元代高道趙友欽：小孔成像證光學原理

欄目分類：道教神仙   發布日期：2016-06-16   瀏覽次數：次

元代高道趙友欽：道學與科學的緊密聯系

元代高道趙友欽

在中國乃至世界文化史上，道教和科學的緊密聯系，是一個引人注目的現象。歷代道教徒中，頗多對科學技術有不同程度貢獻者，其中如葛洪、陶弘景、孫思邈諸人，足可在中國原始化學史、醫學史等領域占一席之地。元代高道趙友欽，也是一位熱衷于科學探索，并在天文學、數學尤其是光學領域中有所建樹的人物，可惜，由于種種原因，對趙友欽的科學活動，至今研究、探索仍然很不夠，筆者近年陸續搜集和研讀了若干資料，愿意對之作一個初步介紹，以期引起道教界和學術界的重視，進一步將這項研究引向深入。

趙友欽，號緣督，是元代全真道中重要人物上陽子陳致虛的老師。陳致虛在《上陽子金丹大要列仙志》中這樣介紹自己的老師：“緣督真人姓趙諱友欽，字緣督，饒郡人也。為趙宗子。幼遭劫火，早有山林之趣，極聰敏，天文、經緯、地理、術數莫不精通。及得紫瓊師授以金丹大道，乃搜群書經傳，作‘三教一家’之文。名之曰《仙佛同源》。又作《金丹難問》等書行于世。己巳之秋寓衡陽，以金丹妙道悉付上陽子。”張紫瓊，為金丹南宗傳人。從上述“得紫瓊師授以金丹大道”一說，可以斷定友欽的仙學屬于南宗。又據毛鳳飛先生《趙公仙子源流說》（民國《龍游縣志》）：“緣督先生在南宗為張紫陽之傳，在北宗為王重陽之五傳，南北二宗盡萃于緣督先生而為一矣。”所謂“王重陽五傳”系據陳致虛說，指張紫瓊的師父黃房公為北宗的宋披云。然而宋披云實未南過長江授徒，陳說無據。趙友欽的道派舊屬在南宗，而與北宗無干。至其徒陳致虛始匯合南北二宗。

趙公有關道教的著作皆已佚亡，僅存陳致虛《金丹大要》中的少量遺說。《上陽子金丹大要》卷16：“緣督子間氣聰明，博物精通，挹盡群書，或注或釋。總三教為一家。作《仙佛同源》《金丹難問》等書。到此而金丹大備。其意憫憐修道之人率多旁門，以偽亂真，故于卷中指出先天一氣，獨是。謂若水銀、朱砂、黑汞、白金、火候、抽添、安爐立鼎，名之則是，用之則非……《金碧經》、《參同經》分明指出鉛汞、火候、弦氣、爻符，借《易》為準。其妙在于‘欲作服食仙，宜以同類者’。取象于月，以驗采鉛。后之所述無以易此。”

陳致虛的這段話，雖僅百來個字，非常簡短。但從“到此而金丹大備”、“卷中指出先天一氣，獨是”、“后之所述無以易此”數語，足以說明趙友欽仙學精深，也已不同一般了。

潛心于天地之學 研究光學原理

“小孔成像”實驗樓模擬圖

作為“漠然世事”，熱衷于成仙得道的道教學者趙友欽在科學研究領域也與前輩道教先行者一樣，潛心于天地之學的研究。他在“東海上獨居十年，注周易數萬言”、“發前人所未言”。由于原著散佚，無從得知其詳。只能從僅存的《革象新書》中探討其科研成就。

《革象新書》是司天之書，講天地、日月、五星、四時變化規律的書。它繼承發展了道教天地之學的成果。道教天地之學包括宇宙理論、歷法、氣象、地理等內容，在《革象新書》中均有所涉及。他曾采納諸多專家的見解，概括各個流派的歷法。更通過自己的實驗證實，糾正了過去的誤差，辯證地闡明新的科學見解，對神秘的蒼天作出科學的探秘。

卷5的《小罅光景》與《干象周髀》更是全書精華所在。鑒于日常生活中室有小罅雖不皆圓，而罅景所射未有不圓；乃至日食則罅景亦為所食分數。罅雖寬窄不同，景卻周徑相等，然寬濃窄淡。若以物障迎奪此景，則此景較狹而濃。趙友欽不解其理，就在浙江龍游雞鳴山筑觀星臺，建造“小孔成像”實驗樓。實驗樓是兩間土木結構的兩層樓房，每間樓下各挖4尺直徑的圓井一口于當中，右井深4尺，左井深8尺。左井里放一張4尺高的桌案。井底有兩塊直徑4尺的圓板，每塊板上釘一千個鐵釘做蠟燭簽。實驗時點燃一千支蠟燭，作為模擬的日月——光源。井口的地面上覆蓋兩塊直徑5尺的圓板，板心各開方孔一個，左邊一個1寸左右見方，右邊那個寸半左右見方。實驗時，可觀察到樓板下有兩個一大一小、一濃一淡的圓影，用來驗證“小孔成像”原理與像的形狀及照度與孔的大小的關系。

