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秦汉时期的物理学成就

原标题:秦汉时期的物理学成就

声学知识

秦汉时期声学得到进一步的发展。一方面是乐器的种类增多,不仅编钟和编磬每组增加至三十余架,而且还出现了笛、阮、箜篌等新的乐器。另一方面是音律学的实践和理论探讨有所前进,开始对十二律的旋宫难题进行研究。

十二律和六十律

秦相吕不韦(?—前235)所组织编写的《吕氏春秋》记述了十二律的律名:黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射、应钟。其生律法是三分损益法,即从黄钟起隔八相生:“黄钟生林钟,林钟生太簇,太簇生南吕,南吕生姑洗,姑洗生应钟,应钟生蕤宾,蕤宾生大吕,大吕生夷则,夷则生夹钟,夹钟生无射,无射生仲吕。”但是这种用三分损益法生律生到第十二律后,不能回到出发律上,亦即不能旋相为宫。为解决这个问题,西汉京房(前77—前37)提出六十律制。即从黄钟起生到第十二律仲吕后,继续往下生律,直到六十律“南事”为止。

《后汉书》载:“六十律相生之法:以上生下,皆三生二;以下生上,皆三生四。阳下生阴,阴上生阳,终于中吕,而十二律毕矣。中吕上生执始,执始下生去灭,上下相生,终于南事,六十律毕矣。”事实上,当京房用三分损益法生律到第54律时,就与出发律很相近,只差一个微小的音差(3.61355音分值),按说此时就可以旋宫转调。可是京房把律数与历数统一起来,就一直生到六十律,即把六十律中的每一律代表一天至八天,使六十律正合一年三百六十六天。京房这种生律法虽较烦琐,在演奏实践和乐器制造方面都有困难,但生律法本身则是一个有创见的尝试,它通过继续生律的办法来找到微小音差,以实现旋宫的目的,具有一定的科学性。

京房还认为“竹声不可以度调”,即认为律管不能用以定律。因为律管的口径和管长都须经校正,而管口校正则是一个相当困难的事。因此京房特地“造准以定数”,即用弦来定律。《后汉书•律历志》上对京房准做了介绍:“准之状如瑟,长丈而十三弦,隐间九尺,以应黄钟之律九寸;中央一弦,下有画分寸,以为六十律清浊之节。”

1973年长沙马王堆一号汉墓出土了西汉景帝前元七年(公元前150年)的一组律管,共十二支,最长为17.65厘米,最短为10.2厘米,孔径约0.65厘米。这组律管的出土对于探讨我国古代以管定律提供了重要的参考资料。从文献资料来看,秦汉时代已有用管定律的内容。《汉书•律历志》孟康注:黄钟空围九分,林钟空围六分,太簇空围八分。说明不仅律管的长度不同,而且内径也各不相同。显然已经过管口校正。

共振共鸣

秦汉时期,人们对于共鸣现象也作了进一步的研究。《庄子》中说:“为之调瑟,废一于堂,废一于室,鼓宫宫动,鼓角角动,音律同矣。夫或改调一弦,于五音无当也,鼓之,二十五弦皆动。”《淮南子》也做了类似的论述,说是“同音之相应”。用“音律同”或“同音之相应”很容易给人以错觉,认为它是“自鸣”。董仲舒对此做了批驳。他说:“琴瑟报弹其宫,他宫自鸣而应之,此物之以类动者也。其动以声而无形,人不见其动之形,则谓之自鸣也;又相动无形则谓之自然。其实非自然也,有使之然者矣。”他指出这种鼓宫宫动、鼓角角动的现象,是由于“物之以类动者”,“实非自然也”。董仲舒的看法是正确的,因为弦线不会自鸣,不会自振动,它必须是在周期性变化的外力的作用下,当外力的振动频率与弦线的固有频率很接近或相等时,才会引起共振共鸣。

光学知识

关于目视物问题

东汉王符所撰《潜夫论》中说:“中阱深室,幽黑无见,及设盛烛,则百物彰矣。此则火之耀也,非目之光也,而目假之则为已明矣。”这是说目能视物是由于借物之光,若没有外光,目即“无见”。此同先秦时期墨家学派关于“目以火见”的见解是相一致的。《潜夫论》又说:“偶烛之施明于幽室也,前烛即尽照之矣,后烛入而益明,此非前烛昧而后烛彰也,乃二者相因而成大光。”这是关于两个光源照度叠加的论述。

关于平面镜组合成像的实验《淮南万毕术》云:“高悬大镜,坐见四邻。”注:“取大镜高悬,置水盆于其下,则见四邻矣。”此种平面镜组合的实验装置,可以克服障碍,扩大视野,其原理与后世之潜望镜相合。

