隋唐时期物理学

　　力学知识

　　关于物体的位置、运动及参照物

　　我国自先秦时代已经有关于物体的位置及运动的讨论。《吕氏春秋》中著名的鈥溈讨矍蠼ｂ�澋墓适戮褪且桓錾�动的例子：鈥湷�人有涉江者，其剑自舟中坠于水，遽契其舟，曰：鈥樖俏峤Ｖ�所从坠。鈥欀壑梗�从其所契者入水求之。舟已行矣，而剑不行。求剑若此，不亦惑乎？鈥澱馕怀�人只考虑剑坠入水时剑与船的相对位置，鈥湸悠渌�契者入水鈥潱�当然他不可能找到坠入江中的剑。而《吕氏春秋》的编纂者们则正确地指出，鈥溨垡研幸樱�而剑不行鈥潯４�在运动，因此落入水中的剑相对于船的位置时时在变化。在不考虑河水的冲力作用时，剑相对于河岸是静止的。显然，故事的编纂者是知道如何能找到剑的。从物理学意义上说，这里的问题是，要选择恰当的参照物，才能正确确定物体的位置和描述其运动的状态。

　　古籍中后来有许多讨论或论述运动的记载。晋人葛洪有鈥溂�游云西行，而谓月之东驰鈥澋穆凼觥Ｊ鴷懹炙担衡�溠鲇卧埔怨墼拢�月常动而云不移，乘船以涉水，水去而船不徙矣。鈥澱饩褪撬担�以云作为参照物，月亮是运动的；以船作为参照物，则河水是运动的。《隋书》的这段记载肯定了束晳的看法。隋唐时期，人们对于运动的相对性有了更明确的认识。

　　重心与平衡

　　我国古籍记载，先秦时期就有了一种叫做鈥滌テ麾�澔蜮�滃蹲�之器鈥澋钠魑铮�当注水于这种器物时，鈥溞樵蜢ィ�中则正，满则覆鈥潯ｌテ鞯闹圃煲恢绷鞔�到隋唐以后。隋代，耿询就曾制造和进献欹器。唐代，马待封制造了盛酒的欹器。李皋也制造过，鈥湼蕹⒆源匆馕�欹器，以髤木上出五觚，下锐圆，为盂形，所容二斗。少则水弱，多则强，中则水器力均，虽动摇，乃不覆云鈥潯Ｕ饫镆允⑺�多少表现出的水的力量的强弱，来描述其底锐圆的欹器盛水后的状态。鈥溕僭蛩�弱鈥潱�即水少其重力不足以倾覆器物；鈥湺嘣蚯库�潱�即水多其重力强大以致倾覆器物；鈥溨性蛩�器力均鈥潱�即欹器年盛水适中时，水的重力与器物本身保持平衡。试图探究欹器盛水之后状态的原因，说明唐代人们对力和力的作用的认识又进了一步。

　　鈥湵恢邢懵�鈥澥俏夜�古代能工巧匠充分运用重心及平衡等物理学知识创制的。成书于晋代的《西京杂记》记载：西汉时期鈥湷ぐ睬晒ざ』赫哜�︹�τ治�卧褥香炉，一名被中香炉。本出房风，其法后绝。至缓始更为之。为机环转运四周，而炉体常平，可置之被褥，故以为名鈥潯Ｋ�的结构特点是，鈥溛�机环转运四周，而炉体常平鈥潯Ｕ馐导噬鲜且怀Ｆ郊茏爸茫�鈥溁�环鈥澯苫刈�轴线相互垂直并交于一点的三个金属环构成，内环轴上悬挂炉体。由于各环转轴彼此制约以及炉体本身重心的影响，任何情况下炉体都不会倾倒。因此若在炉体内点燃薰香，香炉可置于被中，而不必担心香灰倾覆烧毁被褥。根据史籍记载可知，被中香炉至迟在西汉时已经发明。二十世纪六十年代在陕西西安唐代遗址中曾出土制作精美的被中香炉和银熏球。除被中香炉外，历代制作的类似装置亦用于取暖、娱乐等用途。而这种常平架装置，对后世航海和航空中不可或缺的仪器陀螺仪的发明，有重要启示。

　　对空气阻力、升举力和大气压力（压强）的认识

　　唐代王冰在注《黄帝内经路素问》中指出：鈥溡晕锿毒�，及叶坠空中，翩翩不疾，皆升气所碍也。鈥澊舜λ�述表明，当时人们已了解，物体在空气中运动时，受到空气阻力及气流的升举力的作用。王冰的注接着指出：鈥溞楣芨嚷�，捻上悬之，水固不泄，为无升气而不能降也。空瓶小口，顿溉不入，为气不出而不能入也。由是观之，升无所不降，降无所不升，无出则不入，无入则不出。鈥澦�做了两个实验：一是把水灌进一根管子里，上口封闭并悬挂起，这时水不会从下口流出。二是要想把水很快地注入小口的瓶子里，是不可能的。可见王冰对管子和瓶子中水的出入以及水与气之间的升降关系进行了仔细的实验观察，并作出了合乎科学的解释。这两个实验的结果都说明了大气压力的存在。

