第8章近代物理学在中国的传入

1、第8章 近代物理学在中国的传入 1 明末清初西方物理学知识在中国的传播2 明末至鸦片战争期间中西物理学的融合3 1840年至清末近代物理学启蒙概述4 西方科学传入与科学的分期（#）1 西方物理学知识在中国的传播 一、早期西方物理学知识的传播 两个方面内容： 一是机械、器具的传入； 二是科学书籍的翻译出版。 1.力学器物的传入 力学器物包括各种升重、提水机械，阿基米德螺旋（中国人称之为“龙尾车”），计时器、钟表和单摆等。 其中，各种升重、提水机械都不同程度被中国人所采用。 水铳（压力水泵），虽极为笨重，但它却成为城市中灭火机械 沙漏、水钟和重锤驱动的自鸣钟同时传入中国，计时器、钟表受到文人儒士的

2、欢迎 远西奇器图说绘画了水钟图，王徵新制诸器图说绘“轮壶图”。 “轮壶”即轮钟，也就是由重锤下落运动驱动并由梳摆控制的自鸣钟。 嘉庆十四年（1809）徐朝俊撰写钟表图说一书，总结了有关制造技术和理论。 钟表图说是我国历史上第一部有关机械钟的工艺大全，亦是当时难得的一部测时仪器和应用力学的著作。 2.光学器具的传人 （1）眼镜一种手持之眼镜于1510年左右通过海陆两路的商贸而传入中国的是老花镜。 （2）三棱镜利玛窦于1582年入华时将三棱镜分别送给广东省和肇庆府总督。此时中国人多称它为“五彩石” 。方以智的记述，中国人立即学会仿造三棱镜，以水晶、烧料作成三面的压纸石。 （3）望远镜 明天启六年（

3、1626）汤若望撰远镜说，对伽利略式望远镜作了简单介绍。 方以智在物理小识历类中曾写道：“西用远镜，四层，皆凸外而洼内，以洼近目。能拓小影为大。” 顺治、康熙直到乾隆初年，除伽利略式望远镜外，其它种类望远镜也传入中国。郑复光记述了开普勒式望远镜： 梅余万先生曾以家藏远镜一具见示，中有铁丝十字。 曾见纯凸数种，怀之可五六寸，展之可三尺者。 所谓“中有铁丝十字”，即今谓之光阑。只有开普勒式望远镜才能在共焦平面上装光阑。所谓“纯凸”，指物镜和目镜都是凸透镜。 (4)显微镜 显微镜，大似金钱，下有二足，以极微极细之物置于二足之中，从上观之，即变为极宏极巨。蛆虱之属，几类犬羊；蚊虻之形，如同鹳鹤。并蛆虱

4、身上之毛，蛇虻翼边指挥彩。都觉得根根可数，历历可观，所以叫显微，以其能显至微之物为使之光明较著也。 十二楼的“夏宜楼” 崇祯历局制造望远镜 崇祯二年（1629），朝廷开设历局，先后由徐光启和李天经督修历法，并聘请了耶稣会士参与修历事。 汤若望入局，所携入华的伽利略式望远镜也常为历局作为观察日月食所用。 崇祯四年十月初一，用望远镜观察了当日之日食。这是中国人最早用望远镜观察天象的一年。 崇祯七年十二月，这具望远镜由历局和汤若望修葺一新之后上进御览。 崇祯八年七、八月间，在李天经主持历局期间，汤若望才制成两具伽利略式望远镜。 汤若望于顺治元年（1644）又制造了一具同样的望远镜进献清朝廷。 明末清

5、初，传教士在华期间，仅汤若望一人制成望远镜三具，别无其他。 温度计 温度计最初是由南怀仁在他的新制灵台仪象志中介绍的。其温度计，管子呈U形，管内置水或烧酒，并装在该U形管的某一水平线以下，在该水平线以上的管子上刻划不等分的温标。它是属于早期的无固定点，且温标不等的空气温度计。 湿度计和气压计 南怀仁介绍的湿度计是一种弦线式吸湿性湿度计。 1689年，来华教士毕嘉（J.D.Gabiani, 16231696）和洪若翰（J.de Fontaney, 16431710）曾向康熙帝奉献“验气管”两架。它们很可能是较早传入宫廷的温度计和气压计。 译著 由德国耶稣会士邓玉函口述、王徵译绘的远西奇器图说，于

