光度计量学的起源探索(一)

　　赵友钦，宋末元初道家学者，一位有重要成就的科学家。他的著作《革象新书》是一部探究天地四时变化规律的著作，书中记录了他的几何光学实验活动及其成果。研究表明，他的“照度随着光源强度增强而增强，随着像距增大而减小” 这一粗略的定性照度定律内容，在400多年后才由德国科学家来博托得出“照度与距离平方成反比”的定律。
    人类眼睛的出现应归功于光，从外部世界获取信息的70%来自光，赖以生存的三大要素(空气、水和光)之一也是光。因此，光在人类社会、经济和防御各领域获得了广泛而持续的应用。与此同时，发展了基于人眼特性的测量光的定律、基准标准、方法和仪器。中国光度学或许发源于约14世纪初，西欧光度学开创于17世纪，国际计量委员会下属光度咨询委员会(CCP)成立于1933年。本文试图通过对光度计量学的孕育、诞生和国际化过程的探索，揭示出赵友钦实验的科学定位，以及青铜镜“透光”性研究的全貌。
    测光的波长范围早已超出可见区，按现代定义，应将这一计量技术称为光辐射计量学，或光辐射度学。但是，测光是从可见光发祥的，本文仍将它称为光度计量学。
    

一、光度学的孕育期

    人是如何看见物体的？ 也就是说人的视觉是如何产生的？ 在今天看起来是一个常识问题，但在古代却有不同的答案。公元前5世纪的欧几里得和450年后的托勒密(Ptolemy)两个人都相信，人眼发出了什么东西才产生视觉的。可是中国的墨家主张，“目以火见”，也就是说，人眼能看见物体是光在起作用。
    “炉火纯青“这一成语，最早是指我国古代冶炼青铜的火候，后来演变成比喻技艺、学识和修养精粹完美的境界。据先秦时期“考工记”记载，“凡铸金(青铜)之状，金(赤铜)与锡，黑浊之气竭，黄白次之，黄白之气竭，青白次之，青白之气竭，青气次之，然后可铸也。”这里的气指冶炼炉中金属的辐射颜色。黑体辐射定律指出，黑体辐射的颜色与其温度密切相关。在没有温度计的时代，古人就懂得了通过炉中“气” 的颜色观察，确定浇铸的温度。这恐怕是世界上记录最早的光测高温术。
    秦汉之间的《淮南子·说林训》中载有“十牗之开、不如一户之明”，“明月之光，可以远望，而不可以细书，甚雾之朝，可以细书，而不可以远望寻常之外”。前一段文字记录了通光面积、入射角与被照物体的亮度关系； 后一段文字的前半部分记录了远望看轮廓、读书辨文字所需的照度是不相同的，后半部分读书时雾可以忽略，可视度不受影响，远望时雾的作用明显，既吸收光又散射光，可视度受到影响。虽然该文没有分析产生这种差别的原因，但是所得结论正确。这些记载反映了，中国古代学者考虑到大气衰减(透射)对可视度的影响。
    在宋初，皇甫牧著《玉匣记》中记载:“以新赤油繖(伞)日中覆之，以水沃尸，其迹必见。”这就是古代法医沿用的“赤油伞验尸”法。因殴打致人伤害，皮下淤血而呈紫色，在普通光照下难以观察到伤痕。若将受伤部位置于经红油伞透射的阳光下观察，则其伤痕清楚显露。这是由于伤痕吸收红光多，其周围反射红光多，从而增大反差的结果。
    (一)火焰光源的诞生与发展
    炬、蜡烛、油或气体灯这类人造光源，都是通过燃烧产生火焰而发光的，统称为火焰光源。
    人类在长期生活实践中，强烈依赖自然光源——太阳光的同时，从野火和雷电引发火的自然现象中逐渐学会了取火和保存火种的方法，利用火取暖御寒或烹煮食物，同等重要的是照明，用以改善生存环境，提高生命品质。
    距今约70万年的陕西蓝田猿人遗址中有粉末状炭粒；约50万年的北京猿人遗址中有大量灰烬物质；30～60万年的辽宁金牛山文化遗址中有烧土块、灰烬和烧骨等。这些遗迹表明，古人曾在这些地区使用过火。可以推断，第一堆篝火就是第一个人造火焰光源，也是人类走向文明的第一步。
    西周以后称为烛或庭燎的“炬”，是由纤维缠裹松、竹、苇、麻秆束浸灌动植物油后制成的。秦汉出现膏烛；汉代出现蜡烛，多为蜜蜡；唐代用了虫胶(亦称紫胶)腊，宋代出现虫蜡烛和柏油烛，多以木竹条为支撑，其外层卷以棉线或草作灯芯，再浸灌油脂而成。从宋代开始，制烛技术通过阿拉伯商人逐渐传入西方。唐宋时期，制烛技术相当高超，不仅大量制作普通蜡烛，还能制作香烛、花烛、烛笼、走马灯，各色各型，一应俱全。在宋代《东京梦华录》中记载了京都汴梁(今开封)正月十六夜的盛况:“山楼上下灯烛数十万盏”，“酒肆灯烛，各出新奇”，“以竹竿出灯毬于半空，远近高低，若飞星然”。如果京都一个节日夜晚消耗如此大量的灯烛，那么一户官宦人家又将如何消耗呢？ 在寇准(961-1022年)官邸中，“夜宴剧饮，虽寝室亦燃烛达旦。每罢官去，后人至馆舍，见厕溷(即猪圈)间烛泪在地，往往成堆”。
    灯是火焰光源的另一支。灯与烛的主要差别在于:炬、庭燎和蜡烛等都是将燃料和灯柱固接成一体的，既可放置在烛台上，又可手持。至于灯的燃料和灯柱是可以随意分开的。只要灯柱浸泡在燃料中即可。青铜时代以前用“豆”字表示“镫”或“灯”，故有仰韶文化遗址出土的陶豆，其主要功能是作为“松明”(油松的根或干条)的支撑体。
    商初的陶盂和青铜盂是油灯的前身。在河南安阳殷墟墓葬中，出土的这种盂的中柱顶呈小花形，中柱周围还饰以4条蟠龙，这种结构表明，该灯可以安放4～5只软质灯柱，大大提高了火焰灯的亮度。
    汉代是火焰灯发展的高峰期，从出土的文物考察获知，其造型美观大方，结构合理，融合艺术与科学于一体。其典型的构造是在灯罩设计上，增加了挡风板和改变照射方向的调节器，通过集烟管和水冷却器的设置，既可除尘散热，又可降低油耗。这种灯的特点是，空气供给波动小，火焰燃烧平稳，最终达到发光稳定的效果。类似结构的有山西出土的铜雁鱼灯、广西的凤鸟灯、河北的鼎形灯和湖南的牛形灯，特别是河北满城汉墓出土的长信宫灯(见图1)，常被国际照明界的科学家引用。远在公元前约100年，中国能制作出如此完美的油灯，可与标准灯一比高下。

