在中国古代丰富的文化典籍中,诗词歌赋占有相当份量。其中一些诗词精彩地描述了物理现象。此可谓“物理与诗歌同行”(此“行”读xing,不读hang)。虽然诗人们未必知晓其所描述的现象之物理本质,但关注物理现象并将其入诗,却是值得称道的。这些诗词反映古代人如何看世界。本文特作一介绍,以飨读者。
1 有关相对运动的诗
梁元帝萧绎(508—554)《早发龙巢》:
征人喜放溜,晓发晨阳隈。初言前浦合,定觉近洲开。不疑行舫动,唯看远树来。还瞻起涨岸,稍隐阳云台。
诗中“隈”,今读wei,古读wai。古音“隈”与“开”、“台”押韵。“隈”指城角水弯处。该诗述及梁元帝本人清晨从春阳城角开船远行,如同征战武士早晨喜欢遛马一样。他站在船头,“不疑行舫动,唯看远树来”。此情之下,船与河岸山林是谁在运动的问题,正是相对运动的经典例子。
唐代敦煌曲子中有首《浪淘沙》词,其作者不明。全曲如下:
五两竿头风欲平,张帆举棹觉船行。柔撸不施停却棹,是船行。满眼风波多陕灼,看山恰似走来迎。仔细看山山不动,是船行。
诗句中“陕灼”乃“闪烁”的异体字。“五两竿头”原误为“五里竿头”。它指安装在船头上的相风竿,竿上挂约“五两”轻质毛绒物,风吹见其动及所动方向,由此判断风力及风向。词作者立于船头,他所选定的参考系及其有关运动的感受,比《早发龙巢》更为具体入微。
2 关于泊舟的物理现象
唐代诗人韦应物(737—790)的《滁州西涧》早已列入小学语文课本之中。它写道:
独怜幽草涧边生,上有黄鹂深处鸣。春潮带雨晚来急,野渡无人舟自横。
韦应物可能是第一个观察到并描述“舟自横”现象的诗人。宋代宰相寇准(961—1023)在其诗《春日登楼怀旧》中写道:
高楼聊引望,杳杳一平川。野水无人渡,孤舟尽日横。
寇准对泊舟现象的描述,无疑是韦应物的继承和发挥。后来还有诗人继韦应物之后对泊舟作类似观察与描写。
非但如此,甚至小说家罗贯中(约1330—1400)亦在其名著《三国演义》中有一段有趣的叙述。该书第四十九回“七星坛诸葛祭风,三江口周瑜纵火”。其中言及,诸葛亮借得东风后,知周瑜不容,连夜赶回蜀属地夏口;子龙来接,而吴国大将徐盛奉命追杀亮。此时,“赵云枮弓搭箭,立于船尾大叫道:‘吾乃常山赵子龙也,奉命特来接军师,你如何来追赶?本待一箭射你死来,显得两家失了和气,教你知我手段’。
言讫,箭到处,射断徐盛船上篷索。那篷索落下水,其船便横。赵云却叫自家船拽起满帆,乘风而去”。
泊舟的力学现象入了小说类文艺作品,可见古代人对此现象的广泛认知程度。所谓“舟自横”,是指停泊的舟与水流方向垂直。一般人会以为它是沿水流方向静止下来的。古人只是反复描述了该现象,并未作出物理解释。为什么“舟自横”呢?
