熊萬(wàn)杰 袁鳳芳 溫景立

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系 廣東 廣州 510640)

中華傳統(tǒng)文化是中華民族幾千年文明的結(jié)晶，是歷史上各種思想文化、觀念形態(tài)的總體表征.它博大精深、源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，相關(guān)典籍浩如煙海.經(jīng)過(guò)歷史演化、沉淀，逐漸形成儒、釋、道三足鼎立的局面.而物理學(xué)是由物理學(xué)科的知識(shí)和物理學(xué)的方法與思想組成的，它提供給人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式及其相互作用的最基本認(rèn)識(shí)以及隱藏在背后的方法論.物理學(xué)與中華傳統(tǒng)文化之間并沒(méi)有一道不可逾越的鴻溝, 兩者之間既存在顯而易見(jiàn)的區(qū)別，又有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系.從中華傳統(tǒng)文化的角度去審視物理學(xué)，既有助于理解物理學(xué)的知識(shí)、方法和內(nèi)涵，又有利于繼承和創(chuàng)新傳統(tǒng)文化，復(fù)原民族的根基.本文介紹并分析中華傳統(tǒng)文化中有關(guān)物理學(xué)以及科學(xué)方法論的知識(shí).

1 知識(shí)層面

盡管傳統(tǒng)文化中未產(chǎn)生現(xiàn)代意義的科學(xué)技術(shù)，但這并不意味著中華傳統(tǒng)文化沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)科學(xué)技術(shù)[1].我國(guó)古代的物理學(xué)知識(shí)，是以人文的形式和視角呈現(xiàn)的，由于歷史原因和數(shù)學(xué)語(yǔ)言的局限性無(wú)法上升成系統(tǒng)而定量的理論.但在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，我們的祖先不僅記載了各種自然現(xiàn)象本身，同時(shí)為了解釋這些現(xiàn)象還提出了一些物理觀念，甚至進(jìn)行了必要的實(shí)驗(yàn).有關(guān)這方面的內(nèi)容極為豐富，《墨經(jīng)》、《論衡》、《考工記》、《正蒙》、《草象新書(shū)》、《夢(mèng)溪筆談》、《天工開(kāi)物》、《物理小識(shí)》等等古代典籍都有記載.這里我們僅從力、熱、電、光四方面各舉一例說(shuō)明之.

1.1 力學(xué)之共振

中華傳統(tǒng)文化中對(duì)于共振現(xiàn)象的描述最早可上溯到公元前3世紀(jì).《莊子·徐無(wú)鬼》曾記載：“為之調(diào)瑟，廢于一堂，廢于一室，鼓宮宮動(dòng)，鼓角角動(dòng)，音律同矣.”[2]此處相同的音律來(lái)源于一只瑟鼓宮(角)的頻率與另一只瑟固有的頻率相同，導(dǎo)致后者受前者的影響而振動(dòng)起來(lái)，這就是共振.而宋朝科學(xué)家沈括曾做過(guò)正聲(實(shí)際上就是共振)實(shí)驗(yàn): “今曲中有聲音，須依次用之.欲知其應(yīng)者，先調(diào)諸弦令省和，乃剪紙人加弦上，鼓其應(yīng)弦，則紙人躍，他弦則不動(dòng).聲律高下茍同，雖在他弦鼓之，應(yīng)弦意震，此之謂正聲”(見(jiàn)《夢(mèng)溪筆談》).這就是說(shuō)，為了要知道某一根弦的應(yīng)弦，可以先將各條弦的音調(diào)準(zhǔn)，然后剪紙人放在待測(cè)的弦上，一彈與之相應(yīng)的弦，紙人就會(huì)跳動(dòng)，彈其他的弦，紙人就不動(dòng).如果琴弦的音調(diào)高低都相同，即使在別的琴上彈，這張琴上的應(yīng)弦及其上的紙人同樣也會(huì)振動(dòng).

1.2 熱學(xué)之保溫方法

在物理學(xué)中，熱量傳遞的方式有三種：熱傳導(dǎo)，熱輻射和對(duì)流.為了保溫，就需要抑制熱量的傳遞，有針對(duì)性地防止熱傳導(dǎo)、熱輻射和對(duì)流.1892年，法國(guó)科學(xué)家杜瓦制成了由雙層壁構(gòu)成的容器，在壁間抽成高真空以減小氣體的傳熱，雙層壁相對(duì)的兩個(gè)表面鍍銀或拋光以降低輻射率，內(nèi)壁通向室溫部分的徑管用熱傳導(dǎo)差的材料以減少熱傳導(dǎo).這就是保溫瓶[3].

