二、古代物理學
中國物理學史料的來源
既然我國古代有許多物理學的知識，但又沒有物理學專書，那麼，我們從什麼地方去找物理學史料呢?大致說來有以下幾種來源。
第一，古文獻的記載。
第二，古代器物的分析。我們祖國幅員遼闊的大地上留有大量幾千幾萬年前的遺物，包括器物與建築，這些就是當年文化科學水平的綜合反映，是最具體、最生動的記載，也是最過硬的史料。從這些器物中可以分析出當時人們在製造過程中運用了哪些物理知識。例如，諾貝爾物理獎獲得者楊振寧博士，觀察了大量西周時代的青銅器，發現當時人們對稱已經具有物理學中一種極其重要的思想觀念——“對稱”。又如，西安半坡村出土的新石器時期的遺址裏，有一種尖底瓶，引起人們的極大興趣，它可以印證文獻的記載，從中分析出距今5000～7000年以前的人們具有了哪些力學知識。那裏還出土一種叫做“甑”的泥製器皿，世界著名科學史家李約瑟博士(1900～1995)［英］認為，那可能是人類最原始的蒸氣發生器，這在熱學史上應當是很重要的。此外，一些古建築也向我們提供了豐富的研究內容，譬如山西省的應縣佛宮寺木塔，是明暗九層、高達66．49米的純木結構的建築珍品，迄今已經曆九百多個寒暑，不僅風雨侵蝕，經受了烈度5度以上的強烈地震就有12次之多，此外還經受了強風、炮擊等強烈震動，而仍然保持完好，這反映了它的力學結構十分科學合理，從中可以分析出一係列的理論知識。還有些古建築甚至有了類似的避雷設施，為古代電磁學的研究，提供了重要的線索。此外，還有不少古代水利工程設施如都江堰等，也能向我們提供某些流體力學的原始材料。至於現存的那些古天文儀器，更是光學史料的十分豐富的來源。編鍾、魚洗是聲學史的珍貴材料的淵藪。另外，還有一些碑刻與出土文物之類的東西，有文字或圖畫。例如遼陽三道壕的漢墓中，有不少壁畫，其中就有一幅畫著風車，這使我們確知距今1700年前，人們就知道如何巧妙地使用空氣流動的能量了。總之，這方麵蘊藏著豐富的潛在材料。
第三，現存的某些生產工藝。一項生產工藝之中，往往是科學技術知識的綜合運用與反映，其中常常寓有一定的物理原理。所以對一項古工藝的分析，可以獲得某些物理學史料。當然，在今天來說，古代的工藝往往是落後、原始的，絕大部分早已廢棄不用了，或者是失傳了。但是也還有一些留傳下來，特別是在某些少數民族地區，甚至仍然在沿用。這些可以為我們提供一定的參考，因為有的工藝過程，古書上雖然有過記載，但往往是十分簡略，或者不很確切。那麼流傳的古工藝就成了十分寶貴的史料來源，它或者可以和文獻記載相互印證，或者補古文獻記載之不足。例如上古所用的摩擦取火的方法，古書就沒有寫出具體的過程以及所用的材料，以致引起後人理解上的分歧，甚至懷疑它的真實性。近年來，有人根據海南島一些少數民族地區仍然使用類似的方法取火，才解決了這個問題。由此可見，古代工藝方法是一項活的物理學史料，我們要十分珍視它。
此外，我國民間還流傳著大量的口頭諺語。它們並不一定見之於文獻記載，但卻是一些長期經驗的總結，它含有一定的科學內容，而且語言特別生動，內容也很豐富。專就天氣諺語來說，有人就曾收集了一大本，從這些關於風霜雨露現象的生動說法中反映出大量物態變化方麵的知識，而且對同一個現象，不同地區有不同的說法，分析起來也是很合於物理原理的。可以說，這裏麵潛存著不少物理學史料，但迄今為止還沒有引起人們的足夠注意。
顯然，上列幾項史料來源，當以文獻記載為最大量。中國古書數量之多，曆來都用“浩如煙海”、“汗牛充棟”等成語去形容，實在一點也不過份。這麼多的書被分成經、史、子、集四部，“子”部收有關於天文、曆算、農業、醫學以及工藝技巧一類的書，這裏麵涉及一些物理知識。但是，古代沒有物理專書，物理學知識是散見於幾乎各種類型的書籍之中。這也是物理學科的性質所決定的。例如，上古物理學的最重要的著作《墨經》固然在“子”部，但另一部重要著作《考工記》就在“經”部。“史”部中許多“天文誌”、“律曆誌”等篇章，又是物理學史料的寶庫。“集”部收的雖然是詩文小說等文藝作品，由於這些作品題材也異常廣闊，涉及自然現象典章製度等等，其中也不乏寶貴的物理學史料。小說的情節大多出於虛構，但也有寫實的部分，不可避免地會反映當時的一些情況，例如隋代的《古鏡記》是一部神怪小說，其中寫到一麵反射鏡，竟然就是我國古代著名的“透光鏡”。即使是純感情、尚誇張的詩詞作品，也含有物理學史料。例如梁元帝(502～548)有一首題為《早發龍巢》的詩，其中有句雲“不疑行舫動，唯看遠樹來”，就十分生動的描述了機械運動的相對性。這樣的例子是不勝枚舉的。
總之，中國古代物理學史的研究是必須從一切古書中發掘史料的。中國古書沒有標點符號，不同的斷句讀法，可以解釋出不同的意義來；古漢語又是一字多義，一個字的不同解釋，又可以闡發出迥異的內容。再加以古書，特別是一些筆記小說之類的書，記事往往不盡翔實，或以無作有，或以少作多，或張冠李戴，或添油加醋……因此，每每需要我們作一番鑒別的工作，要去偽存真，去蕪存精。這項工作做不好，就得不到真實的史料。所以它是物理學史研究的基礎。
怎樣做這項工作呢?
