海市——十九世纪中国光学转型之个案研究

田 锋

（上海交通大学 科学史与科学文化研究院，上海 200240）

海市
——十九世纪中国光学转型之个案研究

田 锋

（上海交通大学 科学史与科学文化研究院，上海 200240）

“海市”是自然界中存在的一种自然光现象。在中国古代的文献中记录着许多关于这种自然光现象的史料，并在记录的同时给予这种自然光现象的成因以相应的解释。从文献记载的内容来看有神话解释、常识解释等。以上各种解释的本质上都属于“非科学解释”。进入十九世纪之后随着西方光学著作被引进到中国，在光学研究领域内给予这种自然光现象以新的解释，即“科学解释”。这种“科学解释”主要包含了三个方面的因素：科学概念、科学定律以及科学实验。因此，十九世纪的中国光学研究在对于“海市”这种自然光现象的成因完成了由“非科学解释”到“科学解释”的转型。

海市蜃楼 ；光学； 转型 ；科学解释

1 中国古代对“海市”的解释

在中国古代的文献中存有着许多关于“海市”的记载。在（明）王士性《广志绎》中曰：“春夏间，蛟蜃吐气幻为海市”。最为人熟知的是沈括所著的《梦溪笔谈》，文中记载：“登州海中时有云气，如宫室、台观、城堞，人物、车马、冠盖历历可见，谓之海市。”[1]由此可见，“海市”一词是由观察者根据所获得的视觉信息而进行的一种自然现象描述。与“海市”相连的“海市蜃楼”则更多地出现在中国古代文献中。“蜃楼”则是中国古人提供了对于“海市”现象形成原因的一种解释，即古人认为“海市”现象的成因是由于“蜃”这种神话中海怪所为。运用神话中的海怪来解释“海市”现象的成因，是可以从视觉角度去理解和分析观察者的心理状态。首先，“海市”现象出现在大海之上，从视觉效果角度来看离观察者较远，而且在一段时间后又会逐渐消失；其次，亭台、楼阁、人马都位于海面之上，这种自然现象与常识不符；第三，“海市”不常见到的自然现象，这为观察者蒙上了一层神秘的面纱。以上三种原因都会导致古人给予“海市”现象用一种超自然的因素去解释其成因。但是沈括对于超自然的解释给予了否定的态度，他认为：“蛟蜃之气所为，疑不然也。”[2]

王赛时总结了在中国历史文献中,古人对于“海市”现象的四种解释，他认为：“概括地说，在我国古代关于海市蜃楼形成的原因主要由以下四种说法：第一，蛟蜃吐气说；第二，风气凝结说；第三，沉物再现说；第四，光气映射说。”[3]王赛时认为：“风气说主要是从客观事物的本体因素来认识问题，考虑到自然现象的多种变化，从而把海市蜃楼的发生归结为风气的凝结旋转。”[4]风气说本质上与蛟蜃吐气说解释内容是不同的，风气说没有提供一种超自然现象的解释，而是运用自然因素去解释这种现象。王赛时对于“沉物再现说”的看法是：“否认神的作用，从物质覆灭重现的角度来探索客观事物，还是有一定可取性的。” 所以，从解释逻辑方面考虑“沉物再现说”是有一定合理性的解释，但仍然很难令人信服。王赛时对于陆容的态度是：“陆容的解释，虽然还是以气为主，但强调了“掩映日光而成”的道理，可以说他已经注意到了光射的作用……能做出接近现代科学的结论确实是难能可贵的了，古代对海市蜃楼的探索，于此也就到达了顶点。”[6]虽然陆容的观点较以往的观点有所突破，但是没有用实验的方法去复证这种自然现象，这就不可能给出一种充足的解释理由。王赛时所归纳的后三种解释，都是属于建立在猜测和想象的基础之上，就如王栋指出的一样：“人类受到自身认识能力和条件的诸多客观条件的限制，无法摆脱掉以猜测和想象的方式来理解自然界的众多现象。”[7]

刘昭民与王赛时的根据“海市”现象成因内容的划分方法不同，他采取的则是通过关于“蜃景”现象文献记录的历史阶段来划分。刘昭民把中国古代文献对于“蜃景”现象记载主要分为了四个阶段：“第一阶段为初步认识时期，是从西周到唐代；第二阶段为详细记载时期，是从宋、金到元；第三阶段是深入探讨时期，从明宪宗时代开始到鸦片战争之前；第四阶段是介绍西方学识时期。”[8]综上所述，本文认为：无论是王赛时根据“海市”现象成因的四种说法，还是刘昭民根据文献记录历史来划分对“蜃景”现象认识的四个阶段, 对于“海市”或“蜃景”现象形成的原因, 中国古人提供都只是一种“非科学解释”。而进入鸦片战争之后, 随着西方光学传入到中国, 对于“海市”或“蜃景”现象成因才提供了“科学解释”。

