第二章物理大講堂7(2)
透鏡成像
透鏡屬於折射類的光學元件。我國古代對於折射現象的研究，相對來說，比較薄弱，這或許同玻璃製造業的發展遲緩有關。不過，關於透鏡的聚焦與成像方麵也還有一些十分奇特的創造。
我國在秦漢時期究竟有沒有研製出玻璃或水晶質的凸透鏡，科學史界還有不同的說法，不過，《管子》裏有所謂“珠，陰之陽，故勝火”的說法。據唐人的解釋，那可能就是指利用圓形透明體——珠，對日聚焦取火。這或許不是不可能的。但看來這種取火方法比較難以成功，所以不會很普遍地使用。難怪西晉的張華也隻說“以珠取火，多有說者，此未試”。到了唐代，從國外輸進了一些聚焦性能良好的透鏡，使用才比較多起來。
另一方麵，我國在西漢時期就以冰來製造凸透鏡用以對日聚焦取火，《淮南萬畢術》雲：“削冰令圓，舉以向日，以艾承其影則火生。”這實在太奇妙了，以致不少人覺得難以置信。清代的鄭複光就是一個，他親自動手加以試驗，結果“親試而驗”。第一次在1819年，他選取透明度好的冰，用手工削製，表麵“甚難得圓”，實驗不成功，繼而想到一個很巧妙的辦法：用凹底的錫壺，充以熱水，放在冰塊上旋轉，得到了形狀很好的凸透鏡，口徑3寸，焦距2尺，對日聚焦，竟可以使“火煤”著火，實驗成功了!後來他又改進了實驗數據，取口徑為5寸，焦距為1．7尺。這個數據更加理想了。
根據光學原理，設口徑為D，焦距為f，則透鏡的集光本領M＝(Df)2。據此，第一次實驗，透鏡的集光本領M1＝(D1f1)2＝(032)2＝0．023；第二次實驗，透鏡的集光本領M2＝(D2f2)2=(0517)2=0．09，比前者提高了約4倍。
外國也有用冰製透鏡的，那是在17世紀，英國著名科學家胡克(1635～1703)在皇家學會表演過這個實驗，引起了轟動。近年來，美國又有人用冰透鏡作為照相機鏡頭，拍攝照片很成功，引起了人們極大的興趣。
透鏡對日聚焦也就是使太陽成像。用透鏡來造成一般物體的像，我國古代似乎記載不多，但也有一件十分奇妙的創造——蝴蝶杯。
宋代何薳的《春渚紀聞》中記載一個名叫陳皋的人，得到一隻從古墓中發掘出來的“瑪瑙盂”，起初沒有引起注意，隻放在案頭儲水磨墨。一天突然發現水中有一條長約一寸的鯽魚在遊動，以為是打水時帶進來的，不覺得奇怪。後來起了疑心，把水倒出來，根本沒有見到魚，把水再倒進去，那魚又有了，用手去捉魚又捉不著，真不知是什麼寶杯。據說這個現象是作者親眼見到的，而且宋、明典籍中也屢有記載。有的見到一朵花，也有的是見到別的東西。我國戲曲中，有一出流傳很廣的劇目就叫“蝴蝶杯”，它描寫發生在明代的一個愛情故事，戲中男主角有一個奇妙的“蝴蝶杯”：隻要斟酒入杯，就見蝴蝶在杯中翩翩起舞，杯中酒幹，蝴蝶也就隱去。1979年，山西省侯馬市的一個工廠科技人員，通過長期研究，仿製成功這種奇妙的杯子。它像個小巧玲瓏的反口金鈴，所以杯口截麵比較大。這個反口金鈴安在細腳的座上。杯外壁繪二龍戲珠等圖案，杯口用金絲鑲飾，杯內繪有幾朵紅花。杯底中央嵌裝一枚凸透鏡。
其原理大致如下：在杯腳裏以細彈簧(遊絲)裝上一個彩蝶，隻要杯受微小騷擾，彩蝶就能舞動。彩蝶的位置是在這枚凸透鏡的焦點外的。在杯中無酒時，因彩蝶在凸透鏡焦點之外，造成與人眼同側的實像，人眼視之很模糊。當斟酒入杯時，這層透明的酒成了一枚凹透鏡，凸透鏡與凹透鏡組合成為複合透鏡。複合透鏡的焦距比凸透鏡的焦距大，彩蝶便落在複合透鏡焦距之內，造成了放大的虛像，大約位於明視距離處。此時複合透鏡起放大鏡作用，故人眼很清楚地看到放大了的蝴蝶。因杯拿在手裏，總要受到點騷擾，蝴蝶就翩翩起舞了。
這裏古人實際上是根據複合透鏡的原理，造成這種奇妙的性能!
