世界古代后期科技史-第32章
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的力其效果也不一样。这些论述比前人更进了一步，基本上与近代力学原理
相符。
关于物体运动快慢的原理在《论衡》中也有论述，书中指出：在一定外
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力作用下，重量小的物体运动起来容易；重量大的则困难。书中还有了“速
度”这一概念的萌芽，指出一切物体运动的快慢可用相类似的机械运动来比
拟进行量度，这是一个很重要的创见。另外，书中还表现出了关于功这一概
念的萌芽思想，书中明确提出在考核功的大小时，除用力的多少外，还要确
定运动路程的长短。
流体运动现象是日常生活、生产中常见的现象，人们很早就对它进行了
研究。春秋战国时期，墨家对水中物体的浮沉现象进行了考察和研究，指出：
一定量的物体如果形体很大，那么它在水中下沉的部分则浅，因为它与平衡
有关。并且已懂得物体排开的水与物体本身有一定的关系，并试图作定量的
描述。这无疑是浮力原理的记述。这比古希腊的阿基米德的发现早了两个世
纪。这一原理随即被应用于造车和造箭的生产工艺中，到秦汉魏晋南北朝时
期，这一原理被更为广泛地采用。著名的曹冲称象故事，讲的就是这一原理，
即船上装上石块与船上装大象沉到同一位置，表明它们排开水的重量相同，
也就是两次所受到的浮力相同，这就表明大象与石块必然等重。
在流体压力方面，中国古代早就利用大气压力来制造虹吸管和唧筒。东
汉末年就出现了一种用于灌溉的虹吸管（当时称为“渴鸟”）。以后，虹吸
现象在生产和生活中应用更为普遍，医学上的拔火罐疗法也是利用这一现
象。关于大气压力的探讨，南北朝时成书的《关尹子·九药》中有这样的记
载：“瓶存二窃，以水实之，倒泻；闭一则水不下。盖不升则不降也。”意
思是：把水灌满有两个孔的瓶子，然后倾倒，如果闭住一个孔，则水就倒不
出来，这是因为有两个孔，倾倒时一个小孔可同时进气，便倒出水来；如塞
住一个孔，那么就因另一个孔外面的气压比瓶中的压力大，水也就流不出来。
这反映了当时人们对大气压已有相当的认识。魏晋之际的虞茸在 《穹天论》
中论述宇宙结构时，说天有如一个倒扣在水面上，用来盛放梳妆用品的木奁，
其所以不会下沉，因其中充满了“气”，明确地肯定了大气压力的存在。
（3）声学知识
东汉学者王充曾用水波来解释声音在空气中的传播。他在《论衡》一书
中写道：“生人所以言语吁呼者，包括口喉之中，动摇其舌，张歙其口，故
能成言”即指出了人之所以能发声，是由于人口的张合，口舌鼓动空气而发
音。并认为，人使空气振动成声，声音通过空气传播，同鱼使水振动成水波
通过水传播一样，离开振源过远，就听不到声音了。王充关于声音犹如水波
的物理学思想，是世界上对声波的最早认识。
人们在认识波的同时，已知声音的高低是与物体的振动分不开的，认识
到钟的厚薄不同声音的清浊不一，弦线的长短、密度、张力不同，则音调也
各异。王充在《论衡》中还提出了“天且雨……琴弦缓”，即天要下雨，空
气潮湿，琴弦会松缓下来，张力变小，频率也发生变化的观点。除此之外，
秦汉时人们早已学会了鉴别音色，对响度和音品都有一定的认识，还知道了
因振动所引起的共振和共鸣现象。其实共振和共鸣现象在战国时代的 《庄
子·杂篇》中已有记载，并用音律相同去解释。但真正具体深刻解释这一现
象理论还是在西汉。董仲舒（公元前179—104年）在《春秋繁露·同类相动》
中的解释最具代表性。他明确指出，凡是物体自鸣，都是有其原因的，就是
声音相应，强音则使物体自鸣。利用共振原理，汉代人制成了称之为洗的铜
器。它的形状与洗脸盆相似，底部浅且平，盆边有两耳，边缘较宽大，盆底
铸有两条龙或鱼，俗称龙洗或鱼洗。其喷水原理涉及到固体振动在水中的传
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播、共振现象和干涉效应。如用两手有节奏地摩擦盆边上的两耳，就会使盆
内的水产生复杂的波纹，好似鱼或想象中的龙在盆底运动翻起浪花。如摩搓
得好，还可使水喷到空中3尺多高。这种器皿的问世，显示了当时人们已掌
握了声学的共振和干涉效应的知识。晋代学者张华（公元232—300年）在《博
物志》一书中就利用共振原理去解释洛钟和铜盆的自鸣现象，并第一次提出
了清除共鸣的科学方法：使物体的重量减轻。这说明张华已知共鸣的原因在
