打开光学之门

雷辉志

阳光、月光、星光、火光……从古到今，在人类的生活中，光几乎是无所不在的。因此，人类对于光的认识也相当悠久，特别是中国古代的光学成就，远远走在了世界其他国家的前列。

从钻木取火到金属凹镜

早在距今约56万年前的远古时代，我们的祖先——北京周口店人就懂得了利用野火照明、防身和御寒。当时，周口店一带气候温暖，动物繁多，熊、狼、虎、豹等野兽严重地威胁着周口店人的生命，于是他们便用“如神照明”的火光来驱赶野兽。

三万年前，人们利用光能的本领有了新的提高。相传有个叫燧人氏的，在石灰岩中发现了一种硬度很高的石头，具有显著的贝壳状断口，裂片很尖锐，用铁器敲击时，能发出火星。于是他用这种石头在一种叫钻木的木头上摩擦，便溅起了火星，随之燃起了火苗。

这是人类历史上第一次用人工取火，是破天荒的伟大发明。从那时起，人们摆脱了黑暗降临时的阴森与恐怖，走上了文明的道路。而且，有了火，人们就随时可以吃到烧熟的东西，而且食物的品种也增加了。原来像鱼、鳖、蚌、蛤一类东西，生的有腥臊味不好吃，有了取火办法，就可以烧熟来吃了。

三千多年前，我们的祖先在利用光能的道路上又迈进了一步。他们把锢与锡各半的金属原料高温熔化，铸成一面圆形小镜——阳燧，并经过加工制成一个十分光滑的凹球面，将太阳射来的光线反射并聚成一个焦点。

燃烧时，把阳燧的凹平面平行地对准太阳光线，形成一个准确的聚光点，再将一种草木艾晒干揉成线，放在焦点处，一会儿就燃着了。对此，《淮南子·天文训》记载：“故阳燧见日，则燃而为火。”《古今注·杂注》：“阳燧，以钢为之，形如镜。照物则影倒，向日则生火，以艾炷之则得火。”而西方国家直到公元1300年才有金属制的凹镜，远远落后于我国1600多年。

墨子与世界首个小孔成像实验

2400～2500年前的战国时期，杰出的科学家墨子（墨翟）和他的学生观察发现，光从一面墙壁中间的孔或缝穿过后，对面的墙壁或地上就会显示出一个小小的画面。

他们由此想到了光的传播问题，并做了世界上第一个小孔成像实验：夜间，在较弱的灯光下，在一个四面不十分透光的小盒里，在盒壁上开一个小孔，在一定的距离内，拿一个由细到粗的物体对着小孔，盒壁相对于物体的位置上会出现一个令人惊奇的倒立的物体像。

墨翟对这种现象作了科学的解释：光穿过小孔时，是光的直线传播，在没有什么东西挡住它的去路时，物体较粗部分遮住了上面的光，成影在下边；当物体较细部分遮住了下面的光，成影在上边，就形成了一个倒立的影像。

墨翟利用光的这一特性，深入细致地研究了物体影子形成的原因：在一个漆黑的夜里，如果把一盏燃亮的灯放到桌子上，在距离灯约一米远的墙上，钉上一张白纸，将手指放在灯与纸之间，灯光射到手指上透不过光线，纸上会出现一物体的黑色影子。当手指移动时，影子就会随之变大或变小。当物体移动时，前一瞬间被遮住出现影子的地方，由于被光照射，影子便消失了。

这些论点，都记述在《墨经》里。这部中国最早最完整的光学著作，比西方最早的光学著作——欧几里得的《光学》早了100多年。

世界最早的潜望镜

2100多年前，古代中国人利用平镜反射的原理，制成了世界最早的潜望镜。汉初的科学论著《淮南万毕术》中，就有“取大镜高悬，置水盆下，则见四邻点”的记载。

当时，人们把潜望镜用于军事，扩大了观察范围，提高了视线能力。在刀、枪、棍、棒及徒手进行的战斗中，人们需要掌握远距离的情况，可是却没有什么好的办法。后来，人们发现，借助光学凸镜可以看到距离较远的物体，于是便在城墙上高高地悬起一面镜子，窥探城池外对方军队的行动情况，从而获取战斗情报——这创造了科学技术运用于战争的先例。

赵友钦与小孔成像亮度

到了元代，科学家赵友钦进一步研究了日光通过墙上孔隙所形成的像和孔隙之间的相互关系。他做了一个实验，在硬纸片上扎一个椭圆形的小孔让日光通过，所得到的像是一个椭圆形。他发现：当物体上透光的小孔相当小时，无论小孔是什么样的形状，而像屏上所成的像总是物体的倒立像；当物体上透光的孔相当大时，无论孔是什么样的形状，像屏上所得到的像总是物体的正立像。

同时，他还发现：如果把像屏渐渐移近小孔，所得到的像也慢慢变小，而像的亮度却在增加。反之，投影所成的像变大，而亮度却减弱。

这一发现，在当时世界上绝无仅有。在西方，直到400多年后，德国科学家来博托才得出“照度与距离平方成反比”的定律。此外，赵友钦从客观实验出发，采用大规模的实验方法探索自然规律的科学实践，在世界物理科学史上也是首创的，比意大利著名物理学家伽利略早了两个世纪。

发现光的色散

1500多年前，唐代的孔颖达经过多年的雨后观察，发现长空万里时，偶尔会出现多种色彩的长虹。他认为这是一种“若云薄漏日，日照雨滴则虹生”的自然现象，而不是什么天空中仙女歌舞而挥动的彩带的闪光，从而解开了千百年的彩虹之迷。

大约1000年前左右，古代中国人在自然界发现了—种天然的透明晶体。这种物体在日光的照射下，会闪现出色彩的宽带，颜色鲜艳美丽，因而被称之为“宝贝”或“放光石”。

此后，人们在实践中认识到，光通过透明物质时，与透明物体起相互作用而被分解成频率不同的波，沿不同的方向透射出去，多次内反射后形成了不同颜色的光，其中，红光折射率最小，紫光折射率最大。

当时，人们已经认识到，透明物体“就日照之，成五色如虹霓”，并把日光照射透明晶体所产生的色散现象和虹霓现象联系起来分析——这是世界上对光的色散现象的最早认识，比牛顿通过三棱镜把日光分解成七色光从而发现光是由七色光混合而成的认识，还早了700年。

从钻木取火到金属凹镜，从小孔成像到光的色散……漫长的时光中，古代中国人用智慧打开了光学之门，向人类展示了绚丽多彩的光学世界。（编辑/余风）