2 十九世纪中国光学研究对“海市”的科学解释

鸦片战争之后, 西方的近代光学知识大量地传入中国。中国人开始接受西方的光学知识。虽然中国人还没有建立起属于自己的、完善的光学研究范式，但是这个时期仍然可以看做是中国人的光学研究的起步阶段。在这个起步阶段中, 对于“海市”现象的解释就非常典型地代表了中国人开始接受西方的光学知识。

中国光学研究开始对于“海市”现象给予其成因以不同于十九世纪之前的解释。本文将从五个方面进行探讨与分析。第一，在十九世纪中国光学的文献中否定了中国古代传统对于“海市”现象的解释。王锦光曾指出：“在十九世纪五十年代初，上海出版了一批自然科学方面的翻译著作，其中一种名为《光论》，译者是归安的张福僖，这是最早把西方近代光学知识系统地介绍到我国的一本书。”[9]在这本书中，作者用了较大的篇幅来对“海市”现象进行分析。首先就从陈述了通过视觉看到的“海市”现象，即“甚远之处，有时见物亦有时见其正像或见其倒像，并映大缩小之形，如蜃楼等项或见其物高于本地之位或在海上，亦有时见其对面之船倒像双像。”[10]为了说明“海市”现象不是中国独有的一种自然光现象，作者举了在西方出现了两个“海市”现象的实例，一个发生在埃及，另一个发生在英吉利，即：“埃及北地俱属平原沙地，所见蜃楼最多，尼罗河水涨时，其平原地俱没于水；小镇、村庄或近尼罗河或远尼罗河均作室于泥墩小山之上……有时不见，此非蜃楼，理同蜃楼一致；英吉利国亦有此种幻景……所见蜃楼十分清明……但见一片热沙之石，不见村庄、小镇，及相距甚远，又见其假象。”[11]通过《光论》作者的描述可以看出，“海市”现象不但出现在海上，在陆地上也会出现类似的现象。但是这些被观察者所看到的现象都是一种假象。在《博物新编》中，作者则采取了以一种反问式的说明方法来否定中国古代对于“海市”现象成因的解释：“华人以海市为蜃气幻影，以山市委神仙幻影，若果为蜃，不应有于山，若果为仙，终有现乎夜，何以不闻有灯烛山市、夜光海市？而必现于无风有日之白昼乎？”[12]这种反问式的回答在逻辑上否定了造成“海市”现象的超自然成因，这也体现出科学所具有的解释功能首先应该在逻辑上是保持其具有解释的自恰性。随后，《博物新编》中给出的解释是在否定了超自然因素的成因后指出是由于自然的原因产生了“海市”现象，作者认为：“是海之为市非蜃，由之为市非仙，其实皆湿气凝空，日光返照所致也者，故其为像……皆就其地气天时而然。”[13]在《格物入门》中则是否定中国古人对于运用常识解释的观点，作者认为：“与上文所言空中悬影无异也，或对岸有城市村落，遥望不见……平原旷野之地，遥望忽现江河之状，且有车马人物，俱甚高大，俗以为地中风水使然，不知亦折光放大之故耳。”[14]用自然常识去解释自然现象，虽然比“超自然因素”有所前进，但仍不能作为一种令人信服的解释理由，这里作者指出了“海市”现象产生的真正原因是由于“折光放大”的缘故。

第二，强调了“海市”现象的普遍性。在十九世纪中国光学的文献中，可以找到把观察者所看到的“海市”以及类似的“山市”和“野市”现象成因归结到是由于同一种原因造成的不同现象，即找到普遍现象背后的齐一性解释。在介绍“海市”现象的文献中可以看出，作者首先强调的是“海市”作为自然界的一种普通现象并非只在中国境内出现，“海市”现象也会出现在世界的其他地方。这就说明了“海市”现象具有普遍存在的客观性。在《光学须知》的“山市野市”一节中，作者指出了发生在陆地上的类似于“海市”的现象：“陆地亦有现城市之时，大半在沙漠之地，昔法国王那波轮征埃及时，路经沙漠，途中见远处旱地，尽变泽国，一切村落，宛在水中，并见村落倒影，此即山市野市也，理与海市同。”[15]通过对于以上的文献分析可以看出，文献当中所强调的“海市”、“山市”和“野市”三者产生的原因都是归结于同一种原因，这为对于这种自然现象进行齐一性的解释奠定了基础。

