从杠杆到量子 · 一部按时间走的物理学第 13 章 / 第三单元 · 光
第 13 章 · 前 4 世纪—1270 年代

古代人怎样理解“看见”

是眼睛向外伸出视线,还是光从物体走进眼睛?一千六百年里,这个问题怎样变成了一门几何学。

阅读约 30 分钟两个可以动手的演示公式:3 个
序章第三单元 · 光 · 1 / 7终章

时代速写亚历山大里亚,一块刻着度数的铜盘

公元 2 世纪中叶的亚历山大里亚,托勒密立起一块边缘刻着度数的铜盘,在盘心贴上一块透明玻璃做的半圆柱。他从斜上方沿着某个角度看向盘心,再读出那条线进入玻璃之后偏到了第几度1。

他一共读了八次:斜 10 度进去,在玻璃里只剩 7 度;斜 20 度进去,剩 13 度半;一直读到 80 度1。这些数字和今天按普通玻璃算出的数值相差都不到一度。奇怪的是,托勒密以为自己量的是从眼睛射出去的“视线”在玻璃里拐了多大的弯2。他把方向想反了,数字却量对了。

这一章要讲的,就是这件怪事背后的一千六百年。人怎么看见东西?是眼睛像手一样伸出去“摸”到物体,还是物体把什么东西送进了眼睛?镜子里的那个人究竟站在哪里?一根筷子插进水里为什么会折断?中国的墨家、希腊的数学家、巴格达和开罗的学者、英格兰和波兰的修士,先后给出了各自的回答。到 13 世纪末,这些回答汇成了一门叫“透视学”(perspectiva)的学科,再过一百多年,它会走进佛罗伦萨画家的作坊。

  • 约前 300欧几里得写《光学》,把视觉画成一个从眼睛出发的锥体3,2。
  • 战国晚期《墨经·经下》用八条讨论影子和镜像,包括平面镜、凹面镜、凸面镜4,5。
  • 约 60亚历山大里亚的希罗指出:光被镜子反射时走的是最短的路3。
  • 约 165托勒密写《光学》,留下现存最早的折射测量表2,1。
  • 984 前后巴格达的伊本·萨赫勒写《论燃烧器具》,给出了相当于今天折射定律的关系6。
  • 11 世纪初伊本·海什木在开罗写成七卷《光学书》,系统反驳“眼睛发光”的说法7,8。
  • 约 1200《光学书》被译成拉丁文,书名《论视觉》(De aspectibus)9。
  • 约 1228英格兰的格罗斯泰斯特写《论彩虹》,提出一条错误的折射规则10。
  • 1267罗吉尔·培根把《透视学》作为《大著作》的第五部分送交教皇11。
  • 1270 年代维特罗和佩卡姆各写一部透视学教科书,此后在欧洲大学里用了三百年9,12。

问题眼睛伸出去,还是东西走进来

“看见”这件事太平常了,平常到很少有人追问它是怎么发生的。可只要一追问,就会碰到难题。眼睛和远处的山之间隔着空气,什么也没有碰到,山怎么就“到了”我的眼里?

前 5—前 4 世纪两种回答

希腊人很早就分成了两派。一派认为是眼睛往外送东西。前 5 世纪的恩培多克勒把眼睛比作一盏灯笼:里面点着火,隔着一层薄膜向外照13。这个比喻有一个明显的麻烦,眼睛里如果有火,人在夜里也该看得见。所以恩培多克勒又补充说,眼中射出的东西要和太阳这样的外部光源相互作用才行3。他同时也承认,物体会放出细微的“流射”,进入眼睛的孔道13。柏拉图在《蒂迈欧篇》里说得更具体:我们体内有一种和白昼之火同类的纯火,平滑而密集地从眼睛里流出去,和日光结合成一个整体14。

另一派认为是东西往眼睛里送。德谟克利特这些原子论者说,物体表面不断剥落一层层由原子组成的薄膜,像蛇蜕皮一样飞散出去,其中缩得足够小的那些钻进眼睛,人就看见了15。这个说法也有麻烦:一座山的“薄膜”要缩到瞳孔那么大才能钻进去,一路上怎么保持形状不乱?

