古代世界的小孔成像

陈巍

当光照射在不透明物体上就会形成影像，光和影在古代就是人们在日常生活中所能观察到的诸多自然现象，二者之间神奇变幻的奥秘则自古吸引着人们捕捉和遐思，如诗仙李白笔下既有“举杯邀明月，对影成三人”的孤独，也有“床前明月光，疑是地上霜”的乡思，而英国诗人史蒂文森的童诗《我的影子》里“小小影子跟随我左右，他的魔力超乎我想象”等句子在国外也脍炙人口。从光与影中，我们总能窥见许多奇特的现象，它们给我们的生活增添了许多色彩。在光学领域中，小孔成像原理是最基础的一类现象，它反映的是光沿直线传播这一特性。这种现象在我国先秦时期就已被发现和描述，在世界其他地方，小孔成像也先后为许多学者关注和探讨，到近代，它更是在包括幻灯、照相机技术等许多领域大显身手。在这篇文章中，我们就说说这种现象的发现和研究过程。

发现倒影

小孔成像技术是指在1个明亮的物体和屏幕之间放置1块挡板，在挡板上开凿1个小孔，在屏幕上就会形成物体倒立的1个实像。小孔成像现象的发现是早期光学研究中揭示光的直线传播性的重要证据之一。然而，对这样简单现象的认识却经历了漫长的时间。

在中国，最早发现小孔成像现象的，是先秦诸子百家中以研究自然现象著称的墨家。墨家经典《墨经》里记载了这样一段话：“景到，在午有端与景长，说在端。”这句话看起来很难懂，不过《墨经》自己就给出了解释：“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。在远近有端与于光，故景库内也。”这段话依然不好理解，所以历代学者有很多不同解释，但大多数人以为《墨经》讲的是针孔暗匣实验。所谓针孔暗匣，就是在1个封闭的小盒子上钻1个针孔，在正对针孔的盒子内壁，会出现1个倒像（就是经文所说的“景到”）。光线交叉着通过小孔，倒像的大小，与小孔和内壁及原物体距离的远近有关。针孔越小，成像就越清晰。在《墨经》的解释里，还提到光线像射出的箭一般，笔直飞快。《墨经》成书于战国中期（约公元前4世纪中叶以前），它把形成倒像的根本原因与光线直进性联系起来，这在当时世界上是领先的。

自《墨經》以后，人们又发现日常生活中许多与之相关的现象。例如南朝诗人沈约在《咏月诗》中写道：“方晖竟户入，圆影隙中来”。在这句诗里，“方晖”指的是从较大的方形门窗里照进来的月光，而“圆影”则是月光透过小孔，在屋内形成的月像。唐朝段成式则记载了“塔影倒”和“海影翻”现象。

这些自然现象引发了沈括等学者进一步思考。沈括在《梦溪笔谈》中谈到：“阳燧（即凸透镜）照物皆倒，中间有碍故也，算家谓之‘格术’。如人摇橹，臬为之碍故也。若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗隙所束，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，与阳燧一也。”在此描述中，沈括将小孔与光线透过折射形成倒像的凸透镜归为一类，形容为“碍”，把它们成像的机理形容为“格术”。风筝通过门窗缝隙形成的影像，具有与风筝飞行相反的运动方向，而楼塔通过缝隙会形成倒影。沈括把小孔成像和凸透镜成像混为一谈，显然是具有局限性的。

千烛实验

一些学者还做实验对传说加以验证。例如明朝的杨瑀在游览平江虎丘寺时，曾和僧人用纸屏观察塔的倒影。明末清初的虞兆隆在游览真如寺时，进一步清楚记录了光照方向、小孔和屏墙的相对位置。不过最系统的当属元朝晚期的赵友钦所做的“小罅光景”实验。他在《革象新书》里详细记录了这则实验的全过程和部分发现。其模拟实验主要分为两个部分，第一部分是利用日光穿过壁间小孔得到成像的实验，通过该实验基本发现了小孔成像的规律性。在另一部分里，他动用多达上千根蜡烛，验证了光沿直线传播的科学特性，并讨论了小孔、光源和影像三者之间的关系。

