中華傳統(tǒng)文化中有關(guān)物理學(xué)以及方法論的知識*

熊萬杰 袁鳳芳 溫景立

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系 廣東 廣州 510640)

中華傳統(tǒng)文化是中華民族幾千年文明的結(jié)晶，是歷史上各種思想文化、觀念形態(tài)的總體表征.它博大精深、源遠(yuǎn)流長，相關(guān)典籍浩如煙海.經(jīng)過歷史演化、沉淀，逐漸形成儒、釋、道三足鼎立的局面.而物理學(xué)是由物理學(xué)科的知識和物理學(xué)的方法與思想組成的，它提供給人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運動形式及其相互作用的最基本認(rèn)識以及隱藏在背后的方法論.物理學(xué)與中華傳統(tǒng)文化之間并沒有一道不可逾越的鴻溝, 兩者之間既存在顯而易見的區(qū)別，又有著千絲萬縷的聯(lián)系.從中華傳統(tǒng)文化的角度去審視物理學(xué)，既有助于理解物理學(xué)的知識、方法和內(nèi)涵，又有利于繼承和創(chuàng)新傳統(tǒng)文化，復(fù)原民族的根基.本文介紹并分析中華傳統(tǒng)文化中有關(guān)物理學(xué)以及科學(xué)方法論的知識.

1 知識層面

盡管傳統(tǒng)文化中未產(chǎn)生現(xiàn)代意義的科學(xué)技術(shù)，但這并不意味著中華傳統(tǒng)文化沒有產(chǎn)生過科學(xué)技術(shù)[1].我國古代的物理學(xué)知識，是以人文的形式和視角呈現(xiàn)的，由于歷史原因和數(shù)學(xué)語言的局限性無法上升成系統(tǒng)而定量的理論.但在日常生活和生產(chǎn)實踐中，我們的祖先不僅記載了各種自然現(xiàn)象本身，同時為了解釋這些現(xiàn)象還提出了一些物理觀念，甚至進(jìn)行了必要的實驗.有關(guān)這方面的內(nèi)容極為豐富，《墨經(jīng)》、《論衡》、《考工記》、《正蒙》、《草象新書》、《夢溪筆談》、《天工開物》、《物理小識》等等古代典籍都有記載.這里我們僅從力、熱、電、光四方面各舉一例說明之.

1.1 力學(xué)之共振

中華傳統(tǒng)文化中對于共振現(xiàn)象的描述最早可上溯到公元前3世紀(jì).《莊子·徐無鬼》曾記載：“為之調(diào)瑟，廢于一堂，廢于一室，鼓宮宮動，鼓角角動，音律同矣.”[2]此處相同的音律來源于一只瑟鼓宮(角)的頻率與另一只瑟固有的頻率相同，導(dǎo)致后者受前者的影響而振動起來，這就是共振.而宋朝科學(xué)家沈括曾做過正聲(實際上就是共振)實驗: “今曲中有聲音，須依次用之.欲知其應(yīng)者，先調(diào)諸弦令省和，乃剪紙人加弦上，鼓其應(yīng)弦，則紙人躍，他弦則不動.聲律高下茍同，雖在他弦鼓之，應(yīng)弦意震，此之謂正聲”(見《夢溪筆談》).這就是說，為了要知道某一根弦的應(yīng)弦，可以先將各條弦的音調(diào)準(zhǔn)，然后剪紙人放在待測的弦上，一彈與之相應(yīng)的弦，紙人就會跳動，彈其他的弦，紙人就不動.如果琴弦的音調(diào)高低都相同，即使在別的琴上彈，這張琴上的應(yīng)弦及其上的紙人同樣也會振動.

1.2 熱學(xué)之保溫方法

在物理學(xué)中，熱量傳遞的方式有三種：熱傳導(dǎo)，熱輻射和對流.為了保溫，就需要抑制熱量的傳遞，有針對性地防止熱傳導(dǎo)、熱輻射和對流.1892年，法國科學(xué)家杜瓦制成了由雙層壁構(gòu)成的容器，在壁間抽成高真空以減小氣體的傳熱，雙層壁相對的兩個表面鍍銀或拋光以降低輻射率，內(nèi)壁通向室溫部分的徑管用熱傳導(dǎo)差的材料以減少熱傳導(dǎo).這就是保溫瓶[3].

