其实，古代人早已观察到宝光。宋代范成大于公元1177年在峨眉僧人陪同下游峨眉时曾作了详细记录：某日，登山至光明岩，“忽云出岩下旁谷中”，“云行勃勃如队仗”，刚到岩石处便稍稍停留了片刻。此时，“云头现大圆光，杂色之晕数重，倚立相对，中有水墨影，若仙圣跨象者。碗茶顷，光没，而其旁复现一光如前。有顷亦没。云中复有金光两道，横射岩腹。”日暮，云物皆散，山野静寂。次日，又登岩。上及一山顶，忽大雨倾注。僧人说：“洗岩雨也，佛将大现。”雨毕，云雾复布岩下，“纷郁而上，将至岩数丈辄止，云平如玉地。时雨点犹余飞，俯视岩腹，有大圆光，偃卧平云之上，外晕三重，每重有青黄红绿之色光。至正中，虚明凝湛。”此时，每一个观察者都见到自己形体影子，“现于虚明之处，毫厘无隐，一如对镜。举手动作，影皆随形，而不见旁人，僧云此乃‘摄身光也’。凡佛光欲现，必先布云。”(《吴船录》卷上)
我们只是引述其中的一小部分。若能读其原著，更令人激动不已。范成大正确地记下了峨眉宝光所以形成的两个必要的物理条件，对衍射光环及其色彩变化也描写得清清楚楚。“至正中，虚明凝湛”，是指衍射光环中心的暗影；现于虚明之处的“摄身光”是观察者本身在衍射环中心的投影。通篇记述，唯一遗憾的是衍射这一近代光学道理未曾言明而已。然而，我们不应苛求于古人。这一记载，表明古代中国人不仅最早观察到所谓布罗肯光环，而且观察得仔细、记述得详尽也是令世人惊叹的。
范成大之后还有许多观察记载。如明代陆深在其观察日记中，将宝光出现的条件概括为“见于云日映射之际”，真是太简洁明了了。
第八节 海市蜃楼
海市蜃楼，简称海市，也称蜃景。它的形成，是由于大气层中空气的密度不同，当光线经过时会发生折射，甚至全反射，于是，远处的景物就显示在空中或地面，从而造成奇异幻景。这种现象常发生在海边和沙漠地带。若发生在海边或海上的，为上现蜃景，即在空中形成正立的幻景；若发生在沙漠地带，为下现蜃景，即在地面形成倒立的幻景。因为是倒影，人们往往以为远处有水，故又称其为“水影”(图4-8)。又因为高空气流往往改变大气层的疏密程度，大气疏密程度一旦改变，折射路径也随之变化，蜃景就可能立即消失。微风气流，又造成蜃景漂浮不定，变幻莫测。
图4-8 蜃景
上图为上现蜃景；下图为下现蜃景。
在我国历史典籍中关于海市蜃楼的记载屡见不鲜。二十四史中的《灾祥志》或《五行志》皆将其作为灾难的预兆之一，不断地予以记录。其中，既包括沿海居民、远航船夫所见的海上蜃景，即上现蜃景；也包括在西北大陆所见的陆地蜃景，即下现蜃景。远古人大多不知其形成的原因，竟将其作为神仙显灵，跪拜祷告；更可悲的是，当旅行商队或屯边戍卒在沙漠地带见蜃景时，往往会以为前方有水池绿洲，一意驱赶骆驼前行，结果却迷失方向，葬身沙海之中。更多的人以为这种现象是一种神物“蜃”(一说为蛟龙，一说为大蛤)吐气的结果。直到明清时才有一些接近科学的推测。
明代陆容在其著《菽园杂记》中说：
所谓楼台、所谓海市，大抵皆因山川之气掩映日光而成，固非蜃气，也非神物。
这里的“气掩映日光”一语多少揭示了蜃景形成的大气条件。
郎瑛在其著《七修类稿》中，也坚决反对海市为鬼怪之说。他从蜃景有规律出现的时间、地点、现象的极相似性中归纳出，“或新结气空中，遇天地缊，则随气以见”。明清之际，方以智的学生揭暄解释说：此乃“气映而物见”，“气变幻，则所照之形也变幻”。他们都初步认识到，蜃景的产生是由于空气映照阳光的结果，并且解释了蜃景漂浮不定的虚像，几乎接近于蜃景产生的实质，只是未曾道破大气折射或全反射的物理要点罢了。
第五章 电与磁
无论在东方还是西方，在18世纪中期以前，电和磁的研究都处于电磁学的史前阶段，只有一些零散的静电或静磁现象的观察记载，而且电与磁二者彼此独立。直至公元1745年莱顿瓶的发明，甚至于到公元1799年“伏打电池”发明之后，电学的发展才较为迅速。19世纪初期，电与磁相互感应现象的发现，不仅把这两门原来彼此独立的学科联系起来，而且立即推动了电磁学的快速发展，打开了许多新的研究领域。人们通常称谓的“19世纪工业革命”，也就是在电磁学理论基础上的能源革命。今天的电磁学，已发展到包括电、磁、电磁的相互作用及其规律乃至包括应用在内的物理学分支学科，它内容丰富，范围广泛。作为史前阶段的电磁学，古代中国人的发现是值得重视的。
第一节 摩擦起电和雷电
琥珀和玳瑁〔dai mao代帽〕是古代人最早发现具有摩擦起电性质的两种物体。琥珀是一种透明的树脂化石。玳瑁，是类似龟的海生爬行动物，其甲壳也叫玳瑁。从新石器时代起，人们已将琥珀当作装饰品之一；东汉时期，琥珀被雕成玩赏动物。因此，理应在文字记载它的摩擦起电现象之前很久很久，人们就发现了它的类似性质。东汉王充、东晋郭璞〔pu菩〕都在他们的著作中记述了玳瑁吸取草屑的现象。琥珀从魏晋时起已成为中药材之一。因此药物学家都以布摩擦琥珀，或以手心摩擦琥珀，看它是否能吸引草屑而检验琥珀的真假。三国时期，人们已经发现琥珀不能吸引腐烂的草屑。我们知道，腐草含水份，它已变成导体而不是绝缘体。因此，带静电的琥珀不能吸引它。
除了琥珀和玳瑁之外，古代中国人还发现了毛皮、丝绸等物质的静电现象。它们之所以被发现，是由于静电火花引起了人们的注意。
西晋时张华(公元232—300年)在《博物志》中记述了两个静电现象。一个是黑夜用梳子梳理头发，发现梳齿尖端的放电亮光，并听到微弱的放电爆声。另一个是黑夜猛地解脱衣服(毛皮或丝绸质料)，也能看到闪光和听见声音。明代人对后一个现象作了详细记述。张居正(公元1525-1582年)说：“凡貂裘及绮丽之服(即绫罗绸缎)皆有光。余每于冬月盛寒时，衣上常有火光，振之迸炸有声，如花火之状。”(《张文忠公全集·文集第一一》)与张居正同时代人都邛〔qiong琼〕这样描述丝绸的摩擦起电：人们用绫罗绸缎作衣服，“暗室中力持曳，以手摩之良久，火星直出”(《三余赘笔》，见《说郛〔fu伏〕》本)。中国是丝绸的故乡，古代人对这类静电现象无疑是非常熟悉的。除此之外，唐代人发现摩擦猫皮的静电火花和声音；宋代人发现孔雀毛静电感应现象。用这种羽毛作掸〔dan胆〕子，尘灰不飞扬。
