敲击物体使空气产生的波动如同石击水面波。这就是宋应星的结论。
当然，声波是纵波，水波是横波。古代人由于受到时代的局限，对这一点分不清，我们是不能苛求的。
注释：
①见《诗经·魏风·伐檀》：“坎坎伐檀兮，置之河之干兮，河水清且涟漪……坎坎伐轮兮，置之河之漘兮，河水清且沦猗……”本书译文转引自余冠英《诗经选译》，人民文学出版社1963 年版，第120—121页。
第二节 共振现象
当一个物体发声振动时另一个物体也随之振动，这种现象称为共振。凡是共振的两个物体，它们的固有频率或者相同，或者成简单的整数比，如1/1，1/2，2/3。在古代典籍中有大量的关于共振现象的记述，并把这种现象解释为“同声相应”(《易·乾》)或“声比则应”(《吕氏春秋·恃君览·召类》)。这个解释与现代的科学定义几乎完全相同。
公元前4到3世纪，《庄子》一书最早记下了瑟的各弦间发生的共振现象：为之调瑟，废(放置之意)于一堂，废于一室。鼓宫宫动，鼓角角动。音律同矣。夫改调一弦，于五音无当也，鼓之，二十五弦皆动。(《庄子·杂篇·徐无鬼》)
这里描述的瑟有25根弦。宫、商、角、徵〔古音zhi止〕，羽是古代人使用的音阶阶名，相当于现在的do、re、mi、sol、la。当在高堂明室中放上一具瑟，进行调音时，人们发现，弹动某一弦的宫音，别的宫音弦也动；弹动某一弦的角音，别的角音弦也动。这是因为它们的音相同的缘故。如果改调一弦，使它发出的音和五音中的任何一声都不相当；再弹这根弦时，瑟上二十五弦都会动。我们知道，这条弦虽然弹不出一个准确的乐音，但它的许许多多的泛音中总有那么几个音和瑟的二十五弦的音相当或成简单比例。这就是它会与瑟的二十五弦都共振的道理。
《庄子》的这段文字肯定是调瑟实验的忠实记录。它不仅指出基音的共振现象，而且发现了基音和泛音的共振现象。这后一个发现在声学史上是了不起的成就。
宋代的沈括曾作演示共振的实验：先将琴或瑟的各弦按平常演奏需要调好，然后剪一些小小的纸人夹在各弦上。当你弹动不夹纸人的某一弦线时，凡是与它共振的弦线，其纸人就发生跳跃颤动(《梦溪笔谈·补笔谈·乐律》)。这个实验比西方同类实验要早几个世纪。
如果说发现共振现象只是观察认真的证明，那么，发现消除共振的方法无疑是科学才智的伟大体现。据史籍记载，晋代张华(公元232—300年)对共振现象作出了正确的解释，并提出了消除共振的方法：晋中朝有人蓄铜澡盘，晨夕恒鸣如人叩。乃问张华，华曰：“此盘与洛阳钟宫商相谐，宫中朝暮撞钟，故声相应。可错令轻，则韵乖，鸣自止也。”如其言，后不复鸣。(《异苑》卷2)
铜澡盘，即铜盘，类似古代敲击乐器方响。西晋国都在洛阳。原来，朝廷内的钟声与这个铜盘的音高一致。因此，每夕敲钟，铜盘即共振发响。张华提出，用锉刀在铜盘周围稍微锉一点，就不会发生共振了。铜盘的主人照此去做，果然铜盘不再鸣响。
还有一个有趣的故事：唐朝时期，洛阳某寺内一僧人房中挂着一种乐器——磬，它经常自鸣作响。该僧人因此惊恐成疾，求医无治。他有一个朋友叫曹绍夔〔kui葵〕，是朝中管音乐的官员，闻讯此事，特去看望僧人。这时正好听见寺内敲钟声，磬也作响。于是曹绍夔说：你明天设盛宴招待，我将为你除去心疾。第二天酒足饭饱之后，只见曹绍夔掏出怀中铁锉，在磬上锉磨数处，磬再也不作响了。僧人甚觉奇怪，问他所以然。曹说：“此磬与钟律合，故击彼应此。”僧大喜，其病也随之痊愈。(《刘宾客嘉话录》)
无论是铜盘还是石质的磬，只要稍稍锉去一点点，就改变了它们的固有频率。因此，它们就不再和钟声共振鸣响。这些故事，表明古代中国人具有丰富的声学知识。
第三节 共鸣器与隔声
在战争环境里，古代人发明了各种各样共鸣器，用以侦探敌情。早在战国初期，勇敢善战的墨子之徒就发明了侦探敌情的方法。《墨子·备穴》记载了其中的几种：在城墙根下每隔一定距离挖一深坑，坑内埋置一个容量为七、八十升的陶瓮，瓮口蒙上皮革(这实际上就作成了一个共鸣器)。让听觉聪敏的人伏在瓮口听动静。遇有敌人挖地道攻城的响声，不仅可以发觉，而且根据瓮声的响度差可以识别来敌的方向和位置。另一种方法是，在同一个深坑内埋设两个与前一种方法相同的瓮，并将这两个瓮分开一定距离。根据这两个瓮的响度差来判别敌人所在的方向。还有一种方法，一个瓮和前两种相同，也埋于坑道内；另一个瓮大，要能大到足以容纳一个人。将大瓮倒置于坑道地面，并让监听者时刻将自己覆于瓮内听响动。利用同一个人分别谛听这两种瓮的声响情形而确定来敌的方向和位置。
以上几种方法被历代军事家沿袭使用。唐代李筌、宋代曾公亮、明代茅元仪等都曾在他们的军事或武器著作中记述了类似的方法。曾公亮还将《墨子》记述的蒙有皮革的瓮称为“听瓮”，而将瓮口不蒙皮革、直接覆于地道谛听的方法称为“地听”。明代抗倭名将戚继光(公元1528—1587年)曾以大瓮覆人，听敌凿地道之声。甚至在本世纪的一些现代战争中，不少国家和民族还继续采用这些古老而科学的共鸣器。
唐代李筌、宋代曾公亮都曾描述另一种更为简便实用的共鸣器：军队中有一种以皮革制成的名为“空胡鹿”的随军枕，让聪耳战士在行军之夜使用，“凡人马行在三十里外，东西南北皆响闻。”(《神机制敌太白阴经》卷五)宋代沈括在其著《梦溪笔谈》中记述道：以牛革制成的箭袋，用作卧枕，“附地枕之，数里内有人马声，则皆闻之”。至迟从宋代起，人们还发现，去节长竹，直埋于地，耳听竹筒口，有嗡嗡若鼓声。明代戚继光也曾用此方法，谨防倭寇偷袭。伟大的科学家沈括还对以上瓮、枕等的功用作出了物理解释。他说：“取其中虚”，“盖虚能纳声也”(《梦溪笔谈·器用》)。他的解释实质上就是现代物理学上的气柱共振现象。当声音在地面、铁轨、木材等固体中传播时，若遇空穴，空穴处产生交混回响，使原来在空气中传播的听不见的声音变得可以听见。值得注意的是，那种以竹筒听地声的方法正是近代医用听诊器的始祖。
