常常到了很晚才结束。

刘安曾组织他的门客从事撰述，写了许多书，据记载有“内书”21篇，“外书”的篇幅很大，另有“中篇”8卷，约20多万字。《汉书·艺文志》上著录刘安的作品有6种，计201篇，大多失散了。流传到今天的只有《淮南子》21卷，又称《淮南鸿烈》，是“内书”。另外，还有一本《淮南万毕术》的辑本，大概是属于“外书”。《淮南子》是哲学书，以道家思想为主，糅合了儒、法、阴阳等家的思想，发展了先秦的“道”、“气”学说，在论述哲学问题中，大量引用自然知识，是较多反映西汉一代自然科学成就的著作，特别是关于宇宙形成、乐律、地理、生物进化以及化学等方面有很多重要的记载，物理方面则有力学、光学、磁学、声学、热学等科的一些资料。《万毕术》则偏于实践，那里面记载了六七个物理实验设计，是十分宝贵的资料。

淮南王书中的天文、乐律、生物与物理等方面的学问，在国内已有不同程度的研究。就在上世纪30年代，还曾把刘安作为古代化学家向国外作了介绍。

王充和《论衡》

王充，字仲任，上虞（今浙江上虞）人，生于公元27年，卒于公元100年左右，正值东汉初期。他一生颠沛流离，虽也作过几任小官，都是没有实权的清闲差使，而且为时都很短。他一生的主要精力是用来著书的。到了晚年，王充更是贫困潦倒，甚至连生活都发生了问题。但也正因为他家庭的衰败，才能使他和下层民众及生产实际相接触。再加上他天资聪颖，刻苦钻研，就使得他在自然科学方面有较广博的知识和精湛的见解。《论衡》一书，是王充晚年所作。除《自纪》一篇外，其他各篇的写作时间，大约开始于汉明帝水平三年（60），终于汉章帝元和三年（86）。成书时，王充60岁。他所处的时代，本是变乱之后，百废待兴。但皇帝和满朝文武却个个迷恋于低级浅薄、荒诞不经的谶纬之学。什么叫谶纬呢？就是“诡为隐语，预决吉凶”。公元65年，汉光武帝“宣布图谶于天下”。从此，谶纬迷信之风遍及中华，僧侣主义笼罩着整个社会。大臣中有谁对谶纬稍有异词，便立刻获罪。就在这样一种气氛中，王充决定写《论衡》，而且目的又是“疾虚妄”，那勇敢精神实在令人赞叹。“论衡”二字，按王充自己的解释，就是表示言论的公平，像衡器一样，最符合客观真理。《论衡》写完后，最初只在会稽（今浙江绍兴）一带流传，学者蔡邕到江南以后，得到此书，以为“异书”，把它带到北方，但只供少数人作为谈助。后来王朗当会稽太守时，将此书带回许昌。人们发现他大有长进，以为一定是读了什么好书，便去问他，王朗回答说，是读了《论衡》。从此，这部书便从中原传播开了。《论衡》全书共30卷，85篇。除《招致》篇佚失外，现存84篇。它的内容，包罗甚广，天地人事，无所不涉，真可以称得上我国中古时期的一部百科全书。书中，无论是讲自然现象或是讲哲学和伦理，都以“效”、“验”为根据，即把实践作为获得知识的源泉，因此，他的不少见解都能够较为正确地反映客观实际。

从物理学的角度而言，尽管这本书都是从侧面，即作为哲理的论据提出，却几乎涉及到了物理学的每一个领域。

力学：《论衡》反复地以生动的事例阐明了力的概念，认为力是能够改变物体运动状态的，并且认为力越大，所能改变的速度也越大。特别值得一提的是，书中还讲到了内力的特征，说内力在改变物体运动上不起作用。对于物体的相对运动，书中也作了十分形象的描述。

