中国古人对光照的认识*
2016-03-09张贝贝李晓兵
张贝贝 , 李晓兵
(中国科学技术大学 科技史与科技考古系,安徽 合肥 230026)
中国古人对光照的认识*
张贝贝 , 李晓兵
(中国科学技术大学 科技史与科技考古系,安徽 合肥230026)
文章依据古代文献中描述光照现象的史料,从光照与光源、空间、距离和外界环境的关系等方面探讨了古人对光照的认识,发现古人对光照的相关影响因素及其规律有明确的认识,这些认识对于指导古人的日常生活及从事一些相关的活动发挥了重要作用.
中国;古代;光照;认识
人类在生活中学会了利用各种光源进行照明.在描述光源的发光状态及照射距离与效果时,中国古人常用光照来表示.如北宋曾公亮等编《武经总要》有“系炬于木枝,光照数十里”[1]631之说,“光照数十里”描述的是光照射的距离.北宋《二程遗书》载:“人之于性,犹器之受光于日,日本不动之物,须是识在所行之先,譬如行路,须得光照.”[2]这里光照是指光源发光所产生的明亮效果.南宋《朱子语类》说:“亦如灯烛在此,而光照一室之内,未尝有一些不到也.”[3]这里“光照一室之内”描述的是光源照亮的空间范围.明代崔铣《士翼》称:“日常光照,月有盈亏.”[4]这里光照指光源的发光状态.古人在长期的生活实践中,对于光照与光源的关系、光照与空间距离及周围环境的关系等已经有了明确的认识,形成了初步的经验知识.这些知识对于指导古人的日常生活及从事相关活动发挥了重要作用.古文献中有不少关于光照知识的零散记载,当代科学史家对之也作了一些初步探讨,如王锦光等在《中国光学史》[5]中、戴念祖等在《中国物理学史大系·光学史》[6]中对《淮南子》、《论衡》及《潜夫论》中记载的几条光照知识进行了讨论;李鹏举从光度学概念和定律两方面讨论了赵友钦对中国古代光度学的贡献[7];王玉民研究了我国古代恒星[8]和流星[9]记录的亮度,张彦晓[10]考察了我国古代的照明,对光照知识也有所涉及.这些工作虽然对于了解古人的光照知识有所帮助,但不够全面、系统.笔者搜集了不少有关古代光照的史料,根据这些史料和前人的研究工作,拟对古代的光照知识做系统的分析,以期比较全面地反映古人在这方面所达到的认识.
1 光照与光源的关系
人眼之所以能够看到各种景象,莫不是借助于光,古人对此曾做过不少讨论.《墨经·经说下》云:“智以目见,而目以火见.”[11]《礼记·仲尼燕居》云:“譬如终夜有求于幽室之中,非烛何见?”[12]东汉王符在《潜夫论》中写道:“中穽深室,幽黑无见,及设盛烛,则百物彰矣.此则火之耀也,非目之光也,而目假之则为明矣.”[13]11这些史料说明,古人已经明确认识到,目能够看到物体,是借助于火烛等外界之光,而不是目本身有光;若外界无光,目视物则“幽黑无见”.
光的产生方式有很多种,自然界最大的光源是太阳,此外还有火光、闪电、荧光等.《周易·系辞传》云:“悬象著明,莫大乎日月.”[14]《古微书·孝经纬》说:“日中则光溢,日神五色,明照四方.”[15]在古人看来,太阳是最大的光源,中午时,日光似水一般溢出,其发光强度最大.京房说:“月与星至阴也,有形无光,日照之乃光.”[16]他认为星与月本无光,太阳照在其上才有光.根据现代天文知识可知,能看到的、会发光的天体大多数都是恒星.行星本身并不发光,我们看到的是它反射的太阳光,因此其亮度比较低.例如月亮的发光强度还不如蜡烛大.庾信《对烛赋》有云:“灯前桁衣疑不亮,月下穿针觉最难.”[17]坐在油灯下缝衣,难以看得清楚,月光下穿针更是很难做到的事情.
