赵友钦:鸡鸣山两井,千烛验小孔成像

宋末元初,浙江龙游的鸡鸣山上,有位隐居的读书人在山腰凿了两口井,在井边点燃上千支蜡烛,仰头看天花板上的光斑。他叫赵友钦,一说名敬,字子恭,号缘督,人称缘督先生,鄱阳人,约生于宋末,主要活动在元代前期。他的生平后世传说很多,夹杂着不少道教神仙色彩,连籍贯、隐居地也有不同的讲法,可靠的细节有限,这里只能写约,不替他铺陈神异。

去掉传说的部分,赵友钦是一位认真的天算和光学研究者,著有《革象新书》,今天传世的五卷本,是明代学者王祎等人删订过的本子,原书的卷次和面貌已不能完全还原。书中最受近代学者看重的,是小罅光景一节所记录的一组大型、系统的光学实验。所谓小罅,就是墙上或板上的小孔;所谓光景,就是小孔投出的像和影子。

实验的布置很费心思。他在鸡鸣山的地面凿出两口深浅不同的圆井,井底各放一块圆板,板上密密插上上千支蜡烛,作为可以增减的光源;井口盖上中央开孔的板子,孔的大小可以更换;再在井口上方架起平板,当作承接光斑的像屏。随后他一项项改变条件:有时点燃全部蜡烛,有时只点东半边或西半边的几支;有时换上小孔,有时换上大孔;有时把像屏放高放远,有时压低移近,反复观察屏上光斑的形状和明暗怎样随之变化。

经过成系列的对照,他得出明确的结论:孔小的时候,屏上光斑的形状总是和光源一致,与孔是什么形状无关,所以日食时地上的圆斑也会缺一块;孔大到一定程度,光斑才跟着孔的形状走。他还指出,像屏离孔越远,光斑越大却越暗,并且对物距、像距和照度强弱的关系作了定量的讨论,结论与后来欧洲学者关于小孔成像的研究可以互相印证。这组实验变量明确、步骤连贯,是中国古代实验光学的代表性记录,我们用「大型、系统」来形容它,而不轻率使用「世界最早」一类没有限定的说法。

《革象新书》里,他还用浅近的比喻讲解恒星测量、岁差、日月食的道理,比如用干舟、湿舟之类的譬喻说明天体运行的差别,力求让没有多少学问的人也能看懂,主张既要读书推求,也要亲手试验,反对悬空说理。他去世后,学问由弟子续传,这部书后来收入《永乐大典》,清代又收入《四库全书》。近代以来,科技史学者重新整理这组实验,给予很高评价。凿井的细节可以存疑,神仙家的传说可以不论,板上那上千支明灭的蜡烛和屏上移动的光斑,却实实在在地留在了书页里。

❝烛在阱中,像随屏远近而大小,故知形光之理不可臆断。(大意)❞