物理与诗歌同行
戴念祖(中国科学院自然科学史研究所）
在中国古代丰富的文化典籍中，诗词歌赋占有相当份量。其中一些诗词精彩地描述了物理现象。此可谓“ 物理与诗歌同行” ( 此“行”读xing，不读hang)。虽然诗人们未必知晓其所描述的现象之物理本质，但关注物理现象并将其入诗，却是值得称道的。这些诗词反映古代人如何看世界。本文特作一介绍，以飨读者。
有关相对运动的诗
梁元帝萧绎(508—554)《早发龙巢》：
征人喜放溜，晓发晨阳隈。初言前浦合，定觉近洲开。
不疑行舫动，唯看远树来。还瞻起涨岸，稍隐阳云台。
诗中“ 隈”， 今读wei， 古读wai。古音“隈”与“开”、“台”押韵。“隈”指城角水弯处。该诗述及梁元帝本人清晨从春阳城角开船远行，如同征战武士早晨喜欢遛马一样。他站在船头，“不疑行舫动，唯看远树来”。此情之下，船与河岸山林是谁在运动的问题，正是相对运动的经典例子。
行船山水画(来自网络http://www.baozang.com)
唐代敦煌曲子中有首《浪淘沙》词，其作者不明。全曲如下：
五两竿头风欲平，张帆举棹觉船行。柔撸不施停却棹，是船行。
满眼风波多陕灼，看山恰似走来迎。仔细看山山不动，是船行。
诗句中“陕灼”乃“闪烁”的异体字。“五两竿头”原误为“五里竿头”。它指安装在船头上的相风竿，竿上挂约“五两”轻质毛绒物，风吹见其动及所动方向，由此判断风力及风向。词作者立于船头，他所选定的参考系及其有关运动的感受，比《早发龙巢》更为具体入微。
关于泊舟的物理现象
唐代诗人韦应物(737—790)的《滁州西涧》早已列入小学语文课本之中。它写道：
独怜幽草涧边生，上有黄鹂深处鸣。
春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横。
韦应物可能是第一个观察到并描述“舟自横”现象的诗人。宋代宰相寇准(961—1023)在其诗《春日登楼怀旧》中写道：
高楼聊引望，杳杳一平川。
野水无人渡，孤舟尽日横。
寇准对泊舟现象的描述， 无疑是韦应物的继承和发挥。后来还有诗人继韦应物之后对泊舟作类似观察与描写。非但如此，甚至小说家罗贯中(约1330—1400)亦在其名著《三国演义》中有一段有趣的叙述。该书第四十九回“ 七星坛诸葛祭风， 三江口周瑜纵火”。其中言及，诸葛亮借得东风后，知周瑜不容，连夜赶回蜀属地夏口；子龙来接，而吴国大将徐盛奉命追杀亮。此时，“赵云枮弓搭箭，立于船尾大叫道：'吾乃常山赵子龙也，奉命特来接军师，你如何来追赶？本待一箭射你死来，显得两家失了和气，教你知我手段’。言讫，箭到处，射断徐盛船上篷索。那篷索落下水，其船便横。赵云却叫自家船拽起满帆，乘风而去”。
泊舟的力学现象入了小说类文艺作品，可见古代人对此现象的广泛认知程度。
所谓“舟自横”，是指停泊的舟与水流方向垂直(见图2)。一般人会以为它是沿水流方向静止下来的。古人只是反复描述了该现象，并未作出物理解释。为什么“舟自横”呢？
野渡无人舟自横(来自网络http://auction.artxun.com/
pic-162394098-0.html)
1992 年国际声学大会在北京召开。中国声学界在准备此会过程中，老一辈声学家马大猷、汪德昭、魏荣爵等一致提议，制作“中国古代声学成就” 录像片在大会上播放。本文笔者是这录像脚本的执笔人。1991 年春天在中国科学院声学研究所的一次讨论会上，马大猷先生指出，《滁州西涧》中的“ 舟自横” 现象与瑞利(Lord Rayleigh，1842—1919) 声盘的原理一致。该盘在声波力偶作用下将发生回转，测其回转角即可求出声场粒子的速度，也即声速。声盘的转动方向与声波传播方向成直角。由是得知，自由的泊舟两端在水波力偶作用下绕其重心旋转，直到水波流动方向与舟体(一般可视为椭圆)长轴垂直时舟即静止不动。后来，这个解释被笔者撰入1994 年版的《中国声学史》中[3]。2006 年，工程力学家王振东先生收集了历史上一些有关“舟自横”的诗词与文学作品，并在《力学与实践》杂志上撰文刊发。该文从力学意义上解释“舟自横”现象。文中指出，椭圆长轴与水流垂直时为舟体稳定平衡[4]。真可谓，古代文儒书生诸多观察，今日理工博士众口解析。