我國(guó)南宋時(shí)期的洪邁在《夷堅(jiān)甲志》中記載了有關(guān)“伊陽(yáng)古瓶”的故事：“張虞卿者問(wèn)鼎公齊賢裔孫，居西京伊陽(yáng)縣小水鎮(zhèn)，得古瓦瓶于土中，色甚黑，頗愛(ài)之.置之書(shū)室養(yǎng)花，方冬極寒，一夕忘去水，意為凍裂，明日視之，凡他物有水者皆凍，獨(dú)此瓶不然.異之，試之以湯，終日不冷.張或?yàn)榭统鼋?，置瓶于篋，傾水瀹茗，皆如新沸者.自是始知秘，惜后為醉仆觸碎.視其中，與常陶器同，但夾底厚二寸.有鬼熱火以燎，刻畫(huà)甚精.無(wú)人能識(shí)其為何物也.”這實(shí)際上就是我國(guó)最早的保溫瓶的記載.其保溫的原因是有夾底，即在兩底之間有二寸厚的空氣層，以及抑制熱的傳導(dǎo).此瓶在南宋時(shí)已經(jīng)是出土文物，連當(dāng)時(shí)的人都不知道為何物，可見(jiàn)年代頗為久遠(yuǎn).

此外，清代方以智對(duì)保溫現(xiàn)象的觀察也十分細(xì)致.他在《物理小識(shí)》中記載：“冰在暑時(shí)以厚絮裹之，雖置之不化，唯見(jiàn)風(fēng)始化.”用厚棉絮把冰包起來(lái)就可以防止熱的輻射和對(duì)流以保溫，這種方法至今還被人們所采用.

1.3 電磁學(xué)之磁屏蔽

在物理學(xué)中，把磁導(dǎo)率不同的兩種磁介質(zhì)放到磁場(chǎng)中，在它們的交界面上磁場(chǎng)要發(fā)生突變，磁感強(qiáng)度的大小和方向都要變化.如果把一個(gè)鐵鋁合金做成的罩，放在外磁場(chǎng)中，由于罩的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率大得多，絕大部分磁感線從罩殼的壁內(nèi)通過(guò)，而罩殼內(nèi)的空腔中，磁感線很少，這樣就達(dá)到了磁屏蔽的目的.示波管、顯像管中的電子聚焦部分，為了防止外磁場(chǎng)的干擾，常在它們的外部加上軟磁材料做成的磁屏蔽罩.

中華傳統(tǒng)文化對(duì)磁石吸鐵現(xiàn)象早有記載.《呂氏春秋》中記載：“慈石召鐵，或引之也.”《淮南子》中記載：“若以慈石之能連鐵也，而求其引瓦則難已.固物不可輕重論也.”而關(guān)于磁屏蔽的記載，可見(jiàn)清朝學(xué)者劉獻(xiàn)廷的著作《廣陽(yáng)雜記》：“磁石吸鐵，隔礙潛通.或問(wèn)余曰：‘磁石吸鐵，何物可以隔之？’猶子阿孺曰：‘唯鐵可以隔爾’……后見(jiàn)一書(shū)曰：‘蒜可以避磁石之引鐵.’尚未試之.”

1.4 光學(xué)之凹面鏡成像

在物理學(xué)中，球面反射鏡根據(jù)受光面的凹凸，分成凹面鏡和凸面鏡兩種.凹面鏡常用來(lái)聚光或成像，如幻燈機(jī)和放映機(jī)用它來(lái)作聚光鏡，一些反射式的望遠(yuǎn)鏡用它作物鏡.這屬于幾何光學(xué)的范疇.而我國(guó)古代典籍《墨經(jīng)》記載：“鑒低，景一小而易，一大而正，說(shuō)在中之外內(nèi).”并解釋曰：“鑒,中之內(nèi)；鑒者近中，則鑒所大，景亦大；遠(yuǎn)中，則所鑒小，景亦小，而比正.起于中緣正而長(zhǎng)其直也.中之外；鑒者近中，則鑒所大，景亦大；遠(yuǎn)中，則所鑒小，景亦小，而必易.合于中而長(zhǎng)齊直也.”意思是說(shuō)，物體通過(guò)凹面鏡可以形成兩個(gè)像，一個(gè)是縮小的倒立的像；一個(gè)是放大的正立的像.到底形成哪個(gè)像，由物體所在的位置所決定.當(dāng)物體在焦點(diǎn)以內(nèi)，即物體在焦點(diǎn)與鏡子之間時(shí)，又可以分為兩種情況：在距離焦點(diǎn)較近時(shí)，其像較大；在距離焦點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，其像較小，但都是正立虛像.從焦點(diǎn)開(kāi)始到鏡面的一段距離內(nèi)，均形成放大的正立虛像.當(dāng)物體位于焦點(diǎn)之外時(shí)，也可以分為兩種情況：物體靠近焦點(diǎn)，其像較大；物體遠(yuǎn)離焦點(diǎn)時(shí)，其像較??；但兩者都是倒立的實(shí)像.從以上分析可以看出，《墨經(jīng)》中關(guān)于凹面鏡成像的敘述，與當(dāng)代的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合.