于音调相应，以及音调和振动体形状均与轻重有关。此外，在秦汉魏晋南北
朝时期，声音效应已被广泛用于战争，利用共鸣测知对方的行动和方位；在
建筑中则利用共鸣、反射等来建造琴室、庙宇、宫殿等特殊需要的建筑。
从数学的角度对乐器上的乐音进行研究，是中国古代物理学的重要组成
部分。大约在公元前11世纪，对音律的研究已形成初步的理论系统，到春秋
战国时期，出现了一种“三分损益法”的乐律计算方法。运用这个方法完成
一个音阶中各个律的计算以后，使比基音高或低8度的音只能约略地比基音
高或低一倍，与真正的准确值一倍还有一定的差距，即高一个“古代音差”。
这样就不能组成一个完整的8度，这无疑是美中不足之处。为消除这一差数，
秦汉魏晋南北朝时期，涌现了大量对此进行探索的乐律学家，尤以西汉的京
房（公元前77—前37年）、南北朝时的何承天（370—447年）、钱乐之（5
世纪）和沈重（6世纪）的贡献更为突出。京房所采取的办法是把高出的差
数插入黄钟与大吕（十二律中的两个）之间，并重新用清黄钟这个音为起点，
仍用三分损益法顺次求出其他各音，同时，把这些音插入到相当的位置中去。
从而把一个音阶中的律数增到50个 （实为60个）。钱乐之和沈重也是按此
方法，将律数增到360个。但总体来说，他们这种作法只不过是缩小这个差
数，而不能消除这个差数。而且他们将律增加过多，不仅无法演奏，而且也
难以制出这种乐器。何承天把按三分损益法计算结果造成的律管长度上的差
数均分为十二份，然后累加到基音以后的各律上去，从而使基音和高8度的
音在长度上恰好成倍比。但由于是按律管长度来平均分配差数，而不是按频
率（或音分）来分，从而使各律间音程混乱，转调更困难。但这个大胆的创
新，打破了5度相生的陈规，提出了乐律研究的新方向——等程研究，为十
二平均律的出现指明了道路。值得一提的是晋代的荀勖在乐律学方面曾作出
过重要的贡献。据《晋书》卷19记载，晋泰始十年（公元274年），荀勖制
成了12支笛；其12支笛应十二律，其校正数就是一个律管的长度和另一较
高四律的律管长度之差数。“荀勖笛”不仅是乐器，也是判别音高的声学仪
器。这种十二笛及管口校正的产生和应用，是中国古代声学史上的一项重大
成果。比欧洲早了15个世纪。
（4）热学知识
到秦汉魏晋南北朝时期，人们通过长期的生活与生产实践，已积累了一
定的热学知识。并在日常生活中、书籍中有所运用与记载。
从汉代开始，中国古代的人们逐渐发现并初步利用了煤、石油、天然气
等高温燃料。这使高温治炼又前进了一大步。到东汉杜诗又发明了鼓风机械
——水排，将炉温又提高了一层。那时，人们掌握火候的技术可以说已达到
登峰造极的地步。各种出土的名剑，精制瓷器、炉窑遗址等实物，便可向世
人展示这一切。但这时，人们仍是靠经验看冶炉的火色来判断火候，而温度
的调节则简单由鼓风的急慢来控制。对所制器物硬度的控制，人们已开始利
用不同的淬火技术，一般习惯均用特定的水来淬火，而北齐綦母师文在炼制
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宿铁刀时却用动物油和动物尿两次淬火，这说明他已有很高的技术和丰富的
经验，对开始淬火的温度、淬火后取出的时机把握得恰到好处。这些都是热
学控温技术的一大进步。
热能的利用与农业生产紧密相关。据《汉书·召倍臣传》记载，在西汉
末年已有正式的温室生产。其实秦始皇曾派人在骊山之南建造大棚，用以在
冬天载培蔬菜，因技术不过关而没能成功。西汉时所用的方法是“覆以屋庑，
①
昼夜燃蕴火，待温气乃生。”北魏时已出现了用熏烟的方法来防止霜冻的技
术以及对霜冻的预报等。著名科学家贾思勰在《齐民要术》中写道：“凡五
果花盛时，遭霜则无子，常预于园中往往贮恶草生蔡，天雨新晴，北风冻切，
是夜必霜。此时放火作煜，少得烟气，则免于霜矣。”古代的中国人利用热
能防止自然灾害的作法，充分显示出了他们的聪明才智和对热学知识的深入
了解。
炼丹术是从春秋战国到唐代久盛不衰的一门学问，它虽然与仙、道等迷
信现象紧密相关，但其中也有不少物理方面的知识。西汉炼丹家魏伯阳在《周
易参同契》一书中对水银的挥发现象作了记载，他指出：由于水银与硫磺能
化合成黑色的硫化汞，加热能升华成红色硫化汞（俗称丹砂）。因此，用硫
磺便可不让水银蒸发。他还指出，即使在猛火中，黄金也不易氧化，不失重，
不变形。晋朝葛洪（公元281—341年）在《抱朴子》一书中记载了包括煅（长