雷电是古代人熟悉的又一种电现象。阴雨天，大气电场增强，当局部场强达到空气击穿电位差时，就会放电发光。雷电发生在云内、云际、云空之间和天地之间。在距今约3500年前的殷商甲骨文中，已有“雷”字。东汉王充说：“云雨至则雷电击”(《论衡·雷虚篇》)就明确地提出云雨与雷电的关系。人们常看到的雷电是线状闪电，比较罕见的是联珠闪电和球状闪电。明代张居正记述了后一种现象：某日“天微雨，忽有流火如球，其色绿，后有小火点随之，从雨中冉冉腾过予宅，坠于厨房水缸之中，其光如月，厨中人惊视之，遂不见。”(《张文忠公全集·文集第一一》)这是同时出现的球状闪电和联珠状闪电，张居正记下了火球的颜色、大小、形状、出现时间和定性的漂移速度。观察和记录都很细致。
雷与电实际上是同属大气放电的两种物理现象：声和光。因为光速远大于声速，所以人们总是先看见闪电亮光，然后才听到放电声音。古代人对这两种现象都作了忠实记载，如《南齐书·五行志》说：“十月庚戌，电光，有顷雷鸣，久而止。”在历代史书中这种记录随手可拾。
发生雷电的大气电场是相当高的。但是，当大气中有尖锐导体存在时，电光可以在较弱的大气电场中发生，形成所谓“尖端放电”现象。古代的兵器，如矛、戈、戟等，都有尖利的锋刃，有些兵器连柄也是金属的。从公元前后起我国就有关于尖端放电的记载。《汉书·西域传》曾记述元始年间(公元1-5年)，汉朝廷为开辟通往玉门关的近道，与当地车师后王国(国王叫姑句)发生一场小小战争。在那日夜备战的时刻，兵士们看到“姑句家矛端生火”。据载，永兴元年(公元304年)，成都王发动叛乱，阵兵邺〔ye叶〕城，夜里“戟锋皆有火光，遥望如悬烛。”(干宝：《搜神记》卷七)此外，古代许多关于塔尖顶放电现象的记载也属尖端放电一类。
值得注意的是，古代人在长期观察雷电现象中，已经看出导体和绝缘体的差别。南朝时，有一次雷电袭击寺庙，“电火烧塔下佛面，而窗户不异”(《南齐书·五行志》)。佛面是金属粉刷的，当高能量雷电通过时自然被融化，而窗户或者未被雨淋湿(干燥的木头是绝缘体)，或者不在雷电通路上，故此仍完好无损。沈括曾描述了这样一件事：有一次雷电打入一平民家，该家有一漆木盆，内藏金银诸器，“其漆器银扣者，银悉熔流在地，漆器不曾焦灼”；有一宝刀在刀鞘中熔为汁，皮制刀鞘却不曾损坏(《梦溪笔谈》卷二十《神奇篇》)。根据前人的大量记载，明代方以智总结道：“雷火所及，金石销熔，而漆器不坏。”(《物理小识》卷二)“金石”指金属物体。它和潮湿的木头、石块、人体和动物体都是导体；漆、皮革、干木、琥珀、玳瑁、丝绸都是绝缘体。近代关于导体和绝缘体的分类正是根据它们对电的不同效果而分别命名的。方以智虽然未曾从概念上加以明确区别，但也确实认识到它们对于电的不同性质。
在科学史上颇有意义的是，汉代王充曾以雷电烧焦人的头发、皮肤、草木等五个例子来证明雷电的本质是火(《论衡·雷虚篇》)。18世纪美国富兰克林(公元1706—1790年)曾冒着生命危险证明天上雷电与地上琥珀电是一致的，它们都是火。富兰克林的论证方式及论证证据，几乎都与王充相同。
第二节 磁石的特性
我国是世界上铁矿开采技术与铁的使用最早和最先进的国家，因此磁石吸铁现象约在春秋时期就被人们发现了。当时人们把磁石的“磁”字写成慈母的“慈”字。在人们的意念中，“慈石”吸铁就像慈母恋子一样。在古代科学史上，中国人对于磁的认识和应用一直都居世界领先地位。
早在汉代，人们发现磁石虽然可以吸铁，但不能吸引铜和瓦石。《淮南子·览冥训》写道：“慈石之能连铁也，而求其引瓦则难矣。”《淮南子·说山训》又写道：“慈石能引铁，及其于铜则不行也。”不仅如此，汉代人还知道磁铁的排斥现象。他们用磁石作棋子，使之互相触击。异性端的触击，棋子互相吸引；同性端的触击，棋子互相排斥。汉代人将这种游戏称为“斗棋”。由此看来，在汉代，人们已经发现了磁极性。
古代中国人虽然不清楚电与磁是彼此相关的，但是琥珀与磁石二者都具有的吸引性质，使得他们在文字记述这些现象时总是将它们相提并论。王充说：“顿牟(玳瑁)掇芥，慈石引针，皆以其真是不假他类。”(《论衡·乱龙篇》)东晋郭璞说：“慈石吸铁，玳瑁取芥”(《山海经图赞·北三经第三》)，等等。这种以物理特性将自然界的各种现象归类的方法是科学的。由于磁石具有的吸铁本性，古代人不仅将它列为中草药之一，还将它直接用于治耳聋，以为磁石可以将塞住耳孔的东西吸出来，迷信人用它招魂；据说，秦始皇用它筑阿房宫的大门，以防持带铁器的盗贼进入。晋朝大将马隆与羌人作战时，在窄道上垒磁石，羌人过，铁甲一一留存，羌人以为神，马隆因此大胜。(《晋书·马隆传》)
宋代是我国磁学知识发展高峰时期，人们在认识磁的特性和利用方面都有重大发现。首先，杨维德和沈括在世界上最早发现了地磁偏角。第二，宋代人还发现了种种人造磁铁或人工磁化的方法。第三，宋代人制造了种种轻便的指南针，并且首先在航海中应用它辨别方向。
清初，中国人对磁学又作出了一项重大发现。古代人早就知道，磁石吸铁，可以连吸，即被吸引的细针又可以吸引第二根细针。这样，在一块磁铁上就一连串地挂上十几根针。只要原磁铁的强度足够大，还可以吸引更多。虽然磁铁不能引铜，但在铜盆底外放一块磁铁，盆内的铁屑会随盆底外磁铁的移动而移动。这样看来，仿佛磁铁的作用是不被其它金属阻碍隔断的。古代人称这种现象为“磁石吸铁，隔碍潜通”。那么，什么东西可以隔断磁石的作用呢？ 清初刘献庭(公元1648—1695年)在《广阳杂记》中写下这么一件事：某人问，“磁石吸铁，何物可以隔之？”我的侄子阿儒说：“只有铁可以隔断它。”其人即去实验，发现果然如此。这个故事虽然没有具体叙述如何用铁隔断磁石的作用，但他既然实验过并作出了肯定的结论，也许自有其方法。从现代磁学知识看，只要用铁丝将磁石包围起来，或者将那个被吸的物体放入铁丝网笼中，磁铁就不能吸引它了。这种隔断磁作用的现象被称为磁屏蔽。中国人在17世纪就发现它，而且隔断磁作用的正是被磁吸引的铁，这就令古人为之惊愕了。
第三节 指南针
指南针的发明及其在航海中的应用，迄今已是世界公认的古代中国的伟大成就之一。英国哲学家弗·培根(公元1561-1626年)曾称赞印刷术、火药和指南针是“在世界范围内把事物的全部面貌和情况都改变了”的三项发明，“竟至任何帝国、任何教派、任何星辰对人类事务的力量和影响都仿佛无过于这些机械性的发现”。马克思也曾指出，这“是预告资产阶级社会到来的三大发明”。其中，“指南针打开了世界市场并建立了殖民地”。可见，指南针的发明对人类和社会历史进程所起到的伟大作用和影响。
