道中華丨世界首顆空間量子科學實驗衛星為何起名“墨子號”

《墨經》在古代科學的多個領域都作出了重要貢獻，正因如此，墨家學派的創始人墨子被后世尊稱為“科圣”。2016年，我國將完全自主研制的世界上第一顆空間量子科學實驗衛星命名為“墨子號”，以表示對這位科學巨人的崇高敬意。

　　▲清光緒年間印刷的《墨經》。

對古代數學的貢獻

在我國，盡管古老的《易經》中已經出現了不少數字形式和運用了數學思維，但是《墨經》才真正稱得上是中國古代數學誕生的標志。

《墨經》有著對運算法則的具體闡釋和運用。比如給“倍”定義為“倍，為二也”即原數乘以2就是“倍”之后，針對倍數的計算又舉例說：“倍，二尺與尺，但去一。”意即2尺和1尺之差是1尺，從2尺中減去1尺則剩余1尺，2尺是1尺的2倍。這里具體說明了“倍”的還原算法。

有學者考證，早在3000多年前的商朝，我國就出現了較為系統的自然數形式和十進位制計數法，并且有了十、百、千、萬等專用的大數名稱。不過對十進位制作出概括和說明，則始于《墨經》。

英國著名科技史家李約瑟在其巨著《中國科學技術史》中曾感慨道：十進位的思想明確出現在公元前330年前后的《墨經》中；如果沒有這種十進位制，就不可能出現我們現在這個統一化的世界了。由此可見，《墨經》對于數學和人類文明與進步的貢獻是多么巨大。

對古代幾何學的貢獻

《墨經》有著對若干重要幾何概念的使用和言簡意賅的闡釋。比如“平”，它解釋說：“平，同高也。”意思是說高度相同即是“平”。這個表述與歐幾里得“平行線間的公垂線相等”的定理完全一致。

又如“中”，《墨經》說：“中，同長也。”意即作為物體對稱中心的“中”是指該物體上到各條邊的距離都相等的那個點。而對于何為“同長”，《墨經》也有明確的解釋：“同長，以正相盡也。”意思是說兩個物體相互比較，長度完全相等而不差分毫，就叫作“同長”。

《墨經》給直線以及點、線、面所下的定義也非常精當。關于直線，它說：“直，參也。”“參”就是叁，“直，參也”的表述是說三點共線即為直線，這與歐幾里得所謂“某點介于另兩點之間”的說法意思一致。

在《墨經》中，點被稱作“端”，線被稱作“尺”，面被稱作“區”。梅榮照在其《墨經數理》一書中對《墨經》給這幾個概念所下的定義作了通俗化解釋，即“點（端）：部分中沒有大小而處于直線段最前面”，“線（尺）：指線段”，“面（區）：指有限平面”，并指出，與歐幾里得所謂“點：沒有部分”“線：有長度沒有寬度”“面：只有長度和寬度”的定義相比，《墨經》的解釋更富有靈活性和實用性。

對于“方”也即方形，《墨經》用“柱隅四權”四個字作了解釋，意思是說方形是指立柱的四個角均為直角的圖形。

《墨經》給“圜”（即“圓”）所下的定義堪稱簡潔準確：“圜，一中同長也。”意即由所有與同一個中心點等長的端點連接而成的圖形就是“圓”。《墨經》還特別指出，圓規是畫出圓形或者檢驗是否屬于圓形的工具。眾所周知，圓規作為畫圓的工具，早在夏商時代就已被發明出來，但是給“圓”下出精確的定義，在《墨經》之前卻是聞所未聞，這無疑是墨家學派的一大貢獻。

對古代力學的貢獻

在作為物理學重要分支的力學領域，《墨經》首先對什么是“力”作了界定：“力，形之所以奮也。”意思是說，力是有形之物發生移動的原因所在。這個解釋與牛頓第一定律幾乎一模一樣，而《墨經》要比牛頓早了約2000年的時間。

為了把力的概念闡釋得更加透徹，《墨經》以重力為例作了更進一步的說明，它說：“重之謂下。與重，奮也。”意思是說，重力作為一種力，它的方向向下；重力的作用，使得物體發生向下的位移。簡單幾個字就把復雜的力學現象和問題說得非常清楚明白。

《墨經》注意到了力的平衡問題，并通過對沉浮現象的研究作了闡釋，指出：“荊之大，其沉淺也，說在具”“沉淺非荊淺也”“若易五之一”。意思是說，木頭之類的物體即便很大，也不會全部沉入水中，關鍵在于它具有浮力；木頭不全沉入水中并不意味著其本身不夠粗大，而是因為它的重量與水的浮力取得了平衡，大概會有五分之一露出水面。這說明，墨家已經認識到浮力大小與物體的體積存在正相關關系。

《墨經》還發現并揭示了杠桿平衡原理。它運用獨創的“標”（力臂）、“本”（重臂）等概念，認為稱量重物時秤桿之所以會平衡，原因就在于“本”短“標”長，即所謂“相衡，則本短標長”；而在平衡狀態下加重其中的一邊，則這一邊必定下垂，即所謂“衡，加重于其一旁，必捶”，而要使兩邊恢復平衡，只需移動支點，使“本”縮短、“標”加長即可。長期以來，人們都認為杠桿定理是阿基米德的發現和創造，其實《墨經》的闡發比阿基米德整整早了兩個世紀，因此公允地說，杠桿定理應稱之為墨氏定理。

對古代光學的貢獻

《墨經》基于大量的觀察和實驗，闡發了關于光學的諸多真知灼見。我們今天所掌握的光線直射、小孔成像等光學原理，都是由2400年前的墨家學派所作出的原創性貢獻。

《墨經》記述了墨家學派所做的“小孔成像”實驗：在一座暗屋的陽面墻上開一小孔，人站在屋外面對著小孔，屋內對面的墻上就會出現倒立的人影。這是什么原因呢？《墨經》作了解釋：光照向人，就如同箭射過來一樣；人體下部（比如腳）擋住直射過來的光，成影在上邊；人體上部（比如頭）擋住直射過來的光，成影在下邊。這是對光的直線傳播最早的科學解釋。

《墨經》還探討了物體的影像大小與物體斜正、光源遠近之間的關系，認為物體斜或者光源遠，那么物體的影子就細長；物體正或者光源近，那么物體的影子就粗短。有學者根據《墨經》“光學八條”中的有關記述，揭示了其對平面鏡、凹面鏡和凸面鏡等原理的闡發，指出平面鏡所形成的是大小相同、遠近對稱的影像，只不過是左右倒換的。凹面鏡的成像是在“中”（指鏡之中心）之內形成正像，距“中”遠成像大，距“中”近成像小；在“中”之外形成倒像，距“中”近成像大，距“中”遠成像小。凸面鏡則只形成正像，近鏡則像大，遠鏡則像小。

《墨經》是中國古代光學研究的發軔者，在世界光學發展史上居于“導夫先路”的地位。對此，李約瑟曾中肯地指出，墨家光學研究的開始“比我們所知道的希臘的為早”“印度亦不能比擬”。

（本文刊發于《學習時報》2023年5月15日第3版。）

原標題：《墨子》對古代科學有哪些貢獻