第二章 中國傳統科學技術的奠基 第九節 《墨經》中的光學和力學

《墨經》原是《墨子》一書中的「經上」、「經下」、「經說上」、「經說下」四篇,後人把其單獨成書,併名為《墨經》。關於《墨經》的作者,現在還存在著爭議,有人認為「經上」、「經下」是墨子自著,「經說上」、「經說下」是墨子及門弟子記錄師說而成;也有人認為四篇都是戰國後期墨家後學的作品。但撇開其作者不說,單就內容而言,史學界都認為它是先秦一部重要的科學典籍。其科學內涵非常豐富,除上面提到的幾何學外,突出的還有光學和力學。

《墨經》中記載有我國最早的小孔成像實驗:在一間小屋向著陽光的一面牆上開一個小孔,人對著小孔站在屋外,在陽光的照射下,屋裡相對的牆上就會出現一個倒立的人影。對此,《墨經》中解釋說,這是由於光穿過小孔時如射箭一樣,是直線行進的,人的頭部遮住上面來的光線,故成影在下方,而人的足部遮住下面來的光線,故成影在上邊,這樣便形成倒立的影像。這既明確地闡述了光的直線傳播原理,又科學地解釋了小孔成像的原理。

對於凹面鏡、凸面鏡、平面鏡的成像問題,《墨經》都作了較系統地研究和探討。現在人們都知道,凸透鏡對著太陽可以聚焦取火。在先秦時期我國沒有玻璃透鏡,但卻有大量的銅鏡。當時人們已經發現,凹面鏡能夠聚焦取火,故又叫它陽燧,用其取火,是一個重要的人工取火方法。《墨經》中對凹面鏡成像原理作了一系列的考察,指出在凹面鏡球心之外,物體所形成的像是倒立的,比原物小;在球心之內,則像正立,比原物大。《墨經》中還指出,凸面鏡所形成的像都是正立的,比原物小;而平面鏡所成的像與原物一樣大,但左右互為倒置。把《墨經》的這些闡述與近代幾何光學相對照,除了它尚未能把焦點與球心區分開外,其他的內容則是一致的。

對於運動物體的影子問題,《墨經》中也有精闢的論述。它指出運動物體的影子並沒有跟隨物體而運動,這是因為物體運動後所出現的影子是新形成的,而原來的影子已在物體運動後消失,看起來好像影子也在運動,其實只是新舊影子在不間斷地相互更替而已。《墨經》中還考察了本影和半影的問題,並有符合科學的解釋。在2000多年前,能有這樣的成就,是很了不起的。

在力學方面,《墨經》中給出了力的定義:「力,刑(古通形)之所以奮也」,意思是說力是人體所具有的使物體運動的手段,如由下向上舉重物,就是力的作用。它從衡器的平衡中,得出了槓桿原理,即力×力臂=重×重臂。對於運動、靜止、浮力、重心、斜面等力學問題,《墨經》中也都有相當精闢的記述,這裡就不一一列舉了。

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