关于镜面反射和镜面对称
铜镜在古代是极为珍贵物品。历代文儒们屡屡将其入诗入画，以抒发情感。本文引几首与科学技术相关的诗。
北周文学家庾信(513—581)《咏镜诗》写道：
玉匣聊开镜，轻灰暂拭尘。光如一片水， 影照两边人。
月生无有桂， 花开不逐春。试挂淮南竹， 堪能见四邻。
这首诗描述了作者对镜的喜爱。他在闲暇时打开玉质镜盒，轻轻地擦拭其表面尘土。铜镜的光亮如同水一般，照镜时影与人分列镜面两端。铜镜明净圆满如同月亮， 却没有桂树；花朵在其镜像中仿欲开放，但不为春天而开。倘使支起一根竹竿，将镜挂于竿的高端，你就能足不出户而看清墙外的动静景致。
宋菲君手绘高悬大镜则照四邻图
早在西汉初期，淮南王刘安(前179—前122)在《淮南万毕术》中曾记述“高悬大镜，坐见四邻”的文字。从刘安到庾信七百年间，对此“悬镜”技术描写不断。但庾信是第一个将此技术入诗的人。
庾信还有《镜赋》一篇，其中文字很可能是中国古代“透光境”的最早描述。古代人所谓“透光镜”，即镜面为不等曲率的平面镜。我们引《镜赋》中一段：
…… 镜乃照胆照心， 难逢难值。镂五色之盘龙，刻千年之古字。山鸡看而独舞，海鸟见而孤鸣。临水则池中月出，照日则壁上菱生。暂设妆奁，还抽镜屉。……
“透光镜”之意是：该镜映日光于白色墙壁(屏)上，在墙面的反射光区中可见镜背之花纹图案。从战国以来，此类镜为历代工匠所制。首次对此镜作出科学的工艺解释的是宋代学者沈括(1031—1095)。庾信《镜赋》可能是最早对此类镜的现象作出描写。它记述了该类镜背面“镂五色之龙盘，刻千年之古字”，又指出此镜“照日则壁上菱生”。“ 壁” 即墙壁( 或屏幕)；“ 菱” 指“菱花”，即镜背图案。宋代陆佃《埤雅》( 一本文字解读著作) 云，“镜谓之菱花”[6]。以镜背菱花称呼铜镜，此后成为传统[7]，如“云雷纹镜”、“蟠螭纹镜”、“八乳钉纹镜”、名称之复杂者有“青龙白虎方格规矩镜”一类。将此类铜镜对日映照，其反射光投于墙面，能在墙面光中见其镜背图案者(即“壁上菱生”)即是透光镜。上引庾信赋中之一段，就是此意。
古代中国学者没有从反射镜中发现反射定律，但关于镜面对称现象却早有记录。萧梁朝儒生王孝礼(生卒年不详)的《咏镜诗》写道：
可怜不自识，终须因镜中。
分眉一等翠，对面两边红。
转身先见动，含笑逆相同。
犹嫌镜里促，看人未好通。
这首诗的意思是： 人不识自己脸面长相，需要用镜子照看。在镜中，看到自己一等翠眉(妇女画眉)、双唇红润；你想转身立即见像先动起来，含笑时左右口角哪边微微上翘，人与像总是“逆相同”的。若嫌照镜窘促，不妨试看与你相同的人，但你会发现，没有一个人会和你完好地相同(“通”借用)。
宋人绘《半闲秋兴图》局部
在这里，“转身先见动，含笑逆相同”，描述的现象正是我们今天常说的“镜面左右对称”，也可谓之“宇称”。
在人们探讨宇称守恒或不守恒的认知历史时，常有人问及，在浩瀚的古籍中为何没有“镜面对称”的描述？王孝礼的《咏镜诗》可代表古人回复也。
关于小孔成像
以“物、孔、屏”三者做成像实验，不难发现：小孔成像如物，大孔成像如孔。从战国《墨经》相关记载到清代晚期，小孔成像构成中国光学史的内容丰富的一章。然而，以诗歌形式描述它，当算萧梁朝沈约(441—513)的《咏月诗》为首。该诗写道：