亚里士多德两边都不赞成。他认为眼睛和物体之间必须有一种透明的东西,比如空气或水;光是让这种透明的东西真正“透明起来”的状态;物体的颜色推动这层透明的介质,介质再作用到眼睛上16。照这个说法,眼睛既不往外发射,也不接收什么飞来的薄膜。

后来的史家把这些主张归成两类:东西进入眼睛的叫接收说(亚里士多德和原子论者),眼睛向外发出东西的叫发射说或视线说(毕达哥拉斯派、欧几里得、托勒密)2。

数学家为什么喜欢视线说

今天看,视线说显然错了。可是在一千多年里,最会算的人几乎都站在这一边。原因很实际。如果从眼睛这一点出发画直线,那么“看见”就变成了一组从同一个顶点散开的直线,视觉问题就全变成了《几何原本》里已经讨论过的三角形问题2。原子论的“薄膜”和亚里士多德的“介质”都说明了看见的原因,却没法拿尺子和圆规去算。视线说可以算。

所以这一章里有两条线索交织在一起:一条是“看见的原因”,从眼睛发出还是进入眼睛;另一条是“看见的几何”,线怎么走,镜子里的像在哪里,水里的东西为什么移了位。第二条线索的答案大部分在古代就找对了,第一条要到 11 世纪才被扳过来。你会看到,扳过来之后,几何部分几乎一个字都不用改。

战国晚期《墨经》:影子不会走,镜子会骗人

序章讲过《墨经》里的小孔成像:“景到,在午有端”。同一部书的《经下》里,和这一条排在一起的还有七条,一共八条,后人习惯叫“墨经光学八条”。物理学家钱临照 1942 年前后写《释墨经中之光学力学诸条》,把它们逐条校释,前五条讲光和影,后三条讲成像。他数过,这八条连经带说一共只有三百四十三个字5。

德国马克斯·普朗克科学史研究所的施梅尔和美国华盛顿大学的汉学家鲍则岳在 2022 年出版的专著里提醒:这八条其实只讲了两件事,影子(第 17—21 条,按汉学家葛瑞汉的编号)和镜像(第 22—24 条)。它们没有讨论“人是怎么看见的”,所以算不上希腊意义上的视觉理论,更像“影子学”加上“镜子学”4。古文里一个“景”字,既可以读作 yǐng 指影子,也可以读作 jǐng 指光和镜中的像,墨家用同一个字写这两样东西4。

影子:“光至景亡”

第一条是“景不徙,说在改为”,影子不会移动。《经说》解释:“光至景亡。”光照到哪里,那里的影子就没了。你走路时影子跟着走,在墨家看来是旧的影子不断被光消灭,新的影子在旁边不断重新形成4。《庄子·天下》里有一句同样意思的怪话:“飞鸟之景未尝动也”,飞鸟的影子从来没动过4。这类说法听上去像诡辩,其实是把影子从“东西”里剔了出去。影子只是光没照到的地方,它自己不是一样能走动的物体。

第二条“景二,说在重”,《经说》是“二光夹一光,一光者景也”。施梅尔和鲍则岳的复原是:三支蜡烛排成一排,中间那支被两边的夹着;墙上会出现一深一浅的双重影子,最深的那块恰好只被一支蜡烛照到4。第四条“景迎日”说,阳光被墙之类的东西反射回来照到人身上,人的影子就落在人和太阳之间,朝着太阳4。这是一条关于反射的观察。

三种镜子

最后三条讲镜子,平面镜、凹面镜、凸面镜都写到了:

第 22 条 · 平面镜临鑑而立,景到,多而若少,说在寡区镜里的像和人对称:人走近,像也走近;人后退,像也后退。《经说》还说像“必过正”,看上去在镜面后头,不在镜面上4。
第 23 条 · 凹面镜鑑洼,景一小而易,一大而正,说在中之外内凹面镜里的像,有时小而倒,有时大而正,关键看物体在“中”的里面还是外面。在“中”以内,像是正的;在“中”以外,像是倒的4。
第 24 条 · 凸面镜鑑團,景一小一大而必正凸面镜里的像有大有小,但一定是正的。《经说》:物近则像大,物远则像小4。

凹面镜这一条最有分量。拿一个汤勺的凹面照自己,脸离得近时是正的、放大的;拉远到一定距离,脸会突然翻过来变成倒的、缩小的。墨家说的“中”,从今天看大致相当于凹面镜的焦点。像的大小和正倒,正是以这个点为界翻转的。施梅尔和鲍则岳指出,墨家给出的几何构图本身不对,但定性的结论对4。钱临照的评语是,墨家讲凹面镜物与像的关系“甚详且甚确”,可惜没有讲到聚焦5。

一个容易被忽略的区别

墨家解释小孔倒像时说“光之入,煦若射”,光进来时像射出的箭4。这些箭是从光源和被照的物体那一侧射出来的。下面你会看到,希腊人画的线是从眼睛射出去的。施梅尔和鲍则岳认为,墨家的镜像几条和希腊的《反射光学》在几个关键结论上惊人地相似,比如平面镜的像在镜后一定深度,凹面镜的像会翻转,但两边是各自独立得出的。墨家也没有把这些结论组织成一套从公理推出命题的体系。只有小孔和凹面镜两条明确假定了光走直线,没有证据表明墨家把“光走直线”当成了普遍原则4。秦汉以后墨学衰落,晋代鲁胜作注之后中断了一千多年,直到清代学者重新校勘5。