6、明天启七年（1627）刊版。它是中国第一部力学和工程机械的译作。 天问略 天问略刊于1615年，它旨在宣传神化了的托勒密体系，即以地为中心的十二重天和天主教义。但在光学知识方面解释了日食、月食的成因，月光的产生和月相变化的原因；还讲出了碗底钱浮的折射例子。虽然在宇宙观和光学知识方面，与古代中国相比并未显出多少优越性，但该书却给中国带来一种新的科学思维和科学方法，诸如以作图法说明日月食和月相变化。虽然这些图是基于托勒密地心说上所绘之示意图，但是，以图说理，以图明象，在中国科学史上还是第一次。 远镜说 远镜说刊于1626年，全书4500字，包括凸透镜、凹透镜成像光路，近视眼与远视眼的矫正，伽利略式

7、望远镜的结构、使用、安装和保养方法，用伽利略式望远镜观察月、金星、黑子、木卫和土星等事。然而，该书“语焉不详”，而且所有光路图都画错了，对鸦片战争前中国光学的发展产生了不良影响。 南怀仁灵台仪象志中的知识 该书成稿于康熙十三年（1674），因制造仪器需要，涉及材料力学知识，集中在卷二中，包括重心与稳定平衡之关系，比重概念，伽利略的木材断裂实验和默森的金属材料断裂实验。 光学知识集中在卷三中，在二个方面讲述了新知识：一是以两个象限仪测定入射角和折射角方法，为中世纪和古代托勒密的方法；二是列出一些物质的折射角数值表，数值大多取自托勒密折射表，个别取自维特罗（Witelo,约12301275）的数值

8、。有三个是从光密介质进入光疏介质的折射角大于90度的情形，这表明南怀仁尚未有全反射概念。 二、明末至鸦片战争期间中西物理学的融合 明末清初传入中国的物理学知识很零散，而且大多是自然知识，但对中国的影响却是积极的。它扩大了中国人的视野，许多学者将其学到的西方科学知识与传统科学相结合，因而在鸦片战争前100年间的闭关锁国时期丰富和发展了中国的传统科学。 力学知识以及中西宇宙观的融合 王徵在译远奇器图说之中，又独自撰稿新制诸器图说。根据重锤驱动的自鸣钟机构，王徵设计了“自行车”、自行磨；将西方自鸣钟与中国传统报时机构相结合而设计了“轮壶”；将西方抽气筒和中国古已有之的虹吸管组成抽水的虹吸机，将桔槔与

9、戽斗组合成提水机械“鹤饮”，等等。 根据西方传入中国的重心、比重等知识，程瑶田（17251814）在考工创物小记中推测考工记所载磬体重心。 邹伯奇不仅指出计算单摆摆长时应注意重心位置，而且撰写了磬求重心术和求重心说，后者计算了垛积术中各种形体的重心，计算了组合体和曲线体的重心。比重的概念及测定物质比重的工作虽是古代人感兴趣的工作，但惟有西学的传播才引起康熙帝和乾隆帝的极大兴趣。 梅瑴成（16811763）在清宫蒙养斋测量了金属、木料、玉石、象牙、牛角计32种物质的比重，其测定值与今日使用值接近。乾隆帝出游，每至一地，必测定该地泉水比重，为此他还特制了一个专为测量液体比重的“银斗”。 宇宙观 起

10、初，传教士带来的是托勒密体系；然后是第谷体系，即修正了的地心说：行星绕太阳运行，而太阳、月球和恒星绕地球运行，传教士以第谷体系制定了崇祯历书。 清初按此体系预算日月食不合。因而采用了开普勒的椭圆轨道的和等面积定理，甚而采用了牛顿的日地距离的数据和计算方法。但不放弃地心说，而将开普勒宇宙体系颠倒过来；将地球放在椭圆轨道的一个焦点上。地球仍处于宇宙中心而且静止不动。 郑光祖不知道哥白尼的日心地动说，更不知道开普勒的椭圆轨道和牛顿万有引力理论。在1822年完成的一斑录中，他对西方传至中国而又被神化了的托勒密体系提出了质疑 。 郑光祖指出中国古代宇宙观的不足：“究未知大地空悬”；同时他感谢利玛窦将悬于

