物理学是研究物质基本结构和运动规律的科学,它是人类长期的生产实践和观察探讨的产物。到春秋战国时期,中国古代的先民已经积累下丰富的经验性物理知识,内容涉及力、热、声、光、磁、运动、时空、物质结构等诸多方面。
■力学
力学知识与人类生产生活的联系密切,是最古老的学科之一。春秋战国时期,中国古代力学开始形成,表现出两种发展趋势。其一是以《考工记》为代表的实用力学知识的积累。本书可能成书于春秋末期,是现存的关于中国国古代手工业技术规范的书籍。书中记述许多手工业的工艺制作与设施,以及大量工程技术知识。其中包含的力学知识主要有关于惯性、滚动摩擦、物体的浮沉、箭的结构与飞行关系的记载,还记述有力的测量、斜面受力分析、材料和施工的某些软科学知识。
其二是以《墨经》为代表的理性力学的萌芽。《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粗浅的概括,进行简单的推理论证。比如时空观念、运动学知识、力的概念、力系平衡的论述以及简单机械原理等。
随着力学知识的进步,利用力学原理制造的简单机械和工具逐渐得到普遍应用,以提高劳动效率。杠杆是中国出现最早和应用最广的简单机械。传说神农氏“斫木为耜,揉木为耒”,耒耜的使用便是杠杆知识的应用。春秋战国时期常用的杠杆工具是汲水用的桔槔和作为衡器的天平或者杆秤。
桔槔的形制是在井旁或渠边的高柱上,横支长木,长木前端用长绳悬下空桶,后端捆绑重物。将前端绳索往下拉,水桶即可打水,再把手松开,由于后重前轻,水便被提上来。这样就比完全靠人力提水容易得多。
衡器是称量物体重量的器具,传说帝舜时代就已发明。衡器有等臂秤(天平)和不等臂秤两种,它所依据的原理是两边力矩相等而达平衡的杠杆原理。《墨经》127条说:“(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。”这是墨家探讨杠杆平衡关系的实验总结,比古希腊的阿基米德发现杠杆定律要早200多年,只是没有阿基米德杠杆定理那样完整和定量化。据《墨经》128条记载,当时“斜面”(其变相的形式为轮轴和辘轳)也都得到广泛的应用。《墨经》111条有句谜语式的话:“举之则轻,废之则重,非有力也。”这正是对杠杆、斜面等简单机械省力效应的形象表述。
■光学
春秋战国时期,中国对光的直线传播、发射和直射等规律的认识已经较为全面,这集中反映在《墨经》的光学条文中。
公元前4世纪,墨家就做过世界上最早的“针孔成像”实验。
墨家还利用光的直线传播性质来讨论光源、物体、投影三者的关系。《墨经》118条说:“景不徙,说在改为”;“光至,景亡;若在,尽古息”。这说明影是不动的,人们通常看到影的移动,是因为光源或物体发生移动,使原影不断消逝,新影不断生成的缘故。名家也提出“飞鸟之景未尝动也”的观点,这是科学的见解。
《墨经》认为光线遇到镜面就会发生反射现象,它对平面镜和球面镜(凹面镜、凸面镜)的成像规律有深入的研究。《墨经》123条记载有平面镜成像的实验和光学解释,例如“鉴者,景当俱就”。《墨经》124条讲的是凹面镜成像的规律,结论基本是正确的。关于凸面镜成像,墨家也进行过实验。《墨经》125条:“鉴团,景一”;“鉴:鉴者近,则所鉴大,景亦大;(其)远,所鉴小,景亦小。而必正。景过正,故招”。就是说,物体被凸面镜反射会产生缩小正立的虚像。物体离镜面越近,像就越大。如果物体过远,像就会变得模糊。
《墨经》关于几何光学问题的实验和论述是系统和完整的,这些出色的研究和近代光学理论基本是相符的,墨家的光学成果是世界光学史上的宝贵遗产。
■声学
春秋战国时期,人们已经从生活和生产实践中较清楚认识到振动与发声的关系,以及各种物质材料和形态的物体所发声音的响度与音色的差异。
据文献记载和考古的发现,周朝以前已有各种管、弦和打击乐器,而且探讨出科学的乐律。中国古代乐律说具有丰富的物理声学内容,它的产生和发展是物理声学史向前进步的重要体现。
前面说过,西周到春秋战国,五声音阶、七声音阶和十二律的体系已经初步出现,定“律”的方法为“三分损益法”。中国古代五声音阶宫、商、角、徵、羽,相当于现代音乐的C、D、E、G、A五个音阶。
具体方法是:以黄钟的宫音弦长为(1×3)4=9×9=81,则
徵音弦长=81×(1 1/3)=108
商音弦长=108×(1-1/3)=72
羽音弦长=72×(1 1/3)=96
角音弦长=96×(1-1/3)=64
如果以徵音为1,则各音的频率比:
徵:羽:宫:商:角=1:9/8:4/3:3/2:27/16
按宫徵商羽角排序时,相邻二音间的音程是3/2和3/4,成简单的整数比,就是说当时对弦长与频率间的关系已有比较深刻的认识。由于只有5个音对于演奏是不够的,后来又增加两个变音即变宫、变徵和其他半音,使1个八度(倍频程)内共有12个音,构成所谓的“十二律”。
除乐律以外,春秋战国时期还知道某些共振方面的知识。《墨子》曾提到用空瓮倒扣在地下来探听敌人的军事行动和确定敌人挖地道的方位。《庄子·徐无鬼》也有共鸣现象的记载:“鼓宫则宫鸣,鼓角则角应,音律同矣。”这可以说是世界上最早关于共鸣现象的认识。