大家常从历史与艺术的角度欣赏文物，却忽略了其中隐藏的科技密码。
本书则通过文物，探讨古人对物理知识的发现与应用：曾侯乙编钟“一钟双音”的振动机制，应县木塔“千年不倒”的结构性力学设计……
深入了解文物背后的科学原理，发现古人在科技方面的创造与智慧，展现中国古代科技的高光时刻，让文物在物理中活起来。

戴念祖，1942年生，福建长汀人。我国资深科学史家和中国物理学史学科创建者，中国科学院自然科学史研究所研究员，兼任《物理》《物理通报》《力学与实践》等杂志编委、常务编委、顾问编委。三次获中国科学院自然科学奖，1992年起享受国务院颁发的政府特殊津贴，1995年被授予“中国科学院有突出贡献中青年专家”称号。主要著作有《朱载堉——明代的科学和艺术巨星》《中国力学史》《中国声学史》《中国科学技术史·物理学卷》等。

第一章 力学知识
一、汉代画像石与简单机械
二、从铜奔马说到重心的应用
三、天平、杆秤和杠杆原理
四、弹簧、弓箭与弹性定律的发现
五、从河姆渡的梁木说起
六、是谁推动“转轮藏”
七、回转器的始祖“被中香炉”
八、蒲津桥畔的铁牛与打捞船的创制
九、从应县木塔说起
十、拱桥与虹桥
十一、风筝及其飞行原理
十二、矿物药材及晶体知识
第二章 光学知识
一、从古代的太阳绘画说起
二、人造光源与灯具
三、镜
四、阳燧
五、避邪纳福镜与组合平面镜
六、从“水晶饼”谈到透镜
七、“透光镜”之谜
八、雨虹与色散
九、影戏
十、眼罩和眼镜
第三章 声学知识
一、编钟及其科学文化价值
二、双音钟及其物理原理
三、磬与板振动
四、琴瑟与弦振动
五、律管与管口校正
六、朱载 与等程律
七、从贾湖骨笛谈起
八、笙簧
九、喷水鱼洗
十、回音壁与莺莺塔
第四章 热学知识
一、古代取火工具
二、冰鉴
三、省油灯与辘轳剑
四、从烧水泡茶的壁画说起
五、砚盒中的物态变化
六、烧窑与火候
第五章 电和磁的知识
一、琥珀与静电知识
二、兵器、塔刹、屋脊吻兽与尖端放电
三、从铁矿遗址说到司南
四、从针碗说起
五、方位针碗与罗盘
参考文献
后记
出版后记

本书作者戴念祖先生是中国科学院自然科学史研究所研究员，从事科学史研究逾50年，尤以中国物理学史见长。他参与创建的中国物理学史学科，引领众多学者加入研究，加深了我们对中国古代科技的了解。作者剔除复杂物理公式与繁杂的理论，用通俗有趣的形式，将物理与文物结合起来，呈现给大众一本人人读得懂的科普书。
一件工艺精湛的文物，不仅体现了当时的历史、文化、艺术水平，往往也是科技发展的结晶。用现代科学的视角去看文物，就能真正理解文物生产、运用中的科技原理，深入理解文物的价值与内涵，让你参观博物馆不再毫无头绪。