月华临静夜，夜静灭氛埃。
方晖竟户入，圆影隙中来。
高楼切思妇，西园游上才。
网轩映珠缀，应门照绿苔。
洞房殊未晓，清光信悠哉。
显然这是首描写才子佳人暨洞房初夜的诗。诗人从“月光”的角度切入主题，以至深夜月光入洞房，照到“网轩”(类似夏日蚊帐)和花花绿绿的铺盖(“绿苔”)上；初婚者一夜未觉，任凭月光悠然而去。这首情诗的第二句，却完全是物理现象的真实写照： 月光从门户而入， 光亮如门一样大； 月光从孔隙中来，光亮是圆的。诗作者如实地记下了小孔成像的物理实验的结果，但他未必做过这类实验。他是自然现象的忠实观察者。
晶体的对称性
具有对称性的晶体颇受古人青睐。在本草药物著作中，古代人以对称性作为矿石药物真伪的判断标准，可见古代中国相关知识的丰富。中国科学院物理研究所前副所长陆学善先生在上世纪70 年代中后期曾撰文《中国晶体学史料掇拾》[9]， 这长篇巨著极大地拓展了古代中国物理学史的内容。
在各种晶体中，雪花的对称性最早为中国人所观察到。西汉学者韩婴(生活于公元前2 世纪)在其《韩诗外传》中曾述及，“凡草木花多五出，雪花独六出”[11] 。由此引起后代学者不间断地观察并文字记述之。最早将雪花对称性入诗的，还是北周诗人庾信。他在《郊行值雪》一诗中写道：
风云俱惨惨，原野共茫茫。
雪花开六出，冰珠映九光。
晶体对称性“雪花”图(引自网络http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/)
在西方， 关于雪花的观察记述，是在约公元1260 年才有“星芒状”的文字，直到1611 年开普勒(J. Kepler，1571—1630)方指出它为“六角形”[9]。
庾信该诗中的“冰珠映九光”一句，用现代话说，就是透明晶体(“ 冰珠”) 折射阳光后的色散现象。庾信的观察描述也是确切的。庾信(513—581)，字子山，南阳新野(今属河南)人。初仕梁，后历仕西魏、北周，官至骠骑大将军，开府仪同三司。善诗赋、骈文，为当时宫廷文学代表。史载其“文绮艳”，后进者“竞相模范，每有一文，都下莫不传诵”[12]。《周书》、《北史》有其传。以上所引其《咏镜诗》、《镜赋》和《郊行值雪》三篇，足见其对自然现象的观察极为认真、仔细。
与庾信齐名的文学家徐陵(507—583)在其《咏雪诗》中也描写雪花六重对称性。该诗写道：
琼林玄圃叶，桂树日南华。
岂若天庭瑞，轻雪带风斜。
三农喜盈尺，六出舞崇花。
明朝阙门外，应见海神车。
此诗描绘宫内外下雪情景，其中，“三农”似指“耕、桑、牧”三者，“六出”即是雪花。徐陵在《南史》、《陈书》中也有传。
雨虹形成的气象条件
萧梁朝文学家刘孝威(约490—549)在《和皇太子春林晚雨诗》中指出了雨虹形成的气象条件。该诗如下：
云树交为密，雨日共成虹。
电舒长男气，枝摇少女风。
叶珠垂滴水，檐绳下溜空。
蝶濡飞不飏，花沾色更红。
……
下雨和太阳同时出现，天上才产生虹。于是，“雨日共成虹”一词成后世气象俗语。
罗盘和磁偏角
指南针、罗盘是古代中国人的发明。宋初堪舆家王伋( 约988—1058) 《针法诗》写道：
虚危之间针路
明，南方张度上三乘。
坎离正位人不识，
差却毫厘断不灵。
在这里，“虚”、“危”、“张”是古代以星宿名称表示的堪舆罗盘的方向，它们分别指正北、北偏西、南偏东。在后来的圆形罗盘中，危与张是通过圆心的一直线。“坎”、“离”是以八卦表示的正北、正南方位。《针法诗》记述的指南针方向在“虚危”之间。从图可见，每个文字表示的方位为15°。“虚危之间”可能是指针的指向在其中间，即指向为正北偏西7.5°，也就是指向正南偏东7.5°。堪舆家秘语“张度上三乘”，其意难解。有可能是一种将每一字格再划分的方法。若将其分为三份，每份即5°。因此，“三乘”即3×5°=15°。由是可断定，北宋初年汴京(今河南开封)的地磁偏角约为北偏西7.5°。
