中华传统文化中有关物理学以及方法论的知识*

熊万杰 袁凤芳 温景立

(华南农业大学理学院应用物理系 广东 广州 510640)

中华传统文化是中华民族几千年文明的结晶，是历史上各种思想文化、观念形态的总体表征.它博大精深、源远流长，相关典籍浩如烟海.经过历史演化、沉淀，逐渐形成儒、释、道三足鼎立的局面.而物理学是由物理学科的知识和物理学的方法与思想组成的，它提供给人们对物质结构、运动形式及其相互作用的最基本认识以及隐藏在背后的方法论.物理学与中华传统文化之间并没有一道不可逾越的鸿沟, 两者之间既存在显而易见的区别，又有着千丝万缕的联系.从中华传统文化的角度去审视物理学，既有助于理解物理学的知识、方法和内涵，又有利于继承和创新传统文化，复原民族的根基.本文介绍并分析中华传统文化中有关物理学以及科学方法论的知识.

1 知识层面

尽管传统文化中未产生现代意义的科学技术，但这并不意味着中华传统文化没有产生过科学技术[1].我国古代的物理学知识，是以人文的形式和视角呈现的，由于历史原因和数学语言的局限性无法上升成系统而定量的理论.但在日常生活和生产实践中，我们的祖先不仅记载了各种自然现象本身，同时为了解释这些现象还提出了一些物理观念，甚至进行了必要的实验.有关这方面的内容极为丰富，《墨经》、《论衡》、《考工记》、《正蒙》、《草象新书》、《梦溪笔谈》、《天工开物》、《物理小识》等等古代典籍都有记载.这里我们仅从力、热、电、光四方面各举一例说明之.

1.1 力学之共振

中华传统文化中对于共振现象的描述最早可上溯到公元前3世纪.《庄子·徐无鬼》曾记载：“为之调瑟，废于一堂，废于一室，鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣.”[2]此处相同的音律来源于一只瑟鼓宫(角)的频率与另一只瑟固有的频率相同，导致后者受前者的影响而振动起来，这就是共振.而宋朝科学家沈括曾做过正声(实际上就是共振)实验: “今曲中有声音，须依次用之.欲知其应者，先调诸弦令省和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦则不动.声律高下苟同，虽在他弦鼓之，应弦意震，此之谓正声”(见《梦溪笔谈》).这就是说，为了要知道某一根弦的应弦，可以先将各条弦的音调准，然后剪纸人放在待测的弦上，一弹与之相应的弦，纸人就会跳动，弹其他的弦，纸人就不动.如果琴弦的音调高低都相同，即使在别的琴上弹，这张琴上的应弦及其上的纸人同样也会振动.

1.2 热学之保温方法

在物理学中，热量传递的方式有三种：热传导，热辐射和对流.为了保温，就需要抑制热量的传递，有针对性地防止热传导、热辐射和对流.1892年，法国科学家杜瓦制成了由双层壁构成的容器，在壁间抽成高真空以减小气体的传热，双层壁相对的两个表面镀银或抛光以降低辐射率，内壁通向室温部分的径管用热传导差的材料以减少热传导.这就是保温瓶[3].

我国南宋时期的洪迈在《夷坚甲志》中记载了有关“伊阳古瓶”的故事：“张虞卿者问鼎公齐贤裔孙，居西京伊阳县小水镇，得古瓦瓶于土中，色甚黑，颇爱之.置之书室养花，方冬极寒，一夕忘去水，意为冻裂，明日视之，凡他物有水者皆冻，独此瓶不然.异之，试之以汤，终日不冷.张或为客出郊，置瓶于箧，倾水瀹茗，皆如新沸者.自是始知秘，惜后为醉仆触碎.视其中，与常陶器同，但夹底厚二寸.有鬼热火以燎，刻画甚精.无人能识其为何物也.”这实际上就是我国最早的保温瓶的记载.其保温的原因是有夹底，即在两底之间有二寸厚的空气层，以及抑制热的传导.此瓶在南宋时已经是出土文物，连当时的人都不知道为何物，可见年代颇为久远.

此外，清代方以智对保温现象的观察也十分细致.他在《物理小识》中记载：“冰在暑时以厚絮裹之，虽置之不化，唯见风始化.”用厚棉絮把冰包起来就可以防止热的辐射和对流以保温，这种方法至今还被人们所采用.

1.3 电磁学之磁屏蔽

在物理学中，把磁导率不同的两种磁介质放到磁场中，在它们的交界面上磁场要发生突变，磁感强度的大小和方向都要变化.如果把一个铁铝合金做成的罩，放在外磁场中，由于罩的磁导率比空气的磁导率大得多，绝大部分磁感线从罩壳的壁内通过，而罩壳内的空腔中，磁感线很少，这样就达到了磁屏蔽的目的.示波管、显像管中的电子聚焦部分，为了防止外磁场的干扰，常在它们的外部加上软磁材料做成的磁屏蔽罩.