我國南宋時期的洪邁在《夷堅甲志》中記載了有關(guān)“伊陽古瓶”的故事：“張虞卿者問鼎公齊賢裔孫，居西京伊陽縣小水鎮(zhèn)，得古瓦瓶于土中，色甚黑，頗愛之.置之書室養(yǎng)花，方冬極寒，一夕忘去水，意為凍裂，明日視之，凡他物有水者皆凍，獨此瓶不然.異之，試之以湯，終日不冷.張或為客出郊，置瓶于篋，傾水瀹茗，皆如新沸者.自是始知秘，惜后為醉仆觸碎.視其中，與常陶器同，但夾底厚二寸.有鬼熱火以燎，刻畫甚精.無人能識其為何物也.”這實際上就是我國最早的保溫瓶的記載.其保溫的原因是有夾底，即在兩底之間有二寸厚的空氣層，以及抑制熱的傳導(dǎo).此瓶在南宋時已經(jīng)是出土文物，連當(dāng)時的人都不知道為何物，可見年代頗為久遠(yuǎn).

此外，清代方以智對保溫現(xiàn)象的觀察也十分細(xì)致.他在《物理小識》中記載：“冰在暑時以厚絮裹之，雖置之不化，唯見風(fēng)始化.”用厚棉絮把冰包起來就可以防止熱的輻射和對流以保溫，這種方法至今還被人們所采用.

1.3 電磁學(xué)之磁屏蔽

在物理學(xué)中，把磁導(dǎo)率不同的兩種磁介質(zhì)放到磁場中，在它們的交界面上磁場要發(fā)生突變，磁感強(qiáng)度的大小和方向都要變化.如果把一個鐵鋁合金做成的罩，放在外磁場中，由于罩的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率大得多，絕大部分磁感線從罩殼的壁內(nèi)通過，而罩殼內(nèi)的空腔中，磁感線很少，這樣就達(dá)到了磁屏蔽的目的.示波管、顯像管中的電子聚焦部分，為了防止外磁場的干擾，常在它們的外部加上軟磁材料做成的磁屏蔽罩.

中華傳統(tǒng)文化對磁石吸鐵現(xiàn)象早有記載.《呂氏春秋》中記載：“慈石召鐵，或引之也.”《淮南子》中記載：“若以慈石之能連鐵也，而求其引瓦則難已.固物不可輕重論也.”而關(guān)于磁屏蔽的記載，可見清朝學(xué)者劉獻(xiàn)廷的著作《廣陽雜記》：“磁石吸鐵，隔礙潛通.或問余曰：‘磁石吸鐵，何物可以隔之？’猶子阿孺曰：‘唯鐵可以隔爾’……后見一書曰：‘蒜可以避磁石之引鐵.’尚未試之.”

1.4 光學(xué)之凹面鏡成像

在物理學(xué)中，球面反射鏡根據(jù)受光面的凹凸，分成凹面鏡和凸面鏡兩種.凹面鏡常用來聚光或成像，如幻燈機(jī)和放映機(jī)用它來作聚光鏡，一些反射式的望遠(yuǎn)鏡用它作物鏡.這屬于幾何光學(xué)的范疇.而我國古代典籍《墨經(jīng)》記載：“鑒低，景一小而易，一大而正，說在中之外內(nèi).”并解釋曰：“鑒,中之內(nèi)；鑒者近中，則鑒所大，景亦大；遠(yuǎn)中，則所鑒小，景亦小，而比正.起于中緣正而長其直也.中之外；鑒者近中，則鑒所大，景亦大；遠(yuǎn)中，則所鑒小，景亦小，而必易.合于中而長齊直也.”意思是說，物體通過凹面鏡可以形成兩個像，一個是縮小的倒立的像；一個是放大的正立的像.到底形成哪個像，由物體所在的位置所決定.當(dāng)物體在焦點以內(nèi)，即物體在焦點與鏡子之間時，又可以分為兩種情況：在距離焦點較近時，其像較大；在距離焦點較遠(yuǎn)時，其像較小，但都是正立虛像.從焦點開始到鏡面的一段距離內(nèi)，均形成放大的正立虛像.當(dāng)物體位于焦點之外時，也可以分為兩種情況：物體靠近焦點，其像較大；物體遠(yuǎn)離焦點時，其像較小；但兩者都是倒立的實像.從以上分析可以看出，《墨經(jīng)》中關(guān)于凹面鏡成像的敘述，與當(dāng)代的實驗結(jié)果相符合.

