三国两晋南北朝时期的物理学.doc

三国两晋南北朝时期的物理学在三国两晋南北朝时期的物理学中，虽然总的说来没有取得如先秦和秦汉时期那样多的丰硕成果，但在力学、声学、光学、电和磁学等知识方面，仍有不少值得称道的新的进展。一、力学知识力系的平衡三国时期，人们已研究了系统的力的平衡问题。魏明帝（226230）时关于凌云台的修造和倾倒情况是很突出的例子。刘宋时刘义庆世说新语载：“凌云台楼观精巧，先称平众木轻重，然后造构，乃无锱铢相负。揭台虽高峻，常随风摇动，而终无倾倒之理。魏明帝登台，惧其势危，别以大木扶持之，楼即颓坏。论者谓轻重力偏故也。”这一段话是说，在建造凌云台之前，预先做出精密的设计，建台时又“先称平众木轻重”，这样建成的楼台，便“无锱铢相负”，因而尽管高台常随风摇动，但仍保持了力系的平衡而不致倾倒。后来魏明帝令用大材扶持，反而使楼台颓坏。当时的人就议论说，此台之所以颓坏，是由于“轻重力偏”所引起的后果。这一事例反映了我国当时建筑师的高超水平，也反映了当时人们已具有较高的力系平衡的知识。辘轳的新用途除了用辘轳打水或提举重物外，魏时还以辘轳举人。世说新语载：“韦仲将能书。魏明帝起殿，欲安榜，使仲将登梯题之。既下，头鬓皓然，因敕子孙无复学书。”梁刘孝标注引文章叙录曰：“韦诞字仲将，京兆杜陵人，太仆端子。有文学，善属辞，以光禄大夫卒。”又引卫桓四体书势曰：“诞善楷书，魏宫观多诞所题。明帝立凌霄观，误先订榜。乃笼盛诞，辘轳长絙引上，使就题之。去地二十五丈，诞甚危惧。乃戒子孙绝此楷法，著之家令。”世说新语说韦诞是“登梯题之”，而四体书势则谓以“笼盛诞，辘轳长絙引上”，看来后者或较可信。因匾额高于地面达二十五丈，安梯登梯都相当困难。水浮力的巧妙利用在先秦、秦汉造舟技术以及浮囊渡江等知识的基础上，这一时期还出现了“以舟量物”的好办法。这就是人所共知的曹冲称象的故事。三国志邓哀王冲传载：“邓哀王冲，字仓舒，少聪察岐嶷，生五六岁，智意所及，有若成人之智。时孙权曾致巨象，太祖欲知其斤重，访之群下，咸莫能出其理。冲曰：置象大船之上，而刻其水痕所致，称物以载之，则校可知矣。太祖大悦，即施行焉。”用可分解称量的重物（如一堆石头）代替不可分解的巨象，在船的吃水线（水痕）相同的情况下，算出巨象的重量，这确是巧妙的办法。近人陈寅恪认为，曹冲称象的故事系佛教故事流传中国后比附而成的，季羡林亦持此说，这或许有可能。中印文化交流甚早，公元前242年，西域沙门室利防等18 人曾携带梵本经籍到过咸阳。 隋书律历志。 刘义庆：新语世说卷五巧艺第二十一。 刘义庆：世说新语卷五巧艺第二十一。 陈寅恪文集之一寒柳堂集，上海古籍出版社1980 年版，第157161 页。至少在公元前1 世纪印度佛教已由克什米尔传入于阗。但是宋人吴曾的能改斋漫录卷二载：“予按符子曰：朔又献燕昭王以大豕，曰养奚若，.王乃命豕宰养之。十五年大如沙坟，足不胜其体，王异之，令衡官桥（桥即大衡器）而量之。折十桥，豕不量。命水官浮舟而量之，其重千钧。.乃知以舟量物，此燕昭王时已有此法矣，不始于邓哀王也。”燕昭王于公元前311前279年在位，此时佛教故事或未传入中国，那么浮舟量豕之事可说是中国之发明。然而符子原书已佚，且系汉晋时人追叙春秋遗事，难以为据。不过，以舟量物之事不论是否由印度传入（抑或由中国传至印度），从三国志所载，可知我国魏晋时期已经拥有利用水浮力称量重物的知识了。除以舟量物外，水浮力还广泛利用于农事选种上。北魏农学家贾思勰在齐民要术中说：“将种前二十许日开出，水洮（浮秕去，则无莠），即晒令燥，种之。”又说：“地既熟，净淘种子（浮者不去，秋则生稗）。”水浮法选种虽初见于齐民要术，但其渊源应当更早。对大气压力和浮力的进一步认识南北朝时期成书的关尹子载：“瓶有二窍，以水实之，倒泻，闭一则水不下，盖不升则不降；井虽千仞，汲之水上，盖不降则不升。”