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第10章 大气光象

对于大气光现象的观测,是我国古代光学最有成就的领域之一。早在甲骨文中就有关于虹、霓、晕等天象记载,至周代,就有了任务明确、组织严密的官方观测机构,积累了“十煇”等大量天象资料,其中不乏有价值的光学史资料。下面介绍虹、海市蜃楼、视差与蒙气差等。

我国在殷代甲骨文里就有了虹的记载,当时把虹字形象地写成,在周代的上半期,即公元前1066至前403年间,我国劳动人民已经有了这样一条经验:早晨太阳升起时,如西方出现了彩虹,天就要下雨了。《诗经》就记载说:“朝隮于西,崇朝其雨。”战国时期的《楚辞》里,记载虹的颜色为“五色”。东汉蔡邕在《月令章句》一书中,也说到虹的生成条件及其位置规律。他说:虹是生成于和太阳相对方向的云气之中,没有云就不会见到虹,但阴沉天气也不会形成虹。这些说法,尽管是十分表面的,但基本上是正确的。先秦时代,还有人企图以当时的阴阳哲学理论去解释虹的生成。《庄子》里说:“阳炙阴为虹。”我们知道,虹的生成条件是阳光和水滴群。在阴阳理论里,太阳属阳,水属阴,把阳光照射水滴,说作是“阳炙阴”,是能够自圆其说的。当然,这并没有说到色散的本质上来。不过也可以看到,古人对待科学问题具有独特的思想方法。

到了唐代,人们对于虹的认识就大大前进了一步。当时已经知道虹是太阳光照射雨滴而生成的。孔颖达(574~648)写的《礼记注疏》中,在《月令》“虹始见”条下就记载说:“若云薄漏日,日照雨滴则虹生。”这里已粗略地揭示出虹的成因。当然,跟现代严密而完整的解释相比,尚有较大的距离。但在1300多年前就能提出这样的解释,实在是足以自豪的。在欧洲,英国科学家培根(1214~1294)最先发现虹是由太阳照射雨滴反射而成的,比起我国来迟了600多年。至于比较严密的解释,直到17世纪才提出来。

还应特别提到的是,我们祖先非但最早对虹的成因作出了解释,而且创造过一个“人造虹”的实验。我们知道,当山间瀑布下泄,水珠四溅,日光照射,即成七彩,犹似虹霓之状,这是人们所容易发现的。唐初诗人张九龄的《湖口望庐山瀑布》诗中就有“日照虹霓似”之句。在这种现象启发之下,使人们想到能不能人为地造成虹霓之状呢?唐代张志和写的《玄真子》(公元772年前成书)一书中就记载说:“背日喷乎水成虹霓之状。”意思是说,背着太阳向空中喷水,就可以看到虹霓现象。这个实验确实是很有意义的。这是人们有意识进行的一次白光色散实验,它直接摹拟了虹霓现象,不但可以验证关于虹的成因的解释,而且给了历史上关于虹的种种迷信邪说以毁灭性打击。唐以后,不断有人做这个实验。比如宋代蔡卞,他在《毛诗名物解》里记载说:“以水喷日,自侧视之,则晕为虹霓。”这里的“自侧视之”,确实指出了观察要领,是很正确的。

除了虹霓以外,还有许多色散现象,在唐宋前后不断被发现并记载下来。这不但丰富了人们对色散的认识,而且有助于对虹霓成因的解释。首先,人们深入观察了单独一个水滴的色散现象。南宋时代程大昌在《演繁露》一书中记载着一个很有趣的现象。他说:“凡雨初霁,或露之未晞,其余点缀于草木枝叶之末,欲坠不坠,则皆聚为圆点,光莹可喜,日光入之,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。”就是说,当雨过天晴或露水未干的时候,沾于树枝草木之端的水滴,由于表面张力的作用,总是结为亮晶晶的圆珠之状。仔细观察其中一个小水珠,在日光照射之下,可以显出五颜六色,这就是白光经过水珠折射反射之后的色散现象。程大昌能够仔细地深入观察这种现象,是很难得的。更重要的是,他从中得出的结论是很科学的。他说这种颜色,不是水珠本身所有,而是“日之光品著色于水”。这就指出了太阳光之中包含有数种色光,经过水珠的作用可以显出五色来。这可以说接触到了色散的本质问题。应当指出,搞清楚单个水滴的色散现象,为解释水滴群映日成虹现象提供了更扎实的基础,其意义显然是很大的。

