书城教材教辅中学理科课程资源-分解物理力学
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第27章 材料力学知识(4)

度者,分、寸、尺、丈、引也,所以度长短也,本起黄钟之长。……量者,龠、合、升、斗、斛也,所以量多少也,本起黄钟之龠。……权者,铢、两、钧、石也,所以称物平施知轻重也,本起黄钟之重。

原来,度量衡三者都以黄钟律管的长度、容量和所容黍之重量来确定。黄种律管成了讦量工具的标准器。在古人看来,一旦确定中音C,度量衡黄钟律管固定下来,或者说,人的听觉一确定中音C,度量衡标准也随之而定。这可以看做以声波作为度量量衡标准的最早设想。《汉书·律历志》是根据刘歆(?-23)论律改写而成的,因此可断定是刘歆提出了“律生度量衡”的思想。

那么,又如何确定标准的黄钟律管?除了听觉判断外,《汉书·律历志》又写道:以子谷柜黍中者,一黍之广,度之九十分,黄钟之长……用度数审其容,以子谷秬黍中者千有二百实其龠,以井水实其塈,一龠容千二百黍,重十二铢。

这是说,选定某种适当的谷粒或黍粒,将它们一粒粒排成直线,当它们成排的长度与黄钟律管的管长相齐等时,为之“九十分”。这样,“分”的长度单位确定了。在该律管内装上l200粒这样的谷或黍,该律管内几何空间被填满,于是得到容量单位“龠”,称量这些谷或黍的重量,定为“十二铢”。这就是前述“累黍法”。刘歆没有想到,在他以黄钟律管作为度量标准过程中,又引入了一个新标准(谷粒或黍粒)的选定,并加之以某些不确定因素的操作过程。在此,令人生疑的是,到底是“以律生度量衡”还是“以度量衡生律”?

为了解决这些问题,汉代以降,甚而直至清康熙、乾隆间,不少人对此做出议论。宋代,司马光和范镇两大学派之争,前后达30年而不决。明代朱载堉花费大量时间排黍、累黍,得到了令他惊喜的结果,即纵排黍粒的纵黍尺,是9进制尺;横排黍粒的横黍尺是10进制尺。他说:“若不累黍实验同,亦不信有如此之妙。”然而,他又提醒人们说:累黍之法,名为最密,实为最疏。敬无格式、大小、几何,惟云中式,尤非定论。欲选中式之黍,须将格式予先议定。有格式、法程、而后可选也。

古人以度定法,以量定权,必参相得而后黄钟之律可求。然则律与度量衡相须为用,非度量衡生于律也。

在判定古人是否可能以声波作为度量衡标准时,朱载堉的这个看法是辩证的。

另一个理有价值的标准确定是子午线长度的测量和标准尺的认定。这一工作一般地认为是18世纪的事。1790年法国科学院的一个特别委员会建议:通过巴黎的子午线全长的四千万分之一定义为长度“米”。1799年据此长度制成一根铂棒,作为标准米的长度。1872年在巴黎召开的第二次国际度量衡会议上,决定用90%的铂和10%的铱合金制成国际米原器。

由此可见,寻求天地常数是与测量子午线密切相关的。在中国古代曾经有过几次这样的测量,经过长期的努力,中国在世界上最早确定以地球子午线作为长度的标准。

古代中国人测量地球子午线的直线动机是为了验证历代传说的“日影一寸,地差千里”的看法。对此提出质疑的隋代刘焯曾主张进行实地测量。唐僧一行与南宫说等人于开元十二年(724年)开始实地大规模的纬度测量,其实测范围为北至北纬51°,南至北纬17°的广大地域的十三个地点。南宫说亲自测定了灞州白马(今河南滑县)、汴州浚义太岳台(今河南开封市西北)、许州扶沟(今河南扶沟县)、豫州上蔡武津(今河南上蔡县)四个地点的北极高度、日影长短以及它们之间的地面距离,其结果是:从白马到上蔡“大率五百二十六里二百七十步而北极差一度半”,或者“三百五十一里八十步而极差一度”。唐一步五尺,三百步为一里,设唐l尺=25厘米;又唐代一周天为365.25°,而今日一周天为360°;由此推算,其测量结果相当今日值为:子午线每1氏约131.815公里。

从白马到上蔡纬度为35.3°~33.8°之间,现今测得的纬度34°~35°的子午线1°弧长为110.6公里。可见一行等人的测量与今值有较大误差。虽然如此,它却是世界上最早对地球子午线作出的实际测量,也是计量科学上第一次将人为规定的日常用尺和另一个自然的恒定数值作比较的尝试。

沿着僧一行的足迹,元代郭守敬、明代徐光启都曾做过同样的测量工作。清康熙、乾隆年间,即从康熙四十七年(1708年)到五十七年(1718年)、乾隆二十一年(1756年)到二十四年(1759年),进行了范围更大的经纬度测量。康熙年间共测定641个经纬点(末列入西藏测量地点),乾隆年间又测定了90余个经纬点(不完全统计)。这些测量工作不仅为我国地图绘制工作打下了基础,并发现每度经线的弧长随纬度高下而有差异。这个发现为地球的椭球形状提供了实证。同时,在计量科学上第一次创市并实施了以天地的常数作为长度的标准。

