中國古代物理測溫方法與技術(shù)述略

虞同星　杜婭婷　汪志榮

摘 要：中國古人對熱現(xiàn)象具有豐富的觀察經(jīng)驗(yàn)，基于日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐的需要，形成了獨(dú)特的測溫方法和技術(shù)。本文通過對文獻(xiàn)和文物的考查，從方法和器具兩個角度初步整理了中國古代具有代表性的測溫方法和技術(shù)，并對其中的物理道理進(jìn)行了解析。

關(guān)鍵詞：古代測溫；火候；溫度；火照

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2019）1-0069-4

溫度是熱學(xué)的核心概念，是表示物體冷熱程度的物理量?？v觀整個測溫學(xué)發(fā)展史，最早的測溫儀器是伽利略于1593年發(fā)明的壓力溫度計(jì)。西方先后出現(xiàn)了水、酒精、水銀等作為測溫物質(zhì)的溫度計(jì)，還出現(xiàn)了依據(jù)電阻、電動勢、金屬片彎曲程度等隨溫度變化而變化的性質(zhì)研制的溫度計(jì)，如電阻溫度計(jì)、溫差電偶和指針式溫度計(jì)等，形成了華氏、列氏、攝氏、開爾文等溫標(biāo)。據(jù)文獻(xiàn)記載和出土文物顯示，中國古代也存在一些利用物質(zhì)隨溫度變化而變化的性質(zhì)來區(qū)分不同溫度的方法與技術(shù)。本文通過對文獻(xiàn)和文物的考查，初步整理了中國古代具有代表性的測溫方法和技術(shù)。

1 古代測溫方法及其應(yīng)用

中國古人在感知外界溫度、事物冷暖這方面善于運(yùn)用各種人體器官靈敏的感知能力體察?！疤祀A夜色涼如水”“春江水暖鴨先知”，這些大量膾炙人口的詩文充分反映了古人通過觀察事物的外在表現(xiàn)來判斷冷暖變化和環(huán)境溫度的高低。在此基礎(chǔ)上，中國古代還形成了運(yùn)用感官系統(tǒng)來精確度量物體溫度的方法，如火候觀察法和人體感受法。

1.1 火候觀察法

中國古代有關(guān)火焰顏色與溫度關(guān)系的記載不勝枚舉。先秦時(shí)期，墨家在《墨經(jīng)·經(jīng)下》篇中就有“火熱，說在燉”，《墨經(jīng)·經(jīng)下》篇中有“火，謂火熱也，非似火之熱我手，若視日”[1]。此文中“燉”是指火焰的顏色。

可以看出，墨家認(rèn)為火熱不熱不是感受燙不燙手，而是觀察火焰的顏色，比如太陽很熱卻不燙手。根據(jù)火焰的顏色判斷物體的溫度具有一定的科學(xué)性，避免了人的冷熱感受因距離熱源遠(yuǎn)近不同而造成主觀判斷的偏差。后來，古人在實(shí)踐中逐漸形成了一種獨(dú)特的測溫方法——火候觀察法。

中國歷代工匠均善于用火焰顏色來表示溫度的高低。成書于戰(zhàn)國時(shí)期的《考工記》中便有這方面的詳細(xì)記載，“凡鑄金之狀，金與錫，黑濁之氣竭，黃白次之；黃白之氣竭，青氣次之；青白之氣竭，青氣次之，然后可鑄也”[2]。此文是指在冶煉銅礦和錫礦時(shí)，爐膛中火焰的顏色依次呈現(xiàn)出“黑濁”“黃白”“青白”三種火焰顏色，三種顏色分別對應(yīng)正在燃燒的物質(zhì)是雜質(zhì)、錫和硫、青銅合金，且溫度處于低溫、較高溫、高溫?；鹧娉尸F(xiàn)青白色時(shí)，銅錫已成為青銅合金，溫度已經(jīng)達(dá)到要求，方可開爐鑄造。成語“爐火純青”正是由此引申出來的。

