略論墨子對(duì)物理學(xué)的研究

張國(guó)志

(鹽城紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,江蘇鹽城 224005)

1 前言

幾乎所有的大中學(xué)生都知道古代西方一些知名的物理學(xué)家,如亞里士多德、阿基米德等,但很少有學(xué)生知道我國(guó)古代的墨子及其對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn).

墨子,姓墨名翟(公元前476年～前390年),戰(zhàn)國(guó)時(shí)期杰出自然科學(xué)家,他創(chuàng)立墨家學(xué)說(shuō),并有《墨子》一書(shū)傳世,原有71篇,后來(lái)散失了一部分,現(xiàn)存《墨子》53篇,其中《經(jīng)上》、《經(jīng)下》、《經(jīng)說(shuō)上》、《經(jīng)說(shuō)下》等 4篇,一般稱作《墨經(jīng)》,是《墨子》的精華部分,著重闡述哲學(xué)、邏輯學(xué)、社會(huì)學(xué)、文字學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等方面的問(wèn)題.筆者粗略統(tǒng)計(jì),在《墨經(jīng)》中共有20多條是研究物理學(xué)的,其內(nèi)容涉及到靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、幾何光學(xué)、聲學(xué)、時(shí)空等方面.文中記錄了一些日常生活中的物理現(xiàn)象,總結(jié)出了不少重要的物理學(xué)規(guī)律.他在物理學(xué)方面的某些觀點(diǎn)與近代幾乎完全相同,后人尊稱他為“科圣”.本文摘錄并詮釋了《墨經(jīng)》中部分涉及靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、光學(xué)等方面的條目,與廣大讀者共同分享這位2 000多年前杰出的自然科學(xué)家對(duì)物理學(xué)的研究成果.

2 《墨經(jīng)》中的物理學(xué)

“力,刑之所以?shī)^也[1]”.這是《經(jīng)上》中的一條,說(shuō)的是力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.“刑”通“型”或“形”,指形體,即物體.“奮”:奮進(jìn),是由靜到動(dòng)或由慢到快的意思,物理學(xué)的術(shù)語(yǔ)就是加速.這句話的意思是:力是物體加速的原因.此觀點(diǎn)與現(xiàn)代物理學(xué)中的“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”是那么的吻合,與西方早期亞里士多德統(tǒng)治了人們近2000年的“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”錯(cuò)誤觀點(diǎn)相比,墨子對(duì)物理學(xué)的研究遠(yuǎn)勝于亞里士多德.

圖1

關(guān)于杠桿的平衡條件,墨子早就做出了精辟的論述.墨子研究杠桿是從桿秤開(kāi)始的,他在《經(jīng)下》中指出,“衡而必正,說(shuō)在得[1]”.用衡器稱重物時(shí)衡桿必須平正,也就是衡桿(即杠桿)一定要在水平方向保持平衡,要調(diào)整得當(dāng).他在《經(jīng)說(shuō)下》中進(jìn)一步描述了杠桿的平衡條件,“衡,加重于其一旁,必捶.權(quán)重不相若也相衡,則本短標(biāo)長(zhǎng).兩加焉,重相若,則標(biāo)必下,標(biāo)得權(quán)也[1]”.圖1是一種常見(jiàn)的“衡”的示意圖.“本”原指草木的根,“標(biāo)”是指樹(shù)梢.由于桿秤的秤頭較粗,秤尾較細(xì),所以墨子稱秤頭 OA為“本”,秤尾 OB為“標(biāo)”.秤錘在古代叫“權(quán)”.O點(diǎn)的提紐相當(dāng)于支點(diǎn).對(duì)于衡桿 AOB僅在一邊加重,衡桿肯定不會(huì)平衡,并且加重的一旁必下墜;他指出,稱重物時(shí)權(quán)與重不相等,秤桿之所以會(huì)平衡,原因是“本”短“標(biāo)”長(zhǎng);對(duì)于衡桿 AOB,如果在兩邊加上(相若)等重,那么標(biāo)(B端)這邊必定下墜,這是因?yàn)闃?biāo)(B端)占了優(yōu)勢(shì).不難看出墨子在研究衡桿平衡時(shí),不僅考慮到重力的大小,而且還考慮了標(biāo)本的短長(zhǎng)(力臂)和平衡的關(guān)系.阿基米德(Archimedes約公元前 287年～前212年)在他的《論面平衡》中是這樣描述杠桿的平衡條件的:(1)相等的重物作用在離支點(diǎn)相同的距離上,二者互相平衡.(2)不同的重物置于離支點(diǎn)相同的距離上,大的重物占優(yōu)勢(shì).(3)離支點(diǎn)距離不等的相等重物,離支點(diǎn)遠(yuǎn)的占優(yōu)勢(shì)[2].墨子的描述與阿基米德的描述如出一轍,而墨子得出杠桿的平衡條件比阿基米德早了200年,因此這方面成果應(yīng)歸功于墨子才是公允的.但現(xiàn)在人們都認(rèn)為杠桿的平衡條件是阿基米德首先研究出來(lái)的.