中国人至晚在秦汉时期已经发明了磁性指向器，当时称它为“司南”。它是用天然磁石加工而成的，其形状类似瓢勺。将它放在栻占用的光滑的铜质地盘上，经旋动而静止时，其勺柄就指向南方。地盘上刻有古代人熟悉的天干、地支和八卦表示的24个方位。(图5-1)
图5-1 置于地盘上的司南(王振铎复制)
从秦汉直到唐代中期，司南不断被人们所制造和使用。生活在8世纪的韦肇在其《瓢赋》中还写道，“充玩好，则校司南以为可”。其中，“校”字晗含制作在其中。所以司南要“校”准，除地磁偏角的影响外，尚有加工工艺等问题。因为司南类似勺，因此韦肇在其诗中还说：“杓之类奚取于梓人”。“梓人”是指木工。作为植物果实瓢，是农民所种，非木工所为；作为司南这一磁性瓢勺，是由金工所为，也非木工斧锯而成。韦肇的《瓢赋》表明唐代人还在制造司南。
唐代，大概是由司南向指南针过渡的孕育阶段。或者，唐宋之际完成了向指南针的过渡。入宋以后，有关指南针的文献突然丰富起来。指南针、指南鱼、指南龟几乎同时问世，地磁偏角、地磁倾角也相继被人们所发现和利用。具体地说，入宋以后81年，杨维德在其相墓、相风水的地理著作《茔原总录》(成书于1041年)中最早记述了指南针和地磁偏角。其后三年，曾公亮的军事著作《武经总要》问世，书中记述了以地磁场磁化钢铁片的方法。又其后40余年，即公元1086年，沈括的《梦溪笔谈》完稿，以磁体磁化钢针的方法在该书中作了详细记载。因此，至少可以推测，在杨维德记下指南针和地磁偏角之前，会有几代堪舆家已经摆弄了指南针。
杨维德说，用指南针看风水、确定四方的方位时，指南针“当取丙午针”。“午”是地理正南方向，“丙”是地理正南偏东方向。这就是说，指南针的南向，即地磁南向是在那两个地理方向之间。地磁南向与地理南向有偏差，这就是所谓的地磁偏角。在西方，磁偏角是哥伦布在1492年的航海中发现的，比杨维德的记述要晚450年。
曾公亮详细地记下了制造指南鱼的方法：
以薄铁叶剪裁、长二寸宽二分、首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止。以密器收之。用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。(《武经总要》)
对这段文字需要说明的是，它是否符合科学？如何以近代磁学知识理解它？
将“薄铁”(曾公亮所记“薄铁”很可能是钢)剪成鱼形片、烧红，当炉温高于居里点(约700℃)时，钢铁的磁畴①排列完全被打乱。而当它“蘸水”即淬火急冷时，磁畴排列又复形成。关键在于冷却时，“以尾正对子位”。这表明，铁片是按地球子午线方向，即地磁的南北方向冷却的。因此，在地磁场的影响下，冷却后的铁片磁畴就都顺地磁方向排列了，从而铁片产生了磁性。又因为淬火时，铁片“没尾数分”，是斜插入水盆中淬火，这又恰好利用了地磁倾角，增强了对铁片的磁化强度。当铁片完全冷却，其磁畴也就完全按地磁方向排列，则鱼头为北极，鱼尾为南极。将这种指南鱼平放入水碗后，受地磁场影响，鱼头指向南方，鱼尾指向北方。
其实曾公亮及其同时代的人并没有地磁场乃至地磁倾角的理性概念；而在实践中，他们却充分利用了地磁场和地磁倾角以磁化铁片。而西方，有说诺曼(Robert Norman)于1576年发现了磁倾角；也有说是哈特曼(George Hart-mann)于1544年发现的。无论哪一说成立，归成一句话，西方人在理论上的发现比我国古代人在实际中的应用要晚500年。
另一种以磁感应制造指南针的方法见于沈括的《梦溪笔谈》卷二四：“方家以磁石磨针锋，则能指南。然常微偏东，不全南也。”前一句是指南针的磁化感应方法，后一句指明地磁偏角的存在。沈括同时记述了多种安装指南针的方法：1)指甲法，将磁针搁在光滑的指甲上，可以旋转自如；2)丝悬法，以单根蚕丝系于针腰，悬吊磁针，相系处滴上少许蜡。3)水浮法，把磁针穿在数根灯草上，用灯草托浮磁针于水面；4)碗唇法，把磁针放在光滑的碗口边缘上；此外还发现感应磁化时，不仅有指南，也有指北的磁针，并承认自己“莫可原其理”。由此不难看出，当时的中国人尚未知道地球本身也是个大磁体。
沈括之后有关指南针及其制法的记载越来越多，大概它已成为中国人的普通常识了。也是在宋代，陈元靓在《事林广记》中还记载了两种指南针——指南龟和指南鱼。将磁针装入木刻小龟腹中，龟腹心刻一小圆穴，以一竹钉作为旋转支轴。拨转木龟，龟则指南。此种装置称之为“指南龟”。类似的，将小条形磁针安装在木刻鱼腹中，将木鱼浮于水面，则指南，故称“指南鱼”。如果分别在鱼头、鱼尾插入一小铁针，既易于识别方向，又方便用手拨转。图5-2绘画了古代人所发明的各种指南针及其安装方法。
将指南针与刻度盘相结合，使之成为一种辨识方向的仪器，称为罗盘。刻度盘在中国产生于先秦时期，但罗盘只有在磁针诞生之后才有可能问世。
图5-2 指南针及其安装法
1至4为沈括记载的四种安装法：1.指甲法；2.丝悬法；3.水浮法；4.碗唇法；5.陈元靓记述的指南龟；6.指南木鱼；7.曾公亮记述钢片指南鱼。
起初，罗盘被称为“地螺”。它的发明，首先被堪舆家用于相墓、相宅、看风水。考古学家在江西临川一座葬于公元1198年的宋墓中发掘出两个“张仙人瓷俑”。瓷俑造型生动，右手持一罗盘，置于左胸前。(图5-3)从瓷俑竖持罗盘和罗盘的磁针中央有转动中心这两点，可以断定该罗盘是旱罗盘，安装磁针的方式很可能是回旋枢轴。罗盘的盘面是圆形的，其方向刻度也颇清楚。这一事实表明，旱罗盘至晚产生于12世纪下半叶。沈括和陈元靓所述及的丝悬磁针和指南龟，都是旱罗盘的始祖。其余方法后来皆发展为水罗盘。
图5-3 张仙人瓷俑
简单地说，就是将磁针、指南鱼放入水碗中，再在碗外缘加上一刻度盘，就成为水罗盘。元代，盛行“针碗”。将瓷碗做得比平常稍大些，到了描彩上釉这道工序时，在碗内底画出24个方位，这样烧制的瓷碗就称为“针碗”。在这种水碗内放入指南针，就可以识别指针方向。针碗在航海船舶中颇具优点。因为，针碗不是放在甲板或内舱桌面上，而是置于后舱沙堆之中，碗底又深。因此，水碗不随船的颠簸而翻倒、打碎，即使船舶摇荡，沙堆可减缓碗的移动，而碗内的水总是平衡的。磁针所受航行的干扰就相对小些。这也是中国人在解决复杂技术问题中表现出的聪明才智。
