秦漢時期的物理學成就

地理歷史冷知識 發佈 2022-06-23T21:32:03.509210+00:00

秦漢時期,人們在日常生活中逐漸積累了不少熱的知識。在燃料方面,人們除了使用木炭和煤以外,還發現了新的能源——石油。

對熱的認識和利用


熱是人類須臾不可離的。秦漢時期,人們在日常生活中逐漸積累了不少熱的知識。

在燃料方面,人們除了使用木炭和煤以外,還發現了新的能源——石油。《漢書•地理志》載:「高奴有洧水,可燃。」當地人用它來做過燃料是有可能的。

這一時期對煙囪和火道等通風設施與燃燒程度的關係也有一定的認識。

當時已有關於「曲突徙薪」的見解:「客有過主人者,見其灶直突,傍有積薪。客謂主人,更為曲突,遠徙其薪,不者且有火患。」這裡的「突」指的是煙囪,「直突」就是把煙囪安在火膛的上方;「曲突」則是讓火焰先通過一段火道,然後再通向煙囪。直突火勢過盛,容易招致火災,因此居家不宜;而曲突可使火勢延緩,有利於炊事安全。


秦漢時期,人們已能利用熱脹冷縮的現象於工程施工上。據載秦國李冰父子在修建都江堰的施工中,曾採用「積薪燒之」的方法,坼裂岩石,開山劈嶺。即是先用柴草燒熾岩石,使其熱脹冷縮不均勻而致裂解。東漢武都太守虞詡在開通糧道時,也使用此法:「使人燒石,以水灌之,石皆坼裂,因鐫去石。」這是工程實踐中的巧妙發明。

秦漢時期人們還開始利用熱氣流。《酉陽雜俎》載:「漢高祖入咸陽宮,寶中尤異者有青玉燈,檠高七尺五寸,下作蟠螭,以口銜燈。燈燃則鱗甲皆動,炳煥若列星。」蟠螭的鱗甲可能是很薄的金屬片所制,燃燈所產生的熱氣流向上衝動這些鱗片,致使其炳煥若列星。除了生產生活實踐中利用熱氣流外,人們還做些熱氣流或熱膨脹方面的科學實驗。

《淮南萬畢術》云:「艾火令雞子飛。」高誘註:「取雞子去其汁,燃艾火,內空卵中,疾風因舉之飛。」事實上由燃艾而引起的熱氣流外噴不足以令雞子自飛,但空卵內的空氣受熱膨脹而使比重減小,從而在疾風中飛行短短的一段是有可能的。後世熱氣球的原理與此完全相同,只是升力更大而已。


對水的三態變化的認識和利用秦漢時期已經知道水的三態變化,並且知道水的蒸發、凝結同溫度有密切的關係。如《大戴禮記》說:「天地積陰,溫則為雨,寒則為雪。」《論衡》更進一步指出:「雲霧,雨之徵也。夏則為露,冬則為霜,溫則為雨,寒則為雪。」漢劉熙《釋名》曰:「雪,綏也。水下遇寒而凝,綏綏然下也。」《韓詩外傳》曰:「凡草木花多五出,雪花獨六出。雪花曰霙,雪雲曰同雲。」

漢代人們還做過沸水驟然冷卻的實驗,由此可以獲得低於大氣壓力的效應,儘管古人當時可能沒有低壓的概念,但在實踐中已有此經驗知識。《淮南萬畢術》云:「銅瓮雷鳴。」高誘註:「取沸湯置銅瓮中,堅密塞,內之井中,則雷鳴聞數十里。」這是二次沸騰現象。沸湯倒入銅瓮後,即止沸。但堅密塞後,入井中驟冷,瓮中液面蒸汽由於迅速冷凝而使氣壓驟降,因而引起了二次沸騰;同時因瓮內氣壓低,致使外力擠壓銅瓮,從而使瓮壁塌陷或破裂,發出巨響。至於聲聞數十里則是誇張之詞。

《淮南萬畢術》還提到用沸湯造冰的實驗:「取沸湯置瓮中,密以新縑,沉井三日,成冰。」這是屬於通過減壓來提高冰點的實驗。但是此種氣壓的降低對水的冰點的提高影響甚微,因此這個實驗是不可能成功的。可是既有如此記載,說明當時人們是在沒有經驗事實的情況下提出人工造冰的想法的,必定是受到了某些經驗的啟示。我國古代典籍中不止一次提到「夏造冰」。如《莊子•徐無鬼》說到魯遽的弟子曰:「我得夫子之道矣,吾能冬爨鼎而夏造冰。」這裡的「夏造冰」只是說說而已,未必能造成。《淮南子》對此就明確地否定,在「以冬鑠膠,以夏造冰」句下,高誘注曰:「言以非時鑠膠、造冰,難成之也。」這說明當時的人就指出:「夏造冰」是不可能的。但是從獲得低氣壓的手段來說,上面兩條實驗是很先進、很了不起的。

成書於西漢的《黃帝內經》曾談到寒溫燥濕對大地的影響:「燥勝則地干,暑勝則地熱,風勝則地動,濕勝則地泥,寒勝則地固矣。」又說:「燥以干之,暑以蒸之,風以動之,濕以潤之,寒以堅之,火以溫之。故風寒在下,燥熱在上,濕氣在中,火遊行其間。」人們生活在不斷變化的寒溫燥濕的環境中,需要時刻掌握其變化規律。在對寒溫燥濕的大量實踐認識的基礎上,人們製造了最原始的溫度計和濕度計。

最原始的溫度計是利用水的結冰和溶化來判斷氣溫的變化。「睹瓶中之冰,而知天下之寒。」「見瓶中之水,而知天下之寒暑。」寒與不寒,人體當然能夠感覺出來,周圍的景物也可以做參考,但專門設置一銅瓶進行測溫,這在科學認識論和方法論上是前進了一大步,反映了我國先民可貴的實驗精神。

漢代人們測量燥濕變化的方法也是相當科學的,即是把炭和羽毛或其他物質放在天平的兩端,經過一段時間後視其兩端的起伏,就能判斷燥濕。《淮南子》云:「懸羽與炭,而知燥濕之氣。」「燥故炭輕,濕故炭重。」這是利用炭與羽的不同的吸濕性來製成最原始的濕度計。

《史記•天官書》有類似的記載:「冬至短極,懸土炭。」裴駰《集解》引孟康曰:「先冬至三日,懸土炭于衡兩端,輕重適均,冬至日陽氣至則炭重,夏至日陰氣至則土重。」又引晉灼曰:「蔡邕《律歷記》:『候鐘律權土炭,冬至陽氣應黃鐘通,土炭輕而衡仰,夏至陰氣應蕤賓通,土炭重而衡低。進退先後,五日之中。』」前者是把土與炭放于衡之兩端;後者則把土炭合放一端,另一端為砝碼。


古代測定燥濕的方法有多種,王充在《論衡》中記述了另一種判斷燥濕的方法:「天且雨,螻蟻徙,蚯蚓出,琴弦緩。」其中琴弦緩屬於人們可以測量的物理現象,據此可以預報晴雨天氣。王充還對寒溫的傳播做了研究,指出:「夫近水則寒,近火則溫,遠之漸微。何則?氣之所加,遠近有差也。」這實際上是從「氣」的角度探討熱的傳導的問題,明確指出,熱是靠氣來傳導的,愈遠,熱在傳導中損失就越大,因而漸微。

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