據(jù)史料記載，“火候”一詞最早出現(xiàn)在唐代。段成式在《酉陽雜俎》的酒食篇中記述，“貞元中，有一將軍家出飯食，每說物無不堪喫，惟在火候，善均五味”[3]；白居易也在《天壇峰下贈杜錄事》中寫道，“河車九轉(zhuǎn)宜精煉，火候三年在好看。他日藥成分一粒，與君先去掃天壇”[4]。這兩條詩文都出現(xiàn)了“火候”一詞，前者是指烹飪時(shí)火力的強(qiáng)弱和時(shí)間的長短，后者指煉丹時(shí)火力的強(qiáng)弱和時(shí)間的長短。

唐人在運(yùn)用火候量度溫度高低時(shí)，語義極為形象。其中，“火”指火焰，“候”指等候?；鹆Φ膹?qiáng)弱和時(shí)間的長短就是對溫度和時(shí)間的掌握，在一定范圍內(nèi)，火與候成反比，達(dá)到相同狀態(tài)時(shí)溫度越高所需要的時(shí)間越短。但在烹飪和煉丹時(shí)，時(shí)間和溫度都是特定的，并不是滿足反比例函數(shù)就行，所以火候的把控，就是對溫度和時(shí)間的計(jì)量。因此，“火候”可視為古人對溫度的一種計(jì)量方法。

這種“火候觀察法”后來被煉丹家和藥物學(xué)家繼承并發(fā)展。南北朝時(shí)期，煉丹家和醫(yī)學(xué)家陶弘景在《本草經(jīng)集注》中寫道，“以火燒之，紫青煙起，云是真硝石也”[5]。文中的“真硝石”就是我們現(xiàn)在常說的硝酸鉀。這便是關(guān)于焰色反應(yīng)的最早記載了。

陶弘景還在《名醫(yī)別錄》中提到樸硝，即硫酸鈉，其焰純黃。而后德國人馬格拉夫，在1762 年才發(fā)現(xiàn)鈉鹽和鉀鹽可以分別使火焰著上具有各自特征的焰色。自此，利用焰色反應(yīng)鑒別鉀、鈉鹽就成為常用手段了。同時(shí)，在近代物理學(xué)中，不同的物質(zhì)有不同特征的火焰及其所對應(yīng)的不同溫度，這是近代光譜學(xué)中鑒定物質(zhì)的方法之一，與火候觀察法有著莫大的聯(lián)系。

此后，唐代陳少微在《九還金丹妙訣》中，清代檀萃在《滇海虞衡志》中都有關(guān)于火焰顏色的記載。這些記載可以表明古人已經(jīng)認(rèn)識到火焰顏色確實(shí)反映了一些有用的信息并進(jìn)行了記錄和運(yùn)用。例如，在燒窯、煉丹中，工匠們根據(jù)火焰的顏色來鑒別物質(zhì)，表示溫度。明代宋應(yīng)星在《天工開物·陶》中提到名詞“火力”“火色”“火候”“觀火候法”[6]，體現(xiàn)出燒窯過程中火候觀察法以及掌握火候的重要性。

雖然火候觀察法更多的是工匠們的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，沒有可以寫成公式的對應(yīng)關(guān)系和參照表。但在北宋張君房《云笈七簽》卷六十八中就有“汞則用黑鉛一斤，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)燒抽，火候依前一訣”[7]，其中“一訣”是古人對火候總結(jié)出的一種計(jì)量，“訣”則類似于一種單位。由此可見，古人對于火候觀察法已經(jīng)有了一定程度上的定量描述。但在實(shí)際操作時(shí)無論再精細(xì)的釉彩、丹藥，對于溫度的要求都只是一個溫度區(qū)間而并非一個溫度數(shù)值，故而古人們不需要進(jìn)一步去計(jì)量某個具體的溫度數(shù)值，已有的火候觀察法就已經(jīng)能滿足生產(chǎn)實(shí)踐的要求。所以，即使現(xiàn)如今已有先進(jìn)精準(zhǔn)的高溫測量技術(shù)，在燒窯時(shí)，工匠的火候觀察法仍然是廣泛應(yīng)用、無法完全替代的測溫方法。

