中国古代物理成就
随着物理学的不断发展,物理学名词层出不穷,物理学名词的渊源与使用为大家所关注。
中国科学院物理研究所曹则贤研究员对物理学名词颇有研究,故《物理》杂志特开辟此“物理学咬文嚼字”专栏,邀请曹则贤研究员定期发表见解,以活跃《物理》的版面并引起读者对物理学名词讨论的兴趣。
物理学,包罗很多领域。
力学,物理学的一个分支学科。
它是研究物体的机械运动和平衡规律及其应用的。
力学可分为静力学、运动学和动力学三部分。
静力学是以讨论物体在外力作用下保持平衡状态的条件为主。
运动学是撇开物体间的相互作用来研究物体机械运动的描述方法,而不涉及引起运动的原因。
动力学是讨论质点系统所受的力和压力作用下发生的运动两者之间的关系。
力学也可按所研究物体的性质分为质点力学、刚体力学和连续介质力学。
连续介质通常分为固体和流体,固体包括弹性体和塑性体,而流体则包括液体和气体。
在中国古代经历了持续而缓慢的发展。
从距今170万年前的云南元谋人开始,到约1万年前出现的新石器时代,在各种原始的工艺技术中,如陶器、箭镞、建筑,纺织和交通工具的制作中,开始孕育着力学的知识。
有文字记载以前的力学知识反映在一些出土的文物古迹和古文化遗存中。
从周到明代有许多记述关于力学实践和认识的著作,如春秋战国之交成书的《考工记》,战国时期以墨翟(约公元前5世纪上半叶至前4世纪初)为首的墨家的代表作《墨经》,汉代王充(公元29~97)的《论衡》,宋代曾公亮(998~1078)的《武经总要》,苏颂
(1020~1101)的《新仪象法要》,沈括(1031~1095)的《梦溪笔谈》,李诫(1035~1110)的《营造法式》,元代王祯的《王祯农书》,明代宋应星(1587~?)的《天工开物》等。
古代中国人还发明大量的机械器物,营造了大量著名的工程,也反映了中国古代的力学知识的丰富。
从历史上看,中国古代力学有两个发展高峰期:战国时期和宋代。
前一个高峰期,在力学的应用方面可以和古希腊相媲美,在理论方面则稍逊色;后一个高峰期,取得了中世纪欧洲望尘莫及的成就。
但是,总的说来,在中国古代并没有出现一部专门的力学著作,力学知识散见于各种书籍之中。
总的特点是:经验多于理论,器具制造多于数理总结。
西方的兴起以后,中国的力学相比落后了。
这时期,来华的传教士把经典力学带来中国。
经历了一番曲折,经典力学才真正输入中国;此后,中国的力学开始随同世界先进的科学技术潮流前进。
在我国古代,力学的突出成就主要表现在已下几个方面。
首先,《考工记》一书中的有关记载。
这是一本现存的有关我国古代手工业技术规范的书籍,可能是春秋时代(公元前700至400年)末年的作品。
它记述了许多手工业的工艺制作与设施,汇集了至公元前3、4世纪时的工程技术知识。
其中包含的力学知识,主要有:关于惯性的记载、滚动摩擦的论述、箭的飞行与保持稳定,还记述了有关力的测量、斜面受力分析以及材料和施工中的一些软科学知识。
其次,《墨经》中有关力学知识的记载。
《墨经》战国时代以墨翟(公元前490至403年)为首的墨家的代表作,分为“经”与“经
说”两大部分。
“经说”是“经”的注解。
前者的内大多是一些定义性质的条文,后者则带有定律的性质的解释。
《墨经》中的软科学知识已不全是实际生产知识的总结和记述,而是对力学现象进行了粗浅的概括,并进行了一些推理论证。
诸如,关于时空观念、运动学知识、力的概念、力系平衡的论述,以及斜面、滑轮及其应用,等等。