前 300 — 165希腊:把“看见”画成三角形

约前 300欧几里得:视线锥

欧几里得生活在亚历山大里亚,大约前 300 年,他写了一部《光学》3,17。这部书的开头像《几何原本》一样,先列出几条假设,再一条条证明命题。假设大意如下2:

  1. 从眼睛发出的视线是直线,并且向外发散。
  2. 一组视线围成一个锥体,锥顶在眼睛,锥底在被看的物体表面。
  3. 视线落到的东西被看见,落不到的东西看不见。
  4. 在较大的角度下看到的东西显得较大,较小的角度显得较小,相等的角度显得一样大。
  5. 用较高的视线看到的东西显得较高,在右边的显得在右边。

第 4 条是整部书的发动机。同一根柱子,近处看占的角度大,远处看占的角度小,所以远处的柱子显得矮;一条笔直的长廊,两边的墙离得越远张开的角度越小,于是看上去向远处收拢。欧几里得用这几条假设证明了一连串这样的命题,MacTutor 称这部书是“第一部希腊人讨论透视的著作”17。他还假定视线锥可以拆成一根根分开的射线2。

《反射光学》:镜子里的像在哪里

另一部署名欧几里得的书叫《反射光学》(Catoptrica),专讲镜子。书的作者是不是欧几里得本人,学界争论了很久,现存的文本一般认为掺进了后人的材料4。书里给出了反射的规律3,还有一条找像的办法:从物体向镜面作一条垂线(希腊文叫 cathetus),再把眼睛看向镜面的那条视线延长到镜子后面,两条线的交点就是像所在的位置。对平面镜和凸面镜,这条“垂线法则”都管用2。

它对凹面镜就不灵了。按同一条法则,凹面镜的像可能出现在观察者脑后,可能在眼睛里,也可能根本没有像,欧几里得没能回答2。书里还有一条命题说,凹面球镜对着太阳,反射光会汇聚到球心并且点着火2。这一条说错了位置。球面镜把平行光大致聚到半径一半的地方,而且聚得并不完美。

比欧几里得晚一两代的狄奥克勒斯写了《论燃烧镜》,第一个证明了抛物面镜能把平行的阳光准确地聚到一点18。这本书的希腊文原本已经失传,20 世纪在伊朗马什哈德的一座圣陵图书馆里找到了阿拉伯文译本,1976 年译成英文出版18。

约 60希罗:光走最短的路

公元 1 世纪,亚历山大里亚的希罗也写了一部《反射光学》。他同样认为视觉来自眼睛发出的光线19。他给“入射角等于反射角”找了一个理由。光从一点经镜面反射到另一点,在所有可能的路径中,走的是最短的那一条3。下面的演示可以验证这件事,也可以看看垂线法则怎样找到镜中的像。

平面镜里的像在哪里演示 1 · 拖动蜡烛和眼睛

两个按钮画出来的是同一条折线,只是箭头方向相反。视线说能流行一千多年,这是原因之一。在几何上,“从眼睛射向蜡烛”和“从蜡烛射向眼睛”无法区分。再打开“自己挑反射点”,你会发现路径最短的那一点,正好是两个角相等的那一点。

约 165托勒密:第一张折射表

托勒密今天以天文学著作《至大论》出名。他晚年还写了一部五卷本的《光学》,讨论颜色、反射、折射和各种形状的镜子20。科学史家图默评价说,这部书最醒目的特点是用实验来确立理论,而且经常为此专门造仪器20。可惜希腊原本早已失传,今天能读到的只有一个质量不高的阿拉伯文译本,再经拉丁文转译下来的文本20。

托勒密也是视线说的信徒。在他看来,视线直来直去时,物体就在它真正的位置被看见;视线碰到镜面被折回,或者穿进水和玻璃时被折弯,眼睛看到的就是一个挪了位置的像。反射和折射是视觉的两种“异常”2。为了弄清折射这种异常有多大,他做了三组实验:空气进水,空气进玻璃,水进玻璃1。开头那块铜盘就是空气进玻璃的那一组,佛罗伦萨的伽利略博物馆复原过这套装置1。他的读数如下:

入射角折射角比上一行多
10°7°7°
20°13½°6½°
30°19½°6°
40°25°5½°
50°30°5°
60°34½°4½°
70°38½°4°
80°42°3½°