1.2 人體感受法

由于火焰顏色與溫度之間穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，古人基于火候觀察法得到的溫度判斷往往沒有太大的誤差。然而，這種方法的不足之處在于只適用于高溫，并且需有火焰產(chǎn)生，所以即使火候觀察法能夠被廣泛應(yīng)用，卻不足以解決所有的生產(chǎn)實(shí)踐問題。而常溫時(shí)的確也有一個穩(wěn)定的溫標(biāo)，這便是人的體溫。

人的體溫是指人身體內(nèi)部的溫度。作為恒溫動物的人類，機(jī)體產(chǎn)熱量和散熱量始終保持在一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，使得體溫相對恒定。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)顯示正常人的口腔溫度為36.7～37.7 ℃，平均在37.2 ℃；腋窩溫度為36.0～37.4 ℃，平均在36.8 ℃?？梢?，體溫也具有穩(wěn)定性。古人也認(rèn)識到這一點(diǎn)，由此衍生出一些基于體溫的溫度描述，如寒、冷、涼、溫、熱、燙等。雖然用體溫衡量溫度夾雜著個體的主觀感受，但由于不同個體間高度統(tǒng)一的體溫?cái)?shù)值，古人還將人體感受法應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，包括制奶酪、制豆豉、養(yǎng)蠶、茶葉的加工、犀粉的制作等。由此可見，人體感受法在古代的生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的運(yùn)用，并取得了不定期的成果。

北魏賈思勰在《齊民要術(shù)》中指出了游牧民族制作奶酪的溫度，“小暖于人體，為合適宜”。賈思勰還在《齊民要術(shù)》中第一次記錄了制作豆豉的技法。豆豉是中國傳統(tǒng)特色發(fā)酵豆制品調(diào)味料，需利用毛霉、曲霉或者細(xì)菌蛋白酶的作用分解大豆蛋白質(zhì)。眾所周知，生物酶的活性與溫度息息相關(guān)，所以溫度的把控就成了制作豆豉的關(guān)鍵?！洱R民要術(shù)》也記載了制作過程中溫度的控制方法，“大率常欲令溫如腋下為佳”，“以手刺堆中候，看如腋下暖”，大致是指豆子的溫度與人腋下溫度近似即可?，F(xiàn)如今醫(yī)學(xué)上測量人體溫度仍采用腋下溫度，因?yàn)槠渥顬榉€(wěn)定。而古人也認(rèn)識到這一點(diǎn)并應(yīng)用到豆豉的制作中，后經(jīng)不斷發(fā)展傳到海外成為中國的一項(xiàng)文化輸出。

宋朝的陳旉在《農(nóng)書》中記載了培育蠶種的水溫，“調(diào)溫水浴之，水不可冷，亦不可熱，但如人體斯可矣”。元代王禎在《王禎農(nóng)書》中也有記載，“需著單衣，以為體測：自覺身寒，則蠶必寒，使添熟火；自覺身熱，蠶亦必?zé)幔s量去火”。宋代蔡襄在《茶錄》中記載了炒茶時(shí)的溫度，“收藏之家，以蒻葉封裹，入焙中兩三日，一次用火常如人體溫，溫則御濕潤，若火多則茶焦不可食”。這些都是體溫判溫法的應(yīng)用與文獻(xiàn)記載。

宋代歐陽修在《歸田錄》中有記載，“翡翠屑金，人氣粉犀，此二物，則世人未知者”。“人氣粉犀”大致意思是人的體溫可使犀牛角成粉。在《名醫(yī)別錄》《雷公炮炙論》《藥性論》《本草綱目》等醫(yī)學(xué)著作中都記載了犀牛角入藥的功效，但犀牛角從皮膚中長出來，質(zhì)地很硬，難以碾成粉末。歐陽修在《歸田錄》中記載了一位名為元達(dá)的僧人發(fā)現(xiàn)了犀角的一個特性，即在犀牛角處于體溫時(shí)極易粉碎。后來明代李時(shí)珍曾指出唐朝李詢也記載過犀角的這一物理性質(zhì)。李珣曰：“凡犀角鋸成，當(dāng)以薄紙裹于懷中蒸燥，乘熱搗之，應(yīng)手如粉。”[8]我們不爭先后，總之“人氣粉犀”定稱得上是古人對體溫一個應(yīng)用。

