海市
——十九世紀中國光學轉型之個案研究

田 鋒

（上海交通大學 科學史與科學文化研究院，上海 200240）

海市
——十九世紀中國光學轉型之個案研究

田 鋒

（上海交通大學 科學史與科學文化研究院，上海 200240）

“海市”是自然界中存在的一種自然光現象。在中國古代的文獻中記錄著許多關于這種自然光現象的史料，并在記錄的同時給予這種自然光現象的成因以相應的解釋。從文獻記載的內容來看有神話解釋、常識解釋等。以上各種解釋的本質上都屬于“非科學解釋”。進入十九世紀之后隨著西方光學著作被引進到中國，在光學研究領域內給予這種自然光現象以新的解釋，即“科學解釋”。這種“科學解釋”主要包含了三個方面的因素：科學概念、科學定律以及科學實驗。因此，十九世紀的中國光學研究在對于“海市”這種自然光現象的成因完成了由“非科學解釋”到“科學解釋”的轉型。

海市蜃樓 ；光學； 轉型 ；科學解釋

1 中國古代對“海市”的解釋

在中國古代的文獻中存有著許多關于“海市”的記載。在（明）王士性《廣志繹》中曰：“春夏間，蛟蜃吐氣幻為海市”。最為人熟知的是沈括所著的《夢溪筆談》，文中記載：“登州海中時有云氣，如宮室、臺觀、城堞，人物、車馬、冠蓋歷歷可見，謂之海市。”[1]由此可見，“海市”一詞是由觀察者根據所獲得的視覺信息而進行的一種自然現象描述。與“海市”相連的“海市蜃樓”則更多地出現在中國古代文獻中。“蜃樓”則是中國古人提供了對于“海市”現象形成原因的一種解釋，即古人認為“海市”現象的成因是由于“蜃”這種神話中海怪所為。運用神話中的海怪來解釋“海市”現象的成因，是可以從視覺角度去理解和分析觀察者的心理狀態。首先，“海市”現象出現在大海之上，從視覺效果角度來看離觀察者較遠，而且在一段時間后又會逐漸消失；其次，亭臺、樓閣、人馬都位于海面之上，這種自然現象與常識不符；第三，“海市”不常見到的自然現象，這為觀察者蒙上了一層神秘的面紗。以上三種原因都會導致古人給予“海市”現象用一種超自然的因素去解釋其成因。但是沈括對于超自然的解釋給予了否定的態度，他認為：“蛟蜃之氣所為，疑不然也。”[2]

王賽時總結了在中國歷史文獻中,古人對于“海市”現象的四種解釋，他認為：“概括地說，在我國古代關于海市蜃樓形成的原因主要由以下四種說法：第一，蛟蜃吐氣說；第二，風氣凝結說；第三，沉物再現說；第四，光氣映射說。”[3]王賽時認為：“風氣說主要是從客觀事物的本體因素來認識問題，考慮到自然現象的多種變化，從而把海市蜃樓的發生歸結為風氣的凝結旋轉。”[4]風氣說本質上與蛟蜃吐氣說解釋內容是不同的，風氣說沒有提供一種超自然現象的解釋，而是運用自然因素去解釋這種現象。王賽時對于“沉物再現說”的看法是：“否認神的作用，從物質覆滅重現的角度來探索客觀事物，還是有一定可取性的。” 所以，從解釋邏輯方面考慮“沉物再現說”是有一定合理性的解釋，但仍然很難令人信服。王賽時對于陸容的態度是：“陸容的解釋，雖然還是以氣為主，但強調了“掩映日光而成”的道理，可以說他已經注意到了光射的作用……能做出接近現代科學的結論確實是難能可貴的了，古代對海市蜃樓的探索，于此也就到達了頂點。”[6]雖然陸容的觀點較以往的觀點有所突破，但是沒有用實驗的方法去復證這種自然現象，這就不可能給出一種充足的解釋理由。王賽時所歸納的后三種解釋，都是屬于建立在猜測和想象的基礎之上，就如王棟指出的一樣：“人類受到自身認識能力和條件的諸多客觀條件的限制，無法擺脫掉以猜測和想象的方式來理解自然界的眾多現象。”[7]

