书城科普读物站在巨人肩上-从阿基米德谈物理学起源
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第11章 磁学在中国古代的应用(1)

中国古人早在2000多年前的春秋时期,就已经认识了磁石,并在利用磁石的过程中积累了丰富的磁学知识。在公元前四世纪左右成熟的《管子·地数篇》中记载道:“……上有磁石者,其下有铜金……”这是世界上关于磁石的最早记载。后来的史书中也陆续记载了关于磁石吸铁等现象。从这些记载中可以看出,中国古人很早就了解了磁石的一些特性,并利用磁石来寻找矿藏。

中国古代有很多生动的实例,都记载着人们对磁石所具有的磁力的利用。相传秦始皇为了防避刺客,用磁石建造阿房宫的北阙门,使怀刀剑者入门时,就被阻止住。在《晋书·马隆传》中还记述了马隆曾利用磁石吸铁这一特性大败叛军的故事。公元279年,马隆率兵讨伐凉州叛乱。在一次伏击战中,他把大量磁石堆放在一条狭窄的夹道上,令官兵脱去铁甲,穿上犀甲,把敌人引来夹道,由于敌人穿的是铁甲,被阻而不得出,于是大败。这是磁石应用于军事上的范例。

据古代传下来的医书记载,磁石还曾被用来医治疾病。《史记》记载,战国时就有了“自炼五石”内服治病,叫做“五石散”,磁石就是五石之一。到了汉朝和晋朝,人们对磁石的药性和疗效的记载就更加详细了。西晋葛洪的《抱朴子》中还有利用磁石做外科手术,从患者身上取出铁针等异物的记载。后来,由于辗转流传,关于磁石的某些应用显然被夸大了,但在实践中,磁学知识在中国古代已广泛地被应用,却是确凿无疑的。

一、中国古代对浮力的认识及应用:

中国是应用浮力最早的国家,大约在殷商时期,我们的祖先就开始认识和应用浮力了。那时,人们把较大的独木从中间挖成槽形,放在江河的水中漂流,称为独木舟,用它来载人和装运收获的猎物后来又发展到用木板做成船体,在江河中代替独木舟航行。随着生产和技术的发展,以后各个朝代对船的形状和结构又进行了多次改进,使木船不仅能在内河、湖泊中航行,还制造了能适用于大海、大洋中航行的大型船舶。明朝时的郑和出使西洋用的大型“宝船”船队,其船体在结构上合理、精致、美观,都达到了古代造船工艺史上的巅峰。这一伟大的成果,是古代造船史上非常光辉的业绩,是我们祖先对世界航海事业作出的伟大贡献。

浮桥是我国古代历史上应用浮力的伟大奇迹,在公元前8世纪周朝时就得到了广泛的应用。在以后的年代,发展到不仅可以在小河上架起浮桥,而且像黄河这样的大河上也架起了浮桥。相传在11世纪初,在蒲州(今山西永济市)附近潼关以北的黄河上曾架起一座很大的浮桥,浮桥的缆绳用8只铁牛系住,这些铁牛立于两岸,每只铁牛重数万斤。后来由于洪水泛滥,浮桥被冲垮,铁牛也沉入河中。如何把铁牛打捞起来,在当时的条件下,是比较困难的。和尚怀丙派人潜入水中,用铁索把铁牛和两只装满泥土的大船系在一起,然后再把船中的泥土除去,利用大船所受的浮力,把铁牛拉上来。

利用物体的沉浮原理估测液体的密度,在我国的宋、元时代已经开始。根据有关文献记载,密度的测定主要是和古代的制盐业密切联系的,即由于估测盐水的需要,发展了液体密度的测量技术,为晒盐业提供了条件。11世纪,姚宽在台州做官时,为了检查盐商是否舞弊,他首创了一种简单的估测盐水密度的方法。选用体积大体相同,而质量不同的莲子十粒,当把莲子放在盐水中时,如果这些浮沉子——莲子有5粒以上浮起,说明盐水是最浓的;如果有三四粒莲子浮起,说明此盐水是浓盐水;如果不足3粒莲子浮起,说明此盐水是稀盐水。到了元代,经进一步改进,制造了便于携带的简单装置。取四个莲子,分别用四种不同浓度的盐水浸泡,放在一个竹筒内,便成为简单的测定盐水浓度的装置。如果要测某种盐水的浓度,只要把待测盐水的一小部分装入筒内,观察各类莲子浮起的情况,便可以估测盐水的浓度。到了明代,测定盐水浓度的方法进一步简化,选一粒轻重合适的莲子,放在竹筒内,当把待测的盐水放入竹筒中时,如果莲子浮在水面上成横倒形,则盐水最浓;如果成垂直形,则盐水次浓;如果莲子沉而下浮,则盐水不浓。我国古代这种简单估测盐水浓度的方法,与现代密度计的原理相似,这说明我国古代对浮力的研究与应用已经相当深入了。