(二)青铜镜的发明与光学性质的观察
    人类发明人工光源的同时，发明了调节光束强度、颜色和行进方向的材料和器件——统称调控器。因此，测量光源的发光特性，以及测量调控器的反射和透射特性等，构成了光度学的首要任务。
    人工制品常常是从自然现象中获得灵感的，青铜镜的发明就是一个例证。“面水寻影”的自然现象诱发了先民制作金鉴(铜镜)的创意。迄今发掘出最早的3枚铜镜大概属于公元前2000年左右的齐家文化。其中一枚为无纹饰的素镜； 另两枚分别有七星纹和多角星纹，均带纽。铜镜带纽是我国乃至东方区别于古埃及和欧洲带柄铜镜的主要特征。在其他地方相继出土了殷商、汉、隋唐和宋代的数量巨大的铜镜，除了平面反射镜之外，尚有大量的凸面反射镜。
    古代称为阳燧、夫燧、金燧或火镜的，乃是物理学上的凹面反射镜。考古发掘最早的阳燧是西周早期(公元前1000-900年)制品，在陕西扶风黄雄60号墓出土。值得注意的是，在山西侯马晋国都城冶铜遗址出土了整套阳燧范。西周的司烜氏“掌以夫燧取明火于日”，可能是我国首位掌管阳燧对日取火的照明工程师。以此取得的火苗点燃火炬作为邦国庆典用，与当今奥运会的圣火取火仪式何其相似。最晚在春秋早期，我国发明了烽燧，它是古代边戍兵报警使用的信号，该信号利用燃烧物完全燃烧时的火焰光和不完全燃烧时的烟雾作为信号，即通常说的“白日放烟、夜放火”。大家熟知的周幽王烽火戏诸侯的故事，就是由烽燧产生的。铸镜的工艺流程可大致概括为:选料——配料——熔炼——铸造(预制镜模: 范)——热处理——刮削——研磨——开镜，最后是检验。经过上述工序后，青铜镜的成品应达到“鬓眉微毫可得而察的水平”。由此看来，当时检验青铜镜的方法可视作现代鉴别率板检验光学镜头的方法的雏形。我国的考古文物工作者，侧重于镜背纹饰所反映的文化艺术和时代特征等研究，唯一缺乏的是有关镜面的光学参数，诸如平直性、曲率、表面粗糙度等的考察。尽管如此，从上述的粗略评估可以看出，青铜镜出现的早期以平面镜为主，到了商周，平面镜、凸面镜和凹平面同时出现。这或许是因为铸镜的工艺使然。沈括(1033-1093年)解释道:“古人铸鉴，鉴大则平，鉴小则凸，凡鉴洼(与凹同)则照人面大，凸则照人面小，小鉴不能全纳人面，故令微凸，收人面令小，则鉴虽小而能全纳人面，仍复量鉴之小大，增损高下，常令人面与鉴大小相应，……比得大鉴，皆刮磨令平”。联系到阳燧范，凹面镜是专门铸造加工的。而平面镜和凸平面则视鉴坯的大小而定，可以制成平面亦可制成凸面的，没有专用的范。因此可以判定，当平面铜镜问世不久，凸面镜也随之诞生了。
    由于对青铜镜的合金成分、铸造和加工工艺的熟练掌握，平凸反射镜和凹面反射镜从宫廷生活逐渐扩展到民间。在《礼记·内则》中载有“左佩……金燧，右佩……木燧”的穿戴形象。晴天在阳光下用阳燧取火，阴天和夜间用木燧取火，具备这两种工具不愁无火种。我国古代所有的反射镜都是金属制成的，虽然出现过铁镜，但占主导地位的是青铜镜。它为后来墨家讨论并考察光学现象，既提供了物质条件又满足了客观需求。《墨经》中记录的8条光学知识其中与光度计量相关的有5条:(1) 光的直进性；(2)光的反射特性；(3) 平面镜成像；(4) 凸平镜成像；(5)凹面镜成像。(未完待续)