大氣光象
對於大氣光現象的觀測，是我國古代光學最有成就的領域之一。早在甲骨文中就有關於虹、霓、暈等天象記載，至周代，就有了任務明確、組織嚴密的官方觀測機構，積累了“十”等大量天象資料，其中不乏有價值的光學史資料。下麵介紹虹、海市蜃樓、視差與蒙氣差等。
虹
我國在殷代甲骨文裏就有了虹的記載，當時把虹字形象地寫成“”，在周代的上半期，即公元前1066至前403年間，我國勞動人民已經有了這樣一條經驗：早晨太陽升起時，如西方出現了彩虹，天就要下雨了。《詩經》就記載說：“朝於西，崇朝其雨。”戰國時期的《楚辭》裏，記載虹的顏色為“五色”。東漢蔡邕在《月令章句》一書中，也說到虹的生成條件及其位置規律。他說：虹是生成於和太陽相對方向的雲氣之中，沒有雲就不會見到虹，但陰沉天氣也不會形成虹。這些說法,盡管是十分表麵的，但基本上是正確的。先秦時代，還有人企圖以當時的陰陽哲學理論去解釋虹的生成。《莊子》裏說：“陽炙陰為虹。”我們知道，虹的生成條件是陽光和水滴群。在陰陽理論裏，太陽屬陽，水屬陰，把陽光照射水滴，說作是“陽炙陰”，是能夠自圓其說的。當然，這並沒有說到色散的本質上來。不過也可以看到，古人對待科學問題具有獨特的思想方法。
到了唐代，人們對於虹的認識就大大前進了一步。當時已經知道虹是太陽光照射雨滴而生成的。孔穎達(574～648)寫的《禮記注疏》中，在《月令》“虹始見”條下就記載說：“若雲薄漏日，日照雨滴則虹生。”這裏已粗略地揭示出虹的成因。當然，跟現代嚴密而完整的解釋相比，尚有較大的距離。但在1300多年前就能提出這樣的解釋，實在是足以自豪的。在歐洲，英國科學家培根(1214～1294)最先發現虹是由太陽照射雨滴反射而成的，比起我國來遲了600多年。至於比較嚴密的解釋，直到17世紀才提出來。
還應特別提到的是，我們祖先非但最早對虹的成因作出了解釋，而且創造過一個“人造虹”的實驗。我們知道，當山間瀑布下泄，水珠四濺，日光照射，即成七彩，猶似虹霓之狀，這是人們所容易發現的。唐初詩人張九齡的《湖口望廬山瀑布》詩中就有“日照虹霓似”之句。在這種現象啟發之下，使人們想到能不能人為地造成虹霓之狀呢?唐代張誌和寫的《玄真子》(公元772年前成書)一書中就記載說：“背日噴乎水成虹霓之狀。”意思是說，背著太陽向空中噴水，就可以看到虹霓現象。這個實驗確實是很有意義的。這是人們有意識進行的一次白光色散實驗，它直接摹擬了虹霓現象，不但可以驗證關於虹的成因的解釋，而且給了曆史上關於虹的種種迷信邪說以毀滅性打擊。唐以後，不斷有人做這個實驗。比如宋代蔡卞，他在《毛詩名物解》裏記載說：“以水噴日，自側視之，則暈為虹霓。”這裏的“自側視之”，確實指出了觀察要領，是很正確的。
除了虹霓以外，還有許多色散現象，在唐宋前後不斷被發現並記載下來。這不但豐富了人們對色散的認識，而且有助於對虹霓成因的解釋。首先，人們深入觀察了單獨一個水滴的色散現象。南宋時代程大昌在《演繁露》一書中記載著一個很有趣的現象。他說：“凡雨初霽，或露之未晞，其餘點綴於草木枝葉之末，欲墜不墜，則皆聚為圓點，光瑩可喜，日光入之，五色具足，閃爍不定，是乃日之光品著色於水，而非雨露有此五色也。”就是說，當雨過天晴或露水未幹的時候，沾於樹枝草木之端的水滴，由於表麵張力的作用，總是結為亮晶晶的圓珠之狀。仔細觀察其中一個小水珠，在日光照射之下，可以顯出五顏六色，這就是白光經過水珠折射反射之後的色散現象。程大昌能夠仔細地深入觀察這種現象，是很難得的。更重要的是，他從中得出的結論是很科學的。他說這種顏色，不是水珠本身所有，而是“日之光品著色於水”。這就指出了太陽光之中包含有數種色光，經過水珠的作用可以顯出五色來。這可以說接觸到了色散的本質問題。應當指出，搞清楚單個水滴的色散現象，為解釋水滴群映日成虹現象提供了更紮實的基礎，其意義顯然是很大的。