中国古代物理知识及其应用举要

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1、中国古代物理知识及其应用举要 中国古代很早即有物理一词，但其泛指一切事物的道理。正如明末方以智的物理小识所说， “物理在一切中” ，即使“性命、生死、鬼神” ，也“只一大物理也。 ”有人认为“中国古代物理学是有术无学” ，只是停留在经验阶段，没有理论、没有方法，充其量也只达到一定程度技术的层次。也有人认为中国古代人的与物理学有关的经验理论也是科学理论，中国古代物理学悠久而内容丰富。 抛开学术上的争论客观地讲，一方面中国古代人对许多物理现象有比较深刻的认识并上升到经验得以应用，另一方面中国古代人也曾对自然现象的认识达到极高度抽象的理论层次，并用这些理论理解和解释自然现象、物理现象。中国古代有没有

2、物理学，这一方面不同人有不同的理解，另一方面重要的是必须依靠史实说话。只要对中国古代的物理知识和中国古代解释自然现象的理论有充分的认识，人人都可以得出一个结论。因此，认真学习这部分知识，就比一味地争论更加重要和有意义。而且人们对这个问题的结论，还受限于我们的历史观念以及我们所能掌握的史料之丰富程度，而这两方面都是可变量。如 1987 年在河南贾湖斐李岗文化遗址，现为中国科技大学研究员的张居中等人发现了距今 8000 年左右的完整的由鹤类长肢骨制成的骨笛，这些骨笛长约 20，7 孔，有 7 个音阶。这一发现使中国的音乐文化历史一举远远超越巴比伦、埃及的音乐历史。象这类发现的出现自然要修正我们对中

3、国古代相关物理知识的历史看法。因此，随时间的推移、研究的进步、新发现的出现，人们对中国古代物理知识的认识难免还会发生变化。下面首先简单展示一下中国古人在认识自然现象时形成的物理知识及其应用情况。 1。力学知识及应用 A时空观 早在战国时魏国的尸佼（前 390前 330）就给出了宇与宙的定义：“四方上下曰宇，往古今来曰宙。 ”（尸子 ） 。不难看出，宇是指空间，宙是指时间。 庄子：杂篇庚桑楚中也提到了宇宙：“有实而无乎处者，宇也；有长而无本剽（本末）者，宙也。 ”意思是有实体而没有处所，叫做宇；有成长而不见本末，叫做宙。显然庄子认识到了物质寓存于空间（宇） ，而空间（宇）本身做为一种存在而不象物

4、存于宇那样，存身于另一对象之中以及时间（宙）之绵延而无形无影属性。 墨经中也有与尸子意义相近的关于宇与宙（久）的定义：“宇，弥异所也” ， “久（宙） ，弥异时也” 。至汉代，张衡、王充更是认识到了时间空间的无限性：“宙之端无穷”（张衡：灵宪 ） ；“天去人高远，其气苍芒无端末” （王充：论衡 ） 。 中国古人关于宇宙的模型主要有三个。 （1）盖天说 最早的盖天说起于周代，主张“天圆如张盖，地方如棋局” （晋书天文志） 。 （2）浑天说 主张代表人物是东汉的张衡，他认为：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大地；天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。 ”

5、（张衡：浑天仪 ） （3）宣夜说 传说出自殷代。 晋书天文志写道，宣夜之书亡，惟汉秘书郎郗萌记先师相传曰：“天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀精绝，故苍苍然也。譬之旁望远道之黄山而皆青，俯察千仞之深谷而窈黑。夫青非真色，而黑非有体也。日月众星，自然浮生虚空之中，其行且止皆须气焉。是以七曜或逝或住，或顺或道，伏见无常，进退不同，由乎无所根系，故各异也。 ” B对运动的认识 墨经经上说：“动，域徙也。 ”显然这是指物体位置改变的机械运动。 关于静止， 经上说：“止，以久也。 ”表明对静止的理解物体在某一位置停留一段时间。在庄子中，庄子记述了其好友惠施的一些学术观点，其中有：“轮不碾地”以及“飞鸟之