共鸣器是将声音放大，以便听到远处的声音。古代中国人还发明了隔声的方法。隔声是将声音约束在一定范围内，而不让它传播出去。明代方以智说：私铸钱者，藏匿于地下室之中，以空瓮累墙，使瓮口向着室内。这样，过路人就听不见他们的锯锉之声。“何则？声为瓮所收也。”(《物理小识·天类》)至晚在19世纪上半叶，人们以同样的方法，将那种在地下的隔音室搬到地面上，以致“贴邻不闻”(《一斑录·物理篇》)他室声。可见，中国人不仅最早创建了隔音室，而且古代的这种隔音技术，也可视为现代消声技术的先导。
第四节 弦与管的振动
在科学史上，正如杠杆原理的诞生要比人类实际使用杠杆晚得很多一样，有关乐器的声学理论也要比人类实际上演奏各种乐器要晚很长的历史时期。
弦乐器琴、瑟、筝、筑，可能在上古时代已有了雏型，后来他们中的古琴成为中国传统乐器，一直流传至今。胡琴类弦乐器产生较晚，大约隋唐时期先在少数民族中盛行。管乐器中篪〔chi迟〕、笛、箫、笙的历史也非常悠久。其中的笙早在商代已成为演奏乐器，考古发掘的最早的骨笛是新石器时代的器物。然而，从数理角度探讨它们的发音机制、确定它们的音高位置的规律却是在西周中晚期才开始的。
弦线发音的高低是由其振动频率决定的，而振动频率又决定于弦长、线密度和张力。大约公元前6至5世纪，人们已经懂得了音调与弦长的定量关系，这就是闻名的“三分损益法”。这是我国古代物理学史中最早用数学公式总结物理规律的一个例证。方法是：从一个被认定为基音的弦(或管)的长出发，把它分为三等分，再去掉一分(“损一”)或加上一分(“益一”)，以此来确定另一音的长度。在数学上，就是将发基音的弦长乘以2/3(损一)，或乘以4/3(益一)。依此类推，计算12次，就可以在弦上得到比基音高一倍或低一倍的音(即高八度或低八度的音)，也就完成了一个八度中的12个音的计算。从这12个音中选出五个或七个，就构成了五声音阶或七声音阶。这方法的最早记载见于《管子·地员篇》，比希腊毕达哥拉斯(约公元前570-496年)提出的基本相同的方法要早得多。
古代人除了对音调与弦长成反比关系总结出“三分损益法”的规律外，他们还知道音调随线密度变化的关系。《韩非子》记述“大弦小声、小弦大声”(《韩非子·外储说》)，就是这种关系的定性描述。同时，还研究张力对音调的影响：当粗弦调得太紧因而发音太高时，要在同一乐器上调出某一调式，那么细弦就有绷断的危险。(《淮南子·泰族训》)
以三分损益法计算而得的弦音，自然纯正，悦耳动听。但是，用它计算而得的高八度音，并非是完全的高八度，而是比八度高。在西方，以五度相生法(即乘以2/3)所得的结果也是如此。为了使数学计算能得到一个完全八度音，东西方的音乐家都曾作过种种尝试，花费了上千年的时间。最后完成这一计算并创造一种新的数学方法的是明代科学家、王子朱载堉。他将八度音程(即2)平均地分为十二等分，在数学上解决了求等比数列的难题。朱载堉称这种方法为“新法密律”，现在称之为“十二平均律”。这就是现在的钢琴、手风琴等键盘乐器普遍采用的数理方法。十二平均律是朱载堉在1567—1581年间创建的；而今天在音乐舞台上占有乐器之王的钢琴是西方文化的产物。在中国播下的科学种子却在西方开花结果，这是东西方文化交流中至今仍有重大影响的文明之光。
在管乐器中，管内空气柱的振动与弦线振动有本质的不同。管振动是纵波，或空气的疏密波；弦振动是横波。(图3-1)古代人常以管作为定音器，以12支长度不同的竹管(或铜管)来标定以三分损益法计算而得的八度内12个音，这12支竹管就称为律管。在历史上，曾经有不少人误以为，管长与弦长相等，它们的发音音高也一致。事实上，由于受惯性影响，管内空气柱的振动要延伸到管外(见图3-1)，所以要使管振动与弦振动的音高一致，管长就不能等同于弦长，而是要比弦长稍微短一些；或者使管内径缩小。这种校正管乐器发音的方法在中国古代都曾被讨论过。特别是朱载堉成功地创造了缩小管内径的校正方法，他所得到的律管管内径的系统的校正公式及校正数据，直到19世纪还受到西方音乐家和声学家的极大推崇。
图3-1 弦与管的振动模式
(1)两端固定的弦振动；(2)闭口管内空气柱振动；(3)开口管内空气柱振动。
第五节 板与壳的振动
在古代各种乐器中，有些是利用板振动发声的，如古老的磬是石板，锣、钹是金属板。将板弯曲成壳体，利用壳振动发声的，如钟、铃等乐器。在中国传统的音乐文化中，钟磬之音、金石之声，备受青睐，有关的声学知识也就特别丰富。
磬起源于石器时代人们打磨石器的劳动。将石块作成一定的板式，并按照音高将它们成组地编挂在乐架上，就称为编磬。它的出现不晚于殷商时期。在湖北江陵和随县发现的战国时期的编磬分别为28具和32具，其音域都在三个八度内。从这些磬的大小、厚薄及发音高低看，春秋战国时期人们已认识到，磬板越大、越薄，其振动发声越低；磬板越小、越厚，其振动发声越高。成书于春秋战国之际的《考工记》科学地记下有关板振动的知识：如果磬板发声太高，就磨锉板的两个正面；如果磬板发声太低，就磨锉板的端面。这个调音技术很符合板振动的发声原理。在磬板的两个正面磨锉，使它相对地变薄，其发声就降低；如果在它的几个端面磨锉，就使它相对地变厚，于是发声升高。
中国的钟可能起源于原始社会晚期，这些原始钟可能是竹制、木制或陶制的。铜铃或铜钟产生于商初。在春秋战国时期，铜钟的制造技术达到极高水平。将几个、十几个、甚至几十个钟按其大小和一定音调形式编挂在钟架上，就称为编钟。1978年湖北随县曾侯乙墓中发掘保存完好的编钟64件，总重量达2500多公斤，总音域跨五个八度之多。后来又在曾侯乙墓附近的擂鼓墩二号墓中发掘出编钟36件。这两个墓编钟数量之多，艺术之精湛，所含科学文化内容之丰富，成为中华民族史上古老灿烂的“百钟文明”，也成为世界文化史上的一大奇迹。
如果将中国传统的编钟和西方以及印度传统的教堂寺庙钟(即圆形钟)作一比较，(图3-2)人们不难发现它们结构形状各具特点：编钟外形为椭球壳状，其横截面为椭圆；圆形钟的外形为圆球壳状，其横截面为圆。
编钟外表有许多突起的乳头和花饰；圆形钟一般地外表光滑。
图3-2 编钟及其各部分名称示意图(左)；西方圆形钟(右)。
