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1701098674 “透光镜,人争宝焉。不知湖州所铸双喜镜,乃日常用品,往往有之,非宝也。”郑复光以水面作比喻,论述了透光镜表现“凹凸有迹”、“起伏不平”,从而造成反射光斑中的图像。他还提醒人们,注意玻璃制品中可能出现类似现象。从而他亦为当代精密仪器的制造发出了警告。
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1701098676 透光镜传到日本后,日本学者称其为“魔镜”。大约19世纪初传到欧洲。从1832年旅居印度的学者普林塞普(J. Prinsep)在《亚洲学会会志》中发表《论中国的魔镜》起,到1932年,英国物理学家、1915年诺贝尔物理奖获得者布拉格(W.H. Bragg, 1862~1942年)写下讨论它的同题之作,整一百年的时间,透光镜引起欧洲人极大兴趣。参与相关学术讨论的还有著名英国光学家布儒斯特(D.Brewster, 1781~1868年),法国光学家阿拉戈(F.J.Arago,1786~1853年)。1877年,Nature (Vol.16)杂志还为此开展了专门讨论。
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1701098678 六、虹霓和分光现象
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1701098680 虹霓、彩虹或雨虹,从甲骨文始便有许多文字记载。
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1701098682 人们早已知道雨虹产生的气象条件。唐代孔颖达(574~648年)在注疏《礼记·月令》时明确指出:“若云薄漏日,日照雨滴则虹生。”“雨滴”之说已接近虹产生的科学见解:即雨滴对阳光的反射和折射。因此知识广为人所知,故唐宋时期已有儿童在做造虹实验。唐代张志和(744~773年)在《玄真子》中曾记下“背日喷水成霓虹之状”。宋代人苏鹗又指出,唐大中年间(847~860年)“京城小儿叠布蘸水,向日张之”,即令湿布喷洒水滴于空中,便能见虹,唐人称此为“捩晕”。
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1701098684 除雨虹外,典籍中还记有冰珠、露珠和晶体的分光现象。北周庾信《郊行值雪》诗写道:“雪花开六出,冰珠映九光。风云俱惨惨,原野共茫茫。”庾信不仅记下雪花结晶六角形状,而且最早记下了阳光通过冰珠折射后多彩的“九光”现象。唐初孔德绍(?~623年)又在《登白马山护明寺》内描写了露珠折射阳光的色彩:“露花疑濯锦,泉月似沉珠。”宋代程大昌(1123~1195年)在其著《演繁露》中进而解释了露珠分光现象:“凡雨初霁或露之未曦,其余点缀于草木树叶之末,欲坠不坠,则皆聚为圆点,光莹可喜。日光入之,五色俱足,闪烁不定,是乃日之光品著色于水,而非雨露有此五色也。”从该段文字不难看出程大昌之高见:雨露之五色原是日光之“光品”。“光品”或可解为光的品质、本质,或可衍为“固有”。露珠的“五色”来自“光品着色于水”。他的解释已接近于近代光学的结论。对这种分光现象的仔细观察,还有历代炼丹家和本草药物学家。为鉴别上好的水晶以作丹料或药料,水晶分光现象就为道家著作和本草著作屡记不鲜。
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1701098686 北宋真宗朝(998~1022年在位)名儒杨亿(974~1020年)在其著《杨文公谈苑》中就菩萨石(天然水晶)记述道:“嘉州峨眉山出菩萨石,人多采得之……日光射之,有五色,如佛顶圆光。”
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1701098688 其后,寇宗奭在《本草衍义》(成书于1116年)中也记道:“嘉州峨眉山出菩萨石,形六棱而锐首……日隙照之,有五色,如佛顶圆光。俗谓菩萨光明所感,今亦称放光石。”宋代杜绾的《云林石谱》(成书1133年)是一本矿物学著作。其中也对菩萨石写道:“其色莹洁……映日射之,有五色圆光。其质六棱,或大如枣栗,则光彩微茫。间有小如樱珠,则五色灿然可喜。”
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1701098690 直到明末,方以智(1611~1671年)在《物理小识》(初稿于1631年)中又写道:“凡宝石面凸,则光成一条,有数棱则必有一面五色。如峨眉放光石六面也……。”英国物理学家牛顿(I.Newton, 1643~1722年)于1666年以三棱镜作分光实验,得出白光是由七色光组成的结论。孰知其前千余年间,中国人屡屡观察到多棱水晶、露珠、冰珠等物的分光现象,并由此推测到日光的品质就是“五色”的。
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1701098692 七、郑复光及其《镜镜詅痴》
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1701098694 前面叙述中我们多次提及郑复光其人。他做小孔成像实验、做透光镜和冰透镜。正如墨翟及其《墨经》一样,郑复光及其《镜镜詅痴》是清中期的奇人、异书。
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1701098696 郑复光(1780~约1853年),字浣香、元甫,安徽歙县人。监生出身。此人真可谓“行万里路,读万卷书”。青少年时,他游扬州,迷恋扬州市上取影灯戏。后游粤、滇、陇、晋、冀、燕。在北京,参观观象台,考察天文仪器。尤对望远镜感兴趣。闻某藏有其镜,必设法往而探访。读书万卷,尤对历代关于技艺之作爱不释手,除《墨经》、《考工记》、《梦溪笔谈》等书外,小说笔记中凡有光学文字也要一睹为快,而明末耶稣会士汤若望(A. S. von Bell, 1592~1666年)著《远镜说》成为他此后研究光学的入门书。其著作取名《镜镜詅痴》,第二个“镜”字是动词;“詅痴”本意为无才学而好夸耀,在此为自谦词。故其书名可译为《光学愚见》或《光学浅说》一类。该书完稿于道光十五年(1835年)。
