打開(kāi)光學(xué)之門

雷輝志

陽(yáng)光、月光、星光、火光……從古到今，在人類的生活中，光幾乎是無(wú)所不在的。因此，人類對(duì)于光的認(rèn)識(shí)也相當(dāng)悠久，特別是中國(guó)古代的光學(xué)成就，遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了世界其他國(guó)家的前列。

從鉆木取火到金屬凹鏡

早在距今約56萬(wàn)年前的遠(yuǎn)古時(shí)代，我們的祖先——北京周口店人就懂得了利用野火照明、防身和御寒。當(dāng)時(shí)，周口店一帶氣候溫暖，動(dòng)物繁多，熊、狼、虎、豹等野獸嚴(yán)重地威脅著周口店人的生命，于是他們便用“如神照明”的火光來(lái)驅(qū)趕野獸。

三萬(wàn)年前，人們利用光能的本領(lǐng)有了新的提高。相傳有個(gè)叫燧人氏的，在石灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)了一種硬度很高的石頭，具有顯著的貝殼狀斷口，裂片很尖銳，用鐵器敲擊時(shí)，能發(fā)出火星。于是他用這種石頭在一種叫鉆木的木頭上摩擦，便濺起了火星，隨之燃起了火苗。

這是人類歷史上第一次用人工取火，是破天荒的偉大發(fā)明。從那時(shí)起，人們擺脫了黑暗降臨時(shí)的陰森與恐怖，走上了文明的道路。而且，有了火，人們就隨時(shí)可以吃到燒熟的東西，而且食物的品種也增加了。原來(lái)像魚、鱉、蚌、蛤一類東西，生的有腥臊味不好吃，有了取火辦法，就可以燒熟來(lái)吃了。

三千多年前，我們的祖先在利用光能的道路上又邁進(jìn)了一步。他們把錮與錫各半的金屬原料高溫熔化，鑄成一面圓形小鏡——陽(yáng)燧，并經(jīng)過(guò)加工制成一個(gè)十分光滑的凹球面，將太陽(yáng)射來(lái)的光線反射并聚成一個(gè)焦點(diǎn)。

燃燒時(shí)，把陽(yáng)燧的凹平面平行地對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光線，形成一個(gè)準(zhǔn)確的聚光點(diǎn)，再將一種草木艾曬干揉成線，放在焦點(diǎn)處，一會(huì)兒就燃著了。對(duì)此，《淮南子·天文訓(xùn)》記載：“故陽(yáng)燧見(jiàn)日，則燃而為火。”《古今注·雜注》：“陽(yáng)燧，以鋼為之，形如鏡。照物則影倒，向日則生火，以艾炷之則得火。”而西方國(guó)家直到公元1300年才有金屬制的凹鏡，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于我國(guó)1600多年。

墨子與世界首個(gè)小孔成像實(shí)驗(yàn)

2400～2500年前的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，杰出的科學(xué)家墨子（墨翟）和他的學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，光從一面墻壁中間的孔或縫穿過(guò)后，對(duì)面的墻壁或地上就會(huì)顯示出一個(gè)小小的畫面。

他們由此想到了光的傳播問(wèn)題，并做了世界上第一個(gè)小孔成像實(shí)驗(yàn)：夜間，在較弱的燈光下，在一個(gè)四面不十分透光的小盒里，在盒壁上開(kāi)一個(gè)小孔，在一定的距離內(nèi)，拿一個(gè)由細(xì)到粗的物體對(duì)著小孔，盒壁相對(duì)于物體的位置上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)令人驚奇的倒立的物體像。

墨翟對(duì)這種現(xiàn)象作了科學(xué)的解釋：光穿過(guò)小孔時(shí)，是光的直線傳播，在沒(méi)有什么東西擋住它的去路時(shí)，物體較粗部分遮住了上面的光，成影在下邊；當(dāng)物體較細(xì)部分遮住了下面的光，成影在上邊，就形成了一個(gè)倒立的影像。

墨翟利用光的這一特性，深入細(xì)致地研究了物體影子形成的原因：在一個(gè)漆黑的夜里，如果把一盞燃亮的燈放到桌子上，在距離燈約一米遠(yuǎn)的墻上，釘上一張白紙，將手指放在燈與紙之間，燈光射到手指上透不過(guò)光線，紙上會(huì)出現(xiàn)一物體的黑色影子。當(dāng)手指移動(dòng)時(shí)，影子就會(huì)隨之變大或變小。當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)，前一瞬間被遮住出現(xiàn)影子的地方，由于被光照射，影子便消失了。

