小孔成像实验最早在2400年前我过著名能够思想家(谁)的弟子在什么书中叙述

小孔成像实验最早在2400年前我过著名能够思想家(谁)的弟子在什么书中叙述
小孔成像实验最早在2400年前我过著名能够思想家(谁)的弟子在什么书中叙述

小孔成像实验最早在2400年前我过著名能够思想家(谁)的弟子在什么书中叙述
小孔成像
小孔成像是古典光学中一种重要成像现象,在中国古代光学发展过程中得到过透彻研究,是古人在光学领域取得成就的一个重要方面.
最早从实验角度观察和解释小孔成像的,当推《墨经》.《墨经》的《经下》篇记录了墨家对此问题的认识：
《经》：“景到,在午有端,与景长,说在端.”
《说》：“景：光之人,煦若射.下者之人也高,高者之人也下.足蔽下光,故成景于上；首蔽上光,故成景于下.在远近有端与于光,故景库内也.”
对本条具体文字的解说,学界有不同意见,但基本上都同意这是用光行直线原理对小孔成像现象的解释.一般认为,“到”同“倒”,“午”指光线的交叉,“端”指光线交叉后在暗室壁小孔处形成的光点.有学者认为,文中的“人”字为“入”之误,此说是有道理的.墨家大意是说,在小孔成像情况下,由于小孔的存在,使得入射光线在小孔处形成交叉,从下边射入的光线进入暗室以后,来到了上边,从上边射入的光线则来到了下边,因此就在暗室中生成了倒像.
这里提到的“像”是广义的,它也可以是投影.例如人站在太阳和小孔之间,在合适条件下,孔后的屏上在太阳均匀的光像之中就出现了一个人的倒影,这就是投影.《墨经》中提到首足蔽光之语,表明当时实验中所观察到的可能确为投影,而不是像.无论是投影还是像,它们具有倒像特征是相同的,给人的启迪也一样,那就是光沿直线传播,由于暗室小孔的约束,进入室内后生成倒像.从《墨经》本条来看,墨家对此是有清晰认识的.
由于墨学的衰微,《墨经》在很长时间不为人们所解,墨家在小孔成像实验中所获得的认识也就没有被很好地继承下来.秦汉以降,对小孔成像的研究还处于重新发现现象、从头探讨机理的状态.其中被提及较多的是所谓“倒塔影”,唐代段成式《酉阳杂俎》曾有“海翻则塔影倒”之语,表明他不解此理.宋代陆游《老学庵笔记》、元代杨瑀《山居新话》,均曾提及此现象.延至明清,记述者更为多见,甚至还有人专门搜集各地“倒塔影”的实例,这表明“倒塔影”这种物理现象是受到人们普遍注意了的.
在对小孔成像现象重新发现过程中,梁朝沈约值得一提,他的《咏月诗》说：
“月华临静夜,夜静灭氛埃,方晖竟户入,圆影隙中来.”（《艺文类聚》卷一）
他这里描述了两种现象,一种是“方晖竟户入”,即月光从屋门中射入,按门的形状,在室内地上投射出方形光斑；另一种是“圆影隙中来”,室外满月高悬,透过壁上小孔,投在室内地上仍然是圆月一轮.这两种情况,隙是小孔,月光通过小孔后在室内生成的是月亮的像,在满月情况下,这一像当然也是圆的,与小孔形状无关；而对于屋门,它的尺度相应于室内成像的距离而言,已远远大于小孔成像之要求,这时月光可被视为平行光,它这时投影到地上的是门的形状,而不是月亮的像.沈约以这样两种现象作对比,说明他对这二者的差异是有所察觉的.而产生这种现象的原因是什么,则还要等到宋末元初的赵友钦乃至更晚至清末的郑复光,才得以揭示出来.
在沈约之后,明确对小孔成像现象作出理论阐释的是宋代沈括.他用“格术”对之作解,认为是由物出发的入射光线受小孔约束,而生成与物具有“本末相格”之势的像,即倒像.其具体内涵与《墨经》颇类,本书已有论述,这里不再多说.
