——华夏光学科技的创新与传播

   王佩良 张若彤 柏莲花 黎钰琳

  湖南工商大学数字媒体工程与人文学院

光学作为自然科学的重要分支，宛如一把神奇的钥匙，开启了人类认知世界与改造世界的大门。在遥远的古代，“光”这种常见而神秘的自然现象引起人们的关注。古人最初对光现象的懵懂观察，有意识地将光用于生活、生产当中。《说文》“火部”记载：“光”“明也，从火，在人上，光明意也”，直观地体现了古人对光的认知。据民俗学者亚布研究，《山海经》中有头戴贝壳灯“出入有光”的火王形象。

据司马贞《补史记·三皇本纪》记载，华夏上古历史中有三位重要女皇，“三皇谓天皇、地皇、人皇，既是开辟之初，君臣之始，图纬所载，不可全弃，故兼序之。”《尚书·刑德放》：“皇者，煌煌也。”皇者，“火王”二字之切音也。在甲骨文中，皇、光二字都是头戴灯火的女皇形象。天皇盘古氏从来自天上的雷电取火，地皇有巢氏从来自地下的火山口取火，人皇伏羲氏则依靠钻木、击石、阳燧等方式人工取火。

三皇因为掌握了火，才掌控天下，人们对火敬畏崇拜，并随着先民往外迁徙，将崇火文化带到世界各地，在印度河文明中也有火崇拜的遗存。印度陶工复制了从哈拉帕(Harappa)遗址出土的三立人陶像，也证明燧皇是头戴灯火的女王，其影响远及南亚次大陆。古代，每年寒食、冬至日，皇帝给臣属“赐御火”，官府给老百姓“换新火”，今“光临”“借光”之熟语即可溯源于此。今南楚民俗，婴孩跌倒了，长辈急忙扶起小孩，随即在其额头由下往上抹三下，谓“抹阳火”，祈求三皇保佑，以免丢魂。

阳燧是中国先民三千年前发明的利用太阳能取火的工具。《古今注》记载：“阳燧，以铜为之，形如镜，照物则影倒，向日则火生，以艾灶之，则得火。”《淮南子》记载：“阳燧，金也。取金盂无缘者，执日高三四丈时，以向，持燥艾承之寸余，有顷焦之，吹之则燃，得火。”《周礼·秋官·司烜氏》记载：“掌以夫遂取明火于日。”阳燧因取火于日，近于天也，所取之火属于天火，故多为占卜与祭祀时使用，今国内外大型赛事的聚焦太阳光取圣火之举即溯源于此；而木燧取火于五木（柳、桑、槐、檀等），近于人也，只是烹饪用之。

考古发现也提供了早期利用太阳光的珍贵线索。陕西省扶风县出土多件商周青铜凹面镜，经鉴定，这些凹面镜就是能聚光生火的阳燧或夫燧。1956年，河南省三门峡市虢国墓地M1052虢国太子墓出土虎鸟纹阳燧，直径7.5厘米，现藏于中国国家博物馆，让今人得以一窥2800年前太阳能“打火机”的真面目。

中国古代的光学研究可追溯至春秋战国时期的墨家学派。墨子通过实验，深入研究光的传播规律，他在《墨经》中提出“光学八条”，解释了“小孔成像”的原理：“景到，在午有端与景长，说在端”，“足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下”，并强调“光之人，照若射”，将光的直线传播形象地比作箭矢飞行。墨子发现光穿过小孔，揭示了倒像成因与光的直线传播特性。《墨经》还探讨了平面镜、凹面镜（阳燧）和凸面镜的成像规律，比西方同类研究早一千余年，堪称人类探索光学成就的首次系统性总结。战国时期，《楚辞》将“虹”的颜色分为“五色”，开展光的色散研究。

汉代学者拓展了光学实验。西汉，淮南王刘安在《淮南万毕术》中记载：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影则火生”，利用冰透镜聚焦取火，是世界上最早的透镜应用实例。东汉，王充在《论衡》中以“元气论”解释光学现象，提出“近水则寒，近火则温”与“气之所加，远近有差”，将热辐射与光的传播联系起来。张衡用浑天仪观测天文，利用管状窥管对准星体，体现光的直线传播原理。蔡邕在《月令章句》中描述“虹”的形成条件和所在方位，对光的色散研究向前推进。

