墨子发现小孔成像这件事,含金量如何?

短史记 2018-11-22 09:59 原创

问:墨子的小孔成像是真的吗?是他从小孔成像发现了光线直线传播吗?

文 | 谌旭彬

墨家的确发现了小孔成像。

《墨经·经说下》中留有这样一段记载:

“光之人,煦若射。下者之人也高,高者之入也下。足蔽下光,故成景于上;首蔽上光,故成景于下。在远近有端与于光故景库内也。”

将这段话翻译成白话,大意如下:

“光线照到人(光之人),人体所反射的光线好比箭射那样地直线前进(煦若射)。这样,人的下部在屏之高处成像;人的高部在屏之下面成像(下者之人也高,高者之入也下)。即所成之人像为倒转。何以故呢?这是因为,来自足部的光线,其下面一部分被遮蔽了;来自头部的光线,其上面一部分被遮蔽了的缘故(足蔽下光,故成景于上;首蔽上光,故成景于下)。但正因为在光路上或远或近存在着小孔,可让光线透入,故暗匣内所成之象是个明亮的影像(在远近有端与于光故景库内也)。”

这段表述,用戴念祖的话来总结,就是:

“本条《墨经》文字不仅描述了小孔成像的情形,而且指出了光线的直线行进性质。”

这一发现,与当时的其他文明相比,确实超前。有人说它是“世界上第一次明确指出光沿着直线传播”,并不为过。

图:《墨经》小孔成像示意图

遗憾的是,这种超前发现,并未能够成为一种代代相传的知识,而是很快被埋入了历史的尘埃深处。

司马迁撰写《史记》之时,不但《墨经》已鲜少出现在知识分子的视野,且已没有足够的资料可为墨子立传,仅于《孟子荀卿列传》中留下24个字:

“盖墨翟,宋之大夫,善守御,为节用。或曰并孔子时,或曰在其后。”

秦汉以降,中国知识界在“小孔成像”这个问题上,长期处于一种重复发现、重复研究的状态。

比如,以博闻而知名的唐代笔记小说家段成式,在其著作《酉阳杂俎》中留下了这样一段记载:

“咨议朱景玄见鲍容说,陈司徒在扬州,时东市塔影忽倒。老人言,海影翻则如此。”

把塔影的颠倒归因为“海影翻”,较之《墨经》中关于“小孔成像”的表述,可以说是很大的退步了。

北宋的沈括,也观察到了相似的现象——透过窗隙(相当于小孔),会形成颠倒的鸢影和塔影。

《梦溪笔谈》中的原文如下:

“若鸢飞空中,其影随鸢而移,或中间为窗隙所束,则影与鸢逐相违,鸢东而影西,鸢西则影东。又如窗隙中楼塔之影,中间为窗隙所束,亦皆倒垂,与阳燧一也。阳燧面洼,以一指迫面而照之则正;渐远则无所见;过此遂倒。其无所见处,正如窗隙、橹臬、腰鼓碍之,本末相格,遂成摇橹之势。……《酉阳杂俎》谓海翻则塔影倒,此妄说也。影入窗隙则倒,乃其常理。

由这段叙述,可以看出,沈括不但观察到了“小孔成像”会出现倒影,也观察到了“凹镜(即阳燧)成像”可以同时形成正影和倒影。他不相信段成式“海翻所以影倒”的怪力乱神式的解释,但他自己把“小孔成像”与“凹镜成像”的原理归为一类(与阳燧一也),却也是错误的——小孔成像的原理在于光的直射,凹镜成像的原理在于光的反射,其实是两类不同的光学现象(许多科学史著作称沈括正确解释了小孔成像的原理,误)

而且,用“凹镜成像”来解释“小孔成像”,不过是“用现象来解释现象”,并不等于沈括懂得了某种光学原理,他所谓的“乃其常理”,其实并未触及到“理”。

图:鸢影颠倒的“小孔成像”示意图

南宋的陆游,也是“小孔成像”现象的重新发现者。在《老学庵笔记》中,他记下了自己的一段亲身观察:

“沈存中(即沈括)以谓大抵塔有影必倒。余在福州见万寿塔、成都见正法塔、蜀州见天目塔,皆有影,亦皆倒也。然塔之高如是,而影止三二尺,纤悉皆具。或自天窗中下,或在廊庑间,亦未易以理推也。”

陆游所观察到的颠倒的塔影,是透过天窗或廊庑之窗(相当于小孔)形成的。“未易以理推也”这几个字,显示沈括“以现象解释现象”的做法,并没有让陆游满意,他对“小孔成像”一事,仍是知其然而不知其所以然。

到了元代,又有陶宗仪观察到了“小孔成像”:

“平江虎丘阁,板上有一窍(相当于小孔),当日色清朗时,以掌大白纸承其影,则一寺之形胜,悉于此见之,但顶反居下耳。”

