黃東陽

論墨子對物理學的貢獻

黃東陽

(西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌712100)

墨子是中國歷史上著名的思想家、教育家和軍事家，同時，他也是中國歷史上最早的物理學家之一。墨子在時空觀、宇宙學、力學、聲學、光學以及將物理應(yīng)用到機械方面都有跨越性的進步和巨大的學術(shù)成就。以往對墨子的研究主要集中在哲學、人文、政治與軍事等方面，但是他對物理學所做出的巨大貢獻也不應(yīng)該被忽視。墨子身處春秋戰(zhàn)國時期，他對物理學的很多貢獻都在軍事上有所體現(xiàn)并且產(chǎn)生了巨大影響。

墨子；物理學；機械設(shè)計

墨子，名翟，戰(zhàn)國初年魯國人[1]，是中國歷史上著名的思想家、教育家和軍事家，同時，他也是中國歷史上最早的物理學家之一。墨子對科學尤其是物理學方面的研究，在當時處于世界領(lǐng)先水平。他在時空觀、宇宙學、力學、聲學、光學以及將物理應(yīng)用到機械設(shè)計制造方面都有跨越性的進步和巨大的學術(shù)成就，并且在很多科學問題上領(lǐng)先西方幾百年。墨子的思想和成就主要記錄在戰(zhàn)國時期墨家著作的總集《墨子》中，而他的物理學成就主要記錄在《墨經(jīng)》中?！赌?jīng)》是《墨子》的一部分，有《經(jīng)上》、《經(jīng)下》、《經(jīng)說上》和《經(jīng)說下》四篇，共179條[2]。從《墨經(jīng)》中我們可以看出墨子對物理學的巨大貢獻。

1 時空觀

墨子對時間和空間有著深刻的認識和精確的描述。《經(jīng)上》中有“久，彌異時也?！薄督?jīng)說上》有“久：古今旦莫?！盵3]《經(jīng)上》中的這句話的意思是：時間，涵蓋不同的各個時段?！督?jīng)說上》中的這句話的意思是：時間，包括古今也包括日夜。從這兩句話可以看出，墨子認識到了時間這個概念的含義，并給其下了一個定義，即“彌異時也”?！督?jīng)上》中又有“宇，彌異所也?！薄督?jīng)說上》又有“宇：東西家南北?！盵3]《經(jīng)上》中的這句話的意思是：空間，涵蓋不同的各個地點?！督?jīng)說上》中的這句話可以理解為先以“家”為原點建立坐標系，然后有了相對的東、西、南、北四個方向，而這句話的意思就是“空間，包括東、西、中、南、北?！睆倪@兩句話可以看出，墨子也認識到了空間這個概念的含義，并給其下了一個定義，即“彌異所也”。從這四句話可以發(fā)現(xiàn)，墨子的時空觀已經(jīng)不僅僅是常人那種感性上的直觀感受，而更偏向于理性上的分析與描述，并且他的這種時空觀與我們今天所持的時空觀是相一致的。“墨子的時空觀是思想深刻、內(nèi)容豐富、耐人尋味的,即使在當代仍然具有巨大的科學價值與廣泛持久的哲學意義?！盵4]

2 力學

2.1 力的定義

在《經(jīng)上》中，墨子給出了力的定義：“力，刑之所以奮也。”《經(jīng)說上》中說：“力：重之謂，下與重，奮也?！盵3]《經(jīng)上》中這句話的意思是：力，是物體加速的原因。其中，“奮”字應(yīng)理解為從靜到動或從慢到快。《經(jīng)說上》中這句話的意思是：重量，可以稱作力，從下向上舉起重物就稱作奮。從《經(jīng)上》中的這句話可以看出，墨子以分析物體加速的原因為例說明了力是什么，但他并沒有明確地把力和加速度聯(lián)系在一起。不過，他從物體狀態(tài)改變中尋找力的原因，實際上包含了加速度概念。

