中国古代最伟大的科学先驱：墨子，一个人抵得上整个古希腊？

用心的人生 2021-08-03

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【题引】:
'墨子在自然学上的成就，决不低于古希腊的科学家和哲学家，甚至高于他们。他个人的成就，就等于整个希腊。'——著名中国思想史研究专家杨向奎《墨经数理研究》

1、

墨子为什么在现代很多影视作品中成了科学先驱的形象？原因很简单！因为在先秦诸子百家中，墨子无疑是最富有科学精神的一家。他既是思想家、军事家、政治活动家，同时又是一名中国古代的重量级能工巧匠和科学先驱。

所以墨子被中国人誉为“科圣”，被西方人称为“东方的亚里士多德”。

那么墨子的科学成就有哪些呢？主要分为大三方面：

第一、数学（几何学）方面的成就。

2、

从上面的图表中不难看出：

早在2000多年前，墨子及其弟子们就已经对几何学进行了比较深入而系统的研究，初步掌握了这一领域的知识体系。

举一个例子，墨子对“点”定义说：

端（点），没有体积，不占空间。

这，无疑是最原始的几何原素。还有墨子接着对“图形”描述道：

圆是由同一个圆心到圆周上任何一点的距离都相等的几何图形；方，是长方形的四边和角都是直而正的。

因此现代许多研究者认为：

墨子对“方”的定义完全可以媲美古希腊欧几里得关于几何“四角都是直角的四边形是长方形”的定义。

这，就是墨子的数学成就。

第二、力学（物理学）方面的成就。

3、

先说一下《墨子》这本书当中超越时代的时空观。

墨子认为：

宇宙是一个连续的整体，个体或局部都是由这个统一的整体分出来的，都是这个一整体的组成部分。

换句话说：

整体包含着个体，整体又是由个体所构成，整体与个体之间有着某种必然的有机联系。

在连续的宇宙观的基础上，墨子进而建构了一套关于时空的理论。他把时间定名为“久”，把空间定名为“宇”，并给出了“久”和“宇”的定义，他说：

所谓“久”，是包括古今旦暮的一切时间；所谓“宇”，是包括东西中南北的一切空间。而且时间和空间都是连续不间断的。

在给出了时空的定义之后，墨子又进一步论述了关于时空有限还是无限的这个现代科学家还在头疼的问题。墨子的结论是：

时空既是有穷的，同时又是无穷的，是一个矛盾的统一体。

为什么？

因为对于整体来说，时空是无穷的；而对于部分来说，时空则是有穷的。

墨子还开创性地提出：

连续的时空是由无数个“时空元”所组成的。

不要觉得这个理论没什么，要知道物理学界在1980年提出最新的“圈量子引力论”，其核心观点也是：

「时空不是连续的，而是由离散的块组成的。」

4、

在我们普通人的脑海中，宇宙是一个连续不可分割的整体。但是支持“圈量子引力论”的科学家现在却宣布说：

错了！宇宙是破碎的！

我们的世界，包括空间和时间，是由无数的微小“积木”搭建而成。

当你随手拿起一张白纸，就会发现，它的表面很光滑，光线照射在上面，甚至会反射出光泽。但是，当你拿起放大镜再次观察这张白纸时，就会发现，这张纸的表面其实并不那样光滑，它是凹凸不平的。如果你的放大镜质量上乘，放大倍数很高，你甚至能看到，纸其实是由许多的木质纤维组成的，这并不奇怪，因为纸就是木材被加工后得到的。

那么，如果再放大一些会看到什么呢？

当你拿起显微镜下观察时，就会进一步发现这张纸竟然粗糙不堪、漏洞百出。如果你的显微镜足够精密，你甚至能看到在纸上悠然漫步的细菌。

我们都知道：

纸也好，纸上的细菌也罢，都是由原子构成的，而原子依然可以划分为更小的物质。

如果你把一台无比精密的显微镜对准原子和原子之间的空隙，将会看到什么？

你将会看到，空间不是连续的，而是由一块一块的小空间组成的，同样的道理，当你用某种仪器去观察时间，将会发现时间也不是连贯的，也是一段一段拼合成的。

不必惊讶，这就是“圈量子引力论”告诉我们的。

这个理论预言：

我们周围的空间并不是无限可分的，它是离散的，有最小的组成体积，空间的最小单元，它的体积和表面积可以用一个物理学上最小的量来度量，即普朗克长度（10³³厘米）；因此，空间的可能的最小面积，大约是普朗克长度的平方，即10∧66平方厘米。同理，空间可能的最小的体积，大约是普朗克长度的立方，也就是10∧99立方厘米。