图:陆游《老学庵笔记》对小孔成像的记载

现象的发现,在不断重复;原理的探索,也是同样。

元代的赵友钦,在这方面用力最大。他不但发现了光可以通过壁间小孔形成倒像,还曾以楼房为实验室,设计过一种大型的小孔成像实验,证明了成像与小孔的形状无关;孔的大小会影响像的亮度,但不会改变像的大小……总之,赵友钦的实验,穷尽了改变孔的大小、改变光源的强弱和方向、改变物距(物体和小孔的距离)和像距(成像屏与小孔的距离)等试验方式。

此外,元代的郭守敬,也曾将小孔成像的原理,应用于天文仪器之中。

至于墨家在光学领域的科学成就,重新获得中国知识界的重视,已是晚清时候的事情了。

图:赵友钦的实验装置示意图

“小孔成像”所经历的重复发现与重复研究,在中国古代科技史上并非个案。

比如,指南车这种东西,《史记》中已有记载,附会为黄帝所造,却无造法传世;东汉的张衡曾重新发明,也没有留下造法;三国的马钧只好再次重新发明;到了南北朝,造法失传,又有祖冲之尝试,想要重新发明。

青蒿素也是一个典型案例。青蒿治疗疟疾,最早见于东晋葛洪的《肘后备急方》,里头说的是“青蒿一握,水一升渍,绞取汁,尽服之”。此后,青蒿具有抗疟疾效用的记载,散见于宋代的《圣济总录》、元代的《丹溪心法》、明代的《本草纲目》等。这种散见,并不意味着“青蒿能治疗疟疾”已成为一种固定的医学常识,相反,因为知识流通不畅、流通过程中的信息流失、缺乏双盲·随机·分组对照实验的理念,“青蒿能治疗疟疾”这一知识,既未广泛应用于抗疟,其范围有限的传承,甚至还出现了严重偏差,比如,《本草纲目》里记载的可治疟的“青蒿酒”,制作方法已变成“青蒿捣汁,煎过,如常酿酒饮”——屠呦呦等人在1970年代对青蒿抗疟作用的重新发现已经证实,青蒿须“用低沸点溶剂提取”;以高温“煎”青蒿汁,会破坏抗疟效果,并不是正确的做法。

简言之,科学技术要想摆脱漫长的重复发现与重复研究,取得实质性的积累与进步,须依赖信息的充分分享。具体而言,就是包括学术期刊、专业出版物、高校及专业研究机构等在内的近代学术体系的建立,也就是要有“学术共同体”。

缺少上述条件,所以,从墨子到沈括陆游,从《肘后备急方》到《本草纲目》,小孔成像与青蒿可治疗疟疾,都不可避免地陷入到了重复发现之中,甚至出现知识积累的偏差。

这是古代科技史上的常见现象,中外皆是如此。当然,这无损于《墨经》“世界上第一次明确指出光沿着直线传播”的科技史地位。

但认识到这种现象的存在,仍有其现实意义。至少,在日常生活中遇到诸如“×××经过了数千年的实践检验”之类的宣传语时,可以先审视一下这种“数千年的实践检验”,是否真的存在。因为在典籍保存困难、知识流通不畅的前提下,造就的往往不是“数千年的实践检验”,而是一轮又一轮的再遗忘与再发现。

图:司母戊鼎与四羊方尊。

受国家机器控制、由专业人员负责、知识可有效传承积累,是先秦时期中国青铜冶炼技术先进的核心原因

洪震寰,《<墨经>光学八条釐说》,《科学史集刊》第4期,第14页。具体文字的释意,学界存在颇多意见,另可参见:陈奇猷,《墨子的科学——力学与光学》,收录于《中华文史论丛(第4册)》,中华书局,1963,第60~61页。亦可参见:高亨,《墨经校诠》,中华书局,1962,第129~130页。

戴念祖、张旭敏,《中国物理学史大系:光学史》,湖南教育出版社,2001,第136页。

《史记.孟子荀卿列传》。有学者认为这段记载并非《史记》原文,而是相应原文遗失后,后人补缀。无论何种情况,皆说明在两汉之际,墨子的生平资料已经模糊不清。

《酉阳杂俎前集卷四.物革》。

《梦溪笔谈卷三辩证一.阳燧》。

《老学庵笔记.卷八》。

关增建、马芳,《中国古代科学技术史纲:理化卷》,辽宁教育出版社,1996,第289~294页。以上梳理,也参考了该书。

具体如何从中医药方中筛选出青蒿,可参见:余亚纲、顾国明/口述,《青蒿抗疟作用的再发现过程》;屠呦呦/口述,《青蒿素的发现》,收录于《“523”任务与青蒿素研发访谈录》,湖南教育出版社,2015,第148~193页。

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