劉昭民與王賽時的根據“海市”現象成因內容的劃分方法不同，他采取的則是通過關于“蜃景”現象文獻記錄的歷史階段來劃分。劉昭民把中國古代文獻對于“蜃景”現象記載主要分為了四個階段：“第一階段為初步認識時期，是從西周到唐代；第二階段為詳細記載時期，是從宋、金到元；第三階段是深入探討時期，從明憲宗時代開始到鴉片戰爭之前；第四階段是介紹西方學識時期。”[8]綜上所述，本文認為：無論是王賽時根據“海市”現象成因的四種說法，還是劉昭民根據文獻記錄歷史來劃分對“蜃景”現象認識的四個階段, 對于“海市”或“蜃景”現象形成的原因, 中國古人提供都只是一種“非科學解釋”。而進入鴉片戰爭之后, 隨著西方光學傳入到中國, 對于“海市”或“蜃景”現象成因才提供了“科學解釋”。

2 十九世紀中國光學研究對“海市”的科學解釋

鴉片戰爭之后, 西方的近代光學知識大量地傳入中國。中國人開始接受西方的光學知識。雖然中國人還沒有建立起屬于自己的、完善的光學研究范式，但是這個時期仍然可以看做是中國人的光學研究的起步階段。在這個起步階段中, 對于“海市”現象的解釋就非常典型地代表了中國人開始接受西方的光學知識。

中國光學研究開始對于“海市”現象給予其成因以不同于十九世紀之前的解釋。本文將從五個方面進行探討與分析。第一，在十九世紀中國光學的文獻中否定了中國古代傳統對于“海市”現象的解釋。王錦光曾指出：“在十九世紀五十年代初，上海出版了一批自然科學方面的翻譯著作，其中一種名為《光論》，譯者是歸安的張福僖，這是最早把西方近代光學知識系統地介紹到我國的一本書。”[9]在這本書中，作者用了較大的篇幅來對“海市”現象進行分析。首先就從陳述了通過視覺看到的“海市”現象，即“甚遠之處，有時見物亦有時見其正像或見其倒像，并映大縮小之形，如蜃樓等項或見其物高于本地之位或在海上，亦有時見其對面之船倒像雙像。”[10]為了說明“海市”現象不是中國獨有的一種自然光現象，作者舉了在西方出現了兩個“海市”現象的實例，一個發生在埃及，另一個發生在英吉利，即：“埃及北地俱屬平原沙地，所見蜃樓最多，尼羅河水漲時，其平原地俱沒于水；小鎮、村莊或近尼羅河或遠尼羅河均作室于泥墩小山之上……有時不見，此非蜃樓，理同蜃樓一致；英吉利國亦有此種幻景……所見蜃樓十分清明……但見一片熱沙之石，不見村莊、小鎮，及相距甚遠，又見其假象。”[11]通過《光論》作者的描述可以看出，“海市”現象不但出現在海上，在陸地上也會出現類似的現象。但是這些被觀察者所看到的現象都是一種假象。在《博物新編》中，作者則采取了以一種反問式的說明方法來否定中國古代對于“海市”現象成因的解釋：“華人以海市為蜃氣幻影，以山市委神仙幻影，若果為蜃，不應有于山，若果為仙，終有現乎夜，何以不聞有燈燭山市、夜光海市？而必現于無風有日之白晝乎？”[12]這種反問式的回答在邏輯上否定了造成“海市”現象的超自然成因，這也體現出科學所具有的解釋功能首先應該在邏輯上是保持其具有解釋的自恰性。隨后，《博物新編》中給出的解釋是在否定了超自然因素的成因后指出是由于自然的原因產生了“海市”現象，作者認為：“是海之為市非蜃，由之為市非仙，其實皆濕氣凝空，日光返照所致也者，故其為像……皆就其地氣天時而然。”[13]在《格物入門》中則是否定中國古人對于運用常識解釋的觀點，作者認為：“與上文所言空中懸影無異也，或對岸有城市村落，遙望不見……平原曠野之地，遙望忽現江河之狀，且有車馬人物，俱甚高大，俗以為地中風水使然，不知亦折光放大之故耳。”[14]用自然常識去解釋自然現象，雖然比“超自然因素”有所前進，但仍不能作為一種令人信服的解釋理由，這里作者指出了“海市”現象產生的真正原因是由于“折光放大”的緣故。