编钟的钟肩是椭圆平面；圆形钟的钟肩是半圆球形。
编钟的内表面经调音磨锉，现出一道道竖直的条形声弓；圆形钟的内表面呈现整齐划一的声弓结构。
编钟悬挂牢固，从不摇晃；圆形钟悬挂不牢，容易晃动，不少钟还带有钟舌。
由于以上特点，编钟和圆形钟的发声有巨大差别。圆形钟在被击之后，声音悠扬长久，各种谐波分音很难衰减，特别是其嗡音不易消失，被连续敲击之后，发音相互干扰，因此，不能作为乐器使用。而编钟发声短，容易衰减，据实验测定，在敲击之后0.5秒，全部高谐音消失，基音也开始衰减，一秒之后基音也消失大半，因此完全可以作为乐器使用，并适宜于慢速、中速以及较和缓的快速旋律的演奏。在历代各种文献中，对于编钟的结构形状以及它们对发声的影响有许多记述，尤其是沈括曾对编钟与圆钟的发音特点作了极好的科学总结。
在大量已发掘的编钟中，人们发现其中不少编钟有“一钟双音”现象，即在一个钟体上敲击其正中位置发出一个乐音，称为中鼓音；敲击其旁侧又发出一个乐音，称为侧鼓音。中鼓音与侧鼓音往往构成三度谐和关系。经过科学家们的研究分析，才揭开这个古老的双音之谜。原来，这些钟都经过乐师与乐工的磨锉调音，编钟的条形声弓就是调音时磨锉的结果。从声学上看，这二个音的振动模式井然有序，互不干扰：中鼓音的振动波腹区是侧鼓音的振动波节区，中鼓音的振动波节区是侧鼓音的振动波腹区。反之亦然。这样，在编钟的两个敲击区分别敲击时，它们的振动波节与波腹恰巧互相错开了。因此，一个钟体能发出二个“基音”。这是古代中国人对壳体振动的最伟大的创造性应用，以致我们今天还花费了众多的科学劳动，应用了几乎最先进的仪器设备才揭开古代人创制双音钟的声学之谜。
第六节 奇妙的“鱼洗”
古代称“洗”的东西，其形状颇似今天的洗脸盆，有木洗、陶洗和铜洗。盆内底刻鱼的称鱼洗，刻龙的称龙洗。这种器物在先秦时期已在人们生活中被普遍使用。然而，有一种能喷水的铜质鱼洗，是在唐宋期间发明的，一般称它为喷水鱼洗。
喷水鱼洗，内底饰四条鱼纹，鳞尾毕俱。洗内盛水后，用手摩擦它侧缘上两个弦(又称“双耳”)，立即发出响亮的嗡嗡声，继而盆内出现美丽的浪花，水珠四溅，大有飞泉之妙。摩擦愈快，声音愈响，波浪翻腾，水珠喷射愈烈。这种奇妙的鱼洗曾多次在国内外展出，成为最引人注目的展品之一。
鱼洗何以能喷水？当然不是洗内刻画的鱼或龙突然显神通，而是有它的科学道理。
当摩擦洗的两弦时，洗周壁发生激烈振动，而洗底由于紧靠桌垫不发生振动。洗的振动如同圆形钟一样，都属于对称的壳体振动。手摩擦两弦，赋予洗振动的能量。在洗周壁对称振动的拍击下，洗内水发生相应的谐和振动。在洗的振动波腹处，水的振动也最强烈，不仅形成水浪，甚至喷出水珠；在洗的振动波节处，水不发生振动，浪花、气泡和水珠都停泊在不振动的水面波节线上(见图3-3)。因此，在观赏鱼洗喷水表演时，看到鱼洗水面的美丽浪花，喷射飞溅的水珠。
图3-3 鱼洗周壁作4、6、8节线振动(上)及其水面波纹图样(下)
表现中国古代人聪明才智的是，鱼洗中四条鱼的口须(又称喷水沟)总是刻在鱼洗基频振动(四节线)的波腹位置。这证明，古代工艺师了解圆柱形壳体基频振动。其效果，又能引起鱼在跳跃的错觉。这样，在一个小小的器皿中，将科学技术、艺术欣赏和思辨推测三者结合在一起。这种深邃的智慧和精湛的技艺，不能不令人为之惊叹！
第七节 天坛和莺莺塔
古代人常常应用声音的一些特性建造一些特殊的建筑物。在山谷中的寺庙有很好的回声效果，宫殿的高长门洞有一定的混响，以此增加它们肃穆威严气氛。北京天坛和山西永济县的莺莺塔是迄今保存完好的具有声音效果的建筑。
天坛始建于1420年，是明清两代帝王祭天的地方。其中的回音壁和圜丘建于1530年。
“回音壁”是一座高约六米的圆形围墙，半径32.5米。围墙内有三座建筑物，其中一座叫皇穹宇，处于北面，最接近围墙，距围墙最近处约2.5米。整个围墙整齐光滑，是优良的声音反射体。在墙壁近旁即使相距较远的二个人都可以小声交谈。(如图3-4)，甲紧贴围墙向北小声说话，乙不仅听得清楚，而且还误以为是从丙处发出的声音。这声音不从甲直线传到乙，而是绕围墙一周传播的。只要甲说话声对着围墙甲点切线的入射角小于22度，声波就总是受围墙的反射，而不受皇穹宇的散射。
图3-4 回音壁声音反射示意图
皇穹宇南面路上第三块石板，正处在围墙中央，传说在这里拍一掌可听到三响，故称其为“三音石”。事实上，不止听到三响，可有五六响。在三音石周围也有同样的效应，只是模糊些。之所以能听到几响，是因为掌声等距地传播到围墙之后，被围墙同时反射回中央，于是人们听到第一响回声；这第一次回声又照样传播出去，并被围墙反射回来，于是听到第二响。这样往返几次，直到声能被墙壁和空气完全吸收为止。
回音壁南面有一座由青石砌成的圆形平台，叫圜丘。它最高层离地面约五米，半径约11.5米。除东西南北四个出入口外，周边都围有青石栏杆。整个圜丘包括地面都是由反射性能良好的青石和大理石砌成的。平台并不平，而是从圆心向周边稍有倾斜的台面。它的声学奥妙就在这里。当人站在台中心叫一声，他自己听到的声音比平常的声音响。而且似乎是从他脚底石板下传上来的。这是由于声波被青石栏杆反射到稍有倾斜的台面，再从台面反射到人耳的缘故(图3-5)。
台中心 栏杆
图3-5 圜丘声音反射示意图
莺莺塔即普救寺舍利塔。因古典文学名著《西厢记》中故事发生在此，故又称为莺莺塔。初建于唐武则天时期，为七层的中空方形砖塔。后毁于明嘉靖三十四年(公元1555年)大地震。震后八年按原貌修复，并将塔高增至13层50米。该塔最为明显的声学效应是，在距塔身10米内击石拍掌，30米外会听到蛙鸣声；在距塔身15米左右击石拍掌，却听到蛙声从塔底传出；距塔2.5公里村庄的锣鼓声、歌声，在塔下都能听见；远处村民的说话声，也会被塔聚焦放大。诸如此类奇特的声学效应，原来是由于塔身的形体造成的：内部中空；外部每一层都有宽大的倒层式塔檐。前者具有谐振腔作用，可以将外来声音放大；后者可以将声音反射回地面，相距稍有差别的13层塔檐的总反射会聚于人的耳朵而形成蛙鸣之感(图3-6)。