要知道，我们宇宙的体积，也不过是1立方厘米的10∧85倍。

通俗地说，在“圈量子引力论”中：

时间同样不是一条连续流淌的长河，而是如时钟的滴答声一般，每“滴答”一次，就大约是一个普朗克时间（10∧43秒）。说得更准确一些，在我们的宇宙中，时间就是以数不清的时钟滴答声来流动的；时间滴答滴答地跳过10∧43个最小时间（普朗克时间），我们的手表指针刚好走过1秒。

一句话：

“圈量子引力论”的本质就是——时空的量子化。

听完这个理论，我想你对墨子的“时空观”应该会有一个更直观更震撼的认识。

5、

好，我们接着讲墨子。

墨子的想法虽然略显粗糙，但其核心和“圈量子引论”竟然有异曲同工之妙：

他同样把“时空元”定义为最短的“始”和最小的“端”，“始”是指时间中不可再分割的最小单位，“端”是指空间中不可再分割的最小单位。

以此推论，墨子自然而然地就得出了一套自己的时空理论：

时空是连续无穷的，这连续无穷的时空又是由最小的单元所构成，在无穷中包含着有穷，在连续中包含着不连续的时空理论。

你现在闭上眼想象一下，墨子的时空观是多么的超前、多么的跨时代！不仅如此：

墨子接着在他时空理论的基础上，又建构了一套关于运动的理论。

他把时间、空间和物体运动三者统合起来，然后提出：

在连续的统一的宇宙中，所谓的物体运动表现为在时间中的先后差异和在空间中的位置迁移。没有时间先后和位置远近的变化，也就无所谓运动，离开时空的单纯运动是不存在的。

不得不说，墨子的时空物理学在2000多年前足以独步学界，傲视全球，即使放在当代社会，也比大多数普通人的时空观更加深刻且时髦。然而，这只是墨子学说的冰山一角而已。

6、

现代人难以想象的是，墨子竟然还曾经给物理界的“力”下过定义：

“力，形之所以奋也。”

意思是说：

力——是物体发生运动的原因。

没错，墨子对“力”的定义，跟我们近代物理学上完全相同。要知道在16世纪以前，欧洲学者还都认为：

『力——是维持物体运动的原因。』

直到伽利略横空出世才发现这是个错误：

原来力——是改变物体运动的原因，而不是维持物体运动的原因。

后来的牛顿也正是在这个基础上，才提出了相关的力学定律。因此，有些学者认为墨子的这个定义可以称作是牛顿第二定律的雏形。

7、

其次，墨子还发现了杠杆原理：

他把“秤”的提系处，作为“支点”，秤锤作为“力点”，秤盘作为“重点”。然后描述说，要想一直保持平衡，当秤头之物有所增减时，秤尾之锤就应左右移动。

也就是说：

那个时候的墨子已经懂得“重”（力）、“秤头”（重臂）、“秤尾”（力臂）之间存在的相互依存又相互制约的关系。

虽然这是杠杆原理的原始形式，但要比公元前3世纪古希腊阿基米德的杠杆研究要先进得多。

8、

还有一点需要注意的是：

墨子在力学方面的大多数成就，并不是通过“纸上谈兵”谈出来的，而是在社会实践中总结出来的。而且还以此为指导，将力学原理广泛的应用到了社会实践当中。

最著名的比如公元前440年发生的一场“无声的战争”：

当时楚国准备攻打弱小的宋国，延请鲁班大师制造了一大批的攻城云梯。墨子得到消息后，孤身前往，步行十天十夜，当面用自己强大的“物理学知识”辩服了鲁班，打碎了楚王的大国梦。