中华传统文化对磁石吸铁现象早有记载.《吕氏春秋》中记载：“慈石召铁，或引之也.”《淮南子》中记载：“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦则难已.固物不可轻重论也.”而关于磁屏蔽的记载，可见清朝学者刘献廷的著作《广阳杂记》：“磁石吸铁，隔碍潜通.或问余曰：‘磁石吸铁，何物可以隔之？’犹子阿孺曰：‘唯铁可以隔尔’……后见一书曰：‘蒜可以避磁石之引铁.’尚未试之.”

1.4 光学之凹面镜成像

在物理学中，球面反射镜根据受光面的凹凸，分成凹面镜和凸面镜两种.凹面镜常用来聚光或成像，如幻灯机和放映机用它来作聚光镜，一些反射式的望远镜用它作物镜.这属于几何光学的范畴.而我国古代典籍《墨经》记载：“鉴低，景一小而易，一大而正，说在中之外内.”并解释曰：“鉴,中之内；鉴者近中，则鉴所大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小，而比正.起于中缘正而长其直也.中之外；鉴者近中，则鉴所大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小，而必易.合于中而长齐直也.”意思是说，物体通过凹面镜可以形成两个像，一个是缩小的倒立的像；一个是放大的正立的像.到底形成哪个像，由物体所在的位置所决定.当物体在焦点以内，即物体在焦点与镜子之间时，又可以分为两种情况：在距离焦点较近时，其像较大；在距离焦点较远时，其像较小，但都是正立虚像.从焦点开始到镜面的一段距离内，均形成放大的正立虚像.当物体位于焦点之外时，也可以分为两种情况：物体靠近焦点，其像较大；物体远离焦点时，其像较小；但两者都是倒立的实像.从以上分析可以看出，《墨经》中关于凹面镜成像的叙述，与当代的实验结果相符合.

2 方法论层面

科学方法是与自然科学共同产生和发展起来的，而科学方法论则是人们从对自然科学发展的历史中反思得到的，是从对自然界的再认识过程中总结出来的[4].物理学的发展伴随着物理学方法的不断充实与完善.而许多物理学的方法，在中华传统文化中能找到根源.以下分别从类比法、黑箱辨识法和直觉三方面展开.

2.1 类比方法

中华传统文化中关于类比的描述屡见不鲜.如“赐也何敢望回？回也闻一以知十，赐也闻一以知二.”(见《论语·公冶长》)“举一隅不以三隅反；则不复也.”(见《论语·述而》) “引而伸之；触类而长之；天下之能事毕矣.”(见《周易·系辞上》)又如朱熹《朱子全书》：“举一而三反,闻一而知十,乃学者用功之深,穷理之熟；然后能融会贯通,以至于此.”刘徽《九章算术》：“事类相推，各有攸归，故枝条虽分而同本干者，知发其一端而已.”所谓“闻一知十”、“ 触类旁通”、“举一反三”、“事类相推”等，指的就是从一件事情类推而直到许多事情，或者说掌握了关于某一事物的知识，而推知同类中其他事物，体现的就是类比的思想.

2.2 黑箱辨识法

人们把不能够被直接观察到内部结构的系统称为黑箱.黑箱辨识法是指不打开黑箱，而利用外部观察和实验，通过对系统输入和输出信息的分析，从信息的变化中提炼出反馈模型，进行反馈检验，不断修正模型直到确立模型，以此得到对系统本身的内部结构和功能的认识[4].有人说同步辐射是粒子物理学家的眼睛，对于微观粒子，一般情况下人们无法直接观察到它的结构和状态，只有通过外部输入和获得的输出信息来作出推论.

卢瑟福原子核式结构模型的提出就是成功地运用了黑箱辨识法.实验结果显示，当用高能的α粒子轰击金箔后，绝大部分α粒子仍沿原来方向前进；而少数粒子却发生了较大的偏转；极小数粒子的偏转角度超过了90°；有的甚至被弹回，偏转角几乎达到了180°.当时对于原子内部结构这个“黑箱”而言，人们无法直观地观测到其内部结构，卢瑟福根据实验输出的信息，大胆预测原子中心有一个很小的“核”，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里；而带有负电荷的许多电子绕着原子核旋转.从而较为合理地得到了对原子内部结构的认识.