先看前两列。入射角越大,折射角也越大,但长得越来越慢,这是对的。再看第三列,相邻两个折射角的差是 7、6½、6、5½……每一步恰好少半度,排得整整齐齐1。真实的测量读数很难这么规整,这让人怀疑表里的数不全是原始读数,而是按某种算术规律“修匀”过。科学史家史密斯(A. Mark Smith)1982 年专门写过一篇论文,讨论托勒密寻找折射规律时用的这种“拯救现象”的方法及其局限21。表里有多少是原始读数、多少是修匀的结果,史家的看法并不一致。

托勒密离正确答案其实不远。他给出的是一列数字,没有一条能算出任意角度的公式。下面这个演示把他的表和今天的折射定律画在一起,你可以自己调玻璃的折射率,看哪种玻璃和他的数据最吻合。

托勒密的折射表演示 2 · 改变入射角和玻璃

把折射率调到 1.5 左右,托勒密的八个点几乎都落在曲线上,平均只差半度上下。考虑到他用的是肉眼对准刻度,这已经是相当好的测量。真正的规律要再等八百年,由巴格达的一位数学家写出来。托勒密还从恒星位置的测量中意识到,大气本身也会让星光折射3。

9 — 11 世纪巴格达与开罗:线的另一头

阿拉伯语世界的学者读过欧几里得和托勒密的光学22,托勒密的《光学》就是靠阿拉伯文译本才流传下来的20。9 到 11 世纪,阿拉伯语世界的学者把这门学问推到了希腊人没有到达的地方。

9 世纪肯迪:仍然从眼睛出发

巴格达的哲学家肯迪(al-Kindī,约 800—870 年代初)写过一部《论视觉》,阿拉伯文原本失传,只有拉丁文译本留下来。他继承欧几里得和托勒密的传统,用几何作图解释透视、影子、折射、反射和燃烧镜,也认为视觉是眼睛沿直线发出的“射线”打到物体上;发光体则发出光线照亮物体22。肯迪对希腊权威很尊重,但比同时代人更愿意指出他们的缺陷,欧几里得的光学就是他批评过的例子22。

984 前后伊本·萨赫勒:一个比值

20 世纪后期,法国国家科学研究中心的科学史家拉希德(Roshdi Rashed)在大马士革和德黑兰的两份手稿里,拼出了一部几乎被遗忘的书《论燃烧器具》。作者伊本·萨赫勒(Ibn Sahl)是巴格达宫廷里的一位数学家,书写于 983—985 年间6。海什木知道这部书,还亲手抄过其中的一部分6。

书名里的“燃烧器具”指能把阳光聚起来点火的镜子和透镜。伊本·萨赫勒先研究抛物面镜和椭球面镜,再转向透镜,问怎样磨一块透镜,才能让平行射来的阳光穿过之后聚到一点6。要回答这个问题,就必须知道光穿过玻璃时到底拐多大的弯。

他的办法是从折射点出发取两条线段:一条沿着空气里的光线,一条沿着水晶里那条光线的延长线,两条都截到同一条垂直于界面的直线为止。他指出,对同一块水晶,这两条线段的比值是一个固定的数,不随入射角改变。拉希德证明,这个比值正好等于两个角的正弦之比,也就是今天折射率的倒数 1/n6。换句话说,伊本·萨赫勒在斯涅尔(1621 年)之前六百多年,就写下了与斯涅尔定律等价的关系6,3。他用这个比值算出了透镜表面该有的形状,一种双曲面;还设计了一套能连续画出双曲线的工具6。拉希德说,他是已知第一个研究透镜的数学家6。

伊本·萨赫勒《论燃烧器具》手稿的一页:上半是几何图,左上是几条斜线和竖线组成的三角形作图,右边是一块透镜的剖面;下半是阿拉伯文
伊本·萨赫勒《论燃烧器具》的一页,德黑兰国民图书馆(Milli)手稿第 867 号第 7 叶正面。拉希德在 1990 年的论文里用这一页作第一幅插图:图中是平凸透镜的几何构造6。左上角那组斜线和竖线,就是他用来刻画水晶折射比值的作图;右边是透镜的剖面。伊本·萨赫勒,公有领域 · Wikimedia Commons

这本书没有流传开来。研究彩虹的格罗斯泰斯特两百多年后在英格兰思考折射时,对伊本·萨赫勒的结果一无所知10。

11 世纪初伊本·海什木:为什么看太阳会痛

伊本·海什木约 965 年生于巴士拉,后来到了开罗,约 1040 年死在那里7。他和法蒂玛王朝哈里发哈基姆的故事有好几个版本。一种说法是,他提出治理尼罗河,走到上游发现做不到,于是装疯,被关在家里直到 1021 年哈基姆去世;另一个版本说他逃去了叙利亚;还有版本说他在巴士拉时就装过疯7。这些故事都来自后人的记载,细节难以核实。