图3-6 莺莺塔塔檐声音反射示意图
第八节 声响捕鱼
利用声响捕鱼，有两种含义：一是以人造声响逼集鱼群；一是利用鱼群的活动或其本身发出的声音，以某种器具探测它的方位和数量。古代人对这两种方法都有发现和利用。
汉代人已发现，声响会使鱼类藏伏渊底。《淮南子·齐俗训》说：“击舟水中，鸟闻之而高翔，鱼闻之而渊藏。”这样敲击船板，就能捕捉到更多的鱼。
唐、宋两代，鄱阳湖的渔民曾以敲锣打鼓、或敲击船尾横木，捕捞鱼群。后者又称为“鸣桹〔lang狼〕”。捕捞时，集船数十艘或上百艘，众渔民同时敲打。在这种“噪声”干扰下，起初鱼群结集，伏于水底，继而失去平衡，翻仰水面。此时，以罩捞取，如同拾之平地。这种惊心动魄的捕捞场面，曾招惹不少文人为之赋诗作词。唐代诗人皮日休在其“鸣桹”诗中写道：尽日平湖上，鸣桹仍动桨。丁丁入波心，澄澈和清响。鹭听独寂寞，鱼惊昧来往。尽水无所逃，川中有钩党。(《全唐诗》卷六一一)
或许，古代渔业资源尚为丰富，他们并不知道这是灭绝鱼种的作法，更未曾想过它会给后代留下多大的恶果。直到清代，沿海地区某些城镇的渔民还以此种方法捕捞海中黄花鱼。几百艘渔船环绕海面，鸣桹巨响，歌声四起，灯光攒星光，见者往往疑作海市。虽然，古代渔民发现了声响对鱼类及其活动的影响，但是，这种声响捕鱼法实在不可提倡。
从声学意义而言，另一种声响捕鱼法更具有科学价值。这就是，古代中国人发明了以去节竹筒探听水下鱼群的方法。竹筒的功能类似现代的“声呐”。将去节长竹筒，一直插入水底，以此可听到水下鱼群活动声，判断鱼群出现的方位和数量。尤其是在黄花鱼(又称“石首鱼”或“勒鱼”)鱼汛到来之时，听闻情况会令人惊喜不已。
明代田汝成在其《西湖游览志余》卷二五中记载：杭人最重江鱼，鱼首有白石二枚，又名石首鱼。每岁孟夏，来自海洋，绵亘数月，其声如雷，若有神物驱押之者。渔人以竹筒探水底，闻其声，乃下网截流取之，有一网而举千头者。
明代王士性在《广志绎》中也有类似记载。他言及宁波、温州等地渔民以巨舰下海捕捞之情形。鱼汛之时，“鱼如山排列而至，皆有声。渔师皆以篙筒下水听之”。医药学家李时珍在其《本草纲目》中也有记载。
可见，以去节竹筒听水下鱼声的发现，至晚始于明代，并一直被沿海渔民袭用至今。这是古代人在声学技术上的一大创造。
第九节 音乐与语言机械
几乎每个历史朝代都有能工巧匠创制出各种机械，其中大多是力学或工程机械，它们装有杠杆、曲柄、轮与轮轴、齿轮、传动带等设备。在这些机械中，有一些能按照设计程序产生某种特定的乐声，其情形十分类似机械式八音盒。
据《西京杂记》载，汉高祖刘邦坐主咸阳宫后，曾令工匠与机械师铸造铜人12枚，约高三尺，列在一桌旁。那些铜人的衣着穿戴如真人一般，琴筑笙竽各执其一。桌下有二只铜管，“其一管空，一管内有绳，大如指。使一人吹空管，一人扭绳，则众乐皆作，与真乐不异焉”。这个记载也许暗示我们，吹管者是在制造气流；扭绳者可能以绳索带动杠杆、齿轮、或拨子一类驱动装置或调节装置，以使铜偶的双手按既定设计程序动，从而弹动桌面上预先摆好的琴筑，或让气流进入某铜偶所持的笙竽之中，因而产生了某种乐声。这可能是最古老的八音盒，是以人力牵引机械而发声的。
三国时，这种音乐机械得到发展。人们制造了以水力发动的、具有能歌能舞的木偶组装在一起的机械，称为“歌舞水机”或“水转百戏”。其时，以造指南车闻名的马钧曾设计并制造了这种机械。他以水力发动一个大主轮，主轮轴的转动可以控制各种简单机械。通过后者又牵动各种活动木偶，使木女舞蹈，木男击鼓吹笙，甚至于“木人跳丸掷剑，缘絙倒立，出入自走，百官行署，舂米斗鸡，变巧百端”(《三国志·杜夔传》裴注)。马钧因此被称为“巧思绝世”的机械师。
隋炀帝大业年间(公元605—618年)，工程师黄衮、黄亘兄弟曾设计、制造更为壮观的“水转百戏”。其中的木偶可以表演72种历史故事中的最精采场面，称为“七十二势”。“木人奏音声，击磬撞钟，弹筝鼓瑟，皆得成曲。及为百戏，跳剑舞轮，升竿掷绳，皆如生无异”(《太平广记·水饰图经》)。隋炀帝带领群臣观看之后，连连称赞，并当场命大学士杜宝撰写《水饰图经》。黄衮被敕封散骑侍郎，黄亘也官至朝散大夫。
历史文化中歌舞水机的传统一直延续至今。在今日的元宵灯会、中秋灯会等城镇市民活动中，人们不难观赏到水上芭蕾、荷花仙子、电动歌舞等大型的程控装置节目。它们与历史上唯一不同的是，动力与控制系统完全现代化了。
在各种各样的发声机械中，最有科学价值的是，唐代将作大匠杨务廉在科学史上第一次成功地人工合成了言语声。他设计的机械，能发出简单的“布施”二字声。据载，“将作大匠杨务廉甚有巧思。尝于沁州市内，刻木为僧，手持一碗，自能行乞。碗中钱满，关键忽发，自然作声云‘布施’。”(《朝野佥载》卷六)
这个机械木偶在闹市区引人竞相争观。为了让其说一声“布施”，观者无不投钱其碗中。以致每日能盈数千铜钱。从记载看来，木偶的手臂当是一杠杆无疑，在其所持碗中钱满后，重力下压，于是杠杆带动了别的机械发出“布施”的仿人声。它究竟如何发声，是机械的相互摩擦声还是其他，由于历史记载太简单，只有让读者自己去想象、设计和猜测了。
第四章 光学
狭义说来，光学是关于光和视见的科学。在科学史的早期，光学只与眼睛有关，人们研究光也只是试图回答“怎么能看见周围的物体”。随着科学的发展，光学研究对象从可见光发展到不可见光，还包括电磁辐射与物质的相互作用。最近几十年，尤其是由于激光的发现与激光器的发展，光学又进入了一个新的阶段，它在更广泛的领域内得到应用。在这里，我们要回到中国古代的岁月，看看古代人在科学史的初期作出的那些光学成就。
第一节 灯和镜
