对材料和晶体的研究

在长期的器物制造和工程建筑中，人们逐渐懂得了材料的性能。材料在使用过程中或经过加工后会发生弹性形变，我国古代对这一点也很早就注意到了，从而发现了弹性定律。

晶体是固体中的物质之一，它也是古人感兴趣的研究对象。我国古代对于晶体的认识是比较丰富的，许多研究者的见解，丰富了固体物理学的研究内容。

在《墨经·经下》中分析了梁木的形变，认为梁木负载了重量并不挠曲，这是因为它胜任重量；而捆束在两根柱子间的绳子不加重量也会发生弯曲。

从现在的观点来看，梁木具有抵抗弯曲的能力，绳子只能抵抗拉伸。《墨经》中以弯曲的情形凭经验区分了这两种不同性质的材料。当然，梁木负载重量也会发生形变，但是在许用应力的范围之内，人是察觉不出的。

关于材料的弹性形变，东汉经学家郑玄在为《考工记》“弓人”条中“量其力，有三钧”一句作注说：“假令弓力胜三石，引之中主尺，弛其弦，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺。”其中的“缓擐”是很松地套上的，没有力的作用。

唐代初期经学家贾公彦《周礼注疏》卷42中疏解郑玄注时指出：

郑又云“假令弓力胜三石，引之中三尺”者，此即三石力弓也。必知弓力三石者，当“弛其弦，经绳缓擐之”者，谓不张之，别以一条绳系两箫，乃加物一石张一尺，二石张二尺，三石张三尺。

其中的“两箫”是指弓的两端。

可以看出，郑玄和贾公彦的论证都是非常朴素和简捷的，并且也是很实用的。他们描述了弓的形变和它所受的外力成正比的关系，从而发现了弹性定律。

我国古人发现的弹性定律，比西方早1500多年。当然，无论是弓还是弹簧，这条定律只适用于弹性体在初始形变的小范围之内才是正确的。

在《荀子·劝学篇》中，还讲到了在外力取消以后材料的形变会保留下来的问题，指出笔直的木材经火烤加工，变成轮子以后，即使枯干了也不会再挺直。这就是现在力学中讲的塑性形变。

在《考工记》“鲍人”条中，讲到了皮革的弯曲和强度问题。它指明，在选用皮革的时候，要拉伸以后皮革各方面都是直的才好，如果有不直的，那一定是一方缓一方急的缘故。如果一方缓一方急，那用不多久一定是急的一方先裂开。

古代人大概曾经利用发辫做绳，并且在生产实践中发现有些发辫容易断，有些却不容易断，这就引起了关于毛发引重的讨论。

按照通常的理解，一根毛发是很容易被重物拉断的。墨家认为，有被拉断的，有不被拉断的，这之间的关键是在于毛发的结构是否均匀。

当毛发均匀，并且它均匀地承受重量的时候，毛发就不会被拉断。如果挂的物体很轻毛发就被拉断了，那是毛发不匀的缘故。

同样的观点也见于《列子·汤问篇》。晋代学者张湛在这部书的注中讲道：“发甚微脆而至不绝者，至均故也。今所以绝者，犹轻重相倾，有不均处也。”

这些关论断，在思想上与墨家是一致的。

战国后期的名家又对这一论题加以解释说：“发引千钧，势至等也。”这意思是说，之所以一根毛发能引千钧重物，是由于重物作用在毛发上的“势”到处相等的缘故。正是在这种认识上，后来又出现了“一发千钧”的成语。

从科学观点来看，“发引千钧”当然是不可能的，因为任何材料都有它的极限强度，超过这个极限，材料就会断。但是从材料结构均匀可以承受更大重力这一点认识来说，却是正确的。

这里实际上包含有近代力学上的“应力”的概念，所谓应力就是单位截面积上所承受的重力。

我国先民自上古起就对晶体及其特性有深入的观察和总结。这方面的认识主要来自对自然界矿物单晶体的观察和利用。

许多矿物单晶，具有美丽规则的外形。先人对此早有认识，汉字“晶”字解为“精光也，从三日”，把3个日字叠在一起，代表相交的3个晶面来表征晶体的多面体特征是很科学的。

经典晶体学中常以此来测量晶面交角来鉴别晶体。

对晶体的认识是从天然矿物晶体的形态开始的，其中以分布最广的水晶记载最多。

南北朝时期道教学家、中药学家陶弘景在《名医别录》中说白石英：“生华阴山谷及太山。大如指，长二三寸，六面为削，白澈有光。其黄端白棱名黄石英，赤端名赤石英，黑端名黑石英。”

这段话说明了石英外形是由棱柱和棱锥所组成的，六棱锐首，对水晶的形态特征描述得清清楚楚，因为石英在晶洞中自由生长，所以形态比较完整。

汉代辞赋家司马相如的《上林赋》有“蜀石黄硬，水玉磊珂，粼粼烂烂，彩色滞汗。”其中“水玉磊珂”是对水晶晶簇的形象写真。

天然水晶不仅晶莹透明，棱角分明而且十分坚硬。我们的祖先早就用它来制作工具和饰物。如在距今50万年前的北京周口店古人类文化遗址里，就发现有用石英制作的石器。

由此可知道，我国先民从天然水晶出发，对水晶的形态特征观察得十分清楚。

早在史前时期，我们的祖先就知道水汽变成水、从水变成冰的物质三态的变化。特别是对雪花晶体的认识，古人赏雪吟雪，很早就观察到雪花的形状。

在公元纪元前后，我国就发现了雪花是六角形的。《大戴礼》记载：“天地积阴，温则为雨，寒则为雪。”《春秋元命苞》记载：“阴阳凝而为雪。”这里最值得提出的是对雪花形态及对称性的观察。