　　唐代杜佑对利用虹吸现象鈥湼羯饺∷�鈥澯邢晗傅男鹗觯衡�溈饰诟羯饺∷�，以大竹筒雄雌相接，勿令漏泄，以麻漆封裹，推过山外，就水置筒，入水五尺，即于筒尾取松桦干草，当筒放火，火气潜通水所，即应而上。鈥澊笃�压强的存在，使得人们能够利用虹吸现象来灌溉农田。尽管当时对虹吸的物理原理并无深刻认识，但是，密封竹筒、在筒尾烧干草、把水从低处引上来并且使水翻越过山，显然是总结了长期的实践经验的结果。

　　测定液体的浓度

　　北魏贾思勰的《齐民要术》中有用水浮法选种的记载。唐代，段成式写到关于莲子在水中的沉浮状态：鈥溋�实，莲入水必沉，唯煎盐咸卤能浮之。鈥澮蛄�子的比重比水的比重大，故入水必沉。但盐卤的比重比水的比重大，且盐卤愈浓其比重愈大。虽然当时人们不可能有关于比重与浓度等明确的科学概念，但在长期的生活和生产实践中懂得，根据莲子在盐卤中的沉浮情况就可以知道盐卤的浓度。由于盐业生产在我国历来备受重视，所以检测盐卤的浓度是很重要的事情，因此后世有许多关于这方面的记载。

　　力学知识在工程技术中的应用

　　隋唐时期，工程技术中常常要应用力学知识。在许多大型的木构建筑如宫殿、佛塔的建造中，在大型铸件的吊装及天文仪器的制造安装中，在桥梁（如隋代建造的著名的安济桥）和舟船的建造中，无一不应用力学知识。可惜当时没有系统叙述或总结这方面知识的著作。

　　热学知识

　　段成式在《酉阳杂俎》中述及秦汉时期宫中曾有宝物鈥溓嘤竦柒�潯Ｌ拼�有一种很可能与鈥溓嘤竦柒�澙嗨频模�叫做鈥溝梢糁蜮�澋钠魑铩Ｋ未�陶穀在《清异录》中说到：鈥湥ㄌ瞥�）同昌公主薨，帝伤悼不已，以仙音烛赐安国寺，冀追冥福。其状如高层露台，杂宝为之，花鸟皆玲珑。台上安烛，既燃点，则玲珑皆动，丁当清妙。烛尽绝响，莫测其理。鈥澊舜λ�述，显然是因为蜡烛点燃后产生热气流，推动玲珑的花鸟模型转动，并发出叮当之声；蜡烛燃尽后，不再有热气流生成，模型停止了转动，声音也没有了。唐代人们还不能完全明白其中的科学道理，故而把这些器物视为至宝。而这些器物之所以奥妙，也正是因为它们符合科学原理，它们能在距今一千多年前设计制造出来，确实令我们赞叹。

　　声学知识

　　振动、传声和共振

　　人们久已注意到振动和声的各种现象。早在战国时期，墨家就在战争中利用声学效应进行侦察。《墨子》鈥湵秆ㄢ�澠�中记载了通过监听埋在地下的陶瓮中的响声，可以判断敌人挖洞攻城的位置和方向。

　　这种利用固体传声和气腔共振的方法，在历代一直被用于战争侦探。唐代，人们使用称为鈥湹靥�鈥澋淖爸谩＠铙茉诒�书《太白阴经》中记载：鈥湹靥�，于城中八方穿井，各深二丈，令人头覆戴新瓮于井中坐听，则城外五百步之内有掘城道者，并闻于瓮中，辩方所远近。鈥澏庞右嘤屑窃兀衡�湹靥�，于城内八方穿井，各深二丈，以新罂用薄皮裹口如鼓，使聪耳者于井中托罂而听，则去城五百步内悉知之。鈥�

　　唐代，人们还懂得消除声共振即共鸣的方法。有一个关于唐开元年间太乐令曹绍夔的故事：鈥溌逖粲猩�，房中磬子，日夜辄自鸣。僧以为怪，惧而成疾，求术士百方禁之，终不能已。曹绍夔素与僧善，夔来问疾，僧具以告。俄击斋钟，磬复作声。绍夔笑曰：鈥樏魅丈枋⑩停�余当为除之。鈥櫳�虽不信绍夔言，冀或有效。乃力置馔以待。绍夔食讫，出怀中错，鑢磬数处而去，其声遂绝。僧问其所以，绍夔曰：鈥槾隧嘤胫勇珊希�故击彼应此。鈥櫳�大喜，其疾便愈。鈥澪颐侵�道，当振动体的固有频率与周期性变化的外力的频率很接近或相等时，振动体的振幅会急剧增大，这就产生共振或共鸣现象。僧房中磬的固有频率与斋钟的振动频率很相近，因此当敲击斋钟时，磬便发生共鸣。在磬被锉过之后，质量发生了改变，因而固有频率也发生了改变，磬就不再与钟发生共鸣了。