中华传统文化中运用“黑箱辨识法”认识系统信息的一个典型例子就是中医学[4].面对人体内部的各种复杂系统出现的病症，中医的治疗不靠透视，不用切片，主要通过对病人的望、闻、问、切来诊断.医生收集人体系统的内在疾病在脉象、气色和舌苔等方面反映出来的外部信息，然后通过对这些信息的分析处理，就能作出判断、开出处方.医生的临床经验越丰富，他获得的关于疾病的信息就越多，因而对人体这个复杂系统的“黑箱”辨识能力就越强.

2.3 直觉

直觉是一种重要的创造性思维方法.科学家的直觉，是面对各种可能性作出正确选择的重要能力，是科学研究和创造的最可贵因素，它是大脑中一闪而过的思维亮点，而不是逻辑推理的结果[4].直觉的产生必须具有广泛而深厚的知识基础和足够多的信息，对所要解决的问题进行了长期思考并具有强烈渴求解决的愿望.

物理学史上，阿基米德发现浮力定律、伦琴发现X射线以及爱因斯坦创立狭义相对论，他们敏锐的直觉都帮了大忙.

阿基米德得到国王交给的任务：要他不破坏皇冠而验证其是否用纯金制成的.阿基米德冥思苦想数日仍不得其解，感到十分为难和焦虑.有一天，他到澡堂去洗澡，当他躺进澡盆时，发现自己身体越往下沉，盆里溢出的水就越多，而他则感到身体越轻.这个情景使阿基米德产生了直觉，突然他欣喜若狂地跳出了澡盆，直奔王宫，边跑边喊：“找到了！找到了！”据此发现了浮力定律.

1895年11月8日，伦琴在一片漆黑的实验室里突然发现有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光，他立即意识到这可能是某种特殊的、从来没有观察到过的、具有特别强穿透力的射线，于是立刻集中全部精力进行彻底的研究.几十年的精心实践培养出来的良好观察和判断能力练就了伦琴的直觉，使他在这一偶然现象出现的一瞬间就意识到这可能会导致一项了不起的发现.机遇偏爱有准备的头脑，而直觉是有准备的头脑开展工作的锐利武器.

爱因斯坦曾向他的朋友叙述过自己创立狭义相对论的情景，“我躺在床上，对那个折磨我的迷(指对同时性的绝对性的怀疑)似乎毫无解答的希望，没有一丝光明.但黑暗里突然透出光亮，答案出现！于是我立即投入工作，继续奋斗了五个星期，写成《论动体的电动力学》论文，这几个星期里，我好像处在狂态里.”[4]这里所谓“黑暗里透出的光亮”实际上就是爱因斯坦在确立狭义相对论理论基础时的灵光一现，这种直觉根植于他对此问题多年的思考和揣摩以及深厚的物理学功底.

物理学里直觉的思维方法类似于中华传统文化中的顿悟.顿悟是佛教禅宗的一个法门，是六祖惠能提倡的“明心见性”法门.六祖在坛经里提出的“顿悟”概念当指“迷闻经累劫，悟则刹那间”、“一刹那间妄念俱灭”，可见顿悟指人之思维的突变或飞跃.此外，成语“豁然贯通” (出自宋·朱熹《大学章句》：“至于用力之久，而一旦豁然贯通焉，则众物之表里精粗无不到，而吾心之全体大用无明矣”)、“恍然大悟”(出自宋·释道原《景德传灯录》卷五：“(薛)简蒙指教；豁然大悟”)、“茅塞顿开”(出自明·吴承恩《西游记》：“我身无力；我腹无才；得三公之教；茅塞顿开”)的意义也和物理学中的直觉相仿.

以上从知识点初步展示了中华传统文化中有关物理学的知识以及其与方法论的关联，这是物理学丰富内涵和传统文化博大精深的一种体现，它有助于我们从传统文化的维度给物理学注入新的灵魂，以新的思维方式去领悟、理解物理学，有助于我们从物理学的角度审视传统文化，促进人们更加全面、更加深入地理解传统文化，激发民族自豪感，有助于我们纠正当前教育中科学与人文分化的倾向，促进科学与人文的融合.相信在科学与人文相融合的大背景下[4]，挖掘中华传统文化中的有关物理学知识、方法论甚至哲学思想会越来越启人心智，越来越引人入胜.

参考文献

1 郭昊龙．科学、人文及其融合．北京：高等教育出版社，2009．40

2 赵凯华，罗蔚茵．力学(第二版)．北京：高等教育出版社，2004．262

3 徐龙道，等．物理学词典．北京：科学出版社，2004．764

4 朱鋐雄．物理学方法概论．北京：清华大学出版社，2008．2，30，156～157，118～119

5 郭奕玲，沈慧君．物理学史．北京：清华大学出版社，1993．141

6 熊万杰.将中华传统文化思想融入大学物理教学之初探.物理与工程.2009,19(2):35～37