指南针发明后不久，就被用于航海。宋代朱彧〔yu与〕的《萍洲可谈》一书，记述了其父亲在1099至1102年间在广州做官时的见闻，其中述及航海中“阴晦观指南针”。这个时间只比沈括《梦溪笔谈》成书晚10年。在朱或之后，北宋末，徐竞于宣和五年(公元1123年)出使高丽(今朝鲜半岛)。当他的船队驶出蓬莱山之后，逢阴晦天气“则用指南浮针”，即是水罗盘。不久，赵汝适在《诸蕃志》中写道：舟舶往来，惟以指南针为则，昼夜守视唯谨，毫厘之差，生死系矣。
这是航海中完全依靠指南针导向的写照。用指南针导航又不可有“毫厘之差”，则非罗盘莫属。可见，在12世纪初，中国人在航海中使用指南针或罗盘已相当普遍了。
据科学史文献记载，欧洲最早知道磁针的是法国人戴普鲁万斯(Gyuot de Prorins)，他在公元1190—1210年间指出，水手将针和一种难看的石头摩擦后，用草浮水面可以指北。后来，英格兰的修道士尼坎姆(Alexander Neckam，公元1157—1217年)在其《论器具》书中作了类似叙述。他们比杨维德、曾公亮和沈括的记述晚了100至150年。“张仙人瓷俑”手持枢轴式罗盘出现在1197年之前，而号称制造罗盘的法国大师佩雷格林纳斯(Petrus Peregrinus，生活于13世纪)设计制造的带有刻度的罗盘则在1269年。中国人最早创制并使用磁针和罗盘的历史是无可争议的。现在一般地认为，有关磁、罗盘的知识是由阿拉伯人从中国传到欧洲的。应当说，一旦指南针上了航船，其传播之快应与航速等同。
注释：
①“磁畴”，通俗地说，是磁体晶粒中能自发磁化的小区域，它们的磁矩方向是否一致，对磁体的磁性产生极大影响。
第六章 热
人类生活在季节交替、气候变幻的自然界中，冷热现象是他们最早观察和认识的自然现象之一。在熔炼金属、烧制陶瓷等生产活动中人们也积累了许多有关热的知识。但是，在温度计发明之前，古代人关于冷热的观察、认识与实践，只能停留在定性的阶段，而不会有定量的概念。今天的热学，已是研究物质处于热状态下有关性质和规律的物理学一分支学科。它是古代人的热学知识发展的必然。以下我们将叙述古代人的热学知识以及发明创造。
第一节 摩擦取火以及对热的本质的认识
除太阳以外，火是上古时代人的唯一的地上热源。原始社会时期，人们已学会利用火，发明了钻木取火的方法。用两条木片，使其之一的一端与另一条激烈摩擦，在摩擦点附近放上易燃物质。摩擦运动产生高温，甚而迸出火星，易燃物质即着火。史籍记载，这个方法是由原始社会初期的燧人氏发明的，故称“燧人氏钻木取火”。通过钻木取火，人们在春秋战国时期懂得了一条热学的基本规律：“木与木相摩则燃”。(《庄子·外物》)
古代人还发现其他种种摩擦取火的方法。《关尹子》说：“石击石即光。”这是石块与石块的碰撞发火。摩擦竹片也能发火。以一片竹瓦(竹筒破而为二，似瓦状)覆盖纸灰，在其上穿一小孔，以另一竹片通过小孔往来摩擦，“三四回，烟起矣。十余回，火落孔中，纸灰已红”(《物理小识》卷二)。从铁器时代开始，人们发现铁与石相碰击或刮摩能发火，人们称它为火石镰、钢镰。还有阳燧取火，这已在光学一章中叙述过了。
值得注意的是，我国少数民族发明了种种取火工具。其中，如景颇族取火器，看来简单，道理却很深奥。景颇族取火器(如图6-1)，以牛角作外套筒，木制推杆。杆前端粘缚艾绒。取火时，一手握住套筒，一手猛推杆入筒、并随即将杆拔出，艾绒即燃。口吹艾绒，立见火苗。显然，在19世纪以前任何一个民族都不知道热力学中的绝热压缩过程。在这个过程中，系统不与外界发生任何热交换，由于急速压缩，体积急速发生变化，因而系统的温度急速升高，以至达到燃点。景颇族的祖先以他们的聪明才智，在热力学诞生之前很久很久，就在实践中发明了符合绝热压缩原理的取火器。这种取火器通过东南亚而传到欧洲，被称为“活塞式点火器”。
图6-1 景颇族人发明的取火器
唐宋时期人们发明了原始的火柴。“夜中有急，苦于作灯之缓”(陶谷：《清异录》)，聪明人削杉木小片，其薄如纸，将硫磺涂于木片端，当它与热灰烬或高温物体接触，即焰起发火。宋代市上成批出卖，俗名“火寸”、“发烛”、“焠儿”，又称“引光奴”。近代火柴是以摩擦、使火柴头上药料生火，而它的祖先是接触热灰烬发火。从钻木到火石镰，再到火寸，是古代热学技术不断进步的表现。
除了发明种种起火方法外，古代人也发现了各种自燃现象。晋代张华说：“积油满万石，则自然生火。”(《博物志》卷三)张华还指出，生石灰遇水浇，亦焰起烟燃。宋代人就这些发现总结说：“油绢纸、石灰、麦糠、马矢粪草，皆能发火。”(陈师道：《后山谈丛》卷四)
中国是世界上最早发现并利用高温燃料的国家，如煤炭、石油、天然气的开发与利用，在历代典籍中的记载屡见不鲜。
人类生活中，一方面要火，要高温；另一方面又要冰，要降温。早在西周初期，中国人就开始利用天然冰块冰冻食品。当时的一首民歌描述了冬日采冰的情形，它唱道：十二月凿冰冲冲响，
正月抬冰窖里藏，
二月取冰来上祭，
献上韭菜与羔羊。
诗人屈原在其《赋·招魂》中写道：“冰冻甜酒，满杯进口真清凉。”西周人还制作了一种专置冰块与食品的“冰鉴”(《周礼·天官·凌人》)，即冰盒或冰柜类的东西。古代的降温方法中，如在盛夏之日引水上屋顶；(《旧唐书·西戎传》)在养蚕室门口放几桶新井水，“以生凉气”(《农书·农桑通诀集之六·蚕缫篇》)，都有很久的历史了。
热究竟是什么？是物质还是运动？这是18世纪科学界争论的大问题之一。持“热质说”、“燃素说”者认为，热是一种物质，燃烧现象是因为自然界有燃素。这种学说在十七八世纪曾解释某些热和燃烧现象，但不能解释摩擦起火现象。“热是一种运动”是由伦福德伯爵(即本杰明·汤姆森，公元1753-1814年)在1798年从钻大炮孔的摩擦实验中作出的。他以此推翻了热质说，促进了热学的发展。古代中国人对问题的回答二者皆有。
先秦时期，人们崇尚“五行”观念。五行，即金、木、水、火、土，其中火也是自然万物之一。因此，火是物质的看法有着非常久远的历史。后来，道家著作《关尹子》发展了这种观念。他写道：寒暑温凉之变，如瓦石之类，置之火即热，置之水即寒，呵之即温，吹之即凉，特因外物有来有去，而彼瓦石实无来去。
在《关尹子》的作者看来，“外物”的来去使瓦石发生热、寒、温、凉之变。这种“外物”观与热质说几乎一致了。颇有意思的是，古代人还大胆地从五行观念中找摩擦生火的根据。北齐刘昼说：金性苞水，木性藏火，故炼金则水出，钻木而火生。(《刘子·崇学》)
在他看来，摩擦起火是由于木本身含有“火素”或燃素的缘故。五行观念给古代人轻巧地抵达科学彼岸提供了独木方舟，但他们抵达的却是一个更为离奇的世界，而不是科学。
