古典詩詞中的運動相對性

丁光濤

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000)

引言

近年來人們在日益重視科學技術的作用，重視推動科技創新的同時，也重新重視人文學科的價值，重視傳統文化傳承，人們認識到需要人文和科技的協調平衡，才能實現社會經濟持續進步和人的全面發展。這種趨勢在教育上一個表現就是糾正一個時期以來的基礎教育中越來越嚴重的文理分離現象，在教學中提倡學科跨越和文理融合。這種努力的一個重要方面是古典詩詞在物理教學受到重視，學者倡導詩詞與物理“同行”，這種現象不僅在物理學的基礎教育中出現，而且在高等教育以及科學普及中也頻頻出現，很多含有物理因素的詩詞名篇名句被發掘出來，用于教育教學資源建設[1-5]。

這種詩詞與物理相互滲透，在學術研究也有反映。例如，有人對唐代詩人韋應物的“野渡無人舟自橫”，從理論和實驗兩方面進行了研究[6-7]；筆者也從物理學振動與波的理論以及我國科技史中重要文獻《考工記》出發，討論了《詩經·伐檀》的作者群體和主旨[8-9]。然而，必須指出的是這種文學和科學的整合仍在初級階段，還需要拓展深入和完善，例如，對詩詞中內容的物理學解釋是否合理，評價是否恰當，以及相關的詩詞文本選擇是否正確，都應當繼續推敲。

在古典詩詞與物理教學的滲透中，與力學中的運動相對性相關的詩詞已經廣泛涉及，本文仍選擇這個課題深人討論，在列出相關的幾首詩詞并給出必要的解釋評述后，將對某些說法提出商榷。

1 力學中物體位置及其運動描述的相對性

世界上的萬事萬物都在運動變化，其中物體位置的變化是最簡單的運動形式——機械運動，經典力學就是研究宏觀物體低速機械運動規律的學科。運動學是經典力學的一個分支，它研究如何用幾何學方法來描述物體的運動，而不涉及運動的因果關系。

討論物體位置的變化，就需要先討論位置的意義。例如，在古代中國和希臘，幾乎是同一時代的惠施和亞里士多德，都研討過這個熱點課題。人們曾經認為空間地位是不均勻的，有什么月上世界和月下世界的區分，有什么自然地位等等，因而認為物體位置具有絕對的意義。但是，后來人們逐漸認識到空間是均勻對稱的，而且在我國產生這種認識比較早，在《莊子·天下》篇中保存下來的惠施的“歷物十事”中，就說“我知天下之中央，燕之北，越之南，是也”，燕在“駿馬秋風”的塞北，越在“杏花春雨”的江南，兩地相距這么遠，而且惠施甚至認為這些地方，都可以認為是天下的“中央”。假如拋開具體的地點，進入抽象思維，惠施這個論斷就是說，天下不同的地方是平等的，沒有什么地方具有特殊的地位，惠施的這種思想大概可以稱為“幾何位置相對論”。

空間位置并沒有絕對的意義，物體的位置只能相對其他物體來確定，因而物體位置隨時間的變化，即物體的運動也只具有相對的意義。在嚴格的力學科學中，要研究物體位置及其變化時，就必須事先選定某一個物體或者一組相對靜止的物體系作為基準，以便確定其他物體相對于這個基準的位置及其變化，這個事先所選定的物體系稱為參照系。但是，參照系的選擇不是唯一的，一個物體對不同的參照系可以有不同的位置描述，可以表現為不同的運動狀態。科學史中有名的“地心系”“日心系”就是兩種研究天體運動的參照系。在日常生活中人們常常以地面為參照系，但是，根據研究問題的需要，也會選取行駛中的車船為參照系[10-11]。單純從運動學的觀點看，對任何物體運動的描述都是相對的，只有在確定參照系的情況下，才能明確的說明物體的運動情況，這種運動描述的相對性是機械運動的基本特性。應當注意，這里所說的相對性是現象層面的陳述，沒有涉及物體運動的動力學因果規律，不能稱為力學的相對性原理。

在力學中為了定量地表示物體的位置，即用一組數字來確定物體位置，就需要在選定的參照系上設置一個坐標系，例如，如果以地球為參照體，研究地面附近物體的運動，就可以利用經緯度，構成一個實際的參照系。本文下面討論只涉及簡單的情況，直接討論物體位置是變化還是不變化，即研究物體是運動還是靜止，那么上述機械運動描述的相對性就簡化為運動靜止的相對性。

