元代高道趙友欽：小孔成像證光學(xué)原理
欄目分類：道教神仙 發(fā)布日期：2016-06-16 瀏覽次數(shù)：次
元代高道趙友欽：道學(xué)與科學(xué)的緊密聯(lián)系
元代高道趙友欽
在中國乃至世界文化史上，道教和科學(xué)的緊密聯(lián)系，是一個引人注目的現(xiàn)象。歷代道教徒中，頗多對科學(xué)技術(shù)有不同程度貢獻(xiàn)者，其中如葛洪、陶弘景、孫思邈諸人，足可在中國原始化學(xué)史、醫(yī)學(xué)史等領(lǐng)域占一席之地。元代高道趙友欽，也是一位熱衷于科學(xué)探索，并在天文學(xué)、數(shù)學(xué)尤其是光學(xué)領(lǐng)域中有所建樹的人物，可惜，由于種種原因，對趙友欽的科學(xué)活動，至今研究、探索仍然很不夠，筆者近年陸續(xù)搜集和研讀了若干資料，愿意對之作一個初步介紹，以期引起道教界和學(xué)術(shù)界的重視，進(jìn)一步將這項研究引向深入。
趙友欽，號緣督，是元代全真道中重要人物上陽子陳致虛的老師。陳致虛在《上陽子金丹大要列仙志》中這樣介紹自己的老師：“緣督真人姓趙諱友欽，字緣督，饒郡人也。為趙宗子。幼遭劫火，早有山林之趣，極聰敏，天文、經(jīng)緯、地理、術(shù)數(shù)莫不精通。及得紫瓊師授以金丹大道，乃搜群書經(jīng)傳，作‘三教一家’之文。名之曰《仙佛同源》。又作《金丹難問》等書行于世。己巳之秋寓衡陽，以金丹妙道悉付上陽子。”張紫瓊，為金丹南宗傳人。從上述“得紫瓊師授以金丹大道”一說，可以斷定友欽的仙學(xué)屬于南宗。又據(jù)毛鳳飛先生《趙公仙子源流說》（民國《龍游縣志》）：“緣督先生在南宗為張紫陽之傳，在北宗為王重陽之五傳，南北二宗盡萃于緣督先生而為一矣。”所謂“王重陽五傳”系據(jù)陳致虛說，指張紫瓊的師父黃房公為北宗的宋披云。然而宋披云實未南過長江授徒，陳說無據(jù)。趙友欽的道派舊屬在南宗，而與北宗無干。至其徒陳致虛始匯合南北二宗。
趙公有關(guān)道教的著作皆已佚亡，僅存陳致虛《金丹大要》中的少量遺說。《上陽子金丹大要》卷16：“緣督子間氣聰明，博物精通，挹盡群書，或注或釋。總?cè)虨橐患摇Ｗ鳌断煞鹜础贰督鸬るy問》等書。到此而金丹大備。其意憫憐修道之人率多旁門，以偽亂真，故于卷中指出先天一氣，獨是。謂若水銀、朱砂、黑汞、白金、火候、抽添、安爐立鼎，名之則是，用之則非……《金碧經(jīng)》、《參同經(jīng)》分明指出鉛汞、火候、弦氣、爻符，借《易》為準(zhǔn)。其妙在于‘欲作服食仙，宜以同類者’。取象于月，以驗采鉛。后之所述無以易此。”
陳致虛的這段話，雖僅百來個字，非常簡短。但從“到此而金丹大備”、“卷中指出先天一氣，獨是”、“后之所述無以易此”數(shù)語，足以說明趙友欽仙學(xué)精深，也已不同一般了。
潛心于天地之學(xué) 研究光學(xué)原理
“小孔成像”實驗樓模擬圖
作為“漠然世事”，熱衷于成仙得道的道教學(xué)者趙友欽在科學(xué)研究領(lǐng)域也與前輩道教先行者一樣，潛心于天地之學(xué)的研究。他在“東海上獨居十年，注周易數(shù)萬言”、“發(fā)前人所未言”。由于原著散佚，無從得知其詳。只能從僅存的《革象新書》中探討其科研成就。
《革象新書》是司天之書，講天地、日月、五星、四時變化規(guī)律的書。它繼承發(fā)展了道教天地之學(xué)的成果。道教天地之學(xué)包括宇宙理論、歷法、氣象、地理等內(nèi)容，在《革象新書》中均有所涉及。他曾采納諸多專家的見解，概括各個流派的歷法。更通過自己的實驗證實，糾正了過去的誤差，辯證地闡明新的科學(xué)見解，對神秘的蒼天作出科學(xué)的探秘。
卷5的《小罅光景》與《干象周髀》更是全書精華所在。鑒于日常生活中室有小罅雖不皆圓，而罅景所射未有不圓；乃至日食則罅景亦為所食分?jǐn)?shù)。罅雖寬窄不同，景卻周徑相等，然寬濃窄淡。若以物障迎奪此景，則此景較狹而濃。趙友欽不解其理，就在浙江龍游雞鳴山筑觀星臺，建造“小孔成像”實驗樓。實驗樓是兩間土木結(jié)構(gòu)的兩層樓房，每間樓下各挖4尺直徑的圓井一口于當(dāng)中，右井深4尺，左井深8尺。左井里放一張4尺高的桌案。井底有兩塊直徑4尺的圓板，每塊板上釘一千個鐵釘做蠟燭簽。實驗時點燃一千支蠟燭，作為模擬的日月——光源。井口的地面上覆蓋兩塊直徑5尺的圓板，板心各開方孔一個，左邊一個1寸左右見方，右邊那個寸半左右見方。實驗時，可觀察到樓板下有兩個一大一小、一濃一淡的圓影，用來驗證“小孔成像”原理與像的形狀及照度與孔的大小的關(guān)系。
五個實驗 小孔成像證明光學(xué)原理
“小孔成像”示意圖
趙友欽利用這個實驗樓的構(gòu)造裝置進(jìn)行了卓有成效的模擬和對比研究。