唐初，孔颖达在《礼记注疏》中揭示出“虹”的光学成因。8世纪中叶，张志和首创实验方法研究“虹”，并作了白光色散实验。段成式在《酉阳杂俎》中记录塔影倒悬现象，却误将其归因于“海影翻”。北宋，沈括在《梦溪笔谈》中阐述了各种镜、影和光的色散现象。他观察到“鸢东则影西”的运动物体成像规律，指出小孔成像的本质是“光穿礙（孔）成束”，并明确区分小孔成像与凹面镜成像分别基于光的直射和反射，纠正前人对两者混淆的错误。他在《阳燧照物》中写道：“阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内。离镜一二寸，光聚为一点，大如麻菽，著物则火发。”以往道士常以阳燧表演“空中取火”的法术，人们不明其理，以为神。此后，人们明白了凹透镜聚焦点火的原理，才不为道士法术的迷惑，却在民间留下了“照妖镜”的故事以及在门窗上边悬挂镜子避邪的民俗。1116 年，药学家寇宗奭在《本草衍义》中记载：“菩萨石映日射之，有五色光”，比牛顿发现光的色散现象早550年。南宋，蔡卞模拟“日照雨滴”实验，将虹和日月晕现象联系起来，说明虹的色散本质，并指出其与阳光位置的关系。程大昌在《演繁露》中记述露滴分光现象，指出日光包含多种颜色，揭示色散的本质。

元代，赵友钦在《革象新书·小罅光景》中记载史上规模最大的光学实验。他建造双层暗室，挖井设置不同深度的光源（千支蜡烛），通过改变孔的大小、物距与像距，验证“小景随光之形，大景随空之像”的原理，即小孔成像形状由光源决定，大孔成像则与孔形一致，并得出照度与距离成反比的结论。郭守敬发明“仰仪”，将小孔成像原理应用于天文观测，通过铜半球内的网格，精确测定日食时刻与太阳位置，成为光学仪器实用化的典范。

明末清初，大科学家方以智撰写百科全书《物理小识》，涵盖光学、电学、磁学、声学、力学等诸多领域。他在光学领域卓有成就，在汲取前人成果的基础上，揭示白光的色散原理。他认为带棱的自然晶体和人工烧制的三棱晶体都能将白光分成五色，这与向日喷水而成的五色人造虹、日光照射飞泉产生的五色现象，以及虹霓之彩、日月之晕、五色之云等自然现象，“皆同此理”，都是白光的色散。

清代前期，孙云球（1629 - 1662）是杰出的光学专家。他早年参加科举考试，两次乡试失利后，转向光学研究。他善于从前人经验中获得灵感，以水晶为原材料，多次试验，掌握了磨片对光的制镜技术。他能磨制出适合不同年龄段的老花镜、少花镜。他改进眼镜的外观形状，将单镜片眼镜发展为带眼镜腿的双镜片眼镜，佩戴方便，倍受用户青睐，畅销全国各地。孙云球还研制了许多不同功能的光学仪器。他将凸透镜和凹透镜组合，发明了望远镜，当时称“千里镜”。他创制的“存目镜”具有放大效果，能看清极细小之物。他发明的“察微镜”具有显微效果，能化小为大，明察秋毫。他研制的“万花镜”亦名“百花镜”，能将一物化为数十数百物，令人眼花缭乱，目不暇接。他发明的“幻容镜”类似“哈哈镜”，能使影像产生奇特而夸张的效果。他研制的“放光镜”具有强光探照的效果，比俄罗斯人库里宾制作的探照灯早100多年。他还研制了“夜明镜”“夕阳镜”“多面镜”“鸳鸯镜”“半镜”“火镜”等光学仪器。他制作精准的时钟“自然晷”。

孙云球总结了前人制镜经验，撰写我国第一部眼镜类专著《镜史》，书中详细列举“二十四种昏眼镜”“二十四种近视镜”“二十四种童光镜”。“童光镜”可保护少年视力，类似于“存目镜”。《镜史》还记载了远镜（即望远镜）的用途和操作方式，与现代单筒伸缩式望远镜原理相吻合。此外，该书还详细描述火镜、端容镜、焚香镜、摄光镜、万花镜、夕阳镜等光学仪器的原理和用途，如火镜用于生火，端容镜供女子修容，焚香镜将火镜原理应用于焚香，摄光镜基于“小孔成像”原理，万花镜能产生奇妙的视觉效果，夕阳镜是现代墨镜的前身，采用茶晶或深色水晶材质，具有遮光防晒的功效。《镜史》原本已佚，近年在上海图书馆再次面世，人们得以了解孙云球在光学领域的卓越贡献。该书虽然篇幅不大，却凝结着孙云球制作光学仪器的智慧和高超技艺，在世界科学史上具有重要地位。