光照与光源的数量有密切关系,光源数量越多,光照越强,也即光照效果是可以叠加的.古人对此有明确的认识和应用.王符在《潜夫论》中论述了同一种光源在数量不同时光照效果的变化:“偶烛之施明于幽室也,前烛即尽照之矣,后烛入而益明.此非前烛昧而后烛彰也,乃二者相因而成大光.”[13]381王符描述的是两个光源的光照效果叠加现象.在幽室内先点燃一支蜡烛,然后再点燃一支,室内的亮度会比之前明显增加.他认为,这不是因为前面的蜡烛不够亮、后面点燃的蜡烛更亮,而是两者光照效果叠加才会使室内更加明亮.可见,古人已经认识到光照效果的叠加可使照度增加.古人还运用这一认识来解决一些生活中的实际问题,如《晋书·车胤传》记载:“胤恭勤不倦,博学多通,家贫不常得油,夏月则练囊盛数十萤火以照书,以夜继日焉.”[18]单个萤火虫的光照效果很差,在夜晚不足以照亮书上的文字,但车胤用囊装了许多只萤火虫,它们的光照效果叠加起来,就能在夜晚正常阅读,可以“以夜继日”了.这是古人对光源的光照效果叠加现象应用的实例.元代赵友钦用实验从反面证实了光照效果叠加现象,他在《革象新书·小罅光景》中说:“作两圆板,径广四尺,俱以蜡烛千余支密插于上,放置阱内而燃之,比其形如日月……又灭左阱之烛,但明二三十支,疏密得所.观其楼板之景,虽是周圆布置,各自点点,为方不相黏附而愈淡矣.”[19]本来阱中燃有千支蜡烛,当蜡烛的数量减少为二三十支时,再观察楼板上的像,它的亮度就“愈淡”了.这表明,当光源数量减少时,光照也随之减弱.
对于人造光源而言,火焰越大,光照即越强.火焰的大小与供氧情况、燃料多少有密切关系.对于灯火而言,灯芯越大,火焰就越大.唐代《法苑珠林》载:“诸灯皆灭,唯母一灯,三灭不尽.便举袈裟以扇之,灯光益明.”[20]在用袈裟扇灯火时,供氧更加充足,火焰会略微增大,灯光越加明亮.唐代马总《意林》云:“如灯火之于脂膏,炷大而明,明则膏消;炷小而暗,暗则膏息,息则能长久也.”[21]灯芯大的时候,火焰就大,灯光就明亮;反之,灯芯小则火焰小,灯光相应的就暗些.明末方以智《物理小识》载:“灯加腻而益明”.[22]灯加油后,由于燃料充足,火焰变大,灯光就越发明亮.
使用不同燃料的人造光源,其光照效果是不同的,古人对此已有明确认识.明代范景文《战守全书》说:“守城用烛不如用松明,一松明可代十灯.”[23]以松明照明,亮度既高,价格又低,一个松明灯可以代替十个灯烛,因此范景文提出以其代替灯烛照明.《战守全书》中提到一种以松明为燃料的发光器具“火毬”:“至于夜间守城,用灯烛所费甚多,且皆高悬于垜上,是使贼得以视我,我不便视贼,其利在彼矣,甚非所宜.为今之计,应造铁火毬,中燃松柴,价比欍烛相去倍蓰,况火光散阔极远,比灯火相去千万.”[23]“火毬”所用的燃料不仅价格只是欍烛的五分之一,而且光照射的距离比较远,远胜于普通灯火.
不同光源亮度不同,古人对此有明确认识.《淮南子·说林训》“百星之明不如一月之光”[24]表达的即是这种认识.《法苑珠林》说:“萤火之明不如灯烛之明,灯烛之明不如炬火,炬火之明不如火……”[25]这里比较了萤火、灯烛、炬火和火的亮度差别,得出它们亮度的大小关系.徐元太在《喻林》中说得更为明白:“如世间中灯油之光,于萤火光为广为大,显照明净,超过最胜;烛炬之耀,超胜灯光,庭燎火聚,又胜烛炬;药草发光,踰于火聚,星宿之光,倍过药草;满月流光,又过星耀;炎盛日光,踰超于月……此人间萤火之明,不如灯火之明;灯火之明,不如炬火之明;炬火之明,不如大火之明;大火之明,不如星之明;星之明不如月之明,月之明不如日之明.”[26]光使眼睛产生明暗感觉的程度是无法作定量比较的,但人的视觉能够相当精确地判断两种光源的明暗感觉是否相同.[27]古人根据自己的直观感受对这些光源的亮度进行比较,是经验性的认识.他们已经认识到不同光源的亮度是不同的,并能比较出两种光源亮度的大小.
综上可知,古人对光照与光源关系的认识体现在:光源是产生光照的必要条件,光源的数量以及人造光源所用燃料种类、数量和供氧情况都能影响光照效果,并能比较不同光源亮度的大小.古人在对光源进行选择和改进过程中,不断加深对光照的认识,形成系统的经验知识.