中国古代人也有持运动说的。南唐谭峭在其《化书》中写道：“动静相摩，所以生火也。”他的思想一直影响到清代，郑光祖在《一斑录》中说：“火因动而生，得木而然。”古代人从钻木取火的经验中得出的这个结论是科学的。它和伦福德伯爵从钻大炮孔中作出的科学结论完全一致。
第二节 热胀冷缩与物态变化
热胀冷缩现象在古代得到很好的应用。古代人多以铜而少以铁制作度量衡的标准器。他们的理由是，“铜为物之至精，不为燥、湿、寒、温变节，不为霜、露、风、雨改形。”(《前汉书·律历志》)显然，古代人不可能精确地测定各种物体的膨胀系数，因此也就不能比较铜与铁究竟哪一个在同样温差下膨胀较多。他们只能从物体经受风雨寒热之后的外表变化中选取较好的材料。由于铁比铜更容易生锈、剥蚀，即“改形”，因此将铜作为度量衡标准器的材料是理所当然的；而古代人从中发现寒温之变会使物体“变节”，这与热胀冷缩的道理也是一致的。
据《华阳国志》载，在战国末、秦统一中国之前，李冰为开凿都江堰，曾利用热胀冷缩原理打碎拦路巨石。都江堰两岸悬崖巨石坚硬，钻斧工具无可奈何。李冰想出一个办法：先在其上堆放柴草，火烧柴草，使巨石炽热，然后用水浇，于是石裂可凿。东汉时，成都太守虞诩〔xu许〕主持西汉水(嘉陵江上游)航运整修工程，也用了同样的方法：“诩乃使人烧石，以水灌之，石皆坼〔che彻〕裂，因镌〔juan娟〕去石。”(《后汉书·虞诩传》)这种方法在水利工程和采矿工程中被广泛运用，并被称之为“烧石易凿法”，“烧爆法”(《物理小识》卷七)。
古代名门权贵，腰间常佩带辘轳剑，剑柄玉制。所谓辘轳，是两块球形玉相套合而成，外形似“吕”字，“环口中间，似辘轳旋转，无分毫隙缝”。古人如何将一个球形玉的轴塞进另一个的孔洞中？ 原来是，将带孔洞的球蒸煮加热，然后将另一球的轴塞入孔洞。元代陶宗仪经过实验之后，得“煮之胖胀”的科学结论。(陶宗仪：《南村辍耕录》卷二三)“胖胀”与膨胀是同一个意思。
但是，在蒸煮加温过程中，如果温度足够高，某些物质的状态就会发生变化。
物质有固态、液态和气态三种状态。温度改变能使这三种状态相互转换。人们首先从天气变化中观察到物态的变化。同是雨水，“夏日则雨水，冬日天寒则雨凝而为雪”(《论衡·感应篇》)。“云雾，雨之徵也。夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪”(《论衡·说日篇》)。在日常生活、煮水做饭中，人们更经常地观察到水与汽两相之间的变化。水与冰两相间的变化使人们正确地作出其间温度不同的结论：“冰，水为之，而寒于水。”(《荀子·劝学》)“冰生于水而冷于水。”(《刘子·精神》)
在古代，对于物态变化最有研究的当属炼丹家。他们为了制取“长生不老药”或“点铁成金”，终生隐居山林，将一些药物、矿物加热、煅烧、蒸煮、冷却，使其物态发生变化。最早的炼丹家之一葛洪曾说：“丹砂烧之成水银，积变又返丹砂。”(《抱朴子·内篇·金丹》)“丹砂”是含汞的合金。他发现了固态矿物与液态汞之间的状态变化。出于保密，炼丹家的许多著作很难读懂。但是，加热汞的过程是众所周知的。明清之际王夫之(公元1619-1692年)说：“汞见火则飞，不知何往，而究归于地。”(《张子正蒙注·太和篇》)这里说的是，液态汞经加热而变为气态飞往空中，然后气态汞又凝结为液态而掉落地面的过程。
在长期煮水泡茶的生活实践中，人们对于水的沸腾现象有仔细的观察记载。在水未沸腾时，无气泡出现，称为“盲眼”；水初开时水泡像“蟹眼”那么大，然后像“鱼眼”那么大；最后水泡翻滚跳跃(蔡襄：《茶录》上篇)。其实，古代人观察到水随温度升高而递次沸腾的现象。
沸腾是状态变化的一种形式，蒸发则是这种变化的另一形式。明代庄元臣说：“置水于室，弗动弗易，久而水减寸焉。”(《叔苴子·内篇》卷一)这正是水在常温常压下的蒸发现象。古代人酷爱砚石，好砚石加上贵重砚匣，可谓文房四宝中珍品。因为好砚盒“复之以匣，数日墨色不干。经夜，即其气上下蒸濡，着于匣中，有如雨露”。“墨气蒸，上腾其墨，乃著盖上。久之，盖上之墨复滴砚中”(陆游：《老学庵笔记》卷八)。这样，墨水经久不干。这种现象是由于墨水的蒸发，以及在密闭容器(墨盒)中过饱和的蒸气凝结成水的缘故。
第三节 有关温度和温差的知识
温度计发明以前，人们常常以自己的体温，例如以手触摸物体，来判别温度高低。这种以体温为标准的触摸感觉法，只能判别一定范围内的温差。古代人所谓冷、寒、凉、温、热、烫等，都是些温差概念，而不是指特定的温度。感觉法往往因人而异。在某种程度上，已被感觉到属“寒冷”(或“热”)的一类物体，就很难再区分它们中哪一个更冷(或更热)。因此，《淮南子·说山训》写道：寒不能生寒，热不能生热；不寒不热，能生寒热。
这正是古代人由感觉导致的温差观念。
应当说，体温是古代最恒定的“温度计”。因为正常人的体温基本相同。古代人充分地认识并利用这种“温度计”。北魏贾思勰〔xie协〕在《齐民要术》中曾指出，牧民作奶酪，常使酪的温度“小暖于人体”；作豆豉，“令温如腋下为佳”。人的腋下温度较为稳定，迄今仍为医疗界所采用。王祯《农书》述及养蚕气温时，指出养蚕人在蚕室内需穿单衣，“以为体测”，即以自己的体温来测定蚕室内温度：“自觉身寒，则蚕必寒，使添熟火；自觉身热，蚕亦必热，约量去火”。在焙制茶叶过程中，茶农“用火常如人体温”，“若火多则茶焦不可食”(蔡襄：《茶录》上篇)。
古代人以水的物态变化来判定天气温度。水结冰，天寒；冰化水，天气转暖。因此，古代人常说：“见瓶中之水，而知天下之寒暑”(《淮南子·兵略训》)；或者说：“睹瓶中之冰，而知天下之寒。”(《淮南子·说山训》)
如前所述水的递次沸腾现象，反之，人们以这种可见的现象来判定水温。苏东坡有一首诗描写煮水泡茶的情景：“蟹眼已过鱼眼生，飕飕欲作松风声。”(转引自《农书·百谷谱集之十·茶》)水中的气泡及其声音都可供人们判断水是否已沸。明代屠龙说，烧水有三沸：“始如鱼目微微有声，为一沸；缘边泉涌连珠，为二沸；奔涛溅沫，为三沸。”(《考槃余事》卷三《茶笺》)由现在的知识判断，一沸约75℃—80℃，二沸约85℃—90℃，三沸为100℃。