墨子對(duì)浮力問(wèn)題也進(jìn)行了探討,他在《經(jīng)下》中寫(xiě)到“荊之大,其沈淺也,說(shuō)在具[1]”.“荊”:一種喬木,也可以理解為物體.“沈” :“沉”的本字.“具” :托,舉的意思.這句話的意思是“荊木雖然大,但卻沉得淺,這是因?yàn)槭艿搅送信e”.此條目說(shuō)明了兩個(gè)觀點(diǎn):第一,荊木在水里受到浮力作用;第二,大的荊木在水中不一定就浸得深.墨子在《經(jīng)說(shuō)下》中進(jìn)一步研究了浮力問(wèn)題,“荊沈,荊之具也,則沈淺非荊淺也,若易五之一[1]”.他對(duì)荊木在水中進(jìn)行了定量的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)水面上的部分是整個(gè)體積的五分之一.由此可見(jiàn),在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期,墨子已經(jīng)知道了浮力的存在,也發(fā)現(xiàn)了浮力跟物體本身的大小是沒(méi)有關(guān)系的,與阿基米德定律“浸在液體里的物體受到向上的浮力,浮力大小等于物體排開(kāi)液體的重量”相比,前部分結(jié)論墨子已經(jīng)得到了,可惜他沒(méi)有定量研究出浮力的大小究竟與什么有關(guān).

“動(dòng),域徙也[1]”.這里的“動(dòng)”就是運(yùn)動(dòng),“域”是指物體的位置,墨子給出了運(yùn)動(dòng)的定義:“運(yùn)動(dòng)就是物體的位置發(fā)生改變”,與我們今天機(jī)械運(yùn)動(dòng)的定義完全一致.墨子早在2 300多年前,下了如此準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)定義,不得不讓人嘆服!

墨子對(duì)幾何光學(xué)的研究,是相當(dāng)?shù)纳羁?他做了世界上最早的小孔成像實(shí)驗(yàn).他在《經(jīng)下》中是這樣描述的:“景倒,在午有端與景長(zhǎng).說(shuō)在端[1]”.這里的“景”即像.“午”交會(huì)的意思.前一個(gè)“端”是指小孔.后一個(gè)“端”是指端正.這里“長(zhǎng)”讀 zhǎng.這句話的意思是:“倒像的產(chǎn)生,是因?yàn)樵诠饩€交會(huì)的地方有一個(gè)小孔參與成像過(guò)程.關(guān)鍵是那個(gè)小孔要小而端正[3]”.從這里不難看出,墨子經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),已經(jīng)掌握了小孔成像的關(guān)鍵是“小孔”,如果把小孔弄得太大,穿過(guò)小孔的光束就會(huì)變粗,物體各部分射來(lái)的光束通過(guò)較大的孔以后,會(huì)在屏上形成一些較大的光斑.這些光斑互相交叉重疊,像就變得模糊不清了.如果再增大小孔的孔徑,屏上只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)模糊的大光斑.對(duì)于小孔成像的原因,墨子有如下精辟的論述:“景,光之人照若射.下者之人也高,高者之人也下,足敝下光,故成景于上;首敝上光,故成景于下.在遠(yuǎn)近有端與于光,故景庫(kù)內(nèi)也[1]”.光線照到人身上像射箭一樣的直,下的光線到人反高,高的光線到人反下.在隱蔽中,人足的下光成影于上,人首的上光成影于下.交點(diǎn)遠(yuǎn)近與光有關(guān),故影映射入庫(kù)孔中[4].墨子把光的照射比喻像射箭一樣的直,可以說(shuō)他是世界上第一個(gè)明確指出光是沿直線傳播的.

