光学史上的那些人儿
第二章 沈括光学
《沈括光学》
一隙收光万象生，阳燧聚火辨阴晴。
透影铜心知淬骨，千年犹照世间明。
1 沈括与光的故事
北宋熙宁七年，海州盐场的海风裹挟着咸涩的水汽，沈括站在煮盐工坊的竹廊下，凝视着弟子们用铜盆接取卤水。暮色中，一盆刚煮沸的鸭蛋突然发出幽蓝的光，映亮了整个作坊。
"这是冷光。" 沈括用鹅毛笔在《梦溪笔谈》的草稿上记录，"与姑苏钱氏所见无异。" 他俯身观察那颗透明如玉的鸭蛋，蛋清中漂浮的荧光小点让他想起三年前在润州见到的 "水银光"—— 当油纸扇掠过墙根的发光水痕时，那些液态的光竟如活物般在扇面流淌。
更奇异的发现发生在知府衙门的书房。沈括从友人处求得一面汉代透光镜，当正午阳光穿透窗棂，镜背的 "见日之光" 铭文竟清晰地投射在素白的绢屏上。"铸时薄处先冷，故铜缩多。" 他用手指抚摸镜面，感受到细微的起伏，"文虽在背，而鉴面隐然有迹。"
在海州学宫的讲堂里，沈括命弟子们用铜钱在窗纸上戳出小孔。当远处的飞鸢掠过天际，窗纸另一侧的沙盘上突然出现倒立的影子。"光之人，煦若射。" 他在沙盘上画出光线的路径，"下者之人也高，高者之人也下。" 这个发现让他想起《墨经》中的记载，却不知自己的阐释比古希腊欧几里得的《光学》更系统。
最具戏剧性的实验发生在东海边的石崖下。沈括让匠人将青铜镜打磨成凹面形状，自己则站在十步外举起火炬。当镜面将火光汇聚成一个明亮的光斑时，他突然意识到："此乃格术之妙。" 这个发现比阿拉伯学者阿尔哈曾的凹面镜研究早了近百年。
元丰五年，沈括在京口整理《梦溪笔谈》的最后篇章。烛光摇曳中，他在透光镜条目下补写："意古人别自有术。" 这句话在千年后得到印证 ——20 世纪的科学家用 X 射线衍射技术，终于破解了透光镜 "隐然有迹" 的微观奥秘。
如今，在海州古城的沈括纪念馆里，那面透光镜依然静静躺在玻璃展柜中。当游客用手机闪光灯照射镜面时，"见日之光" 的铭文会突然浮现在墙面上，恍若穿越时空的密码。而玻璃展柜的说明牌上，永远镌刻着这位北宋科学家的那句箴言："事非前定，人谋而已。"
2《梦溪笔谈》中的光学成就
《梦溪笔谈》是一部综合性笔记体著作，其中涉及了丰富的光学知识和实验记录。《梦溪笔谈》中记载的光学知识原文及解析如下：
2.1 透光镜原理
原文：
世有透光鉴，鉴背有铭文，凡二十字，字极古，莫能读。以鉴承日光，则背文及二十字皆透在屋壁上，了了分明。人有原其理，以为铸时薄处先冷，唯背文上差厚，后冷而铜缩多。文虽在背，而鉴面隐然有迹，所以于光中现。予观之，理诚如是。然余家有三鉴，又见他家所藏，皆是一样，文画铭字无纤异者，形制甚古。唯此一样光透，其他鉴虽至薄者皆莫能透。意古人别自有术。（选自《梦溪笔谈・器用》）
解析：
世间有一种透光铜镜，铜镜背面有铭文，共有二十个字，字体极其古老，没人能读出来。用铜镜承受日光，背面的花纹和二十个字就会透射在房屋的墙壁上，清清楚楚。有人推究其中的道理，认为是铸造时薄的地方先冷却，只有背面的铭文处稍微厚一些，冷却得晚，铜收缩得更多。铭文虽然在背面，但镜面上隐隐约约有痕迹，所以在光中显现出来。我看来看去，觉得道理确实如此。但我家有三面铜镜，又见别人家所收藏的铜镜，都是一个模样，图案铭文没有丝毫差异，形制很古老。只有这种能透光，其他铜镜即使最薄的也不能透光。想来古人自有独特的工艺。
2.2 凹面镜成像与焦点
原文：
阳燧照物皆倒，中间有碍故也。算家谓之格术。如人摇橹，臬为之碍故也。若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗隙所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东。又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂，与阳燧一也。阳燧面洼，以一指迫而照之则正；渐远则无所见；过此遂倒。其无所见处，正如窗隙、橹臬、腰鼓碍之，本末相格，遂成摇橹之势。（选自《梦溪笔谈・辩证一》）
解析：
用阳燧（凹面镜）照物体，成像都是倒立的，这是因为中间有障碍物的缘故。算学家称这种方法为格术。就像人摇橹时，船桨的固定点是障碍物的缘故。如果鹞鹰在空中飞翔，它的影子会随着鹞鹰移动。但如果影子在移动过程中受到窗缝的限制，那么影子的移动方向就会与鹞鹰相反，鹞鹰向东影子就向西，鹞鹰向西影子就向东。又如窗缝中楼塔的影子，中间受到窗户的限制，也都是倒垂的，这与阳燧成像是一样的道理。阳燧的表面是凹面，当用一个手指靠近它照时，成像就是正的；逐渐远离时，就什么也看不见了；超过这个距离后，成像就变成倒的了。那个什么也看不见的地方，正好像是窗缝、船桨的固定点、腰鼓等障碍物一样，光线的传播受到阻碍，于是就形成了像摇橹一样的趋势。
