中華文化筆記17，墨家科學思想之六，墨家光學成就

2 光學領域

在光學史上，墨子是第一個進行光學實驗，並對幾何光學進行系統研究的科學家。《墨經》中的有關光學問題的八條經和經說，比較系統地說明了幾何光學中有關光與影的關係，小孔成象的問題及各種鏡面的反射成象的問題。墨子的這些光學認識是建立在簡單實驗和細緻觀察的基礎上，相當正確地概括了這些幾何光學現象，並從經驗材料中總結出一些規律性的認識。如果說墨子奠定了幾何光學的基礎，也不為過分，至少在中國是這樣。正如李約瑟在《中國科學技術史》物理卷中所說，墨子關於光學的研究，「比我們所知的希臘的為早」，「印度亦不能比擬」。

飛鳥之影未嘗動，是說影子並非自己在動，而是像幻燈片一樣的錯覺

墨子首先探討了光與影的關係，他細緻地觀察了運動物體影像的變化規律，提出了「景不徙」的命題。也就是說，運動著的物體從表觀看它的影也是隨著物體在運動著，其實這是一種錯覺。因為當運動著的物體位置移動後，它前一瞬間所形成的影像已經消失，其位移後所形成的影像已是新形成的，而不是原有的影像運動到新的位置。如果原有的影像不消失，那它就會永遠存在於原有的位置，這是不可能的。因此，所看到的影像的運動，只是新舊影像隨著物體運動而連續不間斷地生滅交替所形成的，並不是影像自身在運動。墨子的這一命題，後來為名家所繼承，並由此提出了「飛鳥之影未嘗動」的命題。

無影燈的原理，就是增加副影消除重影

隨之，墨子又探討了物體的本影和副影的問題。他指出，光源如果不是點光源，由於從各點發射的光線產生重複照射，物體就會產生本影和副影；如果光源是點光源，則只有本影出現。「景二，說在重」。這裡的景是指陰影，陰影的產生與光源有關，這裡是說一個物體產生了兩個陰影，這兩個陰影有可能重疊，也有可能不重疊，也有可能部分重疊。這重疊的部分就是更深暗的重影。這條經文是對重影的描述。經說進一步探究了產生重影的原因，「景。二光夾一光，一光者景也」。產生重影，首先必定存在著兩個光源。其次，這兩個光源發出的光線有一部分重合照到物體上。只有具備了這兩個條件，才會產生重影。在光學上這重影叫做物體的本影，而兩個光源不重疊的地方所形成的陰影，暗度就較重影為淺，在光學上叫做半影。墨子從重影現象的描述到對其產生原因的分析，完成了對重影這一比較複雜的幾何光學現象的研究。

接著，墨子又進行了小孔成像的實驗。應該說，小孔成像在實際生活中並不象重影現象那樣容易觀察到，它所需要的條件，從某種意義上是要人為加以控制的，因而可以說小孔成像的描述是對一種實驗現象的記錄。「景到，在午有端與景長，說在端」。這裡景是指一種像影，到是倒，端是點，即隔屏中的一個小孔，午意是指交錯。這條經清晰地描述了小孔成倒像的條件和現象。光線穿過小孔才能成倒像，而且像影是有一定長度的。經說進一步從端--小孔這個成像的基本條件分析、論證了小孔之所以能成倒像的理由。「景。光之入照若射，下者之入也高，高者之入也下。足蔽下光，故成景於上；首蔽上光，故成景於下。在遠近有端與於光，故景庫內也」。他明確指出，光線照入小孔同箭的射入一樣，光是直線傳播的。物體通過小孔所形成的像是倒像，從物體高處射入的光線到達壁的下方，從物體低處射入的光線到達壁的上方。人足在下，蔽著下光，故足的影成於壁的上方，人首在上，蔽著上光，故首的影成於壁的下方。他還探討了影像的大小與物體的斜正、光源的遠近的關係，指出物斜或光源遠則影長細，物正或光源近則影短粗，如果是反射光，則影形成於物與光源之間。墨子分析了小孔成倒像的原因有兩條，一是隔屏上透光的小孔，二是光的直線進行。「在遠近有端與於光，故景庫內也」，「庫，易也」。內是指隔屏裡面的成影屏壁，庫是指顛倒、變換，由於光線穿過小孔，從而使物體在隔屏裡面成影屏影上成倒像。

特別可貴的是，墨子對平面鏡、凹面鏡、凸面鏡等進行了相當系統的研究，得出了幾何光學的一系列基本原理。他指出，平面鏡所形成的是大小相同、遠近對稱的像，但卻左右倒換。如果是二個或多個平面鏡相向而照射，則會出現重複反射，形成無數的像。凹面鏡的成像是在「中」之內形成正像，距「中」遠所成像大，距「中」近所成的像小，在「中」處則像與物一樣大；在「中」之外，則形成的是倒像，近「中」像大，遠「中」像小。凸面鏡則只形成正像，近鏡像大，遠鏡像小。這裡的「中」為球面鏡之球心，墨子雖尚未能區分球心與焦點的差別，把球心與焦點混淆在一起，但其結論與近現代球面鏡成像原理還是基本相符的。

《墨經》中這八條關於光學的條文，其論述排列的順序是合乎科學意義的，從某種程序上已組合構成了一篇具有相對完整的邏輯結構的光學論文。首條說明了影與物體之間的關係。第二條說明了影和光源的關係。第三條說明了小孔成倒像的現象和原理。這前三條都是論述了光的直線傳播的基本現象。第四條說明了光的反射。第五條說明了成影的大小與光源和物體間角度的關係。第六條說明成影的大小與光源和物體的比例及距離遠近有關。第六條，第八條說明了凹凸鏡面的成象問題。《墨經》這八條有關光學問題的經說，從光的直線傳播這一基本現象出發，討論了光源、物體、成影之間的關係，並由此研究了各種類型鏡面的成像。這個論說順序，從科學論文的角度看，是合乎邏輯的。這充分顯示了墨子的科學理論思維的能力，表明了墨子是自覺地從理論構成的角度分析、掌握各種經驗材料。

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