2 方法論層面

科學(xué)方法是與自然科學(xué)共同產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，而科學(xué)方法論則是人們從對(duì)自然科學(xué)發(fā)展的歷史中反思得到的，是從對(duì)自然界的再認(rèn)識(shí)過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的[4].物理學(xué)的發(fā)展伴隨著物理學(xué)方法的不斷充實(shí)與完善.而許多物理學(xué)的方法，在中華傳統(tǒng)文化中能找到根源.以下分別從類比法、黑箱辨識(shí)法和直覺(jué)三方面展開(kāi).

2.1 類比方法

中華傳統(tǒng)文化中關(guān)于類比的描述屢見(jiàn)不鮮.如“賜也何敢望回？回也聞一以知十，賜也聞一以知二.”(見(jiàn)《論語(yǔ)·公冶長(zhǎng)》)“舉一隅不以三隅反；則不復(fù)也.”(見(jiàn)《論語(yǔ)·述而》) “引而伸之；觸類而長(zhǎng)之；天下之能事畢矣.”(見(jiàn)《周易·系辭上》)又如朱熹《朱子全書(shū)》：“舉一而三反,聞一而知十,乃學(xué)者用功之深,窮理之熟；然后能融會(huì)貫通,以至于此.”劉徽《九章算術(shù)》：“事類相推，各有攸歸，故枝條雖分而同本干者，知發(fā)其一端而已.”所謂“聞一知十”、“ 觸類旁通”、“舉一反三”、“事類相推”等，指的就是從一件事情類推而直到許多事情，或者說(shuō)掌握了關(guān)于某一事物的知識(shí)，而推知同類中其他事物，體現(xiàn)的就是類比的思想.

2.2 黑箱辨識(shí)法

人們把不能夠被直接觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)稱為黑箱.黑箱辨識(shí)法是指不打開(kāi)黑箱，而利用外部觀察和實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸入和輸出信息的分析，從信息的變化中提煉出反饋模型，進(jìn)行反饋檢驗(yàn)，不斷修正模型直到確立模型，以此得到對(duì)系統(tǒng)本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)[4].有人說(shuō)同步輻射是粒子物理學(xué)家的眼睛，對(duì)于微觀粒子，一般情況下人們無(wú)法直接觀察到它的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，只有通過(guò)外部輸入和獲得的輸出信息來(lái)作出推論.

盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型的提出就是成功地運(yùn)用了黑箱辨識(shí)法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)用高能的α粒子轟擊金箔后，絕大部分α粒子仍沿原來(lái)方向前進(jìn)；而少數(shù)粒子卻發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)；極小數(shù)粒子的偏轉(zhuǎn)角度超過(guò)了90°；有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到了180°.當(dāng)時(shí)對(duì)于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)這個(gè)“黑箱”而言，人們無(wú)法直觀地觀測(cè)到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盧瑟福根據(jù)實(shí)驗(yàn)輸出的信息，大膽預(yù)測(cè)原子中心有一個(gè)很小的“核”，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里；而帶有負(fù)電荷的許多電子繞著原子核旋轉(zhuǎn).從而較為合理地得到了對(duì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí).

中華傳統(tǒng)文化中運(yùn)用“黑箱辨識(shí)法”認(rèn)識(shí)系統(tǒng)信息的一個(gè)典型例子就是中醫(yī)學(xué)[4].面對(duì)人體內(nèi)部的各種復(fù)雜系統(tǒng)出現(xiàn)的病癥，中醫(yī)的治療不靠透視，不用切片，主要通過(guò)對(duì)病人的望、聞、問(wèn)、切來(lái)診斷.醫(yī)生收集人體系統(tǒng)的內(nèi)在疾病在脈象、氣色和舌苔等方面反映出來(lái)的外部信息，然后通過(guò)對(duì)這些信息的分析處理，就能作出判斷、開(kāi)出處方.醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)越豐富，他獲得的關(guān)于疾病的信息就越多，因而對(duì)人體這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的“黑箱”辨識(shí)能力就越強(qiáng).

2.3 直覺(jué)

直覺(jué)是一種重要的創(chuàng)造性思維方法.科學(xué)家的直覺(jué)，是面對(duì)各種可能性作出正確選擇的重要能力，是科學(xué)研究和創(chuàng)造的最可貴因素，它是大腦中一閃而過(guò)的思維亮點(diǎn)，而不是邏輯推理的結(jié)果[4].直覺(jué)的產(chǎn)生必須具有廣泛而深厚的知識(shí)基礎(chǔ)和足夠多的信息，對(duì)所要解決的問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期思考并具有強(qiáng)烈渴求解決的愿望.