在人类的早期，唯有太阳能给人带来光与热。天空中一个最大的发光体“日”和一个最近的反光体“月”就成为明亮的象征，“明”字就是由它们二者构成的。原始社会时期，火的发明是最伟大的科学革命，它的意义不亚于近代的蒸汽机和本世纪的原子能。有了人工产生的火，才能有灯具的问世。最原始的灯大概就是燃烧着的一根树枝或一束植物的根茎。但是它们的发光不稳定，燃烧速度太快。又经过一段历史时期，人们才发现，燃烧松树条是较好的灯，因为它含有较多的松脂。近年考古工作者在六盘山余脉发现了几处新石器文化时期的窑，其中一个最大的窑洞壁上有50多处火苗状烧土。经过分析研究与模拟实验，证明这些壁上烧土就是古代人用灯的遗迹。其灯具很可能就是油松木条。在一个窑洞里同时点上50多支油松灯，其壮观与明亮程度是可以想象的。这种松枝灯迄今还在少数偏僻农村中使用。
西周时期，像松枝灯一类的灯，被称为“庭燎”。那时的民歌唱道：“夜为何这么黑？夜还未尽天未亮。庭燎照得屋内亮堂堂。”①据古代人说，庭燎就是木质火炬；或者是用布条捆束的一把芦苇，在芦苇空心处灌以蜜蜡。后者，已是很进步的灯了。后来的“膏烛”、“蜡烛”等名词大概源于此。先秦时期，出现了油灯，考古发掘出的各种灯具就是证明。据记载，秦始皇墓中的灯油是鲸鱼膏。汉代巧匠丁缓发明了“常满灯”。据说，这种灯具能自动添油。在河北满城2号墓发掘的西汉“长信宫灯”，具有可装卸的活动灯座、灯盘和灯罩。灯盘可以转动，灯罩可以开合，从而可随意调节灯光的亮度和照射方向(图4-1)。可以说，人造光源在公元前2世纪已达到相当高的水平。
图4-1 满城西汉墓“长信宫灯”(摹绘)
上述光源都是火光，是热光源。中国古代人还发现了各种冷光：天然的各种冷光物质的发光； 山间树丛中的磷光，俗名“鬼火”。萤火虫在夜间的发光，被古代人所利用。将许多萤火虫装进薄纱制成的灯笼中，颇具“有火之用，无火之热”的光源，在古代的笔记小说中描写了穷苦学生发奋读书的许多故事，其中就讲到他们无钱买油，聚萤虫以为灯，彻夜攻读而功名成就。
在镜子的历史上，最原始的一种镜子当为池、沼、湖、泊中的水面。从原始社会起，美的观念至少促使人们在河池旁对水寻影，梳妆打扮。自从陶器发明后，就有了水镜，古书里写为“水监”。只要在陶盆里装上水，就成为一面相当好的反射镜。青铜平面反射镜在我国的出现可以追溯到齐家文化时期，即公元前3600年以前。考古发现了这个时期的两面铜镜。从殷商青铜盛世起，铜镜在我国日益普遍。西周金文中有带“金”字旁的“”字或“鉴”字，它表明这时期的镜子是用金属制成的。当时青铜平面镜已成为诗人笔下的描写对象。西周的民歌《柏舟》唱道：“我心不比青铜镜，是好是歹都留影。”②值得提出的是，在殷墟五号墓中发掘出四面铜镜。其中之一，镜面微微凸起。在安阳侯家庄1005号墓中也发现了一面微凸的铜镜。③可见，凸面镜在我国也已有3000多年的历史了。我们知道，凸面镜成像是正立的缩小的像，因此，小镜面也可以照较大范围内的物体，在实用上省料轻巧，便于携带。西周时期，凹面镜普遍称为“阳燧”(又称火镜)，利用它可以对日取火。它在那时已成为生活用品之一。人们外出，身上必带阳燧，如同今天携带火柴或打火机一样时行。
除了青铜平面镜、凸面镜、凹面镜之外，人们还发现了某些日常用品的光洁表面也可当做镜子。西汉人发现光滑的金属杯可以照出人像；北齐刘昼发现“镜形如杯”，纵看人面长，横看人面短；王充发现刀剑的弯月面可以当作阳燧使用。汉代人还发明了一种奇妙的青铜反射镜，用它的镜面对阳光照射，反射到墙面的光斑中却出现了该镜背面的纹饰和文字，古代人称它为“透光镜”。(见插页图4西汉透光镜)该镜传播到日本后被称为“魔镜”，而近代西方人称它为“不等曲率镜”。
大约从殷商到西周时期，中国人已制造了玻璃。考古发掘出那时墓葬中的一些小型的随葬玻璃器物。西汉刘胜墓中出土有玻璃盘和耳杯。但是，玻璃在中国古代并未得到充分发展，透明度差的琉璃以及色彩斑斓的料器却得到充分的发展与应用。与此相关的是，有关透镜及折射的知识在古代中国的记载也就较为罕见。虽然如此，聪明的古代中国人不仅以天然水晶制造了种种透镜，而且还在世界上最早发明了冰透镜，也就是用天然冰块作成的透镜。古代人还用这样的透镜在阳光下聚焦取火。冰透镜在中国的出现比欧洲早十几个世纪。
随着西方眼镜传入中国，眼镜业在中国兴起。十七八世纪时，中国的一批光学仪器制造师制造了种种镜子，如千里眼(望远镜)、察微镜(显微镜)、万花镜(万花筒)、瑞光镜(探照灯)等等。
灯与镜是光学实验的物质基础。它们的发展导致了中国古代光学的诸多成就。
注释：
①《诗·小雅·庭燎》：“夜如何其？夜未央。庭燎之光。君子至止，鸾声将将。”
②《诗·邶风·柏舟》：“我心匪鉴，不可以茹”
③“安阳殷墟五号墓的发掘”，《考古学报》1977年第2期。
第二节 《墨经》光学
以墨翟为首的墨家是春秋战国时期科学成就最大的学派。他们的著作《墨经》以连续八条文字记载了光学问题。它们依次为：1)影的定义及影子生成的道理；2)光线与影的关系；3)光的直线行进的性质并以类似小孔照像匣的实验证明这种性质；4)光反射特性；5)从物体与光源的相对位置来确定影子的大小；6)平面镜反射成像；7)凹面镜反射成像；8)凸面镜反射成像。这八条文字，是墨家从事光学实验、进行精密观察的忠实记录。前五条，论述光源、物体与影子二者的关系，从影的定义到这三者的复杂关系的综合论述，光学中论影的部分大都完备了。从第六条开始，详细记述在各种镜下物与像的位置、大小关系，光学中有关像的部分也大都具备了。既有论影，又有论像，几何光学的基础也就奠定了。前后八条文字，寥寥数百字，条理清晰，逻辑严谨，可称得上是2000多年前世界上最伟大的光学著作。
关于影的定义，《墨经》指出，影子是物体阻碍光线的行进造成的。当障碍光线的物体移动时，表面看来影子也在移动，实际上这是原影不断消失，新影不断形成的物理过程。《墨经》由此断论：“影不徙。”名家惠施也与墨家作出相似的结论：“飞鸟之影未尝动也。”大概名家的理由也与《墨经》相同。进而《墨经》讨论了具体的影子，如两个光源一个障碍物，因而形成了重影：一个本影，一个半影(图4-2)。
图4-2 重影
