中国古代对光的性质的认识，本文主要内容关键词为：中国古代论文,性质论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：O4-092 文献标识码：A 文章编号：1008-7095(2002)01-0020-04
在传统中国物理学诸多学科当中，光学是得到突出发展的学科之一，其中也包含了古人对光的基本性质的认识。古人对光本身有过内容丰富的探讨，形成了一定的学说，本文以之为研究对象，试图揭示其本来面目。
一、光的本性
在对光本性的认识上，中国古人深受元气学说的影响，他们认为气是万物本原，光当然也不例外。光不但生于气，而且它本身就是一种气，是一种由光源发出的特殊的气。
在中国，光是气的思想起源很早。春秋时医和即曾提出：“天有六气，……六气曰阴阳风雨晦明也。”（注：《左传·昭公元年》。）晦、明是光的不同表现形式，差别在于光的强弱的不同。因此，医和此言可以理解成他主张光是一种气，尽管他说得还不够直截了当。
到了西汉，《淮南子·原道训》又进一步提出：“夫无形者，物之大祖也。……其子为光，其孙为水。”所谓“无形”，是古人在谈论宇宙起源时常用的一个概念，指混沌不分的气，即元气。这段话是说元气是生成万物的本原，元气化育万物，是循着由光到水的顺序进行的。由此，光是元气的直接产物，其他物体则是元气的间接产物。
光生于元气，不等于它本身即为气。那么，光究竟是什么呢？就在《淮南子》的《天文训》中，我们可以窥到古人的答案：
天道曰圆，地道曰方。方者主幽，圆者主明。明者吐气者也，是故火曰外景；幽者含气者也，是故水曰内景。这里所谓的“天道”、“地道”，是指物所遵循的不同规律而非天地之别，圆、方则指物的性质而非其形状，例如火在地上即有，而且其形状是尖的，但它却循“天道”，曰圆；水无定形，但其性质曰“方”，循“地道”。“方者主幽，圆者主明”，两者的区别在于“含气”、“吐气”之不同。“明者”指光源，它向外发光，是为“吐气”，亦曰“外景”；“幽者”指可以反光的物体，比如水，它能接受外光，反射成像，看上去如同物在其内，故此叫“含气”，又名“内景”。“外景”指发光，“内景”指反光，其区别在于“吐气”与“含气”之不同。既然发光、反光都离不开气，则《淮南子》毫无疑问是把光作为一种特殊的“气”来对待的。
认为光是一种气，这是中国古代光学的传统，南宋学者蔡元定就曾用这一认识解释月亮发光：
问：月本无光，受日而有光？季通云：日在地中，月行天上，所以光者，以日气从地四旁周围空处迸出，故月受其光。（注：《朱子语类辑略》卷之一。）
季通即蔡元定，他直接把日光说成日气，并使用了至为形象的“迸出”二字。他的这段话，只有用光为气的思想才能解释得通。
在古代中国，光为气的思想深入到了方方面面，甚至医学家也有这种认识，例如明代张介宾就曾说过：
盖明者，光也，火之气也；位者，形也，火之质也。如一寸之灯，光被满室，此气之为然也；盈炉之炭，有热无焰，此质之为然也。（注：（明）张介宾：《类经·素问·天元纪》。）
他不但明确表达了光是火发出的一种气的主张，而且还论述了光与光源的差异。即使到了清末，革命家谭嗣同在谈论此类问题时，也仍然使用着同样的术语：
日月星辰之光至地，其气亦至焉。人目之光至日月星辰，其气亦至焉。（注：《谭嗣同全集·石菊影庐笔识·思篇》。）
可见，在对光本性问题的认识上，中国古人占主导地位的观点认为光是气，是光源发出的一种特殊的气。
需要指出的是，在古人对光本性认识的发展过程中，明末清初的方以智提出了一种独特的波动学说，值得重视。方以智认为，光是气的表现，是气内部相互作用的传播，而不是由光源向外发出的气。他说：