序章讲过他用暗室和几盏灯做的实验,这里看他怎样驳倒“眼睛发光”。他的论证朴素得像常识8:

  1. 看太阳或别的强光,眼睛会疼,甚至受伤。身体不会自己伤害自己,一定是有东西从外面进到了眼里。
  2. 盯着亮光看一会儿再移开视线,眼前还留着一个亮斑,也就是余像。这说明眼睛受到了外来的作用,它是接收的一方。
  3. 人在黑夜里看不见。如果眼睛自己能放出光,什么时候都应该看得见。

反驳只是第一步。原子论者和亚里士多德也主张东西进入眼睛,但他们讲不出“怎样进入”的几何。海什木的新东西在第二步。他认为发光物体上的每一个点,都沿着所有的直线向四面八方发光23。物体的每一点都同时向眼睛送来无数条光线,眼睛怎么才不会被弄糊涂?他的回答是,起作用的主要是那些垂直进入眼睛表面的光线23,它们沿着物体和眼睛中心点之间的直线进来8。这样,欧几里得的视线锥被原封不动地保留下来,只是锥里的每一条线都掉了个头,从物体指向眼睛。数学家的几何和自然哲学家的“接收”,在这里第一次接上了。

16 世纪拉丁文印本中的眼睛剖面木刻:几层同心的膜包着中间的晶状体,下方是一根粗管,标着 NERVUS OPTICUS(视神经)
海什木著作拉丁文印本里的眼睛剖面图,16 世纪。外面几圈是角膜(Cornea)和各层膜,正中央那个小椭圆标着 humor crystallinus,就是晶状体;下面的粗管是通往大脑的视神经(NERVUS OPTICUS)。注意晶状体被画在眼球的正中心。海什木对眼睛内部的描述有不少错误,他还没有“透镜成像”的概念,不知道晶状体在把光聚成像7。Wellcome Collection,CC BY 4.0 · 同一图像亦见 Wikimedia Commons

《光学书》共七卷。第一卷宣布研究要以实验证据为准,后面几卷讲视知觉、视觉的错误、反射和折射7。第四卷描述了一台他自己设计的铜制仪器,用来测量平面镜、球面镜、柱面镜和锥面镜的反射,凸的凹的都有7。第五卷里有一个后来以他命名的难题:给定光源、眼睛和一面球面镜,求镜上的反射点7。第七卷讲折射,但他没有像伊本·萨赫勒那样给出一条定量的规律7。他还认为光在折射时会走一条“更容易、更快”的路23,这个想法要到 17 世纪的费马手里才变成精确的“最短时间原理”3,第 15 章会讲到。

1228 — 1270 年代拉丁世界:修士们的“透视学”

大约 1200 年,海什木的《光学书》被一位不知名的译者译成拉丁文,题为《论视觉》(De aspectibus)9。到 13 世纪中叶,希腊和阿拉伯的光学著作已经大多可以在欧洲的学术中心读到9。接手这份遗产的,主要是几位教会里的学者。

约 1228格罗斯泰斯特:一条错得很漂亮的规则

罗伯特·格罗斯泰斯特(Robert Grosseteste,约 1168—1253)后来当上了林肯主教。他在《论光》里把光看作造物的第一形式,认为光自我扩散,把原初的物质撑成了三维的宇宙;他也一再强调,要理解自然,必须懂线、角和图形24。

大约 1228 年,他写了一篇短文《论彩虹》,第一次把折射引进了对彩虹的解释10。文中他仍然相信,看见需要眼睛和物体两边的射线会合10。他还给出了一条折射规则,折射角等于入射角的一半。理由一半是“自然总是取最简单的方式”,一半是实验10。你可以在演示 2 里打开这条规则看看。入射角小的时候它不算太离谱,角度一大就差得很远。科学史家林德伯格对他的彩虹理论评价很低,说它“连最基本的现象都解释不了”;2017 年牛津大学和杜伦大学的一个团队用透明圆锥做实验,发现圆锥确实能投出弓形的亮带,认为格罗斯泰斯特的想法可能来自真实的观察10。

1267罗吉尔·培根:送给教皇的一块透镜

方济各会修士罗吉尔·培根在序章出现过,他在书里提倡“实验科学”。1266 年 6 月 22 日,教皇克雷芒四世命他把学问写出来。他很快写成了《大著作》,其中第五部分就是《透视学》;约 1267—1268 年,他把这些著作,连同一篇《论燃烧镜》和一块光学透镜,一起送到了教廷11。