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1701098698 郑复光时代,西方光学知识已有所传入。伽利略望远镜、开普勒式望远镜和格雷戈里(J. Gregory, 1636~1675年)式望远镜均已传入中国。前两者是折射望远镜,后者是反射望远镜。明末清初,统称它们为“千里镜”,后者又称为“摄光千里镜”。汤若望在明末清初共制造了两具伽利略式望远镜,开普勒式望远镜于清代在广东沿海流传几具。格雷戈里式望远镜是入华教士献给康熙帝的,存于内宫。康乾时期编纂《四库全书》,才将此“摄光千里镜”绘于《皇朝礼器图式》中,读者方知其图像(如图2.4所示)。光学知识方面,传播最广的便是汤若望著《远镜说》,全书4500字,绘有凹、凸透镜成像光路图。然而,书中既无焦点、焦距概念,成像光路图也是错误的。该书的成像光路图给郑复光等中国读者以极为新奇的感觉,而错误的光路也造成极坏影响。郑复光、邹伯奇等中国的光学家和制镜工艺师不得不自辟理论,摸索制造具有各种放大率的光学器具。
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1701098703 郑复光制造了各类眼镜:平光镜,近视镜,老花镜。又制造了三棱镜,多宝镜,柱镜,万花筒,显微镜,取景镜(照相机)、放字镜(幻灯机)和望远镜。后者包括观象(伽利略式)、窥筒(开普勒式)两种望远镜。他根据四库全书中《皇朝礼器图式》所绘摄光千里镜图,对它的镜头组合、构造及光路作出探讨。
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1701098705 郑复光按照他自己的和制镜匠的经验,创造了工匠式的光学理论和镜面成像的原理。他以“透照”、“通气”和“返照”、“含光”区分透镜和反射镜。他在其书《释园》篇中,阐述凹、凸透镜及其组合透镜的光学性质,列出配制各种镜片的参数表。他提出了一些相关的光学概念或术语,如“镜光线”、“顺三限”、“侧三限”、“距显限”等。所谓“镜光线”实为以透镜焦点为顶点、通过透镜平面的光锥;“顺三限”包括“顺收限”、“顺展限”和“顺均限”三者,其中“顺收限”即今焦距,适用于凸透镜。凹透镜则以“侧三限”衡量之。“距显限”有像距概念。由于受《远镜说》错误光路图的影响,郑复光所绘成像光路也是错的。但是郑复光是以自己实践经验为基础,其成像位置及像(虚、实、正、倒)的相关叙述又都是正确的。
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1701098707 梁启超在其《中国近三百年学术史》中,曾对郑复光作出极高评价,他说:
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1701098709 明末历算学输入……而最为杰出者,则莫如歙县郑浣香之《镜镜詅痴》一书。浣香之书,盖以所自创之光学知识而说明制望远、显微诸镜之法也。……是书稿在道光初年矣。时距鸦片战役前且二十年,欧洲学士未有至中国者,译书更无论,浣香所见西籍仅有明末清初译本之《远镜说》、《仪象志》、《人身说概》等三数种。然其书所言纯属科学精微之理,其体裁组织亦纯为科学的……全书体例,每篇例举公理若干条,难明者则为之解,有异说者则系以论,表象或布算则演以图(全书为图一百二十八——原注)。大抵采用西人旧说旧法者十之二三,自创者十之七八……百年以前之光学书,如此书者,非独中国所仅见,恐在全世界中亦占一位置。浣香所以能为此者,良由其于算学造诣极深,而又好为深沈之思。
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1701098711 八、邹伯奇的光学
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1701098713 邹伯奇(1819~1869年),字一谔、特夫,号征君。广东南海人。平生喜经史、名物制度,好西学而淡泊仕途。咸丰七年(1857年)受聘为广州学海堂学长,后又任广雅书院教习。同治三年(1864年)入广州府学署,参与测绘地图事。其平生制造了各种望远镜(如图2.5所示)和显微镜。虽说他“好覃思而懒著述”,但仍留下不少著作,并且部分书稿被后人辑为《邹征君遗书》。其中《格术补》和《摄影之器记》为重要的两篇光学著作。
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1701098718 《格术补》约成书于道光二十四年(1844年)。“格术”二字原自宋代沈括《梦溪笔谈》。邹伯奇借为几何光学的代用词。全书41条,约5500字,涉及影子生成道理,小孔成像,透镜和透镜组的成像光路及计算公式,眼睛、视觉和矫正方法,四种望远镜(伽利略和开普勒式折射型,格雷戈里和卡塞格林式反射型)的设计、制造、计算公式,如何以透镜组改造目镜的方法,望远镜的渐晕与场境作用,分辨本领及镜筒设计安装方法,单片和双片凸透镜或一凸一凹透镜组成显微镜造法,显微镜各参数之间关系,最后是两道几何光学习题。
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1701098720 《格术补》中,以“聚光限、”“收光限”、或“目限”指凸透镜的焦距(设为f);以“物距镜”指物距(设为u);以“影距镜”指像距(设为v);以“影加远之数”指像距离焦点之长度数值。按照该书第十条,可得到透镜成像的物像关系式,如下:
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