中華傳統文化中有關物理學以及方法論的知識*

熊萬杰 袁鳳芳 溫景立

(華南農業大學理學院應用物理系 廣東 廣州 510640)

中華傳統文化是中華民族幾千年文明的結晶，是歷史上各種思想文化、觀念形態的總體表征.它博大精深、源遠流長，相關典籍浩如煙海.經過歷史演化、沉淀，逐漸形成儒、釋、道三足鼎立的局面.而物理學是由物理學科的知識和物理學的方法與思想組成的，它提供給人們對物質結構、運動形式及其相互作用的最基本認識以及隱藏在背后的方法論.物理學與中華傳統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別，又有著千絲萬縷的聯系.從中華傳統文化的角度去審視物理學，既有助于理解物理學的知識、方法和內涵，又有利于繼承和創新傳統文化，復原民族的根基.本文介紹并分析中華傳統文化中有關物理學以及科學方法論的知識.

1 知識層面

盡管傳統文化中未產生現代意義的科學技術，但這并不意味著中華傳統文化沒有產生過科學技術[1].我國古代的物理學知識，是以人文的形式和視角呈現的，由于歷史原因和數學語言的局限性無法上升成系統而定量的理論.但在日常生活和生產實踐中，我們的祖先不僅記載了各種自然現象本身，同時為了解釋這些現象還提出了一些物理觀念，甚至進行了必要的實驗.有關這方面的內容極為豐富，《墨經》、《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 力學之共振

中華傳統文化中對于共振現象的描述最早可上溯到公元前3世紀.《莊子·徐無鬼》曾記載：“為之調瑟，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，導致后者受前者的影響而振動起來，這就是共振.而宋朝科學家沈括曾做過正聲(實際上就是共振)實驗: “今曲中有聲音，須依次用之.欲知其應者，先調諸弦令省和，乃剪紙人加弦上，鼓其應弦，則紙人躍，他弦則不動.聲律高下茍同，雖在他弦鼓之，應弦意震，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弦，可以先將各條弦的音調準，然后剪紙人放在待測的弦上，一彈與之相應的弦，紙人就會跳動，彈其他的弦，紙人就不動.如果琴弦的音調高低都相同，即使在別的琴上彈，這張琴上的應弦及其上的紙人同樣也會振動.

1.2 熱學之保溫方法

在物理學中，熱量傳遞的方式有三種：熱傳導，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、熱輻射和對流.1892年，法國科學家杜瓦制成了由雙層壁構成的容器，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，內壁通向室溫部分的徑管用熱傳導差的材料以減少熱傳導.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“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，得古瓦瓶于土中，色甚黑，頗愛之.置之書室養花，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.此瓶在南宋時已經是出土文物，連當時的人都不知道為何物，可見年代頗為久遠.

此外，清代方以智對保溫現象的觀察也十分細致.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 電磁學之磁屏蔽

在物理學中，把磁導率不同的兩種磁介質放到磁場中，在它們的交界面上磁場要發生突變，磁感強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，由于罩的磁導率比空氣的磁導率大得多，絕大部分磁感線從罩殼的壁內通過，而罩殼內的空腔中，磁感線很少，這樣就達到了磁屏蔽的目的.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.

中華傳統文化對磁石吸鐵現象早有記載.《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.”而關于磁屏蔽的記載，可見清朝學者劉獻廷的著作《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 光學之凹面鏡成像

在物理學中，球面反射鏡根據受光面的凹凸，分成凹面鏡和凸面鏡兩種.凹面鏡常用來聚光或成像，如幻燈機和放映機用它來作聚光鏡，一些反射式的望遠鏡用它作物鏡.這屬于幾何光學的范疇.而我國古代典籍《墨經》記載：“鑒低，景一小而易，一大而正，說在中之外內.”并解釋曰：“鑒,中之內；鑒者近中，則鑒所大，景亦大；遠中，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.當物體在焦點以內，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，均形成放大的正立虛像.當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》中關于凹面鏡成像的敘述，與當代的實驗結果相符合.

2 方法論層面

科學方法是與自然科學共同產生和發展起來的，而科學方法論則是人們從對自然科學發展的歷史中反思得到的，是從對自然界的再認識過程中總結出來的[4].物理學的發展伴隨著物理學方法的不斷充實與完善.而許多物理學的方法，在中華傳統文化中能找到根源.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

中華傳統文化中關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》：“事類相推，各有攸歸，故枝條雖分而同本干者，知發其一端而已.”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，或者說掌握了關于某一事物的知識，而推知同類中其他事物，體現的就是類比的思想.

2.2 黑箱辨識法

人們把不能夠被直接觀察到內部結構的系統稱為黑箱.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，進行反饋檢驗，不斷修正模型直到確立模型，以此得到對系統本身的內部結構和功能的認識[4].有人說同步輻射是粒子物理學家的眼睛，對于微觀粒子，一般情況下人們無法直接觀察到它的結構和狀態，只有通過外部輸入和獲得的輸出信息來作出推論.

盧瑟福原子核式結構模型的提出就是成功地運用了黑箱辨識法.實驗結果顯示，當用高能的α粒子轟擊金箔后，絕大部分α粒子仍沿原來方向前進；而少數粒子卻發生了較大的偏轉；極小數粒子的偏轉角度超過了90°；有的甚至被彈回，偏轉角幾乎達到了180°.當時對于原子內部結構這個“黑箱”而言，人們無法直觀地觀測到其內部結構，盧瑟福根據實驗輸出的信息，大膽預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量都集中在原子核里；而帶有負電荷的許多電子繞著原子核旋轉.從而較為合理地得到了對原子內部結構的認識.

中華傳統文化中運用“黑箱辨識法”認識系統信息的一個典型例子就是中醫學[4].面對人體內部的各種復雜系統出現的病癥，中醫的治療不靠透視，不用切片，主要通過對病人的望、聞、問、切來診斷.醫生收集人體系統的內在疾病在脈象、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.醫生的臨床經驗越豐富，他獲得的關于疾病的信息就越多，因而對人體這個復雜系統的“黑箱”辨識能力就越強.

2.3 直覺

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

物理學史上，阿基米德發現浮力定律、倫琴發現X射線以及愛因斯坦創立狹義相對論，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：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，當他躺進澡盆時，發現自己身體越往下沉，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！”據此發現了浮力定律.

1895年11月8日，倫琴在一片漆黑的實驗室里突然發現有一塊亞鉑氰化鋇做成的熒光屏發出閃光，他立即意識到這可能是某種特殊的、從來沒有觀察到過的、具有特別強穿透力的射線，于是立刻集中全部精力進行徹底的研究.幾十年的精心實踐培養出來的良好觀察和判斷能力練就了倫琴的直覺，使他在這一偶然現象出現的一瞬間就意識到這可能會導致一項了不起的發現.機遇偏愛有準備的頭腦，而直覺是有準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！于是我立即投入工作，繼續奮斗了五個星期，寫成《論動體的電動力學》論文，這幾個星期里，我好像處在狂態里.”[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時的靈光一現，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功底.

物理學里直覺的思維方法類似于中華傳統文化中的頓悟.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.六祖在壇經里提出的“頓悟”概念當指“迷聞經累劫，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”)的意義也和物理學中的直覺相仿.

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

參考文獻

1 郭昊龍．科學、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(第二版)．北京：高等教育出版社，2004．262

3 徐龍道，等．物理學詞典．北京：科學出版社，2004．764

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

5 郭奕玲，沈慧君．物理學史．北京：清華大學出版社，1993．141

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