声学：王充研究了声音的发生和传播问题，在历史上第一次用水波的传播来比喻声音的传播，并指出声音在传播中的衰减，这是世界上对声波最早的认识。

热学：王充研究了热的平衡、热的传导和物质状态的变化。

光学：《论衡》阐述了光的强度、光的直线传播以及球面镜取火问题。

电磁学：《论衡》记录了摩擦起电，即“顿牟掇芥”现象。并记录了我国的磁指南器——司南。

沈括和《梦溪笔谈》

宋朝是我国在科学技术方面十分活跃的时期。各门科学，人才辈出，而其中的佼佼者，当首推沈括。沈括字存中，钱塘（今浙江杭州）人。生于1031年，卒于1095年。父亲沈周曾经当过润州、泉州知州以及江东按察使等职。沈括自幼随父亲外任，走过许多地方，大大扩大了他的眼界。父亲死后，他因父亲的功劳而做过几任小官，先是当主簿，而后当县令。这期间，他大兴水利，使70万亩良田得到灌溉。他32岁那一年，中了进士，过了不久，便到京城开封任职。他做过太史令、提举司天监、史馆检讨、集贤院校理等。这时，正值王安石当宰相，在全国范围内实行新法。沈括坚定地站在新派一边，为新法的推行做了大量工作。他曾几次去外地巡视新法实施情况，赴辽国进行边界谈判，并获得外交上的胜利。在这之后，皇帝提升他为权三司使，掌管全国经济和财政。在他46岁那一年，由于御史蔡确的诬劾，被撤掉了权三司使的职务，到外地当官。那时，宋朝和西夏正在打仗，沈括又被委任为鄜延路经略安抚使，在与西夏的战争中屡建功绩。两年以后，由于永乐城失守而获罪，再次被降职。沈括在57岁那一年到润州，即今江苏镇江定居，在那儿买了一座园子，说是和自己年轻时梦见的地方相似，因而起名叫“梦溪园”，住了8年，直到死去。

沈括是历史上一个著名的学识渊博的人。他才华横溢，博物穷思，于各门科学都造诣极深。他研究的学问包括天文、气象、物理、化学、数学、地质、地理、生物、药物、医学以及文字、考古、历史、文学、音乐、图画等各方面，在不少学科中都取得了巨大成就。可以无愧地说，沈括是我国乃至世界少有的科学通才，是我国科学史上最卓越的人物之一，是一颗闪烁着智慧之光的灿烂明星。《梦溪笔谈》，就是他晚年定居梦溪园期间所著。这部书，科学内容丰富，见解精到，无论在我国或是在世界科学史上，都享有很高的声誉。英国著名的科学史家李约瑟博士为沈括思维的精湛和敏捷惊叹不已，把《梦溪笔谈》称为“中国科学史上的坐标”。

在物理学方面，沈括不但注意总结前人的经验，对一些物理现象还亲自观察和试验。不论是在风尘仆仆的旅行之中，还是在公务繁忙的时候，他都不懈地记录下自己在科学方面的心得。由于日积月累，他的研究成果是富有成效的。他在物理学上的主要贡献是声学、光学、磁学三个方面。沈括精通音律之学，《梦溪笔谈》中整整有两卷是专讲乐律的。用纸人作实验来显示声音的共振，是他的一个发明，同样性质的实验，在欧洲要比沈括晚5个世纪。此外，沈括还研究了共振在军事上的应用。他对光学的贡献，主要是研究了针孔成像、凹面镜、凸面镜成像的规律，形象地说明了焦点、焦距、正像、倒像等问题。他对西汉透光镜的原理，提出了颇有价值的看法。在磁学上，沈括的贡献有如下三点：一是给出了人工磁化方法，二是在历史上第一次指出了地磁场存在磁偏角，三是讨论了指南针的四种装置方法，为航海用指南针的制造奠定了基础。另外，沈括对大气中的光、电现象也进行了研究。

