中国科学技术史中的力学

中国科学技术史中的力学

曹聪曹聪（（096150020）

摘要

我国著名科学家傅鹰说：“一门科学的历史是那门科学最宝贵的一部分，因为科学只给我们知识，而历史却能给我们智慧。”我国是世界上五大文明古国之一，早在五千年前就有文字，在春秋战国后更有大量文献留存至今。在世界力学发展史上独居特色。从单位计量到时空观，从流体力学到材料力学，从力学应用到力学见解，无不透露出古人的智慧和力学成就。尤其是力学在建筑，日常用具等应用中更是比比皆是。但是总的来说，力学知识一直停留在应用上，宋元以前的理 论较多，但也多为说理，没有数学证明且少有实验支撑理论，宋元以后理论也一直落后于西方。然而古代人在力学上所做的努力是不可磨灭的。

一、 基本的物理计量

力学，作为一门研究空间与时间中物体运动和变化的实验科学，离不开计量及其单位。在古代的贸易交换、天文历法、机械制作和工程兴建中，也离不开具有某种度量制度的测量计算。中国古代把对长度、容量与重量的测量概括为“度量衡”。现代力学计量包括时间、长度、质量三个基本物理量。

1、时间的计量时间的计量

古代常用的计时单位是年、月、日、时、刻，其中日和时为最基本的时间单位。是为时辰，刻为时以下的时间分度。早在上古时代我们的祖先就创造了干支记日的方法。以春秋时期鲁隐公三年（前722）二月已巳日直到宣统三年（1911），

我国已有二千六百多年的干支记日历史，是世界上最长的连续记日法，保存了世界上最长也最完整的记日资料。（1）除了干支记年外，为了避免发生混乱，日常生活中还同时使用着另一种数字计时方法。目前发现最早的数字记日是1972年山东临沂银雀山出土的西汉竹简历谱。（2）

对一日之内时间的精确划分，古人采用十二时辰记时法。一日分12辰，一辰相当于现代的2小时。有的研究认为十二时辰是由太阳在天空中的十二个方向演化而来的。（3）十二时个时辰与当今通用的二十四小时记时法有相应的地对应关系，子时对应23~1点，以此类推。大约从东汉开始，将一个时辰中加入少、半、太三个时标。（4）这样的记时法于今日的二十四小时记日法已经没有本质差别。与十二时辰记时法并行使用的还有百刻时制。百刻时制又称漏壶记时制，即采用日晷或漏壶将一昼夜划分为十时，一时分十刻，一昼夜共一百刻。百刻制是我国独创的一种计时方法，它可能起源于殷商时期。隋唐以后百刻制与十二时辰制配合使用，在这种时制中，“刻”平均相当于今天的14.4分钟。（5）宋代又将一刻分为60等分，1/60刻即相当于今天的14.4秒。

根据不同的计时方法，测时仪器也有多种多样。他们分别是圭表、日晷、漏刻、机械计时器。最值得一提的是圭表，圭表实际上是用来测量子午线的。古代中国人测量地球子午线的直接动机是为了验证历代传说的“日影一寸，地差千里”。（6）对此提出质疑的隋代刘焯曾主张进行实地测量。随后历代出现许多实地测量的案例。最著名的是唐代的测量，其结果与今值有较大误差。虽然如此，它却是世界上最早对地球子午线作出的实际测量，也是计量科学上第一次将人为规定的日常用尺和另一个自然地恒定数值作比较的尝试。

度量衡

2、度量衡

度量衡即是计量长短、容积、轻重的标准的统称。度是计量长短，量是计量容积，衡是计量轻重。多数观点认为早期度量单位的形成是选取某些自然物品，如人体、丝毛、农产品等为衡量基准。因此，早期的度量单位显得杂乱无章。

纵观度量衡发展史，秦汉史一次重要转折。春秋战国年间的度量衡十分混乱，秦始皇统一中国后，在商鞅变法的基础上推行统一度量衡的措施：“一法度量衡石丈尺，车同轨，书同文字。（7）”显然，秦汉时期的度量衡已经制度化，标准器也趋于定型。特别需要强调的是其长度与容量单位基本采用了十进制，还没有一个国家像中国一样就，早在公元前后就将先进的十进制进位数字方法引入度量衡的换算之中。李约瑟对此曾给予高度评价。他说：“在各个文明古国当中，中国人在这方面是独一无二的。就其把十进制引进到度量衡中而言，他们尤其先进。因此正如萨顿所说，欧洲一直到法国大革命的时候才开始这样做。（8）”

寻求自然常数的努力

3、寻求自然常数的努力

前面已经提到了古代中国人用圭表测定子午线长度这一寻求自然常数的努力。另一件关于寻求自然常数的努力是以声波作为度量衡标准。从汉代开始，有人提出，某种特制的律管可以作为度量衡的标准。（9）律管，亦即管式音高标准器。它一端为吹口，另一端为开口，中间无音孔。在古人看来，聪耳人对于音高的感觉灵敏，律管一律定下，其度量衡也随之不易。因此可以作为标准器。用声音的高低来确定度量衡这一创举是非常先进的，直到近现代用一个物理量简单明了地测量表示另一个物理量才得以应用推广。

一、时空观和运动观

时空观

1、时空观

时间，空间是物理学中两个带有根本性的普遍观念，自古以来就是哲学家

和科学家十分关注和争论不休的的问题。在中国古代，宇宙的含义就是时间和空间。西汉成书的《尸子》中记载了战国时期的尸佼对空间和时间的定义：“四方上下曰宇，往古今来曰宙。”（10）类似的表述在《墨经》中也可见。

中国古代认为时空是无限的，对时间的空间的有限性与无限性的统一关系也有精彩的论述。庄子曰：“天与地无穷”，张衡说“宇之表无极，宙之端无穷。”（11）中国的时空观，虽无近代物理学中的数学式，但是已经发展到了登峰造极的地步。他远离牛顿的经典力学时空观，而接近相对论看法。（12）

运动观

2、运动观

对于机械运动，《墨经》有专门的记载，并对“运动”和“静止”观下了定义。《经上》：“动，域徙也。”《经上》：“止，以久也。”（13）就是说，运动即是物体空间区域与位置的变动，静止是指物体在空间同一位置上处有一段时间。对于平动，定义为“但（俱）止动。”即物体上各处作同样运动。而转动则是“偏祭（际）徙”即指边沿部分的转动。（14）关于滚动，《考工记·轮人》及《墨经》上皆有记载意思是为环边上每一点相继与地面接触，也就是我们现在说的与地面相切。对于自由落体运动，《墨经》中有所描述，虽没有数学验证，但它没有产生轻重不同的物体不同时落地的思想观念。

古人关于运动观最具特色的是关于运动相对性的研究，并得到了类似于后来伽利略的运动相对性原理。在东汉时期成书的《尚书纬·考灵曜》中记述了：“地恒动而人不知，譬如人在舟中闭牖而坐，舟行而不觉也。”（15）这里不仅明确的道出了大地在运动，而且揭示了这样一个原理：在一个惯性系统内，无法用任何力学实验来确定它处于静止或匀速运动。这就是著名的伽利略运动相对性原理。这种对运动相对性的观点，《考灵曜》比伽利略的对话至少早约1500年。此观点说明我国古代物理思想达到过的高度。

古人对其他运动也有相关记载或应用，这些运动与应用有角速度概念的萌