11、空中的球形大地观传到中国，于是，郑光祖修改了西方古代的地心地静观，摒弃十二重天的思想，提出了“地心地动说”。 郑光祖写道： 地转于中，动也。 天空于外，地旋于中。人居地上，不知地之旋于中，而谬谓天之旋于外。犹坐舟中，从穴隙外窥，反认两岸行动，不知舟之载已而行之也。 郑光祖的“地心地动说”，终于打破了地球静止不动的观念，它既高于中国古代传统宇宙观，也高于由传教士带进中国的托勒密体系和神化的宇宙观。这是他融合东西方有关知识的结果。 光学知识的融合 明清之际，不仅朝廷制造望远镜等器具，以供观象修历之需，而且更多的是在民间制造眼镜、望远镜、显微镜等器具，从而出现了一批民间的光学器具制造师，如薄珏、孙云

12、球、黄履庄、黄履、郑复光、邹伯奇等。他们的成就构成此时期丰富多彩的光学史篇章。 郑复光的镜镜詅痴镜镜詅痴一书既接受了明清之际传入中国的西方光学知识，又继承中国传统光学知识的一部代表作。书中参考或采用了耶稣会士所译撰的一些中文著作，同时还参考并采用了许多传统著作，吸收了中国传统文化的精髓。当然，其中最重要的参考书是汤若望的远镜说。 “透光”镜（magic mirror） 历代道家、佛家以复镜实验演示分形术或佛法无边 淮南万毕术记下潜望镜：“大镜高悬，取水盆于其下，则见四邻矣” “透光”镜，即不等曲率平面镜 从宋沈括到清郑复光均有讨论其理 1932年，老Bragg(WHBragg) ： On Ch

13、inese Magic Mirrors邹伯奇的格术补 梁启超曾就近三百年学术史讲道：“以算学释物理，自特夫始”。从邹伯奇的格术补中，可以看到他驾驭数学的能力。他是用数学描述物理（尤其是几何光学）问题的中国近代史上第一人。 邹伯奇的玻璃摄影术 邹伯奇的摄影之器记。 道光十五年（1835年），邹伯奇17岁，读梦溪笔谈塔倒影与阳燧 倒影同理，而兴趣于各种镜的成像现象。“甲辰岁”，即道光二十四年（1844年），“因用镜取火，忽悟其能摄诸形色也。急开窗穴板验之，引申触类而作摄影之器”。 邹伯奇以自制摄影器和感光化学物拍了许多照片。他的自拍像玻璃底板之一迄今尚珍藏在广州市博物馆。20世纪6070年代，在时

14、隔百余年之后还用它冲印了极为清晰的邹伯奇照片。 近代物理学译著概述 1859年是物理学全面、深刻地传到中国的一年。标志是该年出版了三本与物理学相关的著作： 谈天、 重学和代微积拾级。 一是伟烈亚力(Alexander Wylie,18151887)和李善兰合译谈天，该书原本是英国天文学家侯失勒（John Herschel,今译赫歇耳，17921871）的天文学概要（The outline of Astronomy），其中内容有牛顿万有引力定律、日月五星的运动、测定行星质量、开普勒三大定律等。 二是艾约瑟和李善兰合译重学，该书原本是英国物理学家胡威立（W.Whewell, 17941866）的初

15、等力学（An Elementary Treatise on Mechanics）。重学中译本22卷，分静力学、动力学和流体力学三部分，几乎囊括了当时低年级大学生所应掌握的全部力学知识。中译本出版后，在我国影响极大。 三是伟烈亚力和李善兰合译的代微积拾级，其原本是美国数学教育家鲁米斯（E.Loomis,18111889）的解析几何和微积分计算基础（Elements of Analytical Geometry and of the Differential and Integral Calculs），它对微积分概念和计算方法的初浅介绍，不仅适宜中国人的学习，也是力学的数学方法的初次引进。 谈天、