作为一个科学家，沈括的名字正在被越来越多的人们所知晓。1979年，国际上曾以沈括的名字命名了一颗新星。他对物理学的卓越贡献，已被载入了世界科学史册。

赵友钦和《革象新书》

赵友钦，鄱阳（今江西鄱阳）人，生于宋末元初，系宋王宗室，为了避免元朝政权的迫害，他隐遁为“道家”，遂不用赵友钦的名字，自号缘督，人称缘督先生或缘督子，有时改名为敬，字子恭。他不断变换住地，浪迹天涯。开初，他离开鄱阳，住到德兴（今江西德兴），后迁往龙游（今浙江衢县龙游）东南鸡鸣山麓定居。在龙游居住很长时间，可以说是他的第二故乡。据说有一天，赵友钦在龙游芝山遇着著名道家石杏林，拜石为师，在石的指导下，学业进步很快。他为了研究天文，观察天象，在鸡鸣山上筑有观象台（又名观星台）。他时常出外游学，一方面寻师访友，一方面与大自然多接触，探索自然规律。他的足迹踏遍衢州和金华，并去东海多年。赵友钦死于龙游，葬在鸡鸣山，后人为纪念他，为他立祠建庙。《革象新书》是赵友钦现存的唯一著作，绝大部分是讨论天文历法问题，也讨论了数学、物理学问题，其中有不少精辟的论述。与物理学有关的知识主要有：（1）通过大型实验，对光的直进、针孔成像与照度进行研究，取得辉煌成就。这个大型实验，在世界物理学史上可说是首创的（见本书光学部分）。（2）他通过一个模拟实验，研究了月亮的盈亏。他把一个黑漆球挂在屋檐下，比作月球，反射太阳光，黑漆球总是半个亮半个暗。从不同角度看到的黑漆球反光部分形状不一样。这样，形象地解释了月的盈亏。他对日、月蚀也作了研究。

他还对视角问题进行过研究。他说：“远视物则微、近视物则大”，“近视物则虽小犹大，远视则虽广犹窄。”

应该着重指出：赵友钦十分注重从客观实际出发探索自然规律。他既重视实验，又重视理论探讨。另外，他善于用比喻来解释自然规律，深入浅出，妙趣横生。

除《革象新书》外，赵友钦还著有《金丹正理》、《盟天录》、《仙佛同源》、《金丹问难》、《推步立成》、《三教一源》等书，又注过《周易》，写过兵书。《推步立成》是关于天文历法的书，《金丹正理》和《金丹问难》是关于炼丹的书，可能涉及化学等自然科学知识，可惜都散失了。

朱载堉和《乐律全书》

朱载堉，字伯勤，号句曲山人。1536年，生在河南怀庆明王朝宗室郑王府的锦衣绣袍里，卒年已不可确考，大约是1610年前后逝世。他自幼家学渊源，才思聪敏，早年学习天文、算术，“笃学有至性”，打下了坚实的天算基础。在他少年时代，家庭生活忽遭重大变故。起因是他父亲朱厚烷由于直谏犯上，得罪了明世宗；随后又被其叔诬陷，以至被削去爵号，身陷囹圄。昔日殿上王，今作阶下囚。朱载堉不仅目睹，而且亲历了统治阶级内部这幕丑剧，愤而搬出王宫，“筑土室宫门外，席藁独处者十九年”。他身居斗室，埋头读书。“斗酒纵观廿一史，炉香静对十三经。”除了别的兴趣爱好之外，他特别潜心于音乐的研究，最后终于能精通乐律、历学、度量衡、舞蹈诸学，集乐律理论家、声学家、历学家、数学家于一身，为他攻下十二平均律的难关铺平了道路。

后来，新天子穆宗即位，大赦天下。朱厚烷不但恢复了名誉和王爵，还增添俸禄四百石。于是朱载堉搬回王宫，利用丰富的藏书和其他优越条件，深入钻研乐律和历学。

朱载堉受深通音乐理论的同朝前辈韩邦奇、王廷相及何瑭等人的启发，将前人的经验总结提高，加以发挥，于明万历十二年（1584年）写成《律学新说》，开始涉及十二平均律的问题。尤其难能可贵的是：他父亲死了以后，按资格应由他来继承郑王爵位，但他接连上疏，恳辞再三，不仅自己“让国自称道人”，而且提出放弃他儿子的继承权利。朱载堉富贵不能淫，贫贱不能移，继续专心致志搞音乐理论研究，决心一辈子献身于科学。