墨子的這一論述意義是極其深刻的。他這樣理解力也更符合實際。這與西方科學界在伽利略以后的觀點相一致，但是墨子提出這個觀點的時間要比伽利略早大約2000年。

2.2 杠桿原理

在《經(jīng)下》中還有關(guān)于杠桿原理的描述?！督?jīng)下》中有：“貞而不撓，說在勝?！盵3]意思是：擔負重物而不曲折傾斜，原因在于能禁得起重力。《經(jīng)說下》中有更為詳細的描述：“衡木加重焉而不撓，極勝重也。右校交繩，無加焉而撓，極不勝重也。衡加重于其一旁必捶，權(quán)重相若也。相衡則本短標長，兩加焉重相若，則標必下，標得權(quán)也。”[3]這段話的意思是：秤桿鉤住重物而不傾斜，是因為秤繩處禁得起重力。如果把秤繩往秤砣一邊移動一些，不再另加重物也會傾斜，因為秤繩處禁不起這重力。秤桿平衡時在任何一邊加重都會引起傾斜，因為秤砣和重物的重量原來是成比例的。秤桿平衡時，重物一邊的秤桿短而秤砣一邊的長，兩邊同時加上同樣的重量，則秤砣一邊必要下垂，因為這邊是秤砣。這段話詳細描述了杠桿平衡與物體重量和力臂長短之間的定性關(guān)系。這段話表明了同樣重量的物體加在較長的力臂上比加在較短的力臂上對杠桿傾斜的方向影響更大，更描述了較輕物體加在力臂較長一端而較重物體加在力臂較短一端可以使杠桿平衡，這基本上是大約200年后古希臘的阿基米德提出的杠桿原理的定性表述。

2.3 動與止的定義

在《經(jīng)上》中，墨子給出了運動的定義：“動，或從也?！薄督?jīng)說上》中說：“動：偏祭從者，戶樞免瑟?！盵3]《經(jīng)上》中這句話的意思是：運動，是地域上發(fā)生了遷徙?！督?jīng)說上》中對《經(jīng)上》中對運動的定義中的特殊情況進行了詳細的解釋：一邊發(fā)生移動的，比如說門的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動來開關(guān)門?！督?jīng)上》中的這句話說明了運動實際上是物體所在坐標的變化?！督?jīng)說上》中的這句話描述了一種轉(zhuǎn)動的運動規(guī)律：物體上一點的坐標不變，其他各點以定點為中心做圓周運動。緊接著在《經(jīng)上》中墨子又給出了靜止的定義：“止，以久也。”《經(jīng)說上》中又有：“止，無久之不止，當牛非馬，若矢過楹。有久而不止，當馬非馬，若人過梁?！盵3]《經(jīng)上》中這句話的意思是：靜止，是一段時間內(nèi)處于某處?！督?jīng)說上》中的這句話是說：說沒有時間不能談靜止，就像說牛不是馬，是正確的。說一段時間內(nèi)處于某處而不靜止，就像說馬不是馬，錯誤很明顯。這兩句話給出了一個靜止的定義，即某一段時間內(nèi)處于某個位置?？梢钥闯?，在這里給出的動與止的定義并不復(fù)雜，而是簡潔明了并指出了它們的本質(zhì)，這種嚴謹?shù)亩x在當時那個時代還是很難得的。

3 光學

3.1 光與影的關(guān)系

在《經(jīng)下》中有這樣一句：“景不徙，說在改為?！盵3]即影子不移動，而是改換。意思是說影子是不運動的，我們看見影子好像在運動其實是影子在不斷的改換。墨子認為，我們看到物體移動影子也隨之移動，但是并不是影子本身真正在移動，當物體下一個時刻移動到下一個位置時，這時的影子已經(jīng)不是剛才那個影子了，而是新產(chǎn)生的影子。也就是說，這個影子不是上一時刻的影子移動過來的。《經(jīng)說下》則對這件事的原因做了更進一步的闡述，《經(jīng)說下》中有“景：光至景亡，若在，盡古息?！盵3]這句話很好地說明了影子的實質(zhì)是物體擋住光線使光線不能到達，所以這一片區(qū)域比周圍暗，而光線照到這里影子就會消失。