另一方面,我国从南北朝时代开始,就发现了某些结晶体的色散现象。那时的著作《金楼子》里记载着一种叫君王盐或玉华盐的透明自然晶体,“及其映日,光似琥珀”。“琥珀”颜色呈红、黄、褐诸色,就是说白光通过晶体折射后呈现出几种色光来。这是关于晶体色散的最早记录。后来记载这种现象的就更多了,什么“菩萨石”、“放光石”之类,都能够看到“日中照出五色光”的现象;有的还直接写作“日照之,成五色,如虹霓”。但在北宋以前对这种现象不大了解,所以有一些不切实际的说法,例如北宋的杨亿,一方面正确地记录了峨嵋山“菩萨石”的“日射之,有五色”的现象;另一方面却又认为那是因为峨嵋山有“佛光”的关系,这当然是不对的。南宋的程大昌批判了这个错误。他根据“此之五色,无日不能自见”的事实,指出这并“非因峨嵋有佛所致也”。依他的看法,菩萨石的作用与小水珠的作用是一码事,同是“日之光品著色”的结果。这才是正确的解释。

从上面简单的介绍可以看到,我国古代对于虹的色散本质有相当深刻的认识,对于色散的现象有很多发现。明代科学家方以智在《物理小识》里,对这许多知识作了总结性记载。他说:“凡宝石面凸则光成一条,有数棱者,则必一面五色。如峨嵋放光石,六面也;水晶压纸,三面也,烧料三面水晶亦五色;峡日射飞泉成五色;人于回墙间向日喷水,亦成五色。故知虹霓之彩,星月之晕,五色之云,皆同此理。”他不但全面罗列了各种各样的色散现象,包括自然晶体的色散(峨嵋放光石),人造透明体的色散(水晶压纸和烧料水晶),水滴群的色散(峡日射飞泉与向日喷水);更重要的是能够指出虹霓现象和日月晕、云彩等现象是相同的道理,都是白光的色散。

明代中期以后,我国对于色散的研究,又是一番情况。西方近代科学家渐渐输入,比如意大利传教士利玛窦(1552~1510年)来华,就带有三棱镜,并作过色散表演。后来我国一些学者努力翻译外国自然科学著作,其中也有色散方面的知识。但那些介绍往往不很正确,甚至清代科学家郑复光著的《镜镜詅痴》,其中对色散的论述也是不大明白的。我国最早正确介绍近代色散知识的是张福僖(?~1862)翻译的《光论》(1853年)。这本书对于棱镜的分光、折光、光的合成和色盘等均有所阐述,并以白光在水滴中的折射、反射发生色散的道理,去解释虹的成因,书中又以虹为实例来证明白光可分为七色。这样,使得人们的色散知识更加完整了。

海市蜃楼

海市蜃楼,亦称“蜃景”,是光线经过上下差异很大的空气层,发生显著折射与全反射时,把远处景物显示在空中或地面的奇异幻景,它常发生在海边与沙漠。我国古代对于海边的蜃景记载较多也较早,在汉晋的书上,把它说成是蛟龙吐气(即所谓“蜃气”)的结果。北宋苏轼指出,海市蜃楼都只是一种幻景。沈括也对山东登州经常出现的海市蜃楼作出忠实的记录:“登州海市,时有云气,如宫室、台观、城堞、人物、车马、冠盖,历历可见,谓之‘海市’。或曰‘蛟蜃之气所为’,疑不然也。”但也不曾解释成因。陈霆在《两山漫谈》(1539)中探讨了这个问题,他说:“城廓人马之状,疑塘水浩漫时,为阳焰与地气蒸郁,偶尔变幻。”这个见解是很有价值的。在这些基础上,清代学者揭暄、游艺用“气映”来说明蜃景的原理。揭暄注《物理小识》说:“气映而物见,雾气白涌,即水气上升也。水能照物,故其气清明上升者,亦能照物。”他们在《天经或问后集》中还说:“水在涯涘,倒照人物如镜,水气上升,悬照人物亦如镜。或以为山市海市蜃气,而不知为湿气遥映也。”这些说法有一个总的观点:水面既能反射成像,上升的气的界面也可以像镜子那样反射成像,以此说明蜃景的生成,是明确的。