这是一个关于大气压力的实验。所谓不升不降或不降不升之说，即是人们从实验中得出的经验知识。当瓶倒覆之时，二孔之中，只有其一孔进入空气，另一孔才可出水；若闭其一孔，即不让空气进入瓶内（不升），则另一孔的孔面就会被空气所阻，水也不会流出（不降）。井筒汲水，气从筒外降至井之水面，则水可从筒汲上；若气不降（例如井盖严密封闭，空气无由出入），则井水亦不被汲上（不升）。当时人们虽没有明确的“大气压力”的概念，但业已知道空气具有阻遏水的流动的能力，或者说具有浮托水孔中的水的能力。魏晋时期人们还利用空气的反作用力制成飞行器具。葛洪（284363）在抱朴子中说：“或用枣心木为飞车，以牛革结环，剑以引其机。或存念作五蛇六龙三牛，交罡而乘之，上升四十里，名为太清。太清之中，其气甚罡，能胜人也。师言鸢飞转高，则但直舒两翅，了不复扇摇之而自进者，渐乘罡气故也。”飞车是类似竹蜻蜓之类的玩具，状如现在的电风扇，其叶片从轴心按一定方向顺次斜插，可借助空气的浮力升空。其中所谓“剑”，即是通过牛革绳以旋动轴心的拉弓。近人王振铎对此飞车作了精审的考证和复原。抱朴子的作者指出，太清之中，罡气能托起人（胜人），并说鸢飞高空，虽不复扇翅，仍可渐乘此罡气而自进，这说明当时人们对空气浮力有较深的理解。晋人郭璞（276324）注山海经时，也谈到“飞车”。山海经海外西经“奇肱之国”条下郭璞注：“其人善为机巧，以取百禽。能作飞车，从风远行。汤时得之于豫州界中，即坏之，不以示人。后十年，西风至，复作谴之。”类似的文字也见于晋张华（232300）博物志中。 季羡林：中印文化关系史论文集，三联书店1982 年版，第122 页。 沈福伟：中西文化交流史，上海人民出版社1985 年版，第78 页。 贾思勰：齐民要术卷一收种第二。 同上卷二水稻第十一。 关尹子卷下，九药篇。 葛洪：抱朴子内篇杂应卷第十五。 王振铎：葛洪中飞车的复原，中国科技史料第6 卷第1 期（1985 年）。 山海经海外西经郭璞注。二、声学知识三国两晋南北朝时期的声学研究有较大的突破，主要表现在对律管内气柱振动的研究和对音律的研究两个方面。律管气柱振动问题对律管内气柱振动的研究是由乐器的以管定音引起的。汉代京房发现律管的音高与管长不协，提出“竹声不可以度调”，因而创设以弦定音的弦准“均钟”。但弦线对湿度要求较高，季节变化对“准”的影响较大。晋代荀勖（？289）另辟蹊径，研究律管的音高和管长关系，解决了以管定音的问题。实际上这一问题就是律管的气柱振动问题。一支开口的律管，管内的气柱振动要越出管端，即气柱的长度要比律管稍长。长出部分的数值正好等于律管长度与另一较高四律的律管长度之差，这个差数即是所谓“管口校正数”。荀勖是通过对音高的辨别，得出这个校正数的。晋书律历志载：“荀勖用十二律造笛像十二枚，声均调和，器用便利，讲肆弹击，必合律吕。”也就是说，荀勖利用这一管口校正数制出十二支笛管，以应十二律。笛管上所开各孔，合于音阶各音。以黄钟笛为例：荀勖当时黄钟的长度为9 寸，折合今尺为20.7798 厘米，而较高四律的姑洗长度为7 寸1 分1 厘强，合今尺为16.4186 厘米，相差4.3612 厘米，这就是黄钟笛上的管口校正数，亦等于黄钟笛的气柱长度同该笛宫音孔位至吹口距离的差数。荀勖以此差数（即管口校正数），用三分损益法精确地定出了黄钟笛上宫商徵羽各孔位置，制成了音高准确的管乐器。这种对管内空气振动的研究和对律管发音规律的探讨以及管口校正数的得出，是中国古代律学史上的一大进步，对后世产生了很大的影响。音律研究的新成果汉京房为求旋宫转调，在十二律的基础上，用三分损益法定出六十律，这种作法虽然繁琐且并未解决旋相回宫的问题，但其积极探求真理的态度，客观上推动了律制的研究。南北朝时刘宋太史钱乐之对京房六十律加以引伸，在宋元嘉年间推出三百六十律，以附会周年360 日。