完全从实验角度出发,详细探讨小孔成像机理的,当推赵友钦.他首先观察到了日、月通过壁间小孔成像的情况,发现：壁间小孔的形状虽然千奇怪状,但透过小孔的日光所成的像都是圆的；而且孔的大小可以不一样,但生成的日的像的大小都一样,只不过孔大的生成的像亮些,孔小的生成的像淡.日食时,室内日的像上也出现相应状况,其食分与室外相等.他还发现,当孔径大到可以容纳日月的视直径时,室内出现的就不再是日的像,而是孔本身的投影了,即所谓“大隙之景必随其隙之方圆长短以为形.”（《革象新书·小罅光景》）赵友钦的描述类同于沈约的发现而更为细致.非但如此,他还精心设计了一个大型的小孔成像实验,对成像过程各因素的作用做了认真探讨.
他以楼房为实验室,在左右两个房间各挖圆阱,阱直径四尺,左阱深八尺,右阱深四尺.再作两块直径均为四尺的木板,每块上面都插上一千根蜡烛.实验时,左面阱中可放一张四尺高的桌子,然后将两块插有蜡烛的板分别放在左右阱中,用板盖住阱口,左边盖阱口的板中央挖去了一个边长为一寸的方孔,右边板中央则挖去边长为一寸半的方孔（如图）.烛光就透过方孔将光线投射到楼板上,在需要改变像距时,则在楼板下面悬上大木板,以之作为像屏.
赵友钦这样的布置很有道理,这使得他可以任意固定或调节各种成像因素,从而弄清它们在成像过程中的作用,揭开小孔成像奥秘.用他自己话来说：“于是烛也、光也、窍也、景也,四者之间消长盈虚之故,从可考矣.”
在实验中,他首先保持光源、小孔、像屏三者距离不变,观察孔的大小和形状对像的影响,发现两个像大小相似,只是浓淡不同.他用像素叠加和光线直进观念进行解释,说：“千烛自有千景,其景随小窍点点而方.”每一支烛光都透过小孔在楼板上投下一个光斑,这些光斑每一个都像小孔一样,呈现方形,其位置透过小孔与烛相对.虽然每个光斑都是方的,但“偏中之景千数交错,周遍叠砌,则总成一景而圆.”对于大孔,每一支烛光透过去的光都要多些,叠加的结果,像的亮度自然要强些.
然后,他做“小景随日月亏食”的模拟实验,“向右阱东边减却五百烛,观其右间楼板之景缺其半于西,乃小景随日月亏食之理也.”接着,他进一步调节光源,灭去阱中大部分蜡烛,只剩下疏密相间的二三十支,这时楼板下的像,就由这互不相连的二三十个“方景”组成一个圆形,而且很淡,这直观地表明,像屏上圆形的像的确是由方形的光斑组成的.最后,他只点燃一支蜡烛,这时像屏上只剩下一个“方景”,赵友钦解释说：这是因为“窍小而光形尤小,窍内可以尽容其光.”这就是“大景随空罅之像”的道理.
赵友钦还分别改变了物距和像距,并做了大孔成像实验,最后得出结论说：“是故小景随光之形,大景随空之像,断乎无可疑者.”王锦光等曾详细研究了赵友钦的小孔成像实验,并列表总结了赵友钦实验的内容（王锦光、洪震寰《中国光学史》,湖南教育出版社,1986年版,86页）,对于我们了解这一实验,很有裨益.该表主要内容如下：
由此表可见,凡是小孔成像所涉及到的因素赵友钦几乎都做了探讨.非但如此,他还从理论上对实验现象做了解说,其解说的出发点是像素叠加和光行直线,这是正确的.
赵友钦之后,清代郑复光对小孔成像做了进一步研究,他的《镜镜詅痴》和《费隐与知录》对之都有专条描述.不过,这已经是19世纪中叶的事情了.
在小孔成像的应用方面,元代郭守敬发明的景符引人注目,对此,本书有专文讨论,这里就不再多说了.