凹面镜与透镜先秦时期已有用金属凹面镜取火。《周礼、秋官》载:“司烜氏掌以夫燧取明火于日,以鉴取明水于月。”《礼记》载:“金燧。”《考工记》载:“金有六齐,金锡半,谓之鉴燧之齐。”这里的燧,都是指阳燧,即金属凹面镜。《淮南子》云:“阳燧见日则燃而为火。”又云:“若以燧取火,疏之则弗得,数之则弗中,正在疏数之间。”此处“疏数之间”指的是阳燧的焦距,说明当时就有焦距概念,这是中国古代光学中的一大进步。秦汉时代有没有用透镜取火?这是个长期争论的问题。《管子》中提到:珠能取火。“珠者,阴之阳也,故胜火。”

《论衡》说:“阳燧取火于天。五月丙午日中之时,消炼五石,铸以为器,磨砺生光,仰以向日,则火来至。”⑦此处的阳燧仍为凹面镜,但消炼五石所制之器,则可能是透镜。《淮南万毕术》中记载了冰透镜取火:“削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则火生。”这是我国关于冰透镜取火的最早记载。

上海博物馆珍藏有一面西汉时的“透光镜”。此镜为铜制,背面铭文有“见日之光,天下大明”八个字,正面光可照人。但若把它对日反射日光,则背面花纹文字悉映于墙壁上,故被称为“透光镜”。隋唐之际王度的《古镜记》说有一镜,“承日照之,则背上文画,墨入影内,纤毫无失”即指此种透光镜。为何铜质之镜能“透光”?奥妙在造镜技术上。唐宋以下探索此技术者代不乏人。宋沈括认为;“铸时薄处先冷,唯背文差厚后冷而铜缩多,文虽在背,而鉴面隐然有迹,所以于光中现。”这就是说,因铸造时厚薄不同,因而冷缩的先后有差别,从而使镜面产生细小的曲率差异,反射日光时就会把背面文画映出来。

元代吾丘衍在《闲居集》中说:“如镜背铸作盘龙,亦于镜面窍刻作龙如背所状,复以稍浊之铜填补铸入,削平镜面,加铅其上,向日射影,光随其铜之清浊分明暗也。”这种补铸的办法,的确也能制出“透光镜”来。还有的认为是压磨所致,即在磨镜面时,薄处因弹性作用,磨得少,呈稍凸,厚处受力大,磨得多,呈微凹,结果就能在日光下反映出背部花纹。事实上,上述三种办法都能制成“透光镜”。

电和磁的知识

雷电风雨是最普遍的自然现象。从远古时代起,人们就注意观察雷电现象,留下了不少记载。如“雷风相薄”、“雷雨作而百果草木皆甲坼”、“雷不发而震”、“雷电击夷伯之庙”、“三月癸酉大雨震电。震,雷也;电,霆也”等等。人们震慑于雷电,但也试图对其起因及性质进行探索。秦汉时期的典籍中对此屡有论述。如“阴阳相薄为雷,激扬为电。”⑥“盛夏之时,太阳用事,阴气乘之。阴阳分争,则相校轸,校轸则激射。”这是用阴阳观点来解释雷电产生的原因。此种观点在中国流行了二千多年。

史载车师后王姑句家“矛端生火”,这可能指的是尖端放电现象。

石汉代人们也已发现摩擦起电的现象,并把此种现象同磁石的吸铁性联系在一起。如“顿牟掇芥,磁石引针。”顿牟即玳瑁,其甲壳经摩擦后会产生静电,可以吸引芥一类的轻小物体。至于磁石吸铁性早在先秦时期就有所认识。只是汉代人们又有新的发现,即磁石不能吸引铁以外的物体。如《淮南子》云:“若慈石之能连铁也,而求其引瓦则难矣。”又云:“慈石能引铁,及其于铜则不行也。”显然,这些知识是在科学实验的基础上获得的。汉代人们还做了磁石本身相互吸引、排斥的有趣实验。如《淮南万毕术》云:“磁石拒棋。”注:“取鸡血与针磨捣之,以和磁石,用涂棋头,曝干之,置局上,即相拒不休。”棋头涂以磁石,便赋磁性。相拒不休,即是磁石的同性相斥、异性相吸现象。

秦始皇时代还利用磁石的吸铁性建造阿房宫的北阙门,为的是使“怀刃者止之”。

磁石的指极性在先秦时期也已被发现并用来做成磁性指向器——司南。

关于司南的形制,王充在《论衡》中说:“司南之杓,投之于地,其柢指南。”据近人王振铎的研究,司南是用天然磁石琢磨成的勺状物,底部呈球形,放在地盘上,可自由旋转,旋定,其柄指南。“投之于地”的“地”字,指的是古代栻占用的地盘。地盘呈正方形,为铜制或漆木制,四周标有八干、十二支和四维合为二十四向。中间天盘呈圆形,作投转司南之用。整个地盘是采天圆地方之制。这种司南可以看成是后世指南针的前身。返回搜狐,查看更多

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发布于:山东省
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