一、試驗小孔成像
點燃井底的蠟燭，燭光穿過小孔投影樓板之下，“千燭自有千影，點點而方”。井中心的燭光，方影直射在樓板當(dāng)中；南邊的燭光，方影斜射在樓板之北；北邊的光，方影斜射在樓板之南；東西的燭光也在樓板上相應(yīng)的部位投射。實驗的結(jié)果表明四邊直射的光線受井口蓋的障礙而不得出，只有斜穿出孔了，井內(nèi)已經(jīng)斜穿，孔外也只得偏射。這樣從各個方向射來的千數(shù)支光交錯疊砌成一個影就成圓的了。
兩邊都千影疊砌，而寸半見方的亮孔所穿之光較多，乃千影皆廣而疊砌稠厚，所以影濃；一寸見方的窄孔所穿之光較少，乃皆狹而疊砌稀薄，所以影淡。左右兩孔對比說明光源發(fā)光強(qiáng)度，物距相同時，小孔成像，孔稍小的通過的光較少，照度小，像就暗；孔稍大的通過的光較多，像的照度就大，像就明的道理。
二、做改變光源的試驗
熄滅右井中東邊的500支蠟燭，右井上方像屏上的像缺了西邊的一半。以證明“小景隨日、月虧食之理也”，也證明了小孔成的是倒像，反證了光的直射原理。右井中只點燃疏密相間而勻稱的二三十支蠟燭，在右井上方像屏上出現(xiàn)互不相連的二三十個方形的像，而就二三十支形成的整體來說仍是圓的。原因就在于前者是大孔成像，而后者是小孔成像。
在左井中只點燃中心的一支蠟燭，見到像屏上所成的像只有一個方點。恢復(fù)點燃右井中的全部蠟燭，像屏上也恢復(fù)出現(xiàn)實驗一時的一個圓影。
以上兩個實驗，對比清晰，推理嚴(yán)密，進(jìn)一步證實，光源強(qiáng)度愈大，照度愈大的原理。
三、“改變像距”實驗
另做兩塊大木板，漆成白色，掛在樓板下幾尺處作像屏，這時得到的像和實驗一相比，周徑減小而照度變大。這實驗證明：光源強(qiáng)度、小孔大小和物距不變時，像距愈小，像愈小，而照度愈大，像就比較清晰；反之，像距愈大，像愈大，而照度愈小，像就比較模糊。
四、作“改變物距”實驗
撤去所掛的兩塊板，拿掉左井中的桌子，把全部蠟燭點燃井底，使左井中的物距增加4尺，像屏上的像就變小。這一實驗說明光源強(qiáng)度、小孔大小、像距都不變時，物距愈大，像愈小，反之物距愈小，像愈大。
五、實驗“大孔成像”
移去兩井上所蓋的孔板，另做兩塊直徑1尺多的圓板，右板中心開一邊長4寸的方孔，左板中心開一邊長5寸多的等邊三角形孔。各以繩索吊在樓板底下井的正上方，而點可以調(diào)節(jié)高低。目的在于可同時調(diào)節(jié)像距和物距，光源位置和實驗一相同，仍以樓板為像屏。物距大時像距小，樓板上所成的像小；反之，物距小時像距大，樓板上所成的像大。這時像屏上的像，左面是三角形，右面是正方形；俯看左面的蠟燭是拼成圓形的，右面的蠟燭是拼成半圓形的。本實驗證明：（1）大孔成像，像的形狀和孔相同，與光源形狀無關(guān)；（2）當(dāng)光源、像屏固定不變，移動孔板，物距增大，像距減小，像也變小；反之，物距減小，像距增大，像也增大。
趙友欽在這座實驗樓里進(jìn)行的整個實驗涉及幾何光學(xué)的一些基本問題。對光的直線進(jìn)行、小孔成像、照度領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并得出正確的結(jié)論。他的“照度隨著光源強(qiáng)度增強(qiáng)而增強(qiáng)，隨著像距增大而減小”這一粗略的定性照度定律內(nèi)容，在西方400多年后才由德國科學(xué)家來博托得出“照度與距離平方成反比”的定律。而且，他那從客觀實驗出發(fā)，采用大規(guī)模的實驗方法去探索自然規(guī)律的科學(xué)實踐，這在世界物理科學(xué)史上也是首創(chuàng)的。比世界著名物理學(xué)家意大利的伽利略早兩個世紀(jì)。
此外，《革象新書》對使用的數(shù)學(xué)方法也有自己的特色。總的來說，趙友欽的科學(xué)成就是多方面的，而以光學(xué)實驗獨具價值。正如劉操南教授在《〈革象新書〉提要》（《古籍整理研究學(xué)刊》總57期）文中說：“《革象新書》五卷，于天算之學(xué)，分卷分條敘述，體例類于今日教科書的分章分節(jié)。內(nèi)容豐富，秩然有序。在元明清時代可以作為學(xué)習(xí)古代天算的基礎(chǔ)書和教科書讀，以明古代天算學(xué)的基本范疇。今日尚有其歷史意義與現(xiàn)實意義。”作者趙友欽也理所當(dāng)然，無愧于“道教科學(xué)家”的稱號。
本文由騰訊道學(xué)根據(jù)《元代高道趙友欽的光學(xué)研究和科學(xué)成就》一文整理發(fā)布，作者賴謀新，選自《中國道教》1998年第1期。
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