古人怎样理解“彩虹”,们对彩虹的认识是愚昧,还是科学?

雨后斜阳,七彩环虹在天际一挂,使自然美景分外增妍。人们不禁要问:“谁持彩练当空舞”?事实上,虹是白光色散的结果。什么叫色散呢?原来自光是由红、程、黄绿、蓝、靛、紫七样色光组成的。所以白光在一定条件下会分散成七色光,这就叫色散。

彩虹的发生,就是当空气里存在许许多多水滴,太阳白光射在水滴上,发生折射和反射,而白光中的七色光折射程度不同,紫光最大,红光最小,天空中就出现了七色的虹桥。这样说来,彩虹是自然界最大规模的色散现象了。不管我国还是外国,研究色散总是从彩虹开始的。

一、古人对彩虹的观察

对于虹的认识,科学和迷信一直进行着尖锐的斗争。迷信给虹涂上种种神秘的色彩,说它是美人,是淫气,是天弓,甚至是能饮水止雨的动物,它的出现象征着灾难……等等。这些都是人们认识水平低下,无法解释自然现象的一种结果。

另一方面,劳动人民长期以来观察和探索它的规律,不断揭示它的本质。我国在殷代甲骨文里就有了虹的记载。

在周代的上半期,即公元前1066-403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。他们还把这一经验编成诗歌:“朝降于西,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。

二、古人对虹生成条件的解释

《庄子》里说:“阳多阴为虹。”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。那时已经知道虹是太阳光照射雨滴而生成的。孔颖达(公元574-648年)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,实在是足以自的。

在欧洲,英国科学家培根(公元1214-1294年)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,直到十七世纪才提出来。

三、古人“人造虹”实验

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,当山间布下泄,水珠四溅,日光照射,即成七彩,犹似虹電之状,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宽之状呢?

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,它直接模拟了虹霓现象,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。

四、古人对其他色散现象的观察

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《演紫露》一书中记载着一个很有趣的现象。他说:

“凡雨初霁,或露之未睎,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,活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球,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。”

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,方面记录了峨帽山的“菩萨石”,“日射之,有五色”的现象是正确的;另一方面却又认为那是因为峨眉山有“佛光”的关系,这又是不对的。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,指出这决“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。如峨放光石,六面也,水品压纸,三面也,烧料三面水品亦五色;峡目射飞泉成五色;人于回墙间向日喷水,亦成五色。故知虹霓之彩,星月之绿,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现象和日月晕、云彩等现象是相同的道理,都是白光的色散。

五、明代中期以后,我国对于色散的研究

西方近代科学渐渐输入,比如意大利传教士利玛窦(1552-1610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,甚至清代的科学家郑复光著的《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年)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。

发布于 2022-09-02 14:09:50
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