2 光照与空间、距离的关系
光照与受光的空间和距离有关.受光的空间越大,光照的范围也就越大;距离光源越远,光的亮度越弱.对此,古人已有明确的认识.
对于同一光源,采光空间越大,则光照的区域就越大.西汉《淮南子·说山训》指出:“受光于隙,照一隅;受光于牖,照北壁;受光于户,照室中无遗物.”[28]695宋代崔敦礼说得更为明确:“受光于隙,照一隅;受光于牖,照北壁;受光于庭户,照满室;受光于天下,照四方无遗物……所受小则所照者狭,所受大则所照者博”.[29]采光空间小,所接受的光通量即少,能照到的空间就狭小;反之亦然.
元代赵友钦在《革象新书·小罅光景》中记载其所做的光照实验现象时说:“罅渐窄,则景渐淡.景渐远,则周径渐广而愈加淡.大罅之景,渐远亦渐广,然不减其浓.此则浓淡之别也.”[19]他在实验中发现,采光的“罅”(小孔)越小,光源所成的像就越暗.赵友钦对此解释说:“所以有浓淡之殊者,盖两处皆千景叠砌,圆径若无广狭之分,但见其窍宽者所容之光较多,乃千景皆广而叠砌稠厚,所以浓.窍窄者所容之光较少,乃千景皆狭而叠砌稀薄,所以淡.”[19]“窍”越大,通过“窍”的光就越多,像即越亮;反之,“窍”越小,通过“窍”的光就越少,像即越暗.这种解释是正确的.
光源所照明的空间范围是有限的.唐代杜佑《通典》说:“松明以铁锁缒下巡城照,恐敌人夜中乘城而上;夜中城外每三十步悬大灯于城半腹.”[30]800这表明,古代巡城所用的灯光在方圆三十步内可以看清周围的事物.唐代“度地以五尺为步,三百六十步为一里”.[31]据闻人军考证,[32]唐代的大里*唐尺有大、小尺之分,小尺用于调乐律、测日影等,大尺用于建筑、大地测量等.为531.486米,故三十步相当于现代44.29米.于城外每三十步而设一灯,反映了古人对光所照空间的充分运用.
至于光照与距离的关系,东汉王充已做出了正确的解释,他在《论衡》中写道:“试使一人把大炬火夜行于道,平易无险,去人不一里,火光灭矣,非灭也,远也.”[33]171随着炬火离人越来越远,人能观察到的火光亮度也越来越弱,直至看不到.究其原因,不是炬火熄灭了,而是因为距离太远,光照随距离的增加而减弱太甚,所以才看不到炬火之光.赵友钦通过实验发现,在其他条件不变的情况下,像离光源越近就越亮,越远则越暗,表明光照随距离增大而减弱.这是中国古代通过科学实验得出的明确结论.
古代的烽燧制度,则比较充分地体现了古人对光照与距离关系的认识与运用.
烽火是古人发明的一种利用光现象传递信息的重要方法.古代在边疆地区相隔一定的距离设置烽火台,采用“白日放烟,夜则放火”的方式把紧急军情传递出去,这种做法称为烽燧.两个烽火台之间的距离远近,以彼此恰好能够看到对方的火光为限.东汉刘珍在《东观汉记·马成传》中提到了烽火台的设置距离:“马成缮治亭障,自西河至渭桥,河上至安邑,太原至井陉,中山至邺,皆筑堡壁,起烽燧,十里一候.”[34]“候”即候望,指烽火台.由此可见,汉代人已经认识到光照与距离的远近是有关系的,从而根据积薪燃烧时所发光的强弱来设置各候望台之间的最佳距离.据闻人军考证,[32]东汉前期一里为414.0米,东汉后期一里为426.6米.马成是东汉开国功臣之一,故其所处时代为东汉前期,因此当时十里为4140米,即4.14公里.火光所照的距离与燃火材料的种类和数量有关,采用适当的燃火材料,烽火台又是建在不受山林遮挡的高处,故“十里一候”是可以彼此望见的.
