光的直線傳播

太陽給人類以光和熱,這是人類不可缺少的光源.但是由于地球的自轉(zhuǎn),形成了白晝和黑夜.每到晚上,黑暗就籠罩著大地.生活在遠古的人類祖先,對黑夜是無能為力的.黑暗給人們以可怕、可惡的感覺,直到今天黑暗仍為人們用來形容邪惡.不知經(jīng)歷了多少個世紀(jì),人類才發(fā)現(xiàn)火也能提供光和熱.開始是使用天然火,以后又發(fā)明了人工摩擦取火.人工摩擦取火的發(fā)明是人類歷史的一個劃時代進步,它“第一次使人支配了一種自然力,從而最終把人同動物界分開”①.生活在五十萬年以前的北京猿人就已經(jīng)懂得使用天然火,大約在幾萬年前人類又學(xué)會了用鉆木的方法人工取火.火在長時期里一直是人們唯一可以利用的人造光源,后來人們創(chuàng)造了油燈、蠟燭,還是離不開火,一直到近代光源的發(fā)明才取代了火.
通過對光的長期觀察,人們發(fā)現(xiàn)了沿著密林樹葉間隙射到地面的光線形成射線狀的光束,從小窗中進入屋里的日光也是這樣.大量的觀察事實,使人們認識到光是沿直線傳播的.為了證明光的這一性質(zhì),大約二千四五百年前我國杰出的科學(xué)家墨翟和他的學(xué)生作了世界上第一個小孔成倒像的實驗,解釋了小孔成倒像的原理.雖然他講的并不是成像而是成影,但是道理是一樣的.

在一間黑暗的小屋朝陽的墻上開一個小孔,人對著小孔站在屋外,屋里相對的墻上就出現(xiàn)了一個倒立的人影.為什么會有這奇怪的現(xiàn)象呢?墨家解釋說,光穿過小孔如射箭一樣,是直線行進的,人的頭部遮住了上面的光,成影在下邊,人的足部遮住了下面的光,成影在上邊,就形成了倒立的影.這是對光直線傳播的第一次科學(xué)解釋.
墨家還利用光的這一特性,解釋了物和影的關(guān)系.飛翔著的鳥兒,它的影也仿佛在飛動著.墨家分析了光、鳥、影的關(guān)系,揭開了影子自身并不直接參加運動的秘密.墨家指出鳥影是由于直線行進的光線照在鳥身上被鳥遮住而形成的.當(dāng)鳥在飛動中,前一瞬間光被遮住出現(xiàn)影子的地方,后一瞬間就被光所照射,影子便消失了；新出現(xiàn)的影子是后一瞬間光被遮住而形成的,已經(jīng)不是前一瞬間的影子.因此,墨家得到了“景不徙”的結(jié)論,“景”通“影”,就是說,影子不直接參加運動.那么為什么影子看起來是活動著的呢?這是因為鳥飛動的時候,前后瞬間影子是連續(xù)不斷地更新著,并且變動著位置,看起來就覺得影是隨著鳥在飛動一樣.在二千四五百年前,能這樣深入細致地研究光的性質(zhì),解釋影的動和不動的關(guān)系,確是非常難能可貴的.墨家還從光線直線傳播的原理解釋了投影和半影的現(xiàn)象.