首先是把文字釋義搞明確。有些古書有它自己的特殊體例和專門用語，讀的時候要嚴格地遵守，否則就無法理解古書的原意，那就更談不上其他了。
其次，解釋出來的科學內容務必是那個時代可能發生的。譬如有人從漢晉時代的《西京雜記》裏解釋出類似於X光的裝置來。這顯然是“以無作有”，充其量隻能是當時的人們幻想有這一類的“法寶”。從戰國開始就有不少古書說公輸盤首先製造一種木鳥能在空中飛三天，這個例子是“以小作大”的典型。
此外，中國古書還有個真偽的問題，在我們這裏就轉化成為某一器物或某一概念出現的年代問題，這些都得小心地對待。
墨家和《墨經》
《墨經》，原是《墨子》中的一部分，包括“經上”、“經下”、“經說上”、“經說下”四篇，也有將“大取”、“小取”合在一起而稱為《墨辯》的。《墨經》的作者與成書年代曆來說法不一。一種說法認為，“經上”、“經下”兩篇是墨家的創始人墨翟(約前468～前376)所作，“經說上”、“經說下”則是墨翟的弟子們所作的經解。墨翟是戰國初期的魯國人，曾當過宋國大夫，生活年代大約在公元前5世紀末至4世紀初。那麼，成書年代也應當在這期間內。另一種說法是，《墨經》四篇全是後期墨家，即墨子的再傳弟子們所作，成書年代則在墨子之後一二百年。從後來墨家三派同誦《墨經》這一點看，認為“經上”、“經下”兩篇出於墨子之手，是可以相信的。至於“經說上”、“經說下”則可能是他的弟子們對經的理解和解釋，或是墨子在講學時，弟子們做了記錄，後來整理成書。總之，《墨經》是墨家學者的集體創作。
《墨經》的經文不長，全文不過5000多宇，計約180條左右。所涉及的內容主要是邏輯學、自然科學、哲學和倫理學。其中自然科學的條目僅次於邏輯學，占第二位。這本書的文字相當簡古而艱深，到漢代就已經很少有人能夠讀懂了。晉代魯勝曾為之做注，現已失傳。清朝以來，做注的人漸漸多起來，才使我們能夠初步弄清它的主要含義。
墨家是先秦諸子之一，也是當時儒家的一個主要反對學派。這兩家一起，被稱為儒墨顯學。墨家在仁、義、禮、樂等道德範疇內都同儒家相抗衡，他們提出了十大主張。這個學派的成員多來自生產第一線，有豐富的技術知識和刻苦的鑽研精神，研究科學技術的風氣特別盛，尤其是稱為“從事”的一派更專注於科學技術，有不少創造發明，對後世的科學發展起著積極的作用。墨翟本人就是一個優秀的手工業工人，深通機械之學。正是這樣一個躬身實踐並且善於總結經驗的人，把他們對自然界各方麵的認識寫入了《墨經》。
《墨經》中的物理學內容，主要是力學和光學。其特點是超出了對物理現象直觀描述的階段，帶上了濃厚的理論色彩。他在我國物理史上，第一個給出了力的定義，並大體上敘述了牛頓第一定律的基本內容。他研究了杠杆、滑輪、浮力、隨遇平衡、輪軸和斜麵乃至時空觀念等各種問題，其中有不少理論是正確和接近正確的。他第一個討論了光的小孔成像原理，指出了光的直線傳播規律；他討論了光的反射、平麵鏡、凹麵鏡和凸麵鏡的成像情況，找出了一些規律性東西。他甚至提出了火色和溫度的關係。對光學做如此細致的探討，使《墨經》儼然成為一部中國最早的幾何光學。在兩千多年前，提出這樣頗為成熟的幾何光學理論，實在是難能可貴的。《墨經》的光學比歐幾裏得光學還早百餘年。它不僅是中國光學的始祖，在世界光學史中，也居領先地位。
《考工記》
差不多和《墨經》出現的同時，在中國科學技術史上，又開放丁另一朵奇葩——《考工記》，它和《墨經》像一對孿生的姊妹，交相輝映，同放異彩。在對物理學的貢獻上，二者又有異曲同工、殊途同歸之妙。如果說《墨經》是從生產實踐中提取理論性的科學知識加以闡述，那麼《考工記》則是在闡述手工業製作中的一些科學技術。
《考工記》的作者已不可考。現存《考工記》是《周禮》中的一篇——“冬官篇”。把《考工記》編入《周禮》，完全是一種偶然。這二者本是風馬牛不相及的,是漢朝的河間獻王在整理儒家典籍時，因當時的《周禮》缺了“冬官”一篇，就將《考工記》補入。這一補大大提高了這本書的身價。因為它一變而成為儒家的經典，便能世代相傳直至今天。這部書的成書年代看法也很不一致。郭沫若認為是春秋時期齊國的官書，但也有人認為是戰國時期的齊國人所作。從內容看，這部書當產生於具有高度社會分工的封建社會初期，即春秋戰國之交。書中所論及的工種達30種之多，包括“攻木之工七，攻金之工六，攻皮之工五，設色之工五，刮摩之工五，搏埴之工二”。它所涉及的內容很廣，有車、耒等生產工具的設計規範和製造工藝；弓、矢、劍、戟、戈、削等兵器的製作和規範；鍾、鼓、磬等樂器，還有王城、世室、明堂、宗廟等建築物的設置和規範。
文章是按工種排定次序，如“輪人”是做車輪的工人，“輿人”是做車子的工人等等。由於秦始皇焚書，原書也有部分佚失，其中段氏、韋氏、裘氏、筐人、榔人、雕人隻存目，內容已經沒有了。統觀全書，語氣不盡相同，又有重複。因而可以推斷這部書不是出自一個人的手筆，可能是當時一些知識分子記錄各今工種的經驗和製作工藝後，再經過統編而成。這部書大約是經曆了一個很長的時期才成現在這個樣子，連《考工記》這個名稱都是後來的學者加上去的。
此書中的物理內容主要是力學和聲學。它的力學知識是體現在工藝製造之中的。其中有車輪的滾動摩擦問題、斜麵運動、慣性現象、拋射體軌道的準確性、水的浮力、材料強度等問題。在聲學方麵，主要是講述了鍾、鼓、馨的發音、頻率、音色、響度同它們的形狀的關係。