唐代以前,大都沿袭汉代的烽燧设置制度.自唐代始,烽燧制度有了不少改进.唐代杜佑《通典》中有“每二十里置一烽”的记载:“诸军马拟停三五日,即须去军三百里以来安置爟烽,如有动静举烽相报,其烽并于贼路左侧,逐要置,每二十里置一烽.”[30]828此为军队暂时停留在某地时,在方圆三百里内临时设置的烽燧装置,无法与边境上专门建造的烽火台相比,但烽燧彼此间隔“二十里”也远胜于汉代的“十里”.关于唐代的烽燧制度还有“每三十里置一烽”之说,唐代官修政书《唐六典》中记载:“凡烽候所置,大率相去三十里.若有山冈隔绝,须逐便安置,得相望见,不必要限三十里.”[35]《武经总要》中提到唐代烽火制度时说:“唐法:凡边城候望,每三十里置一烽.”[1]297从汉代的烽燧之间相隔十里,到唐代间隔二十里甚至三十里,说明唐代的烽燧技术有很大的进步,在烽燧的设置上可以间隔更大,从而节约人力物力.如前所述,古代各个时期的里亩制度是不同的.据闻人军考证[32],唐大里为531.486米,故唐代“二十里”为10629.72米,即10.62972公里,“三十里”则为15.94458公里.要在这么远的距离望见烽火,就必须设法增大其发光强度.由此推测, 唐代烽火台所用的燃火材料会更好、数量更多,燃烧方式更加合理.考古发现,汉代烽火台所用的燃火材料是苣草,其中“大苣长233厘米,直径5厘米,用苇根捆扎六道.中苣长33~35.5厘米,直径4.5厘米左右,个别有用麻绳捆扎二至四道.”[36]杜佑《通典》[30]801和李荃《太白阴经》[37]中记载的唐代烽火台所用燃料为“柴笼”.《武经总要》中提到“唐李荃所记法制适与今同”[1]297,对于所燃材料,书中提到“在烽贮备之物要柴藁木材”[1]297,此应为“柴笼”.另外,对于“用烽之法”,《武经总要》说“应火炬长八尺”[1]297,据闻人军的考证[32],宋代一尺为31.2厘米,“八尺”即为249.6厘米.从以上各方面的记载来看,与汉代捆在一起的苣草相比,唐代用柴藁木材搭建的“柴笼”,从材质、大小还有供氧方面都更胜一筹,其火势显然更大,光照也更强,传播的距离自然也比汉代的“十里”要远,能够达到“二十里”甚至是“三十里”.
明代戚继光对烽燧设置也做过分析.在讨论如何保障烽燧传递信息的效果时,他指出:“南方狼粪既少,烟火失制,拱把之草,火燃不久,十里之外,岂能目视?且遇阴霾昼晦,何以相瞭?故必用立此大茅屋,积草柴既多,火势大而且久,庶邻墩相望可见.其屋内不拘柴草,务相均停,一层柴,一层草,填实盈满.”[38]北方可以用狼粪,南方以柴草代之.如果使柴草之光能够传至十里之外,则需大量的柴草.柴草多,火势大,所发光就越强、光照的距离越远.
为了区别不同的敌情,古人用燃烧不同数量的火炬来传递信息.据《武经总要》记载:“置烽之法,每烽别有土筒四口,筒间火台四具,台上插橛.拟安火炬,各相去二十五步,如山险地狭不及二十五步,但取应火分明,不须限远近.”[1]297“置烽之法”要求火炬之间的间距为25步,若地理位置不允许的话,则应至少保证一定的距离以使远处能够分辨清楚火炬的数目.这是因为,如果两个火炬的距离很近,则随着观察距离的增加,会将两个火炬看作一个,以至于无法分辨.
丘浚在《大学衍义补》中提到对光的颜色运用:“若夫烽燧之制,古人昼则燔燧,夜则举熢,偶遇风劲则烟斜而不能示远,值霖雨则火郁而不能大明,宜于墩台之上立为长竿,分为三等,上悬红灯以灯数多寡为缓急众寡之候.所谓红灯者,煅羊角及鱼魫为之而染以红,遇夜则悬以示远,数百里之间举目可见矣.”[39]黑夜中,红光对人眼视网膜的刺激会强烈些,容易看到.至于数百里可见,则明显为夸张说法.
此外,烽燧并不仅用于古代的陆军作战,在古代水战中也有所运用.明代戚继光在《纪效新书·治水兵篇》中云:“往来巡哨,遇有警急,各在信地登各相近山上,先行举放烟火.所在兵船,瞭见火光烟焰,就行开帆,望火前进哨剿.”[40]可见,明代水军也用烽燧传递信号,从而进行战事安排,但是限于当时哨船上的条件,无法实现在船上运用烽燧传递信息,而是要到就近的山上施放烟火,并且要达到一定的火势,以确保远处的兵船能看到信号.