6、景未尝动也”的说法，可以想见其对运动的思索已达到相当高的认识水准。 中国古人对运动的相对性较早也有了清楚的认识，有关这方面的文献很多，如汉代成书的春秋纬元命苞中即说：“天左旋，地右动。 ”而南唐的谭峭在其著作化书中也说：“作环舞者，宫室皆转，瞰迥流者头目自旋。 ” 更加令人惊异的是在汉代成书的尚书纬考灵曜中，我们可以看到善于观察的古代中国人竟然认识到了力学的相对性原理的思想：“地恒动不止，而人不知。譬如在大舟中，闭牖而坐，舟行而人不觉也。 ” 力学的相对性原理也叫伽利略相对性原理。在 1623 年出版的伽利略的著作两大世界体系的对话中，伽利略是这样描述的：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主

7、舱里，再让你带几只苍蝇、蝴蝶和其它小飞虫。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面一个宽口罐里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方面飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，你向这一方向不比向另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细观察这些事情后（虽然当船停止时，事情无疑一定是这样发生的） ，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动。你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你无法从其中任何一个现象来确定，船是运动还是停着不动。” 伽利略的思想与中国古人的智慧何其相似！最保守地估计中国古人

8、的这一思想的提出早于伽利略也在 1600 年以上。C 动力学方面的知识 考工记中说：“马力既竭，輈犹能一取也。 ”显然对惯性有了一定的认识。 王充在其论衡状留篇中说：“车行于陆，船行于沟，其满而重者行迟，空而轻者行疾。 ”可见王充的观点现在看来，对惯性有了更进一步的认识。 墨经经上说：“力，刑之所以奋也。 ”这句话的含义，学术界还有争议，但不可否认这是有意识的对力的一种定义，而这句话很大程度上断定了力与形变的关系。 墨经经上说：“力学，重之谓。 ”这表明在当时看来，重力仍是最常见最重要的力之一。直到近代西方力学早期翻译成中文时，还曾译为重学。 中国古人对弹性力也曾有深刻的认识。 考工记弓人中有

9、“量其力，有三均”的说法。东汉郑玄在注解时说：“参、均者，谓若干胜一石，加角而胜二石，被筋而胜三石，引之中三尺。假令弓力胜三石，引之中三尺，弛其弦，以绳缓擐之，每加物一石则张一尺，故书胜 。 ”唐代贾公彦对郑玄的话又做如下解释：“此言谓弓未成时，干未有角，称之称一石；后又安角，胜二石；后更被筋，称之即胜三石。 引之中三尺者，此据干、角、筋三者俱总，称物三石，得三尺。若据初空干时，称物一石，亦三尺；更加角，称物二石，亦三尺；又被筋，称物三石，亦三尺。郑又云假令弓力胜三尺，引之中三尺者，此即三石力弓也。必知弓力三石者，当驰其弦，以绳缓擐之者，谓张之，别以一条绳系两箫，乃加物一石张一尺；二石张二尺，

10、三石张三尺。 ” 学术界基本认为中国古人在制造弓弩的过程中应用了弹性定律的知识。弹性定律在西方称胡克定律，由英国物理学家胡克于 1660 年左右发现，而这比郑玄即晚了近 1500年。 汉代王充除对惯性有比较深刻的认识，还清楚只有外界其他物体的作用力才能改变物体的状态。他在论衡效力篇中说：“古之多力者，身能负荷千钧，手能决角伸钩，使之自举，不能离也。 ” D 简单机械方面的知识及应用 杠杆是最简单的机械，中国古人制造的简单机械中，应用杠杆平衡原理的也最为常见。将一长杆通过绳索悬挂于一立柱上，以悬挂点为支点，长杆可象秤杆一样上下摆，使支点不在杆的中点，这样的装置中国古人称之为桔槔。传说商汤时“伊尹

11、始作桔槔”（明代罗颀：物原 ） 。这种装置在 20 世纪 7080 年代中国农村尚可普遍看到，主要用于取水，在杆系桶的另一端一般还可以系重物，根据杠杆平衡原理，这样提水时省力。汉刘向在说苑反质中说：“卫有五丈夫，俱负缶而入进灌韭，终日一区。邓析（春秋末人）过，下车为教之曰：为机重其后，轻其前终日灌韭，百区不倦 。 ” 利用杠杆原理的还有脚踏碓、水碓以及天平、杆秤等等。 墨经经说下说：“衡，加重于其一旁，必捶权，重相若也。相衡，则本短标长。两加焉，重相若，则标必下，标得权也。 ”学术界认为这叙述的是杠杆平衡原理。其中标与本分别指秤杆的支点到秤锤之距离和支点到悬秤钩处之距离，权即秤锤或砝码。195