1992年国际声学大会在北京召开。
中国声学界在准备此会过程中,老一辈声学家马大猷、汪德昭、魏荣爵等一致提议,制作“中国古代声学成就”录像片在大会上播放。本文笔者是这录像脚本的执笔人。1991年春天在中国科学院声学研究所的一次讨论会上,马大猷先生指出,《滁州西涧》中的“舟自横”现象与瑞利(Lord Rayleigh,1842—1919)声盘的原理一致。该盘在声波力偶作用下将发生回转,测其回转角即可求出声场粒子的速度,也即声速。
声盘的转动方向与声波传播方向成直角。由是得知,自由的泊舟两端在水波力偶作用下绕其重心旋转,直到水波流动方向与舟体(一般可视为椭圆)长轴垂直时舟即静止不动。后来,这个解释被笔者撰入1994年版的《中国声学史》中。
3 关于镜面反射和镜面对称
铜镜在古代是极为珍贵物品。历代文儒们屡屡将其入诗入画,以抒发情感。本文引几首与科学技术相关的诗。北周文学家庾信(513—581)《咏镜诗》写道:
玉匣聊开镜,轻灰暂拭尘。光如一片水,影照两边人。
这首诗描述了作者对镜的喜爱。他在闲暇时打开玉质镜盒,轻轻地擦拭其表面尘土。铜镜的光亮如同水一般,照镜时影与人分列镜面两端。铜镜明净圆满如同月亮,却没有桂树;花朵在其镜像中仿欲开放,但不为春天而开。倘使支起一根竹竿,将镜挂于竿的高端,你就能足不出户而看清墙外的动静景致。
早在西汉初期,淮南王刘安(前179—前122)在《淮南万毕术》中曾记述“高悬大镜,坐见四邻”的文字。从刘安到庾信七百年间,对此“悬镜”技术描写不断。但庾信是第一个将此技术入诗的人。
庾信还有《镜赋》一篇,其中文字很可能是中国古代“透光境”的最早描述。古代人所谓“透光镜”,即镜面为不等曲率的平面镜。我们引《镜赋》中一段:
……镜乃照胆照心,难逢难值。镂五色之盘龙,刻千年之古字。山鸡看而独舞,海鸟见而孤鸣。临水则池中月出,照日则壁上菱生。暂设妆奁,还抽镜屉……
“透光镜”之意是:该镜映日光于白色墙壁(屏)上,在墙面的反射光区中可见镜背之花纹图案。从战国以来,此类镜为历代工匠所制。首次对此镜作出科学的工艺解释的是宋代学者沈括(1031—1095)。庾信《镜赋》可能是最早对此类镜的现象作出描写。
它记述了该类镜背面“镂五色之龙盘,刻千年之古字”,又指出此镜“照日则壁上菱生”。“壁”即墙壁(或屏幕);“菱”指“菱花”,即镜背图案。宋代陆佃《埤雅》(一本文字解读著作)云,“镜谓之菱花”。以镜背菱花称呼铜镜,此后成为传统,如“云雷纹镜”、“蟠螭纹镜”、“八乳钉纹镜”、名称之复杂者有“青龙白虎方格规矩镜”一类。
将此类铜镜对日映照,其反射光投于墙面,能在墙面光中见其镜背图案者(即“壁上菱生”)即是透光镜。上引庾信赋中之一段,就是此意。
古代中国学者没有从反射镜中发现反射定律,但关于镜面对称现象却早有记录。萧梁朝儒生王孝礼(生卒年不详)的《咏镜诗》写道:
可怜不自识,终须因镜中。分眉一等翠,对面两边红。
这首诗的意思是:人不识自己脸面长相,需要用镜子照看。在镜中,看到自己一等翠眉(妇女画眉)、双唇红润;你想转身立即见像先动起来,含笑时左右口角哪边微微上翘,人与像总是“逆相同”的。若嫌照镜窘促,不妨试看与你相同的人,但你会发现,没有一个人会和你完好地相同。
4 关于小孔成像
以“物、孔、屏”三者做成像实验,不难发现:小孔成像如物,大孔成像如孔。从战国《墨经》相关记载到清代晚期,小孔成像构成中国光学史的内容丰富的一章。然而,以诗歌形式描述它,当算萧梁朝沈约(441—513)的《咏月诗》为首。该诗写道:
月华临静夜,夜静灭氛埃。方晖竟户入,圆影隙中来。
显然这是首描写才子佳人暨洞房初夜的诗。诗人从“月光”的角度切入主题,以至深夜月光入洞房,照到“网轩”(类似夏日蚊帐)和花花绿绿的铺盖(“绿苔”)上;初婚者一夜未觉,任凭月光悠然而去。这首情诗的第二句,却完全是物理现象的真实写照:月光从门户而入,光亮如门一样大;月光从孔隙中来,光亮是圆的。诗作者如实地记下了小孔成像的物理实验的结果,但他未必做过这类实验。他是自然现象的忠实观察者。