這些論點(diǎn)，都記述在《墨經(jīng)》里。這部中國(guó)最早最完整的光學(xué)著作，比西方最早的光學(xué)著作——?dú)W幾里得的《光學(xué)》早了100多年。

世界最早的潛望鏡

2100多年前，古代中國(guó)人利用平鏡反射的原理，制成了世界最早的潛望鏡。漢初的科學(xué)論著《淮南萬(wàn)畢術(shù)》中，就有“取大鏡高懸，置水盆下，則見(jiàn)四鄰點(diǎn)”的記載。

當(dāng)時(shí)，人們把潛望鏡用于軍事，擴(kuò)大了觀察范圍，提高了視線能力。在刀、槍、棍、棒及徒手進(jìn)行的戰(zhàn)斗中，人們需要掌握遠(yuǎn)距離的情況，可是卻沒(méi)有什么好的辦法。后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)，借助光學(xué)凸鏡可以看到距離較遠(yuǎn)的物體，于是便在城墻上高高地懸起一面鏡子，窺探城池外對(duì)方軍隊(duì)的行動(dòng)情況，從而獲取戰(zhàn)斗情報(bào)——這創(chuàng)造了科學(xué)技術(shù)運(yùn)用于戰(zhàn)爭(zhēng)的先例。

趙友欽與小孔成像亮度

到了元代，科學(xué)家趙友欽進(jìn)一步研究了日光通過(guò)墻上孔隙所形成的像和孔隙之間的相互關(guān)系。他做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在硬紙片上扎一個(gè)橢圓形的小孔讓日光通過(guò)，所得到的像是一個(gè)橢圓形。他發(fā)現(xiàn)：當(dāng)物體上透光的小孔相當(dāng)小時(shí)，無(wú)論小孔是什么樣的形狀，而像屏上所成的像總是物體的倒立像；當(dāng)物體上透光的孔相當(dāng)大時(shí)，無(wú)論孔是什么樣的形狀，像屏上所得到的像總是物體的正立像。

同時(shí)，他還發(fā)現(xiàn)：如果把像屏漸漸移近小孔，所得到的像也慢慢變小，而像的亮度卻在增加。反之，投影所成的像變大，而亮度卻減弱。

這一發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)世界上絕無(wú)僅有。在西方，直到400多年后，德國(guó)科學(xué)家來(lái)博托才得出“照度與距離平方成反比”的定律。此外，趙友欽從客觀實(shí)驗(yàn)出發(fā)，采用大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)方法探索自然規(guī)律的科學(xué)實(shí)踐，在世界物理科學(xué)史上也是首創(chuàng)的，比意大利著名物理學(xué)家伽利略早了兩個(gè)世紀(jì)。

發(fā)現(xiàn)光的色散

1500多年前，唐代的孔穎達(dá)經(jīng)過(guò)多年的雨后觀察，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)空萬(wàn)里時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)多種色彩的長(zhǎng)虹。他認(rèn)為這是一種“若云薄漏日，日照雨滴則虹生”的自然現(xiàn)象，而不是什么天空中仙女歌舞而揮動(dòng)的彩帶的閃光，從而解開(kāi)了千百年的彩虹之迷。

大約1000年前左右，古代中國(guó)人在自然界發(fā)現(xiàn)了—種天然的透明晶體。這種物體在日光的照射下，會(huì)閃現(xiàn)出色彩的寬帶，顏色鮮艷美麗，因而被稱之為“寶貝”或“放光石”。

此后，人們?cè)趯?shí)踐中認(rèn)識(shí)到，光通過(guò)透明物質(zhì)時(shí)，與透明物體起相互作用而被分解成頻率不同的波，沿不同的方向透射出去，多次內(nèi)反射后形成了不同顏色的光，其中，紅光折射率最小，紫光折射率最大。

當(dāng)時(shí)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，透明物體“就日照之，成五色如虹霓”，并把日光照射透明晶體所產(chǎn)生的色散現(xiàn)象和虹霓現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)分析——這是世界上對(duì)光的色散現(xiàn)象的最早認(rèn)識(shí)，比牛頓通過(guò)三棱鏡把日光分解成七色光從而發(fā)現(xiàn)光是由七色光混合而成的認(rèn)識(shí)，還早了700年。

從鉆木取火到金屬凹鏡，從小孔成像到光的色散……漫長(zhǎng)的時(shí)光中，古代中國(guó)人用智慧打開(kāi)了光學(xué)之門，向人類展示了絢麗多彩的光學(xué)世界。（編輯/余風(fēng)）