二、中国古代对力学的研究:

力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验,并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理,这在东西方古代都是如此。

在我国古代,手工工艺技术成果远比经验性的理论总结突出得多,这是中国古代对力学研究的主要特点。从时间来看,大体可分为春秋战国、两汉、宋明三个高潮。

(1)春秋战国时期(公元前770~前221年)

公元前316年,蜀守李冰修建都江堰,“正面取水,侧面排沙”,其都江堰工程巧妙地利用了弯道环流,说明当时测河水流量、了解泥沙规律等水力学知识及水利工程已有相当的水平,成都平原两千多年来始终受益。

传为齐人著的《考工记》,是记录我国古代农具、兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手工艺规范的专著,现存版本中如《裘氏》《筐氏》《雕氏》等篇内容已散佚。其中惯性现象的记述“马力既竭,辀(zhōu,指车辕)犹能一取焉”,车轮大小与拉力的关系——轮太低,马总是像上坡一样费劲,箭羽影响箭飞行速度的关系——“后弱则翔,中强则扬,羽丰则迟”,检验木料强度的经验方法如“置而摇之,以视其蜎(yuān,蠕动程度),“横两墙间,以视其桡之均”,“横而摇之,以视其劲”,以及堤坝设计的经验尺寸等,都反映了我国当时的生产技术水平和经验知识水平。

与《考工记》几乎同时的《墨经》,则进一步得出一些初步的力学哲理(如“奋”、“衡”、“本”、“标”、“重”、“权”等),给力下了比较科学的定义:“力,刑(形)之所以奋也。”可惜这一形成科学的抽象思维进程在后世没有顺利继续下去。

这一时期是以记录与积累生产经验为主,也形成了初步哲理。

(2)两汉到五代时期(公元前206~公元960年)

最早的常平支架“被中香炉”

简单机械逐渐发展为精巧的或大型的联合机械,如张衡的水运浑天仪、候风地动仪,西汉末巧工丁缓(公元1世纪)的“被中香炉”是世界上已知最早的常平支架,祖冲之(公元429~500年)的水磨等等。

隋代造船业已很发达,如隋炀帝的龙舟已高40尺,宽50尺,长200尺。李春主持建造的河北洨河赵县安济桥(公元595~605年),跨度最大37.02米,弧度最浅拱最高723米,至今1300多年,下沉水平差只有5厘米,说明实用结构力学发展的水平。浮力的利用甚多,如:浮桥的建造唐李吉甫:“以船为脚,竹篾亘(gèn,横贯)之”,“架黄河为之”;东晋僧人惠远在庐山造莲花漏作为记时工具:“取铜叶制器,状如莲花,置盆水之上,孔底漏水,半之则沉”,即莲花漏由孔底进水到一半时就逐渐下沉,“每一昼夜十二沉”,非常巧妙。还有著名的曹冲称象故事,在陈寿著《三国志》卷二十及《江表传》中均有记载。

上述种种成就,集之于书的不多,北齐信都芳曾“集浑天、地动、攲器、漏刻诸巧事并画图名曰器准”,但已散失。

这一时期带有直觉经验型的物理哲理性著作是王充的《论衡》,在他的著作中对于运动的疾舒(快慢)、力与运动、物与运动、内力与外力的关系等作了叙述。其次是运动的相对性概念,晋天文学家束皙(261~303年)说过:“乘船以涉水,水去而船不徙矣”(《隋书·天文志》);晋葛洪(283~363年),号抱朴子,在其著作《抱朴子·内篇·塞难》中说:“游云西行,而谓月之东驰。”《晋书卷十一天文志》更将这一相对运动的思想用于解释天体运行:“天旁转如推磨而左行,日月右行,随天左转,故日月实东行,而天牵之以西没。譬之蚁行磨石之上,磨左旋而蚁右去,磨疾而蚁迟,故不得不随磨以左回焉。”有极大价值的是至少成书于东汉时代的《尚书纬·考灵曜》(著者不详,收入明代孙毅编纂的《古微书》卷一《尚书纬》),该书在提出“地有四游,冬至地上行北而西三万里,夏至地下行南而东三万里,春秋二分是其中矣”的同时,提出了著名论断:“地恒动而人不知,譬如闭舟而行,不觉舟之运也。”这种对运动相对性的观点,《考灵曜》比伽利略的《对话》至少早约1500年。此观点说明我国古代物理思想达到过的高度。

这一时期在机械、水力等技术发展基础上物理思想活跃,但是物理现象很少作定量叙述。

(3)宋元明时期(960~1644年)