这类引伸没有多大理论意义和实际价值。同时代人何承天（370447）则摈弃京、钱之法，只在十二律内进行各律长度的调整，使得最后一律能回到出发律上。以黄钟律为例，黄钟律长9 寸，生律第11 次得仲吕长6.66 寸，再生律一次，即用三分损益法求得律长4.44 寸。移低八度，得倍长8.88 寸，比出发律（黄钟）短0.12 寸。何承天将此差数0.12 寸适当地分作12 份，分别加在各律上，形成中国音乐史上最早的十二平均律，初步使十二律周而复始，近似地达到了旋相回宫的目的。 张华：博物志卷二，外国。 参见缪天瑞：律学，人民音乐出版社1983 年版，第127130 页。共振现象的研究共振现象在声学中即是共鸣现象。这一现象在先秦和秦汉时期就已被观察到了。庄子和易传中都曾有所记载。魏晋时期人们除了认识共振现象外，还掌握了消除共振的方法。刘宋刘敬叔（390470）在异苑中有两条记载涉及共振现象：“魏时殿前大钟无故大鸣，人皆异之。以问张华，华曰：此蜀郡铜山崩，故钟鸣应之耳。寻蜀郡上其事，果如华言。”“晋中朝有人蓄铜澡盘，晨夕恒鸣，如人扣之。乃问张华，华曰：此盘与洛钟宫商相应，宫中朝暮撞钟，故声相应耳。可错令轻，则韵乖，鸣自止也。如其言，后不复鸣。”前一条记的是共鸣现象。张华认为，魏殿大钟是因蜀郡铜山崩毁而引起大鸣的。但蜀郡与魏都洛阳遥遥相距，其铜山崩能否引起洛钟大鸣，值得怀疑。然而张华作出这样的解释，说明他对共鸣现象早有观察并具有一定知识，因而当洛钟无故大鸣时能断定它是共鸣现象。后一条记的是共鸣消除法。张华不但具有共鸣的知识，而且还知道如何消除共鸣的办法。从现代科学观点看，共鸣是因振动体的固有频率同周期性作用的外力的频率相等或相接近而引起振动体振幅的剧增。张华叫人把铜澡盆（振动体）磨掉一些，是为了使其重量变轻，改变其固有频率，这样，铜澡盆就不会同洛钟发生共振，共鸣现象自然就消除了。 参见缪天瑞：律学，人民音乐出版社1983 年版，第121123 页。三、光学知识对视差和大气消光问题的认识我国在战国秦汉之间就提出了对人眼所观察到的远处物体距离远近的判断问题，其中“小儿辨日”的故事尤为著名。列子汤问载：“孔子东游，见两小儿辨斗。问其故，一儿曰：我以日始出时去人近，而日中时远也。一儿以日初出远而日中时近也。一儿曰：日初出大如车盖，及日中则如盘盂，此不为远者小而近者大乎？一儿曰：日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不为近者热而远者凉乎？孔子不能决也。两小儿笑曰：孰为汝多知乎！”日初出时远还是日中时远的问题，实际上是个光学问题，它涉及到视差和大气的消光等因素。这个问题从汉代就开始讨论了。东汉初年桓谭（前？56）在新论中提到：汉“长水校尉平陵关子阳，目为日之去人，上方远而四旁近”。东汉王充（27约79）则把日中时的距离看作是直角三角形的直角边，而把日出入时的距离看作是斜边，从而断定“日中近而日出入远”；至于日中近为什么反而看起来小则是由于亮度对视觉影响的结果（“日中光明，故小；其出入时光暗，故大。犹昼日察火光小，夜察火光大也”）。西晋束晳则认为日中与日出入同人的距离相等（“旁方与上方等”）。他先从生理上找原因，认为人们习惯于平视，对于同大的物体，仰视时总觉其小（“旁视则天体存在于侧，故日出时视日大也。日无大小，而所存者有伸厌。厌而形小，伸而体大”）。又从亮度上分析人们视白小，视赤大（“日始出时色白者，虽大不甚；始出时色赤者，其大则甚”）。还从比衬的角度分析，认为有比较则觉其大，无所比较则觉其小（“且夫置器广庭，则函中之鼎如釜；堂崇十仞，则八尺之人犹短。物有陵之，非形异也”）。因此，他认为“物有惑心，形有乱目”，“此终以人目之惑，无远近也”。