光的波动学说

在中国古代光学的百花园中，曾经出现过一支奇葩，那就是明末学者方以智在其《物理小识》中提出的光的波动学说。

方以智在对光本性的认识上，修改了前人的学说。中国古代讨论光的本性，通常认为光本身是一种特殊的气，发光过程就是光之气由光源到达接受者的过程。方以智则认为，光是气的表现，是气的一种特殊运动形式，他说： “光理贯明暗，犹阳之统阴阳也，火无体，而因物见光以为体。”（《物理小识》卷一·光论）他的学生揭暄注解说：“气本有光，借日火而发，以气为体，非以日火为体也。故日火所不及处，虚窗空中皆有之，则余映也。” 即是说，光源的作用在于激发气中本来已经蕴含的光，光以气为体，它不是直接由光源发出的，这与前人主张光为气的学说显然不一样。

那么，气究竟如何表现为光呢？方以智描述道：

“气凝为形，发为光声，犹有未凝形之空气与之摩荡嘘吸，故形之用，止于其分，而光声之用，常溢于其余。气无空隙，互相转应也。”（《物理小识》卷一·光论）

形，指有一定形体质地的物质；分，指“形”所占据的空间。方氏意为光声

的发出是空气被激发的结果。有形之物，固定占有相当于其体积的空间，无形的光声，则由其激发之处向四外传播。按方氏看法，“空皆气所实也”（方以智：《物理小识》，卷一·气论），即气体弥漫整个空间，毫无间隙，这样，倘一处受激，必致处处牵动，“摩荡嘘吸”、“互相转应”，空气一层一层地将扰动由内向外传播开去。这有如水上投石，石激水荡，纹漪既生，连环不断。方以智的描述，显然是一幅清晰的波动图像，我们姑且名之为气光波动说。

方以智的气光波动说十分原始，因为它不讲周期，也缺乏明确的对振动的描述，但它确确实实是波动说。有一种较普遍但不正确的观念，认为非周期性振动的传播便不是波。其实，依据物理学的定义，“波是在介质中传播的一种扰动”，进一步，状态变化的传播即为波。周期性并非形成波的必要条件，脉冲波也是波。现代数理方程教科书中在波动方程部分给出的普遍解是：f1（x+vt）+f2（x-vt），它并不规定周期性。不谈周期性才是抓住了波的共性，说“没有周期性便不是波”，倒是错误的。而且西方光波动说的早期提倡者如笛卡儿（Descartes，1596—1650 年）、惠更斯（Huygens，1629

—1695 年）等，亦未曾提到光的周期性问题，不能唯独要求方以智做到这一点。

中国古人对声的波动性认识较为深入，如王充、宋应星皆然。今人对此没有什么异议。在《物理小识》中，方以智多处将光、声并论，认为二者以同样方式发生、传播，这是其光波动思想的自然表露。我们既然认为古人对声的认识是一种朴素的波动理论，那么对于具有同样形态的方以智的光学理论，为什么就不愿意承认它是一种波动学说呢？当然，方以智的光波动说与今所言之波动光学不可同日而语，在方氏理论中，光是气之间相互作用的传播，是纵波；而近代光学则认为光是电磁作用在空间的传播，是横波。方以智对光的描述，更类似于近人对声波动性的认识，这从一个侧面证实了它确为波动学说。

从光的波动性出发，方以智等人还对光的传播方式作了独具特色的探

讨。根据气光波动说，光依靠“摩荡嘘吸”、“互相转应”的方式向外传播，这样，一旦遇到障碍，光自然会向阴影区弥漫。据此，方以智提出了一个极其重要的概念——光肥影瘦，其意为光总向几何光学的阴影范围内侵入，使有光区扩大、阴影区缩小。即光线可以循曲线传播。这是方氏气光波动说的自然推论。

方以智是在评论西学测算日径的方法时提出这一概念的。不知何故，他误解了传教士讲的太阳直径数，说人家讲的是：太阳到地球距离约为太阳直径的 3 倍多，这样违反常识的说法当然是方以智所不能接受的。他经过分析，认为是传教士未曾考虑光肥影瘦因素，因而测算结果大于太阳实际直径。他说：

“皆因西学不一家，各以术取捷算，于理尚膜，讵可据乎？细考则以圭角长直线夹地于中，而取日影之尽处，故日大如此耳。不知日光常肥，地影自瘦（见图 1），不可以圭角直线取也。何也？物为形碍，其影易尽，声与光常溢于物之数，声不可见矣，光可见、测，而测不准也。”

方以智提出的“日光常肥，地影自瘦”，是说太阳光在受到地球遮蔽时，要

向其几何投影处弯进去一些，从而使得地的投影变小了，如图 1 所示。他特别提到，光的这一性质与声音相同，声音遇到障碍物阻挡时，会绕到障碍物后面，光亦如此。声音不能看到，光却是可以看见，并能加以测量的，但这种基于光线直进性质对发光体方向进行的测量是“测不准”的。

揭暄为《物理小识》光肥影瘦说所做的注解有助于我们正确理解这一学说本义。他说：

“日之为光者，火也。火气恒散，天圆体，散之不得，则必循天而转，以合于对极。中亦抱地而转，以合于前冲，若水流包砥而后合也。余尝于日没时，观其影射气中，自西徂东，抱地若环桥，始知其影非直行，能随物曲附，不可以直线取也。⋯⋯光肥影瘦亦然，光小于物，光亦肥，仍不可以直线取也。”

这段话的中心意思，是说光在传播过程中，若无物阻碍，则沿直线进行；若

遇物阻挡，则“随物曲附，不可以直线取也”。光沿曲线传播，这是造成光肥影瘦的主要原因。

方以智等人还运用光的波动学说对一些常见光学现象如小孔成像、海市蜃楼等做了解释。今天看来，这些解释大都牵强，但它反映了方氏学派为坚持其理论体系一贯性所作的努力，也是值得一提的。

方以智提出的气光波动学说，除了其光肥影瘦之论对后世历法推算有所影响之外，就整体而言是被湮没了的。这既与外部因素有关，也与其本身先天不足分不开。这一理论基本上未脱离思辨形态，加之数学手段缺乏，对常见光学现象的解释也很难令人信服。与西方传进来的几何光学相比较，它的不足显而易见，被人们所遗忘是理所当然的。