我国古代技术成就极为丰富,但往往著述不详或流散失传,只知其名而不知其详,因而许多“巧器”历代都有人重新“创制”。如由仰韶文化时期尖底陶罐发展而成的攲器,“虚则攲,中则正,满则覆”(《荀子·宥坐》),是由于重心由高变低而又变高而致的,晋人杜预、南北朝祖冲之,魏、隋、唐、宋都有多人试制,指南车也有东汉张衡、三国马钧、祖冲之、宋燕肃、吴德仁等多人多次制成或未成。后魏时有郭善明与马岳同时研造,郭未成而妒忌,见马岳垂成,便用毒酒杀之。而燕肃造这种凭靠齿轮传动使木人手指方向不变的指南车遇困难时,出门“见车驰门动而得其法”(宋陈师道《后山丛谈卷一》),这也是从机械原理中悟出的。可惜的是往往因古代人悟而未述或述而失传。记载鼓车也是利用传动,使车轮走满一里时有一齿轮转满圈并拨动小人打鼓一次。这说明我国手工制造中齿轮构造等工艺相当娴熟,但直到宋代才记载较详。

天体仪古称“浑象”是我国古代一种用于演示天象的仪器。

天体仪,古称“浑象”,是我国古代一种用于演示天象的仪器。

苏颂(1020~1101)和韩公廉1092年建成了我国古代最大型的先进天文钟楼“水运仪象台”,其结构详细载于苏颂《新仪象法要》中,它涉及天文、力学、机械制造,其中有相当于钟表擒纵器的“天衡”,是保证等时性的杠杆装置。元代郭守敬(1231~1316)在天文仪器制造的种类(简仪、仰仪、定时仪、日月食仪等十几种)、结构和精度方面达到很高水平。

宋代曾公亮(997~1087)除在《武经总要》这一军事著作中记载兵工机械、枪炮、军用油泵(“猛火油柜”)等外,还在《寻水泉法》中详载了虹吸管(“渴乌”),它在《后汉书·张让传》及唐代《通典》中都有记载,包括“取大竹去节”,“油灰黄蜡固封竹首插入水中五尺”,烧火使“火气潜通”入水,“则水自中逆上”等。

河北石家庄隆兴寺的转轮藏建于北宋,人在台上绕轴走动时轮藏会缓慢地反向转动,这实际上是动量矩原理的应用。

宋应星(1587~1644)的《天工开物》是明代农业和手工业生产技术的百科全书,在卷十五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法:“凡试弓力,以足踏弦就地,秤钩搭挂弓腰,弦满之时,推移秤锤所压,则知多少”,方法十分巧妙。该书在我国失传300年,于1926年才由日本找回翻印本。

总的来说,我国古代力学知识与古代精湛的工艺技术往往密不可分,但各时期对技术知识的整理汇集、研究提高、保存流传都未受到重视,致使技术特别是科技理论不能代替人力形成明显的生产力,科举八股把教育与知识分子的注意力引到文字游戏或仕途官场上。一方面是大量生产知识与技术积累而又散失,缺乏系统整理,一方面是经验性的定性的力学概念始终带有思辨色彩(如“气”、“道”、“理”),缺乏数学的定量引用和系统实验的基础,因此经典力学理论只能等待西方传入。

三、中国古代对热学的认识:

我国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结。至今所知的古籍中对热的研究记载较少,还有待于进一步发掘。

火的利用和控制,使人类第一次支配了自然力,使人类文明大大前进了一步,同时,它也是古人对热现象认识的开端。我国山西省芮城西侯度旧石器的遗址,说明大约180万年前人类已经开始使用火。

金镡金首铁剑 :春秋长38.7厘米,1957年河南省陕县后川出土,这是迄个为止所发现的少数春秋时期铁器之一对冷热的认识约在公元前2000年,我国已有气温反常的记载,在两周初期,人们开始掌握降温术和高温术。据《周礼》记载,当时已设专人司贮冰事,冬季凿冰加以贮藏,到春、夏季用以冷藏食物和保存尸体。说明当时已利用天然冰来降温。我国冶炼业的发展较早,高温技术也很早被人们掌握。江苏省曾出土春秋晚期的一块铁,经科学分析,它是一块生铁,生铁的冶炼温度比熟铁高,需达摄氏千度以上。生铁的出土,说明在那时的高温技术已达到一定水平。

温度计还没有发明以前,古人在冶炼金属的实践中,创造了通过观察火候和火色来判别温度高低的方法。据《考工记》记载,在铸铜与锡时,随温度的升高,火焰的颜色先后变为暗红色、橙色、黄色、白色、青色,然后才可以浇铸。这种方法同样也应用于制陶工业。从现代科学分析,不同物质有不同的汽化点,因此从火焰的颜色可以判断所汽化的物质,从而判断温度的高低。对同一种物质,随着温度的升高,其颜色也先后有所变化。“火候”(包括火色)成了我国古代热工艺中一个内容丰富的特有概念。