上述以人體體溫，尤其是腋下溫度作為溫標(biāo)去感受其他物體溫度的方法，有極其廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)和可操作性，并且收獲了良好的成效。在對于“熱”與“溫度”沒有清晰認(rèn)識的古代，用體溫這一恒定的溫度值去衡量、比較物體溫度的適宜與否，無疑是一種合理的、實(shí)用的測溫方法。

2 古代測溫器具及其運(yùn)用

中國古人不滿足于通過感覺得知實(shí)物冷暖和外界溫度，還選擇運(yùn)用客觀實(shí)物的變化規(guī)律來表示溫度，于是出現(xiàn)了一些具體的器物。這些器物有的作為文物經(jīng)考古發(fā)現(xiàn)后重見天日，有的記載于文獻(xiàn)典籍中流傳至今。通過解讀這些證據(jù)，可以得知中國古代的確存在或制備了一些運(yùn)用實(shí)物的性質(zhì)來判斷溫度的器具。

2.1 火照

中國作為一個瓷器大國，從新石器時(shí)代到宋、元、明、清，不同時(shí)期有著許多不同的、完備的燒窯工藝，流傳下許多不同風(fēng)格、種類的陶瓷，各種類又需要不同的溫度區(qū)間進(jìn)行燒制。由此看來，中國古代瓷器能達(dá)到震驚世界的高峰，定離不開工匠們對于燒窯溫度的精準(zhǔn)把控，比如火候觀察法，比如“火照”。

火照最遲在唐朝已被創(chuàng)造，火照一詞最早出現(xiàn)在宋代蔣祈的《陶記》中，“火事將畢，器不可度，探坯窯眼，以驗(yàn)生熟，則有火照”。后清朝藍(lán)浦在《景德鎮(zhèn)陶錄》卷一中也有記載，“有試照者，熟則止火”，卷四中記載“蓋坯器入窯，火候生熟，究不可定，因取破坯一大片，中挖一圓孔，置窯眼內(nèi)，用鉤探驗(yàn)生熟。若坯片孔內(nèi)皆熟，則窯漸陶成，然后可歇火”[9]。

所以，火照是燒窯時(shí)用來測定窯內(nèi)溫度和燒制程度的一種工具，多用碗盞類器皿坯體的口腹殘片制成，形狀各樣，但大都有一個孔。在燒窯過程中，將待燒制的物件與多枚火照置于同等環(huán)境中，在燒制過程中，不時(shí)勾出一枚火照便可根據(jù)火照的燒制情況實(shí)時(shí)掌握窯內(nèi)的情況。某種程度上可以算是一種溫度反映裝置。

根據(jù)諸多的考古發(fā)現(xiàn)，歷朝歷代對火照有很多種稱呼，如“試片”“火標(biāo)”“照子”“試火器”等，現(xiàn)大多通俗地稱為“測溫瓷片”。火照制作簡單，對瓷器的燒制卻起著不可忽視的作用。它不僅廣泛應(yīng)用于中國古代的各種窯口，為我國瓷器的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，還漂洋過海，促進(jìn)了日、韓燒窯技術(shù)的發(fā)展。

2.2 瓶中水

中國的用冰史可追溯到商朝，華夏民族起源于黃河流域，夏日黃河附近溫度較高，據(jù)考古學(xué)證據(jù)表明，商朝黃河流域的年平均氣溫比現(xiàn)在高大約3 ℃[10]。

