《人類科學技術(shù)史-149》中國秦漢魏晉南北朝時期物理學（下）

中國秦漢魏晉南北朝時期物理學（下）
4.熱學知識

到秦漢魏晉南北朝時期，人們通過長期的生活與生產(chǎn)實踐，已積累了一定的熱學知識。并在日常生活中、書籍中有所運用與記載。

從漢代開始，中國古代的人們逐漸發(fā)現(xiàn)并初步利用了煤、石油、天然氣等高溫燃料。這使高溫治煉又前進了一大步。到東漢杜詩又發(fā)明了鼓風機械——水排，將爐溫又提高了一層。那時，人們掌握火候的技術(shù)可以說已達到登峰造極的地步。各種出土的名劍，精制瓷器、爐窯遺址等實物，便可向世人展示這一切。但這時，人們?nèi)允强拷?jīng)驗看冶爐的火色來判斷火候，而溫度的調(diào)節(jié)則簡單由鼓風的急慢來控制。對所制器物硬度的控制，人們已開始利用不同的淬火技術(shù)，一般習慣均用特定的水來淬火，而北齊綦母師文在煉制宿鐵刀時卻用動物油和動物尿兩次淬火，這說明他已有很高的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗，對開始淬火的溫度、淬火后取出的時機把握得恰到好處。這些都是熱學控溫技術(shù)的一大進步。

熱能的利用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)緊密相關(guān)。據(jù)《漢書.召倍臣傳》記載，在西漢末年已有正式的溫室生產(chǎn)。其實秦始皇曾派人在驪山之南建造大棚，用以在冬天載培蔬菜，因技術(shù)不過關(guān)而沒能成功。西漢時所用的方法是"覆以屋廡，晝夜燃蘊火，待溫氣乃生。"北魏時已出現(xiàn)了用熏煙的方法來防止霜凍的技術(shù)以及對霜凍的預(yù)報等。著名科學家賈思勰在《齊民要術(shù)》中寫道："凡五果花盛時，遭霜則無子，常預(yù)于園中往往貯惡草生蔡，天雨新晴，北風凍切，是夜必霜。此時放火作煜，少得煙氣，則免于霜矣。"古代的中國人利用熱能防止自然災(zāi)害的作法，充分顯示出了他們的聰明才智和對熱學知識的深入了解。

煉丹術(shù)是從春秋戰(zhàn)國到唐代久盛不衰的一門學問，它雖然與仙、道等迷信現(xiàn)象緊密相關(guān)，但其中也有不少物理方面的知識。西漢煉丹家魏伯陽在《周易參同契》一書中對水銀的揮發(fā)現(xiàn)象作了記載，他指出：由于水銀與硫磺能化合成黑色的硫化汞，加熱能升華成紅色硫化汞(俗稱丹砂）。因此，用硫磺便可不讓水銀蒸發(fā)。他還指出，即使在猛火中，黃金也不易氧化，不失重，不變形。晉朝葛洪(公元281-341年）在《抱樸子》一書中記載了包括煅(長時間高溫加熱法）、煉(干燥物質(zhì)加熱法）、灸(局部烘烤法）、熔(熔化法）、抽(蒸餾法）、飛(升華法）、伏(加熱使藥物變性法）等多種火法煉丹法。但其中也記錄了蒸發(fā)和凝結(jié)、熱分解和升華等方面的物理知識。書中還指出了掌握火候?qū)挼さ挠绊懀约昂銣胤矫娴闹R，形成了中國古代物理知識記錄的又一種形式。

此外，王充的《論衡》在中國物理學發(fā)展史上有一定的地位。它在書中對熱傳導的見解是：熱的傳導是氣的作用，靠火近則感到溫暖是因為距離短，氣的作用大；而當離火越來越遠時，氣的作用就不斷減小，熱的傳導也就不斷減弱。這一見解給出了熱的傳導與距離成反比的科學結(jié)論。他不但科學地解釋了雨、露、云霧、霜、雪的形成，而且對蒸發(fā)、降雨、凝結(jié)與溫度的關(guān)系有了初步論述。他在書中指出："雨之出山，或謂云載而行，云散水墜，名為雨矣。失云則雨，雨則云矣，初出為云，云繁為雨，……云霧，雨之行也，夏則為露，冬則為霜，溫則為雨，寒則為雪。雨露凍凝者，皆由地發(fā)，不從天降也"，"寒不累時則霜不降，溫不兼日則冰不釋"。這說明王充把云、霧、雨、露、霜、雪看作是本質(zhì)上相同的東西，只是在不同的溫度和不同的條件下，才表現(xiàn)出不同的形式。這表明他對熱現(xiàn)象和熱能的變化有了精細的觀察和比較深入的研究。

