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第8章 对光学仪器的研制

凡是利用光学原理进行观察或测量的装置,叫作“光学仪器”。我国古代劳动人民根据平面镜、球面镜及透镜具有的奇特现象制作了大量光学仪器。

我国古代曾经制造了世界上最早的光学仪器铜镜和潜望镜。随着对凸面镜和凹面镜的认识,后来又进行了眼镜、望远镜、显微镜、探照灯等光学仪器的研制。

唐开元年间中秋之夜,唐明皇李隆基邀请申天师及方士罗公一同赏月。3个人赏月把酒言欢之际,唐明皇心悦,想到月宫游历一番。

于是,申天师作法,方士罗公远掷手杖于月空,化作一座银桥,桥的那边一座城阙,横匾上书:广寒清虚之府。

罗公远对唐明皇言道:“此乃月宫是也!”

唐明皇踏银桥升入月宫,见仙女婀娜多姿,翩翩起舞与广庭之上,看得皇上如痴如醉。他原本精熟乐律,闻听仙乐优美,便默记曲调,决定在他的皇宫奏出此曲。

回到人间后,唐明皇即令主管宫廷乐舞的官员依此整理出一首优美动听,仿佛天外之音的曲子,配上宫廷舞女的舞姿,即为著名的《霓裳羽衣曲》。

唐王游月宫的传说成为了流传千古的佳话,月宫也因此有“广寒宫”之称。辽代时期铸有“唐王游月宫镜”,以纪此事。此镜直径21.8厘米,厚0.75厘米,重达1460克,纹饰采用高浮雕和线雕相结合。

铜镜镜体犹如一轮满月,高低起伏的纹饰之间仿佛映现月中寒宫;月宫的楼阁时隐时现,摇曳的桂树在月影中晃动着枝头;捣药的玉兔分外高兴,迎客的金蟾舒展着身躯;随风的流云,弯曲的月桥,桥下水潭中现身的神龙跃跃欲试;驾云而来的唐王。好一派天上仙境,人间胜景,让人不能不感叹古人的智慧和独具匠心的铸造工艺。

其实,我国在3000年前就制造和使用铜镜,并且很早就对光的反射有深刻的认识。

我国古代造镜技术非常发达,并且对各种镜子成像原理有深入的研究。早在先秦时期,我国就已经使用铜镜,至今仍被人们看作世界文明史上的珍品。

除了铜镜外,古人还利用平面镜反射原理,制成了世界上最早的潜望镜。西汉时期淮南王刘安《淮南万毕术》一书中,有“取大镜高悬,置水盆于下,则见四邻矣”的记载。这个装置虽然粗糙,但是意义深远,近代所使用的潜望镜就是根据这个道理制造的。

在利用平面镜的同时,人们又发现了球面镜的奇特现象。球面镜有凹面镜和凸面镜两种。

认识凹面镜的聚焦特性,利用凹面镜向日取火,在我国有悠久的历史。在古代,我国把凹面镜叫作“阳燧”,意思就是利用太阳光来取火的工具,这是太阳能的最初利用。

早在春秋战国时期,墨翟和他的学生就对凹面镜进行了深入研究,并且把他们的研究成果,记载在《墨经》一书中。

他们通过实验发现,当物体放在球心之内时,得到的是正立的像,距球心近的像大,距球心远的像小。当时墨家已经明确地区分焦点和球心,把焦点称作“中燧”。

墨家对凸面镜也进行了研究,认识到物体不管是在凸面镜的什么地方,都只有一个正立的像。

宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中总结古代铸镜的技术说:如果镜大,就把镜面做成平面;如果镜小,就把镜面做成微凸,这样镜面虽然小,也能照全人的脸。