第三、光学方面的成就。

9、

关于小孔成像的发现，中国的墨子确实是世界上目前有记载的最早的描述者。西方大哲亚里士多德晚于墨子一百年，著作中也有如何将小孔成像用于观测日食的描述。

我们具体看一下【原文】：

『光之人，煦若射。下者之人也高，高者之入也下。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。』

翻译成白话，大意如下：

光线照到人，人体所反射的光线好像射箭一样地直线前进。然后，人体下部在屏之高处成像；人体高部（上部）在屏之下面成像。也就是说，人体所成像是上下颠倒的。

【继续翻译】：为什么呢？

这是因为，来自足部的光线，其下面一部分被遮蔽了；来自头部的光线，其上面一部分被遮蔽了。但正因为在光路上或远或近存在着小孔，可让光线透入，故暗匣内所成之象是个明亮的影像。

10、

《墨子》当中的这一段表述，堪称划时代。中国科学院自然科学史研究所的人认为：

“本条《墨经》文字不仅描述了小孔成像的情形，而且指出了光线的直线行进性质。”

事实上确实如此，墨子甚至连续用物影生成、小孔成像和瞬间鸟影不动三个例子来形象地证明了光的直线定律。换句话说：

墨子是世界上第一个明确指出——“光是沿着直线传播”原理的人。

不过遗憾的是，由于中国人太过于注重“学以致用”，没有重视“科学”的传统。所以尽管在墨子时代已经有了如此超前的科学发现，却并未能够成为一种代代相传的知识体系，而是很快被时间的车轮滚滚碾压进了历史的尘埃深处。

更遗憾的是：

连墨子本人也没有逃过被历史忽略和遗忘的命运。

11、

等到四百年后的司马迁撰写《史记》的时候，不但《墨子》这部书已经鲜少出现在知识分子的视野当中，而且连为墨子这个人写文立传的资料都少的可怜，几乎是湮没殆尽。司马迁只好在《孟子荀卿列传》中匆匆留下24个字：

“盖墨翟，宋之大夫，善守御，为节用。或曰并孔子时，或曰在其后。”

要知道，司马迁描写《孔子世家》可是足足用了9370个字，其他像老子、庄子、申子、韩非子等等再少也有几百上千字，唯独墨子的生平短的像一个注释，由此可以想见墨子在中国文化领域里的待遇。

所以在墨子之后，中国知识界在“小孔成像”这个问题上，陷入一种“海潮般”的涨落轮回当中，长期处于一种重复发现、重复研究的状态，也就不足为怪了。

12、

比如，唐代笔记小说家段成式，在其著作《酉阳杂俎》中留下了这样一段记载：

“陈司徒在扬州，时东市塔影忽倒。老人言，海影翻则如此。”

怎么说呢？一个以博学闻名于当世的大知识分子竟然把“东市塔影“的颠倒归因为“海影翻”（海中的倒影翻过来)，而且是听说自一位老者怪诞之谈，如果当时现场都是年轻人，恐怕都只能将“塔影忽倒”归结为不可思议的神迹了。很显然，时隔1200年之后，中国的知识分子对《墨经》中关于“小孔成像”的表述，可以说是几乎没有涉猎，也没有什么兴趣涉猎。

13、

到了北宋时期，中国好不容易又诞生了一位百科全书的大科学家——沈括，而且沈括也观察到了相似的现象——透过窗隙——会形成颠倒的鸢影和塔影。

《梦溪笔谈》里记载道（可略过看翻译）：

“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗隙所束，则影与鸢逐相违，鸢东而影西，鸢西则影东。又如窗隙中楼塔之影，中间为窗隙所束，亦皆倒垂，与阳燧（凹镜）一也。阳燧面洼，以一指迫面而照之则正；渐远则无所见；过此遂倒。其无所见处，正如窗隙、橹臬、腰鼓碍之，本末相格，遂成摇橹之势。故举手则影愈下，下手则影愈上，此其可见。