最早研究這本書的是漢代的經學家鄭眾和鄭玄，他們為此書作了注。唐朝的賈公彥又為此書作疏。到清代，研究的人多起來，比較精到的當推戴震和他的學生程瑤田。戴震作《考工記圖》，程瑤田作《考工創物小記》，這兩本書對研究《考工記》很有參考價值。
劉安及其淮南王書
西漢的淮南王劉安(前179～前122)，沛郡豐(今江蘇沛縣東)人，是漢高祖劉邦的孫子。他喜歡讀書彈琴，寫得一手好文章，也十分喜愛“方技”，大力提倡“神仙道術”。劉安仍有戰國諸公子的遺風，願意“養士”。淮南地區是當時的文化中心之一，人物薈萃，許多有學問的人都投到他的門下，以致有“賓客方術之士數千人”。這些人搞出了許多“奇方異術”，大約多是屬於煉丹及其他方麵的幻術，所謂“含雷吐火”之術，這其中大概有許多是運用科學技術的設計。劉安本人因而也積累了不少科學技術知識，所以日理萬機的漢武帝也每每召他進宮，談論這方麵的問題，常常到了很晚才結束。
劉安曾組織他的門客從事撰述，寫了許多書，據記載有“內書”21篇，“外書”的篇幅很大，另有“中篇”8卷，約20多萬字。《漢書·藝文誌》上著錄劉安的作品有6種，計201篇，大多失散了。流傳到今天的隻有《淮南子》21卷，又稱《淮南鴻烈》，是“內書”。另外，還有一本《淮南萬畢術》的輯本，大概是屬於“外書”。《淮南子》是哲學書，以道家思想為主，糅合了儒、法、陰陽等家的思想，發展了先秦的“道”、“氣”學說，在論述哲學問題中，大量引用自然知識，是較多反映西漢一代自然科學成就的著作，特別是關於宇宙形成、樂律、地理、生物進化以及化學等方麵有很多重要的記載，物理方麵則有力學、光學、磁學、聲學、熱學等科的一些資料。《萬畢術》則偏於實踐，那裏麵記載了六七個物理實驗設計，是十分寶貴的資料。
淮南王書中的天文、樂律、生物與物理等方麵的學問，在國內已有不同程度的研究。就在上世紀30年代，還曾把劉安作為古代化學家向國外作了介紹。
王充和《論衡》
王充，字仲任，上虞(今浙江上虞)人，生於公元27年，卒於公元100年左右，正值東漢初期。他一生顛沛流離，雖也作過幾任小官，都是沒有實權的清閑差使，而且為時都很短。他一生的主要精力是用來著書的。到了晚年，王充更是貧困潦倒，甚至連生活都發生了問題。但也正因為他家庭的衰敗，才能使他和下層民眾及生產實際相接觸。再加上他天資聰穎，刻苦鑽研，就使得他在自然科學方麵有較廣博的知識和精湛的見解。
《論衡》一書，是王充晚年所作。除《自紀》一篇外，其他各篇的寫作時間，大約開始於漢明帝水平三年(60)，終於漢章帝元和三年(86)。成書時，王充60歲。他所處的時代，本是變亂之後，百廢待興。但皇帝和滿朝文武卻個個迷戀於低級淺薄、荒誕不經的讖緯之學。什麼叫讖緯呢?就是“詭為隱語，預決吉凶”。公元65年，漢光武帝“宣布圖讖於天下”。從此，讖緯迷信之風遍及中華，僧侶主義籠罩著整個社會。大臣中有誰對讖緯稍有異詞，便立刻獲罪。就在這樣一種氣氛中，王充決定寫《論衡》，而且目的又是“疾虛妄”，那勇敢精神實在令人讚歎。“論衡”二字，按王充自己的解釋，就是表示言論的公平，像衡器一樣，最符合客觀真理。《論衡》寫完後，最初隻在會稽(今浙江紹興)一帶流傳，學者蔡邕到江南以後，得到此書，以為“異書”，把它帶到北方，但隻供少數人作為談助。後來王朗當會稽太守時，將此書帶回許昌。人們發現他大有長進，以為一定是讀了什麼好書，便去問他，王朗回答說，是讀了《論衡》。從此，這部書便從中原傳播開了。
《論衡》全書共30卷，85篇。除《招致》篇佚失外，現存84篇。它的內容，包羅甚廣，天地人事，無所不涉，真可以稱得上我國中古時期的一部百科全書。書中，無論是講自然現象或是講哲學和倫理，都以“效”、“驗”為根據，即把實踐作為獲得知識的源泉，因此，他的不少見解都能夠較為正確地反映客觀實際。
從物理學的角度而言，盡管這本書都是從側麵，即作為哲理的論據提出，卻幾乎涉及到了物理學的每一個領域。
力學：《論衡》反複地以生動的事例闡明了力的概念，認為力是能夠改變物體運動狀態的，並且認為力越大，所能改變的速度也越大。特別值得一提的是，書中還講到了內力的特征，說內力在改變物體運動上不起作用。對於物體的相對運動，書中也作了十分形象的描述。
聲學：王充研究了聲音的發生和傳播問題，在曆史上第一次用水波的傳播來比喻聲音的傳播，並指出聲音在傳播中的衰減，這是世界上對聲波最早的認識。
熱學：王充研究了熱的平衡、熱的傳導和物質狀態的變化。
光學：《論衡》闡述了光的強度、光的直線傳播以及球麵鏡取火問題。
電磁學：《論衡》記錄了摩擦起電，即“頓牟掇芥”現象。並記錄了我國的磁指南器——司南。
沈括和《夢溪筆談》
宋朝是我國在科學技術方麵十分活躍的時期。各門科學，人才輩出，而其中的佼佼者，當首推沈括。沈括字存中，錢塘(今浙江杭州)人。生於1031年，卒於1095年。父親沈周曾經當過潤州、泉州知州以及江東按察使等職。沈括自幼隨父親外任，走過許多地方，大大擴大了他的眼界。父親死後，他因父親的功勞而做過幾任小官，先是當主簿，而後當縣令。這期間，他大興水利，使70萬畝良田得到灌溉。他32歲那一年，中了進士，過了不久，便到京城開封任職。他做過太史令、提舉司天監、史館檢討、集賢院校理等。這時，正值王安石當宰相，在全國範圍內實行新法。沈括堅定地站在新派一邊，為新法的推行做了大量工作。他曾幾次去外地巡視新法實施情況，赴遼國進行邊界談判，並獲得外交上的勝利。在這之後，皇帝提升他為權三司使，掌管全國經濟和財政。在他46歲那一年，由於禦史蔡確的誣劾，被撤掉了權三司使的職務，到外地當官。那時，宋朝和西夏正在打仗，沈括又被委任為鄜延路經略安撫使，在與西夏的戰爭中屢建功績。兩年以後，由於永樂城失守而獲罪，再次被降職。沈括在57歲那一年到潤州，即今江蘇鎮江定居，在那兒買了一座園子，說是和自己年輕時夢見的地方相似，因而起名叫“夢溪園”，住了8年，直到死去。