2 方法論層面

科學(xué)方法是與自然科學(xué)共同產(chǎn)生和發(fā)展起來的，而科學(xué)方法論則是人們從對自然科學(xué)發(fā)展的歷史中反思得到的，是從對自然界的再認(rèn)識過程中總結(jié)出來的[4].物理學(xué)的發(fā)展伴隨著物理學(xué)方法的不斷充實與完善.而許多物理學(xué)的方法，在中華傳統(tǒng)文化中能找到根源.以下分別從類比法、黑箱辨識法和直覺三方面展開.

2.1 類比方法

中華傳統(tǒng)文化中關(guān)于類比的描述屢見不鮮.如“賜也何敢望回？回也聞一以知十，賜也聞一以知二.”(見《論語·公冶長》)“舉一隅不以三隅反；則不復(fù)也.”(見《論語·述而》) “引而伸之；觸類而長之；天下之能事畢矣.”(見《周易·系辭上》)又如朱熹《朱子全書》：“舉一而三反,聞一而知十,乃學(xué)者用功之深,窮理之熟；然后能融會貫通,以至于此.”劉徽《九章算術(shù)》：“事類相推，各有攸歸，故枝條雖分而同本干者，知發(fā)其一端而已.”所謂“聞一知十”、“ 觸類旁通”、“舉一反三”、“事類相推”等，指的就是從一件事情類推而直到許多事情，或者說掌握了關(guān)于某一事物的知識，而推知同類中其他事物，體現(xiàn)的就是類比的思想.

2.2 黑箱辨識法

人們把不能夠被直接觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)稱為黑箱.黑箱辨識法是指不打開黑箱，而利用外部觀察和實驗，通過對系統(tǒng)輸入和輸出信息的分析，從信息的變化中提煉出反饋模型，進(jìn)行反饋檢驗，不斷修正模型直到確立模型，以此得到對系統(tǒng)本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識[4].有人說同步輻射是粒子物理學(xué)家的眼睛，對于微觀粒子，一般情況下人們無法直接觀察到它的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，只有通過外部輸入和獲得的輸出信息來作出推論.

盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型的提出就是成功地運用了黑箱辨識法.實驗結(jié)果顯示，當(dāng)用高能的α粒子轟擊金箔后，絕大部分α粒子仍沿原來方向前進(jìn)；而少數(shù)粒子卻發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)；極小數(shù)粒子的偏轉(zhuǎn)角度超過了90°；有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到了180°.當(dāng)時對于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)這個“黑箱”而言，人們無法直觀地觀測到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盧瑟福根據(jù)實驗輸出的信息，大膽預(yù)測原子中心有一個很小的“核”，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里；而帶有負(fù)電荷的許多電子繞著原子核旋轉(zhuǎn).從而較為合理地得到了對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識.

中華傳統(tǒng)文化中運用“黑箱辨識法”認(rèn)識系統(tǒng)信息的一個典型例子就是中醫(yī)學(xué)[4].面對人體內(nèi)部的各種復(fù)雜系統(tǒng)出現(xiàn)的病癥，中醫(yī)的治療不靠透視，不用切片，主要通過對病人的望、聞、問、切來診斷.醫(yī)生收集人體系統(tǒng)的內(nèi)在疾病在脈象、氣色和舌苔等方面反映出來的外部信息，然后通過對這些信息的分析處理，就能作出判斷、開出處方.醫(yī)生的臨床經(jīng)驗越豐富，他獲得的關(guān)于疾病的信息就越多，因而對人體這個復(fù)雜系統(tǒng)的“黑箱”辨識能力就越強(qiáng).

2.3 直覺

直覺是一種重要的創(chuàng)造性思維方法.科學(xué)家的直覺，是面對各種可能性作出正確選擇的重要能力，是科學(xué)研究和創(chuàng)造的最可貴因素，它是大腦中一閃而過的思維亮點，而不是邏輯推理的結(jié)果[4].直覺的產(chǎn)生必須具有廣泛而深厚的知識基礎(chǔ)和足夠多的信息，對所要解決的問題進(jìn)行了長期思考并具有強(qiáng)烈渴求解決的愿望.

物理學(xué)史上，阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力定律、倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以及愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論，他們敏銳的直覺都幫了大忙.

阿基米德得到國王交給的任務(wù)：要他不破壞皇冠而驗證其是否用純金制成的.阿基米德冥思苦想數(shù)日仍不得其解，感到十分為難和焦慮.有一天，他到澡堂去洗澡，當(dāng)他躺進(jìn)澡盆時，發(fā)現(xiàn)自己身體越往下沉，盆里溢出的水就越多，而他則感到身體越輕.這個情景使阿基米德產(chǎn)生了直覺，突然他欣喜若狂地跳出了澡盆，直奔王宮，邊跑邊喊：“找到了！找到了！”據(jù)此發(fā)現(xiàn)了浮力定律.

