世界最早的光學實驗 2400年前墨子對光直線傳播的揭示

世界最早的光學實驗是什麼時候？光學（optics）是物理學的重要分支學科。也是與光學工程技術相關的學科。狹義來說，光學是關於光和視見的科學，optics詞早期只用於跟眼睛和視見相聯繫的事物。下面就跟本站一起具體看看世界最早的光學實驗等相關內容。

世界最早的光學實驗

世界上最早的光學實驗，是在2400年前，由我國傑出科學家墨子和他的學生進行的。在一間黑暗的小屋朝陽的牆上開一個小孔，人對着小孔站在屋外，屋裏相對的牆上就出現了一個倒立的人影。爲什麼會出現這奇怪的現象呢？墨家解釋說，這是因爲光線像射箭一樣，是直線進行的。人體下部擋住直射過來的光線，穿過小孔，成影在上邊；人體上部擋住直射過來的光線，穿過小孔，成影在下邊，就成了倒立的影。並且還指出，人的位置離牆壁由遠及近，暗室裏的影也由小變大，倒立在牆上。這在世界上是對光直線傳播的第一次科學解釋。

墨子簡介

墨子（生卒年不詳），名翟（dí），東周春秋末期戰國初期宋國人，一說魯陽人，一說滕國人。墨子是宋國貴族目夷的後代，生前擔任宋國大夫。他是墨家學派的創始人，也是戰國時期著名的思想家、教育家、科學家、軍事家。

墨子是中國歷史上唯一一個農民出身的哲學家，墨子創立了墨家學說，墨家在先秦時期影響很大，與儒家並稱“顯學”。他提出了“兼愛”、“非攻”、“尚賢”、“尚同”、“天志”、“明鬼”、“非命”、“非樂”、“節葬”、“節用”等觀點。以兼愛爲核心，以節用、尚賢爲支點。墨子在戰國時期創立了以幾何學、物理學、光學爲突出成就的一整套科學理論。在當時的百家爭鳴，有“非儒即墨”之稱。墨子死後，墨家分爲相里氏之墨、相夫氏之墨、鄧陵氏之墨三個學派。其弟子根據墨子生平事蹟的史料，收集其語錄，完成了《墨子》一書傳世。

其他物理學研究

墨子關於物理學的研究涉及到力學、光學、聲學等分支，給出了不少物理學概念的定義，並有不少重大的發現，總結出了一些重要的物理學定理。首先，墨子給出了力的定義，說：“力，刑（形）之所以奮也。”（《墨經上》）也就是說，力是使物體運動的原因，即使物體運動的作用叫做力。對此，他舉例予以說明，說好比把重物由下向上舉，就是由於有力的作用方能做到。同時，墨子指出物體在受力之時，也產生了反作用力。例如，兩質量相當的物體碰撞後，兩物體就會朝相反的方向運動。如果兩物體的質量相差甚大，碰撞後質量大的物體雖不會動，但反作用力還是存在。

接着，墨子又給出了“動”與“止”的定義。他認爲“動”是由於力推送的緣故，更爲重要的是，他提出了“止，以久也，無久之不止，當牛非馬也。”的觀點，意思是物體運動的停止來自於阻力阻抗的作用，如果沒有阻力的話，物體會永遠運動下去。這樣的觀點，被認爲是牛頓慣性定律的先驅，比同時代全世界的思想超出了1000多年，也是物理學誕生和發展的標誌（亞理士多德認爲力是使物體運動的原因，沒有力物體就不會運動，而停止是物體的本性，這樣的觀點是符合常人觀測的結果的，卻是膚淺和錯誤的）。

關於槓桿定理，墨子也作出了精闢的表述。他指出，稱重物時秤桿之所以會平衡，原因是“本”短“標”長。用現代的科學語言來說，“本”即爲阻力臂，“標”即爲動力臂，寫成力學公式就是動力×動力臂（“標”）=阻力×阻力臂（“本”）。此外，墨子還對槓桿，斜面、重心、滾動摩擦等力學問題進行了一系列的研究，這裏就不一一贅述。在光學史上，墨子是第一個進行光學實驗，並對幾何光學進行系統研究的科學家。如果說墨子奠定了幾何光學的基礎，也不爲過分，至少在中國是這樣。正如李約瑟在《中國科學技術史》物理卷中所說，墨子關於光學的研究，“比我們所知的希臘的爲早”，“印度亦不能比擬”。

墨子首先探討了光與影的關係，他細緻地觀察了運動物體影像的變化規律，提出了“景不徙”的命題。也就是說，運動着的物體從表觀看它的影也是隨着物體在運動着，其實這是一種錯覺。因爲當運動着的物體位置移動後，它前一瞬間所形成的影像已經消失，其位移後所形成的影像已是新形成的，而不是原有的影像運動到新的位置。如果原有的影像不消失，那它就會永遠存在於原有的位置，這是不可能的。因此，所看到的影像的運動，只是新舊影像隨着物體運動而連續不間斷地生滅交替所形成的，並不是影像自身在運動。墨子的這一命題，後來爲名家所繼承，並由此提出了“飛鳥之影未嘗動”的命題。

隨之，墨子又探討了物體的本影和副影的問題。他指出，光源如果不是點光源，由於從各點發射的光線產生重複照射，物體就會產生本影和副影；如果光源是點光源，則只有本影出現。

接着，墨子又進行了小孔成像的實驗。他明確指出，光是直線傳播的，物體通過小孔所形成的像是倒像。這是因爲光線經過物體再穿過小孔時，由於光的直線傳播，物體上方成像於下，物體下部成像於上，故所成的像爲倒像。他還探討了影像的大小與物體的斜正、光源的遠近的關係，指出物斜或光源遠則影長細，物正或光源近則影短粗，如果是反射光，則影形成於物與光源之間。

特別可貴的是，墨子對平面鏡、凹面鏡、凸面鏡等進行了相當系統的研究，得出了幾何光學的一系列基本原理。他指出，平面鏡所形成的是大小相同、遠近對稱的像，但卻左右倒換。如果是二個或多個平面鏡相向而照射，則會出現重複反射，形成無數的像。凹面鏡的成像是在“中”之內形成正像，距“中”遠所成像大，距“中”近所成的像小，在“中”處則像與物一樣大；在“中”之外，則形成的是倒像，近“中”像大，遠“中”像小。凸面鏡則只形成正像，近鏡像大，遠鏡像小。這裏的“中”爲球面鏡之球心，墨子雖尚未能區分球心與焦點的差別，把球心與焦點混淆在一起，但其結論與近現代球面鏡成像原理還是基本相符的。

墨子還對聲音的傳播進行過研究，發現井和罌有放大聲音的作用，並加以巧妙地利用。他曾教導學生說，在守城時，爲了預防敵人挖地道攻城，每隔三十尺挖一井，置大罌於井中，罌口繃上薄牛皮，讓聽力好的人伏在罌上進行偵聽，以監知敵方是否在挖地道，地道挖於何方，而作好禦敵的準備（原文是：令陶者爲罌，容四十鬥以上，……置井中，使聰耳者伏罌而聽之，審知穴之所在，鑿內迎之）。儘管當時墨子還不可能明白聲音共振的機理，但這個防敵方法卻蘊含有豐富的科學內涵。