“文物”与“物理”？乍一听
来，实难相容。教科书中所
谓“物理”或“物理学”，是指
研究物质组成及其运动规律
的科学，而“文物”是昔日的
物质或精神产品。后者似乎
很难为前者提供有关物质组
成的学说或物质运动的定理
。
然而，作为物质产品或
艺术产品的文物，不仅体现
了创作者的经验、思维与知
识，也反映了一个时代的科
学认识水平。一件工艺精湛
、艺术价值高的文物，往往
也是某一历史时期的生产技
术和科学知识的结晶。有鉴
于此，考古文物界的先贤在
几十年前就提出考古学要与
科学史相结合，以便将考古
提高到一个新的认识阶段，
将文物鉴赏与评论提高到科
学水平。
同样，科技史界也从未
放弃收集历史文物以阐明某
一历史时期人们可能具有的
科学知识。本书就是基于这
样一种认识来写作的。因此
，这里的“物理”，不是定理
、原理之类的纯物理学叙述
，而是一个“大物理”，即与
物理学知识相关的文物，或
某一文物可能体现的物理知
识。
今日的文物是昔日的物
质产品或精神文化产品。它
们在我们国土上如此丰富，
以至于数说不清，展品不竭
。它们充分展示了中华民族
悠久历史和文化艺术之精湛
。一件文物，其价值不仅在
其时间久远或能换取银两之
多寡，更在于当我们从艺术
、文化、历史或科学的视角
去鉴赏它时，无异于穿越时
空隧道，与古代贤哲进行知
识交流。这样的思想穿越，
多姿多彩，高雅而令人陶醉
！这就不难理解人们常将文
物看作一个国家、一个民族
或一个地区的“宝贝”之道理
了。
从上述认识出发，本书
既不是与物理相关的文物报
道或考古专论，也不是一部
科学史著作，而是试图在大
量文物中拣集与物理学相关
的一部分，从物理学角度欣
赏它们、评述它们，重视它
们曾经有过的时代光彩与价
值。同时尽可能从诸多文物
中引出故事，品味它们的文
化意义和科学趣味。如果科
学工作者能从中获得一点文
物与历史知识，文物考古工
作者能从中了解一点文物的
科学含义和科学价值观，青
年学生能从中加深自己的物
理素养以及对祖国文化的理
解，则本书幸矣。
本书仅仅是从物理眼光
对少许文物做出鉴赏与评说
的初步尝试。所涉及的文物
是1995年之前发掘并公布
的极少的一部分，相信读者
能触类旁通，以锐利目光对
未曾涉及的，特别是近20年
出土的文物做出赏析。许多
文物，其本身就是一个科学
研究或科学史研究的课题，
如双音编钟、透光镜等。
本书各章是以物理学各
分支学科冠名的。虽然题为
“力”“光”和“声”等，但也并
非叙述这些分科的相关物理
原理，而是作者为了写作方
便，对大量内涵丰富的文物
做出粗浅的分类罢了。这意
味着，某章名称只是表明该
章叙述与之约略相关的文物
，仅此而已。相信多数读者
了解与章名相关的初等甚或
中等的物理知识，本书对此
未曾多着笔墨。
限于作者的水平，本书
在文物与物理两方面都可能
疏漏甚多，错误难免，祈读
者教正为盼。
戴念祖
2019年4月10日
于北京

两本书的作者是科学史
界的耆宿。他们从现代化学
、物理学知识体系出发，通
过精选的文物回顾古代中国
技术发展的历程，既阐释了
文物的科学价值，而且还向
公众普及了现代科学知识。
——首都师范大学历史学
院研究员 闫志

