宋代物理学

宋代是中国古代物理学发展的全盛时期。这一时期，农业生产水平的提高，大规模工场的兴起，多种多样手工作坊的设立，海上交通的发达，都为物理学的发展提供了极为重要的物质条件。宋代物理学，不仅取得了像指南针、火药这样具有深远世界影响的重大成就，而且力学、光学、声学、热学、电学、磁学等方面的具体知识也得到了广泛应用和深入发展。这些成果为后世物理学的发展与进步奠定了坚实的基础。

力学方面　宋代力学知识被广泛应用于各个领域。其中，最具成果的是车辆机械的制作。前代虽已有关于指南车与记里鼓车的记载，但大多语焉不详。实际上，制作技术已失传。及至宋代，方重新创制此二车。指南车为指示方向的双轮独辕车，其依车轮、平轮、立轴等各齿轮的复合运动，来达到指向之目的;记里鼓车则为道路记程车，其车轮带动大小各异的一套齿轮，由此进行长远距离的路程计量。此类复杂车辆机械的制作表明：宋代有关齿轮转动的力学知识及技术，已相当丰富和娴熟。宋代将力学知识应用于机械制作的另一项伟大发明，则是被称之为“天衡”的一组杠杆装置，它由苏颂、韩公廉等在制造“水运仪象台”时所创制。该装置能有效地控制以漏水为动力的枢轮的转动，其作用相当于现代钟表中的锚状擒纵器(俗称卡子)，是中国古代首创的一项技术发明。

流体力学在宋代有两项重要的发明。其一为液体比重测定计，即依莲子、鸡蛋或桃仁的沉浮情况来测定盐卤的比重，并判定其是否有煎烧价值。此为现代液体比重计的雏形。其二为表面张力演示仪，由细竹篾制成，是通过对液体表面张力所产生的物理效应的观察，来检测液体(桐油)纯度的。而有关大气压力与浮力应用等，宋代史籍也时有记载，如“唧筒”器具与“高山引水”装置，均是利用大气压力进行工作的，其功能类似于现代的真空抽水泵;宋代浮力应用的典型实例，则是僧怀丙用浮船打捞沉落江中的万斤铁牛，其“舟浮牛出”的“起重之法”是现代起重浮艇原理的最早应用。

光学方面　较之前代，宋代光学亦有很大发展。成就最著者当推北宋沈括。他首次用“银丸”类比演示实验，形象地演示了“月亮盈亏”的现象，证明了“月本无光”、“日耀之乃光”的科学道理;又用“鸢影东西”的小孔成像实验，证明了“光沿直线传播”的特性;对雨虹等自然光学现象，他也进行过实地考察，并作出合理解释。尤为突出的是，他对各类镜子均作过细致研究，颇有建树，如他所作的凹面镜成像实验，不仅揭示了凹面镜成像同物体与镜面间距离有关，而且促进了近代光学焦点(“碍”)的发现，同时，也成为粗略测定凹面镜焦距的一种方法。

宋代光学进步还表现在色散知识有了进一步丰富与发展。杜绾《云林石谱》对晶体(石英)的色散现象作了细致描述：“映日射之有五色圆光。其质六棱，或大如枣栗，则光采微芒;间有小如樱珠，五色粲然可喜”。而程大昌《演繁露》则对“露滴分光”现象作了更加细致的描述，并接触到色散的本质问题：“日光入之(露滴)，五色具足，闪烁不定，是乃日之光品著色于水，而非雨露有此五色也。”这是中国古代学者对光的性质(“光品”)的早期明确阐述之一，标志着宋代对光的认识已进入一个新阶段。

声学方面　沈括对宋代声学进步亦有诸多贡献。他在研究古乐钟形状后，就其音响效果作了精辟分析，指出：圆形钟音长、有哼音(“曲”)，于快速节奏中声波相互干扰、不成音律;而扁形钟音短、无哼音(“节”)，故可用于演奏。此论不仅符合现代科学认识，而且也为现今出土的古代乐钟(如编钟)所佐证。对于声的共振，沈括用琴瑟、纸人等简单器具做了“正声”实验，证明了弦线的基音与泛音的共振关系，比欧洲人的“纸游码”实验要早几个世纪;另外，对“矢服”的气柱共振现象，沈括也作了研究，并将其解释为“虚能纳声”。