在冶炼和烧陶过程中，工匠善于看火候，察颜观色判别温度高低。“火候”成为中国传统科学文化中内含丰富的知识之一。冶铸青铜合金时，火焰的颜色可供判别铜与锡是否熔化，可否开炉铸造。春秋战国之际的《考工记》写道：黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之。然后可铸也。
就今日冶铸技术看，这些描述也有合理之处。首先熔解挥发的是那些不纯杂物，呈现“黑浊”的焰色；然后熔点较低的锡熔解并挥发，呈现“黄白”的焰色；随温度上升，铜熔化并挥发，呈现“青白”焰色。最后，炉火纯青，开炉铸造。这种察看火候的方法，不仅被历代工匠沿用，也被炼丹家所发展。炼丹家以火焰颜色判断丹砂和矿石中的成份。如“硝石”(硝酸钾)火焰为“紫青”，氧化铜火焰“似红金”，“硝汞”(汞与硫化合物)为“青焰”等等。直到18世纪，有关冶炼著作还写道：“凡炼，……绿火黄火，各如其矿色也。惟红火为上，乃铜之光。”(檀萃：《滇海虞衡志》卷二《金石》)从这些文字记载看，火候的概念确实包括了在火焰颜色中反映出来的温度高低。今天人们常说的“火候足”或“火候不到”，多包含温度或环境气氛等多层意思。
值得指出的是，温度高低常常与热传递有关。在这方面，汉代王充的许多论述极为精彩。他写道：近水则寒，近火则温，远之渐微。何则？气之所加，远近有差也。(《论衡·寒温篇》)
这正是热传递现象及其与远近距离的关系。王充以“气”的观念来解释这种现象，也不是完全没有道理的。他还写道：夫熯〔han旱〕一炬火(即烛火)爨〔cuan窜〕一镬〔huo获〕水，终日不能热也。倚一尺冰，置庖厨中，终夜不能寒也。何则？微小之感不能动大巨也。(《论衡·感虚篇》)熯薪燃釜，火猛则汤热，火微则汤冷。(《论衡·谴告篇》)
这些叙述，暗含着热量大小以及与其发生热传递的外界系统的关系。热的能量太小，不足于影响或改变巨大的外界系统的温度。王充的这些科学思想，在科学史上是罕见的。
传教士进入中国之后，17世纪下半叶温度计才从西方传入中国。
第四节 与热有关的发明创造
西汉《淮南万毕术》中记载了鸡蛋壳在大风中飞扬的事：“艾火令鸡子飞”。东汉高诱注释说： “取鸡子去其汁，燃艾火，纳空卵中，疾风因举之飞。”(《太平御览》卷九二八)据此推知，将鸡蛋内蛋汁吸尽(大概尚需烘干蛋壳)，通过其一端小孔将燃烧着的艾草插入壳内，在疾风下高举蛋壳，蛋壳将自行飞扬。这可能是燃烧着的艾草使壳内温度升高，加热壳内气体，并将气体从小孔排出，整个蛋壳比重减小，加之疾风影响，因而在空中飞扬。可以说，这是热气球升空的一个最古老的游戏。
有人认为，即使蛋壳内全部空气排净，所获得的浮力也不可能使蛋壳上升；甚至仅有壳衣，也不能自行上升。这可能是他们没有注意到文献记载的“疾风”的影响，大概也没有烘干蛋壳。研究中国科学技术史的英国学者李约瑟博士就此有关的问题说：17世纪的欧洲人，欢度复活节时，曾作过蛋壳升空的游戏。其方法极简单，但要有点诀窍。吸尽蛋汁，烘干蛋壳，然后由小孔注入少许水，并以蜡封小孔。这样的蛋壳在炎日下逐渐呈不稳状态，逐渐变轻，并终于飘浮起来，飘浮极短时间后即行落下。这是因为壳内水份蒸发，气体膨胀。待小孔封蜡经日晒融化，小孔成为排气孔，壳内蒸气适足使壳体升空一个短时间。待蒸气排尽，空气再渗入，蛋壳即落下。
如果加热空气，造成气流，并以此气流推动轮轴旋转，古代人按此原理制造的玩具称为“走马灯”。
图6-2 走马灯
上元节玩灯笼，可能起于隋唐时期。其中，“走马灯者，剪纸为轮，以烛嘘之，则车驰马骤、团团不休。烛 灭则顿止矣”(《燕京岁时记》)。(图6-2)它的制作方法是，在一个方形或圆形灯笼中，插一根铁丝当立轴，轴上方装一纸质叶轮。立轴中央装二根交叉细铁丝，在铁丝每一端贴上人、马一类剪纸。当灯笼内点燃灯烛后，热气上升，形成气流，推动叶轮旋转，于是剪纸随立轴旋转。剪纸的影子投射在灯笼纸罩上。从外表看，就成“车驰马骤、团团不休”。
走马灯又称“马骑灯”，在宋代盛行。宋代市上有专卖灯笼的店铺。宋代的小说笔记对此描述甚多。周密说：“沙戏影灯，马骑人物，旋转如飞”(《武林旧事》卷二《灯品》)。姜夔作诗道：“纷纷铁骑小回旋，幻出曹公大战年；若使英雄知底事，不教儿女戏灯前。”(《白石道人诗集》卷下《观灯口号十首之七》)从原理上看，走马灯是现代燃气轮机的始祖。
与走马灯相类似的发明物还有宋代“仙音烛”，秦汉年间的“青玉灯”。
据宋代陶谷记载，仙音烛“其状如高层露台，杂宝为之，花鸟皆玲珑。台上安烛。烛既燃矣，乃玲珑皆动，丁当清妙。烛尽响绝，莫测其理”(《清异录》卷下《器具》)。陶谷记载不够详备。仙音烛大概是，一个高层蜡烛台，内装有各种小巧玲珑的玩器，其间必装有似走马灯一样的轮轴、叶轮、铁丝。烛火燃烧时，铁丝拨动轻小玲珑玩物，发出叮噹响声。烛火灭，就没有热气流推动叶轮旋轴，于是音响停止。
青玉灯首次记载于《西京杂记》：“高祖初入咸阳宫，周行库府，金玉珍宝，不可称言。其尤惊异者有青玉五枝灯，高七尺五寸，作蟠螭〔panchi盘吃〕以口衔灯。灯燃鳞甲皆动，焕炳若列星而盈室。”(《西京杂记》卷三)这显然是，由于热气流推动了作为灯台用的蟠螭的鳞甲，晃动的鳞甲在灯光下闪闪发亮。可能正是这些较早的发明物，启发了宋代人制作各式各样的走马灯。
宋代诗人陆游(公元1125—1210年)曾记述一种“省油灯”，颇有意义。省油灯原是“夹灯盏也。一端作小窍注清冷水于其中，每夕一易之。寻常灯盏为火所灼而燥，故速干。此灯不然，其省油几半”(《老学庵笔记》卷十)。
省油灯不是普通的灯，而是夹层的。在夹层中空处，注入清凉水，就避免了灯盏本身被灯火加热后而灯油急速蒸发的缺点，从而达到“省油几半”的目的。这种冷却法在现代工业中常被称为水套冷却。省油灯是水套冷却的鼻祖。据陆游说，省油灯的发明“已三百年”。可见，中国人在公元9世纪初期就发现了这种冷却法并制造了具有现代工业意义的发明物。
与热学有关的发明或发现还有许多。我们不一一列举了。
第七章 物理世界的图景
古代人怎样看物理世界？物质是粒子还是波，是可分还是不可分？是连续的还是不连续的？物质运动是直线式、曲线式还是波动？在以上各章列举了古代物理学成就之后，我们需要从总体上看看古代中国人心目中的物理世界。
第一节 “莫能破”
古希腊和古罗马人认为组成物质的本原是原子。他们以原子论来解释世界物质的运动变化。“原子”一词的希腊文本意是“不可分”。根据它的本意，中国人关于物质“原子”的思想出现得还要早。