气凝为形，发为光声，犹有未凝形之空气与之摩荡嘘吸。故形之用，止于其分，而光声之用，常溢于其余。气无空隙，互相转应也。（注：（明）方以智：《物理小识》卷一《光论》。）
就是说，光和声都是气被激发的结果。有形之物，固定占有相当于其体积的空间，而无形的光和声，则由其激发之处向外传播。这种传播是靠空气之间的相互作用而得以实现的。按方以智的看法，“空皆气所实也”，（注：（明）方以智：《物理小识》卷一《气论》。）“气”弥漫整个空间，内部毫无间隙，这样，倘一处受激，必致处处牵动，“摩荡嘘吸”、“互相转应”，有如投石水上，石激水荡，纹漪既生，连环不断，将波纹一层一层向外传播开去。光就是这样由光源向外传播的。
方以智把光和声相提并论，认为两者以同样的方式发生、传播。就其论述而言，应是一种朴素的波动学说，可以名之为气光波动说。这种波动说不提振动，也不讲周期，所以现代人多不愿承认它。其实，从物理学的角度来看，扰动在介质中的传播就是波，周期和振动并非形成波的必要条件。所以，他的理论当然是波动学说。
需要指出，方以智的气光波动说与现代所谓的波动光学不可同日而语。在方氏理论中，光是气之间相互作用的传播，是纵波；而当代波动光学则认为光是电磁作用的传播，是横波。方以智的描述，颇类似于当代人对声音波动性的认识，这更证明了它确实是波动学说。
二、光的传播范围
中国古人在讨论光的传播范围时，提出过一种十分有趣的思想——光行有限。例如《淮南子·地形训》即曾说过：
宵明烛光在河洲，所照方千里。
所谓宵明烛光，是神话传说。对其具体内容，我们可以不予理睬，但它所蕴含的光行有限观念，却不能不予承认。
早在战国时代，光行有限思想已现端倪。战国时著名天文家石申就曾说过：“日光旁照十六万二千里，径三十二万四千里。”（注：《开元占经》卷五引。）石申的做法开了一个先河：用光行有限思想解决天文问题。这种做法在后世屡见不鲜，《周髀算经》以之解释昼夜成因，说：“日照四旁各十六万七千里，人望所见远近宜如日光所照。”（注：《周髀算经》卷上。）《尚书纬·考灵曜》也说：“日光照三十万六千里。”（注：引自（清）王仁俊辑：《玉函山房辑佚书续编三种》，上海古籍出版社，1989年版。）这些数据，虽然各不相同，但它们有一个共同特点：都主张光行有限。
后秦天文家姜岌对有关问题的分析，更值得一提：
难云：……先望一日，日未入地，而月已出，相去三十余万里，日光地上散而直照，不应及月，而使月明光者，何也？（注：（后秦）姜岌：《浑天论答难》，见（清）孙星衍《续古文苑》卷九。）
这段话与当时的浑盖之争有关，系他人对浑天学说的问难：望日前一天，傍晚日尚未入地，而月已高悬天空，两者均位于大地之上，中间辽阔无碍，相去三十多万里，日光不能照及月亮，那么是什么使得月亮生光？这一问难的前提在于光行有限的理论，而姜岌的答辩也不否认这一前提，他的解释是：“日光直照，虽不及月”，但“水流湿，火就燥，类相从也。”日月之“类”相从，日光虽不能直射及月，但可以通过阴阳感应，作用于月，使月生光。在姜岌看来，阴阳感应无远弗届，而光的传播却是有限的。
综上所述，可知中国古代确实存在光行有限思想。天文家以此讨论宇宙结构，时人不以为怪，说明这种观点是得到普遍认可的。光行有限观念的提出，有其内在原因：一方面，古人需要用这一观念解释一些具体天文学问题，有关例子已如上所述；另一方面，它也与古人对光本性的认识有关。光既然为气，那么由光源发出的光就只能在有限范围内传播，不能设想有限量的气会传播到无限远的空间中去。光传播过程中的近则亮、远则暗现象，也会使人想到它只能在有限的范围内传播。
三、光的传播速度
