Оптика

 
Вогнутые и выпуклые зеркала. Как и в других древних цивилизациях, в Китае использовались зажигательные зеркала, самое раннее упоминание о которых относится к VI в. до н.э. Они назывались ян суй или суй хо цзин и представляли собой бронзовые вогнутые зеркала, которые первоначально применялись во время ритуала добывания огня от Солнца – цуань цзи суй хо. Делалось это в полдень, когда солнечные лучи наиболее сильны. К зеркалу подносили древесные стружки или пучок полыни, и они загорались. О данном ритуале имеются упоминания во многих ханьских текстах, например, «Чжоу ли», «Хуайнань-цзы», «Ли цзи», «Лунь хэн» (см. Ван Чун). В «Хуайнань-цзы» оговаривается, что пучок полыни не должен помещаться слишком далеко и слишком близко. Нужно найти правильную позицию и точно выбрать угол, под которым зеркало должно быть сориентировано по отношению к лучам Солнца. Фактически речь шла о том, что пучок надо поместить в фокус вогнутого зеркала.
 
В нач. IV в. знаменитый даосский алхимик Гэ Хун писал, что он сам видел, как с помощью зеркала получают огонь от утреннего солнца. Для аналогичной цели вогнутые зеркала использовались в Китае и позже. Так, в биографии танского генерала Ли Цзина указывается, что зажигательные зеркала применялись солдатами для получения огня в полевых условиях.
 
Детальное исследование свойств вогнутых (ва [1]) и выпуклых (туань) зеркал (цзянь [18]) было проведено моистами в IV–III вв. до н.э. Ими было установлено, что вогнутое зеркало может давать изображения прямые и перевернутые, большие или меньшие по размеру, чем объект. В «Мо цзине» говорится, что все это зависит от того, находится ли объект «внутри (нэй) от середины/центра (чжун [1])» или «снаружи (вай) от середины/центра». Среди синологов нет устоявшегося мнения, что понимать здесь под термином чжун [1] («середина/центр»), который, согласно А.И. Кобзеву, может иметь в данном случае целый спектр значений: фокус, центр кривизны зеркала, средняя точка или пространство между ними, а также их неразличаемое единство. Однако фокус и центр кривизны могут быть достаточно отдалены друг от друга (расстояние от зеркала до центра кривизны приблизительно равно удвоенному расстоянию от зеркала до фокуса). Более значимые оптические эффекты связаны с фокусом, а не с центром кривизны. Моисты, по-видимому, определяли то и другое, но терминологически не различали. В первом случае, как указывается в тексте, когда объект находится между зеркалом и фокусом, он дает прямое (чжэн [1]) изображение, которое больше самого объекта. Чем ближе объект к фокусу, тем больше его изображение, и наоборот. Во втором случае объект дает перевернутое (и [4]) изображение. Чем ближе он к фокусу, тем также больше его изображение, и наоборот. Все это соответствует действительности, однако моисты как будто не уточнили, что во втором случае размеры изображения варьируются: могут быть больше объекта, меньше или, в центре кривизны, равны ему. Когда объект помещается в фокальную точку, изображение приобретает бесконечные размеры, а при переходе через нее происходит его перевертывание. Не исключено, впрочем, что, по крайней мере, часть этих эмпирических данных отражена в неполностью сохранившихся и по-разному трактуемых фразах, завершающих описание каждого случая.
 
Моисты также установили, что выпуклое зеркало (туань цзянь) дает только один вид изображения. При приближении к зеркалу изображение объекта увеличивается, а при удалении – уменьшается, но в обоих случаях остается прямым.
 
На танских фресках в пещерах Дуньхуана есть несколько изображений людей, медитирующих перед объектами, которые напоминают вогнутые и выпуклые зеркала. Зеркала разных форм в традиционном Китае использовались в процедурах предсказания. В даосской дыхательной практике зеркала применялись для проверки правильности задержанного дыхания, при котором на зеркале, поднесенном к носу, не должно образовываться запотевания.
 
В XI в. Шэнь Ко отмечал, что в древности существовала практика изготавления плоских зеркал с небольшим искривлением. Вогнутое зеркало отражает лицо человека с увеличением, а выпуклое – с уменьшением. Если зеркало маленькое, то в нем, когда оно плоское, не разглядеть всего лица. Поэтому маленькие зеркала и делали выпуклыми. В большом зеркале поверхность можно сделать плоской или вогнутой, и в последнем случае отражение будет увеличенным и площадь зеркала будет использовала рационально. По мнению Шэнь Ко, в его время мастера полностью утратили навыки по изготовлению таких зеркал. Однако он был не совсем прав. В книге его современника Чэнь Ши-дао под названием «Хоушань тань цун» («Собрание бесед в Хоушани») сказано, что при изготовлении зеркал существует практика тщательного регулирования их «глубины» (сянь [8]).
 