2 三首詩詞中的動靜相對性描述

文學和科學是人類智慧的兩大寶庫，詩詞和物理是其中的珍寶，人們常說兩者代表著形象思維和抽象思維的兩極。值得注意的是，兩極是相通的，不僅物理學者能夠通過實驗觀察和邏輯推理，總結出運動的相對性，詩人也可以借助現場體驗和直接感覺，領悟到物體間相對運動現象，并有意識或者無意識地變換參考物體，將他們的感受寫入作品中，留下精彩詩篇。千余年前的中華古典詩詞中就有許多涉及動靜相對性的描述，試舉三例：

其一，唐代李白《望天門山》：

天門中斷楚江開，碧水東流至此回。兩岸青山相對出，孤帆一片日邊來。

李白曾經在長江一帶生活過，有不少詩篇涉及江上舟行，這一篇更是大名鼎鼎，氣勢闊大，想象奇特。對于生活在蕪湖的人們來說，應當感到驚訝的是這位以浪漫著稱的大詩人，其實在這首詩中非常寫實。現在的天門山分踞在大江兩岸，人們稱為東西梁山，大江從楚地奔流而來，在到達蕪湖后轉身向北流去，在某些早期的詩集中，詩中第二句就是“碧水東流直北回”，誰知道什么時候什么人什么道理將這句改成“至此回”的呢？江流在穿過天門山之前并不是十分開闊，現在的蕪湖兩座跨江大鐵橋就在這段江上，過了天門山后江流又漸漸轉向東流，而且江面也漸漸開闊起來。在注釋這首詩時，有李白是逆江而上還是順江而下的爭論，但是，真正乘舟經過天門山的人會知道，只有從當涂方向，即從東方逆江而上的人才能看到“兩岸青山相對出”的景象，從蕪湖方向順江而下的人只能先看到東梁山(東天門山)，后看到西梁山(西天門山)。李白應當是乘著張著風帆的舟船從東方而來的，他遠遠地看到位于西面大江兩岸的東西天門山相對著出現，漸漸靠近來，恰似列隊迎接他，于是就把此情此景寫入詩中。但是，這位千年前的大詩人在后兩句詩中，不經意中卻涉及了現在的物理學領域，寫景抒情時換了參照物，寫兩岸山出，把船視為不動的參照物，寫孤帆來，則是以岸為參照物了。

其二，更早的南北朝蕭繹，即梁元帝的《早發龍巢詩》：

征人喜放溜，曉發晨陽隈。初言前浦合，定覺近洲開。

不疑行舫動，唯看遠樹來。還瞻起漲岸，稍隱陽云臺。

這首詩也涉及參照物的變換，第三聯寫得很明確，按照常理相對于江岸，他乘坐的是“行舫”，但是，如果人們不認為舫動，那么，就覺得遠方的樹自“來”了。其實，這首詩的第二聯還涉及了人們視覺的一種現象，看遠方的東西，視線分開的角度小，就以為是“合”起來的，看近物視角大，就覺得張開了。這種視覺現象與后來的射影幾何相關，在現代的測繪技術中以及攝影繪畫藝術中射影幾何是基礎性的理論。

其三，比較遲的五代無名氏的敦煌曲子詞《浣溪沙·五兩竿頭風欲平》：

五兩竿頭風欲平，長風舉棹覺船輕。柔櫓不施停卻棹，是船行。

滿眼風波多閃爍，看山恰似走來迎。仔細看山山不動，是船行。

這首曲子詞有兩段，前一段說的是船是怎么行起來的。“五兩”是古代的“測風儀”,裝置很簡單，把一束輕輕的羽毛用細繩吊在高竿之頂，風一吹就飄起來，指向反映風向，懸繩吹起的角度顯示風力大小。“五兩竿頭風欲平”，竿頭上的羽毛被風吹起來，而且力度不小，吊繩都幾乎吹平了，乘風的船劃起來很輕松，不用搖櫓舉棹，船都可以自行吧。有人在討論把“風欲平”理解成風停了，顯然有誤，使得此詩不可解。這里的“風”是作為動詞用的，“欲平”是指“五兩”被吹的位置，表明相對于船而言，風速還是相當大的。船能夠“乘風破浪”，意味著相對于大地而言風速是超過船速的，這一點我們在下一節的討論中仍然要提到。這首詞的第二段，說到運動的相對性。乘風而行時，船上的乘客和船夫就可以得閑欣賞風光，他們看到遠山似乎走來歡迎，這當然是把船當作參照物的，但是仔細觀察，山在大地上并沒有動，還是船相對岸在行，這是選擇大地為參照物的。

