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        刻舟求劍【點擊數:


        船、河岸與水三者之間誰在運動? 天與地、月與云誰在運動? 這是古代人最關心的運動學問題。這里同時涉及參考坐標與相對運動兩方面的問題。

        船、河岸與水三者誰在運動的問題,幾乎同時困擾了古代東西方的哲人。亞里士多德曾經提出,停泊于河中的船實際上處于運動之中,因為不斷有新水流與該船接觸。“不能同時踏進同一條河”的命題就是由此而來的。古代中國人以自己的思考方式回答這些問題。晉代天文學家束皙〔xi西〕說:

        乘舟以涉水,水去而船不徙矣。(《隋書·天文志》)

        這個立論方式恰恰與亞里士多德相反。束皙認為,這動著的船實際上是不運動的。如果過江時保持船與河岸的垂直狀態,船與河床的相對位置就不改變。將參考坐標取在過江線或河床上,這時就得出“水去而船不徙”的結論(圖2-10)。另一種看法是,任船與水同速漂流,將參考坐標取在整個水流上,船對于水也不發生位置移動。


        圖2-10 船過江示意圖

        船C從A點過江,它總是在兩岸的AA'線上,而水流B卻隨時在改變它與AA'線的相對位置。

        從物理學看,決定空間位置或運動與否必須有一個參考系。否則,就會“西家謂之東家,東家謂之西家,雖皋〔gao高〕陶〔古音yao腰〕之理,也不能定其處”(《淮南子·齊物訓》),連古圣皋陶都不能斷其是非。不清楚參考坐標的人,就像“刻舟求劍”一樣胡涂。

        刻舟求劍的故事原出于戰國末期呂不韋(?-公元前235年)主持編纂的《呂氏春秋》,至今讀起來還膾炙人口。它所包含的物理意義是極其深刻的。該故事說:有一個楚國人乘船過江,他身上的佩劍突然掉落江中。他立即在船艙板上作一記號,對其船友說:“這是我的劍掉落的地方。”到了河岸,船停了,他就在畫記號的地方下水取劍。“舟已行也,而劍不行。求劍若此,不亦惑乎?”(《呂氏春秋·慎大覽·貴因篇》)如此求劍,不是犯胡涂嗎? 從故事編纂者的口氣來看,他是知道如何才能找到掉落江中的劍。從物理角度看,找到這把劍落水的位置有兩種辦法:一、記下掉落位置離岸上某標志的方向和距離。這就是說,以河岸作為參考坐標。二、在船不改變方向和速度的情況下,記下劍掉落時刻、船速與航行時間,據此求出靠岸的船與劍掉落地點的距離。這就是說,以船作為參考坐標。至于真正找到這把劍,還得考慮水流、浮力等其他因素。

        參考坐標選取適當與否,對解決運動學和動力學中的問題是很重要的。在相對運動中,選取不同的坐標就有不同的運動結論。

        古代人常說:“仰游云以觀,日月常動而云不移”(《隋書·天文志》),“見游云西行,而謂月之東馳”(《抱樸子·內篇·塞難》)。而在行船艙板上人們感覺的是,“不疑行舫動,唯看遠樹來”(南朝梁元帝《早發龍巢》),“看山恰似走來迎”(《敦煌集》)。由于參考坐標的關系,原來不動的物體都成為運動的了,這是不足為怪的。令人驚奇的是,這些極為典型的相對運動的事例,很早就成為中國文人筆下的力作佳句。

        然而,古代人在判斷“天”與“地”的相對運動時,并不像上述事例那么簡單明了。在古代人看來,“天左旋,地右動”(《春秋緯·元命苞》)。也就是,以天上星體的東升西落(左旋)來證明地的右旋運動。漢代王充提出了另一種看法:日月星體實際上是附著在天上右旋運動的,只是因為“天”的左旋運動比起日月星體來要快,因此才把日月星體當成左旋。這種情形就像螞蟻行走在轉動著的磨上,人們見不到螞蟻右行,而只看見磨左轉,因此以為螞蟻也是左行的(《論衡·說日篇》)。我們暫且不管“天”是什么,是否在運動,僅從物理學角度看,王充等人的思想是高明的。他們不僅看到了相對運動,而且還企圖以相對速度的概念來確定運動的“真實”情況。在歷史上,許多人參加了這場左右旋轉的爭論。迄至宋代,由于理學大師朱熹的名氣,他所堅持的“左旋說”又占了上風。這場爭論,長達2000余年。直到明代,偉大的科學家朱載堉作出物理判決之后,還爭論未了。朱載堉說:

        左右二說,孰是耶? 曰,此千載不決之疑也。人在舟中,蟻行磨上,緩速二船,良駑二馬之喻,各主一理,似則皆似矣。茍非凌空御氣,飛到日月之旁,親睹其實,孰能辨其左右哉? (《律歷融通》卷四)

        天與地、人與舟、蟻與磨、快慢二船、良駑二馬,如果沒有第三者作參考坐標,就很難辨明它們各自的運動狀態。物理學上對兩個彼此作相對運動的物體A和B,既可以看作A動B不動,也可以看作B動A不動。這兩種看法都有效。若要爭論它們的運動方向或誰動誰靜,那真是“千載不決之疑”。朱載堉的回答完全符合運動相對性的物理意義。然而朱載堉不明白,即使飛到日月旁,也不能辨其左右,而只能回答“似則皆似矣”。

        以相對運動的觀點來解釋天、地的運動,在古代的東西方都是一致的。但像朱載堉那樣對相對運動作出物理判決的人,在伽利略(公元1564-1642年)之前找不到第二位。

        要解決地靜還是地動的問題,關鍵是要提出令人信服的證據證明地動的不可覺察性,這樣,才能牢固地確立地動的觀念。完成這任務,在近代物理學史上是伽利略的功勞。然而,古代中國人卻從經驗事實中總結出這一偉大的發現。早在漢代成書的《尚書緯·考靈曜》寫道:

        地恒動不止,而人不知。譬如人在大舟中,閉牖〔you友〕而坐,舟行而人不覺也。

        關閉的船艙,在物理學著作中被看成是最普通、最易被理解的近似的慣性系統。在一個封閉的慣性系統內,無論什么樣的力學實驗都不能判斷該系統是處在靜止狀態、還是在作勻速直線運動。這個原理又稱為伽利略相對性原理。可是,在伽利略之前約1500年,中國人就提出了這個原理的最古老的說法。這是中國科學史上最偉大的理論成就之一。


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