5 晶体的对称性
具有对称性的晶体颇受古人青睐。在本草药物著作中,古代人以对称性作为矿石药物真伪的判断标准,可见古代中国相关知识的丰富。中国科学院物理研究所前副所长陆学善先生在上世纪70年代中后期曾撰文《中国晶体学史料掇拾》,这长篇巨著极大地拓展了古代中国物理学史的内容。
在各种晶体中,雪花的对称性最早为中国人所观察到。西汉学者韩婴(生活于公元前2世纪)在其《韩诗外传》中曾述及,“凡草木花多五出,雪花独六出”。由此引起后代学者不间断地观察并文字记述之。最早将雪花对称性入诗的,还是北周诗人庾信。他在《郊行值雪》一诗中写道:
风云俱惨惨,原野共茫茫。雪花开六出,冰珠映九光。
在西方,关于雪花的观察记述,是在约公元1260年才有“星芒状”的文字,直到1611年开普勒方指出它为“六角形”。庾信该诗中的“冰珠映九光”一句,用现代话说,就是透明晶体(“冰珠”)折射阳光后的色散现象。庾信的观察描述也是确切的。
6 雨虹形成的气象条件
萧梁朝文学家刘孝威(约490—549)在《和皇太子春林晚雨诗》中指出了雨虹形成的气象条件。该诗如下:
云树交为密,雨日共成虹。电舒长男气,枝摇少女风。叶珠垂滴水,檐绳下溜空。蝶濡飞不飏,花沾色更红。
下雨和太阳同时出现,天上才产生虹。于是,“雨日共成虹”一词成后世气象俗语。
7 罗盘和磁偏角
指南针、罗盘是古代中国人的发明。宋初堪舆家王伋(约988—1058)《针法诗》写道:
虚危之间针路明,南方张度上三乘。坎离正位人不识,差却毫厘断不灵。
在这里,“虚”、“危”、“张”是古代以星宿名称表示的堪舆罗盘的方向,它们分别指正北、北偏西、南偏东。在后来圆形罗盘中,危与张是通过圆心的一直线。“坎”、“离”是以八卦表示的正北、正南方位。《针法诗》记述的指南针方向在“虚危”之间。从图可见,每个文字表示的方位为15°。“虚危之间”可能是指针的指向在其中,即指向为正北偏西7.5°,也就是指向正南偏东7.5°。堪舆家秘语“张度上三乘”,其意难解。
有可能是一种将每一字格再划分的方法。若将其分为三份,每份即5°。因此,“三乘”即3×5°=15°。
由是可断定,北宋初年汴京(今河南开封)的地磁偏角约为北偏西7.5°。以现代知识看,坎离是地理北南极方向,虚危之间是磁北极方向。王伋《针法诗》虽记下这两个方向,并要人们正确识别“坎离正位”,但他决没有地球磁极概念,也不清楚这两个方向何如有异。即使如此,他以一首诗叙述磁偏角却是科学史上难得的作品。
8 其他诗词
尚有诸多古代诗词表现了物理与其同行,如宋代张耒(1054—1114)《夏日》,有句“落落疏帘邀月影,嘈嘈虚枕纳溪声”。它既描述了小孔成像现象,又述及空腔混响的事实。唐代皮日休(?—838)《呜桹》描述了渔民捕鱼情景:众多渔船圈围湖面,同时敲打船尾桹木;于是,“鹭听独寂寞,鱼惊昧来往”。大量的鱼在此噪声中翻躺水面,渔民丰收歌归。
下面一首,描写的是西北火焰山情景,但其诗句含义,读者不妨展翅想象。唐代岑参(714—770)《经火山》:
火山今始见,突兀蒲昌东。赤焰烧虏云,炎氛蒸塞空。不知阴阳炭,何独烧此中。我来严冬时,山下多炎风。
诗中“火山”,即火焰山,今吐鲁番盆地。“蒲昌”,今新疆鄯善县。岑参不明此处何如热至如此,“不知阴阳炭,何独烧此中”,并讯问“熟知造化功”。
试想我国原子弹、氢弹在西北荒漠试爆成功情景:赤焰烧云,炎氛蒸空。原子弹爆炸是否也是“阴阳炭”在其内“燃烧”?2008年10月12日,在中国科学院理论物理研究所召开“量子力学在中国研讨会暨彭桓武先生铜像揭幕仪式”。笔者应邀在会上作了个“二十世纪上半叶量子物理在中国”的报告。报告尾声展示这诗,以表达笔者对彭桓武先生和两弹一星功勋们的敬意。会后,尚有多人索要此诗。