经下第25条:“天(衡)而必正,说在得。
”经说:“(衡),加重于一旁,必捶(垂),权重相若也。
相衡,则本短标长,两相加焉,重相若,则标必下,标得权也。
”这一条说明了不等臂天平(秤)的平衡关系。
可能是墨家探讨杠杆平衡关系的实验总结,说明墨家发现杠杆定律较之古希腊的阿基米德要早二百多年。
但并没有阿基米德杠杆定理那样完整和定量化。
再次,侯风地动仪。
这是东汉张衡(公元78至139年)所制的世界上第一台地震仪。
《后汉书张衡列传》上有下面一段记载:“(顺帝)阳嘉元年(即公元132年),复造侯风地动仪。
以精铜铸成,圆径八尺,合盖隆起,形似洒尊,饰以篆文山龟鸟兽之形。
中有都柱,傍行八道,施关发机。
外有八龙,首衔铜丸;下有蟾蜍,张口承之。
其牙机巧制,皆隐在尊中,覆盖周密无际。
如有地动,尊则震,龙机发,吐丸而蟾蜍衔之,振声激扬,伺者因此觉知。
虽一龙发机,而七首不动。
寻其方面,甩乃知震之所在。
验之以事,合若神。
自书典所记,未之有也。
当龙机发而地不觉动,京师学者咸怪其无征。
后数日至,果地震陇西。
于是皆服其妙。
自此以后,乃令史官记地动所从方起”。
显然,这是一种测定震源方向的仪器。
可惜,后来这架地动仪
失传了。
我国考古博物学家王振铎在总结国内外学者复制研究工作的基础上,根据书上的记载和力学原理满意地复制成功了侯风地动仪的复原模型,它主要是一个利用了重心很高的“都柱”的不稳平衡。
从这个仪器的制造来看,张衡已利用了力学上的惯性原理,同时他对地震波传播和方向性也一定有所了解。
这些在当时来说都是十分了不起的
还有,记里鼓和指南车。
这是三国时魏人马钧根据以前的记载模仿制成的两种利用各种齿轮的复合运动传动的自动机构。
记里鼓是利用原动齿轮带动大小不同的一套从轮,使车轮转动把车行的里数自动地表示出来的一种装置。
指南车是利用一套能自动离合的齿轮系统的定向装置,使得立在车上的一个木制人像的手永远指着固定的方向。
关于这两种装置的结构,在刘仙洲教授著的《中国机械工程发明史》第一编第五章中有较详细的介绍。
更有,中国很早就注意到运动的相对性。
王充在《论衡》中叙述了相对运动的思想。
《晋书?天文志》在描述天体和天球运动时详细写道:“譬之于蚁行磨石之上,磨左旋而蚁右去,磨疾而蚁迟,故不得不随磨以左焉。
”这是相对运动的极好例子,暗含了相对速度的概念。
汉代成书的《尚书纬?考灵曜》写道:“地恒动不止,而人不知,譬如人在大舟中,闭牖而坐,舟行而人不觉也。
”在欧洲,关闭于船舱内的人不能发觉船的运动这一说法及其实验证明,是17世纪在他的《两大世界体系的对话》中最早描述的,但长期未受重视。
直到、H.A.洛伦兹、和的著作发表以后,人们才把“舟行而人不觉”的现象称为力学相对
性原理。
爱因斯坦把这个原理推广为光学和电动力学的实验也不能发现一个惯性系统本身的运动状态,并以此作为他建立狭义相对论的两大支柱之一。
因此可以说,在二千年前中国著作中已萌发出相对性原理的思想。
最后,古籍中对液体的力学效应做出初步解释。
张世南(12世纪末至13世纪初)在《游宦纪闻》中描述了一种古老的表面张力演示器,以检验桐油的质量:用细竹篾一头做成圈状,蘸上桐油,如果桐油无杂质,竹篾圈上就形成薄层油面。
明代刘侗(生活于17世纪初)等人著《帝京景物略》中,用“水膜生面”说明绣花针浮在水面的原理。
总的来说,中国古代物理力学成就多多,为我国近代以及现代的物理力学的发展打下了基础。