據(jù)記載，商朝人通過吃冰來解暑，當(dāng)時(shí)的冰是由冬日收集，儲存到夏日使用。到了周時(shí)出現(xiàn)了冰鑒，不僅能儲冰，還能保鮮食物。到唐宋，人們已經(jīng)利用冰加工成食物和飲品了。由此可見，古人早早地意識到水的低溫形態(tài)——冰，并且認(rèn)識到冰在低溫下形成，并且有降低周圍物體溫度的作用。

在此基礎(chǔ)上，古人已經(jīng)能夠通過水形態(tài)的改變來獲得環(huán)境溫度變化的信息，與伽利略溫度計(jì)通過氣體體積的改變來獲得環(huán)境溫度變化的信息這一原理相似。

《呂氏春秋》中有記載，“見瓶水之冰而知天下之寒”[11]?！痘茨献印分杏蓄愃朴涊d，“見瓶中之水，而知天下之寒暑”?！痘茨献印愤€有記載：“以小明大，見一葉落而知?dú)q之將暮；睹瓶中之冰，而知天下之寒”[12]?，F(xiàn)如今，冬日里看見路面結(jié)冰，便判定溫度已經(jīng)零下，用的是一樣的判定方法，都是見小知大。

古人不僅根據(jù)水是否結(jié)冰和冰是否融化來判斷溫度是否達(dá)到零下或回升零上，還根據(jù)瓶中水的蒸發(fā)速度來判斷氣溫的變化速度。因此，瓶中之水完全可以作為比較粗略的溫度顯示裝置，但有沒有大規(guī)模地被應(yīng)用還有待進(jìn)一步考證。

3 結(jié) 論

中國古代煉丹、燒窯等生產(chǎn)實(shí)踐活動，由于很少關(guān)注測量結(jié)果的數(shù)值化表達(dá)，而未能形成嚴(yán)格的、可廣泛應(yīng)用的精密測溫儀器，也尚未形成嚴(yán)格的溫標(biāo)。然而，中國古代的測溫方法與技術(shù)具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢，不僅簡單易行，而且實(shí)用性強(qiáng)。

人對氣候、外界溫度的感知，以及燒窯、煉丹等生產(chǎn)實(shí)踐活動都離不開對熱的體驗(yàn)。在中國古代針對不同的實(shí)踐需要使用不同的測溫方法，并根據(jù)不同的待測溫度區(qū)間選擇不同的參照標(biāo)準(zhǔn)?？偟膩碚f，古人逐步總結(jié)了“火候觀察法”“體溫判溫法”等行之有效的測溫方法，并形成了“火照”“瓶中水”兩種測溫器具，其中包含了樸素的熱學(xué)思想。

中國古代，工匠們在燒窯、煉丹等活動中總結(jié)出了測溫技術(shù)方法——火候觀察法，形成了樸素的測溫器具——火照，主要通過觀察火焰顏色和火照熱學(xué)性狀等來反映物體溫度的高低。用這種方法衡量高溫，雖不能精確量化溫度，但能滿足燒窯、煉丹活動的需要。

同時(shí)，中國古人在生活實(shí)踐中形成了“人體感受法”感知日常環(huán)境溫度，主要利用人體神經(jīng)系統(tǒng)對外界冷熱的感受判定溫度高低，雖然此法并沒有定義何為溫度，但通過對溫度差異的感知足夠判斷外界是否處于需要的溫度。

古人觀測氣候時(shí)參考瓶中水，利用其狀態(tài)隨溫度變化而變化這一性質(zhì)來判定低溫，雖然應(yīng)用不廣泛，但的確提供了一些重要的氣候變化信息。這些都是利用一些物質(zhì)隨溫度變化而變化的性質(zhì)來區(qū)分不同溫度的方法與器物，與現(xiàn)在公認(rèn)的溫度計(jì)殊途同歸。這些方法和技術(shù)折射出中國古代的熱學(xué)知識和技術(shù)方面的成就以及其重適用、求實(shí)效的基本特征。

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（欄目編輯 張正嚴(yán)）