光学发展简史( 二 ) _生活百科

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海市蜃楼4、对大气光学现象的探讨大气光学现象是中国古代光学最有成效的领域之一，早在周代由于占卜的需要，已建立了官方的观测机构，虽然他们的工作蒙上了一层神秘的色彩，但是对晕、虹、海市蜃楼、北极光等大气光学现象的观测与记载是长期、系统而又深入细緻的，世所罕见。《周礼》中记载有“十煇” ，指的是括“霾”和“虹”等在内的十种大气光学现象。到唐代对它的认识更加细緻、深入。《晋书·天文志》中明确指出：“日旁有气，圆而周布，内赤外青，名日晕” 。此处不仅为晕下了定义，而且把晕按其形态冠以各种形象的名称，如将太阳上的一小段晕弧叫做“冠”；太阳左右侧内向的晕弧叫做“抱”等等。另外在《魏书·天象志》中对晕也有记载。除此以外，在宋朝以后的许多地方志中也记载有大气光象，还出现了关于大气光象的专着及图谱，其中《天象灾瑞图解》一直流传至今。殷商时期，就出现了有关虹的象形文字，对虹的形状和出现的季节、方位不少书有所记载，如《礼记·月令》指出：“季春之月……虹始见” ， “孟冬之月……虹藏不见” 。东汉蔡邕(132～192)在《明堂月令》中写道：“虹见有青赤之色，常依阴云而昼见于日沖。无云不见，太阳亦不见，见辄与日相互，率以日西，见于东方……?这些记载虽然是很粗浅的，经验性的，但它却是关于虹的确凿记录。魏、晋以后，对虹的本质和它的成因逐渐有所探讨，南朝江淹说自己对虹“迫而察之” ，断定是因为“雨日阴阳之气”而成。唐初已认识到虹的成因， ”若云薄漏日，日照雨滴则虹生” ，明确指出“日照”和“雨滴”是产生虹的条件。后来，张志和在《玄真子·涛之灵》中明确指出：“背日喷乎水，成虹霓之状' 。第一次用实验方法得出人工造虹，到南宋时，蔡在《毛诗名物解》中，对这一种更有发展：“今以水喷日，自侧视之则晕为虹” 。不仅重複了《玄真了》中的实验方法，而且更进一步指出了观察者所在的位置。在国外对虹的成因作出解释的是在13世纪，因此我们对虹成因的正确描述比西方早约600年。关于海市蜃楼，中国古代也早有记载，如《史记·天官书》：“蜃气象楼台” 。《汉书·天文志》：“海旁蜃气楼台” 。《晋书·天文志》：“凡海旁蜃气象楼台，广野气成宫阙，北夷之气如牛羊群畜穹庐，南夷之气类舟船幡旗” 。这是对海市蜃楼的如实描写，但当时并不了解其成因和机理。到宋朝苏轼对它才有较正确的认识，他在《登州海市》中说：“东方云海空复空，群山出没月明中，荡摇浮进生万象，岂有贝阙藏珠宫” 。此处明确地表示海市蜃楼都是幻景，蜃气并不能成宫殿的思想。到明、清之际，陈霆、方以智等人对海市蜃楼作了进一步探讨，陈霆认为海市蜃楼的成因是：“为阳焰和地气蒸郁，偶尔变幻' 。方以智认为“海市或以为蜃气， “非也” 。张瑶星认为蓬莱岛上的蜃景是附近庙岛群岛所成的幻景，后来揭暄和游艺画了一幅如图2所示的“山城海市蜃气楼台图” ，图上右方是左方楼台的倒影。文中记载了登州(即蓬菜)海市，并说：“昔曾见海市中城楼，外植一管，乃本府东关所植者。因语以湿气为阳蒸出水上，竖则对映，横则反映，气盛则明，气微则隐，气移则物形渐改耳，在山为山城，在海为海市，言蜃气，非也。”这一气“气映”说是对当时海市蜃楼知识的珍贵总结。极光是一种瞬息变幻、绚丽多彩的大气光象，中国处在北半球，故观察到的只能是北极光。早在二千年前，中国就对北极光人加以观察，并有所记载，《竹书纪年》中记载：“周昭王末年，夜清，五色光贯紫微。其年，王南巡不返” 。此文虽如实地记录了北极光出现的时间、方位和颜色，但把王南巡不返(卒于江上)联繫起来，说明当时对北极光还没有正确的认识。对北极光的形状、颜色不少书都有详细的描述，并绘有彩色极光图，这些都是研究北极光的极好史料。5、关于成影现象的认识日常生活中，在光线照射下，影随时随处可以见到，它引起人们的注意，并探究其形成的规律。立竿见影是中国古代最早被注意的问题，后来用此方法测影定向，并套用于确定墓穴和建筑物的方位上。这套方法在周代已发展很精密，据《考工记》记载，当时有“土方氏”使用圭表， “典瑞氏”管理土圭， “匠人”则使用土圭辨定方位进行建筑，并指出在测表影之先，要使地面保持水平，使表竿保持垂直，这说明当时已认识到投影的长度和光源位置有关，而且也和物体的斜度有关。《墨经》中对成影的讨论更加深入，通过实验明确指出：表秆在地面上投影的粗细长短，是随木离光源的远近、木的倾斜度以及光源的大小变化而变化的规律。中国古代对光的认识除以上所述外，还有其他一些方面，如折射现象；天然晶体的色散；明清时期，光学从西方传入后，还有了光学仪器的製作等等，但这些认识是零散的，定性的，绝大多数都只停留在对光学现象的描写和记载上。值得提出的是宋末元初的赵友钦(13世纪中叶至14世纪初叶) ，在《革象新书》的“小罅光景”中，描写了一个大型光学实验，在地面下挖了两个圆阱，圆阱上可加放中心开有大小、形状不同孔的圆板盖。通过它可进行只有一个条件不同的对比实验，对小孔(大小和形状)、光源(形状和强度)、像(形状和亮度)、物距、像距之间的关係进行研究。将两块圆板上各插1000多支蜡烛，放在阱底或桌面上作为该实验的光源。通过实验确认了光直线进行的性质，定性地显示了像的明亮程度与光源强度之间的关係，并涉及光的照度和成像理论。他所採用的大型实验方法很有特色，是中国历史上记载的规模最大的实验。还有值得提出的元代郭守敬(1231～1316)曾巧妙地利用针孔取像器〔“景(影)符”〕解决了历来圭表读数不準的问题。一般圭表因太阳上下边沿投影在影端生成半影，因此读数比较模糊。正如《元史卷48》所说：“表短， ……所谓分、秒、太、少、半之数，末易分别……表长， ……影虚而谈，难得实影” 。郭守敬在建河南登封观星台时除用水平沟使圭面保持水平外，在表上加一横樑，在圭上加一可移动的“景符”)即在约宽2寸和斜铜时上扎一针孔，以“楮(即斜)竿”调其倾度以迎晶光。这样，太阳针孔像“仅如米许，隐然见横樑于其中” ，细如髮丝，误差可达0.1毫米。郭守敬的观测结果之精确令拉普拉斯为惊之叹。郭守敬的改进是在实际测量、反覆试验中创造，并且带有定量意义，可惜这种创造只是凤毛麟角，很少有人继承下来。