上述三首詩詞都是事關舟船行駛，涉及描述山樹舟船的動和靜，既寫出舟中人直接眼見的情境：“青山出”“遠樹來”和“山來迎”，又從人們乘船出行時按照常識說出的“孤帆來”“行舫動”和“山不動是船行”。這種描述在當代歌曲中仍然頻頻出現，例如，有名的電影插曲《紅星照我去戰斗》歌中唱道，“小小竹排江中游，巍巍青山兩岸走”，這里既有“竹排”在游，又有“青山”在走，都動起來了！理解上述詩詞歌曲中的“動和靜”奇特描寫，關鍵在于參照系的轉換。

其實，這種變換參照系的思維在日常生活中經常遇到，仍然以舟船為例。當人們送客登舟遠行，兩人“執手相看淚眼”時，岸上人說：“注意安全，不要亂動”，顯然選擇了船為參照系，讓行人在舟船上不要亂動；當舟船離岸，兩人“舉手長勞勞”，岸上人又說：“走好，一帆風順”，參照系又變換回到河岸。在現在的文學作品中，這樣生動的情境描寫，這樣自然的視角變換，簡直不勝枚舉。

真正令人驚嘆的是，這種千百年前詩人們從直接感覺出發，通過形象思維描述的情境，竟然與多少世紀后物理學者理解的機械運動相對性相通。詩人們用詩意語言體現了力學中的重要思想，反過來，利用近代物理學和其他自然科學的知識，也會給理解闡釋和評價古代詩詞提供了一種新的角度和途徑。

3 對一首宋詩的運動相對性解釋的商榷

然而，文學畢竟不同于科學，感覺也會有錯覺，所以在討論古代詩詞中的運動相對性時，要深人分析，恰當評價，否則也會出現偏差。例如，在相當多的關于古詩詞中的運動相對性問題討論中，引入了南宋詩人陳與義的《襄邑道中》：

飛花兩岸照晚紅，百里榆堤半日風。臥看滿天云不動，不知云與我俱東。

它得到很大的關注，甚至涉及了高中政治、語文和物理等課程的教學，但是，關于它的一些結論值得商榷。

襄邑是宋代縣名，即今河南睢縣，當時有汴河通東京(今河南開封)，這首詩也涉及詩人乘舟出行。在討論這首詩時，有人把它等同于上述三首詩，利用運動的相對性，分析說“明明刮了半日的西風，為什么天上的云彩卻一動不動呢？仔細推敲一下，原來，并不是云彩不動，而是它正在跟著人一起向東移動呢！當云和小船正好以相等的速度向著同一方向運動時，船上的人觀察云彩，云彩就是靜止的了。”在討論這首詩時，談到了人的視覺，“如何判斷外部物體是在運動還是靜止的呢？很簡單，通過我們的眼睛去觀察，用眼睛測量物體和我們之間的距離。如果物體與我們的距離一直在改變，我們就認為物體在運動。如果物體的方向一直在變化，我們也會認為物體在運動。”“對于小船上的詩人來說，小船向東行駛，云彩和小船以同樣的速度也向東行駛。詩人身在船上，但與小船、云彩的相對距離及方向都沒有改變，所以詩人才會有‘臥看滿天云不動，不知云與我俱東’的感慨”。在有的高中政治課教學中也涉及了這首詩，有一份政治考試試題答案中斷言“宋代詩人陳與義《襄邑道中》中的兩句詩。它形象地說明了物質世界是絕對運動與相對靜止的統一。”

然而，不可以將“臥看滿天云不動，不知云與我俱東”，解釋為“云和小船正好以相等的速度向著同一方向運動時，船上的人觀察云彩，云彩就是靜止的”，這種說法是錯誤的！船乘風而行時，除了受到風力作用外，還必定受到水的阻力作用，依靠風力推動的帆船的速度一定小于風速。設想一下，如果風速與船速大小相等，方向相同，那么以船為參照物時風速就為零了，上一節中我們說過，帆船行駛時裝置在船上的測風“五毛”是要被吹起來的。但是對天空中的云彩而言，它們隨風而飄的速度幾乎與風速相同。此外，還有一個因素千萬不能忽視，即低空風速比高空風速要小得多，所以風吹動的水面船速不可能與隨風走的高空云速相同。