甲骨文中，“小”字只作三点，表示物的微细之意。这个字的造形原意是，两边各一点成“八”字，是分的意思。把中间一点分了又分，剩下不能再分的微点，便是“小”的形象。《说文解字》写道：“小，物之微也，从八，见而分之。”由此可见，“不可分”即“原子”的观念出现于殷商时期。孔子之孙子思(公元前483—前402年)的著作《中庸》写道：“语大，天下莫能载焉；语小，天下莫能破焉。”这意思是：我们所说的“大”，是指无边无际的宇宙，世界上没有别的东西可以包容它；我们所说的“小”，是不能再分的物质微点，世界上没有任何人可以把它再分割。《中庸》所说“莫能破”，即今日俗语“不可分”。子思和古希腊德谟克里特(公元前460—前371年)几乎同时提出“原子”思想。
遗憾的是，虽然《中庸》是儒家的一部经典，但是，在它成书后的千余年间几乎没有人理睬它所说的“莫能破”的观念。从子思以后，一代一代的儒家弟子都像他们的不祧〔tiao挑〕之祖孔子一样，把注意力集中在研究社会伦理道德上，对于他们的先师本来就很少的自然哲学的闪光并不过问。直到宋代，理学大师朱熹(公元1130—1200年)，才对“莫能破”作出进一步阐发。朱熹说：莫能破，是极其小而言之。今以一发之微，尚有可破而为二者。所谓莫能破，则足见其小。注中谓其小无内，亦是说其至小无去处了。
莫能载，是无外；莫能破，是无内。谓如物有至小而尚可破作两边者，是中着得一物在。若云无内，则是至小，更不容破了。(《四书朱子大全·中庸》第十二章)
朱熹对“莫能破”这一原子概念解释得何等清楚！可惜，朱熹也仅仅停留在解释字意上，而没有用“莫能破”解释物质运动和自然现象中的任何问题。朱熹如此，朱熹的继承者也如此。又过了几百年，当西方传教士把近代科学连同古希腊的原子论带入中国时，中国人才想起了自己祖先的“莫能破”概念。此后就把西方的“原子”一词译成“莫能破”或“莫破”。
“无内”是战国时期名家提出的，也是辩者惠施的名言：“惠施……历物之意曰：至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一。”(《庄子·天下篇》)惠施在历数“物”的大小时提出“无外”和“无内”的概念，并把它们分别命名为“大一”和“小一”。其意思基本上和子思的“大”、“小”概念相同。
战国时期墨家还提出了“端”的概念，他们说：“非半不新〔kan砍〕则不动，说在端。”(《墨经·经下》)分割物体一直分到没有所谓半个(“非半”)的，不能再砍开的一个物质实体，就是“端”。墨家还以分割或砍木棍的例子，教导人们如何分法才会得到“不可分”的“端”。看来，“端”也是“原子”的概念。
春秋战国时期，诸子蜂起、百家争鸣。其中不少学派的自然哲学中都主张物质有不可分的实体存在。但是，这个思想在后世没有得到发展，更没有形成如同古希腊哲人的原子论。应当说，原子思想只是一种不可分的、不连续的物质观念；还有一种物质观，它认为物质是无限可分的、连续的。前者在中国虽然十分薄弱，但后者却得到了充分的发展。战国时期另一位辩者公孙龙说：“一尺之棰，日取其半，永世不竭。”(《庄子·天下篇》)这正是物质无限可分的、连续的观念。这种观念集中体现在古代的“元气”论上。
第二节 元气说的思想特点
“元气说”在中国历史上得到长期持续的发展，它描述了一幅丰富多彩的物理世界的图景。
许多自然现象被古代人看成是“气”的作用。甲骨文中的“气”字像一股上升的气流。云雨变化是“地气上为云，天气下为雨”(《黄帝内经·素问·阴阳应象大论》)的天地之“气”的作用。煮水做饭，见一股气滚滚上升；射进黑暗土屋中的一缕阳光，人们看到其中尘灰像野马似的不停地翻滚运动；甚至刮风也被看成是大地“噫〔yi一〕气”(《庄子·逍遥游》或《庄子·齐物论》)。人们更从呼吸中感到气的存在。这些生活实例使人们想象宇宙中各种气：“气有六：阴、阳、风、雨、晦、明”，自然界“有六气，降则生五味，发则成五色，徵则成五音。”(《左传》昭公元年)这些可能是中国古代关于宇宙万物是由“气”组成的思想来源。
战国时期，宋钘〔jian肩〕 (约公元前360—前290年)、尹文(约公元前350—前285年)等人就提出了宇宙万物统一于“气”的学说：凡物之精，比则为生。下生五谷，上列为星；流于天体之间，谓之鬼神；藏于胸中，谓之圣人；是故名气。杲〔gao稿〕乎如登于天，杳〔yao窈〕乎如入于渊，淖〔nao闹〕乎如在大海，卒乎如在于屺〔qi起〕。(《管子·内业》)
这意思是，万物是由各种精气结合而产生的。在地面生出五谷，在天上分布出许多星，流动在天地之间的叫作鬼神，在心中藏着就成圣人，所以叫它“气”。它有时光明照耀，好像升在天上；有时隐而不见，好像没入深渊；有时滋润柔和，好像在海里；有时高不可攀，好像在山上。从这个叙述中，我们看到构成宇宙万物的“气”存在于天上、地下、天地之间，甚至人心中。它具有光明、黑暗、滋润以及运动等性质。后来，元气说又加入了《易经》中阴与阳的概念。“气有阴阳”，同一种气就有两种不同特性。气成为阴与阳两方面对立统一的物质实体，更便于解释自然界的各种物理的或化学的、医学的、生物的运动现象。
那么，元气究竟是什么？
从物理学观点看，元气是最微细的物质。王充说：“元气，天体之精微也”，“气若云烟”(《论衡·四纬篇》)；王夫之说：“气弥沦无涯而希微不形。”(《张子正蒙注·太和篇》)所谓“希微不形”，即听不见、摸不着、看不到的微小物质实体。由此看来，“气”似乎是一种不连续的物质微粒。
从古代人关于元气的更多的论述来看，元气又是一种连续形态的物质。元气充满宇宙，贯一切实，盈一切虚。王充说：“天去人高远，其气莽苍无端末”，“天地，含气之自然也。”(《论衡·变动篇》)张载说：“太虚即气”，“太虚者，气之体。”(《正蒙·太和篇》)原来认为虚无的空间，在元气说中成为气存在的基本形式，“太虚”成为物质和空间二者共有的概念：“气之聚散于太虚，犹冰凝释于水，知太虚即气，则无无。”(同上)，王夫之更明确地说，“凡虚空皆气也”，“虚空者，气之量”，“则人见虚空而不见气”(同上)。在古希腊的原子论中，物质是由原子和空虚构成的，空间是虚无的，因此超距作用是普遍存在的；而在中国的元气说中，空虚并不存在。不存在真空，自然界弥漫着一种连续形态的称为气的物质，一切作用都由气在其间作为中介。这是中国古代物理学思想的最大特点。