赵友钦在房间左右两侧各挖一“阱”，阱内设桌，桌上摆烛作为光源，阱口覆盖带孔的板，阱上方另有屏板。通过左右对照的方式，赵友钦先后改变小孔直径、光源强度、像距和物距等参数，观察它们对成像的影响，从而得出小孔形状与影的形状无关，但大孔成像与大孔形状相同，较大的小孔、较亮的光源和较小的物距及像距所成之像的亮度更高等较为全面而系统的结论。这些结论除没有归纳出相关物理概念外，对现象的描述都是正确的。

赵友钦对小孔成像展开研究，可能与观测日食有关。在他之前不久，著名天文学家郭守敬才发明过以小孔成像原理为依据，精确测量影长，进而克服传统圭表日影模糊缺点的仪器景符，以及方便观测日食的仰仪等。这些仪器的进步需要对小孔成像的规律展开精细研究。不过，赵友钦的实验虽展示了13世纪期间中国在几何光学领域达到的高度，他并没有进一步在理论上进行总结。这种重具体描述轻抽象归纳的倾向也是限制中国古代科学走向近代的重要因素。

域外影论

小孔成像现象在中国以外的其他文化里也很早就被注意到，例如古希腊大学者亚里士多德在其《论问题》中，注意到太阳穿过方形小孔时，形成圆形而非直边的形状，以及日食时透过筛眼、梧桐树叶、手指缝洒向地面的光线呈新月形，但亚里士多德套用从一点发出的视线以圆锥状向外扩散，但直边分割的部分视线较微弱，不会对圆锥横截面产生影响这样的理念冗赘且生硬地加以解释。

尽管亚里士多德的解释是错误的，但他赖以利用的几何思想却在后世影响深远，在中世纪阿拉伯文化中，一些学者在深入讨论光的反射和折射现象时，把刻度尺和量角器等工具组合到观测仪器中来，从而让光学研究走向定量化。其中杰出代表就是生活在10—11世纪之交的伊本·海什木，他因提出多项关于光线性质的准确观点而被誉为“世界光学之父”。例如他认为光具有一定传播速度，因为把遮光帘拿掉后，光照亮对面墙壁需要一定时间。这在古代当然很难验证，但不能不说是一项具有前瞻性的见解。对于小孔成像，海什木也是以日食时穿过圆孔的像呈月牙状进行说明的。他进一步提出了“暗室”的概念，也就是一个仅从门缝或墙上凿的孔透过光线的黑暗房子，正对着门缝或孔，点燃若干蜡烛，观察者可在室内指示室外的助手改变蜡烛的数量或位置，观察室内成像的情况。

随着阿拉伯科学著作向欧洲传播，伊本·海什木以他的拉丁化名字阿尔哈曾广为人知。许多欧洲人再次学习使用小孔成像原理观察日食，甚至用通过小孔在屏幕上所成精确倒影辅助绘画，达·芬奇就描述过这种技巧。以关注细节著称的荷兰画家维米尔则被猜测使用了原始的小孔相机，而“相机暗室”这个词是在1604年由开普勒率先提出的，那时的暗室依然是一个真正的房间。接下来几个世纪，暗室或小孔成像向更便携的方向发展，最终在19世纪上半叶，随着银盐等曝光材料的发明，照相机终于诞生了。

我们看到，在宋元时期，中国学者对小孔成像的解释及所做实验仍较阿拉伯人和欧洲人更加精确。后来的中国人虽常用这个原理观测星象，却很少用于辅助绘画等日常生活中更常见的领域，而只是满足于观察塔的倒影等奇异现象。在艺术创作中广泛应用，加上新材料的出现，最终推动相机在欧洲发展。这一中国从领先到落后的过程，时至今日值得我们继续思考。