康熙帝在这次测量过程中规定:200里合经线弧长一度,每里为180丈。也就是说,每尺合经线弧度的百分之一秒。将长度单位与北极星高度或地理经线弧长相联系,是计量史上的一项伟大成就。康熙帝的规定可能是在康熙四十一年(1702年)到四十六年(1707年)在北京附近试测时作出的,它比前述法国科学院于1790年所作的有关规定要早80余年。

3.《墨经》论度量

《墨经》中至少有两条文字涉及度量问题。其一,指出度量的比较需在同类、同“量”中进行,否则不能比较。这个概念是物理量纲的思想肇始。例如,一匹马不能和一头牛并论为二,一达因的力不能与一安培电流相加。其二,指出量度必须要有一个标准或标准件。《墨经》中的这两条文字,我们分别讨论如下。

《经下》:异类不吡,说在量。

《经说下》: 异木与夜孰长?智与粟孰多?爵、亲、行、贾,四者孰贵?麋与霍孰高?麋与霍孰霍?旫与瑟孰瑟?

“吡”,同仳,即比之繁文,从孙诒让说。在各家的校注中,对《说》的分歧较大。据各家校注约而言之,“麋与霍孰高”为衍文,而“麇与霍孰霍”中,前一“霍”,字通“鹤”,后一“霍”字引申为“白”;“麋”,鹿类,即“像”;虭与瑟孰瑟”句,“虭”为“蜩”或“蝉”,前一个“瑟”字指乐。

在清楚了以上难字、难句的解读之后,这条经文就容易理解了。《经》指出,在度量事物时,异类不能相比。《说》例举了五种不能相比的异类:一、长短不能相比的异类,如木头长还是夜长?二、数量多少不能相比的异类,如智慧多还是粟子多?三、贵贱不能相比之类,如爵位高低、宗族亲疏、品行优劣与物价,四者不能相比。四、不同类的颜色不能相比,如麋与鹤谁的颜色好?五、不同类的声音不能相比,如蝉与瑟谁的声音好听?两物相比,必取同类;不同类不相比,是因其“量”不同地。故日:“异类不比,说在量。”

《墨经》所谓“量”,与近代物理学的“量纲”概念极为接近。方孝博在解释本条文字时曾正确地指出这一点。物理学有一条不言而喻的规定:性质不同、量纲不同的物理量不能相加减或相等论。例如,长度与时间、质量与速度、温度与热量等,都是性质不同、量纲不同的物理量;功与力矩、角速度与频率。虽然量纲可以相同,但性质迥异,也不能相加减或等同论之。从《经说》的举例中可知其“量”也包含了这二层意思:一、事物的基本属性。如:麇属兽,霍属禽;虭为昆虫,瑟为乐器;爵位、父母兄弟、品行与商品价值,都是不同范畴的概念。二、量度的本纲。如:时间单位与长度单位,智商系数与物体的数量。

《经说下》:物甚长、甚短,莫长于是,莫短于是。是之是也,非是也者莫甚于是。

本经文也无讹文脱字。虽然个别字的校释和标点各家不尽相同,但都认为,这是一条涉及度量标准的文字。

谭戒甫说得好:“此言物非绝对,以比较而定,而比较须循标准也。”“甚”在此含极、至之意,“是”在此作标准解。“若是”,即顺乎标准。当物体A被确认为标准后,我们说B甚长、C甚短,就是将B、C与A相比较而言之。以众物比较标准物,故有“物甚不甚,说在若是”。在众物之中,莫长于此物,则此物甚长;莫短于此物,则此物甚短,故《说》日:“甚长、甚短,莫长于是,奠短于是。”《说》的最后二句是对其前几句的进一步解释。所谓甚长、甚短,都是在一个标准件下衡量的,标准件一经确认,就要作为标准使用,即它就是标准,所谓“是之是也”;而非标准一类物件,就不能作为标准使用;哪怕它与标准件质地类似,设欲齐一,也不能认为非标准的东西是标准。这就是“非是也者莫甚于是”之意。

墨家多以手工劳动为营。墨翟本人据说是车工出身。他们对于度量及其标准问题既有亲身实践,又有理论上的体认。这条文字表明墨家对于度量衡标准的极端重视。在尚无度量标准的战国纷争时期,这一理论对统一度量衡无疑有相当积极的意义。

表明古代人掌握了鱼洗壳体振动的波节与波腹位置的是,他们在铸造鱼洗时有意识地将四条鱼的口须对准四节线(即基频振动)振动的波腹位置,并将洗的两耳放在波节线上。古代人的才智表现于此:洗不仅完全符合壳体振动的原理,又在实际效果上能使人产生一种错觉,以为洗底的鱼(或龙)搅动水浪之故,从而使一个小小的铜盆可供人们欣赏娱乐和奔驰自己的想像。