《墨经》就光的直线行进问题说，光照人如同射箭，是笔直前进的。为了证明这一论点，墨家在世界上最早作了小孔成像实验。筑一无窗木屋，在其朝东的木板墙上有一小孔洞，屋内西墙粉刷洁白，当太阳刚露出地面时，木屋外小孔前方的人成像于屋内西墙上，屋内的人就看到西墙上一个倒立的人像。为什么是倒像呢？墨家解释说，关键在于小孔，光线经过小孔时上下位置要发生交错。从上面射向孔的光，经过小孔后射到下面；从下面射向小孔的光，经过小孔后射到上面。人的足部遮挡了下面的光，因此成影在上面；而人的头部遮挡了上面的光，成影就在下面。
继而，《墨经》讨论了反射光成影的情形：平面镜反射太阳光后，由反射光所成的像位于人与太阳之间。这就是《墨经》所谓的“影迎日”的现象(图4-3)。关于影的最后一段文字，详细论述了影的大小与物体的斜正、物与光源距离的远近等各个因素之间的关系。
影
图4-3 “影迎日”现象
关于平面镜成像的规律，《墨经》首先指出，以水面作镜或者将平面镜放于地面，这样站立镜旁照镜，影是倒的。同时还指出平面镜只有一种像，而且与物相对称，物移近或远离镜面，像也移近或远离镜面。
关于凹面镜的成像规律，《墨经》中说：“鉴洼(凹)，景(同影)一小而易，一大而正；说在中之外内。”墨家在研究时，可能还没有焦点的概念。他们将焦点与球面镜的球心之间的一段距离称为“中”。他们在实验时是直接对着凹面镜看，也就是说，以自己的脸为物，以自己的眼睛作为屏。因此，当他们从远处向着凹面镜走近时，发现自己缩小的倒像迎面而来；走到接近“中”的位置时，像逐渐模糊；而在“中”这段距离内，成像在人的背后，因此，观察者或实验者自己什么也看不见了；一旦走过“中”并继续前进时，又看到一个放大的正像(图4-4)，这个实验及其记录没有用物与屏，因而没有观察到在球心与焦点之间的成像情形，似乎令人遗憾。然而，以人自己的脸和眼睛当作光学实验的物与屏，在习惯于光学实验条件齐备的近代，并非人人都曾想过或实验过的课题。据说，1907年英国剑桥大学马达莱恩(Magdalene)学院在考试时就有这样一道有关凹面镜的考题。而墨家学派在2300多年前对此就作出了完满的答案。难道这不令人惊讶吗？
图4-4 凹面镜成像示意图
当人从远离球心的A走到B，成像于A′和B′；当人走进球心和焦点之间C点时，成像于人的背后C′；当人走过焦点而抵达D时，人眼看到镜背后放大正立的虚像。
图4-5 凸面镜成像示意图
关于凸面镜成像，《墨经》只用“鉴团，景(同影)一”四个字作了总结。“团”为凸形，意思是说，凸面镜只有一种缩小的正立像(图4-5)。
除了这八条光学记载外，墨家在回答“为什么能看见周围的物体”这一问题时，作出了正确的答案：人依靠眼睛见物，而眼睛依靠光见物。这个答案成为中国科学文化的传统观念。然而几乎同时古希腊的一些学者，如恩培多克勒(约公元前490—前430年)、柏拉图主义者和大数学家欧几里得(约公元前330—前275年)都主张一种奇怪的眼睛发射说。他们认为，眼睛能发射一种射线，一旦它遇到物体发出的射线时就产生视觉。
可惜，《墨经》光学中没有关于反射角、入射角的记述，由于当时没有玻璃制造的透镜，也就没有关于折射的知识。这方面，确实又有点令人遗憾。
第三节 沈括的光学知识
《墨经》之后，沈括对推进光学的发展也作出了许多贡献。沈括是宋代伟大的科学家，撰有科学巨著《梦溪笔谈》。他被称为“中国科学史上的巨人”，他的著作也被称为“中国科学史上的里程碑”。
“日兆月，月光生，则成明月。”(《周髀》)可见，我国古代人在西汉前就已经知道，月光乃日所照。他们或者把日比喻为发光的“弹丸”，把月比喻为“镜子”，或者将月比喻为不发光的“弹丸”，并指出“日照处则明，不照处则暗”。(《尔雅义疏》卷五)沈括在回答有关日、月、形、体及月为何有光的问题时，肯定地说，“日月之形如丸”，“月本无光”，“日耀之乃光耳”。(《梦溪笔谈》卷七)同时他还指出，每逢月初，太阳在月旁边，因此人们见到月亮的光明部分弯钩；以后太阳离月亮渐渐地远起来，太阳变成斜照月亮，因此看到月亮逐渐变成一个圆。值得指出的是，沈括第一次以一个圆球模型来演示月亮圆缺的道理：将该球的半个球面涂上银粉，另半球是黑的。当人们正对涂银粉的半球观察时，光亮面正好是一个圆；当人们侧视它时，光亮面就如同弯钩。正是在沈括的这一演示实验的思想启发下，元初赵友钦以这种半明半暗的圆球证明月食和月象变化。而明代朱载堉又发展成两个圆球，让它们分别代表日与月，或代表日与地，或月与地，从而演示日食和月食的成因。
中国人对雨虹的认识也有很长一段历史。起初，人们观察到雨虹现象，只能是粗浅地记述着它的位置和形成的季节、条件。从唐代起，对虹的科学认识才产生了新的飞跃。唐人孔颖达(公元574—648年)指出“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”(《礼记注疏·月令》)张志和(公元约730—810年)还以“背日喷水”(《玄真子·涛之灵》)实验，实现小型的人造虹。这就是，背着太阳喷水，水珠在阳光照射下成虹。沈括以自己亲身对虹的观察，不仅肯定前人的有关结论，而且指出，只有顺着太阳照射的方向才能见雨虹，如果对着太阳看，烈日耀眼，就什么也看不到。(《梦溪笔谈》卷二一)在西方，类似唐代人的观察结论直到13世纪才见之史籍，比中国人晚了600余年。
沈括还极大地发展了《墨经》关于平面镜、凹面镜和凸面镜成像的知识，丰富了镜面成像的理论。
在比较平面镜、凹面镜和凸面镜成像规律时，沈括解释了照脸用的小镜为何要使其镜面微凸的原因。他说：因为微凹的镜子，成像是放大的；微凸的镜子，成像是缩小的。小平面镜不能把人脸面照全，微凹的镜子更不能看到人的全部面孔；所以制成稍凸的镜面，因其成像是缩小的，这样镜面虽小，也能把全部脸面照入镜内。古代工匠作镜子时要反复度量镜子的大小以便增减镜面凸起的程度，使人像与镜子大小相适应。这足以看出工匠们的聪明才智！(《梦溪笔谈》卷一九)