第二，強調了“海市”現象的普遍性。在十九世紀中國光學的文獻中，可以找到把觀察者所看到的“海市”以及類似的“山市”和“野市”現象成因歸結到是由于同一種原因造成的不同現象，即找到普遍現象背后的齊一性解釋。在介紹“海市”現象的文獻中可以看出，作者首先強調的是“海市”作為自然界的一種普通現象并非只在中國境內出現，“海市”現象也會出現在世界的其他地方。這就說明了“海市”現象具有普遍存在的客觀性。在《光學須知》的“山市野市”一節中，作者指出了發生在陸地上的類似于“海市”的現象：“陸地亦有現城市之時，大半在沙漠之地，昔法國王那波輪征埃及時，路經沙漠，途中見遠處旱地，盡變澤國，一切村落，宛在水中，并見村落倒影，此即山市野市也，理與海市同。”[15]通過對于以上的文獻分析可以看出，文獻當中所強調的“海市”、“山市”和“野市”三者產生的原因都是歸結于同一種原因，這為對于這種自然現象進行齊一性的解釋奠定了基礎。

第三，引入科學概念來指出“海市”現象的真正原因。在《光學須知》文中，作者強調了空氣由于冷熱的緣故造成了密度不同，這也明確地指出了產生“海市”現象的自然條件，作者認為：“因近沙面空氣甚熱而稀，漸高則冷而密，物之光線，自高下射，由密入疏，離垂線而折，及過限角，其光回射，有疏入密，向垂線而折，入人目，則視如倒置。”[16]但是這樣的敘述是一個詳細而復雜的過程。科學解釋應該在復雜的現象中總結和歸納出簡潔或易于表達的結論，這樣引入科學概念進行說明就可以事半功倍。在《光論》中，作者引出了“海市”現象的成因是“光差變像”，作者認為：“四際無涯，前所見幻景，但屬子虛，此是光差變像。”[17]作者用“光差變像”這個來解釋造成“海市”現象的成因。在《光學》的第一百五十二節中，作者則把科學概念進一步明確化，引入了“蒙氣差”的科學概念。在《光學》中，作者認為：“氣質與流質定質同，可回光亦可折光，因氣質之折光指甚小，故回光與折光甚微，但測望之時，必須知蒙氣差，即空氣折光之故也，用三角法測地，亦須知蒙氣差，日未出地平之時，已能見日，日入地平之后，仍能見日，亦因有蒙氣差也。”[18]“蒙氣差”概念的引入，不但簡化了科學解釋的復雜性，而且明確地指出了“海市”現象的成因。在這里需要重點強調的是，根據現在的科學理論可知，《光論》中的“蒙氣差”并不是產生“海市”現象的真正原因。因為，“蒙氣差”產生的機理是光的折射，而“海市”現象產生的機理是光的全反射。在《物理學》中，飯盛挺造把有關于“海市”現象的篇章放在了《折光總論--全回光之現象》中，并且在這一小節中，飯盛挺造始終沒有提到“海市蜃樓”的字樣。這就充分表明到了十九世紀末的中國，“海市”現象的成因已經不再神秘，并且對于其成因能給出正確的科學解釋了。