12、4 年在湖南长沙左家公山战国楚墓出土的天平横杠长 27，离杆端 0.7处有两盘，以两为单位的砝码系列有：4.00，1.78，1.00，0.495，0.25，0.15，0.062，0.043，0.026。 滑轮，古代称滑车。从春秋战国开始即有广泛应用。 墨经中的“绳制”也指滑轮。礼记正义说公输班为季康子葬母创造了转动机关，为助楚攻宁创制了云梯，其中都使用了滑轮。辘轳可能产生于商末周初。宋代曾公亮武经总要说：“周武王以飞桥、辘轳，越沟堑，飞江天” 。 D 流体力学方面的知识 从上古人们“见窾木浮而知为舟” （淮南子 ） 、东周时人们以舟量物（符子 ）到北魏贾思勰齐民要术中水浮验稻种法，都提示了古人

13、对浮力的认识及应用。 汉代的淮南万毕术中记载：“首泽浮针。注云：取头中垢以涂塞其孔，置水即浮。明末刘侗、于奕正在帝京景物略中写道：“水面坐膜，锈针投之则浮。 ” 这两则史料反映了古人对液体表面张力的认识。 中国古人对大气压的认识和应用更加引人注意。 东汉末年人们已能利用渴鸟（虹吸管）灌溉农田。 南北朝成书的关尹子中说：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下，盖（气）不升则（水）不降” 。 唐代王冰在素问论中对此有过解释：“虚管既满，捻上悬之，水固不泄，为无升气而不能降也；空瓶小口，顿溉不入，为气不出而不能入也。 ” 宋曾公亮在武经总要中写道：“凡水泉有崚山阻者，取大竹去节，雄雌相合，油灰黄蜡

14、固封，勿令泄气，推竹首入水中五尺，于竹末烧松桦或干草，使火气自竹内潜通水所，则水自中逆上。 ”可见在当时的历史条件下，对大气压的大型利用已近完善。虽然没有专门的著述，但从古代的一些天才制作上我们不难看出，古代中国人的力学知识和经验是相当丰富的。如西汉刘歆的西京杂记所载的巧匠丁缓制作的“被中香炉”：“为机环转运四周，而炉体常平，可置被褥中，故以为名。 ”其原理与飞机、导弹及鱼雷上使用的陀螺仪中的万向支架如出一辙，涉及重心、平衡以及回转效应等物理知识。制作这种器物，必定有明确的指导思想才能成功，因为这不是靠本能就可以实现的，恐怕仅以一个巧字也难以完成，而非有足够的力学经验与知识的累积不可。类似的天

15、才设计在西方，1500 年左右才由达芬奇提出。F 声学知识 中国古代的声学知识是相当丰富的。 如考工记记载说：“凫氏为钟薄厚之所震动，清浊之所由生” ，明确了声音是由物体振动而产生的。东汉的王充在论衡中说：“生人所以言语吁呼者，气括口喉之中，动摇其舌，张歙其口，故能成言。夫箫笙之管，犹人之口喉也，手弄其孔，犹人动舌也。 ”说明王充认识到了空气振动成声的道理。 明宋应星在著作论气中，说：“气本浑沦之物，分寸之间，亦具生声之理，然而不能自为生。冲之有声焉，飞矢是也；界之有声焉，跃鞭是也；振之有声焉，弹弦是也；持物击物，气随所持之物而逼于所击之物，有声焉。凡以形破气而为声也，急则成，缓则否，劲则成，

16、懦则否。故急冲急破，归措无方，而其声方起。 ”在宋应星对发声原理的认识中，隐然透出，物体的振动（声源）不是根本的第一位的原因，占据第一位置的是气，声乃气生，声源对气“生声”只是一个外界条件、对气的一种触发：或冲之或界之或振之，然而宋应星对声音在空气中的传播有深刻的认识：“物之冲气也，如其激水然。气与水，同一易动之物。以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其纹浪以次开之，至纵横寻丈而未歇。其荡气也亦犹是焉，特微渺而不得闻耳。 ”在西方，到十七世纪中期哲学家、科学家伽桑狄仍将声音的传播看成发声体向周围发射的极小、看不见的粒子流的运动。 北魏郦道元的水经注中记载：“江陵城地东南倾，故缘以金堤，自灵溪始，恒温令陈遵造。遵使人打鼓远听之，知地势高下。依傍则筑，略无差矣。 ”