到他60岁时，一部辉煌巨著《律吕精义》问世了。书中运用极精确严密的方法，在世界上首次阐明了十二平均律。朱载堉高兴地说：“新法不用三分损益，不拘隔八相生，然而相生有序，循环无端，十二律吕，一以贯之，此盖二千年之所未有，自我圣朝始也。”《律吕精义》实为一部承前启后的科学论著。朱载墒的主要著作有《乐律全书》、《律吕正论》、《律吕质疑辩惑》、《嘉量算经》等书。《乐律全书》共47卷，汇集了17种著作，律学之外，还包括舞谱、乐谱、算学、历学等等，内容宏富，而其中的《律学新说》和《律吕精义》则是律学的代表作。

朱载堉不仅是一位卓越的音乐理论家，而且还是一位有实际经验的舞蹈家和歌曲作家，在乐器制作上也有重大贡献；但他在音乐史上的地位，主要是由于其首创十二平均律所奠定的。

张载与王夫之

张载（1020～1077），字子厚，宋代长安人，因家住陕西郿县（今陕西眉县）的横渠镇，故称为横渠先生。早年丧父，家道颇为困难。又遇上连年战祸，民不聊生，这使他受到很大刺激，立志研究军事，以备世用。后来，接受当时的政治家和文学家范仲淹的指点，走上研究哲学的道路，终于取得了巨大的成就。他坚持唯物主义思想，提出了“太虚即气”的学说，论证了世界的物质性及其变化的基本规律，在我国科学史上、哲学史上写下了光辉的一页。

张载做过几年地方官，对民间疾苦有所了解，所以颇能办点好事。在政治上他主张把土地收归国有，减轻贫富不均的现象。王安石主持新政时，由于在一些具体问题上存在分歧，他辞职回到陕西，住在横渠镇旧居，专门读书讲学。他读书非常勤奋，房间里摆着许多书，低头读书，仰头思考，有所得就记下来。有时，夜里睡觉也在思考问题，有了心得就连忙起床点起蜡烛把它写下。由于他的学问很好，又能勤奋钻研，所以名气很大。来听他讲学的人很多，他的学问被称为“关学”（讲学于关中），和当时著名的学者程颐、程颢的“洛学”（讲学于洛阳）并称。

1077年，张载58岁了，还被中央政府召入首都任职，由于和上级意见不合，加上患病，就辞职回家，旅途中病更加重了，竟死在临潼。他一生的著作以《正蒙》一书为最重要，他的学说精粹都在这里面。这本书主要是关于哲学的研究，此外还包含有天文、生物方面的许多知识，以及对于《论语》、《孟子》、《周易》和《礼记》等书的文句解释。除《正蒙》外，还有《易说》、《礼乐说》和《论语说》等著作，但大多散失了。

王夫之（1619～1692），湖南衡阳人，字而农，号姜斋。明崇祯举人。青年时代，积极参加抗清斗争。失败后，投奔南明桂王。鉴于南明小朝廷政治腐败，不堪共事，他愤而返归故里。明亡后，为避清政府的政治迫害，隐居湘西荒山僻野，埋头著述。晚年定居衡阳城外90华里的石船山麓，人称“船山先生”。

王夫之在极端艰难的生活条件和政治环境下，坚持学术研究达40多年，完成了100多部400余卷著作，其中包括《周易外传》、《思问录》、《张子正蒙注》、《读通鉴论》、《宋论》等学术名著。在哲学和史学方面做出了卓越的贡献。他的物质理论在物理学史上也是十分可贵的。