培根读过海什木、托勒密、肯迪和欧几里得。他采纳了海什木的接收说,认为是物体发出的“形象”(species)进入眼睛改变了晶状体;同时又保留了一点发射说,强调眼睛不是完全被动的11。他说的 species,是任何物体作用于周围事物的力量,光只是其中一种11。他还认为透镜可以放大,能帮助视力不好的人25,3;他给出彩虹最高只能升到地平线以上 42 度,比前人都准,MacTutor 认为这个数字一定是他通过实验得到的25。经过他的提倡,“透视学”成了大学里四门数学学科之外新加的一门11。

中世纪手稿插图:左边一个标着 sol 的太阳,几条光线穿过一个大圆球,在右边汇聚到一点
培根《论物种的增殖》手稿中的一页。左边的小圆写着 sol(太阳),几条光线射进一个透明的球,在进出球面时各拐一次弯,汇聚到右边标着 punctus combustionis(燃烧点)的地方。线旁的小字多处写着 perpendicularis(垂直),标出那条不拐弯的垂直射线。大英图书馆藏手稿,公有领域 · Wikimedia Commons

1270 年代维特罗和佩卡姆:写成教科书

维特罗(Witelo)1230 年代初生在西里西亚,在巴黎、帕多瓦求学,后来在意大利维泰博的教廷结识了翻译家穆尔贝克的威廉12。他的《透视学》十卷,大概写于 1270 年代前半,献给威廉9,12。这部书印出来将近五百页,从几何讲到光的辐射、视觉、反射和折射,主要依据海什木,可全书从不提海什木的名字12。

英格兰方济各会修士约翰·佩卡姆(John Pecham)的《普通透视学》大约写于 1270 年代后期,不久他被任命为坎特伯雷大主教9。这本书比维特罗的薄得多,写给最广泛的读者。研究中世纪光学的史家史密斯开玩笑说,要是今天出版,它的书名大概会改成《光学傻瓜书》9。它的手稿数量最多,1482 年前后最早被印成书,印的次数也最多;维特罗的书 1535 年印行,培根的《透视学》要到 1614 年才印出来9。1572 年,巴塞尔的里斯纳把海什木和维特罗的著作合印成一册,就是序章出现过的《光学宝库》9。开普勒 1604 年的光学著作,书名就叫《对维特罗的补遗》3,12。

到这里,从眼睛出发的视线和从物体出发的光线,在拉丁欧洲的教科书里还在并存,但三位修士的书都以海什木为主要依据9,12。几何部分基本定型了。光走直线,反射角等于入射角,像在垂线上,折射时光朝法线偏。缺的是一条正确的折射定律,和对眼睛里那块透镜的正确理解。

概念光线、像和视角

把这一千六百年的成果收拢一下,留到今天的是三条规则。它们都只关心线怎么走,不关心线朝哪个方向走。今天的光学课把这件事叫作光路的可逆性,意思是把光线的方向倒过来,几何关系完全不变26。这正是欧几里得的几何在“视线”被推翻以后还能整个保留下来的原因。

反射:等角,镜后同样深

θ入 = θ反
θ入
入射角:射来的光线和镜面法线(垂直于镜面的线)之间的夹角
θ反
反射角:反射出去的光线和法线之间的夹角
读法:光以多大的角度斜着打到镜面上,就以多大的角度斜着弹回来。由此可以推出,平面镜里的像和物体关于镜面对称,物体在镜前多远,像就在镜后多远。这正是《墨经》说的“过正”,也是《反射光学》的垂线法则4,2。希罗换了个说法,在所有经过镜面的路径里,光走最短的那条3。

折射:一个固定的比值

n1 sin θ1 = n2 sin θ2
θ1, θ2
光线在两种介质里和法线的夹角,比如空气里的入射角和玻璃里的折射角
n1, n2
两种介质的折射率。空气约为 1,水约 1.33,普通玻璃约 1.5
sin
正弦:直角三角形里,角的对边和斜边之比。角越大,正弦越大,但到 90° 为止最大只有 1
读法:光从空气进入玻璃,入射角的正弦和折射角的正弦之比是一个固定的数,等于玻璃的折射率。比如入射 30°,sin 30° = 0.5,在 n = 1.5 的玻璃里,折射角的正弦就是 0.5 ÷ 1.5 ≈ 0.33,折射角约 19.5°,和托勒密表里的 19½° 一样。伊本·萨赫勒写下的那个线段比值,就是 1/n6。托勒密的表和格罗斯泰斯特的“一半”,都是对这条曲线的近似。

视角:远处的东西为什么小

α ≈ 57° × h ÷ d
α
视角:物体两端射到眼睛的两条线之间的夹角,单位是度
h
物体的高度
d
物体离眼睛的距离,和 h 用同样的单位
57°
换算系数,把“高度除以距离”这个比值换成角度。这个近似在角度不太大(二三十度以内)时很准
读法:一个 1.8 米高的人站在 10 米外,视角约 57 × 1.8 ÷ 10 ≈ 10°;退到 20 米,视角减半,约 5°。欧几里得的第 4 条假设说,角度大的显得大2。距离加倍,看上去就小一半。文艺复兴画家要在一块平板上画出纵深,靠的就是这条关系。