时间高温加热法）、炼（干燥物质加热法）、灸（局部烘烤法）、熔（熔化
法）、抽 （蒸馏法）、飞（升华法）、伏（加热使药物变性法）等多种火法
炼丹法。但其中也记录了蒸发和凝结、热分解和升华等方面的物理知识。书
中还指出了掌握火候对炼丹的影响，以及恒温方面的知识，形成了中国古代
物理知识记录的又一种形式。
此外，王充的《论衡》在中国物理学发展史上有一定的地位。它在书中
对热传导的见解是：热的传导是气的作用，靠火近则感到温暖是因为距离短，
气的作用大；而当离火越来越远时，气的作用就不断减小，热的传导也就不
断减弱。这一见解给出了热的传导与距离成反比的科学结论。他不但科学地
解释了雨、露、云雾、霜、雪的形成，而且对蒸发、降雨、凝结与温度的关
系有了初步论述。他在书中指出：“雨之出山，或谓云载而行，云散水坠，
名为雨矣。失云则雨，雨则云矣，初出为云，云繁为雨，……云雾，雨之行
也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪。雨露冻凝者，皆由地发，
① ①
不从天降也” ，“寒不累时则霜不降，温不兼日则冰不释” 。这说明王充
把云、雾、雨、露、霜、雪看作是本质上相同的东西，只是在不同的温度和
不同的条件下，才表现出不同的形式。这表明他对热现象和热能的变化有了
精细的观察和比较深入的研究。
南北朝时期，中国早已有了储存天然冰的窖场，用来冷藏食物，并且十
分普遍。虽然早在商周时已有这样的冰窖，但其社会化程度远不如这一时期。
热的本性一直引起人们的关注和探讨。古代中国的五行说，把火看成是
构成宇宙万物的物质元素中的一种。南北朝时成书的 《关尹子》指出：热是
一种可自由出入物体本身的“外物”，当瓦与高温的火接触时，就有热进入
① 《汉书·召信臣传》。
① 见《论衡·说日篇》。
① 见《论衡·感虚篇》。
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瓦石，所以瓦石会热起来；而当瓦石接触冷水时，就有热以瓦石传出，所以
瓦石会变冷。而北齐的刘昼更以“热质说”的口吻指出：热是藏在树木之内
的一种物质，钻木的时候就会跑出来，从而产生火。这些应算是热学发展史
上较早的关于热的本质的一种假说。
秦汉时代，已经出现利用热室气因轻而上升的原理的记载。淮南王刘安
编著的《淮南子》中记载：“取鸡子，去其汁，然艾火纳空卵中，疾风因举
之天。”虽然这种东西根本飞不起来，但表明了时人已知道用艾火生产热能
而使重物上升的道理，开始了制造热气球的设想。后来，蜀国丞相、著名的
政治家、军事家诸葛亮利用热空气的浮升原理而发明了“孔明灯”，这应该
是热气信号灯的前身。同时，出现了利用燃烧加热空气去推动纸轮旋转的燃
气灯与走马灯等器物。这表明，人们已认识到，空气热升冷降而成对流，并
使轴转动这一原理。这些器物的制作原理与现代涡轮喷气发动机的燃气轮原
理相似。可以说，中国的走马灯应算是近代燃气轮的始祖。而直到公元1550
年，欧洲才出现燃气轮的雏形。
（5）司南的发明
中国春秋时期就注意到了磁现象的存在，当时，《管子·地数》一书中
记载了天然磁石的吸铁现象。在使用磁石的过程中，人们发现了磁石具有指
极性，根据这一特性，制成了可能指示南北方向的工具——司南。最早的可
靠记载是战国末期的法家著作《韩非子》一书。在《有度篇》中有“先王立
司南以端朝夕”，意思就是用司南这种东西测定方向。在《韩非子·有度篇》
中详细地描述了司南形状东汉王充的《论衡·是应》中也有司南勺的记载：
“司南之杓（勺），投之于地（放置司南勺的盘子），其柢（d·，勺柄）指
南。”河南南阳东汉墓出土的石刻上有司南的图画。由此可知司南是用天然
磁石制成的，样子像勺，圆底，可以在平滑的刻有方位的底盘上自由旋转，
勺柄就指向南方。但因司南由天然磁石磨制而成，磁性较弱，在制作过程中，
由于受震而会失去磁性，加之磁勺与底盘接触处转动摩擦的阻力较大，所以
还难以达到理想的指南效果。尽管如此，司南还是被广泛用于建筑、航海、
祭祀等活中，起到了指南针的作用。并为指南针的发明奠定了基础。随着航
海事业的发展，人们更为迫切地需要研制更为有效的指向仪器。为此进行了
不懈地努力，战国末期的《吕氏春秋》一书中所讲的“慈（磁）石召铁”，
又向前大大跨进了一步。春秋以后由于铁器的广泛使用，进而又发现了磁石
吸铁的特性，从而有可能出现人工磁化的铁。这是继磁石指极性后物