物理學(xué)史上，阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力定律、倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以及愛(ài)因斯坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論，他們敏銳的直覺(jué)都幫了大忙.

阿基米德得到國(guó)王交給的任務(wù)：要他不破壞皇冠而驗(yàn)證其是否用純金制成的.阿基米德冥思苦想數(shù)日仍不得其解，感到十分為難和焦慮.有一天，他到澡堂去洗澡，當(dāng)他躺進(jìn)澡盆時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己身體越往下沉，盆里溢出的水就越多，而他則感到身體越輕.這個(gè)情景使阿基米德產(chǎn)生了直覺(jué)，突然他欣喜若狂地跳出了澡盆，直奔王宮，邊跑邊喊：“找到了！找到了！”據(jù)此發(fā)現(xiàn)了浮力定律.

1895年11月8日，倫琴在一片漆黑的實(shí)驗(yàn)室里突然發(fā)現(xiàn)有一塊亞鉑氰化鋇做成的熒光屏發(fā)出閃光，他立即意識(shí)到這可能是某種特殊的、從來(lái)沒(méi)有觀察到過(guò)的、具有特別強(qiáng)穿透力的射線，于是立刻集中全部精力進(jìn)行徹底的研究.幾十年的精心實(shí)踐培養(yǎng)出來(lái)的良好觀察和判斷能力練就了倫琴的直覺(jué)，使他在這一偶然現(xiàn)象出現(xiàn)的一瞬間就意識(shí)到這可能會(huì)導(dǎo)致一項(xiàng)了不起的發(fā)現(xiàn).機(jī)遇偏愛(ài)有準(zhǔn)備的頭腦，而直覺(jué)是有準(zhǔn)備的頭腦開(kāi)展工作的銳利武器.

愛(ài)因斯坦曾向他的朋友敘述過(guò)自己創(chuàng)立狹義相對(duì)論的情景，“我躺在床上，對(duì)那個(gè)折磨我的迷(指對(duì)同時(shí)性的絕對(duì)性的懷疑)似乎毫無(wú)解答的希望，沒(méi)有一絲光明.但黑暗里突然透出光亮，答案出現(xiàn)！于是我立即投入工作，繼續(xù)奮斗了五個(gè)星期，寫(xiě)成《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》論文，這幾個(gè)星期里，我好像處在狂態(tài)里.”[4]這里所謂“黑暗里透出的光亮”實(shí)際上就是愛(ài)因斯坦在確立狹義相對(duì)論理論基礎(chǔ)時(shí)的靈光一現(xiàn)，這種直覺(jué)根植于他對(duì)此問(wèn)題多年的思考和揣摩以及深厚的物理學(xué)功底.

物理學(xué)里直覺(jué)的思維方法類似于中華傳統(tǒng)文化中的頓悟.頓悟是佛教禪宗的一個(gè)法門(mén)，是六祖惠能提倡的“明心見(jiàn)性”法門(mén).六祖在壇經(jīng)里提出的“頓悟”概念當(dāng)指“迷聞經(jīng)累劫，悟則剎那間”、“一剎那間妄念俱滅”，可見(jiàn)頓悟指人之思維的突變或飛躍.此外，成語(yǔ)“豁然貫通” (出自宋·朱熹《大學(xué)章句》：“至于用力之久，而一旦豁然貫通焉，則眾物之表里精粗無(wú)不到，而吾心之全體大用無(wú)明矣”)、“恍然大悟”(出自宋·釋道原《景德傳燈錄》卷五：“(薛)簡(jiǎn)蒙指教；豁然大悟”)、“茅塞頓開(kāi)”(出自明·吳承恩《西游記》：“我身無(wú)力；我腹無(wú)才；得三公之教；茅塞頓開(kāi)”)的意義也和物理學(xué)中的直覺(jué)相仿.

以上從知識(shí)點(diǎn)初步展示了中華傳統(tǒng)文化中有關(guān)物理學(xué)的知識(shí)以及其與方法論的關(guān)聯(lián)，這是物理學(xué)豐富內(nèi)涵和傳統(tǒng)文化博大精深的一種體現(xiàn)，它有助于我們從傳統(tǒng)文化的維度給物理學(xué)注入新的靈魂，以新的思維方式去領(lǐng)悟、理解物理學(xué)，有助于我們從物理學(xué)的角度審視傳統(tǒng)文化，促進(jìn)人們更加全面、更加深入地理解傳統(tǒng)文化，激發(fā)民族自豪感，有助于我們糾正當(dāng)前教育中科學(xué)與人文分化的傾向，促進(jìn)科學(xué)與人文的融合.相信在科學(xué)與人文相融合的大背景下[4]，挖掘中華傳統(tǒng)文化中的有關(guān)物理學(xué)知識(shí)、方法論甚至哲學(xué)思想會(huì)越來(lái)越啟人心智，越來(lái)越引人入勝.

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