沈括是曆史上一個著名的學識淵博的人。他才華橫溢，博物窮思，於各門科學都造詣極深。他研究的學問包括天文、氣象、物理、化學、數學、地質、地理、生物、藥物、醫學以及文字、考古、曆史、文學、音樂、圖畫等各方麵，在不少學科中都取得了巨大成就。可以無愧地說，沈括是我國乃至世界少有的科學通才，是我國科學史上最卓越的人物之一，是一顆閃爍著智慧之光的燦爛明星。
《夢溪筆談》，就是他晚年定居夢溪園期間所著。這部書，科學內容豐富，見解精到，無論在我國或是在世界科學史上，都享有很高的聲譽。英國著名的科學史家李約瑟博士為沈括思維的精湛和敏捷驚歎不已，把《夢溪筆談》稱為“中國科學史上的坐標”。
在物理學方麵，沈括不但注意總結前人的經驗，對一些物理現象還親自觀察和試驗。不論是在風塵仆仆的旅行之中，還是在公務繁忙的時候，他都不懈地記錄下自己在科學方麵的心得。由於日積月累，他的研究成果是富有成效的。他在物理學上的主要貢獻是聲學、光學、磁學三個方麵。沈括精通音律之學，《夢溪筆談》中整整有兩卷是專講樂律的。用紙人作實驗來顯示聲音的共振，是他的一個發明，同樣性質的實驗，在歐洲要比沈括晚5個世紀。此外，沈括還研究了共振在軍事上的應用。他對光學的貢獻，主要是研究了針孔成像、凹麵鏡、凸麵鏡成像的規律，形象地說明了焦點、焦距、正像、倒像等問題。他對西漢透光鏡的原理，提出了頗有價值的看法。在磁學上，沈括的貢獻有如下三點：一是給出了人工磁化方法，二是在曆史上第一次指出了地磁場存在磁偏角，三是討論了指南針的四種裝置方法，為航海用指南針的製造奠定了基礎。另外，沈括對大氣中的光、電現象也進行了研究。
作為一個科學家，沈括的名字正在被越來越多的人們所知曉。1979年，國際上曾以沈括的名字命名了一顆新星。他對物理學的卓越貢獻，已被載入了世界科學史冊。
趙友欽和《革象新書》
趙友欽，鄱陽(今江西鄱陽)人，生於宋末元初，係宋王宗室，為了避免元朝政權的迫害，他隱遁為“道家”，遂不用趙友欽的名字，自號緣督，人稱緣督先生或緣督子，有時改名為敬，字子恭。他不斷變換住地，浪跡天涯。開初，他離開鄱陽，住到德興(今江西德興)，後遷往龍遊(今浙江衢縣龍遊)東南雞鳴山麓定居。在龍遊居住很長時間，可以說是他的第二故鄉。據說有一天，趙友欽在龍遊芝山遇著著名道家石杏林，拜石為師，在石的指導下，學業進步很快。他為了研究天文，觀察天象，在雞鳴山上築有觀象台(又名觀星台)。他時常出外遊學，一方麵尋師訪友，一方麵與大自然多接觸，探索自然規律。他的足跡踏遍衢州和金華，並去東海多年。趙友欽死於龍遊，葬在雞鳴山，後人為紀念他，為他立祠建廟。
《革象新書》是趙友欽現存的唯一著作，絕大部分是討論天文曆法問題，也討論了數學、物理學問題，其中有不少精辟的論述。與物理學有關的知識主要有：
(1)通過大型實驗，對光的直進、針孔成像與照度進行研究，取得輝煌成就。這個大型實驗，在世界物理學史上可說是首創的(見本書光學部分)。
(2)他通過一個模擬實驗，研究了月亮的盈虧。他把一個黑漆球掛在屋簷下，比作月球，反射太陽光，黑漆球總是半個亮半個暗。從不同角度看到的黑漆球反光部分形狀不一樣。這樣，形象地解釋了月的盈虧。他對日、月蝕也作了研究。
他還對視角問題進行過研究。他說：“遠視物則微、近視物則大”，“近視物則雖小猶大，遠視則雖廣猶窄。”
應該著重指出：趙友欽十分注重從客觀實際出發探索自然規律。他既重視實驗，又重視理論探討。另外，他善於用比喻來解釋自然規律，深入淺出，妙趣橫生。
除《革象新書》外，趙友欽還著有《金丹正理》、《盟天錄》、《仙佛同源》、《金丹問難》、《推步立成》、《三教一源》等書，又注過《周易》，寫過兵書。《推步立成》是關於天文曆法的書，《金丹正理》和《金丹問難》是關於煉丹的書，可能涉及化學等自然科學知識，可惜都散失了。
朱載和《樂律全書》
朱載堉，字伯勤，號句曲山人。1536年，生在河南懷慶明王朝宗室鄭王府的錦衣繡袍裏，卒年已不可確考，大約是1610年前後逝世。他自幼家學淵源，才思聰敏，早年學習天文、算術，“篤學有至性”，打下了堅實的天算基礎。在他少年時代，家庭生活忽遭重大變故。起因是他父親朱厚烷由於直諫犯上，得罪了明世宗；隨後又被其叔誣陷，以至被削去爵號，身陷囹圄。昔日殿上王，今作階下囚。朱載堉不僅目睹，而且親曆了統治階級內部這幕醜劇，憤而搬出王宮，“築土室宮門外，席槁獨處者十九年”。他身居鬥室，埋頭讀書。“鬥酒縱觀廿一史，爐香靜對十三經。”除了別的興趣愛好之外，他特別潛心於音樂的研究，最後終於能精通樂律、曆學、度量衡、舞蹈諸學，集樂律理論家、聲學家、曆學家、數學家於一身，為他攻下十二平均律的難關鋪平了道路。
後來，新天子穆宗即位，大赦天下。朱厚烷不但恢複了名譽和王爵，還增添俸祿四百石。於是朱載堉搬回王宮，利用豐富的藏書和其他優越條件，深入鑽研樂律和曆學。