王夫之说过：“生非创有，死非消灭，阴阳自然之理也。”他又说：“于太虚之中具有而未成乎形，气自足也。聚散变化，而其本体不为之损益。”在此，王夫之不仅肯定了世界的物质性，而且从数量关系上阐明了物质是永恒的，不生不灭的，即物质不灭原理。他比西方最早提出物质守恒定律的法国化学家拉瓦锡要早100年左右。同时，王夫之又阐发了运动既不能创造又不能消灭的思想，明确提出：“有往来而无死生，往者屈也，来者伸也，则有屈伸而无增减，屈者因有其屈以求伸，岂消灭而必无之谓哉！”古代的哲学著作比较费解，但是不难看出，王夫之这里讲的往、来、屈、伸，指的是物质运动的不同形态，字里行间已经说明，它们之间可以相互转化，但不会被消灭化为乌有。王夫之的这个运动不灭和相互转化的光辉思想与法国哲学家笛卡尔1644年在他的《哲学原理》里表述的“运动不灭原理”遥相辉映。

尽管王夫之的“物质和运动不灭原理”比较粗糙，带有明显的思辩性质，但在300年前，这种真知灼见毕竟是十分难能可贵的。他的科学思想在我国的科学技术史上闪烁着灿烂夺目的光辉。

明代后期，西方物理学知识开始传入我国，不少有识之士，有的从理论角度，也有的从技艺角度来学习与吸收这些新鲜的知识，做出了不少有价值的贡献，例如方以智、孙云球、黄履庄、郑复光、邹伯奇等人，我们将在以后的章节中介绍。

二、物质特性

物质观念

物理学研究的对象是物质，因此物质观念是物理学中一个根本问题。

关于物质的观念，首先是要承认它的实在性，是独立于人的意识的客观存在，否认这一点，就否认世界发展的规律性，也就没有什么物理科学了。我们中国古代的思想家，很大一部分对这个问题持唯物的态度，他们不仅肯定形形色色物质的客观存在，而且企图探源溯本，追求整个世界的本源，推究万物的形态。

现代物理学认为物质有两种基本存在形态，一为不连续的微粒形态，如原子、质子、中子、电子等等；另一为连续的场形态，它具有质量、动量、能量，分布在整个空间。这两种形态的物质，在一定的条件下可以相互转化，因此可以说物质是微粒和场的矛盾统一体。在人类认识史上，这两种物质观争论了好几个世纪，至今还在延续着。在我国古代竟也存在着这两种物质观念。

先介绍微粒说。中国远在先秦时期，对于物质是否无限可分就已经存在尖锐的争论。

在西周时代，人们就注意到物质的分割问题了，那时虽然没有什么学说或理论，但在造字中多少透出一点信息来。譬如“小”字，在最原始的文字里只写作三点，表示细小的意思。西周的金文（就是铸在青铜器上的文字）里就写作“”。据东汉许慎的解释：“”表示一根东西，“”表示劈为两半，意思是说，把一根东西劈了又劈，剩下的就是“小”的形象。但是究竟小到什么程度，那“小”可不可以再劈分呢？这里找不到答案。战国时代儒家的著作《中庸》里就比较明确地指出：“语小，天下莫能破焉。”宋代的朱熹（1130～1200）解释说：“天下莫能破是无内，谓如物有至小而可破作两者，是中着得一物在；若无内则是至小，更不容破了。”这里所说的“莫能破”、“无内”，也就是不可分割的意思。这就论证了物质有不可再分割的最原始单位，就相当于古典原子学说中的原子概念。在英文里，现在被译成“原子”的Atom一词，原来也就是“不可分割”的意思。20世纪初，严复翻译的《穆勒名学》一书，第一次把Atom一词介绍到我国，当时他就译成“莫破”，而把现译为“原子论”的Atomic Theory译为“莫破质点律”，大概就是以《中庸》书里的字词为渊源的。而“无内”一词，并不始于朱熹，远在战国时期，有个名叫惠施的人（约前365—前310年）曾说过一句话，叫做“其小无内，谓之小一”。意思是说“小一”这东西，不再有内，也就无法再分割了，即是最原始的微粒。

