凡是利用光学原理进行观察或测量的装置,叫做“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许多光学仪器。
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,申天师做法,方士罗公远掷手杖于月空,化作一座银桥,桥的那边是一座城阙,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,见仙女数百,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。此镜是我国古代人物故事镜中的杰作。现已被考古工作者发掘,成为出土文物了。
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。
硕大的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年前就制造和使用了铜镜,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,至今仍被人们看做世界文明史上的珍品。
除了铜镜外,古人还利用平面镜反射的原理,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,我国把凹面镜叫做“阳燧”,意思就是利用太阳光来取火的工具,这是对太阳能的最初利用。
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”,并把这点叫做“碍”,就是近代光学上所谓“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人,通过特殊的方法,还是认识到了凸透镜的聚焦现象。
晋代的科学家张华在其所著的《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眼镜、望远镜等光学仪器。
我国的眼镜大约是在元明时期从外国传入的。初传来时可能只用一片,拿在手里照视,叫做“单照”,至明代已有“合则为一,歧则为二”的双片眼镜,名叫“优逮”。当时眼镜极为珍稀、昂贵。至清代,广东、苏州等地都自制眼镜,广州还出现了“眼镜街”。然后,杭州、北京、上海等地都相继出现眼镜店。故宫里面也专设“眼镜作”。
眼镜品种也增加了,有各种度数的近视、远视、平光、上平下凸等,还有“随目对镜”,质量提高,售价下降,遂使眼镜得以逐渐普及起来。眼镜业在我国的兴起,培养了一批磨镜技工,对于光学仪器的研究与制造有很大的意义。
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。世界上采用光学仪器作为瞄准器,还只是近几十年才有的。世界著名科学史家英国的李约瑟博士说:“不论薄珏是不是望远镜的独立发明者,但他应得到望远镜首先用在大炮上的荣誉。”
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。他还发明了一种“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,被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的照片,这些照片成为我国目前所能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便已出现,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了“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”。显然其射程和辐射热量有些夸张渲染。
由于当时只能是蜡烛之类的光源,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,照在人身上就有“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的显著成就之一。表明我们祖先对人类科学宝藏的贡献!