1895年11月8日，倫琴在一片漆黑的實驗室里突然發(fā)現(xiàn)有一塊亞鉑氰化鋇做成的熒光屏發(fā)出閃光，他立即意識到這可能是某種特殊的、從來沒有觀察到過的、具有特別強(qiáng)穿透力的射線，于是立刻集中全部精力進(jìn)行徹底的研究.幾十年的精心實踐培養(yǎng)出來的良好觀察和判斷能力練就了倫琴的直覺，使他在這一偶然現(xiàn)象出現(xiàn)的一瞬間就意識到這可能會導(dǎo)致一項了不起的發(fā)現(xiàn).機(jī)遇偏愛有準(zhǔn)備的頭腦，而直覺是有準(zhǔn)備的頭腦開展工作的銳利武器.

愛因斯坦曾向他的朋友敘述過自己創(chuàng)立狹義相對論的情景，“我躺在床上，對那個折磨我的迷(指對同時性的絕對性的懷疑)似乎毫無解答的希望，沒有一絲光明.但黑暗里突然透出光亮，答案出現(xiàn)！于是我立即投入工作，繼續(xù)奮斗了五個星期，寫成《論動體的電動力學(xué)》論文，這幾個星期里，我好像處在狂態(tài)里.”[4]這里所謂“黑暗里透出的光亮”實際上就是愛因斯坦在確立狹義相對論理論基礎(chǔ)時的靈光一現(xiàn)，這種直覺根植于他對此問題多年的思考和揣摩以及深厚的物理學(xué)功底.

物理學(xué)里直覺的思維方法類似于中華傳統(tǒng)文化中的頓悟.頓悟是佛教禪宗的一個法門，是六祖惠能提倡的“明心見性”法門.六祖在壇經(jīng)里提出的“頓悟”概念當(dāng)指“迷聞經(jīng)累劫，悟則剎那間”、“一剎那間妄念俱滅”，可見頓悟指人之思維的突變或飛躍.此外，成語“豁然貫通” (出自宋·朱熹《大學(xué)章句》：“至于用力之久，而一旦豁然貫通焉，則眾物之表里精粗無不到，而吾心之全體大用無明矣”)、“恍然大悟”(出自宋·釋道原《景德傳燈錄》卷五：“(薛)簡蒙指教；豁然大悟”)、“茅塞頓開”(出自明·吳承恩《西游記》：“我身無力；我腹無才；得三公之教；茅塞頓開”)的意義也和物理學(xué)中的直覺相仿.

以上從知識點初步展示了中華傳統(tǒng)文化中有關(guān)物理學(xué)的知識以及其與方法論的關(guān)聯(lián)，這是物理學(xué)豐富內(nèi)涵和傳統(tǒng)文化博大精深的一種體現(xiàn)，它有助于我們從傳統(tǒng)文化的維度給物理學(xué)注入新的靈魂，以新的思維方式去領(lǐng)悟、理解物理學(xué)，有助于我們從物理學(xué)的角度審視傳統(tǒng)文化，促進(jìn)人們更加全面、更加深入地理解傳統(tǒng)文化，激發(fā)民族自豪感，有助于我們糾正當(dāng)前教育中科學(xué)與人文分化的傾向，促進(jìn)科學(xué)與人文的融合.相信在科學(xué)與人文相融合的大背景下[4]，挖掘中華傳統(tǒng)文化中的有關(guān)物理學(xué)知識、方法論甚至哲學(xué)思想會越來越啟人心智，越來越引人入勝.

參考文獻(xiàn)

1 郭昊龍．科學(xué)、人文及其融合．北京：高等教育出版社，2009．40

2 趙凱華，羅蔚茵．力學(xué)(第二版)．北京：高等教育出版社，2004．262

3 徐龍道，等．物理學(xué)詞典．北京：科學(xué)出版社，2004．764

4 朱鋐雄．物理學(xué)方法概論．北京：清華大學(xué)出版社，2008．2，30，156～157，118～119

5 郭奕玲，沈慧君．物理學(xué)史．北京：清華大學(xué)出版社，1993．141

6 熊萬杰.將中華傳統(tǒng)文化思想融入大學(xué)物理教學(xué)之初探.物理與工程.2009,19(2):35～37