古代世界的小孔成像

陳巍

當(dāng)光照射在不透明物體上就會(huì)形成影像，光和影在古代就是人們?cè)谌粘Ｉ钪兴苡^察到的諸多自然現(xiàn)象，二者之間神奇變幻的奧秘則自古吸引著人們捕捉和遐思，如詩仙李白筆下既有“舉杯邀明月，對(duì)影成三人”的孤獨(dú)，也有“床前明月光，疑是地上霜”的鄉(xiāng)思，而英國詩人史蒂文森的童詩《我的影子》里“小小影子跟隨我左右，他的魔力超乎我想象”等句子在國外也膾炙人口。從光與影中，我們總能窺見許多奇特的現(xiàn)象，它們給我們的生活增添了許多色彩。在光學(xué)領(lǐng)域中，小孔成像原理是最基礎(chǔ)的一類現(xiàn)象，它反映的是光沿直線傳播這一特性。這種現(xiàn)象在我國先秦時(shí)期就已被發(fā)現(xiàn)和描述，在世界其他地方，小孔成像也先后為許多學(xué)者關(guān)注和探討，到近代，它更是在包括幻燈、照相機(jī)技術(shù)等許多領(lǐng)域大顯身手。在這篇文章中，我們就說說這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和研究過程。

發(fā)現(xiàn)倒影

小孔成像技術(shù)是指在1個(gè)明亮的物體和屏幕之間放置1塊擋板，在擋板上開鑿1個(gè)小孔，在屏幕上就會(huì)形成物體倒立的1個(gè)實(shí)像。小孔成像現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是早期光學(xué)研究中揭示光的直線傳播性的重要證據(jù)之一。然而，對(duì)這樣簡單現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)卻經(jīng)歷了漫長的時(shí)間。

在中國，最早發(fā)現(xiàn)小孔成像現(xiàn)象的，是先秦諸子百家中以研究自然現(xiàn)象著稱的墨家。墨家經(jīng)典《墨經(jīng)》里記載了這樣一段話：“景到，在午有端與景長，說在端?！边@句話看起來很難懂，不過《墨經(jīng)》自己就給出了解釋：“景光之人煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景于上;首蔽上光，故成景于下。在遠(yuǎn)近有端與于光，故景庫內(nèi)也?！边@段話依然不好理解，所以歷代學(xué)者有很多不同解釋，但大多數(shù)人以為《墨經(jīng)》講的是針孔暗匣實(shí)驗(yàn)。所謂針孔暗匣，就是在1個(gè)封閉的小盒子上鉆1個(gè)針孔，在正對(duì)針孔的盒子內(nèi)壁，會(huì)出現(xiàn)1個(gè)倒像（就是經(jīng)文所說的“景到”）。光線交叉著通過小孔，倒像的大小，與小孔和內(nèi)壁及原物體距離的遠(yuǎn)近有關(guān)。針孔越小，成像就越清晰。在《墨經(jīng)》的解釋里，還提到光線像射出的箭一般，筆直飛快?！赌?jīng)》成書于戰(zhàn)國中期（約公元前4世紀(jì)中葉以前），它把形成倒像的根本原因與光線直進(jìn)性聯(lián)系起來，這在當(dāng)時(shí)世界上是領(lǐng)先的。

自《墨經(jīng)》以后，人們又發(fā)現(xiàn)日常生活中許多與之相關(guān)的現(xiàn)象。例如南朝詩人沈約在《詠月詩》中寫道：“方暉竟戶入，圓影隙中來”。在這句詩里，“方暉”指的是從較大的方形門窗里照進(jìn)來的月光，而“圓影”則是月光透過小孔，在屋內(nèi)形成的月像。唐朝段成式則記載了“塔影倒”和“海影翻”現(xiàn)象。

這些自然現(xiàn)象引發(fā)了沈括等學(xué)者進(jìn)一步思考。沈括在《夢(mèng)溪筆談》中談到：“陽燧（即凸透鏡）照物皆倒，中間有礙故也，算家謂之‘格術(shù)’。如人搖櫓，臬為之礙故也。若鳶飛空中，其影隨鳶而移，或中間為窗隙所束，則影與鳶遂相違：鳶東則影西，鳶西則影東。又如窗隙中樓塔之影，中間為窗所束，亦皆倒垂，與陽燧一也?！痹诖嗣枋鲋?，沈括將小孔與光線透過折射形成倒像的凸透鏡歸為一類，形容為“礙”，把它們成像的機(jī)理形容為“格術(shù)”。風(fēng)箏通過門窗縫隙形成的影像，具有與風(fēng)箏飛行相反的運(yùn)動(dòng)方向，而樓塔通過縫隙會(huì)形成倒影。沈括把小孔成像和凸透鏡成像混為一談，顯然是具有局限性的。

千燭實(shí)驗(yàn)

一些學(xué)者還做實(shí)驗(yàn)對(duì)傳說加以驗(yàn)證。例如明朝的楊瑀在游覽平江虎丘寺時(shí)，曾和僧人用紙屏觀察塔的倒影。明末清初的虞兆隆在游覽真如寺時(shí)，進(jìn)一步清楚記錄了光照方向、小孔和屏墻的相對(duì)位置。不過最系統(tǒng)的當(dāng)屬元朝晚期的趙友欽所做的“小罅光景”實(shí)驗(yàn)。他在《革象新書》里詳細(xì)記錄了這則實(shí)驗(yàn)的全過程和部分發(fā)現(xiàn)。其模擬實(shí)驗(yàn)主要分為兩個(gè)部分，第一部分是利用日光穿過壁間小孔得到成像的實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)基本發(fā)現(xiàn)了小孔成像的規(guī)律性。在另一部分里，他動(dòng)用多達(dá)上千根蠟燭，驗(yàn)證了光沿直線傳播的科學(xué)特性，并討論了小孔、光源和影像三者之間的關(guān)系。