【翻译】：

“若鹞鹰在空中飞翔，它的影子随鹞鹰而移动；如果鹞鹰和影子中间被窗户孔隙所约束，影子与鹞鹰就向相反方向移动，鹞鹰向东飞则影子向西移，鹞鹰向西飞则影子向东移。又像窗孔中透过楼塔的影子，中间的光线被窗孔所约束，也都是倒垂，与阳燧的镜面是凹陷的，当一个手指靠近镜面时，像是正的；当手指渐渐移远到某一位置，像就不见了；超过这一位置，像就倒过来了。那个看不见的地方，正如窗户的孔，架橹的木桩、腰鼓的腰成了障碍一样，物体与像相对，就成了摇橹的情形。所以举起手来影子就越向下，放下手来影子就越向上，这就是可以看到的。

而且，沈括还特意点名“段成式”并抨击了一顿：

《酉阳杂俎》谓海翻则塔影倒，此妄说也。影入窗隙则倒，乃其常理。”

当然，通过这段叙述我们可以看出：

沈括不但观察到了“小孔成像”会出现倒影，同时也观察到了“凹镜（即阳燧）”可以形成正影和倒影。

但是他犯了一个错误：

竟然把“小孔成像”与“凹镜成像”的原理归为同一种现象（与阳燧一也）。

其实二者属于不同的光学现象：

小孔成像的原理在于——光的直射；凹镜成像的原理在于——光的反射；

不得不说，纵然是影响世界的大科学家沈括——依然对《墨子》没有深入的研究，时隔1400多年，中国知识分子对“小孔成像”的解释竟然没有丝毫进步，甚至还没有回归到墨子的水平。

14、

接着，时间来到了南宋。

没想到有一位诗人竟然对“小孔成像”充满了兴趣，他就是著名的爱国大诗人——陆游。陆游是学问狂人一个，在《老学庵笔记》中记下了自己的一段亲身观察的同时，还顺带敲打了一下段成式，批评了一下沈括。

他说【可略过直接看翻译】：

“段成式《酉阳杂俎》言，扬州东市塔影忽倒，老人言海影翻则如此。沈存中（即沈括）以谓大抵塔有影必倒。余在福州见万寿塔、成都见正法塔、蜀州见天目塔，皆有影，亦皆倒也。然塔之高如是，而影止三二尺，纤悉皆具。或自天窗中下，或在廊庑间，亦未易以理推也。”

【翻译】：

段成式在《酉阳杂俎》里说，扬州的东市塔影忽然颠倒，老人解释说是塔在海中的倒影翻过来了。沈括则说大抵只要是有倒影的高塔必然会颠倒。我在福州见到的万寿塔、成都见到的正法塔、蜀州见到的天目塔，都有倒影，所以（确实如沈括所言）都会颠倒。但是，塔那么高，而颠倒的影却只有二三尺，关键是细节都很齐备，有的是从天窗的缝隙中落下，有的是透过走廊中的窗孔成形，似乎不是能靠（倒影）推理解释的。

显而易见：

陆游自己亲身观察到的颠倒的塔影，并不全是从大海里的倒映出来的，很多都是透过天窗或廊窗的小孔形成的。

这就很诡异了，所以陆游认为：

沈括的解释力不够，一定还有某种神秘的原理尚未被发现。

还是那句话：

陆游虽然学富五车，才高八斗，但是对《墨子》一书可以说是没什么深入的了解和研究。

15、

直到元代，出了一位浑身披满道家色彩的科学家赵友钦——才算在“小孔成像”具体原理上的研究，超越了墨子。

正是他，这个中国历史上连生卒年月都没有被记录的人：

在八百年前亲自以一幢大楼当实验楼，设计了一系列大型的小孔成像实验，不仅证明了成像与小孔的形状无关，还证明了孔的大小会只影响成像的亮度，但不会改变像的大小等原理……

总之，赵友钦在这座实验楼里进行的整个实验涉及几何光学的一些基本问题。对小孔（形状和大小）、光源（形状和强度）、像（形状和亮度）、物距、像距等因素之间的关系进行了规律性的探讨，并得出许多正确的结论。