一、汉代画像石与简单机械
在我国科学史上，汉代是值得注意的一个发展高峰期。表征这个时代科学发展的，不仅有成熟的钢铁冶炼技术、耕犁的发明和应用等，还有大量的在砖或石板上雕刻的图画（即画像石和画像砖），其绘画内容包括了许多手工业和农业生产的场面。尤其是，当时许多先进的生产工具和生活用器都逼真地描画于这些石块或砖上。例如，山东滕州宏道院出土的画像石中，有描画锻铁作坊与利用橐鼓风的情景；山东嘉祥洪山出土了绘有制作车轮画面的画像石；山东滕州和陕西绥德出土了牛耕与耕犁画像石；四川成都郊区出土了盐井画像石；等等。它们是汉代科学技术的真切记录，更是汉代留传至今的科学艺术珍品。
在这些画像石中，有一些是近代物理学中被称为简单机械的图画。所谓简单机械，就是指它们能够改变力的大小，或改变作用力的方向。例如，杠杆、滑轮、轮轴、尖劈、斜面和螺旋，都属于简单机械。在19世纪，齿轮也被列为简单机械的一种。最简单的杠杆是一根用于撬动石块或抬重物的木棍；古代的汲水机械——桔槔，古代的衡器——天平或杆秤，都是杠杆原理的巧妙运用。滑轮，在中国古代被称为滑车，不带摇把的辘轳是滑轮的一种；带有摇把以便使之转动的辘轳，是轮轴的一种具体应用。尖劈，在日常生活中到处可见，从最简单的木楔，到各种质地的刀、斧、针，乃至在汉代被普遍用于耕地的犁铧、犁壁或犁镜，都是尖劈原理的应用。斜面，实际上也是尖劈，不过在物理学和机械学中多指用以升举重物的斜面。将斜面卷起来就成为螺旋，在简单机械中，唯它是西方的发明。除了螺旋之外，汉代画像石描绘了其他所有的简单机械。
1.桔槔
据统计，汉代画像石中有约40幅表现庖厨内容的图画。屠宰、清洗和蒸煮加工食物都要大量用水，因此，与庖厨有关的许多绘画中都有桔槔汲水的画面（见图1-1）。
图1-1中的五幅桔槔图均出自山东。其中，①与④为嘉祥宋山画像石，②为临沂白庄画像石，③为梁山百墓山画像石，⑤为济南南张画像石。
从画面上看，在木柱或木架上捆扎一条横木，横木的一端悬吊提水桶，另一端捆扎一石块，这就制成了桔槔。横木的支点到水桶一端，相当于力臂（动力臂）；支点到另一端相当于重臂（阻力臂）。从画面上可见其科学性的是，力臂稍长于重臂。这样，当不汲水时，重臂端力矩大于力臂端力矩，空桶被悬吊在空中；只有施力于力臂，空桶才能升降。当其降落到井中汲水时，由于力臂长于重臂，人所施力可以小于重臂端石块的重力；当提升满水的水桶时，由于重臂力矩的作用，又可以省力地将水桶提到地面。值得注意的是，画面上横木显然是被捆扎在支柱上，而不是在横木上穿孔让支柱穿过它。由此可见，古代人在造桔槔时充分注意到了材料的强度。因为横木一旦被凿孔，破坏了其内部的均匀结构，就容易在使用过程中折断或劈裂。
从桔槔画像石的画面看，悬吊水桶的或是绳索，或是木杆。图1-1中的①、②、④和⑤为绳索的可能性大。如①，画面上表现出绳索被手拉的弯曲状态。⑤颇有趣味，它表现了提水人在不留神时，绳子脱手那一刹那的情景：绳子与水桶在空中飘荡，以至于绳索连续打弯，画面模糊不清了。而③，悬吊水桶的显然是木杆或竹竿；为了使水桶降落井中，木杆是斜插入井中的。作为杠杆用的横木，有些笔直，如①、②；有些弯成弧形了，如③、④、⑤。弯成弧形既可能是长期使用致使横木变形的结果，如③；也可能原本就是特意加工成的弧形木或柔性好的竹板，如④、⑤。虽然这些画像是两千多年前的生活写照，但今天仍然可以在偏僻的农村里一一找到它们的对应物。
画像石是汉代的，但桔槔的起源远早于汉代。明代罗颀编《物原》载：“伊尹始作桔槔。”传说，伊尹是商汤的贤臣。据此，桔槔起源于公元前17世纪。汉代之前，桔槔或作颉皋、楔槔、揳槔、桥衡，或简称槔、桥。《墨子·备穴》载，守城的墨家弟子按照其师墨翟的教诲，当遇敌方挖地道攻城时，便“凿穴迎之”，“以颉皋冲之”。这可能是在桔槔长臂端装上刀具，将它改成挖凿机械或战斗机械了。可见，至晚在战国时期，桔槔已相当普遍。
《庄子·外篇·天地》叙述了孔子的弟子子贡教农夫用桔槔的故事。子贡指出，像桔槔一类机械，“用力甚寡而见功多”，“用力少见功多者，圣人之道”。可是，那农夫宁可抱瓮灌溉田地，也不愿用桔槔一类机械，其理由是，用机械者会产生“机心”，有了“机心”就会“纯白不备”“神生不定”。因此，这农夫“羞而不为也”。其实，农夫的理由是该故事编纂者的道德观念而已。
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