根据上面的记载，可以看出，我们祖先在2000多年前就观察到雪花晶体的对称性了。

世界著名科学史家李约瑟研究认为：中国古籍对雪花形状的记载比欧洲人记载的最早观察要早1000多年。

除了对于雪花的对称性认识外，人们对最早的调味和生活必需品食盐的生产及其对称性也有深刻的认识。

宋代学者程大昌所著的《演繁露》中，就对盐的结晶过程作了精练的描述：“盐已呈卤水者，暴烈日中数日，即成方印，洁白可爱，初小渐大，或数十印累累相连。”

这就是用烈日曝晒卤水从过饱和溶液中生长食盐晶体的蒸发法。“方印”一语道破了盐晶体的立方特性。

据明代宋应星在《天工开物》中的描述，岩盐是自然界中天然形成的食盐晶体。这种盐的精上之品呈玻璃光泽，无色透明，晶形为立方体，往往“累累相缀，如棋之积”，所以又称“光明盐”。并记叙了人工获得食盐晶体的方法。

对于其他盐，如硫酸钠古称“芒硝”，由于结晶水的不同，形态和结晶性也不同，古人对于其对称性也颇清楚。

芒硝从溶液中结晶时呈麦芒状，故称芒硝，后长短棱柱结晶，称其为“马牙硝”或“石英硝”，在空气中脱去结晶水而风化，就称为“玄明粉”。

有趣的是，我国古代的晶体学知识是由两类有不同追求的学者共同发展起来的。炼丹家企求从矿物中炼制长生不老之仙药，这是炼丹术的目的和最高境界；本草药物学家又将许多矿物当做医疗药物，并对这些药物一一加以收集、辨认和记载。

本草药物学家不仅将炼丹家的矿物晶体知识收编到本草学专著之中，而且将本草学、药物学、矿物学和晶体学融为一体，形成了我国独具特色的本草药物学。

综上所述可以看出，我国古代劳动人民对晶体特征的观察，无论在宏观形态、对称性还是若干物理性质方面都要比国外早得多。

[旁注]

许用应力　机械设计或工程结构设计中允许零件或构件承受的最大应力值。要判定零件或构件受载后的工作应力过高或过低，需要预先确定一个衡量的标准，这个标准就是许用应力。许用应力是机械设计和工程结构设计中的基本数据。

贾公彦　唐代儒家学者、经学家、《三礼》学专家。官至太常博士，撰有《周礼义疏》50卷、《仪礼义疏》40卷。他选用郑玄注本20卷，汇综诸家经说，扩大为《周礼义疏》50卷，体例上仿照《五经正义》。

塑性形变　物理术语。如果外力较大，当它的作用停止时，所引起的形变并不完全消失，而有剩余形变，称为塑性形变。另外，任何物体在外力作用下都会发生形变，当形变不超过某一限度时，撤走外力之后，形变能随之消失，这种形变称为“弹性形变”。

张湛　东晋时期学者、养生学家。撰有《养生要集》、《列子注》、《冲虚至德真经注》等。有人认为《列子》即其编凑，注中征引何晏《道论》、《无名论》及《庄子》向秀注文，保存了魏晋时期文献，也反映其哲学观点。说明当时玄学已受到佛学影响。

名家　是先秦以思维的形式、规律和名实关系为研究对象的学派，战国时称“刑名家”或“辩者”，西汉始称“名家”。名家主要活跃在先秦的春秋战国时期，以善于辩论，善于语言分析而著称于世。首先正式提出“名家”这个说法的，是汉代的学者。

陶弘景　（456年～536年）。南北朝时期著名的医药家、炼丹家、文学家，人称“山中宰相”。陶弘景整理医籍，细心、严谨、周密、实用，是我们今天整理中医古籍的一面镜子，至今还被世人所推崇。

司马相如　（约公元前179年～公元前118年）。西汉盛世汉武帝时期伟大的文学家、杰出的政治家。工辞赋，其代表作品为《子虚赋》。作品辞藻富丽，结构宏大，使他成为汉赋的代表作家，后人称之为赋圣和“辞宗”。他与卓文君的爱情故事也广为流传。

物质三态　物质的一般情况下，物质都有三态，如水的三态为冰、水、水蒸气，分别为固体，液体和气体。当然，物质还有其他两种存在的形态，叫做等“离子态”、“超固态”。处于等离子态的物质叫做“等离子体”，处于超固态的物质叫做“超固体”。

炼丹术　古代炼制丹药的一种传统技术，是近代化学的先驱。自周秦以来就创始和应用了将药物加温升华的这种制药方法，为世界之最早者。其药物有外用和内服两种，外用者至今还很有价值，内服则由于其毒性较大而逐渐被淘汰。其“长生不死”说是荒谬的。

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我国古人对弹性材料颇有研究，比如制作风筝就是一例。

风筝为我国发明，相传墨翟以木头制成木鸟，是人类最早的风筝起源。后来鲁班改进墨翟的风筝材质，用竹子加工成风筝。

鲁班在制作风筝时，根据竹条有弹性的特性，用两手将竹条向内侧加压，使其成弧状，然后试验左右两端的弹性是否一致。经过多次加工，最后将弹性较强一边的竹条加以修细，调整至两端弹性相等。据说现在的多线风筝就是从鲁班的竹骨风筝演变而来的。