总之,古人对光照与空间、距离之间的定性关系有了明确的认识,并在采光、合理设置光源位置以及烽燧传递军情等方面有了重要应用,以充分利用光源的光照效果.
3 光照与外界环境的关系
光照不仅与光源、空间和距离有关,还受外界环境的影响,如传播光的介质状况、有无其他光源存在、环境的明暗程度等都对光照产生一定影响.对此,古人也有一些观察和讨论.
《淮南子·说林训》说:“明月之光可以远望,而不可以细书;甚雾之朝可以细书,而不可以远望寻常之外.”[24]703大雾的早晨可以看清近距离的事物,而不能看清远方的事物.这是因为雾气由小水滴构成,在人和物体之间的雾气会使物体表面反射的光线到达人眼之前发生散射,从而进入人眼的光线强度会变弱.
若光源周围有其他强光源存在,则此光源的光照就会显得弱很多.《淮南子·说山训》说:“日出星不见,不能与之争光也”.[28]690太阳一出,纵使星星有光,却是完全被太阳光所掩盖.三国时,曹植在一首诗里描述了日落而月现,月未圆满之时,繁星满天的现象:“惊风飘白日,忽然归西山.圆景光未满,众星灿以繁.”[41]曹操《短歌行》中有“月明星稀”[42]的诗句.月光明澈,会掩盖星星的亮度.所以会造成月满时夜空星稀,月亏时夜空星密的现象.唐代韦琮的《月明星稀赋》对此描写得最为形象:“伊圆光之未呈,观列象之繁星;忽升轮以委照,齐掩缛而韬精.”[43]这些文献表明,古人已认识到,发光强度大的光源会把光强度比之弱很多的其他光源掩盖或者使其光照变弱.
《列子·汤问篇》提出“小儿辩日”问题后,引起了不少古代学者的关注.王充在解释太阳“日中时小,出入时大”现象时说:“日中时日小,其出入时大者,日中光明故小,其出入时光暗故大,犹昼日察火光小,夜察之火光大也.既以火为效,又以星为验,昼日星不见者,光耀灭之也,夜无光耀,星乃见.夫日月,星之类也.平旦日入光销,故视大也.”[33]172“日中时日小,其出入时大”,是由光渗现象、大气的吸收和消光作用,以及视觉效应等引起的.这些因素共同造成了日中时光明故小、出入时光暗故大.王充说白天看火光,其光亮显得小;夜里看火光,由于所处的环境比较黑,所以火的光亮才会比白天的明显很多.白天由于阳光太强,看不到星星;夜晚时,没有太阳强烈的光照,才可以看到星星.这些说法是正确的.东汉张衡在《灵宪》中也描述过类似的现象:“火当夜而扬光,在昼则不明也.”[44]这些都说明,古人已认识到周围环境的明亮程度对光源的光照会产生显著的影响,若环境较亮,则光照显得较弱,若环境较暗,则光照显得较强.
外界环境中有多种因素对光照产生影响,但限于古代的认知水平,古人的认识主要局限于雾、其他光源以及环境明暗程度等几种因素,并不全面和深入.
4 结语
光照与古人的日常活动息息相关.古人在生活实践中形成了丰富的关于光照现象的经验知识,对于光照与光源、空间、距离以及外界环境的关系有了比较充分的认识.这些认识反映了古人对光照现象的观察和思考,并被用以指导生活实践,在设计光源、采光、传递军情信息等方面发挥了重要作用.
致谢:在写作和修改过程中,得到导师胡化凯教授的悉心指导,笔者在此深表感谢!
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[责任编辑黄祖宾]
[责任校对苏琴]
Ancient Chinese People's Understanding of Illumination
ZHANG Bei-bei,LI Xiao-bing
(UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China)
According to the historical materials in ancient documents, this paper explored it from the relationship between illumination and light source, space, distance, external environment, etc. We found that the ancients had explicit understanding on the influence factors and regularities of illumination, and this knowledge played an important role in guiding ancients' daily life and engaging in related activities.
China; ancient; illumination; understanding
2016-03-04.
张贝贝(1990-),女,安徽阜阳人,中国科学技术大学科学技术史专业硕士研究生,研究方向:物理学史.
N09
A
1673-8462(2016)02-0016-05