阳燧照物




  这则笔记描述阳燧(古代的一种凹面镜)奇异的成像现象,并用生动的比喻阐述了这些现象产生的原因。从现代物理光学角度看,沈括在文中论及的光学现象主要包括以下几个方面:

  解释了凹面镜倒立成像的原因。沈括以为,阳燧的中间存在一个“碍”,因此照出的物像都是倒立的。这种“碍”是什么东西呢?沈括用船上安橹的小支柱、窗棂的缝隙、腰鼓的最细处作了形象的比喻。实际上“碍”就是现代光学中所讲的凹面镜的焦点。

  分析了小孔成像的成倒影问题。沈括观察了鹞鹰飞翔的情况。如果没有东西阻碍,鹰投射到地面的影子与其本身飞行的方向是一致的,如果受到窗户缝隙的阻碍,则鹰的投影与它的飞行方向相反。沈括同样也把这一现象归结为“中间有碍”的缘故,但究其实质,小孔成像与凹面镜成像是两类不同的光学现象。

  论述了凹面镜所成物像与物体距离的关系。沈括发现,当手指接近镜面的时候,可以看到一个正立的物像。手指后移,移动到一定的位置,物像会突然消失,这一处就是阳燧的“碍”。手指再向后移,消失的物像又重新出现,但已经是倒立的物像了。在这一实验中,沈括论证了物体在凹面镜焦点内、焦点上和焦点以外成像的重要规律。

  其实,早在两千多年前,古人就已经观察到凹面镜、小孔成像等一系列光学现象了。先秦墨家学派的代表著作《墨子》记载:“下者之人也高,高者之人也下,足蔽下光故成影于上,首蔽上光故成影于下。”这是世界上最早有系统的文献记录,已经达到很高的水平。沈括在笔记中论及的问题,正是对前人研究的继续和深入。

  阳燧【阳燧】古代照日取火的铜镜,是一种曲率很大的凹面镜。照物皆倒,中间有碍故也,算家【算家】指精通计算之术的人。谓之“格术”。【格术】我国古代推求球面镜原理与球面镜制作方法的算术。如人摇橹,臬【臬】指船上架橹的支柱。臬,音niè。 为之碍故也。若鸢【鸢】鹞鹰。鸢,音yuān。飞空中,其影随鸢而移;或中间为窗隙所束,则影与鸢遂相违,鸢东则影西,鸢西则影东。又如窗隙中楼塔之影,中间为窗所束,亦皆倒垂,与阳燧一也。阳燧面洼,以一指迫而照之则正,渐远则无所见,过此遂倒【“阳燧面洼”句】这是以手指为物像,人眼睛为受像器的凹面镜成像实验。当手指在镜面与焦点之间时,人眼处于反射光束中可以见到正立的虚像在镜面后。手指移到焦点之外,通过凹面镜的反射可以得到倒立的实像,并可被人眼接收……其无所见处,正如窗隙、橹臬、

  腰鼓【腰鼓】即杖鼓,一种中间细两头大的鼓。碍之,本末相格【格】相反相违。,遂成摇橹之势。故举手则影愈下,下手则影愈上,此其可见。(阳燧面洼,向日照之,光皆聚向内。离镜一、二寸,光聚为一点,大如麻菽【菽】豆子。菽,音shū。,著物则火发,此则腰鼓最细处也。)岂特物为然,人亦如是,中间不为物碍者鲜矣。小则利害相易,是非相反;大则以己为物,以物为己。不求去碍,而欲见不颠倒,难矣哉!(《酉阳杂俎》谓:“海翻则塔影倒。”此妄说也,影入窗隙则倒,乃其常理。)

  【译文】

  阳燧照出的物体影像都是倒立的,这是因为中间有“碍”的缘故。算家把这叫“格术”。比如人摇船橹,作支柱的臬就成为橹的“碍”。如鹞鹰在空中飞翔,它的影子随鹞鹰而移动,如鹞鹰和影子中间被窗户孔隙所约束,影子与鹞鹰就作相反方向移动,鹞鹰向东则影子向西移,鹞鹰向西则影子向东移。又如窗隙中透过的楼塔影像,由于光线被中间的窗孔所约束,影像也都是倒垂的,和阳燧成倒像是同一个道理。阳燧镜面是凹的,用一个指头靠近镜面,照出的影像是正的;手指渐渐离远,移到一定位置,就看不见影像了;超过这个位置,影像就倒立了。那个看不见影像的地方,正如窗户的孔隙、架橹的臬、腰鼓的腰构成了“碍”一样,物体与影像位置相反,就形成了摇橹的情形。所以手往上举,影子就越向下,手往下移,影子越向上。这是可以看得到的。(阳燧镜面是凹的,对着太阳照,光都向中间会聚,在离镜面一二寸的地方,光线聚结为一点,像芝麻粒、豆子那样大,放一个东西在那里就会着火,这就是腰鼓最细的地方。)岂止物体是这样,人也是如此,中间不被外部事物阻碍的人太少了。小者则把利害相混淆,是非相颠倒;大者把自己当作外部事物,把外部事物当作自己。不求去掉“碍”,而想见到不颠倒的物像,那真太难了!(《酉阳杂俎》说:“海翻腾,楼塔的影子就倒了。”这是妄说,影子透过窗孔则形成了倒像,这是通常的道理。)