主张不可无限分割的一派，最著名的是战国时期的墨家。《墨经》里面专门有两条谈论这个问题，说得很透彻。一条《经》文说：“端：体之无序最前者也。”译成现代话就是说：“端”是组成物体（“体”）的无可分割（“无序”）的最原始的东西（“最前者”）。这“端”就很近似于原子的概念了。“端”为什么不可分割呢？解释这条《经》文的《经说》指出：“端是无间也。”意思是说，一个“端”里，没有间隙，所以不可分割。《墨经》另有一条用逻辑推理的方法去论证物质的不可无限分割。《经》文说：“非半弗则不动，说在端。”“”就是砍的意思，译成现代话就是：不能分为两半的东西是不能砍开的，也就对它不能有所动作，它便是“端”了。这条《经说》解释说：“非：半。进前取也：前则中无为半，犹端也。前后取：则端中也。必半，毋与非半，不可也。”墨家认为，砍一个物体，一定分为两半（“必半”），如没有或不能分为两半的就是不可砍开的（“毋与非半，不可也”），如将一物体不断地分半，最后便能得到一个最原始的“端”。这有两种取法，一为“进前取”，即从后至前，一半一半地取来，到了最前处必有一个不能再分半的“端”留着。另一种是“前后取”，即在前后两头同时向中央取去，则那个不可分半的“端”，必留在当中。这里不但作出比较缜密的论证，而且他们可能认为组成任何物体的微粒数目，总不外于单数或双数两种情况，所以用“进前取”与“前后取”两种办法总可以得到最小的“端”。这种研究可以说是深入细致的，是我国古代原子论的杰出代表，和古希腊的原子论者德谟克勒特正可以相互辉映。

主张物质可以无限分割的，以战国时期叫作“辩者”的一派为代表，其中最著名的是公孙龙（约前320—前250）。他有一句有名的话，叫做“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”“棰”就是木杖。意思说，一条尺把长的木杖，今天截取一半，明天截取一半的一半，依此截取下去，永远截不完。这等于说木杖可以无限地分割。正与上面惠施的“小一”理论尖锐地对立着。据说当时两派争论得十分激烈，以致“终身无穷”。

过去，有的人大概接受了墨家的物质理论，结果把公孙龙的说法也纳入墨家的理论。比如从晋代起，有人干脆用“端”的概念去解释“尺棰”的说法，这是不对的。也有的人，只从古典原子论的观点出发，认为公孙龙的说法是错误的，说它只是一个数学上的无穷小概念。更有的人，因为“辩者”同时提出的还有什么“鸡三足”、“卵有毛”、“火不热”之类的奇怪命题，也就把“尺棰”的说法判了一个“诡辩”的罪名，当然是很不公平的。公孙龙臆测到物质的无限可分，应该说是符合于辩证法的。

现在来介绍连续的物质形态学说。我国古代的这类学说是从探求物质本源中来的，并且是逐步发展、充实的。春秋战国时期的思想家们提出了不少的见解。例如《管子》中认为“水”是“万物之本源”（《水地篇》）。企图用一种具体的东西概括世界及其现象，是做不到的。当时以及后来还提出了诸如“道”、“太极”、“太初”、“太始”、“太素”、“一”等。这些概念虽各有其不同的意义，后人的理解也很不相同。但它们共同的意义在于用以给自然界作出统一的解释。比如“太极”，《易·系辞》说：“易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。”明确地认为“太极”是派生万物的本源，孙中山先生把它比附为“以太”，说：“元始之时，太极（此用以译西名‘以太’也），动而生电子，电子凝而成元素，元素合而成物质……”（《孙文学说》）。

这许多概念之中，发展得最充分的是《管子》中提出的“精气”学说。原来它兼指物质与精神，《荀子》也提到“气”。到了东汉，王充就已指出：“天地，含气之自然也”（《论衡·谈天》），明确主张“元气自然论”。后来经过晋代的稽康（224～263）、杨泉、唐代的柳宗元（773～819）、刘禹锡（772～842）、李觏（1009～1059）等唯物主义思想家的发展丰富，特别是宋代的张载，把它推向高峰，

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