总之，束晳从生理、亮度、比衬三个方面解答了日出日中的视差问题。后秦姜岌赞同日出日中与人距离相等的观点。他还进一步指出，日出日入时所呈现的赤色是由于“地有游气”作用的结果（“夫日者纯阳之精也，光明外耀，以眩人目，故人视日为小。及其初出，地有游气，以厌日光，不眩人目，即日赤而大也。无游气则色白，大不甚矣。地气不及天，故一日之中，晨夕日色赤，而中时日色白”）。在这里，姜岌用“游气”已对日出入时的赤色作了科学的解释，实际上他所认识的是关于大气的吸收与消光问题。关于多面平面镜成象和凸透镜取火的认识魏晋时期人们已开始用多面平面镜进行成象实验。葛洪在抱朴子中说：“明镜或用一或用二，谓之日月镜。或用四，谓之四规者，照之时，前后左右各施一也。用四规所见来神甚多，或纵目，或乘龙驾虎，冠服彩色，不与世同，皆有经图。”用两个平面镜或用四个平面镜照人，可得到众多的人像，“所见来神甚多”即指此。这是葛洪的实验所得。 刘敬叔：异苑卷二。 列子汤问。 桓谭：新论，离事第十一。 王充：论衡说日。 王锦光等：中国光学史，湖南教育出版社，1986 年，第128129 页。西汉时期成书的淮南万毕术载有削冰令圆以取火的方法。晋张华也提到此事，而且他更进一步提到用珠取火。他说：“削冰令圆，举以向日，以艾于后承其影，则得火。取火法如用珠取火。多有说者，此未试。”这是现存历史文献中最早关于用珠取火的记载，说明当时人已有以珠聚焦取火的知识。当然，这里所说的珠，应该是相当大的水晶球、琉璃球或玻璃球。关于以珠取火，在晋王嘉所撰的拾遗记中也有类似的记述：糜竺“货财如山，不可算计。内以方诸盆瓶，设大珠如卵，散满于庭，谓之宝庭，而外人不得窥。.旬日，火从库内起，烧其珠玉十分之一。皆是阳燧旱燥，自能烧物。”王嘉认为这是因“阳隧旱燥”起燃，但文中提到“设大珠如卵，散满于庭”，所以也有因珠聚焦起火的可能性。 薛道远：大气吸收、消光和蒙气差现象在我国的发现，载科技史文集第3 辑，上海科技出版社，1980 年，第7778 页。 葛洪：抱朴子内篇杂应。 张华：博物志卷四戏术。四、电磁学知识我国远在战国秦汉时期就对静电现象和静磁现象进行观察研究，并创制了磁性指向器司南。魏晋南北朝时期，这种观察研究仍在继续进行，并取得了一些新成果。关于静电现象的进一步发现汉以前人们已知玳瑁、琥珀等物体经过摩擦可以吸取草芥等一类轻小物体。至三国时期，人们又发现发霉以后的腐芥不被吸引。三国志吴书载：“虞翻少好学，有高气。年十二，客有侯其兄者，不过翻。翻追与书曰：仆闻琥珀不取腐芥，磁石不受曲针。过而不存，不亦宜乎！”从现代科学观点看，草芥要能被琥珀吸引，必须干燥，在带静电的琥珀作用下，草芥表面也形成带相反极性的静电层，因而能被琥珀所吸引。而腐芥则含有水份，本身已成为导体，自然不能被琥珀吸引。年仅十二的虞翻，闻知琥珀不取腐芥，说明时人已经有此经验知识。南北朝时期，人们还通过能否拾芥的试验来判断琥珀的真伪。刘宋雷教在雷公炮炙论中写道，“琥珀如血色，熟于布上拭，吸得芥子者真也。”可见此时对于琥珀拾芥现象的认识已相当普遍了。关于尖端放电及导电现象的记载汉时已发现“矛端生火”的尖端放电现象。晋代干宝的搜神记亦载，“晋惠帝永兴元年（304），成都王之攻长沙也，反军于邺，内外陈兵。是夜戟锋皆有火光，遥望如悬烛，就视则亡焉。其后终以败亡。”此处的“戟锋皆有火光”等语，亦应是一种尖端放电现象。雷击是自古常见的现象。南北朝时期人们对雷击现象有了新的发现。南齐书载：“永明八年（490）四月六日，雷震会稽山阴恒山保林寺，刹上四破，电火烧塔下佛面，而窗户不异也。”保林寺塔顶由金属为之，佛面也由金粉涂刷，这些都成为导体，当雷暴之时，高能量的雷电使塔顶及佛面形成瞬时电流，从而导致熔化，而木质窗户则不受影响。静磁现象的进一步认识和利用上文提到虞翻已知“琥珀不取腐芥，磁石不受曲针”。此处的“曲针”当是