五個實驗 小孔成像證明光學原理

“小孔成像”示意圖

趙友欽利用這個實驗樓的構造裝置進行了卓有成效的模擬和對比研究。

一、試驗小孔成像

點燃井底的蠟燭，燭光穿過小孔投影樓板之下，“千燭自有千影，點點而方”。井中心的燭光，方影直射在樓板當中；南邊的燭光，方影斜射在樓板之北；北邊的光，方影斜射在樓板之南；東西的燭光也在樓板上相應的部位投射。實驗的結果表明四邊直射的光線受井口蓋的障礙而不得出，只有斜穿出孔了，井內已經斜穿，孔外也只得偏射。這樣從各個方向射來的千數支光交錯疊砌成一個影就成圓的了。

兩邊都千影疊砌，而寸半見方的亮孔所穿之光較多，乃千影皆廣而疊砌稠厚，所以影濃；一寸見方的窄孔所穿之光較少，乃皆狹而疊砌稀薄，所以影淡。左右兩孔對比說明光源發光強度，物距相同時，小孔成像，孔稍小的通過的光較少，照度小，像就暗；孔稍大的通過的光較多，像的照度就大，像就明的道理。

二、做改變光源的試驗

熄滅右井中東邊的500支蠟燭，右井上方像屏上的像缺了西邊的一半。以證明“小景隨日、月虧食之理也”，也證明了小孔成的是倒像，反證了光的直射原理。右井中只點燃疏密相間而勻稱的二三十支蠟燭，在右井上方像屏上出現互不相連的二三十個方形的像，而就二三十支形成的整體來說仍是圓的。原因就在于前者是大孔成像，而后者是小孔成像。

在左井中只點燃中心的一支蠟燭，見到像屏上所成的像只有一個方點。恢復點燃右井中的全部蠟燭，像屏上也恢復出現實驗一時的一個圓影。

以上兩個實驗，對比清晰，推理嚴密，進一步證實，光源強度愈大，照度愈大的原理。

三、“改變像距”實驗

另做兩塊大木板，漆成白色，掛在樓板下幾尺處作像屏，這時得到的像和實驗一相比，周徑減小而照度變大。這實驗證明：光源強度、小孔大小和物距不變時，像距愈小，像愈小，而照度愈大，像就比較清晰；反之，像距愈大，像愈大，而照度愈小，像就比較模糊。

四、作“改變物距”實驗

撤去所掛的兩塊板，拿掉左井中的桌子，把全部蠟燭點燃井底，使左井中的物距增加4尺，像屏上的像就變小。這一實驗說明光源強度、小孔大小、像距都不變時，物距愈大，像愈小，反之物距愈小，像愈大。

五、實驗“大孔成像”

移去兩井上所蓋的孔板，另做兩塊直徑1尺多的圓板，右板中心開一邊長4寸的方孔，左板中心開一邊長5寸多的等邊三角形孔。各以繩索吊在樓板底下井的正上方，而點可以調節高低。目的在于可同時調節像距和物距，光源位置和實驗一相同，仍以樓板為像屏。物距大時像距小，樓板上所成的像小；反之，物距小時像距大，樓板上所成的像大。這時像屏上的像，左面是三角形，右面是正方形；俯看左面的蠟燭是拼成圓形的，右面的蠟燭是拼成半圓形的。本實驗證明：（1）大孔成像，像的形狀和孔相同，與光源形狀無關；（2）當光源、像屏固定不變，移動孔板，物距增大，像距減小，像也變小；反之，物距減小，像距增大，像也增大。

趙友欽在這座實驗樓里進行的整個實驗涉及幾何光學的一些基本問題。對光的直線進行、小孔成像、照度領域進行了研究，并得出正確的結論。他的“照度隨著光源強度增強而增強，隨著像距增大而減小”這一粗略的定性照度定律內容，在西方400多年后才由德國科學家來博托得出“照度與距離平方成反比”的定律。而且，他那從客觀實驗出發，采用大規模的實驗方法去探索自然規律的科學實踐，這在世界物理科學史上也是首創的。比世界著名物理學家意大利的伽利略早兩個世紀。

此外，《革象新書》對使用的數學方法也有自己的特色。總的來說，趙友欽的科學成就是多方面的，而以光學實驗獨具價值。正如劉操南教授在《〈革象新書〉提要》（《古籍整理研究學刊》總57期）文中說：“《革象新書》五卷，于天算之學，分卷分條敘述，體例類于今日教科書的分章分節。內容豐富，秩然有序。在元明清時代可以作為學習古代天算的基礎書和教科書讀，以明古代天算學的基本范疇。今日尚有其歷史意義與現實意義。”作者趙友欽也理所當然，無愧于“道教科學家”的稱號。

本文由騰訊道學根據《元代高道趙友欽的光學研究和科學成就》一文整理發布，作者賴謀新，選自《中國道教》1998年第1期。

來源中國道家養生網 www.elev8corp.com