朱載堉受深通音樂理論的同朝前輩韓邦奇、王廷相及何瑭等人的啟發，將前人的經驗總結提高，加以發揮，於明萬曆十二年(1584年)寫成《律學新說》，開始涉及十二平均律的問題。尤其難能可貴的是：他父親死了以後，按資格應由他來繼承鄭王爵位，但他接連上疏，懇辭再三，不僅自己“讓國自稱道人”，而且提出放棄他兒子的繼承權利。朱載堉富貴不能淫，貧賤不能移，繼續專心致誌搞音樂理論研究，決心一輩子獻身於科學。
到他60歲時，一部輝煌巨著《律呂精義》問世了。書中運用極精確嚴密的方法，在世界上首次闡明了十二平均律。朱載堉高興地說：“新法不用三分損益，不拘隔八相生，然而相生有序，循環無端，十二律呂，一以貫之，此蓋二千年之所未有，自我聖朝始也。”《律呂精義》實為一部承前啟後的科學論著。朱載墒的主要著作有《樂律全書》、《律呂正論》、《律呂質疑辯惑》、《嘉量算經》等書。《樂律全書》共47卷，彙集了17種著作，律學之外，還包括舞譜、樂譜、算學、曆學等等，內容宏富，而其中的《律學新說》和《律呂精義》則是律學的代表作。
朱載堉不僅是一位卓越的音樂理論家，而且還是一位有實際經驗的舞蹈家和歌曲作家，在樂器製作上也有重大貢獻；但他在音樂史上的地位，主要是由於其首創十二平均律所奠定的。
熱的獲得與對熱的認識
除了太陽之外，火是人間的主要熱源，也是一種重要的熱現象。人類在一二百萬年之前就開始利用火，考古學家認為，我國古猿人在50萬年前就學會了保存火種的本領，這裏麵顯然必須維持足夠的溫度，有一些隔熱保溫的辦法。因為年代太久遠，很難知道它的實際的具體情況。真正能夠自由地獲得熱源，必須有取火的手段。我國古代很早就有“燧人取火”的說法。綜合曆來的資料，取火方法可分為以下三種：
第一是通過摩擦、打擊等手段發熱取火。我國在舊石器時代的中晚期，已經知道用打擊石頭的方法產生火花，後來又發明了摩擦、鋸木、壓擊等辦法。古書上所謂“燧人氏鑽木取火”(《韓非子》)，“伏羲禪於伯牛，錯木作火”(《河圖》)，“木與木相摩則然”(《莊子》)等等，都不是子虛烏有。鐵器使用之後，人們也用鐵質火鐮敲打堅硬的燧石而發生火星，使易燃物著火。這一些都是利用機械能轉換成為熱能，當然是十分費力而且很不方便的。
第二是利用凹球麵鏡對日聚集取火。《考工記》裏有所謂“燧鑒之齊”之說，“燧”就是取火專用的凹麵鏡，在周代以來也叫“陽燧”、“金燧”、“火鏡”等。《莊子》就說過：“陽燧見日則然為火。”1956～1957年在河南陝縣上村嶺1052號虢國墓出土一麵直徑7．5厘米的凹麵鏡，背麵有一個高鼻鈕，可以穿繩佩掛。值得注意的是，和它一起出土的還有一個扁圓形的小銅罐，口沿與器蓋兩側有穿孔，用以係繩。這大概是供裝盛艾絨和凹麵鏡配對使用的。這可以說是人類早期利用太陽熱能的專用儀器，距今已有2500多年的曆史了。具體的使用方法，東漢許慎(約58—約147)的一段話說得比較詳細：“日高三四丈，持以向日，燥艾承之寸餘，有頃焦，吹之則得火。”(《藝文類聚》引)這裏指出：①必須在太陽升到相當高度，照度足夠時才能使行；②引燃物是幹燥的艾草；③所用的凹麵鏡的焦距隻有“寸餘”，聚光能力應當很好；④艾草溫度升高到一定程度，起先隻是發焦，要用人為方法供給足夠氧氣助燃(“吹之”)，才使艾草燃燒發明火。
自戰國以來，還曾有過“以珠取火”之說，可能是利用圓形的透明體對日聚集取火，它的效能等於凸透鏡聚焦。不過使用一直不太普遍。
第三是利用化學藥物引燃。在公元6世紀，我國發明了“發燭”。據元代陶宗儀的《輟耕錄》(1366年成書)上說，這種“發燭”實際上是在鬆木小片的頂部塗上一分(3毫米)來長熔融狀的硫黃。宋代陶穀的《清異錄》上也說：“夜有急，苦於作燈之緩，有智者批杉條，染硫黃，置之代用，一與火遇，得焰穗，既神之，呼‘引光奴’，今遂有貨者，易名‘火寸’。”可見，這種東西，就是利用燃點很低的硫黃，一遇紅火即可燃成明火。在南北朝開始，就有專門製造作為商品供應，後來各地所用的材料略有不同，也有“發燭”、“粹兒”、“引光奴”、“火寸”及“取燈”等不同的名稱。這種東西沿用時間很長，直至19世紀歐洲發明的依靠摩擦直接發火的火柴(當時民間叫做“洋火”)傳入我國，才逐步地取代了傳統的引火柴。
對於熱的本質，“五行學說”與“元氣論”都有自己的說法。“元氣論”把熱看成是一種“氣”，它的集中表現是燃為火。所以《淮南子·天文訓》有“積陽之熱氣生火”的說法。王充《論衡·寒溫篇》解釋冷熱也說是“氣之所加”。“五行說”認為構成自然的五種基本元素中就有“火”，而“火”有“燥熱”之性，就是熱的具體化。《墨經》作者根據“五行說”解釋自然現象，有一條說：“合水、土、火；火離，然。……合之，府水。［木離木］……”這裏的“木離木”三個字大概是後人的注解，第一個“木”字是注解“合水、土、火”，意思是說木是由水、土、火三種元素組成的，可以寫作：
水+土+火生長木
這是根據樹木的生長必須要有水分、土壤與陽光(火)這一農業生產的長期經驗所得出的結論。注文中的“離木”是解釋“火離，然”的，即表示火離木，就是說當木中所包含的“火”元素離木而出的時候，就表現為燃燒，所以說“火離，然(即燃)”。可以寫作：
木燃燒［土+水↑］+火
