原创《打开光学之门》
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文｜雷辉志
从钻木取火到金属凹镜,从小
孔成像到光的色散……漫长的
时光中,古代中国人用智慧打
开光学之门,向人类展示了绚
丽多彩的光学世界.
阳光、月光、星光、火光……从
古到今,在人类的生活中,光几乎是
无所不在的.因此,人类对于光的认
识也相当悠久,特别是中国古代的光
学成就,远远走在了世界其他国家的
前列.
从钻木取火到金属凹镜
早在距今约56万年前的远古时
代,我们的祖先——北京周口店人就
懂得了利用野火照明、防身和御寒.
当时,周口店一带气候温暖,动物繁
多,熊、狼、虎、豹等野兽严重地威
胁着周口店人的生命,于是他们便用
“如神照明”的火光来驱赶野兽.
三万年前,人们利用光能的本
领有了新的提高.相传有个叫燧人氏
的,在石灰岩中发现了一种硬度很高
的石头,具有显著的贝壳状断口,裂
片很尖锐,用铁器敲击时,能发出火
星.于是他用这种石头在一种叫钻木
的木头上摩擦,便溅起了火星,随之
燃起了火苗.
这是人类历史上第一次用人工
取火,是破天荒的伟大发明.从那时
起,人们摆脱了黑暗降临时的阴森与
恐怖,走上了文明的道路.而且,有
了火,人们就随时可以吃到烧熟的东
西,而且食物的品种也增加了.原来
像鱼、鳖、蚌、蛤一类东西,生的有
腥臊味不好吃,有了取火办法,就可
以烧熟来吃了.
三千多年前,我们的祖先在利用
光能的道路上又迈进了一步.他们把
锢与锡各半的金属原料高温熔化,铸
成一面圆形小镜——阳燧,并经过加
工制成一个十分光滑的凹球面,将太
阳射来的光线反射并聚成一个焦点.
燃烧时,把阳燧的凹平面平行地
对准太阳光线,形成一个准确的聚光
点,再将一种草木艾晒干揉成线,放
在焦点处,一会儿就燃着了.对此,
《淮南子·天文训》记载：“故阳燧
见日,则燃而为火.”《古今注·杂
注》：“阳燧,以钢为之,形如镜.
照物则影倒,向日则生火,以艾炷之
则得火.”而西方国家直到公元1300
年才有金属制的凹镜,远远落后于我
国1600多年.
墨子与世界首个小孔成像实验
2400～2500年前的战国时期,杰
出的科学家墨子（墨翟）和他的学生
观察发现,光从一面墙壁中间的孔或
缝穿过后,对面的墙壁或地上就会显
示出一个小小的画面.
他们由此想到了光的传播问题,
并做了世界上第一个小孔成像实验：
夜间,在较弱的灯光下,在一个四面
不十分透光的小盒里,在盒壁上开一
个小孔,在一定的距离内,拿一个由
细到粗的物体对着小孔,盒壁相对于
物体的位置上会出现一个令人惊奇的
倒立的物体像.
墨翟对这种现象作了科学的解
释：光穿过小孔时,是光的直线传
播,在没有什么东西挡住它的去路
时,物体较粗部分遮住了上面的光,
成影在下边；当物体较细部分遮住了
下面的光,成影在上边,就形成了一
个倒立的影像.
墨翟利用光的这一特性,深入细
致地研究了物体影子形成的原因：在
一个漆黑的夜里,如果把一盏燃亮的
灯放到桌子上,在距离灯约一米远的
墙上,钉上一张白纸,将手指放在灯
与纸之间,灯光射到手指上透不过光
线,纸上会出现一物体的黑色影子.
当手指移动时,影子就会随之变大或
变小.当物体移动时,前一瞬间被遮住出现影子的地方,由于被光照射,
影子便消失了.
这些论点,都记述在《墨经》
里.这部中国最早最完整的光学著
作,比西方最早的光学著作——欧几
里得的《光学》早了100多年.
世界最早的潜望镜
2 1 0 0多年前,古代中国人利用
平镜反射的原理,制成了世界最早的
潜望镜.汉初的科学论著《淮南万毕
术》中,就有“取大镜高悬,置水盆
下,则见四邻点”的记载.
当时,人们把潜望镜用于军事,
扩大了观察范围,提高了视线能力.
在刀、、棍、棒及徒手进行的战斗
中,人们需要掌握远距离的情况,可
是却没有什么好的办法.后来,人们
发现,借助光学凸镜可以看到距离较
远的物体,于是便在城墙上高高地悬
起一面镜子,窥探城池外对方军队的
行动情况,从而获取战斗情报——这
创造了科学技术运用于战争的先例.
赵友钦与小孔成像亮度
到了元代,科学家赵友钦进一
步研究了日光通过墙上孔隙所形成的像和孔隙之间的相互关系.他做了一
个实验,在硬纸片上扎一个椭圆形的
小孔让日光通过,所得到的像是一个
椭圆形.他发现：当物体上透光的小
孔相当小时,无论小孔是什么样的形
状,而像屏上所成的像总是物体的倒
立像；当物体上透光的孔相当大时,
无论孔是什么样的形状,像屏上所得
到的像总是物体的正立像.
同时,他还发现：如果把像屏
渐渐移近小孔,所得到的像也慢慢变
小,而像的亮度却在增加.反之,投
影所成的像变大,而亮度却减弱.
这一发现,在当时世界上绝无仅
有.在西方,直到400多年后,德国
科学家来博托才得出“照度与距离平
方成反比”的定律.此外,赵友钦从
客观实验出发,采用大规模的实验方
法探索自然规律的科学实践,在世界
物理科学史上也是首创的,比意大利
著名物理学家伽利略早了两个世纪.
发现光的色散
1500多年前,唐代的孔颖达经过
多年的雨后观察,发现长空万里时,
偶尔会出现多种色彩的长虹.他认为
这是一种“若云薄漏日,日照雨滴则
虹生”的自然现象,而不是什么天空
中仙女歌舞而挥动的彩带的闪光,从
而解开了千百年的彩虹之迷.
大约10 0 0年前左右,古代中国
人在自然界发现了—种天然的透明晶
体.这种物体在日光的照射下,会闪
现出色彩的宽带,颜色鲜艳美丽,因
而被称之为“宝贝”或“放光石”.
此后,人们在实践中认识到,光
通过透明物质时,与透明物体起相互
作用而被分解成频率不同的波,沿不
同的方向透射出去,多次内反射后形
成了不同颜色的光,其中,红光折射
率最小,紫光折射率最大.
当时,人们已经认识到,透明物
体“就日照之,成五色如虹霓”,并
把日光照射透明晶体所产生的色散现
象和虹霓现象联系起来分析——这是
世界上对光的色散现象的最早认识,
比牛顿通过三棱镜把日光分解成七色
光从而发现光是由七色光混合而成的
认识,还早了700年.
从钻木取火到金属凹镜,从小孔
成像到光的色散……漫长的时光中,
古代中国人用智慧打开了光学之门,
向人类展示了绚丽多彩的光学世界.
（编辑/余风）
作者系《大众科学》特约撰稿人.
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