古代罗盘(方形)方位的现代(圆形)标示图
以现代知识看，坎离是地理北南极方向，虚危之间是磁北极方向。王伋《针法诗》虽记下这两个方向，并要人们正确识别“坎离正位”，但他决没有地球磁极概念，也不清楚这两个方向何如有异。即使如此，他以一首诗叙述磁偏角却是科学史上难得的作品。
其他诗词
尚有诸多古代诗词表现了物理与其同行，如宋代张耒(1054—1114)《夏日》，有句“落落疏帘邀月影，嘈嘈虚枕纳溪声”。它既描述了小孔成像现象，又述及空腔混响的事实。唐代皮日休(？—838)《呜桹》描述了渔民捕鱼情景：众多渔船圈围湖面，同时敲打船尾桹木；于是，“ 鷺听独寂寞， 鱼惊昧来往”。大量的鱼在此噪声中翻躺水面，渔民丰收歌归。下面一首，描写的是西北火焰山情景，但其诗句含义，读者不妨展翅想象。
唐代岑参(714—770)《经火山》：
火山今始见，突兀蒲昌东。
赤焰烧虏云，炎氛蒸塞空。
不知阴阳炭，何独烧此中。
我来严冬时，山下多炎风。
人马尽汗流，熟知造化功。
诗中“火山”，即火焰山，今吐鲁番盆地。“蒲昌”，今新疆鄯善县。岑参不明此处何如热至如此，“不知阴阳炭，何独烧此中”，并讯问“熟知造化功”。试想我国原子弹、氢弹在西北荒漠试爆成功情景：赤焰烧云，炎氛蒸空。原子弹爆炸是否也是“阴阳炭”在其内“燃烧”？2008 年10 月12 日，在中国科学院理论物理研究所召开“量子力学在中国研讨会暨彭桓武先生铜像揭幕仪式”。笔者应邀在会上作了个“二十世纪上半叶量子物理在中国”的报告。报告尾声展示这诗，以表达笔者对彭桓武先生和两弹一星功勋们的敬意。会后，尚有多人索要此诗。
参考文献
[1] 丁福保编.全汉三国晋南北朝诗(下册)全梁诗卷下. 北京：中华书局，1959. 957
[2] 王重民辑.敦煌曲子·浪淘沙(修订本). 北京：商务印书馆，1956，31；季镇雄等. 历
代诗歌选. 北京：中国青年出版社(第三册)，1980，710
[3] 戴念祖. 中国声学史.石家庄：河北教育出版社，1994. 50—51
[4] 王振东. 力学与实践，2006，3：83
[5] 唐欧阳询撰，汪绍楹校. 艺文类聚卷七十·服饰部下·镜.上海：上海古籍出版社，1985. 1226
[6] 唐欧阳询撰，汪绍楹校. 艺文类聚卷七十·服饰部下·镜. 上海：上海古籍出版社，1985. 1227
[7] 郑复光.镜冷痴卷五·透光镜；徐康.前尘梦影录(卷下)；戴念祖. 中国物理学史大系·光学史. 长沙：湖南教育出版社，2001. 206—207
[8] 唐欧阳询撰，汪绍楹校. 艺文类聚卷一·天部上·月. 上海：上海古籍出版社，1985.8
[9] 陆学善. 科技史文集(第12 辑). 上海：上海科学技术出版社，1984.1—34。此文在陆学善先生(1905—1981)逝世三年后发表，物理学界对该文知之甚少
[10] 欧阳询撰，汪绍楹校. 艺文类聚卷二·天部下·雪. 上海古籍出版社，1985.23
[11] 庾信. 庾子山集卷四·诗. 四部丛刊·集部
[12] 李延寿. 北史卷八十三·庾信传.北京：中华书局. 2793
[13] 欧阳询撰，汪绍楹校. 艺文类聚卷二·天部下·雪. 上海古籍出版社，1985. 24
[14] 欧阳询撰，汪绍楹校.艺文类聚卷二·天部下·雨. 上海古籍出版社，1985. 29
[15] 清康熙赦辑，古今图书集成·艺术典卷655·夤考五
[16] 施丁，周用宜主编. 山河壮丽(唐诗书画新编). 北京：团结出版社，2006.7
本文选自《物理》2014年第10期