把燃燒看成是“火”元素脫木而出的表現，是很有意思的。17世紀末，德國化學家希達爾曾提出著名的“燃素說”，認為可燃性的物質中都包含有一種“燃素”；燃燒就是“燃素”脫離物質而出的表現。這個學說後來雖然被證明是錯誤的，但在科學發展中曾起過一定的作用。墨家對燃燒的解釋很有點象燃素說，所以也應該得到相當的評價。這種說法，後來一直流傳著。例如北宋劉畫在《劉子·崇學》中也明確指出：“木性藏火……鑽木而生火。”屬於相類似的思想認識。
測溫與測濕
溫度與濕度是熱學中兩個很重要的概念。它們同人們的生活與生產，特別是農業生產關係很大，因此受到極大的注意。比如人們早就知道，溫度與濕度的變化使物體形狀發生變化，但不同物質的變形程度又是不同的。所以在漢代人們就指出了“銅為物之至精，不為燥濕寒溫變節，不為霜露風雨改形。”特別是度量衡器具的製作十分注意溫度、濕度對材料的影響，人們就在此中也得到了不少有關的知識。
溫度是指冷熱的程度，我國古文獻描述它的詞彙很豐富，從低溫到高溫依次用冰、寒、涼、溫、熱、灼等表示。這裏麵顯然有區別溫度的含意。古代對於低溫的獲得，想了許多方法，主要是用冰。人們想了不少隔熱保溫的方法，把冬天的自然冰保存到次年夏天。從周代開始就有“夏造冰”的說法，但當時怎麼造法，還有待研究。高溫的獲得複雜得多。遠在先秦，在冶煉、製陶等工藝中，能得到攝氏1000度以上的高溫。這裏麵有許多熱學上的知識值得進一步研究。至於對溫度的觀察、測定更有多種方法，例如在冶煉、製陶、煉丹、烹調等工作中，各自摸索出一套觀測溫度的方法。
古代醫學的研究已經認識到人體的溫度應當是恒定的，所以可作為測溫的標準，也就是“以身試溫”。這當然是最粗略的土方法。《考工記》中記載冶煉青銅合金的工藝中，以蒸氣的顏色作為判斷溫度的標準，據近人研究是合乎科學原理的。又如在對水加熱過程中，則根據水泡形成狀況，甚至水中熱循環發出的聲響來判斷溫度。在對某些固體加熱過程中，則視其顏色的變化來判斷溫度，這些都是有科學道理的。但又是主要憑借人們的經驗，所謂的掌握“火候”，缺乏易於掌握的客觀標準。在西漢，有人曾試圖製作一個測溫裝置。《淮南子·說山訓》說：“睹瓶中之冰，而知天下之寒。”瓶中的水結了冰，這說明氣溫低。同書《兵略訓》說：“見瓶中之水，而知天下之寒暑。”在瓶中盛了水，當它結冰，可以說明氣溫低，如其熔解為水，又可以說明氣溫之升高。這觀測範圍比前者大，功能比前者好，或許可以認為是一種關於測溫器的設想的萌芽。
《靈台儀象誌》
介紹的溫度計真正稱得上溫度計的發明，是17世紀的事。1673年北京的觀象台根據傳教士南懷仁的介紹，首次製成了空氣溫度計。但我國民間自製測溫器的不乏其人。據《虞初新誌》記載，清初的黃履莊(1656～?)曾發明一種“驗冷熱器”，可以測量氣溫與體溫，大概是一種空氣溫度計。清代中葉，杭州人黃超、黃履父女倆也曾自製過“寒暑表”，據說頗具特色，但原始記載過於簡略，難知其詳。
濕度是一個似乎很難捉摸的概念，它的變化與天氣晴雨的關係十分密切，這在古人是有經驗的。西漢《淮南子·說林訓》就指出“濕易雨”。民間流傳的大量天氣諺語，都有類似的說法。王充《論衡·變動篇》指出“琴弦緩”是“天且雨”之驗。這顯然是指大氣濕度的變化引起琴弦長度的變化。《淮南子·本經訓》說得更加精彩：“風雨之變，可以音律知之。”大氣濕度變化引起琴弦長度的變化是很微小的，難於察覺的，但反映在該琴弦所發的音調高低的變化卻是十分明顯的。這裏可以說已經孕育著懸弦式濕度計的基本原理了！在歐洲，遲至16世紀中葉才有用鳥獸的腸(或野雀麥的芒)製成弦線，觀其長度的變化來測知大氣濕度。這種濕度計大約於1670年左右傳入我國。黃履莊在1683年就自製成功一種所謂“驗燥濕器”：“內有一針，能左右旋，燥則左旋，濕則右旋，毫發不爽，並可預證陰晴。”可見它的靈敏度很高，但它的結構與原理沒有被記錄下來，也可能是毛發式或天平式濕度計，但也黃履莊式氣壓計有可能是氣壓計，因為空氣的濕度與氣壓的關係是十分密切的。如果是氣壓計，它的構造可能如下圖所示：彎曲玻璃管AB盛以水銀，A端封閉，水銀麵以上為真空，B端開口通空氣，在B端水銀麵上，放一重物E(如鋼塊)，絲線一端係於E，另一端繞過轉軸O，掛一重物F(F的重量應略輕於E的重量)。當氣壓變化，B端水銀麵發生升降，E的高度隨之變化，通過絲線轉動轉軸，使指針P發生“左旋”或“右旋”。1665年英國胡克創製的輪狀氣壓計，也利用了這類原理。1885年英國人合信著的《博物新編》中介紹的氣壓計(書中稱“風雨表”)也與之相差不多。
在西漢時代還有一種天平式的驗濕器。《淮南子·泰族訓》說：“濕之至也，莫見其形而炭已重矣。”同書《天文訓》也說：“燥故炭輕，濕故炭重。”可見當時已經知道某些物質的重量能隨大氣幹濕的變化而變化。同書《說山訓》說：“懸羽與炭而知燥濕之氣。”說得就是天平式驗濕器。對於它的結構與原理，《前漢書·李尋傳》顏師古的注，引三國人孟康的話，說的尤其具體：“《天文誌》雲：‘懸土炭也’，以鐵易土耳。先冬夏至，懸鐵炭於衡，各一端，令適停。冬，陽氣至，炭仰而鐵低；夏，陰氣至，炭低而鐵仰。以此候二至也。”這就是說，把兩個重量相等而吸濕能力不同的物體(如羽毛與炭，或土與炭，或鐵與炭)分別掛在天平兩端，並使天平平衡。當大氣濕度變化，兩個物體吸入(或蒸發掉)的水分多少互不相同，因而重量不等，天平失去平衡發生偏轉。這種驗濕器簡單易製，靈敏度也還好，使用時間很長，甚至在20世紀的農村氣象哨站也還沿用，可見它具有很強的生命力。在歐洲也有過這種驗濕器，那是15世紀才發明的，比我國遲了1600多年!