视差与蒙气差

著名的“小儿辩日”故事,涉及到了深奥的光学理论问题。《列子·汤问》篇记载说:“孔子东游,见两小儿辩斗。问其故,一儿曰:‘我以日始出时去人近,而日中时远也。’一儿以日初出远,而日中时近也。一儿曰:‘日初出大如车盖,及日中,裁如盘盂。此不为远者小而近者大乎?’一儿曰:‘日初出则沧沧凉凉,及其中时热如探汤。此不为近者热而远者凉乎?’孔子不能决也。两小儿曰:孰为汝多知乎?”《列子》相传为战国列御寇所作,可能是汉晋时期的伪书,不过此书多取材于周秦时代的事实,所以我们可以相信这个故事发生在2000多年之前。“两小儿”提出了一个复杂的光学问题,它涉及光的折射、吸收、消光、视差以及一些生理上、心理上的问题,不用说在古代,就是在今天,也还是一个相当艰深的问题。

据现代的研究,单就大气折光效果来说,晨昏太阳的视像不但不比中午的大,反而来得小。肉眼之所以有相反的感觉,主要是光感的错觉。现代有关方面的研究表明,这里大致有三个因素:①比衬原因:中午太阳孤悬太空,周围广阔无垠,遂觉其小,晨昏太阳接近地平,有景物陪衬作比,遂觉其大。②亮度原因:中午太阳亮度和周围悬殊,遂觉其小;晨昏太阳亮度与周围接近,遂觉其大。③生理原因:经验指出,中午太阳在天中,须仰首斜望,可觉其较小;晨昏太阳近地平,可以正看平视,就觉得其较大。

对于“小儿辩日”问题,从西汉开始就有人进行研究,例如天文学家关子阳、王充、张衡等人都发表过意见,其中说得最全面的大概算是晋代的束晳。他说:“……旁方与上方等。旁视则天体存于侧,故日出时视日大也。日无大小,而所存者有伸厌。厌而形小,伸而体大,盖其理也。又日始出时色白者。虽大不堪;始出时色赤者,其大则甚;此终以人目之惑,无远近也。且夫置器广庭,则函中之鼎如釜,堂崇十仞,则八尺之人犹短,物有陵之,非形异也。夫物有惑心,形有乱目,诚非断疑定理之主。”这里所谓“所存者有伸厌”就是指“生理原因”,“色白者,虽大不甚”,“色赤者,其大则甚”是指“亮度原因”,“物有陵之,非形异也”是指“比衬原因”。差不多把三个原因全部说明了。并且很明确提出视距离的变化与视象变化都是由于“人目之惑”,“物有惑心”与“形有乱目”。所以用肉眼观察“非断疑定理之主”。应当说,这不但已经相当圆满地解决了“小儿辩日”的问题,而且在大气光学中有一定的普遍意义,可以说是我国古代光学上的一项成就。

对于这个问题,后来也还有不少议论,其中后秦的姜岌又有新的创见,他用“地有游气以厌日光”去解释晨昏的太阳色红,中午的太阳色白。这实质上是一种大气吸收与消光现象。后来还有人提出“浊氛”、“烟气”、“尘氛”等词,都是指空气中悬浮着的水气、尘埃等微粒所构成的一种雾蒙,认为这些是太阳颜色变红的原因。

此外,我国古代对于“峨嵋宝光”、“北极光”等奇妙的光学现象都有不少珍贵的记载。

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