第三，引入科学概念来指出“海市”现象的真正原因。在《光学须知》文中，作者强调了空气由于冷热的缘故造成了密度不同，这也明确地指出了产生“海市”现象的自然条件，作者认为：“因近沙面空气甚热而稀，渐高则冷而密，物之光线，自高下射，由密入疏，离垂线而折，及过限角，其光回射，有疏入密，向垂线而折，入人目，则视如倒置。”[16]但是这样的叙述是一个详细而复杂的过程。科学解释应该在复杂的现象中总结和归纳出简洁或易于表达的结论，这样引入科学概念进行说明就可以事半功倍。在《光论》中，作者引出了“海市”现象的成因是“光差变像”，作者认为：“四际无涯，前所见幻景，但属子虚，此是光差变像。”[17]作者用“光差变像”这个来解释造成“海市”现象的成因。在《光学》的第一百五十二节中，作者则把科学概念进一步明确化，引入了“蒙气差”的科学概念。在《光学》中，作者认为：“气质与流质定质同，可回光亦可折光，因气质之折光指甚小，故回光与折光甚微，但测望之时，必须知蒙气差，即空气折光之故也，用三角法测地，亦须知蒙气差，日未出地平之时，已能见日，日入地平之后，仍能见日，亦因有蒙气差也。”[18]“蒙气差”概念的引入，不但简化了科学解释的复杂性，而且明确地指出了“海市”现象的成因。在这里需要重点强调的是，根据现在的科学理论可知，《光论》中的“蒙气差”并不是产生“海市”现象的真正原因。因为，“蒙气差”产生的机理是光的折射，而“海市”现象产生的机理是光的全反射。在《物理学》中，饭盛挺造把有关于“海市”现象的篇章放在了《折光总论--全回光之现象》中，并且在这一小节中，饭盛挺造始终没有提到“海市蜃楼”的字样。这就充分表明到了十九世纪末的中国，“海市”现象的成因已经不再神秘，并且对于其成因能给出正确的科学解释了。

第四，引入科学定律并且配有光路图来对“海市”现象进行辅助说明。《光论》的作者通过光路图来解释造成“海市”现象的光学原理，这里主要是应用了《光论》中前面已经介绍的光的直线传播、光的反射和光的折射等几何光学知识。这为解释“海市”现象时就可以利用前面的知识进行说明：“如甲乙为平原沙地……则又经密风气至疏风气入人目内，行于图上所绘之线，昔佛兰西奈伯伦（现译拿破仑）将兵至埃及，有格致士明蒙日证明此理。”[19]

傅兰雅在《光学图说》中也举了一个案例并配有光路图，即：“西英国兵船主，司可司比，驾舟游北冰洋，一日忽见其父之船，倒悬于空中，甚骇异，初不知为空气之幻影也，其实此事因折光而成，诸层空气，比海面俱热，而愈近海面愈密，愈向上欲稀，如图”[20]

这幅光路图比《光论》中的光路图就更形象地、更直观地解释了“海市”现象的成因。

第五，举例科学实验为“海市”现象做解释和复证。以上文献中的解释与中国古人对“海市”现象给出的解释是不同的理由，而具有决定性的因素就是可以利用科学实验的方法来复证这种“海市”现象。《光论》的作者指出:“设人疑此说不确，可用铁条烧红，在其面上置放一物，能见真形并见假像倒像，热铁面上之风气如上所说，渐近渐疏之理相仿。” 科学实验的引入，可以使得“海市”现象不再具有神秘的色彩，而且这种科学实验是在日常生活汇总非常容易做到的。从接收者的角度来讲，这种科学解释更容易被人接受。王锦光曾指出:“惜《光论》译成之后，未能及时出版，后来作为“西学”收入到江标（1860—1899年）主编的《灵鹣阁丛书》中，才行于世。” 虽然《光论》一书没有在当时及时刊印，但这仍证明了在十九世纪里中国的知识分子已经接触到了对于“海市”现象形成原因的科学解释。戴年祖也指出:“在1853年，由艾约瑟（Joseph Edkins，1823～1905年）口译和张福僖（？～1862年）合译的《光论》出版，大气折射和蜃景产生的原因才在中国传播。”

在《格物入门》中的引入的实验不同于《光论》中的实验，其作者采取了利用光线分别在液体和空气中折射光的对比情况：“问：物在地上、空中成影何解？答：亦天气折光之故也…问：此理何法试验？答：玻璃瓶内，灌以稠糖水，复灌清水，以纸书大字，隔糖隔水窥之，字体俱正也，隔糖与水相合处窥之，其字便倒矣，此因稠稀折光有多寡之故耳。” 以上文献中所列举的科学实验，都是现实中可以容易实现的实验，这样就增加了科学解释的可信度。

