打開光學之門

雷輝志

陽光、月光、星光、火光……從古到今，在人類的生活中，光幾乎是無所不在的。因此，人類對于光的認識也相當悠久，特別是中國古代的光學成就，遠遠走在了世界其他國家的前列。

從鉆木取火到金屬凹鏡

早在距今約56萬年前的遠古時代，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。當時，周口店一帶氣候溫暖，動物繁多，熊、狼、虎、豹等野獸嚴重地威脅著周口店人的生命，于是他們便用“如神照明”的火光來驅趕野獸。

三萬年前，人們利用光能的本領有了新的提高。相傳有個叫燧人氏的，在石灰巖中發現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，能發出火星。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，是破天荒的偉大發明。從那時起，人們擺脫了黑暗降臨時的陰森與恐怖，走上了文明的道路。而且，有了火，人們就隨時可以吃到燒熟的東西，而且食物的品種也增加了。原來像魚、鱉、蚌、蛤一類東西，生的有腥臊味不好吃，有了取火辦法，就可以燒熟來吃了。

三千多年前，我們的祖先在利用光能的道路上又邁進了一步。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——陽燧，并經過加工制成一個十分光滑的凹球面，將太陽射來的光線反射并聚成一個焦點。

燃燒時，把陽燧的凹平面平行地對準太陽光線，形成一個準確的聚光點，再將一種草木艾曬干揉成線，放在焦點處，一會兒就燃著了。對此，《淮南子·天文訓》記載：“故陽燧見日，則燃而為火。”《古今注·雜注》：“陽燧，以鋼為之，形如鏡。照物則影倒，向日則生火，以艾炷之則得火。”而西方國家直到公元1300年才有金屬制的凹鏡，遠遠落后于我國1600多年。

墨子與世界首個小孔成像實驗

2400～2500年前的戰國時期，杰出的科學家墨子（墨翟）和他的學生觀察發現，光從一面墻壁中間的孔或縫穿過后，對面的墻壁或地上就會顯示出一個小小的畫面。

他們由此想到了光的傳播問題，并做了世界上第一個小孔成像實驗：夜間，在較弱的燈光下，在一個四面不十分透光的小盒里，在盒壁上開一個小孔，在一定的距離內，拿一個由細到粗的物體對著小孔，盒壁相對于物體的位置上會出現一個令人驚奇的倒立的物體像。

墨翟對這種現象作了科學的解釋：光穿過小孔時，是光的直線傳播，在沒有什么東西擋住它的去路時，物體較粗部分遮住了上面的光，成影在下邊；當物體較細部分遮住了下面的光，成影在上邊，就形成了一個倒立的影像。

墨翟利用光的這一特性，深入細致地研究了物體影子形成的原因：在一個漆黑的夜里，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光線，紙上會出現一物體的黑色影子。當手指移動時，影子就會隨之變大或變小。當物體移動時，前一瞬間被遮住出現影子的地方，由于被光照射，影子便消失了。

這些論點，都記述在《墨經》里。這部中國最早最完整的光學著作，比西方最早的光學著作——歐幾里得的《光學》早了100多年。

世界最早的潛望鏡

2100多年前，古代中國人利用平鏡反射的原理，制成了世界最早的潛望鏡。漢初的科學論著《淮南萬畢術》中，就有“取大鏡高懸，置水盆下，則見四鄰點”的記載。

當時，人們把潛望鏡用于軍事，擴大了觀察范圍，提高了視線能力。在刀、槍、棍、棒及徒手進行的戰斗中，人們需要掌握遠距離的情況，可是卻沒有什么好的辦法。后來，人們發現，借助光學凸鏡可以看到距離較遠的物體，于是便在城墻上高高地懸起一面鏡子，窺探城池外對方軍隊的行動情況，從而獲取戰斗情報——這創造了科學技術運用于戰爭的先例。

趙友欽與小孔成像亮度

到了元代，科學家趙友欽進一步研究了日光通過墻上孔隙所形成的像和孔隙之間的相互關系。他做了一個實驗，在硬紙片上扎一個橢圓形的小孔讓日光通過，所得到的像是一個橢圓形。他發現：當物體上透光的小孔相當小時，無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；當物體上透光的孔相當大時，無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，他還發現：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。

這一發現，在當時世界上絕無僅有。在西方，直到400多年后，德國科學家來博托才得出“照度與距離平方成反比”的定律。此外，趙友欽從客觀實驗出發，采用大規模的實驗方法探索自然規律的科學實踐，在世界物理科學史上也是首創的，比意大利著名物理學家伽利略早了兩個世紀。

發現光的色散

1500多年前，唐代的孔穎達經過多年的雨后觀察，發現長空萬里時，偶爾會出現多種色彩的長虹。他認為這是一種“若云薄漏日，日照雨滴則虹生”的自然現象，而不是什么天空中仙女歌舞而揮動的彩帶的閃光，從而解開了千百年的彩虹之迷。

大約1000年前左右，古代中國人在自然界發現了—種天然的透明晶體。這種物體在日光的照射下，會閃現出色彩的寬帶，顏色鮮艷美麗，因而被稱之為“寶貝”或“放光石”。

此后，人們在實踐中認識到，光通過透明物質時，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。

當時，人們已經認識到，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生的色散現象和虹霓現象聯系起來分析——這是世界上對光的色散現象的最早認識，比牛頓通過三棱鏡把日光分解成七色光從而發現光是由七色光混合而成的認識，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……漫長的時光中，古代中國人用智慧打開了光學之門，向人類展示了絢麗多彩的光學世界。（編輯/余風）