趙友欽在房間左右兩側(cè)各挖一“阱”，阱內(nèi)設(shè)桌，桌上擺燭作為光源，阱口覆蓋帶孔的板，阱上方另有屏板。通過左右對(duì)照的方式，趙友欽先后改變小孔直徑、光源強(qiáng)度、像距和物距等參數(shù)，觀察它們對(duì)成像的影響，從而得出小孔形狀與影的形狀無關(guān)，但大孔成像與大孔形狀相同，較大的小孔、較亮的光源和較小的物距及像距所成之像的亮度更高等較為全面而系統(tǒng)的結(jié)論。這些結(jié)論除沒有歸納出相關(guān)物理概念外，對(duì)現(xiàn)象的描述都是正確的。

趙友欽對(duì)小孔成像展開研究，可能與觀測(cè)日食有關(guān)。在他之前不久，著名天文學(xué)家郭守敬才發(fā)明過以小孔成像原理為依據(jù)，精確測(cè)量影長，進(jìn)而克服傳統(tǒng)圭表日影模糊缺點(diǎn)的儀器景符，以及方便觀測(cè)日食的仰儀等。這些儀器的進(jìn)步需要對(duì)小孔成像的規(guī)律展開精細(xì)研究。不過，趙友欽的實(shí)驗(yàn)雖展示了13世紀(jì)期間中國在幾何光學(xué)領(lǐng)域達(dá)到的高度，他并沒有進(jìn)一步在理論上進(jìn)行總結(jié)。這種重具體描述輕抽象歸納的傾向也是限制中國古代科學(xué)走向近代的重要因素。

域外影論

小孔成像現(xiàn)象在中國以外的其他文化里也很早就被注意到，例如古希臘大學(xué)者亞里士多德在其《論問題》中，注意到太陽穿過方形小孔時(shí)，形成圓形而非直邊的形狀，以及日食時(shí)透過篩眼、梧桐樹葉、手指縫灑向地面的光線呈新月形，但亞里士多德套用從一點(diǎn)發(fā)出的視線以圓錐狀向外擴(kuò)散，但直邊分割的部分視線較微弱，不會(huì)對(duì)圓錐橫截面產(chǎn)生影響這樣的理念冗贅且生硬地加以解釋。

盡管亞里士多德的解釋是錯(cuò)誤的，但他賴以利用的幾何思想?yún)s在后世影響深遠(yuǎn)，在中世紀(jì)阿拉伯文化中，一些學(xué)者在深入討論光的反射和折射現(xiàn)象時(shí)，把刻度尺和量角器等工具組合到觀測(cè)儀器中來，從而讓光學(xué)研究走向定量化。其中杰出代表就是生活在10—11世紀(jì)之交的伊本·海什木，他因提出多項(xiàng)關(guān)于光線性質(zhì)的準(zhǔn)確觀點(diǎn)而被譽(yù)為“世界光學(xué)之父”。例如他認(rèn)為光具有一定傳播速度，因?yàn)榘颜诠夂熌玫艉螅庹樟翆?duì)面墻壁需要一定時(shí)間。這在古代當(dāng)然很難驗(yàn)證，但不能不說是一項(xiàng)具有前瞻性的見解。對(duì)于小孔成像，海什木也是以日食時(shí)穿過圓孔的像呈月牙狀進(jìn)行說明的。他進(jìn)一步提出了“暗室”的概念，也就是一個(gè)僅從門縫或墻上鑿的孔透過光線的黑暗房子，正對(duì)著門縫或孔，點(diǎn)燃若干蠟燭，觀察者可在室內(nèi)指示室外的助手改變蠟燭的數(shù)量或位置，觀察室內(nèi)成像的情況。

隨著阿拉伯科學(xué)著作向歐洲傳播，伊本·海什木以他的拉丁化名字阿爾哈曾廣為人知。許多歐洲人再次學(xué)習(xí)使用小孔成像原理觀察日食，甚至用通過小孔在屏幕上所成精確倒影輔助繪畫，達(dá)·芬奇就描述過這種技巧。以關(guān)注細(xì)節(jié)著稱的荷蘭畫家維米爾則被猜測(cè)使用了原始的小孔相機(jī)，而“相機(jī)暗室”這個(gè)詞是在1604年由開普勒率先提出的，那時(shí)的暗室依然是一個(gè)真正的房間。接下來幾個(gè)世紀(jì)，暗室或小孔成像向更便攜的方向發(fā)展，最終在19世紀(jì)上半葉，隨著銀鹽等曝光材料的發(fā)明，照相機(jī)終于誕生了。

我們看到，在宋元時(shí)期，中國學(xué)者對(duì)小孔成像的解釋及所做實(shí)驗(yàn)仍較阿拉伯人和歐洲人更加精確。后來的中國人雖常用這個(gè)原理觀測(cè)星象，卻很少用于輔助繪畫等日常生活中更常見的領(lǐng)域，而只是滿足于觀察塔的倒影等奇異現(xiàn)象。在藝術(shù)創(chuàng)作中廣泛應(yīng)用，加上新材料的出現(xiàn)，最終推動(dòng)相機(jī)在歐洲發(fā)展。這一中國從領(lǐng)先到落后的過程，時(shí)至今日值得我們繼續(xù)思考。