在沈括之前，曾流传一种谬说：塔影倒立是因为大海翻腾的缘故。这里的“塔影倒立”是指通过窗隙小孔的寺塔影子。沈括对此科学地解释说：鹰在空中飞翔，它的影子随鹰而移动，如果在鹰与影子之间有一小窗孔，那么光线穿过小孔时，影子的移动与鹰的飞行方向相反。即鹰往东飞，影子往西移；鹰往西飞，影子往东移。寺塔通过窗孔的影子，是倒立的，其道理与此相同，也与凹面镜成像的道理相同，这些都是自然界的一般常识。
关于凹面镜成像，沈括不仅重做了墨家做过的实验，而且还发现了凹面镜的焦点。在墨家之后，汉代成书的《淮南子·说林训》已定性地觉察到阳燧聚焦发火的那一点(即焦点)必须远近适中。沈括第一次明确地指出焦点所在。他说：“阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内。离镜一、二寸，光聚为一点，大如麻菽，著物则火生。”(《梦溪笔谈》卷三)在这里，沈括清楚地论述了他所用的凹面镜的焦距长度和焦点大小。
沈括吸取前人的光学知识，对“红光验尸”的方法也有研究。当法官在判断死者属他杀，并在死者身上寻找证据时，他杀的痕迹并非一目了然。沈括记载了某些知县的断案经验：先以酒糟液(类似酒精的功用)或草木灰水(即碱水)擦洗死者皮肤，然后将尸体放于阳光照射的红色雨伞下，死者被鞭笞的痕迹历历可见。(《梦溪笔谈》卷一一)古代人的这种判案方法，被历代清廉的衙门官府采用，并在沈括之后又有所发展。从光学的角度看，这种方法所以能见死者伤痕，是因为红雨伞起了滤光片作用。太阳光透过红雨伞后，只剩红光，其余色光均被雨伞过滤除去。于是，伤痕的青紫色在红光照射反衬明显，就容易被看出来。
在沈括之后，宋元之际的科学家赵友钦对光学也作了重要的研究。他以一间三层的不漏光房间作为实验室，用点燃的上千支蜡烛作为光源，不仅证明光的直线行进的性质，而且正确地说明光源、光源与小孔的距离以及像三者之间的关系。在改变光源的大小与强度、改变小孔的大小以及改变光源与小孔的距离等各种条件下，实验地记录了这三者之间的光学效果(《革象新书·小罅光景》)。这是中世纪世界上最大型的有关小孔成像的光学实验。
第四节 一些奇特的镜子
我们在前面叙述了各种镜在中国的起源与发展。在这里，我们要进一步谈谈古代中国人所发明创造的一些奇特的镜子。它们或者是利用镜子的组合而成，或者是在制造工艺上有特殊的方法，或者是利用镜子成像的规律供你欣赏娱乐。
海上潜艇均带有潜望镜装置，实质上就是在一个弯管的拐弯处装上平面镜，通过平面镜的反射就可以在艇内看见海面上的动静。在中国，汉代人就发明了类似潜望镜。它的用处是，不出门，坐在庭院内窥视院墙外的情景。古代人安装潜望镜方法也很简单：在院墙之上高悬一面大镜，院内放一个盛水的盆。对盆看影，则“坐见四邻矣”(刘安《淮南万毕术》)。这是世界上最古老的开管式潜望镜，也是现代潜望镜的始祖。(图4-6)
用两个平面镜就可以看见自己脑后发型。与此相类似，中国古代人曾以多个平面镜的组合去观赏一些奇特的情景。《庄子·天下篇》说：镜以照影，镜亦有影。两镜相照，则重影无穷。①古代人称这种两个平面镜的组合相照为日月镜。晋代葛洪曾描写一种“四规镜”，即在房间四面装镜，人在其中照镜，因而看到自己的许多像。南唐谭峭说：“以一镜照形，以余镜照影，镜镜相照，影影相传。”(《化书》)据载，在佛教寺庙中，曾有人以多个平面镜的适当组合、形成复像的原理，来教导虔诚的信徒相信神奇虚幻的佛国境界。
图4-6 古代的潜望镜
我们在前面已讲述了透光镜。不能穿透光线的青铜镜为何在反射阳光时会将镜背花纹图案照现于屏幕上呢？窄看起来令人不可思议的现象，第一次被沈括揭开了。沈括指出，铸造镜子时，镜薄之处先冷却，镜背有花纹图案之处稍厚，因而冷却稍慢收缩得多。这样，花纹图案虽在镜背，镜面也在铸造时隐隐约约地留有痕迹。所以，当它反射阳光时，这种隐约之迹，就被照射出来了。沈括的这一解释在后世颇具影响。继他而起，历史上不少学者探讨了透光镜的制作机制，发现了多种制作透光镜的方法。无论何种方法，工艺要求相当精致，方能将透光镜既当作镜子照脸、照物，也能在阳光下呈现“透光”的错觉。这如同一盆水，水面平静如镜，实可照人；将它置于阳光下，其反射光却是光影流波，荡动不已。镜面的微小曲率变化正如水面的微波荡动，人眼虽不能察觉，但在长光程光的照射下就显露出来了。中国的透光镜大约在明代以前传播到日本，19世纪时通过印度传到欧洲。至今它还令目睹其情状者大为惊叹！
前几年，市场上曾卖过一种酒杯。无酒时仅酒杯而已；盛上酒时，却见微笑的歌星。人们称它为“美人杯”。这种酒杯曾招引买主，畅销一时。谁料想到，它是宋代人发明的，距今约1000多年了。宋代人称它为鲫鱼杯，或兰花杯。因为这类杯盛水或盛酒后可见其内“有一鲫长寸许，游泳可爱”(《春渚纪闻》卷九)，或有桂花、梅花、兰花一枝，令人有异香之幻感。将绘制的鲫鱼或兰花等物装嵌入杯底，然后在其上安放一小块凸透镜，就作成了这种奇特的酒杯(图4-7)。当杯不盛水(或酒)时，鲫鱼在凸透镜焦点之外，但很靠近焦点，成像是在人眼一侧的实像，人眼不易看清。盛水后，透明的水(或酒)成为一个凹面透镜(与杯内底接触处为凹面)，它与凸透镜形成一个复合透镜体，使焦距增大。鲫鱼在这复合透镜体的焦点之内，这时人眼就看到了杯底鲫鱼的放大虚像(图4-7)。鲫鱼杯是古代中国人成功地掌握了复合透镜成像原理的实例。
空杯成像 盛酒(或水)后成像
图4-7 鲫鱼杯及其成像原理示意图
注释：
①原文为“鉴以鉴影，而鉴亦有影。两鉴相照，则重影无穷。”
第五节 影戏与画牛
早在战国时期，中国人发明了最原始的幻灯。据《韩非子·外储说》记载：有个画家，专门在豆荚内膜上作精细图画。他筑上板墙，在木板上凿小孔，日始出时将荚膜画贴于小孔，于是在板屋内墙上龙蛇车马历历可见。现代的幻灯所需的三个条件：光源、底片与屏幕，在《韩非子》的记述中一一具备，其光学原理也完全相同。中国古代人发明这种幻灯，不仅因地制宜，就地取材，其时间之早是其他文明古国所不能相比的。