第四，引入科學定律并且配有光路圖來對“海市”現象進行輔助說明。《光論》的作者通過光路圖來解釋造成“海市”現象的光學原理，這里主要是應用了《光論》中前面已經介紹的光的直線傳播、光的反射和光的折射等幾何光學知識。這為解釋“海市”現象時就可以利用前面的知識進行說明：“如甲乙為平原沙地……則又經密風氣至疏風氣入人目內，行于圖上所繪之線，昔佛蘭西奈伯倫（現譯拿破侖）將兵至埃及，有格致士明蒙日證明此理。”[19]

傅蘭雅在《光學圖說》中也舉了一個案例并配有光路圖，即：“西英國兵船主，司可司比，駕舟游北冰洋，一日忽見其父之船，倒懸于空中，甚駭異，初不知為空氣之幻影也，其實此事因折光而成，諸層空氣，比海面俱熱，而愈近海面愈密，愈向上欲稀，如圖”[20]

這幅光路圖比《光論》中的光路圖就更形象地、更直觀地解釋了“海市”現象的成因。

第五，舉例科學實驗為“海市”現象做解釋和復證。以上文獻中的解釋與中國古人對“海市”現象給出的解釋是不同的理由，而具有決定性的因素就是可以利用科學實驗的方法來復證這種“海市”現象。《光論》的作者指出:“設人疑此說不確，可用鐵條燒紅，在其面上置放一物，能見真形并見假像倒像，熱鐵面上之風氣如上所說，漸近漸疏之理相仿。” 科學實驗的引入，可以使得“海市”現象不再具有神秘的色彩，而且這種科學實驗是在日常生活匯總非常容易做到的。從接收者的角度來講，這種科學解釋更容易被人接受。王錦光曾指出:“惜《光論》譯成之后，未能及時出版，后來作為“西學”收入到江標（1860—1899年）主編的《靈鶼閣叢書》中，才行于世。” 雖然《光論》一書沒有在當時及時刊印，但這仍證明了在十九世紀里中國的知識分子已經接觸到了對于“海市”現象形成原因的科學解釋。戴年祖也指出:“在1853年，由艾約瑟（Joseph Edkins，1823～1905年）口譯和張福僖（？～1862年）合譯的《光論》出版，大氣折射和蜃景產生的原因才在中國傳播。”

在《格物入門》中的引入的實驗不同于《光論》中的實驗，其作者采取了利用光線分別在液體和空氣中折射光的對比情況：“問：物在地上、空中成影何解？答：亦天氣折光之故也…問：此理何法試驗？答：玻璃瓶內，灌以稠糖水，復灌清水，以紙書大字，隔糖隔水窺之，字體俱正也，隔糖與水相合處窺之，其字便倒矣，此因稠稀折光有多寡之故耳。” 以上文獻中所列舉的科學實驗，都是現實中可以容易實現的實驗，這樣就增加了科學解釋的可信度。

從科學哲學的角度來分析，科學理論具有諸多功能，其解釋的功能是“科學之為科學”的必要條件之一。科學理論的解釋功能，與超自然因素的解釋、常識解釋等“非科學解釋”有著明顯的區別。“非科學解釋”只是回答了“what”提出的問題。而科學解釋是對自然現象的深入分析和探討，是去解釋每一個自然現象是怎么樣產生的過程，即是回答“how”和“why”提出的問題，并且通過科學解釋可以完全復原和證實自然現象的發生。鴉片戰爭之后，西方的光學著作和譯著被引入到中國。在這些文獻中的科學實驗還沒有能達到現代科學要求的嚴格意義上的定量分析與可控條件相結合。但是對于接受西方光學的中國人來說，這已經是向著“科學”邁進了一大步。進入二十世紀之后，隨著留學生的回國，以及源源不斷的西方更新的光學著作和教科書的引進，中國人逐漸擺脫了依靠外國傳教士研究光學的辦法，走上了中國人自己研究光學的道路。

3 結論

本文通過對“海市”這種自然光現象的個案分析，可以得出這樣一個結論，即：在十九世紀之前，中國古人對于這種自然光現象的解釋在本質上都是“非科學解釋”，而進入十九世紀之后，中國光學研究對于這種自然光現象的成因研究給予了一種“新解釋”。這種“新解釋”主要體現在三個方面：首先，通過“蒙氣差”這樣的科學概念來指出兩種光學現象產生的真正原因；其次，運用西方光學的折射定律與反射定律來配合光路圖對“海市”現象產生的過程進行輔助說明；第三，引入科學實驗來復證“海市”現象。綜上所述，十九世紀中國光學研究對于“海市”現象的成因完成了一次從“非科學解釋”到“科學解釋”的轉型。

[1][2]（宋）沈括 著,金良年,胡小靜譯.夢溪筆談[M].上海:上海古籍出版社, 2013. 205.