沈括还在前人研究的基础上,正确地表述了凹镜成像的原理。他指出:用手指放在凹面镜前成像,随着手指和镜面的距离远近移动,像就发生变化。

沈括用这个事例说明了凹面镜成像和焦点的关系。当手指迫近镜面的时候,得到的是正立的像;渐远就看不见像,这就是因为手指在焦点处不成像;超过了焦点,像就变成倒像。他指出四镜“聚光为一点”,他把这点叫做“碍”,就是近代光学上所谓的“焦点”。

由于我国古代没有应用玻璃,对于透镜的知识比较差。但是具有聪明才智的我国古代人民,通过特殊的方法,还是认识到凸透镜的聚焦现象。

晋代的科学家张华著的《博物志》一书中说:“削冰命圆,举以向日,以艾承其影,则得火。”这可以说是巧夺天工的发明创造。

冰遇热会融化,但是古人把它制成凸透镜,利用聚焦,来取得火。这看起来是不可思议的,但是事实上是可能的。

从这里可以看出,当时对凸透镜的聚焦已经有充分的认识。

古人不仅认识到了凹面镜和凸面镜的特点,还利用这一原理制造了望远镜等光学仪器。

望远镜在明清时期称为“远镜”、“千里镜”、“窥远镜”、“窥天镜”等。1631年,科学家薄珏创造性地把望远镜装置在自制的铜炮上。这一创举是很有意义的。后来,望远镜也被配置在天文观测与大地测量仪器上。明代历法家李天经领导的编订历法的“历局”也制造过望远镜。

明代末期光学仪器制造家孙云球最早研制成功望远镜。他曾经和一位近视朋友文康裔同登苏州郊外的虎丘山,使用自制的“存目镜”清楚地看到城内的楼台塔院,就连较远的天平、灵岩、穹窿等山也历历如在目前。

孙云球的“存目镜”据说能“百倍光明,无微不瞩”,大概就是放大镜。他还发明一种“察微镜”。

清代科学家郑复光在其所著的《镜镜詅痴》中对望远镜的种类、结构、原理、用法与保养,介绍得十分详细,而且切于实际,后人给予很高的评价。书中介绍过一种“通光显微镜”,基本上也还是放大镜,只是配上平面反射镜,能够减轻目力负担。

郑复光《镜镜詅痴》专门介绍过“取景镜”,不但有旧式的与改进式的,而且对于它的原理构造以及优缺点一一作出说明并附有装置图。这个取景器是在毛玻璃或在透明玻璃上铺上白纸摄取景物的实像。

大概在1844年至1867年之间,科学家邹伯奇在《镜镜詅痴》所介绍的取景器的基础上,去掉反射平面镜,加上照相感光片和快门、光圈等部件,制成了照相机。这在当时还是十分新奇的技术。

邹伯奇还摸索配制感光材料,又取得了很好的结果。他用自己研制的全套设备材料拍摄了不少照片,这些照片成为我国目前见到的最早的摄影作品之一。

其中一张现存于广州市博物馆,虽历时百余年仍然形象清晰,表明了邹伯奇研制的全套照相设备材料具有很高的质量。

据史籍记载,探照灯在我国明代末期,是将烛焰放在凹面镜附近的焦点上,烛焰所发出的光经凹面镜反射后,照到壁上,犹如月光照到壁上一般。

明代末期青年发明家黄履庄也制造出“瑞光镜”,最大的直径达五六尺。据说“光射数里”,“冬月人坐光中,遍体生温,如在太阳之下”。其射程和辐射热量有些夸张渲染。

由于当时只有蜡烛之类的光源,凹面镜的口径大,它所能容纳的光源也就大,这就使得人们可以提高光源强度,这样经过反射形成平行光以后,照在身上就有“遍体生温”的感觉,亮度也大大增加了。

明清时期我国民间研制的光学仪器还很多,例如万花筒、映画器、西湖景等,这些东西的研制也已经受到西方知识的启发。

从上面的介绍可以看出,光学仪器制造是我国古代物理学中的显著成就之一,表明我们祖先对人类科学的贡献。

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