近代，出现了两位杰出光学家，一位是郑复光，另一位是邹伯奇。郑复光（1780—约1862年），字元甫，又字瀚香，安徽歙县人。少年时代，爱好广泛，博览群书，探索自然物理和机械制造的奥妙。青年时期，考取监生，对读书入仕日渐淡漠，游历大江南北。1842年，他将日常观察和闻听的各种自然异象，排比为200多条，用热学、光学等原理加以系统阐释，撰写《费隐与知录》。1846年，郑复光出版光学专著《镜镜詅痴》。书名的第一个“镜”是动词，是“照”的意思，“詅痴”即“本无才学，又喜欢向人夸耀”，“镜镜詅痴”可解释为“就镜照物问题之愚见”，也体现其谦虚而谨慎的良好学风。《镜镜詅痴》共5章4部分，每部分再分成数节。第一部分“明原”，阐述光的基本原理。第二部分“类镜”，解释镜能反射光线或让光线透过的原因，介绍镜的质料、颜色、形状。第三部分“释圆”，分析凹透镜、凸透镜、透镜组的原理和成像特点，列举“凸限全率表”与“凹限全率表”，对凸镜、凹镜作出定量描述，便于指导光学仪器的磨制。第四部分“述作”，讲述17种光学仪器的原理、制法、用法及保养方法。该书结构严谨，条理分明，内容丰富，特色鲜明。一是理论推导与实验验证相结合，并佐以铜镜工匠的制作经验。“匠者事也，有师承焉，姑备所闻；儒者之事，有神会焉，特详其义。”二是佐以传统中医学理论。他解释眼睛之所以能看见物体，是“目中心黑点资乎肾水，亦水类也”，“医家谓精不足则视物两歧”，“目有雀盲者，医家谓为肝血不足。盖肝主目，肝不足，故触觉应异常人矣。”三是吸收前人研究成果，将小孔成倒像及凸镜、凹镜成像的原理归纳为同一类。“借光取影由于交线，或因孔束之线成交，或因镜面弯环之光线成交，其理自同。”

郑复光费时十数年撰写该书，精益求精。清代地理学家张穆曾在《镜镜詅痴》“题词”中回忆道：道光十五年（1835），他初次结识郑复光，就阅读了他写的书稿，并用其自制的望远镜一起“窥月中窅眣，黑点四散，作浮萍状，欢呼叫绝。”张穆拿着《镜镜詅痴》稿本向在前线负责抗英的官员推荐郑复光，让其制作望远镜，以对付英军的进攻，惜未被当官者所用。郑复光曾在《镜镜詅痴》“自序”写道：“北华弟好深湛之思，归而相与研寻，颇多弋获，遂援笔记之，时逾十稔，然后成稿。”可见，该书在1825年即开始写作，1835年已完成初稿，直到1847年才正式出版。六年后，即咸丰三年（1853），受聘于墨海书馆的张福僖受其启发，与艾约瑟合译《光论》。他在《光论》“自序”中写道：“近歙郑浣香先生著《镜镜詅痴》五卷，析理精妙，启发后人。”太平天国运动失败后，官僚地主主持的洋务运动兴起，人们热衷于翻译西学，《镜镜詅痴》受到冷遇，被人遗忘！

梁启超对郑复光极力推崇，他在《中国近三百年学术史》中感叹道：“以前宋（应星）后郑（复光）之学而不推于士林嘻！‘艺成而下’之观念毒人深矣。”戴念祖在《中国物理学史大系·中国光学史》对《镜镜詅痴》高度评价：“堪称一部几何光学专著，也是中国古代物理学史上第一部科学专著。”

晚清的邹伯奇（1819-1869），对天文学、数学、光学、地理学亦有研究，“尤精于天文历算，能萃中西之说而贯通之。”他不迷信古人、洋人和经典，十七岁开始研究光学，深入探讨北宋科学家沈括提出的“光线通过焦点成倒像”的“格术”理论，并反复实验，撰写《格术补》，用数学方法阐述平面镜、透镜、透镜组的成像规律，解释眼镜、望远镜、显微镜的工作原理。他深入研究摄影术，撰写《摄影之器记》，论述光学原理、暗箱制作、感光板制造以及拍摄、冲洗等方法，是我国第一部全面系统的摄影著作。1844年，他发明以摄影测绘地图法，早于法国军人洛斯达的测绘摄影术。同治三年（1864），受广东巡抚郭嵩焘聘请，邹伯奇指导弟子以摄影法测绘广东沿海地图，绘制《浔岗洲图》《桑圆围全图》等。邹伯奇的摄影测绘为现代空中测地图、勘测地表地质奠定了基础。

邹伯奇善于动手实践，亲自设计制造科学仪器，发明玻板照相术。他在《摄影之器记》中记载：“岁在乙末（1835）”，因读《梦溪笔谈》中塔倒影与阳遂倒影同理，开始研究透镜成像原理，“甲辰岁”（1844），因用透镜取火，引申触类而做摄影器。这种摄影器即“取景器”（景画器）。外景物之像通过凸透镜，进入暗箱，现于箱内一白净纸上，以彩笔在白纸上依像摩画，即成“平远山水一幅”。画纸必须处于物镜焦平面上，被画之物或地域不宜太分散，也不能远近相差太大，这样才能使所“画与当面景色无少异”。在此基础上，他研制了感光化学物和感光板，发明了湿板照相法。在配制感光化学物料时，他选取硝酸、盐酸、醋酸，配制银盐溶液。在研制感光板时，他巧妙地利用鸡蛋清。先用蒸馏水加明矾，制作纯净水。再在纯净水中加入蛋清、少量食盐，以筷子搅匀，刮去表面浮沫，倒入盆中澄清待用。将玻板或纸的一面小心置入蛋清，使其均匀地黏连蛋清，再将其置于银盐溶液中，使之均匀地附着银盐溶液，从而制成银质阳面板或纸（或胶片）的正片。

