中国古代光学发展史

我国古代对光的认识是和生产、生活实践紧密相连的。它起源于火的获得和光源的利用，以光学器具的发明、制造及应用为前提条件。根据籍记载，我国古代对光的认识大多集中在光的直线传播、光的反射、大气光学、成像理论等多个方面。
　　
　　(1)对光的直线传播的认识
　　
　　早在春秋战国时《墨经》已记载了小孔成像的实验：“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……”。指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”来比喻光线径直向、疾速似箭远及他处的特征动而准确。
　　
　　宋代，沈括在《梦溪笔谈》中描写了他做过的一个实验，在纸窗上开一个小孔，使窗外的飞鸢和塔的影子成像于室内的纸屏上，他发现：“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东，又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂”。进一步用物动影移说明因光线的直进“为窗所束”而形成倒像。
　　
　　(2)对视觉和颜色的认识
　　
　　对视觉在《墨经》中已有记载：“目以火见”。已明确表示人眼依赖光照才能看见东西。稍后的《吕氏春秋·任数篇》明确地指出：“目之见也借于昭”。《礼记·仲尼燕居》中也记载：“譬如终夜有求于幽室之中，非烛何见?”东汉《潜夫论》中更进一步明确指出：“夫目之视，非能有光也，必因乎日月火炎而后光存焉”。以上记载均明确指出人眼能看到东西的条件必须是光照，尤其值得注意的是认为：光不是从眼睛里发出来的，而是从日、月、火焰等光源产生的。这种对视觉的认识是朴素、明确、比较深刻的。
　　
　　颜色问题，在我国古代很少从科学角度加以探索，而着重于文化礼节和应用。早在石器时代的彩陶就已有多种颜色工艺。《诗经》里就出现了数十种不同颜色的记载。周代把颜色分为“正色”和“间色”两类，其中“正色”是指“青、赤、黄、白、黑五色”。“间色”则由不同的“正色”以不同的比例混合而成。战国时期《孙子兵法·势篇》更指出：“色不过五，五色之变不可胜观也”。可见这“正色”和“间色”的说法，与现代光学中的“三原色”理论很类似，但缺乏实验基础。清初博明对颜色提出”五色相宣之理，以相反而相成。如白之与黑，朱之与绿，黄之与蓝，乃天地间自然之对，待深则俱深，浅则俱浅。相杂而间，色生矣”(《西斋偶得三种》)。这里孕育了互补色的初步概念，虽未形成一定的颜色理论，但从半经验半思辨的角度看也实在是难能可贵的。
　　
　　(3)光的反射和镜的利用
　　
　　我国古代由于金属冶炼技术的发展，铜镜在公元前2000年夏初的齐家文化时期已经出现。后来随着技术的发展，古镜制作技术逐渐提高，应用范围逐扩大，种类也逐渐增多，出现了各种平面镜、凹面镜和凸面镜，甚至还制造出被国外称为魔镜的“透光镜”。1956～1957年河南陕县上村岭1052号虢国墓出土过春秋早期的一面阳燧(凹面镜)，它直径75厘米，凹面呈银白色，打磨十分光洁，背面中心还有一高鼻纽以便携带，周围是虎、鸟花纹，镜的利用为光的反射的研究创造了良好的条件，使我国古代对光的反射现象和成像规律有较早的认识。这方面的记载也较多。
　　
　　关于平面镜反射成像，《墨经》中记载：“景迎日，说在转”。说明人像投在迎向太阳的一边，是因为日光经过镜子的反射而转变了方向。这是对光的反射现象的一种客观描写。关于平面镜组合成像，《庄子·天下篇》中记载：“鉴以鉴影，而鉴以有影，两鉴相鉴则重影无穷”。生动地描写了光线在两镜之间彼此往复反射，形成许许多多像的情景。《淮南万毕术》记载：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣”。其原理和现代的潜望镜很类似。
　　
　　对凸面镜成像的规律，在《墨经》中有所叙述：“鉴团，景一，说在刑之大”。经说中进一步解释说：“鉴，鉴者近，则所鉴大，景亦大，其远，所鉴小，景亦小，而必正”。它说明了凸面镜只成一种像，物体总成一种缩小而正立的像，对凸面镜成像规律作了细致描写。
　　
　　关于凹面镜，《墨经》记载：“鉴洼，景一小而易，一大而正，说在中之外、内”。说明当时已认识到凹面镜有一个“中”(指焦点和球心之间)。物在“中”之外，得到比物体小而倒立的像，物在“中”之内，得到的是比物体大而正立的像，这种观察是细致而周密的。《淮南子·天文训》记载：“阳燧见日则燃而为火'。这说明我国古代已认识到凹面镜对光线有聚作用。《梦溪笔谈》中也有记载：“阳燧，面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒”。此处不仅述了凹面镜成像的规律，还提出了测凹面镜的焦距的一种粗略方法，发现成正像和倒像之间有个分界点。《梦溪笔谈》又说：“阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内，离镜一、二寸，光聚为一点，大如麻菽，着物则火发，此则腰鼓最细处也”。作者(沈括)把聚光点形容如芝麻和豆粒那么之小，又把它称作“碍”，用“腰鼓最细处”形容地比喻光束的会聚，十分贴切。
　　
　　(4)对大气光学现象的探讨
　　
　　大气光学现象是我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、系统而又深入细致的，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致、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著及图谱，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冲。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”。不仅重复了《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，我国古代也早有记载，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，我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)联系起来，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。
　　
　　立竿见影是我国古代最早被注意的问题，后来用此方法测影定向，并应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。
　　
　　我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，还有了光学仪器的制作等等，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(见图3)，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、像距之间的关系进行研究。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系，并涉及光的照度和成像理论。他所采用的大型实验方法很有特色，是我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准的问题。一般圭表(图4)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，在表上加一横梁，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，隐然见横梁于其中”，细如发丝，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、反复试验中创造，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。