古人制作了哪些光学仪器?
中国古代制造了世界上最早的光学仪器——铜镜和潜望镜。随着对凸面镜和凹面镜的认识,后来又发展了眼镜、双筒望远镜、显微镜、探照灯等光学仪器。
唐开元年间的一个中秋节晚上,唐朝皇帝邀请沈和方士罗公一起赏月。三人赏月饮酒谈笑之际,唐满心欢喜,想去月宫一游。
于是,沈学的做法,找来炼丹师罗把一根藤条扔在明月当空,把它变成了一座银桥。桥的另一边是一座城门,横匾上写着:冷空之家。
罗对唐说:“这就是月宫!”
唐明帝踏上银桥,登上月宫。他看到数百位仙女,婀娜多姿,在宽阔的宫廷之上翩翩起舞,皇帝看得入了迷。他原本是学音乐的,听到仙乐的美妙后,就把曲子背下来,决定在自己的宫殿里演奏。
唐明帝回到人间后,命掌管宫廷乐舞的官员整理出一首优美的曲子,仿佛是天籁之音,配合着宫廷舞者的舞蹈,就是著名的彩羽。
唐王访月宫的传说已成为一个传奇故事。因此,月宫被称为“广寒宫”。在辽代,有一个“唐王参观月宫镜”来纪念这一事件。这面镜子是《古汉字镜》故事中的杰作。现在被考古学家挖掘出来,成了出土文物。
镜子直径21.8cm,厚度0.75cm,重量1460g。装饰图案是高浮雕和线雕的结合。
巨大的铜镜像一轮满月,起伏的纹饰仿佛映出月中的寒宫;月宫中亭台楼阁时隐时现,摇曳的桂花树在月影中摇枝;捣药的玉兔特别开心,迎客的金蟾伸了个懒腰。风中行云,弯月桥,桥下池中出现的龙跃跃欲试;唐朝的国王乘云而来。多么仙境的天堂,人间的风景,让人不能不感叹古人的智慧和独特的铸造技术。其实中国在3000年前就制作和使用了铜镜,很早就对光的反射有了深刻的认识。
中国古代制镜技术非常发达,对各种镜子的成像原理都有深入的研究。早在先秦时期,中国就已经使用铜镜,至今仍被视为世界文明史上的瑰宝。
除了铜镜,古人还利用平面镜反射的原理制作了世界上最早的潜望镜。西汉淮南王刘安所著《淮南湾壁书》中记载“取一面大镜子,下放一盆,便见左邻右舍”。这个装置虽然粗糙,但意义深远,现代使用的潜望镜就是根据这个原理制作的。在使用平面镜的同时,人们发现了球面镜的奇怪现象。球面镜有凹面镜和凸面镜两种。
了解凹面镜的聚焦特性,用凹面镜引火日本,在中国有很长的历史。凹面镜在中国古代被称为“阳燧”,意思是利用阳光生火。这是太阳能的最初用途。
早在春秋战国时期,翟墨和他的学生们就对凹面镜进行了深入的研究,并将他们的研究成果记录在《莫箐》一书中。
通过实验,他们发现当一个物体放在球的中心时,它会得到一个直立的图像。靠近球心的图像大,远离球心的图像小。当时墨家已经明确区分了焦点和球的中心,称焦点为“钟祥”。墨家还研究了凸面镜,认识到无论物体在凸面镜上的什么位置,都只有一个直立的像。宋代科学家沈括在《孟茜笔谈》中总结古代铸镜技术说:镜若大,使之平;如果镜子小,就把它做得微微凸起,这样镜子虽然小,也能照全脸。
沈括也在前人研究的基础上正确陈述了凹面镜成像的原理。他指出:当你将手指放在凹面镜前成像时,随着手指与镜子之间距离的移动,图像也随之变化。
沈括用这个例子来说明凹面镜成像和焦点的关系。当手指靠近镜子时,它得到一个直立的图像;远的时候看不到像,因为手指不在焦点成像;焦点之外,图像变成了倒像。他指出四面镜子“会聚于一点”,并称此为“障碍”,也就是现代光学中所谓的“焦点”。
因为中国古代没有玻璃的应用,镜片知识贫乏。而中国古代有智慧的人通过特殊的方法实现了凸透镜的聚焦现象。
晋代科学家张华在《博物志》中说:“如果你把冰切开,举向太阳,就会得到火。”这可以说是一个别出心裁的发明。冰受热会融化,但古人把它做成凸透镜,利用聚焦取火。看似不可思议,其实是有可能的。从这里可以看出,凸透镜的聚焦在当时是完全理解的。
王堂在月宫镜中游泳