影响它怎么改变了世界

中世纪的透视学没有造出机器,它的影响先落在了人的眼睛和手上:画家怎么画,学生怎么学,数学家怎么想。最后,它变成了今天电脑屏幕上的每一帧画面。

一 · 画家的窗户:透视画法

海什木从没把他的理论用到绘画上,可文艺复兴的画家后来大量借用了他的光学27。约 1413—1415 年,佛罗伦萨建筑师布鲁内莱斯基第一个说清了线性透视:画面里所有不和画面平行的平行线,都汇聚到同一个“灭点”27,28。他画了一块洗礼堂的透视板,在灭点上钻一个小孔,让人从板背后透过小孔,看对面镜子里反射的画。这样观者的眼睛被固定在唯一正确的位置上27。马萨乔约 1425—1428 年在新圣母大殿画的《三位一体》,用的就是他的原理27,28。

1435 年,阿尔贝蒂写成《论绘画》,第二年出了意大利文版,献给布鲁内莱斯基。他给绘画下的定义是:在一定距离、固定中心和确定光线下,对“视觉金字塔”的一个截面27,29。这个金字塔就是欧几里得的视线锥,画布就是插在锥里的一扇窗户。约 1447 年,雕塑家吉贝尔蒂在《评述》第三卷里大段抄录了海什木《光学书》的意大利文译本,这份译本的抄本当时就在佛罗伦萨的艺术家圈子里流传30,27。

马萨乔壁画《三位一体》,画中是拱顶下的耶稣受难像,拱顶的格子向深处收拢
马萨乔《三位一体》,约 1425—1428 年,佛罗伦萨新圣母大殿。这里是壁画的上半部分。看拱顶上那些方格:越往深处越小,方格的边线朝画面中下部的一点收拢。墙其实是平的,拱顶是画出来的。有学者实测这幅壁画,找到了透视构图的中心点,认为布鲁内莱斯基对它有所贡献28。马萨乔,公有领域 · Wikimedia Commons
二 · 从画室到工程图:射影几何

透视画法反过来推动了数学。法国工程师德扎格 1636 年写了一本讲透视作图的小册子,1639 年又印了一部讨论圆锥曲线的著作,开创了一门新的几何,今天叫射影几何31。它研究的正是“从一个点投影到一个平面上,什么变了、什么不变”。画家的经验就这样变成了一门数学。

三 · 屏幕里的视线:光线追踪

今天的电脑动画和电子游戏,最常用的成像模型叫“合成针孔相机”:所有光线都穿过一个无限小的孔,落到一个成像平面上26。这就是墨家的“景到”和阿尔贝蒂的窗户。要算出每个像素的颜色,计算机图形学有两种追踪光线的办法:从光源出发,或者从眼睛出发。教科书上通常选后者,从眼睛把一条条线射进场景,看它先撞到什么26。能这样倒着追,靠的正是光路可逆:几何光学的规律在路径反转时不变26。1980 年,惠特德在此基础上提出了递归光线追踪,能算出反射、折射和阴影26。电脑动画和游戏画面里的“相机”,就是一个欧几里得式的视线锥。

四 · 燃烧镜的后代:太阳炉

狄奥克勒斯证明了抛物面能把平行光聚到一点18,6 世纪的拜占庭建筑师安提米乌斯在《论燃烧镜》里再次讨论了这个性质32,伊本·萨赫勒又把它推广到椭球面镜和透镜6。这条线今天的一个后代在法国的奥代略:63 面会转动的平面镜把阳光反射到一面 1830 平方米、焦距 18 米的抛物面镜上,再聚到直径约 80 厘米的一块地方,功率 1 兆瓦,每平方米最高 10 兆瓦,能产生 3000°C 以上的高温33。

误解烧船的镜子、谁先想到、谁更早

误解一 · 阿基米德用镜子烧了罗马舰队

序章那幅《光学宝库》扉页上就画着这个场面。可是最早、最详细记载叙拉古围城的三位史家,波利比乌斯、李维和普鲁塔克,都没提过镜子,也没提过火34。到 2 世纪,卢奇安和盖伦才含糊地说阿基米德用某种“技艺”烧了敌船;第一个明确说他用了燃烧镜的是约 500 年的安提米乌斯,离围城已经七百年34。12 世纪的拜占庭作家策策斯和佐纳拉斯也讲过这个故事,但被认为不可靠34。