3.2 重影和半影產(chǎn)生的原因

《經(jīng)下》中說：“景二，說在重?！薄督?jīng)說下》說：“二光夾一光，一光者景也。”[3]《經(jīng)下》的這句話意思是：影子有兩個，是重影現(xiàn)象?！督?jīng)說下》中的這句話對一種投影現(xiàn)象做了比較詳細的描述：兩束光線互相交叉地照向一個物體，這兩束光線在交叉處到物體的這一段距離里，夾有一束更明亮的光線，這一束光線實際上就是兩束光線的疊加，看起來像這一束光線照射物體產(chǎn)生了影子。事實上，這里所描述的現(xiàn)象中出現(xiàn)了兩種明暗程度不同的影子，看似那束更明亮的光線照射產(chǎn)生的影子是較暗的影子，外圍的影子與中間的影子相比略微明亮一些。這種現(xiàn)象是一個發(fā)光體照射一個遮光體在投影面上投影的現(xiàn)象。較暗的影子是由于遮光體完全遮擋發(fā)光體的光線而形成的，此處沒有此發(fā)光體的任何光線到達，在現(xiàn)代光學術(shù)語中叫做本影。略微明亮的影子處有此發(fā)光體的部分光線到達，故與較暗的影子的明暗程度不同，在現(xiàn)代光學術(shù)語中叫半影。事實上，較暗的影子也就是本影在這里所說的這個現(xiàn)象里是完全黑暗的。

3.3 小孔成像現(xiàn)象

《經(jīng)下》與《經(jīng)說下》中有對小孔成像現(xiàn)象的詳細介紹。《經(jīng)下》中說：“景到，在午有端與景長，說在端?！盵3]意思是：影倒立，在光線交會處有一小孔，關(guān)于影像的大小，它與小孔有關(guān)?！督?jīng)說下》中說：“景：光之人煦若射。下者之人也高，高者之人也下。足敝下光，故成景于上；首敝上光，故成景于下。在遠近有端，與于光，故景障內(nèi)也?！盵3]這段話翻譯成現(xiàn)代漢語就是：影：光線照在人身上像射箭一樣直。在下部照射人的光透過小孔投射在高處，在上部照射人的光透過小孔投射在低處。腳遮蔽了下面的光，所以在上部成影；頭遮蔽了上面的光，所以在下部成影。在人的遠處或近處有一小孔，光線經(jīng)過它，就能在投影面上形成倒影。

小孔成像現(xiàn)象間接證明了光的直線傳播原理。

3.4 鏡面成像

3.4.1 平面鏡成像方面

在《經(jīng)下》中有關(guān)于平面鏡成像現(xiàn)象的描述：“臨鑒而立，景到。多而若少，說在寡區(qū)?！盵3]這句話的意思是：面向鏡子，所成的像是左右相反的。兩相對鏡子之間角度越大則所成的像越少，這是因為成像的區(qū)域變少了。

3.4.2 凹面鏡成像

在《經(jīng)下》中有關(guān)于凹面鏡成像的描述：“鑒位，景一小而易，一大而正，說在中外之內(nèi)。”[3]這句話的意思是：凹面鏡成像有兩種情況，一是成小而到的像，一是成大而正的像，因為物體分別在焦點之外和焦點之內(nèi)。

3.4.3 凸面鏡成像

在《經(jīng)下》中有關(guān)于凹面鏡成像的描述：“鑒團，景一天，而必正，說在得。”[3]這句話的意思是：凸面鏡成像有兩種情況，大或小，而它們都是正像，像大小不同的原因是物體大小不同。