2.3 小孔成像与光的直线传播
原文：
若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗隙所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东。又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂，与阳燧一也。
解析：
如果鹞鹰在空中飞翔，它的影子会随着鹞鹰移动。但如果影子在移动过程中受到窗缝的限制，那么影子的移动方向就会与鹞鹰相反，鹞鹰向东影子就向西，鹞鹰向西影子就向东。又如窗缝中楼塔的影子，中间受到窗户的限制，也都是倒垂的，这与阳燧（凹面镜）成像是一样的道理。
2.4 冷光现象
原文：
卢中甫家吴中。尝未明而起，墙柱之下，有光熠然，就视之，似水而动。急以油纸扇挹之，其物在扇中滉样，正如水银，而光艳烂然，以火烛之，则了无一物。又魏国大主家亦尝见此物。李团练评尝与予言，与中甫所见无少异，不知何异也。予昔年在海州，曾夜煮盐鸭卵，其间一卵，烂然通明如玉，荧荧然屋中尽明。置之器中十余日，臭腐几尽，愈明不已。苏州钱僧孺家煮一鸭卵，亦如是。物有相似者，必自是一类。（选自《梦溪笔谈・异事》）
解析：
卢中甫家住吴中，曾有一次天未亮就起床，看见墙柱的下面，有东西熠熠闪光。走近去看，那东西像水在流动；急忙用油纸扇把它舀起来，它就在扇中滉漾，正像水银，而光亮灿烂；拿烛火照它，却什么东西都没有。此外，魏国大长公主家也曾见到这种东西，李评团练使曾跟我谈起过，和在中甫家所见的完全一样，不知是什么怪现象。我往年在海州时，曾在夜间煮咸鸭蛋，其中有一个鸭蛋光灿灿的，通体透明如玉，荧荧的光亮照得满屋子都明亮起来；把它放在器皿中十多天，臭烂腐败得几乎没有了，却更加明亮，发光不止。苏州钱僧孺家煮了一个鸭蛋，也是这样。有相似现象的东西，必定是自为一类的。
2.5月相与日月食的类比实验
原文：
“如一弹丸，以粉涂其半，侧视之，则粉处如钩，对视之，则正圆。”（《卷七·象数一》）
解析：
通过涂粉的球体模拟月相变化，解释月亮的圆缺现象。当侧视涂粉半球时，可见弯钩状（如弦月），正视时则呈圆形（如满月）。此实验直观验证了月相成因
2.6光的折射与虹的成因
原文：
“虹乃雨中日影也，日照雨则有之。”（《卷二十一·异事》）
解析：
彩虹是雨中的日光影像，太阳照射雨滴时就会出现。
沈括《梦溪笔谈》的光学记载以实验观察为核心，结合逻辑推理，系统阐释了光的传播规律与成像机制。其原文不仅具有科学价值，更体现了沈括“格物致知”的研究方法，被誉为“中国科学史上的坐标”。这些内容在卷三、卷七、卷十九、卷二十一等多处分散记录，反映了北宋时期光学研究的最高水平。
附2 沈括简介
沈括（1031—1095），字存中，号梦溪丈人，北宋杭州钱塘（今浙江杭州）人，是中国古代罕见的通才型学者，集政治家、科学家、文学家等多重身份于一身。
沈括出身官宦世家，早年随父游历多地，积累了丰富的社会见闻。24 岁以父荫入仕，历任沭阳主簿、东海县令等职，因治理水患、兴修水利崭露头角。1063 年进士及第后，历任馆阁校勘、司天监、翰林学士、权三司使等要职，参与王安石变法，主导财政改革与军事防御。他曾出使辽国，以扎实的文献考据维护国家领土主权；戍守西北时，改革兵制、平定叛乱，展现卓越军政才能。后因永乐城之战失利被贬，晚年隐居润州（今江苏镇江）梦溪园，专注著述直至去世。
科学成就与《梦溪笔谈》
沈括一生治学广博，在天文、地理、物理、数学、医学等领域均有开创性贡献。其代表作《梦溪笔谈》被誉为 “中国科学史的里程碑”，内容涵盖：
天文学：改进浑仪、浮漏等观测仪器，编制《奉元历》，提出 “月本无光，日耀之乃光” 的月相理论。
物理学：发现地磁偏角，记录 “以磁石磨针锋” 的人工磁化法；通过小孔成像实验阐释光的直线传播，研究凹面镜聚焦原理。
地质学与工程学：提出流水侵蚀理论，考察太行山化石推断海陆变迁；首次命名 “石油” 并预言其广泛用途，记录活字印刷术与建筑技术。
数学：创立 “隙积术”（高阶等差级数求和）与 “会圆术”（圆弧长度近似计算），推动古代数学发展。
其他领域：在声学、医学、生物学等方面亦有创见，如通过琴弦共振实验验证声音传播规律。
思想与影响
沈括主张 “事非前定，人谋而已”，强调实证与实践结合，其研究方法已接近近代科学思维。英国学者李约瑟称他为 “中国科学史上最奇特的人物”，日本数学家三上义夫更赞其 “在世界数学史上找不到，唯有中国出了这个人”。他的成就不仅推动了宋代科技发展，更对后世产生深远影响，成为古代 “格物致知” 精神的典范。
沈括的生平与学术，展现了中国古代知识分子 “达则兼济天下，穷则独善其身” 的双重追求，其著作至今仍是研究古代科技与社会的珍贵文献。