“臨鑒而立,景到;多而若少.說(shuō)在寡區(qū)[1]”.這是墨子在《經(jīng)下》中描述的平面鏡成像特點(diǎn).你站在平面鏡前,所成的像與你相比是(左右)倒的;站在平面鏡前的不同位置,可以得到很多(不同)的像,但這些像的大小完全一樣,就相當(dāng)于一個(gè)像,即“多而若少”.之所以這樣,是因?yàn)殓R面比較單一(平).文中“區(qū)”是指“面”,“寡區(qū)” 鏡面單一的意思,墨子在《墨經(jīng)》中把點(diǎn)、線、面、體分別稱為“端”、“尺”、“區(qū)”“體”.他在《經(jīng)說(shuō)下》中進(jìn)一步描述到“臨,正鑒,景寡,貌能、白黑、遠(yuǎn)近、木拖正異于光.鑒景當(dāng)俱;就、去亦當(dāng)俱.俱用北.鑒者之臭,于鑒無(wú)所不鑒.景之臭無(wú)數(shù),而必過(guò)正.故同處.其體俱,然鑒分[1]”.他明確指出,平面鏡只能成(大小相等的)一種像,像的外貌特征、明暗、遠(yuǎn)近、斜正都是由入射光線引起的,物體和像面對(duì)面地一同存在;并且面對(duì)面地同時(shí)靠近或離開(kāi),方向總是相反的.

圖2

墨子對(duì)凹面鏡同樣也進(jìn)行了研究,“鑒洼,景一小而易,一大而正.說(shuō)在中之外、內(nèi)[1]”.如圖2所示,凹面鏡能成一種倒立縮小的像和一種正立放大的像,究竟成哪一種像要看物體是在中點(diǎn)外側(cè)還是內(nèi)側(cè).他在《經(jīng)說(shuō)下》中進(jìn)一步研究了凹面鏡成像特點(diǎn):“鑒,中之內(nèi):鑒者近中,則所鑒大,景亦大;遠(yuǎn)中,則所鑒小,景亦小;而必正.起于中,緣正而長(zhǎng)其直也.中之外:鑒者近中,則所鑒大,景亦大;遠(yuǎn)中,則所鑒小,景亦小;而必易.合于中而長(zhǎng)其直也[1]”.文中的中點(diǎn)應(yīng)該是指焦點(diǎn),而不是球面的曲率中心.因?yàn)椤捌鹩谥?緣正而長(zhǎng)其直也”和“合于中而長(zhǎng)其直也”這兩句的意思是:如圖3所示,從中點(diǎn)發(fā)出的光,經(jīng)凹面鏡反射后變成又長(zhǎng)又直的(平行)光,而又長(zhǎng)又直的(平行)光經(jīng)凹面鏡反射后合于中點(diǎn).這就充分說(shuō)明了文中的中點(diǎn)就是焦點(diǎn).從《經(jīng)說(shuō)下》中不難看出,墨子由焦點(diǎn)內(nèi)到靠近焦點(diǎn),到焦點(diǎn)上,再逐漸遠(yuǎn)離焦點(diǎn),直到無(wú)窮遠(yuǎn)都做了實(shí)驗(yàn),最后得到了焦點(diǎn)內(nèi)成正立放大的像,物距越小像越大;焦點(diǎn)外,成倒立縮小的像,物距越小像越大.事實(shí)上凹面鏡成像特點(diǎn)是:(1)物體在焦點(diǎn)內(nèi)成正立放大的虛像,物距越小像越大;(2)物體在焦點(diǎn)與球面的曲率中心之間,成倒立放大的實(shí)像,物距越小像越大,如圖4所示.(3)物體在球面的曲率中心之外,成倒立縮小的實(shí)像,物距越小像越大.墨子的結(jié)論與之相比,只是少了第2點(diǎn).

