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摘要:本文通过对《革象新书》的深入研究,详细阐述了赵友钦的科学思想:其中主要有“日之圆体大,月之圆体小”说;恒星测定新法“同时参验”说;“小罅光景”的光学成就等,说明了我国古代道教学者对天体物理学的巨大贡献。 关键词:赵友钦《革象新书》科学思想 中图分类号:P14文献标识码:A文章编号:1004-518X(1999)10-0042-04 赵友钦是宋元时期著名的道教科学家,所著《革象新书》是一部中国古代科学专著,其中蕴涵了丰富的天文物理思想,将中国古代传统思想推向了一个新的发展水平。本文拟就这一问题进行专论,不妥之处,敬请同行指正。 赵友钦本人在道教史上有一定的地位,是宋元时活跃于江浙湘闽一带金丹派李珏———陈致虚一系的重要传人。关于赵友钦的里贯、字号有不同说法。明宋濂《革象新书原序》称:“先生鄱阳人,隐遁自晦,不知其名若字,或曰名敬字子恭,或曰友钦,其名弗能详也。故世因其自号称之为缘督先生。”①赵友钦的徒弟陈致虚所撰《上阳子金丹大要列仙志》以及《江西通志·仙释》皆载有其生平小传,谓“缘督真人,姓赵讳友钦,字缘督,饶郡人也,为赵宗子,幼遭劫火,圣(早)有山林之趣,极聪敏,天文经纬地理术数莫不精通。及得紫琼师授以金丹大道,乃搜群书经传,作三教一家之文,名之曰《仙佛同源》,又作《金丹问难》等书行于世。己已之秋寓衡阳以金丹妙道悉付上阳子。”②“少习天官遁甲……洪武初坐化葬龙游鸡鸣山。其所著有《仙佛同源》、《金丹正理》、《盟天录》诸篇,今所存者,《革象新书》而已。”③ 《四库全书》收有《革象新书》二种版本,一为《永乐大典》中的原本计五卷,一为明代王祎删定的二卷节本。关于《革象新书》的传刻,宋濂云:“《革象新书》者,赵缘督先生之所著也……原有朱晖德明者,龙游人也,久从先生游,得其星历之学,因获受是书。而晖亦以占天名家。晖既没门人同里章浚深惧泯灭无传,亟正舛讹刻于文梓而徵濂为序。”④《革象新书》后由金华王祎删定为上下两卷本,此后又多次重印,故二卷本较五卷原本流行。清乾隆间四库馆臣认为“二本所载亦互有短长,并录存之亦足以资参政。”⑤故从《永乐大典》中辑出赵友钦原本与王祎删定的节本一同收入《四库全书》中。 《革象新书》乃司天之书,共有32篇,论述了中国传统天文学的32个问题。即天道左旋、日至之景、岁序终始、闰定四时、天周岁终、历法改革、星分棋布、日道岁差、黄道损益、积年日法、元会运世、气朔灭没、日月盈缩、日月九行、时分百刻、昼夜短长、气积寒暑、天地正中、地域远近、月体半明、日月薄食、目轮分视、五纬距合、盖天舛理、浑仪制度、经星定躔、横度去极、占星知交、偏远难则、小罅光景、句股测天、乾象周髀。纵观全书,作者对前人天文学问题作了系统总结和归纳。书中虽有失误之处,例如仍然把大地看作平面,使用勾股法测定天体的远近,但“其覃思推究颇亦发前人所未发”⑥,书中蕴涵着许多赵友钦本人在观星测天中所独创的天文物理思想⑦。下面我们结合具体内容进行论析。 1、“日之圆体大,月之圆体小”的思想 中国古代传统天文观念一直认为日月等大,体积相同。然而赵友钦发现在解释日月食现象时,必须假定月在日下,月的视直径就应比日大,可二者看上去是一样的。这一问题长期困扰着中国古代天文宇宙结构理论,直到赵友钦才得以圆满解决。赵友钦通过长期的天文观测,在视角问题上提出了自己的独到见解,指出“日虽与人相远,天去人为尤远,近视则小,犹大远视则虽广犹窄。”⑧也就是说,远视物则微,近视物则大,近视虽小犹大,远视则虽广犹窄。根据这一视角认识,赵友钦明确指出: 日之圆体大,月之圆体小。日道之周围亦大,月道之周围亦小。日道距天较近,月道距天较远。月道在日道内亦似小环在大环之中,周遭相距之数不殊。日月之体与所行之道虽周径有少广之差,然月与人相近,日与人相远,故月体因近视而可比日体之大,月道因近视而可比日道之广,亦犹日道之可比天道。⑨ 赵友钦这里所得出的“日之圆体大,月之圆体小”的论断是中国古代天文学史上的一个创新思想,推动了古代天文知识的发展。 2、“同时参验”的恒星测量思想 赵友钦在恒星观测上颇有建树,曾绘制过大型星图,并勒石为碑。⑩赵友钦的恒星测量思想方法十分先进和科学,他在《革象新书》卷四“经星定躔”与“横度去极”中创造性地提出测定恒星入宿度和去极度的两种新方法。 