而有关声学知识的应用，宋代最突出的莫过于古琴制作。沈括在总结前代制琴经验的基础上，对制琴桐木质地与其发音特点作了细致研究，指出：“琴材欲轻、松、脆、滑，谓之‘四善’，木坚如石，可以制琴，亦所未喻也。”南宋赵希鹄也认真探讨了古琴等乐器的声学技术问题，其所著《洞天清禄集》对制琴桐木质地与其发音的关系，亦有详尽描述;为了使发声低微的古琴有较大音响，他建议修建“弹琴之室”，并对此“古代音乐厅”的设计写下具体构想。此外，南宋蔡元定对乐律方面也有创见，其于十二律之间加入六个变律，从而使音程计算更加便利。

热学方面　作为具有世界意义的四大发明之一的火药是宋代热学最杰出的成就。唐末战争中已使用火药制成的燃烧式兵器，宋代政府设有火药武器的作坊。北宋曾公亮所编《武经总要》记载了世界上最早的三种火药配方，其配方已脱离了初始阶段，各种药物成份有了比较合理的定量配比，并在制造与使用过程中不断改进。火药广泛应用于军事领域，各种火药武器相继出现。以火药喷射推进的火箭，至少在十三世纪初叶就已发明，并在战争中得到应用。

宋代有关热学知识的应用，还有二项重要的发明：其一为“影灯”，亦称燃气灯、走马灯，是一种利用热冷空气的对流，来推动立轴并带动纸剪人马旋转的装置，它能使人看到运动的影象，其原理与现代燃气涡轮机一致。其二为“火寸”，是一种燃火用具，宋代陶焚《清异录》首次记载了此“原始火柴”的制作方法。

电、磁学方面　宋代对雷电有了进一步科学的认识。沈括《梦溪笔谈》记录了雷击现象：处于雷电通路上的金属物质(刀)全被熔化，而皮革(鞘)则完好无损。庄绰《鸡肋编》也载：在南雄州福慧寺普贤像遭雷击时，佛身上凡金属彩色全被消蚀，而其余色彩则依然如故。其后还有大量同类记载，它促进了人们对金属物质(导电体)与非金属物质(绝缘体)各自特性的了解。而有关静电感应现象，宋代张邦基所著《墨庄漫录》作了记录：“孔雀毛箸龙脑则相缀”，并认为是“物类相感然也”。

磁学则是宋代物理学发展的重要方面，在人工磁化方法和磁针使用方法两方面，均获得重大进展，促进了具有世界意义的指南针的发明与应用。曾公亮《武经总要》和沈括《梦溪笔谈》，分别记叙了两种人工磁化法：即“指南鱼法”和“磁石摩擦法”。前者标志着由天然磁石的运用向人造磁体应用的过渡，而后者则为后世具有实用价值的磁体指向仪的出现，创造了重要的技术条件。有关磁针装置方法，沈括在亲自观察、试验的基础上，对当时流行的“四法”即水浮法、指甲旋定法、碗沿旋定法和丝悬法，进行了优劣比较，指出：丝悬法“最善”。随着磁针装置方法的不断改进和水、旱罗盘的相继出现，指南针逐渐被应用于航海，北宋朱?《萍洲可谈》对此首次作了明确记载：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”人工磁化法的发明和指南针的广泛应用，促进了磁偏角与磁倾角的发现，《梦溪笔谈》和《武经总要》对此分别作了记载，此为宋代磁学的又一大贡献，比欧洲的类似发现要早几个世纪。

宋代在力学、光学、声学、热学、电学、磁学等诸方面，均获得长足的进步，从而成为中国古代物理学发展的全盛时期，也为宋以后物理学的进步提供了必要的前提、奠定了坚实的基础。