十四世紀(jì)中葉,元代天文數(shù)學(xué)家趙友欽在他所著的《革象新書》中進一步詳細地考察了日光通過墻上孔隙所形成的像和孔隙之間的關(guān)系.他發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙相當(dāng)小的時候,盡管孔隙的形狀不是圓形的,所得的像卻都是圓形的；日食的時候,像也有缺,和日的食分相同；孔的大小不同,但是像的大小相等,只是濃淡不同；如果把像屏移近小孔,所得的像變小,亮度增加.對于這一現(xiàn)象,趙友欽經(jīng)過精心思索和研究,得出了關(guān)于小孔成像的規(guī)律.他認為孔相當(dāng)小的時候,不管孔的形狀怎樣,所成的像是光源的倒立像,這時孔的大小只不過和像的明暗程度有關(guān),不改變像的形狀.當(dāng)孔相當(dāng)大的小孔成像示意圖.時候,所得到的像就是孔的正立像.
為了證實這個結(jié)論,趙友欽設(shè)計了一個比較完備的實驗.在樓下的兩間房子的地板中各挖兩個直徑四尺多的圓井,右邊的井深四尺,左邊的深八尺,在左井里放置一張四尺高的桌子,這樣兩井的深度就相同.作兩塊直徑四尺的圓板,板上各密插一千多枝蠟燭,點燃后,一塊放在右井井底,一塊放在左井桌上.在井口各蓋直徑五尺、中心開小方孔的圓板,左板的方孔寬一寸左右,右板的方孔寬半寸左右.這時可以看到樓板上出現(xiàn)的都是圓像,只是孔大的比較亮,孔小的比較暗.趙友欽用光的直線傳播的道理,說明了東邊的燭成像于西,西邊的成像于東,南邊的成像于北,北邊的成像于南,每根燭都有對應(yīng)的像,由于一千多枝燭是密集成圓的,所成的像也相互連接成為圓像.這樣就說明了在光源、小孔、像屏距離不變的情況下,所成的像形狀不變,只有照度上的差別：孔大的“所容之光較多”,因而比較亮；孔小的“所容之光較少”,因而比較暗.如果把右井里東邊的蠟燭熄滅五百枝,那右邊房間樓板上的像西邊缺半,相當(dāng)于日月食的時候影和日、月食分相等一樣.如果在左邊中蠟燭巰密相間,只燃點二三十枝,那像雖是圓形分布,但是各是一些不相聯(lián)接的暗淡方像；如果只燃一燭,方孔對于燭光源來說不是相當(dāng)?shù)匦?因而出現(xiàn)的是方孔的像；把所有的燭重新點著,左邊的像就恢復(fù)圓形.其次,在樓板上平行于地面吊兩塊大板作為像屏,這時像屏距孔近,看到的像變小而明亮.接著去掉上面所說的吊著的兩塊板,仍以樓板作為像屏,撤去左井里的桌子,把蠟燭放到井底,這時左井的光源離方孔遠,左邊的樓板上出現(xiàn)的像變小,而且由于燭光弱,距離增加后亮度也變?nèi)?從這些實驗結(jié)果,趙友欽歸納得出了小孔成像的規(guī)律,指出了燭（光源）的遠近、強弱和小孔、像屏的遠近之間的關(guān)系,指出像屏近孔的時候像小,遠孔的時候像大；燭距孔遠的時候像小,近孔的時候像大；像小就亮,像大就暗；燭雖近孔,但是光弱,像也就暗；燭雖遠孔,但是光強,像也就亮.實驗的最后一步是撤去覆蓋井面的兩塊板,另在樓板下各懸直徑一尺多的圓板,右板開廣四寸的方孔,左板開各邊長五寸的三角形孔,調(diào)節(jié)板的高底,就是改變光源、孔、像屏之間的距離.這時仰視樓板上的像,左邊是三角形,右邊是方形.這說明孔大的時候所成的像和孔的形狀相同：孔距屏近,像小而明亮；孔距屏遠,像大而暗淡.
從以上的實驗結(jié)果,趙友欽得出了小孔的像和光源的形狀相同、大孔的像和孔的形狀相同的結(jié)論,并指出這個結(jié)論是“斷乎無可疑者”.用這樣嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒?來證明光的直線傳播,闡明小孔成像的原理,這在當(dāng)時世界上是絕無僅有的.
光的直線傳播性質(zhì),在我國古代天文歷法中得到了廣泛的應(yīng)用.我們的祖先制造了圭表和日晷,測量日影的長短和方位,以確定時間、冬至點、夏至點；在天文儀器上安裝窺管,以觀察天象,測量恒星的位置.
此外,我國很早就利用光的這一性質(zhì),發(fā)明了皮影戲.漢初齊少翁用紙剪的人、物在白幕后表演,并且用光照射,人、物的影像就映在白幕上,幕外的人就可以看到影像的表演.皮影戲到宋代非常盛行,后來傳到了西方,引起了轟動