我國古代除了這些儀器以外，民間還用某些經驗方法來測知濕度的變化。明代徐光啟的《農政全書》引有一首農諺說：“簷頭插柳青，農人休望晴；簷頭插柳焦，農人好作嬌。”“作嬌”指釀酒，簷頭的柳枝如保持常青，說明水分難以蒸發，必是大氣濕度大，天氣不能放晴；柳枝如易枯焦，說明水分蒸發很快，必是大氣幹燥，天氣易晴，氣溫升高，利於發酵釀酒。這些驗測大氣濕度的經驗，是有科學根據的。
熱的傳播與保溫瓶
王充的《論衡》談到不少熱學知識，關於熱的傳播，《論衡·寒溫篇》有這樣一段話：“夫近水則寒，近火則溫，遠之漸微。何則?氣之所加遠近有差也。”王充試圖對熱傳播的本質加以解釋。他認為熱傳播是依靠“氣”。在他看來，“氣”是一種可施可稟，能散能凝的物質本體。從上一段引文中可以看出，他已認識到熱是從高溫向低溫傳播的，並且是通過某種物質的；受熱物體所得到熱的多少跟它距離熱源的遠近有關，近熱源者得熱多，遠熱源者得熱少。這些認識都是值得重視的。
在我國古代很注意保溫。1978年，隨縣曾侯乙墓出土的兩件保溫的盛酒器，已有2400多年的曆史。這種保溫的盛酒器由內外兩個獨立的容器組成，裏麵的方形容器是盛酒的，外麵的方形容器在冬季用來盛熱水。由於外麵容器的容積很大，所以熱容量也十分大，能有大量的熱傳給裏麵容器中的酒，使酒溫很快升高，並達到一定的溫度，趨於熱平衡。這樣，壺中的酒得以保溫。在夏季，外容器儲冰，同樣也可以保溫。有了它，在寒天可以喝到暖人腸胃的湯浴溫酒；在熱天則可以喝到沁人心脾的冰鎮美酒。
宋代洪邁(1123～1202)的《夷堅甲誌》記載了一個很動人的故事：“張虞卿者，文定公齊賢裔孫，居西京伊陽縣小水鎮，得古瓦瓶於土中。色甚黑，頗愛之。置書室養花，方冬極寒，一夕忘去水，意為凍裂，明日視之，凡他物有水者皆凍(裂)，獨此瓶不然。異之，試之以湯，終日不冷。張或為客出郊，置瓶於篋，傾水瀹茗，皆如新沸者。自是始知秘，惜後為醉仆觸碎，視其中，與常陶器等，但夾底厚二寸，有鬼熱火以燎，刻畫甚精，無人能識其為何物也。”這個古瓶的奧秘在於利用二寸厚的空氣層來保溫，它實在是現代保溫瓶的雛形。至於繪鬼燒火，是故弄玄虛，轉移他人的注意力，以防仿造。這種利用空氣層保溫的器皿，以後也有流傳(如明代張鼎思的《代醉篇》)，不過在記載上有過於誇大之處。
熱膨脹與熱應力
我國古代製造精密器具時，為了避免器具受溫度和濕度的影響而發生形狀和體積的變化，很注意選料。《前漢書·律曆誌》說：“銅為物之至精，不為燥、濕、寒、溫變節，不為霜、露、風、雨改形。”量器最考究精密，它的容積應力求不變化。唐代詩人李商隱(813～858)的《太倉箴》說得好：“龠合鬥斛，何以用銅?取其寒暑暴露不改其容。”可見他們已經意識到物體形狀、大小能隨溫度、濕度而有所變化。
物體熱脹冷縮引起的熱應力是十分強大的，不能忽視。古代作戰與打獵，弓箭為有效的遠程武器，製造者與使用者很留心它的熱膨脹和熱應力，要求弓在嚴冬和炎夏熱應力變化不大。《考工記·弓人》就全麵考慮了弓的取料問題：“弓人為弓，取六材，必以其時。”《夢溪筆談·技藝》也討論了這個問題：“予伯兄善射，自能為弓，……寒暑力一。凡弓初射與天寒，則勁強而能挽；射久、天暑，則弱不能勝矢。此膠為病也。凡膠欲薄而筋力欲盡。強弱任筋不任膠，此所以射久力不屈，寒暑力一也。”
把熱膨脹與熱應力用之於工程也很常見。2世紀初四川武都太守虞詡，曾主持西漢水(嘉陵江的上源)航運整治工程，為了清除泉水大石，用火燒石，再趁熱澆冷水，使堅硬的岩石在熱脹冷縮中炸裂，以便開鑿。《後漢書·虞詡傳》的注引《續漢書》說：“下辯東三十裏有峽，中當泉水，生大石，障塞水流，每至春夏，輒溢沒秋稼，壞敗營郭。詡乃使人燒石，以水灌之，石皆坼裂，因鐫去石，遂無汜溺之患。”下辯為縣名，在今甘肅成縣西。如果追溯到更遠，戰國時蜀郡太守李冰，在今宜賓一帶清除灘險也用此法：“李冰為蜀守，冰知天文、地理。……大灘江中，其崖嶄峻不可鑿，乃積薪燒之，故其處懸崖有赤白五色。”(東晉常璩《華陽國誌》卷三《蜀誌》)。此事大約在公元前256年到公元前251年。
這種“火燒水淋法”(或純火燒，即火燒空氣冷卻)後世也有應用。《物理小識》卷七《燒石易鑿法》說：“萬安張振山開河……以桐油石灰與黑豆末之，燒石，則鑿之甚易……智按：以硫燒之，其石亦易碎。”明、清時也曾用“火燒法”(或叫燒爆法)來開礦。
在金屬冶煉技術中，由於溫度變化範圍大，熱應力問題最值得注意。殷商時代的青銅鑄造工藝中，就設法盡量減少熱應力，例如殷代中期的盛酒青銅器“四羊方尊”(1938年湖南寧鄉出土)高0．583米，它的羊角頭采用“填範法”鑄成中空，泥胎不拿出。這種方法不僅節省了青銅，更重要的是可以避免在冷縮過程中由於厚薄關係而引起縮孔和裂紋。同時期一些青銅器的柱腳(或粗大部分)，也采用這種方法，隻有柱腳最末端一二十厘米是鑄成實心的。這種填範法是為了減少熱應力。