16、 重学和代微积拾级涉及到经典力学和数学方法的内容。在这三本重要的译书工作中，李善兰作出了重大贡献。 艾约瑟和张福僖合译光论，是鸦片战争之后第一本几何光学著作，刊刻于1853年。除了几何光学的一些基本概念之外，该书首次清楚并定量地讲述了折射定律。 丁铎尔的光学在中国翻译出版。使得光电理论统一之前的近代光学知识在中国得到全面、系统的介绍。 光学是由金楷理和赵元益合译、1876年江南制造局刊版。光学译后附有视学诸器图说，分别将三棱镜、透镜、弧面反射镜、显微镜和望远镜等多种光学仪器的原理作了清楚叙述。它的出版，是中国光学史上标志性事件，其中一些术语的翻译不仅影响后来中译光学著作，又影响到日本。 189

17、9年江南制造局刊版通物电光一书，介绍了X光特性、应用、产生原理、仪器及实验设备等，引起了中国人极大兴趣。该书原作者是美国莫耳登（W.J.Morton, 18451920），中译者是傅兰雅和王季烈。 最早出版的电磁学著作是1851年在宁波印行的博物通书，它是由美国浸礼会传教医师玛高温（D.J.McGowan, 18141893）译述的。 1880年上海江南制造局初刊电学，由英国教士傅兰雅口述、徐建寅笔述，原本为英国瑙挨德（Henry M.Noad,又译为“奴塔”）于1867年编写的电学教科书。 18801885年间，江南制造局又刊印了电学纲目，由傅兰雅口述、周郇笔述，原书是英国物理学家丁铎尔于1

18、875年在皇家学会七次电学讲演的讲义。 1898年江南制造局又刊印了无线电报一书，由美国美以美会教士卫理（E.T.Williams,18541944）口译，范熙庸笔述，原著者为英国克尔（原著作姓氏原文不详）。该书重点讲述了马可尼电报机及其金屑检波器，洛奇（O.J.Lodge,18511904,原书译为“劳德基”）对电报机的改进。 谈天序 李善兰以经典物理学发展史实，总结了近代宇宙体系的形成过程，他写道：托勒密（Ptolemy，前90160）和第谷学说与天体运动“不能尽合”，“刻白尔（今译开普勒）求其故，则知五星与月之道皆为椭圆，其法、行面积与时恒有比例也。然俱仅知其当然而未知所以然，奈端（牛顿

19、）求其故，则以为皆重学之理也”。接着，李善兰又叙述了牛顿怎样以“摄力”（万有引力）解释和计算日地距离及其运动，顺此他向世人宣告：日心地动、椭圆轨道和摄力之理，“定论如天，不可移矣”。 近代物理教学的肇端 洋务运动，除了办工厂（制造局），造轮船、枪炮之外，还相继办起了以汲取西方科技知识为主的文教机构。1862年清政府办京师同文馆，旨在培养翻译人才，承办洋务。馆内教书与译书并行。1866年同文馆增设天文、算学二馆。1888年，又设格致馆、翻译处。仿效同文馆，各地相继设立类似学校。如： 上海广方言馆成立于1863年。 1864年开设广州同文馆。 1893年成立湖北自强学堂。 各地创办的制造局也设立相应的技术或军事技术学堂： 1865年开办上海江南制造局， 1868年该局下设翻译馆， 1874年设操炮学堂。 1866年开办福建船政局和船政学堂。 1880年在广东设立旨在造船、驾驶的实学馆（西学馆）。 1880年，天津设立电报学堂和水师学堂， 1885年设天津武备学堂。 在这些不同性质的学校中，物理学教育，无论其内容深浅，都是一门必需的课程。 李鸿章于光绪二年十一月二十九日（1877年1月13日）奏疏中说： 窃谓西洋制造之精，实源本于测算、格致之学，奇才迭出，日新月异。 京师大学堂的创办是我国近代国立大学的肇始，1902年由于同文馆并入而初具规模。 管