[3][4][5]王賽時.中國古代對海市蜃樓的記載與探索[C].中國科技史料第9卷, 1988, （4）: 67.

[6]王賽時.中國古代對海市蜃樓的記載與探索[C]. 中國科技史料, 1988, 9（4）: 68.

[7]王棟.中國古代科學解釋的一些例證解析[C].上海市科技史年會2006年學術會論文.

[8]劉昭民.我國古代對蜃景現象之認識[C].中國科技史料, 1990, 11（2）: 20.

[9]王錦光,余善玲. 張福僖和《光論》[J].自然科學史研究, 1984, （2）:189.

[10]（英）艾約瑟 口譯,（清）張福僖筆述.光論[M]. 叢書集成初編本, 1853. 7.

[11]（英）艾約瑟 口譯,（清）張福僖筆述.光論[M]. 叢書集成初編本, 1853. 8.

[12][13]（英）合信編纂.博物新編—光論[M].上海墨海書館印行本, 1855.46.

[14]（美）丁韙良撰, 本山漸吉訓點. 格物入門—論光[M].東京: 明親館, 1869.49.

[15][16]（英）傅蘭雅著,格致須知-光學須知[M].光緒二十一年刻本,1895.19.

[17]（英）傅蘭雅著, 格致須知-光學須知[M]. 光緒二十一年刻本, 1895. 9.

[18]（英）田大里原著,（美）金楷里口譯,（清）趙元益筆述.光學[M]. 上海:上海江南制造局刊本, 1876. 12.

[19]（英）艾約瑟口譯,（清）張福僖筆述.光論[M]. 叢書集成初編本, 1853.10.

[20]（英）傅蘭雅譯,（清）徐壽筆述.光學圖說[M]. 益智書會本, 1890.3.

[21]（英）艾約瑟口譯,（清）張福僖筆述.光論[M]. 叢書集成初編本, 1853.11.

[22]王錦光,洪震寰著.中國光學史[M].長沙:湖南教育出版社, 1986.126.

[23]戴年祖, 張旭敏著.中國物理學史大系—光學史[M]. 長沙:湖南教育出版社, 2001.328.

[24]（美）丁韙良撰,本山漸吉訓點. 格物入門—論光[M]. 東京: 明親館, 1869.48.

（責任編輯：王保寧）

Mirage : A Case Study of the Transformation of Chinese Optics in the 19th Century

TIAN Feng
（School of History and Culture of Science ，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240）

“Mirage” is a optical phenomenon in nature, about which there were many historical material recorded in ancient Chinese texts and meanwhile, the corresponding explanations were given for the cause of the phenomenon. According to what were recorded in the texts, the phenomenon explained from the point of myth, common sense about nature, etc. All these explanations are in essence “non-scientific explanations”. After entering the 19th century, with the introduction of western optical works to China, new explanations were given by the field of optics, namely, the “scientific explanations”. The scientific explanations included three factors: scientific concept, scientific law and scientific experiment. Therefore, the transformation from “nonscientific explanations” to “scientific explanations” for the cause of the optical phenomenon “mirage”was accomplished by Chinese optics in the 19th century.

Mirage; optics; Transformation; Scientific explanations

G302

A

10.3969/j.issn1003-8256.2015.02.008

田鋒（1983-），男，漢族，內蒙古呼倫貝爾人，上海交通大學在讀博士研究生，研究方向：科學史與科學哲學。