中国天文学上测量天体的入宿去极,传统方法离不开浑仪或简仪。其方法是先按赤道环上二十八宿距度对准二十八宿距星,然后旋转四游环用窥管对准观测的星体。这种观测法必须依赖大型仪器才能进行。而赵友钦经过实践探索,提出了两种实用而科学的测量方法,即用漏壶定时刻,以时间差来测定经星的入宿度;立一四柱木架测经星的去极度。这两种新方法不用大型复杂的浑仪或简仪,便于民间天文学家观测星象。需要特别指出的是,赵友钦在论说这两种测量新方法时,反复强调要分两组对照观测并多次测量以避免误差,提高精确度。下面以“经星定躔”为例对此观测思想略作分析。 赵友钦在卷四《经星定躔》中云:“古者逐夜测验中星遂知黄道各宿度数,又以浑仪比较而后定,……今别作一术测之于地中,置立壶箭刻漏……此壶漏不常用但以推测经星度数。”○11 赵友钦提出了一种测定两颗恒星上中天的“恒星时”时刻差来求它们之间的赤经差之新方法,并巧妙地制造出了这种由两漏壶为主构成的测经仪。 为了提高观测精度和可靠性,赵友钦又提出“然亦当用两人(组)以两架测之,庶几可以彼此参较。观象者候视各宿,若距星当罅中随即声说,看箭者言其箭画目,秉笔者记之。”○12赵友钦认为在测量过程中应把观测人员分为两组,分别用两架相同测经仪同时观测,这样就可以彼此参验、对照观测结果。 更为难能可贵的是,赵友钦还提出为了避免误差,提高测量的精确度,必须进行多次测量,“须当再验三四夜,以审定焉。”○13也就是以多次测量的平均值来计算恒星赤经差。这一立两架同时参验、多次观测以消除误差的观测思想,在中国科学思想发展史上是极为先进和科学的,它充分显示了赵友钦作为一名实验科学家所具有的深邃科学思想。 3、“小罅光景”的光学成就及其科学思想 赵友钦在中国传统科技史上最有影响的成就是在光学领域。我国古代很早就对光线直进、针孔成象等问题进行了研究,《墨经》、《梦溪笔谈》中就有这方面的讨论记录。然而在中国科技史上对光线直进、针孔成象与照度最有研究并最早进行大规模实验者当推赵友钦。○14赵友钦在卷五《小罅光景》中精心设计了一个相当完备而又十分复杂的大型光学实验,这个光学实验被公认为世界物理史上的一个独创,享有盛誉。 《小罅光景》从内容上可分前后两大部分。前一部分主要是关于壁间小孔成象。 室有小罅,虽不皆圆而罅景所射未有不圆。乃至日食则罅景亦如所食分数。罅虽宽窄不同,景却周径相等,但宽者浓而窄者淡。若以物障其所射之处,迎此景于障物上,则此景较狭而加浓。○15 赵友钦善于观察,他发现光线透过小孔时有一些特殊现象:日光、月光通过壁间小孔,小孔虽然不圆,但所得到的象却皆呈圆形;在日食发生时所观察到的象和日食的分数相同;小孔的大小虽有不同,但象的大小相等,只是浓淡不同(即照度不同)。如果把象屏移向小孔,则象变小,照度加大。这些光学现象引起赵友钦的深思: 予始未悟其理因熟思之。凡大罅有景必随罅之方圆长短尖斜而不别,乃因罅大而可容日月之体也。若罅小则不足容日月之体,是以随日月之形而皆圆,及其缺则皆缺。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。○16 赵友钦经过反复实验和思索,终于找到了原因:由于“罅小则不足容日月之体,是以随日月之形而皆圆,乃其缺则缺”。如果把小孔逐渐缩小,则像逐渐变淡。如果把像屏逐渐移远,像逐渐加大而照度减小。通过这一实验研究,赵友钦正确地得出了小孔成(倒)像的光学思想。同时赵友钦对大孔成(正)像(指明亮部分)、照度问题也有正确认识。他发现如果墙壁的孔相当大,则情况有所变化,象必随孔的方、圆、长短、尖和斜而与大孔的形状相类似,这是因为“罅大而可容日月之体也”。由于《小罅光景》的前一部分实验是以日、月为光源,只能改变孔的大小、形状及象距,故实验研究的范围受到限制。为了克服这一局限性,赵友钦在《小罅光景》后一部分中又别出新裁地设计了一套小孔成像实验,这一大型的光学实验是全篇的重点内容。其实验装置原文如下: 假于两间,楼下各穿圆阱于当中,径皆四尺余,右阱深四尺,左阱深八尺,置桌案于左阱内,案高四尺,如此则虽深八尺只如右阱之浅。作两圆板,径广四尺,俱以蜡烛千余枝密插于上,放置阱内而燃之。比其形于日月,更作两圆板径广五尺,覆于阱口,地上板心各开方窍。○17 赵友钦选取楼房作为实验场所,在楼下两个房间的地面上挖两个直径四尺多的圆阱,右阱深四尺,左阱深八尺,根据实验需要,可在左阱中另放一张四尺高的桌子。