南北朝時期，中國早已有了儲存天然冰的窖場，用來冷藏食物，并且十分普遍。雖然早在商周時已有這樣的冰窖，但其社會化程度遠不如這一時期。

熱的本性一直引起人們的關(guān)注和探討。古代中國的五行說，把火看成是構(gòu)成宇宙萬物的物質(zhì)元素中的一種。南北朝時成書的《關(guān)尹子》指出：熱是一種可自由出入物體本身的"外物"，當瓦與高溫的火接觸時，就有熱進入瓦石，所以瓦石會熱起來；而當瓦石接觸冷水時，就有熱以瓦石傳出，所以瓦石會變冷。而北齊的劉晝更以"熱質(zhì)說"的口吻指出：熱是藏在樹木之內(nèi)的一種物質(zhì)，鉆木的時候就會跑出來，從而產(chǎn)生火。這些應(yīng)算是熱學發(fā)展史上較早的關(guān)于熱的本質(zhì)的一種假說。

秦漢時代，已經(jīng)出現(xiàn)利用熱室氣因輕而上升的原理的記載。淮南王劉安編著的《淮南子》中記載："取雞子，去其汁，然艾火納空卵中，疾風因舉之天。"雖然這種東西根本飛不起來，但表明了時人已知道用艾火生產(chǎn)熱能而使重物上升的道理，開始了制造熱氣球的設(shè)想。后來，蜀國丞相、著名的政治家、軍事家諸葛亮利用熱空氣的浮升原理而發(fā)明了"孔明燈"，這應(yīng)該是熱氣信號燈的前身。同時，出現(xiàn)了利用燃燒加熱空氣去推動紙輪旋轉(zhuǎn)的燃氣燈與走馬燈等器物。這表明，人們已認識到，空氣熱升冷降而成對流，并使軸轉(zhuǎn)動這一原理。這些器物的制作原理與現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機的燃氣輪原理相似。可以說，中國的走馬燈應(yīng)算是近代燃氣輪的始祖。而直到公元1550年，歐洲才出現(xiàn)燃氣輪的雛形。

5.司南的發(fā)明

中國春秋時期就注意到了磁現(xiàn)象的存在，當時，《管子.地數(shù)》一書中記載了天然磁石的吸鐵現(xiàn)象。在使用磁石的過程中，人們發(fā)現(xiàn)了磁石具有指極性，根據(jù)這一特性，制成了可能指示南北方向的工具——司南。最早的可靠記載是戰(zhàn)國末期的法家著作《韓非子》一書。在《有度篇》中有"先王立司南以端朝夕"，意思就是用司南這種東西測定方向。在《韓非子.有度篇》中詳細地描述了司南形狀東漢王充的《論衡.是應(yīng)》中也有司南勺的記載："司南之杓(勺），投之于地(放置司南勺的盤子），其柢指南。"河南南陽東漢墓出土的石刻上有司南的圖畫。由此可知司南是用天然磁石制成的，樣子像勺，圓底，可以在平滑的刻有方位的底盤上自由旋轉(zhuǎn)，勺柄就指向南方。但因司南由天然磁石磨制而成，磁性較弱，在制作過程中，由于受震而會失去磁性，加之磁勺與底盤接觸處轉(zhuǎn)動摩擦的阻力較大，所以還難以達到理想的指南效果。盡管如此，司南還是被廣泛用于建筑、航海、祭祀等活中，起到了指南針的作用。并為指南針的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。隨著航海事業(yè)的發(fā)展，人們更為迫切地需要研制更為有效的指向儀器。為此進行了不懈地努力，戰(zhàn)國末期的《呂氏春秋》一書中所講的"慈(磁）石召鐵"，又向前大大跨進了一步。春秋以后由于鐵器的廣泛使用，進而又發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵的特性，從而有可能出現(xiàn)人工磁化的鐵。這是繼磁石指極性后物理學上的又一重要發(fā)現(xiàn)。約到公元10世紀，經(jīng)過對人工磁化方法和使用磁針指向的探索研究，最終發(fā)明了指南針。

然而，中國古代物理學的發(fā)展也不是一帆風順的。由于傳統(tǒng)觀念對純理論探討的輕視與排斥，將記載大量物理學知識的《論衡》加上"秘玩以為玩助"的罪名，視為"異端邪說"而長期遭受冷落。加之當時中國古代科學家還缺乏將力學、光學、熱學等物理現(xiàn)象進行獨立研究，建立獨立的、系統(tǒng)的學術(shù)系統(tǒng)的意識，因此中國古代后期的物理學研究，還無法形成完整、系統(tǒng)的理論體系。