民眾大舞台——風俗世情

2. 小孔成像的實驗

　　光線沿直線傳播幾乎是一個淺顯的常識了。然而， 怎樣驗證它， 就要設計一個――不管是多麽簡單的――實驗來加以驗證。世界上最早作出這個實驗的科學家是中國人， 他們是戰國時期的墨家學派。

　　墨家的科學家在牆壁上鑿了一個小孔， 當陽光照射進去， 物體形成的像投射在屏幕上可以形成一個倒像。原因是， 這個小孔的直徑很小。後來人們又設計了一個實驗來驗證。

　　當屋外小孔前方站著一個人， 陽光照射這個人， 通過小孔在屏幕上形成顛倒的人像。這是因為光線經過小孔發生交錯。足部遮住下麵的光形成的影子在屏上部； 而頭部遮住上麵的光， 形成的影子在屏下部。

　　這樣的實驗看似簡單， 實際上並非完全如此。首先， 實驗的時間隻能選在早晨和黃昏， 站在小孔與太陽之間的人離小孔的距離差不多應有200 米。

　　到了宋代， 沈括也做了一個小孔成像實驗， 不過他的設計更加巧妙。沈括在窗戶上捅了一個小孔， 並用一個風箏做實驗。他發現， 風箏在東， 經小孔形成的像在西； 而風箏在西， 經小孔形成的像在東。沈括還發現， 樓和塔經小孔也會形成一個倒像。

　　為什麽會形成倒像呢？ 沈括也進行了分析。他認為， 關鍵在於窗紙孔要盡量小， 這個孔的作用就像陽燧( 銅製的凹麵鏡) 的焦點一樣。

　　南宋時的趙友欽雖為皇室後裔， 但南宋末戰亂不已， 他為了避禍就隱居起來。趙友欽十分喜歡研究天文、數學和《周易》， 他對光學也有研究， 其中最為有名的還是小孔成像的係列研究。

　　首先， 趙友欽發現， 日月都是球形的， 小孔雖然不圓， 但形成的像卻都是圓的。這在觀察日食變化時是很明顯的。此外， 他還觀察了孔徑和屏幕距離變化時對像的濃淡變化的影響。

　　趙友欽還認識到， 以日、月為光源來研究成像規律是有局限性的。為此， 他設計了新的實驗以彌補原來的缺陷。

　　新的實驗有一個大型的裝置( 圖1) ， 它是在一間房中分隔成兩個部分， 並各有一口徑為4 尺多的井， 深度分別為4 尺( 右) 和8 尺( 左)， 左井內還放置了一張高為4 尺的桌子。實驗用光是由若幹蠟燭提供的， 即兩塊直徑為4 尺的圓板， 上麵插有1000 多支蠟燭。井口蓋有井蓋， 中心處開有小孔。上部的樓板兼作像屏。

　　新設計的裝置， 使用的光源具有較好的穩定性， 不同深度的井可以調節物距。趙友欽仔細地做了實驗， 並得到了很好的結果。

　　趙友欽的光學實驗規模之大， 在當時堪稱世界之最。小孔實驗除了可以說明光線是沿直線傳播的， 它也具有很重要的應用價值。例如： 元代著名天文學家郭守敬為了編製《授時曆》， 建造了圭表， 以測日影。表杆很高， 這樣投射的影子， 其表端常常變得模糊不清， 並且造成了較大的誤差。郭守敬消除這種誤差的辦法是， 他在圭麵上加了一個小部件。這個小部件是一片可以調節傾角的小銅片， 銅片中間有小孔。這個小銅片在圭麵上移動， 使太陽、橫梁、小銅片在一條直線上。這樣， 恰好使太陽的像投在圭麵上。這個像是小而清晰的像， 可以保證讀出準確的杆影長數據。

　　從墨家到趙友欽的1700 餘年間， 關於小孔成像的研究， 到郭守敬終於結出了果實。