光的传播是否需要时间？这也是光学发展要涉及的问题。中国古人没有超距作用观念，他们先验地认为光的传播需要时间，即光是有速度的。透过一些相关材料，我们可以窥知他们的态度。
战国时期的典籍《墨经》记载过一个小孔成像实验，《经说下》在解释该实验时提出：“光之人，煦若射，下者之人也高，高者之人也下。”中国科技大学已故的钱临照院士对此条做了精辟阐释，并特别论述了其中“射”字的含义，说：“我于此实验叙述原文得一‘射’字焉，……射之一字涵义凡三，一曰直，二曰疾，三曰自近及远。于以推墨翟之所以知光亦有三焉。一为光之直线进行，二为光有甚大之速度，三为光发自光体而及于他处。”（注：钱临照：《释墨经中光学力学诸条》，《科学史论集》，中国科学技术大学出版社，1987年版，第10页。）钱先生的论述，使我们可以把此条作为中国古代光有速度观念的一个例证。
西晋蔡谟的《与弟书》，也明确涉及光速，原文为：“军中耳目，当用鼓烽，烽可遥见，鼓可遥闻。形声相传，须臾百里。”（注：《艺文类聚》卷八十《烽燧》。）“形声相传”，说的是光和声的传播。声的传播需要时间，这尽人皆知，蔡谟将两者相提并论，显见他认为光和声一样，也是有速度的。“须臾百里”，则言其速度之大。
唐代甘子布作《光赋》，其中提到：“从盈空而不积，虽骏奔其如静。”（注：（唐）甘子布：《光赋》，见《文苑英华》卷二十。）这是说，光的传播纵然充盈太空，但并无质的堆积，光速极大但人们却不能直接感受。“骏奔”一词有双重含义，一是说光有速度，二则为光速极大。这的确很形象地说明了光的特点。
光速观念的产生，从逻辑上讲，与古人对光本性的认识有关：光既然为物质性的气，它照物的过程，就是光之气由光源到达受光处的过程。既然是过程，就需要时间，当然就有速度。古人没有将光的传播与超距作用相联系，这样，光有速度观念的产生，就是十分自然的了。但光速究竟多大，却是古人无法解决的。
四、光的传播方式
在光的传播方式方面，古人从直接观察中体会到，光是沿着直线行进的。前述《墨经》小孔成像实验，唯有用光行直线才能作解。晋朝葛洪说：“日月不能摛光于曲穴。”（注：（晋）葛洪：《抱朴子·外篇·备阙》。）又说：“震雷不能细其音以协金石之和，日月不能私其耀以就曲照之惠。”（注：（晋）葛洪：《抱朴子·外篇·广譬》。）北宋张载说：“火日外光，能直而施。”（注：（宋）张载：《正蒙·参两篇》。）这些，都是谈的光行直接。
另一方面，让学界始料未及的是，古人也有光行曲线思想。之所以如此，是因为古人的这一思想大都隐藏在其天文论述之中，物理学史界对之一般不太关注，天文学史界虽然会接触到它们，却又对其物理含义不够敏感，从而造成了这一局面。再者，古人的这一思想与现代认识相去甚远，当人们习惯于以现代科学为标准对古人学说进行取舍时，那些看上去不怎么“科学”的说法就难免要受到冷遇。但无论如何，古人确实存在这一思想的。例如，晋朝杜预在解释日环食时，即曾说过：“日月同会，月奄日，故日蚀。……日光轮存而中食者，相奄密，故日光溢出。”（注：据《后汉书》卷二十八刘昭注引。）根据古人的认识，日月等大，若日食起因于月亮对日光的遮蔽（月奄日），那么依据光行直线原理，就不可能发生环食，只能发生全食或者偏食。杜预的解释，显然意味着光可弯曲行进，“溢出”二字也表明了这一点。
杜预解释的是日食，而后秦姜岌则运用光行曲线思想解释月食：
难者又云，“日曜星月，明乃生焉，然则月望之日，夜半之时，日在地下，月在地上，其间隔地，日光何由得照月？闇虚安得常在日冲？
对曰：“日之曜也，不以幽而不至，不以行而不及，赫烈照于四极之中，而光曜焕乎宇宙之内。循天而曜星月，犹火之循炎而升，及其光曜，无不周矣，惟冲不照，名曰闇虚。举日及天体，犹满面之贲鼓矣。日之光炎，在地之上，因碍地不得直照而散，故薄天而照则远，在地之上散而直照则近。以斯言之，则日光应曜星月，有何碍哉！（注：（后秦）姜岌：《浑天论答难》，见（清）孙星衍《续古文苑》卷九。）
