中国古代物理学-刻舟求剑

中国古代物理学-刻舟求剑

船、河岸与水三者之间谁在运动？天与地、月与云谁在运动？这是古代人最关心的运动学问题。这里同时涉及参考坐标与相对运动两方面的问题。船、河岸与水三者谁在运动的问题，几乎同时困扰了古代东西方的哲人。亚里士多德曾经提出，停泊于河中的船实际上处于运动之中，因为不断有新水流与该船接触。“不能同时踏进同一条河”的命题就是由此而来的。古代中国人以自己的思考方式回答这些问题。晋代天文学家束皙〔xi西〕说：乘舟以涉水，水去而船不徙矣。(《隋书·天文志》) 这个立论方式恰恰与亚里士多德相反。束皙认为，这动着的船实际上是不运动的。如果过江时保持船与河岸的垂直状态，船与河床的相对位置就不改变。将参考坐标取在过江线或河床上，这时就得出“水去而船不徙”的结论(图2-10)。另一种看法是，任船与水同速漂流，将参考坐标取在整个水流上，船对于水也不发生位置移动。图2-10 船过江示意图船C从A点过江，它总是在两岸的AA'线上，而水流B却随时在改变它与AA'线的相对位置。从物理学看，决定空间位置或运动与否必须有一个参考系。否则，就会“西家谓之东家，东家谓之西家，虽皋〔gao高〕陶〔古音yao腰〕之理，也不能定其处”(《淮南子·齐物

训》)，连古圣皋陶都不能断其是非。不清楚参考坐标的人，就像“刻舟求剑”一样胡涂。刻舟求剑的故事原出于战国末期吕不韦(？-公元前235年)主持编纂的《吕氏春秋》，至今读起来还脍炙人口。它所包含的物理意义是极其深刻的。该故事说：有一个楚国人乘船过江，他身上的佩剑突然掉落江中。他立即在船舱板上作一记号，对其船友说：“这是我的剑掉落的地方。”到了河岸，船停了，他就在画记号的地方下水取剑。“舟已行也，而剑不行。求剑若此，不亦惑乎？”(《吕氏春秋·慎大览·贵因篇》)如此求剑，不是犯胡涂吗？从故事编纂者的口气来看，他是知道如何才能找到掉落江中的剑。从物理角度看，找到这把剑落水的位置有两种办法：一、记下掉落位置离岸上某标志的方向和距离。这就是说，以河岸作为参考坐标。二、在船不改变方向和速度的情况下，记下剑掉落时刻、船速与航行时间，据此求出靠岸的船与剑掉落地点的距离。这就是说，以船作为参考坐标。至于真正找到这把剑，还得考虑水流、浮力等其他因素。参考坐标选取适当与否，对解决运动学和动力学中的问题是很重要的。在相对运动中，选取不同的坐标就有不同的运动结论。古代人常说：“仰游云以观，日月常动而云不移”(《隋书·天文志》)，“见游云西行，而谓月之东驰”(《抱朴子·内篇·塞难》)。而在行船舱板上人们感觉的是，“不疑行舫动，唯看远树来”(南

朝梁元帝诗《早发龙巢》)，“看山恰似走来迎”(《敦煌曲子词集》)。由于参考坐标的关系，原来不动的物体都成为运动的了，这是不足为怪的。令人惊奇的是，这些极为典型的相对运动的事例，很早就成为中国文人笔下的力作佳句。然而，古代人在判断“天”与“地”的相对运动时，并不像上述事例那么简单明了。在古代人看来，“天左旋，地右动”(《春秋纬·元命苞》)。也就是，以天上星体的东升西落(左旋)来证明地的右旋运动。汉代王充提出了另一种看法：日月星体实际上是附着在天上右旋运动的，只是因为“天”的左旋运动比起日月星体来要快，因此才把日月星体当成左旋。这种情形就像蚂蚁行走在转动着的磨上，人们见不到蚂蚁右行，而只看见磨左转，因此以为蚂蚁也是左行的(《论衡·说日篇》)。我们暂且不管“天”是什么，是否在运动，仅从物理学角度看，王充等人的思想是高明的。他们不仅看到了相对运动，而且还企图以相对速度的概念来确定运动的“真实”情况。在历史上，许多人参加了这场左右旋转的争论。迄至宋代，由于理学大师朱熹的名气，他所坚持的“左旋说”又占了上风。这场争论，长达2000余年。直到明代，伟大的科学家朱载堉作出物理判决之后，还争论未了。朱载堉说：左右二说，孰是耶？曰，此千载不决之疑也。人在舟中，蚁行磨上，缓速二船，良驽二马之喻，各主一理，似则皆似矣。苟非凌空御气，飞到日月之

旁，亲睹其实，孰能辨其左右哉？(《律历融通》卷四)

天与地、人与舟、蚁与磨、快慢二船、良驽二马，如果没有第三者作参考坐标，就很难辨明它们各自的运动状态。物理学上对两个彼此作相对运动的物体A和B，既可以看作A动B不动，也可以看作B动A不动。这两种看法都有效。若要争论它们的运动方向或谁动谁静，那真是“千载不决之疑”。朱载堉的回答完全符合运动相对性的物理意义。然而朱载堉不明白，即使飞到日月旁，也不能辨其左右，而只能回答“似则皆似矣”。以相对运动的观点来解释天、地的运动，在古代的东西方都是一致的。但像朱载堉那样对相对运动作出物理判决的人，在伽利略(公元1564-1642年)之前找不到第二位。要解决地静还是地动的问题，关键是要提出令人信服的证据证明地动的不可觉察性，这样，才能牢固地确立地动的观念。完成这任务，在近代物理学史上是伽利略的功劳。然而，古代中国人却从经验事实中总结出这一伟大的发现。早在汉代成书的《尚书纬·考灵曜》写道：地恒动不止，而人不知。譬如人在大舟中，闭牖〔you友〕而坐，舟行而人不觉也。关闭的船舱，在物理学著作中被看成是最普通、最易被理解的近似的惯性系统。在一个封闭的惯性系统内，无论什么样的力学实验都不能判断该系统是处在静止状态、还是在作匀速直线运动。这个原理又称为伽利略相对性原理。可

是，在伽利略之前约1500年，中国人就提出了这个原理的最古老的说法。这是中国科学史上最伟大的理论成就之一。