从科学哲学的角度来分析，科学理论具有诸多功能，其解释的功能是“科学之为科学”的必要条件之一。科学理论的解释功能，与超自然因素的解释、常识解释等“非科学解释”有着明显的区别。“非科学解释”只是回答了“what”提出的问题。而科学解释是对自然现象的深入分析和探讨，是去解释每一个自然现象是怎么样产生的过程，即是回答“how”和“why”提出的问题，并且通过科学解释可以完全复原和证实自然现象的发生。鸦片战争之后，西方的光学著作和译著被引入到中国。在这些文献中的科学实验还没有能达到现代科学要求的严格意义上的定量分析与可控条件相结合。但是对于接受西方光学的中国人来说，这已经是向着“科学”迈进了一大步。进入二十世纪之后，随着留学生的回国，以及源源不断的西方更新的光学著作和教科书的引进，中国人逐渐摆脱了依靠外国传教士研究光学的办法，走上了中国人自己研究光学的道路。

3 结论

本文通过对“海市”这种自然光现象的个案分析，可以得出这样一个结论，即：在十九世纪之前，中国古人对于这种自然光现象的解释在本质上都是“非科学解释”，而进入十九世纪之后，中国光学研究对于这种自然光现象的成因研究给予了一种“新解释”。这种“新解释”主要体现在三个方面：首先，通过“蒙气差”这样的科学概念来指出两种光学现象产生的真正原因；其次，运用西方光学的折射定律与反射定律来配合光路图对“海市”现象产生的过程进行辅助说明；第三，引入科学实验来复证“海市”现象。综上所述，十九世纪中国光学研究对于“海市”现象的成因完成了一次从“非科学解释”到“科学解释”的转型。

[1][2]（宋）沈括 著,金良年,胡小静译.梦溪笔谈[M].上海:上海古籍出版社, 2013. 205.

[3][4][5]王赛时.中国古代对海市蜃楼的记载与探索[C].中国科技史料第9卷, 1988, （4）: 67.

[6]王赛时.中国古代对海市蜃楼的记载与探索[C]. 中国科技史料, 1988, 9（4）: 68.

[7]王栋.中国古代科学解释的一些例证解析[C].上海市科技史年会2006年学术会论文.

[8]刘昭民.我国古代对蜃景现象之认识[C].中国科技史料, 1990, 11（2）: 20.

[9]王锦光,余善玲. 张福僖和《光论》[J].自然科学史研究, 1984, （2）:189.

[10]（英）艾约瑟 口译,（清）张福僖笔述.光论[M]. 丛书集成初编本, 1853. 7.

[11]（英）艾约瑟 口译,（清）张福僖笔述.光论[M]. 丛书集成初编本, 1853. 8.

[12][13]（英）合信编纂.博物新编—光论[M].上海墨海书馆印行本, 1855.46.

[14]（美）丁韪良撰, 本山渐吉训点. 格物入门—论光[M].东京: 明亲馆, 1869.49.

[15][16]（英）傅兰雅著,格致须知-光学须知[M].光绪二十一年刻本,1895.19.

[17]（英）傅兰雅著, 格致须知-光学须知[M]. 光绪二十一年刻本, 1895. 9.

[18]（英）田大里原著,（美）金楷里口译,（清）赵元益笔述.光学[M]. 上海:上海江南制造局刊本, 1876. 12.

[19]（英）艾约瑟口译,（清）张福僖笔述.光论[M]. 丛书集成初编本, 1853.10.

[20]（英）傅兰雅译,（清）徐寿笔述.光学图说[M]. 益智书会本, 1890.3.

[21]（英）艾约瑟口译,（清）张福僖笔述.光论[M]. 丛书集成初编本, 1853.11.

[22]王锦光,洪震寰著.中国光学史[M].长沙:湖南教育出版社, 1986.126.

[23]戴年祖, 张旭敏著.中国物理学史大系—光学史[M]. 长沙:湖南教育出版社, 2001.328.

[24]（美）丁韪良撰,本山渐吉训点. 格物入门—论光[M]. 东京: 明亲馆, 1869.48.

（责任编辑：王保宁）

Mirage : A Case Study of the Transformation of Chinese Optics in the 19th Century

TIAN Feng
（School of History and Culture of Science ，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240）

“Mirage” is a optical phenomenon in nature, about which there were many historical material recorded in ancient Chinese texts and meanwhile, the corresponding explanations were given for the cause of the phenomenon. According to what were recorded in the texts, the phenomenon explained from the point of myth, common sense about nature, etc. All these explanations are in essence “non-scientific explanations”. After entering the 19th century, with the introduction of western optical works to China, new explanations were given by the field of optics, namely, the “scientific explanations”. The scientific explanations included three factors: scientific concept, scientific law and scientific experiment. Therefore, the transformation from “nonscientific explanations” to “scientific explanations” for the cause of the optical phenomenon “mirage”was accomplished by Chinese optics in the 19th century.

Mirage; optics; Transformation; Scientific explanations

G302

A

10.3969/j.issn1003-8256.2015.02.008

田锋（1983-），男，汉族，内蒙古呼伦贝尔人，上海交通大学在读博士研究生，研究方向：科学史与科学哲学。