闇虚是古人解释月食的专用名词。在这段话中，人们向姜岌发难，说月望之时，日月被地相隔，日光怎能照到月亮？日照不及，月怎能生光？姜岌回答说，日光像火，火在一般情况下向上直升，若遇物阻挡，则热流沿物面上升。同样，在没有大地阻隔时，日光向四外直射而散，若遇地阻隔，则沿天球曲面绕过大地向日的对冲传播，唯有正对冲之处不能照及，于是形成闇虚。姜岌是浑天家，按浑天学派的观点，天是一个球体，光沿着天球的内表面传播，当然走的是典线。
到了宋代，朱熹又用光行曲线解释月中阴影，认为月中阴影是地受日光照射而在月上的投影。他说：
月体常圆无阙，但常受日光为明。初三四，是日在下照，月在西边明，人在这边望，只见在弦光。十五六，则日在地下，其光由地四边而射出，月被其光而明，月中是地影。……盖日以其光加月之魄，中间地是一块实底物事，故光照不透，而有此黑晕也。（注：见《朱子语类辑略》卷之一。）
根据古人的认识，日月远小于地，若光行直线，则日光照耀大地所形成的阴影，必然要大于地本身，所以，它不可能被缩小投影到月面上。要保持朱熹说法的成立，就必须认为日光是绕地沿曲线传播的。
中国古代光行曲线思想，到方以智时形成了明确的理论。方以智提出一个概念，叫光肥影瘦，其含义为：光在传播过程中，会绕到障碍物的后面，使得光亮区变大，阴影区缩小。这一概念与其气光波动说是一致的：光的传播方式既然与声相同，它在行进过程中，若遇物体阻挡，当然也像声一样，要向阻挡物后面绕去。他说：
物为形碍，其影易尽，声与光常溢于物之数，声不可见矣，光可见测，而测不准也。（注：（明）方以智：《物理小识》卷一·光肥影瘦之论。）
方以智说得很清楚，有形的物体，其影子容易穷尽，这是因为声音和光在传播过程中往往要侵入物体影子所占据的空间。声音是看不到的，光虽然可以看到，并被加以测量，但用建立在光行直线基础上的方法进行测量，是测不准的。
方以智的学生揭暄对方以智的光肥影瘦学说做了进一步的阐释，他说：
日之为光者，火也。火气恒散，天圆体，散之不得，则必循天而转，以合于对极。中亦抱地而转，以合于前冲，若水流包砥而后合也。余尝于日没时，观其影射气中，自西徂东，抱地若环桥，始知其影非直行，能随物曲附，不可以直线取也。……光肥影瘦固然，光小于物，光亦肥，仍不可以直线取也。（注：（明）方以智：《物理小识》卷一·光肥影瘦之论，揭暄注语。）
这段话的前半部分是对传统光行曲线理论的总结，后半部分则是对光肥影瘦概念的进一步说明。揭暄指出，光肥影瘦是普遍现象，在光源小于障碍物的情况下，该现象仍然存在。
为了验证“光肥影瘦”学说，方以智还做了小孔成像实验。他记述道：
尝以纸徵之。刺一小孔，使日穿照一石，适如其分也。手渐移而高，光渐大于石矣；刺四、五穴，就地照之，四五各为光影也；手渐移而高，光合为一，而四五穴之影，不可复得矣。光常肥而影瘦也。（注：（明）方以智：《物理小识》卷一·光肥影瘦之论，揭暄注语。）
方以智认为，光线透过小孔形成的亮区很快融合为一，证明光肥影瘦之说是正确的。实际上，造成“四五穴之影，不可复得”的原因很多，很难说是否“光肥影瘦”所致。方以智的实验是否证实了他的光肥影瘦学说，可姑且不论，但他努力用实验证实自己的理论，这种做法是值得肯定的。（注：按：戴念祖教授认为，方以智所观察到的是多孔衍射现象。该实验是最早的小孔衍射实验。此说富有新意，但亦有不确定之处。）这也表明在他的思想里，光确实是可以沿曲线传播的。
收稿日期：2001-09-26