那么，怎么理解“臥看滿天云不動”呢？這的確要從人們的運動視覺來解釋。人的感覺是很復雜的，其中視覺是我們人類認識外界的最主要的信息通道，由眼睛、視神經和腦的皮層視區組成的人的視覺系統，能夠將光刺激轉換成為復雜的神經信號，進而產生視覺認知，但是，其中涉及的感覺認知過程和機理，仍然有待進一步深人研究。多少年的選擇進化形成的人的視覺系統仍然有相當大的局限性，重要的視覺包括對物體動靜快慢的運動視覺也會有錯覺。

在人們普遍的經驗中，月夜行人抬頭望月時，總覺得月亮走人也走，人駐足月也停，唐代大詩人李白的《把酒問月》中，開篇就寫道：“青天有月來幾時？我今停杯一問之。人攀明月不可得，月行卻與人相隨”，難道能夠由此斷言人與月亮速度相同嗎？又如，現在的高速交通工具太多了，人們乘汽車、火車或輪船出行時，偶爾向外面短暫一瞥，就覺得地面上的樹木、房屋，都是相對出、迎面來、再退后的。但是，如果同時觀察近處的草木和遠處的山峰，卻會覺得近樹對人是逆向后退，而遠山卻與人同向前行。注視著連片的大地景象時，似乎覺得地面在轉動；如果抬頭看天空，常常覺得高天上的流云似乎不動。這些現象僅僅利用運動相對性解釋不了，在很大程度上與人的感覺存在局限性相關，應當歸結為人們視覺的生理—心理—物理問題。

物體分布的空間層次感覺，物體遠近的感覺與人的雙目效應有關，人們運動視覺確有能夠反映物體遠近變化的因素，但是，這種對物體運動的直接感覺，卻由于人的雙目間的距離有限，物體距離較遠時，人眼對物體遠近變化的感覺就很不敏感了。可以想象，當李白站在黃鶴樓送孟浩然時，到了“孤帆遠影碧空盡”的程度，他不再可能對船的行駛快慢有什么感覺了。實際上，與感覺物體距離變化相比較，運動視覺很大程度上與人們注視物體的視線轉動的角速度相關，然而，觀察物體對應的視線角速度與人與物之間的距離關系極大，正因為如此，當一只蜻蜓飛過人的面前時，人們會覺得它比高空上飛行的噴氣式飛機都“快”得多！人在地面上，無論是站在岸上，或是臥在船頭，看著高空中的云彩，只要不是長時間追蹤，不是狂風大作天氣，都可能看到“滿天云不動”的景象。陳與義的詩寫得很精彩，寫了他的真情實感，只是我們把它用來說明運動相對性不妥，特別是斷言云與人(船)速度同向而且等大，就失當了，應當注意到人的感覺具有很大的局限性，甚至存在錯覺。

4 結束語

本文首先比較深入地論述物體機械運動描述的相對性的意義，然后在此基礎上討論了我國古典文學中與運動相對性相關的幾首詩詞，說明詩人們奇特的動靜景象描述，與力學中參考系的變換相關，這既是利用物理學知識來闡釋古典詩詞，也是發掘古典詩詞中的科學內涵。這種搜索詩詞中與物理學相關的內容，在詩詞與物理之間建立跨學科聯系，值得進一步在相關學科的教學和學術研究中探討。同時，我們也指出了在引用一首古典詩詞說明運動相對性時的不妥之處，借以提醒在跨學科研究中需要謹慎。

在歷史長河中，歐洲日心說出現后曾經出現過涉及運動相對性的大爭論[11-12],爭論中也出現以航行的舟船為例的情況，正是那一場爭論促進了近代科學思想的解放與科學方法的突破，導致了近代物理學的產生。這場涉及運動相對性的爭論，并沒有停留在運動學現象層次，而是深入到動力學領域，使得慣性和慣性運動的概念以及伽利略相對性原理漸漸明確，這些是建立經典力學理論的基礎。

反觀我國歷史，在春秋戰國時代“百家爭鳴”，爭論也涉及與空間的均勻性和運動的相對性的內容，后來的許多文人墨客作品中也涉及運動相對性，但是，一切都停步在現象描述和感性層次，沒有進入理性的邏輯的分析歸納。特別是后來儒家思想占了統治地位，比較講實際而且涉及到邏輯的墨家都敗下陣來，以惠施公孫龍為代表的名家更被戴上了詭辯的帽子，千百年再也無人問津運動相對性的深層次問題，這些大概是近代自然科學沒有能夠在我國發展起來的文化背景的一部分。現在我們要實現現代化，振興基礎科學，突破關鍵技術，需要進一步解放思想，繼承傳統文化中的精華，掃除其中的糟粕，希望本文的討論能夠產生一些積極意義。