其中有一条“改变像距”的实验结论说：

“光源强度、小孔大小和物距不变时，像距愈小，像愈小，而照度愈大，像就比较清晰；反之，像距愈大，像愈大，而照度愈小，像就比较模糊。”

这一定性的照度定律虽然在学术上表述上不够精细，但西方是直到400多年后才由德国科学家来博托得出了相似的结论：

『“照度与距离平方成反比。”』

最重要的是，赵友钦身上的那种打破传统，不拘一格地采用大规模的实验方法去探索自然规律的科学实践，在世界物理科学史上也是开创性的，比伽利略早整整两个世纪。所以著名科学史学家李约瑟曾在《中国科学技术史·物理卷》中感叹说:

'墨子关于光学的研究，比我们所知的希腊的为早，印度亦不能比拟。'

不过，可惜的是：

等到中国的知识分子重新发现科学的重要性时，已经在晚清被西方各国揍的鼻青脸肿了。

作者：紫侠狼，90后文字狂生，夜色如墨，月光如我。精研国学十四年，累计读书2.5万小时，写作70余万字。在通识教育的基础上，致力于打通各个学科之间的理论壁垒，提倡“用科学开释国学，以新统承继传统”的治学思想，目前代表作品有《酷说老子》和《酷说人性》两大系列连载。

【本文参考资料】：

^1、《墨子·经说上》“端：是无同也。”
^2、《墨子·经上》：“圜，一中同长也。行，为也。方，柱隅四讙也。”
^3、参考【墨子】《经上》：“久，弥异时也。” 《经说上》：“久，合古今旦暮。” 《经上》：“宇，弥异所也。” 《经说上》：“宇、蒙东西南北。”
^4、金秋鹏《自然科学史研究》，1984年第4期。
^5、参考【墨子】《经上》：“穷，或有前不容尺也。” 《经说上》：“穷，或不容尺，有穷。莫不容尺，无穷也。” 【今译大意】：“域前不容尺是穷，域前无不容尺是无穷，因而空间也是有穷无穷的矛盾统一体。整个空间是无穷的，无穷的空间又是由有穷的区域所构成。”
^6、什么是圈量子重力论？它与弦论有何不同？ https://baijiahao.baidu.com/s?id=1656760970016611434&wfr=spider&for=pc
^7、金秋鹏《墨子科学思想探讨》。
^8、参考【墨子】《经下》：“宇或徙，说在长宇久。” 《经说上》：“长，宇徙而有处，宇。宇南北在旦有（又）在暮。”【今译大意】：“空间，有区域的移动，主要在于时间的移动。”“宇：时间移动而又有区域的移动，就是宇宙。从东方到西方，就是旦和暮。”
^9、《墨子·经上》
^10、曾宪明、韦德泉《墨子的物质观、时空观、运动观》：[枣庄学院学报]2005年10月第22卷第5期
^11、《墨子·经下》
^12、《墨子·公输》
^13、参考《墨经·经说下》
^14、戴念祖、张旭敏，《中国物理学史大系：光学史》，湖南教育出版社，2001，第136页。
^15、《酉阳杂俎·前集卷四·物革》
^16、《梦溪笔谈·卷三辩证一·阳燧》
^17、《老学庵笔记·卷八》
^18、实验楼是两间土木结构的两层楼房，每间楼下各挖4尺直径的圆井一口于当中，右井深4尺，左井深8尺。左井里放一张4尺高的桌案。井底有两块直径4尺的圆板，每块板上钉一千个铁钉做蜡烛签。实验时点燃一千支蜡烛，作为模拟的日月——光源。井口的地面上覆盖两块直径5尺的圆板，板心各开方孔一个，左边一个1寸左右见方，右边那个寸半左右见方。实验时，可观察到楼板下有两个一大一小、一浓一淡的圆影，用来验证“小孔成像”原理与像的形状及照度与孔的大小的关系。
^9、关增建、马芳，《中国古代科学技术史纲：理化卷》，辽宁教育出版社，1996，第289~294页。
^20、白寿彝《中国通史·第八卷：中古时代·元时期·第二节·光学实验》
^21、《中物史·5光学·第九节》
^22、赵友钦《革象新书·卷五·小罅光景》