做不做得到是另一个问题。2005 年,麻省理工学院一门工程课的学生用 127 面一英尺见方的平面镜,在 100 英尺外对准一艘橡木模型船,晴空下不到 10 分钟,船板烧出了明火。条件很苛刻:天上云要少,风要小,船要停着不动好几分钟35。授课教师说,这只说明有可能,不能证明历史上真发生过35。

误解二 · 海什木第一个提出“光进入眼睛”

接收说比他早一千多年,原子论者和亚里士多德都主张东西进入眼睛,只是方式不同15,16。海什木的贡献在别处。他给接收说配上了几何,让“光从物体每一点射向四方”和欧几里得的视线锥对得上8,23。他对眼睛内部的理解也还有很多错误7。

误解三 · 《墨经》比欧几里得早好几百年

钱临照 1940 年代的论文里写“欧几里德为西元前第一世纪之人,约后墨翟二百年”,由此称《墨经》是“天下最古的光学经典”5。这里欧几里得的年代写晚了。欧几里得生活在约前 300 年17,和编成《墨经》的墨家后学大致同一时代。两边各自独立地用几何去解释影和镜,各有长处:墨家用的是从光源出发的光线,方向对了;欧几里得的书有严格的演绎体系,墨家没有4。“中国科学谁先谁后”的问题很早就有人关心,1894 年上海格致书院的征文题目,就要求论证《墨经》早已讲出西方光学和力学的道理4。比谁更早不如比谁讲了什么。

承上启下从“怎样看见”到“怎样看得更清楚”

第二单元结束在接近绝对零度的实验室里。第三单元从头回到古代,追一条新的线索,光。这一章讲的是人怎样理解“看见”。到 1270 年代,三位修士的教科书已经把光走直线、等角反射、垂线找像、折射向法线偏这些几何规则写进了大学课程。还没解决的有两件事:折射的准确规律,和眼睛里那块晶状体到底在干什么。

培根把一块透镜送给教皇,还说透镜能帮视力差的人读书。大约二十年后,意大利出现了眼镜。下一章从眼镜讲起,再到荷兰人的望远镜、开普勒 1604 年说清视网膜成像、斯涅尔和笛卡尔重新找到伊本·萨赫勒那条折射定律,以及显微镜下第一次被看见的微生物。光学从此从“解释看见”变成了“制造看见”。

这一章还没回答一个问题:光本身到底是什么?是一股微粒,还是一种波?第 15 章牛顿和惠更斯会为此争论。再往后,第 24 章麦克斯韦会证明光是一种电磁波,光学这条线和电磁学那条线将在那里会合。

自测五个问题

1. 视线说明明是错的,为什么欧几里得和托勒密用它也能得出正确的几何结论?
因为光路是可逆的。从眼睛射向物体的直线和从物体射向眼睛的直线是同一条线,反射和折射的角度关系也一样。视线说错在方向,几何没有错,所以海什木把方向倒过来之后,欧几里得的视线锥几乎可以整个保留。演示 1 里切换“光线”和“视线”,画出来的折线完全相同。
2. 《墨经》说凹面镜的像“一小而易,一大而正,说在中之外内”,这是什么意思?用今天的话说,“中”相当于什么?
凹面镜里的像有时小而倒,有时大而正,取决于物体在“中”的外面还是里面:在“中”以内是正像,在“中”以外是倒像。从今天看,“中”大致相当于凹面镜的焦点。墨家的几何构图并不正确,但定性结论对。
3. 托勒密的空气—玻璃折射表有什么可疑的规律?他的数据和今天的折射定律差多少?
相邻两行的差是 7、6½、6、5½……每次恰好少半度,排列太整齐,很像按算术规律修匀过。与折射率约 1.5 的玻璃按今天的折射定律算出的值相比,八个读数平均只差半度左右,最大约一度。
4. 伊本·海什木用哪几条理由反驳“眼睛发光”?他自己的理论比原子论者多了什么?
看太阳会让眼睛疼痛受伤;盯着亮光后会留下余像,说明眼睛是被作用的一方;人在黑暗中看不见,如果眼睛自己发光就不会这样。他多出来的是几何:物体每一点向四面八方发光,主要由垂直进入眼睛的光线成像,这样欧几里得的视线锥被保留下来,只是方向倒了过来。
5. 一根 3 米高的柱子在 30 米外,视角大约多少度?阿尔贝蒂说绘画是“视觉金字塔的截面”,这和欧几里得有什么关系?
α ≈ 57 × 3 ÷ 30 ≈ 5.7°。阿尔贝蒂的“视觉金字塔”就是欧几里得以眼睛为顶点的视线锥,画面是插在锥里的一个平面,物体在画上的大小由它在锥里占的角度决定,所以远处的东西要画得小。

参考来源本章依据

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图片:均来自 Wikimedia Commons,许可见各图说明。

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