從對以上幾句的分析可以看出，《經(jīng)下》中對鏡面成像已經(jīng)有了比較系統(tǒng)的研究和描述，這是非常具有價值的工作。

4 聲學

除了上述幾個方面，墨子在聲學上也有重要的貢獻。例如在《備穴》中記載了墨子所說的話：“令陶者為罌，容四十斗以上，固順之以薄革各革，置井中，使聰耳者伏罌而聽之，審知穴之所在，鑿穴迎之。”[3]這是墨子對怎樣防守敵人挖穴道攻城這個問題的回答中的一句話。這句話的意思是：讓制陶工人燒制大腹小口的陶器，能裝四十斗以上的東西，用薄的生皮革封住口，放在井中，讓聽力好的人貼在陶器口上聽聲音，考察出穴道的方位，挖穴道迎上去。從這里可以看出，墨子發(fā)現(xiàn)了井和罌有放大作用，并把這個理論運用到了實際中的防守城池中。墨子在這里所提供的這個防御方法其實是跟共振有關(guān)系的?？赡苣哟藭r并不清楚其中的原理，但是墨子通過對自然現(xiàn)象的細心觀察總結(jié)出了一套規(guī)律，這也是對聲學研究所作出的貢獻。

5 結(jié)語

總的來看，墨子在物理學領(lǐng)域內(nèi)提出了很多相當于定義、定理和定律的表述?！凹瘮?shù)百條自然現(xiàn)象與思想之定義與定律于一書,先秦諸子之著述中惟此墨經(jīng)而已矣?！盵5]在現(xiàn)代物理學中，科研人員一般把物理學分為力學、熱學、光學、聲學、電磁學、原子物理學等六個分支。如果用這種劃分方法來看，墨子在物理學尤其是力學（包括時空觀和宇宙學）、光學、聲學等三個分支中做出了很多非常具有前瞻性和建設(shè)性的貢獻，有些甚至領(lǐng)先西方大約2000年?！安惶厍八从?當時亦無與匹,可謂中國歷史上第一部自然科學著作,在世界自然科學發(fā)展史上有極崇高的地位?！盵6]墨子善于觀察，并且注重理性思維，能從自然現(xiàn)象中推導(dǎo)出一系列的科學規(guī)律，并把它們加以總結(jié)和描述。墨子的科學思維是比較嚴謹和求實的，這也是他為什么能在物理學中做出這么多貢獻的原因之一。

總之，墨子不僅是中國歷史上著名的思想家、教育家和軍事家，同時也是中國歷史上最早的物理學家之一。從他對物理學的貢獻來看，他毫無疑問可以稱得上是他那個時代世界上最頂尖的物理學家?！霸谖釃偶?欲求與今世所謂科學精神相懸契者,墨經(jīng)而已矣?！盵7]目前對墨子的物理學理論方面的研究相比哲學、人文、政治與軍事等方面還是比較少的，但是墨子對物理學的巨大貢獻是不可否認的。筆者認為，墨子對物理學的研究直接或間接地提升了國民對自然界的認識水平，對保衛(wèi)國家防止外敵入侵起到了重要作用，同時也為后來的科學家提供了寶貴的借鑒。墨子可以說是中國歷史上科學家的代表人物之一，他對物理學做出了影響深遠的貢獻，稱他為當時全國甚至全世界最卓越的物理學家之一，他也當之無愧。

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Mozi's Contribution to Physics

HUANG Dong-Yang
(Mechanical and Electronic Engineering College,Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling,Shanxi,712100,China)

Mozi is a famous thinker,strategist and educator in the history of China,at the same time,he is also one of the earliest physicist in Chinese history.Mozi has cross-cutting progress and great academic achievements in time-space,cosmology,mechanics,acoustics,optics,and the applications of physics to mechanics.Previous study of Mozi mainly concentrated in such aspects as philosophy,cultural,political and military,but he made great contribution to the physics should not be neglected.Mozi was in the Spring and Autumn and the Warring States period,his many contributions to physics all reflected on the military and had a huge influence.

Mozi;physics;mechanical design

O4-092

A

1673-1891（2016）01-0026-04

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.01.008

2015-11-01

黃東陽（1996—），男，河南潢川人，2013級本科生，研究方向：新材料。