从以上两方面分析看来，元气是物理学上连续与不连续两种形态统一的物质形式。古希腊和古罗马的思想家无法理解这样的物质形态。甚至直到19世纪，近代科学已相当成熟并发展的时代，欧洲的科学家和思想家也只能承认物质或者是连续的，或者是不连续的，而不能想象这二者统一的物质形态。
古代人关于气和物二者关系的论述是如此精彩、独到，以至当代物理学家无不感到惊讶！宋代张载(公元1020—1077年)说：太虚不能无气，气不能不聚而为万物，万物不能不散而为太虚。循是出入，是皆不得已而然也。
其聚其散，变化之客形尔。
气聚，则离明得施而有形；不聚，则离明不得施而无形。方其聚也，安得不谓之客；方其散也，安得遽〔ju俱〕谓之无。(《正蒙·太和篇》)
在张载看来，物质性的气总是发生或聚或散的运动变化。它聚合或凝缩，就产生使感官可觉察(即“离明得施”)的有形物质；有形物的消散或离析就成为感官不可觉察(即“离明不得施”)的气，复归于无形的太虚之中。
正如我们在前面几章中所叙述的一样，古代人以元气说解释他们所观察到的一切物理现象。元气说在科学思想上的深刻性，今日又使近代科学在这里找到了它的某些渊源。正因为这样，在最近半个世纪里，人们或者将它比喻为“力”，或者将它比喻为“微波”与“放射能”，或者认为它类似于“场”、“量子场”。可见，元气说在近代科学思想史上具有不可低估的影响。
第三节 物质世界的波动性
波动形式的运动，在物理学中占有重要篇章。在古代中国人看来，整个世界都处在不停地波动形式的运动和变化之中。
波动的思想大概最早见之于《易》。它以阴阳对立的观点描述世界的运动。阴与阳“变动不居，周流六虚，上下无常，刚柔相易”。表征阴阳的最突出的属性刚与柔“相推而生变化”，“变化者，进退之象也”(《易·系辞》)。而进退变化的最主要表现形式是上下消长、盛衰起伏，并且随时间不断地向前流行，即《易·杂卦》所谓的“损益盈虚，与时偕行”。《易》的这些描述只有想象为自然界的波动才是可以理解的。
后来人们对这思想的发挥使波动的概念更加清楚。《易纬·乾凿度》写道：“阳变而进，阴变而退”；“阳动而进，阴动而退”。王充说：“阳极反阴，阴极反阳。”(《论衡·顺鼓篇》)直到17世纪，毛奇龄(公元1623—1716年)还说：“阳动则阴息，阴动则阳息，阴阳动静，互相推迁。”(《太极图说遗议》)从这些记述中，我们可以想象到，气的阴与阳两个方面，一进一退，一动一静，阴阳交错，动静推迁，正好构成了一幅波动的世界图景。
历史上许多典籍说明了古代中国人的波动观念。《内经·素问》写道：动静相召，上下相临，阴阳相错，而变化生也。
高下相召，升降相因，而变作也。
在这里，物质气的相反形态(阴与阳)，及其相反的运动形态(动静、升降)、相反的位形(上下、高低)都统一在运动变化之中。表面看来，不过是一种往复式机械运动，但“临”与“错”的观念只有波动图形才能恰切表示出来。
对于这种波动的方向和路径，古代人也有种种说法。《淮南子·诠言训》说：阳气起于东北尽于西南，阴气起于西南尽于东北。
汉代董仲舒说：
阳以南方为位，以北方为休；阴以北方为位，以南方为休。(《春秋繁露·阴阳位》)
这种方向、路径图恰如今天的波动图，只要把波动中的向上运动看作“阳”的运动，波峰看作“阳”盛“阴”休(或藏)的位置，而把向下运动看作“阴”的运动，波谷看作“阴”盛“阳”休(或藏)的位置就可以了。这就像晋初刘智在《论天》中所说的，“阴阳相承，彼隆此衰”(《全上古三代秦汉三国六朝文·全晋文》卷三九)，阴与阳一隆起一衰落、彼此接续相承地运动，正是波动的简明扼要的说明。
我们再看看朱熹的有关论述。他写道：
太极理也，动静气也。气行则理也行，二者常相依，而未尝相离也。当初元无一物，只有此理。有此理便会动而生阳，静而生阴，静极复动，动极复静，循环流转。其实理无穷，气亦与之无穷，自有天地，便是这事物在这里流转，一日有一日之运，一月有一月之运，一岁有一岁之运，只是这个事物滚将去。(《朱子全书·理气·太极》卷四九)
我们暂且不顾朱熹关于理与太极的概念是什么，就他所说，在天地形成过程中及其形成以后，理与气都处在动静循环流转之中，并且像车轮滚动一样年年月月地往前滚将去，从这点看，他的世界波动图是很清楚明了的。朱熹还说：气运从来一盛又一衰，一衰了又一盛，只管凭地循环去，无有衰而不盛者。(同上)
气一盛一衰地往前循环运动，不正是一种波吗？
虽然我们不能更多地叙述中国古代的物理世界图景的许多细节，但从以上简略分析中可以看出，在古代中国人心目中，世界充满了称之为“气”的物质，宇宙天体、万物和人本身都是由这种“气”构成的；气有阴阳两性，它是连续的与不连续的统一的物质形态；在气组成的物质世界里，既没有空虚或绝对的真空，也不存在超距作用；气的凝结聚合成为肉眼可见的有形物体，物体的消散离析就复归为肉眼不可见的无形的气；由气组成的整个物理世界总是处在流动、运动和变化之中，而波动是其主要的运动形式，各种相互作用都以波的形式传递。古代人以这样的物理世界图解释了几乎全部他们所知的物理现象与相互作用。
古代人的这种物理世界图在科学史或思想史上的价值是不言而喻的。在经典物理学时期，人们或者主张微粒说，或者主张波动说，二者不可兼容。现代物理学既不认为物质世界仅有粒子组成，也不认为只是一种波或场，而是这二者的统一。从本世纪以前的物理学来看，古希腊和西方人的原子论占有经典时期的一半，古代中国人的元气说占有另一半。值得指出的是，古代中国人的物理世界却更接近于现代物理学的观点。这正是近几十年来，探讨科学思想史的学者们纷纷从中国古代典籍中寻找现代科学的思想渊源的原因所在。
最后，我们要特别指出，元气说纯属哲学思辨和猜测，它不是自然科学，也不是物理学。元气说的概念，虽然有许多思想光辉，和现代的科学观念有一些类似性，但它又有许多局限性。人们对“气”这一物质是不可能作出科学的量度和实验，人们对于它的物理属性(如质量、动量、密度、能量等)也一无所知，它是一种纯粹的假想的物质；古代人以气解释的一切自然现象，都是直观的、朴素的思辨性质，缺乏严格的科学论证。从历史的辩证的观点看来，我们既要把握“气”这一古代概念的思想光辉，又要认清其思辨猜测的局限性。这样，我们才不致于或者把它与现代科学相提并论，误以为中国古代就有现代科学；或者把它视为一堆空话，让历史上的思想闪光在我们这一代还默默地流逝。
辅文图片
孔子作欹器注水实验图(明刻本《孔子家语图》绘)
西汉透光镜
战国宴乐渔猎铜壶拓片
喷水鱼洗