3000多年前減少熱應力的填範法與2200多年前增大熱應力的火燒法，從不同側麵顯示了我國古代對於熱膨脹與熱應力的認識。
中國古代度量衡的發展
度量衡的起源
我國古代計量科學，一般隻限於長度、容量、重量(質量)三種範圍內。這三種量的總稱就叫度量衡。其稱呼是從《尚書·虞書·舜典》上“歲二月，東巡守，至岱宗……協時月正日，同律度量衡”而來，後經《漢書·律曆誌》引用，曆代都沿用了這個名稱。
從已出土的文物來看，計量概念在新石器時代已出現了。仰韶文化時期，有的彩陶器上繪有規則的幾何圖形，六邊形、七邊形每邊長度大體相等。河姆渡遺址中，發現有六七千年前的木結構建築，其中的木構件已加工成柱、樁、梁等不同部件，並用了榫卯結構，形式複雜，在當時來說，這種高水平的營造技術，是要以較精密的計量技術為基礎的。
度量衡的產生，還與人類交換行為的發生和發展相聯係。人類剛開始物物交換的時候，隻是論件估堆，還沒有度量衡；到了交換行為逐漸發達，成為人類生活中不可缺少的行為時，以論件估堆來比較物品的價值的比例，就不能適應交換的需要，為了做到公平交易，人們就從極樸素的長短、大小、輕重等概念中，發展成為簡單粗糙的度量衡器具。
最初是用什麼東西來作度量衡的基準呢?曆史上眾說紛紜，主要有以下幾種說法：第一種認為,最初的度量衡是取自人身的某些部分，如手、足等來計量的。
《史記·夏本記》：“禹，……身為度，稱以出。”《孔子家語》：“布指知寸，布手知尺，舒肘知尋，斯不遠之則也。”《說文解字》：“尺，十寸也。……，周製寸、尺、咫、尋、常、仞諸量度，皆以人體為法。”《小爾雅》釋長度單位命名之由來：“跬，一舉足也。倍跬，謂之步。”《論語·學而》馬融注引《司馬法》說：“六尺為步。”
在容量方麵，起初也取自人身，如一手能盛的叫做“溢”，《儀禮·喪服》：“朝一溢米。”兩手合盛的叫做“掬”，《小爾雅·廣量》：“一手之盛謂之溢，兩手謂之掬。”“掬四謂之豆”(《孔叢子》卷二)。掬也是升，是當時的基本容量單位，然後從升進位，按四進製有豆、區(讀ōu)、釜；按十進製有鬥、斛。
我國古代除了用人身的某些部分作度量衡基準外，還用絲、毛之類作更精微的計量基準。《孫子算經》：“度之所起，起於忽。欲知其忽，蠶吐絲為忽。十忽為一絲，十絲為一毫，十毫為一厘，十厘為一分。”
另一種說法是樂律累黍說，《漢書·律曆誌》有較為詳細的記載：“度者，分、寸、尺、丈、引也，所以度長短也，本起黃鍾之長。以子穀秬黍中者，一黍之廣，度之九十分，黃鍾之長。一為一分，十分為寸，十寸為尺，十尺為丈，十丈為引。……”黃鍾，音律名，十二律中的第一律，這裏的黃鍾是指黃鍾音律中的第一音。這裏是以吹奏黃鍾第一個音的律管來定的長度的基準。聲音的波長與律管的長度成正比，故即以黃鍾的第一音的波長來定長度的基準。這種思想與1960年以氮-86原子所發的橙色光波長來定長度的基準相類似，是很先進的。為了保證這個定義，又用了一個副基準．即以累黍之法。《漢書·律曆誌》中的子穀秬黍，為黑黍，類似今天的高粱米：“以子穀秬黍之中者”，“中”為不大不小，大小適中。即以九十粒中等的黑黍累積起來，有黃鍾律管之長。一黑黍平均線度為一分，黃鍾律管為九十分。這種含有統計意義的累黍方法也是難能可貴的。
先秦、秦漢的度量衡發展概況
許多傳說史料表明，早在原始氏族社會末期到奴隸社會初期，度量衡已經發生並得到應用，到了商、周時期，奴隸製經濟、文化進一步發展，由於農業、手工業、建築等需要，普遍使用尺測量長度，陶豆計量容量，斧斤比較重量等。甲骨文已有“疆”字，從弓從田，據考證，兩田相比，自有界限，從弓，知古代用弓紀步。西周銅器銘文中以“秭”、“鈞”計重，以“田”算地積。流傳至今的商牙尺，等分十寸，每寸刻十分，證明在三四千年前已有了較精確的長度計量，而且應用了先進的十進位製。隨著奴隸製國家機器不斷強化，也加強了對度量衡的管理。《禮記·明堂位》載，周公“朝諸侯於明堂，製禮，作樂，頒度量而天下大服”。《周禮》記載，周王朝專設官吏“壹其度量”，頒發度量衡標準器，地方有“質人”管理市場上的度量衡。
春秋戰國時期，我國古代度量衡製已日趨完備，特別是戰國時期，各國為了便利於商業交換和征收賦稅，都十分重視度量衡的整頓和統一。齊國的陳氏在奪取政權之後，把家量變成齊國的公量，由四進位製改為五進位製，並製發了標準量器，至今傳世的陳氏商鞅銅方升三量“子禾子釜、陳純釜和左關”，就是這一史實的物證。秦孝公時期的商鞅變法，曾在秦國範圍內實行統一度量衡的政策，行“平頭桶，權衡，丈尺”之法，並鑄造了標準度量衡器，傳世的商鞅方升便是秦孝公十八年(前344)商鞅變法時頒發的標準升。