取两块直径为四尺的圆板,每块板上密插上一千多支蜡烛,分别点燃,放入阱底(或桌面上)作为实验光源。分别用中心开孔的木板遮盖阱口。楼板在实验中可作为固定像屏。 这一光学实验构思巧妙,其实验设计思想的先进性和科学性有三点:其一,蜡烛放在阱内,烛焰比较稳定;其二,将光源封闭在圆阱中,光线只能从板孔中穿出,这样就可以保证观察结果的准确和清晰;其三,在地下深挖圆阱,增大了光线与象屏之间的间距,扩大了调节范围。 整个实验分五个基本步骤进行。 第一,保持光源、小孔、像屏三者之间距离不变,点燃蜡烛,两边楼板(屏幕)上所成的像(明亮部分)形状相同,“总成一景而圆”,然而“却有一浓一淡之殊”。对于这一结果,赵友钦“详察其理”,指出都呈圆像可用光线直进原理来解释。对于像的浓淡原因,赵友钦指出:“所以有浓淡之殊者,盖两处皆得千景叠砌,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。”○18这一解释通俗易懂。 第二,改变光源。赵友钦进行了一个“小景随日月亏食”的模拟实验,“向右阱东边减却五百烛,观其左间楼板之景缺其半于西,乃小景随日月亏食之理也。”○19接着,赵友钦“又灭左阱之烛但明二三十枝,疏密得所。观其楼板之景,虽是周圆布置各自点点为方,不相粘附而愈淡矣。”○20这一实验结果揭示了光学理论的一个思想,即距离不变时,物体上的照度正比于光源强度。 第三,赵友钦又改变了一下实验装置:“别将广大之板二片各悬于楼板之下较低数尺,以障楼板而迎夺其景”,将像距缩小。实验结果发现:“此景较于楼板者敛狭而加浓。所以迎夺其景者表其景近则狭而浓,远则广而淡也。”○21为什么会出现这样的情况?赵友钦做了正确解释:“烛光斜射愈远则所至愈偏,则距中之数愈多,围旁皆斜射,所以愈偏则周径愈广,景之周径虽广,烛之光焰不增,如是则千景展开而重叠者薄。所以愈广则愈淡,亦如水多则味减也。”○22这一实验结果实际上揭示了一个光学思想,即在平行光线照射下,被照面上的照度随光线入射角的大小而变化。 第四,赵友钦再次改变了一下实验装置:“去其所悬之板,举其左阱连板之烛,撤去阱内桌案,复燃连板之烛,置于阱底而?掩)之。”○23即保持光源强度、孔的大小和像距不变,改变物距。其实验结果是:“窍既远于烛,景则敛而狭。”○24对这一光学现象,赵友钦做了探讨,指出:“所以敛狭者盖是窍与烛相远则斜射之光敛而稍直,光皆敛直,则景不得不狭,景狭则色当浓,浊远则光必薄,是以难于加浓也。”○25 第五,赵友钦又改变孔的大小和形状,对大孔成像也做了实验研究,并与小孔成像进行了对比分析。 通过上述一系列实验研究,赵友钦归纳出小孔成像的规律:“景之远近在窍外,烛之远近在窍内。凡景近窍者狭,景远窍者广;烛远窍者景亦狭,烛近窍者景亦广。景广则淡,景狭则浓。 烛虽近而光衰者,景亦淡;烛虽远而光盛者,景亦浓。由是察之,烛也、光也、窍也、景也四者消长胜负皆所当论者也。”○26这里,赵友钦通过实验实际上已经定性地得出了光学的一个基本定律思想,即照度随光源的强度增大而增大,随距离的增大而减小。这一照度随距离成反比的光学思想早于西方科学四百年。 注: ①④《革象新书原序》,《四库全书》第786册,第274、274-275页。 ②《上阳子金丹大要列仙志》,《道藏》第24册,第76-77页。 ③清刘坤一修,赵之谦纂,《江西通志》卷一百八十《仙释》。 ⑤⑥《四库全书提要》,《四库全书》第786册,第222、223页。 ⑦赵友钦在数学上也很有造诣。卷五《乾象周髀》中关于平面割图术的研究对传统“割圆术”思想有一定的发展。 ⑧⑨《革象新书》卷三《日月薄星》,《四库全书》第786册第245、246页。 ○10关于赵友钦石刻星图,清初著名天算家梅文鼎《中西经星同异考·序》称“余尝见元赵缘督友钦石刻图”。据此推断,此星图于清初尚存,惜后失传。 ○11○12○13《革象新书》卷四《经星定躔》,《四库全书》第786册,第257、257、258页。 ○14王锦光:“赵友钦及其光学研究”,《科技史文集》第12辑,上海科学技术出版社1984年版。 ○15○16○17○18○19○20○21○22○23○24○25○26《革象新书》卷五《小罅光景》,《四库全书》第786册,第263、263、263、264、 264、264、264、264、264、264、264、264页。 (责任编辑：admin) |