圖3

圖4

圖5

“ 鑒團(tuán),景一[1]” .如圖 5 所示.“ 鑒,鑒者近,則所鑒大,景亦大;其遠(yuǎn),所鑒小,景亦小;而必正.景過(guò)正,故招[1]”.這是墨子研究的凸面鏡成像特點(diǎn):凸面鏡只成一種像.被照的物體離凸面鏡越近,看到的范圍越大,像也越大;越遠(yuǎn),看到的范圍越小,像越小.所成的像都是正立的.相對(duì)于實(shí)像而言,正立的虛像不需要屏來(lái)接,虛像更一目了然,更清晰,即所謂的“景過(guò)正,故招”,文中的“招”通“昭”.

在西方,最早研究幾何光學(xué)的是古西臘科學(xué)家歐幾里得(Euclid,約公元前 330年～前 260年).他的代表作《光學(xué)》(Optica)和《反射光學(xué)》(Catoptrica)是歐洲公認(rèn)的最早的光學(xué)著作.敘述光的直線傳播、入射角等于反射角,研究凸面鏡、凹面鏡等問(wèn)題,認(rèn)為視覺(jué)是眼睛發(fā)出光線到達(dá)物體的結(jié)果.對(duì)比墨子與歐幾里得這方面的成果,無(wú)論是時(shí)間還是結(jié)論,墨子對(duì)幾何光學(xué)研究絕不遜色于歐幾里得.

3 結(jié)束語(yǔ)

縱觀《墨子》一書(shū),其學(xué)術(shù)之淵博,涵蓋哲學(xué)、邏輯學(xué)、社會(huì)學(xué)、文字學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等方面.在自然科學(xué)方面的光輝成就,則是中國(guó)古代諸家學(xué)說(shuō)中絕無(wú)僅有的,在這方面的成就不僅可以與西方同時(shí)代的相媲美,有些甚至還要高于他們.當(dāng)代著名學(xué)者楊向奎先生曾經(jīng)說(shuō):“墨子在自然學(xué)上的成就,決不低于古希臘的科學(xué)家和哲學(xué)家,甚至高于他們.他個(gè)人的成就,就等于整個(gè)希臘.”我們物理教師在課堂上,有責(zé)任也有義務(wù)向?qū)W生介紹一些我國(guó)古代的物理學(xué)史知識(shí),這對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 ,加深物理知識(shí)的理解,弘揚(yáng)祖國(guó)的傳統(tǒng)文化,意義是十分重大的.

1 [戰(zhàn)國(guó)]墨翟著,何懷遠(yuǎn)等編.墨子.遠(yuǎn)方出版社,2006.259-279

2 [前蘇聯(lián)]庫(kù)德里亞夫采夫,[前蘇聯(lián)]康費(fèi)杰拉托夫著,梁士元等譯.物理學(xué)史與技術(shù)史.哈爾濱:黑龍江教育出版社,1985,50.

3 雷一東著.墨經(jīng)校解.濟(jì)南:齊魯書(shū)社,2006.203-204

4 譚戒甫著.墨經(jīng)分類譯注.上海:中華書(shū)局,1981.67