影戏在中国起源于汉代。让灯光照射于屏幕，将木偶一类物体在灯前舞动，其阴影就投在屏幕上。据记载，公元前2世纪，汉武帝刘彻因思念已故李夫人，方士齐少翁曾用“幻术”为武帝重现李夫人容貌。齐少翁在夜晚“张灯烛，设惟帐”，武帝遥望见李夫人之貌，她一会儿坐，一会儿走，但是又不能完全看清楚。因此，武帝反而愈加相思悲感。(《汉书·外戚列传》)在这段文字记载中，虽然没有明确指出影人或影物(即李夫人)是何物作成，何如动作，但我们不难判断它就是影戏。宋代，还盛行另一种影戏：在镜面上画才子佳人之后，将镜面对着灯光，让反射光落在屏幕上，因而看到才子佳人的影像。
可以想到上述两种影戏都缺少供人娱乐的故事情节。真正的影戏大概始于唐宋年间。它是汉代方士齐少翁影戏法发展的结果。只要让影人或影物像木偶一样的表演动作，那么屏幕上就能出现栩栩如生的影子。据说，这样的影戏在宋代京城，深受男女老幼的喜爱，“儿童喧呼，终夕不绝”。(周密：《武林旧事》卷二《元夕》)表演者边表演边说唱，每当演到悲伤的情节时，还有人为之哭泣。影人的制作起先不过是剪纸，后来发展到以羊皮雕刻形体，进而又演变为羊皮形体的四肢、头颈都可活动。这就是中国历史上有名的“皮影戏”。它起初诞生于中国，后来传遍东亚各国，大约于元代传到中亚，经过波斯传到埃及、土耳其，18世纪传入欧洲，成为世界的科学文化财富。
光学在古代艺术上的发展不仅有影戏，还有绘画。大约10世纪时，人们知道用磷光物质作画，使画面在白昼与夜晚显出不同情景。据载，宋代有一帧画牛图，白天，牛在栏外吃草；夜晚，牛在栏内躺卧。得到这张画的人不知其所以然。僧人赞宁(公元918—999年)解释说，这张画用了两种颜料：一是以蚌胎中的“水”和色作画，这种画就昼隐而夜显；二是以沃焦山石块(大概是石墨或荧光物质如氟石一类物体)磨水作画，这种画就昼显而夜隐(周辉：《清坡杂志》)。赞宁的解释并不是没有道理的。因为蚌体内液体含有磷光物质，晚上发出磷光；而石墨类物质作画是黑色的，漆黑的夜晚自然看不见画面上的黑色；如果氟石一类荧光物质，在无太阳光照射的夜晚，也不发光。
第六节 小儿辩日
“小儿辩日”叙述两个小孩争论太阳究竟在早晨还是在中午距地面近。这个有趣的光学故事在中国流传了2000余年。故事出自《列子·汤问》一书，其大意是：孔子远游在外。有一天，他见两个小孩斗嘴，便好奇地走过去，寻问他们辩论什么。其中一小孩说：“我认为，日初出时日距地面近，中午时距地面远。”另一小孩接着说：“不对！ 日初出时距地面远，中午时距地面近。”一小孩又解释说：“日初出大如车盖，中午时如盘似碟。这不是远者小近者大吗？”另一小孩也解释说：“日初出凉凉爽爽，中午时热如沸汤。这不是近火者热远火者凉吗？”孔子听后，不能判断谁是谁非。于是，这两个儿童取笑孔子：“谁说你知识渊博？”
应当说，这是一个比较复杂的光学问题。不要说孔子不能断其是非，即使今日的大学生也不一定能解释清楚。用照相机给太阳摄影，中午与早晨所摄的影子同样大，证明这两个时辰的太阳与地面距离也相等。眼睛所以会有太阳晨大午小的感觉，主要是：1)背景的衬托。早晨地平线远处的树木、房屋小得看不清；红日升起，与之比较就显得大。而中午太阳在广漠的高空，没有可比较之物，因而显得小；2)光渗现象。清晨，大地及其周围空间尚黑，中午明亮。背景越黑而物体越亮，视网膜上像的轮廓就越大，这称为光渗。早晨在海平面见太阳又红又大就是这个原因；3)早晨，平视太阳，人眼位置正常；中午要仰视太阳，眼球凸鼓。在鼓凸的眼球内的视像比正常眼球的小；4)早晨与中午相比，阳光通过大气中较厚的空气层，视觉就较模糊，因而觉得早晨太阳大；5)视觉中的天穹并非是一个圆，而是扁球形状。头顶的天空高远，四周的天穹仿佛低近。远物投影小，近物投影大。早晨太阳处于天穹的低近处，因而投影变大。
至于另一个小孩提出太阳晨凉午热，那是因为，中午太阳在天顶，阳光直射地面、穿过大气层薄，因而辐射热大部分被地面所吸收，气温升高，我们就觉得中午热。
2000多年来，不少中国学者对此作出了各自的回答。东汉桓谭(？-公元56年)借他人论据与主张，认为太阳在中午时距地面近(《桓子新论》)。王充以斜边大于直角边的几何论证也主张“日中近而日出入远”(《论衡·说日》)。这些解释与主张显然都不符合科学道理。但王充又提出，“日中光明，故小；其出入时光暗，故大。犹昼察火光小，夜察火光大也。”王充的这个解释如前所述的光渗现象，是有道理的。发明地动仪的张衡也提出了类似光渗现象的解释。晋代天文学家束晳解释说，太阳在晨与午一样大，距离也相等，所以有视觉之差是由于太阳的亮度与眼睛视幻觉造成的。祖冲之的儿子祖暅从眼睛平视与仰视的不同，解释太阳在不同时候的大小之别。后秦姜岌以“地有游气”(即大气及其中尘灰微粒)及其对眼睛的影响对此作出解释。后来的解释者不断继起，直到清末还引起人们的讨论。“小儿辩日”的问题成为中国古代的科学之谜，它引起参论者之多、延续时间之长，大概是中国科学史上罕见的例子之一。
第七节 峨眉宝光
“峨眉宝光”、“峨眉佛光”或“金顶祥光”都是在高山顶上见到的光学奇景。在我国四川峨眉山上所见居多，故而如此称之。它又称五彩光环、布罗肯光环(Brocken bow)或山地宝光。西方人所说的“布罗肯光环”，是以德国哈尔兹山脉的最高峰布罗肯命名的，其海拔为1142米。四川峨眉山主峰万佛顶的海拔为3099米。在许多高山顶上都能见此奇景，甚至于在云层上空飞行的飞机上也偶有所见。实际上，它就是射进云雾表层的太阳光的衍射光环。它的产生必须有两个物理条件：一是太阳光；二是在观察者的脚下有云雾。
当山顶或观察者头部的影子既落在距离较近的下方云层或雾带上，又恰好落在衍射光环的中心时，观察者将见到令人兴奋而惊讶的奇观：这山顶或观察者头部的影子披上了一层层彩色光环。此刻，不少观察者联想到祖宗荫德、苍天赐福，“天将降大任于斯人也”。“佛光”、“宝光”、“祥光”之说便由此而生。说穿了，至多只能说那个人或那些人巧逢形成光环的物理条件罢了。更现实一点的是，赶紧取出照相机摄下自己影子的照片，倒是大自然赐予的一件极为珍贵的光学纪念品。