在1853年前后，邹伯奇以内感玻板照相术拍摄人物肖像，开创了中国的摄影业。他以自制照相机和感光化合物拍摄了许多照片，其中一块自拍像玻璃底版迄今珍藏在广州市博物馆。1973年，戴念祖用这块底版冲印出清晰的相片。

光学技术广泛应用于现代生活诸多领域。在通信领域，光纤利用光的全反射原理，将携带信息的光信号在细小的光纤中传输，具有传输容量大、速度快、损耗低、抗干扰能力强等优势。在医疗领域，光学显微镜利用光的折射和放大功能，让医生能观察到细胞、微生物等微观结构，为疾病的诊断和治疗提供依据。激光手术刀可以精确地切割组织，治疗眼部疾病，去除皮肤病变，具有创伤小、恢复快等优点。通过磁共振（MRI）、计算机断层扫描（CT）等光学成像技术对人体内部结构进行非侵入式成像，帮助医生诊断，提高疗效。在能源领域，光伏发电是清洁能源，电池板吸收光子，将太阳光能转化为电能，缓解地球温室效应。在光催化领域，利用光激发催化剂，实现化学反应，为能源的转化和储存提供新途径。

在航天领域，天文望远镜是探索宇宙的“眼睛”，通过收集和分析天体发出的光，天文学家能观测到遥远的星系，研究宇宙的起源和演化。贵州省黔南地区平塘的“中国天眼”是目前世界上最大、最灵敏的单口径球面射电望远镜。在卫星遥感方面，利用光学传感器获取地球表面的图像和数据，为气象预报、资源勘探、环境监测等提供重要信息。在量子光学领域，科学家正在探索光与物质的量子相互作用，催生量子通信、量子计算等新一代通讯技术。

在生物光学领域，光学技术与生物学深度融合，通过开发新型光学成像技术和传感器，能实现对生物体内分子水平的动态监测。利用超分辨显微镜技术，人们能清晰地观察到细胞内的微观结构和分子活动，为揭示生命奥秘提供有力支持。在材料科学领域，智能光学材料能根据外界环境变化，自动调节光学性能，如变色玻璃、电致变色材料等，在建筑、汽车、电子等领域大有用途。纳米光学材料也为光电器件的小型化、高性能化提供新的解决方案。

涟商精英李四清早年研读于光学专业，并在国际光学企业任高管，却致力于科技报国、实业兴邦，2010年成立长步道光学科技有限公司，在长沙、广州设立研发制造基地，守正创新，精益求精，构建了从研发设计定制、镜片精密加工到镜头组装的完整产业链，产品涵盖标准面阵镜头、精密线扫镜头、远心测量镜头、大靶面镜头、微距镜头、自动对焦镜头、安防监控镜头、短波近红外镜头及多款特种镜头，热销50多个国家与地区，服务全球2000+企业的智能手机和无人飞机等新兴产业。长步道是饮誉全球的光学明星企业，李四清可谓当代“墨子”。

中国的光学应用历史悠久，从商周时期的阳燧取火，到现代激光制导、贵州天眼的技术创新，长期领先于世界。根据王佩良教授创立的糯文糯语英汉同源原理，即英语单词的每个字母可解读为音、意相通的相应汉字，“光”的英语单词“LIGHT”即可解读为亮（Liàng）熠（Yì）光（Guāng）辉（Huī）堂（Táng）五个表“光”的汉字。语言是文化信息的载体，是人类保存、传递、领会社会历史经验和科学、文化、艺术成就的手段。由此可知，西方光学科技的源头在中国，世界光学文化发源于华夏。展望未来，随着科学研究的推进，光学科技将在更多领域取得突破，为中华民族复兴、中国式现代化，为建设人类命运共同体、提升全球民生福祉作出更大贡献。

作者简介：王佩良，湖南工商大学数字媒体工程与人文学院副院长，教授，博士，硕士生导师；湖南省伏羲文化研究会副会长，湖南省食文化研究会副会长，糯文糯语英汉同文馆创始人；世界智慧科学院院士。张若彤、柏莲花、黎钰琳，湖南工商大学数字媒体工程与人文学院新闻与传播专业硕士研究生。（湖南工商大学数字媒体工程与人文学院）

                                                                                                                                      值班总编辑：贺文生