　　音律学

　　由于文化的繁荣和中外交流的密切，乐器的制作和使用方面亦愈加精良和广泛。因此，隋唐五代时期，人们继续从理论上和实践中探讨音律学的问题，特别是关于旋宫转调的问题。隋代刘焯、五代王朴等都作出过努力。王朴的新律是在三分损益法的基础上，适当调整一个音阶内其他各律的数值，使得清黄钟和黄钟的音高比值为二。这个方法实际上并未脱出三分损益法的框架，只是其结果在数值上与明代朱载堉的十二平均律很接近。

　　光学知识

　　反射和折射

　　隋唐时期，对于利用多枚平面镜多次反射成像的现象进行了许多讨论。唐初，陆德明在《经典释文》里，注解《庄子》鈥溙煜骡�澠�时指出：鈥溂�以鉴影，而鉴亦有影，两鉴相鉴，则重影无穷。鈥澘梢钥闯觯�当时对两枚平面镜之间的反复成像已有充分认识。至五代南唐时，谭峭的认识更进了一步：鈥溡砸痪嫡招危�以余镜照影。镜镜相照，影影相传。不变冠剑之状，不夺黼黻之色。是形也，与影无殊；是影也，与形无异。乃知形以非实，影以非虚，无实无虚，可与道俱。鈥澱饫锾非筒唤鲋赋隽蒜�溣扳�潱�即像）可在镜中再次成像，因而鈥溣坝跋啻�鈥潱�会有无穷多的像生成；而且进一步指出了平面镜所成之像与物完全相同，鈥溞吴�濃�溣胗拔奘忖�潯⑩�溣扳�濃�溣胄挝抟焘�潱�因而无穷多个像也是完全相同的。

　　谭峭所撰《化书》中还有一段话：鈥溞∪顺Ｓ兴木担阂幻�圭，一名珠，一名砥，一名盂。圭，视者大；珠，视者小；砥，视者正；盂，视者倒。观彼之器，察我之形，由是无大小，无短长，无妍丑，无美恶。鈥澱舛位拔抟梢灿牍庋С上裼泄亍Ｄ壳岸运�有两种不同的解释。一种观点认为这里所说的鈥溗木碘�澥撬闹置婢担�叙述的是人或物经这四种面镜反射后所生成像的情况。圭为凹面柱状镜，得到放大的虚像；珠为凸球面镜，得到缩小的虚像；砥为平面镜，生成正立的像；盂为凹球面镜，生成倒立的像。另一种观点认为鈥溗木碘�澥撬闹滞妇担�圭、珠、砥、盂分别为双凹、双凸、平凹、平凸透镜，叙述的是人或物经这四种透镜折射后所生成像的情况。

　　色散与虹

　　从古代起人们就注意到自然界的色散现象，如虹，并试图解释其成因。到了隋唐时期，这方面的认识有了很大的进步。唐初，孔颖达的《〈礼记〉注疏》中写道：鈥溔粼票÷┤眨�日照雨滴则虹生。鈥澘杉�当时对虹生成的情况已经观察得极为细致，结论十分科学，粗略地揭示出虹的成因。这种认识很可能被人们普遍接受，所以常见诸于唐代的诗赋题咏中，如鈥溔沼盎�为虹鈥潱ǔ氯螅骸陡车闷滞夂纭罚�；鈥溔照蘸缒匏柒�潱ㄕ啪帕洌骸逗�口望庐山瀑布》）等。唐代张志和在《玄真子》中，除明确指出鈥溣晟�映日而为虹鈥澲�外，还写到鈥湵橙张绾跛�成虹霓之状鈥潯Ｕ馐侨嗣怯幸馐兜亟�行的日光色散实验，它直接模拟了虹霓现象，表明了当时人们已了解虹霓现象人为产生的方法。

　　静电知识

　　晋代张华曾仔细观察到：鈥溄袢耸嵬贰⑼阎�衣时，有随梳，解结有光者，亦有咤声。鈥澙嗨频那榭鲆参�唐代人们观察到。唐代段成式则记载，人们若在黑暗之中，对黑猫鈥溎嫜�其毛，即若火星鈥潯４舜λ�述的黑暗之中及黑色的猫，无非是为了看得更加明显而已。