Линзы. Зажигательные стекла использовались в древнем Китае уже в I тыс. до н.э. Древние китайцы изготовляли их из горного хрусталя. Они назывались «огненными жемчужинами» (хо чжу) и применялись в весенние праздники для получения «нового» годового огня. С развитием стекольного производства в Китае уже в доциньское время появились зажигательные стекла, полученные искусственным способом.
 
В целом в Китае и в других странах изучение линз отставало от изучения зеркал. В древней Греции можно отметить Аристофана (ок. 445–385 до н.э.) как первого, кто говорил о «прозрачном камне» (hyalos), которым можно пользоваться для получения огня. Среди римлян о линзах первыми писали Сенека (ок. 4 до н.э.–65 н.э.), который предлагал использовать заполненные водой стеклянные шары для чтения неразборчивых писем, и Плиний Старший (23/24–79), говоривший о простых зажигательных линзах из хрусталя. Однако научное изучение линз в Европе началось только в XIII в., после знакомства европейцев с трудами арабо-мусульманского ученого Ибн-аль-Хайсама (965–1039), который занимался исследованием главным образом двояковыпуклых и сферических зажигательных линз.
 
В «Книге превращений» («Хуа шу», гл. I) Тань Цяо имеется пассаж о четырех оптических инструментах, обозначенных термином цзин [12], кото-рый имеет значения «зеркало», «линза», «оптическое стекло», «прозрачный», «ясный». По мнению Дж. Нидэма, речь здесь идет не о зеркалах, а о линзах, поскольку, во-первых, существует именно четыре фундаментальных типа линз (двояковогнутая, двояковыпуклая, плосковогнутая, плосковыпуклая), а фундаментальных типов зеркал всего три (плоское, вогнутое и выпуклое), во-вторых, на это отчасти указывает этимология названий самих цзин [12]. Как пишет Тань Цяо, первое устройство (двояковогнутая линза) называется гуй [6], второе (двояковыпуклая) – чжу [11], третье (плосковогнутая) – чжи [20], четвертое (плосковыпуклая) – юй [14]. Через гуй [6] объект видится увеличенным, а через чжу [11] – уменьшенным. При использовании чжи [20] изображение видится прямым, а при использовании юй [14] – перевернутым. Если кто-либо посмотрит на формы и человеческие тела через такие инструменты, то поймет, что «нет вещей [абсолютно] больших или малых, красивых или уродливых».
 
Дж. Нидэм указывает, что только для иероглифа гуй [6] («скипетр»), применяемого в качестве названия двояковогнутой линзы, этимология не ясна. В остальных случаях она довольно-таки прозрачна: чжу [11] («жемчуг») – это распространенное название двояковыпуклого зажигательного стекла; названия юй [14] («чаша») и чжи [20] («точильный камень») для плосковыпуклой и плосковогнутой линз были взяты по аналогии с формой соответствующих предметов. Аналогия с чашей не требует объяснений, а по поводу китайского традиционного точильного камня, который обычно устанавливается вертикально, следует сказать, что при долгом употреблении его верхняя поверхность становится вогнутой.
 
В «Трактате обо всех вещах» («Бо у чжи», кон. III в.) Чжан Хуа привел идею использования льда в качестве зажигательной линзы. Для этого надо обточить кусок льда в форме шара и выставить под солнечные лучи. Если подложить под этот шар пучок полыни, то она загорится. Подобный эксперимент успешно был проведен в XVII в. Робертом Гуком.
 
В средние века в Китае увеличительные стекла имели широкое распространение. В эпоху Сун, например, чиновники судебных приказов использовали различные увеличительные линзы для расшифровки неразборчивых документов, важных с юридической точки зрения. Ли Ши-чжэнь (1518–1593) в «Бэнь цао ган му» («Основные положения о корнях и травах») писал, что в его время врачи, чтобы не травмировать пациента, зажигали моксу линзой.
 
В сунском суде находили применение очки с темными стеклами, сделанными из дымчатого кварца, но не для защиты глаз от солнца, а для маскировки реакций противных сторон на предъявляемые свидетельства.
 
Очки с разрезами, предохраняющие от ослепления ярким солнечным светом, отражающимся от снега, с ранних времен использовались тибетцами и монголами, и китайцы переняли эту практику.
 
Обычные очки, изобретенные в Италии в конце XIII в., были завезены в Китай не позднее начала XV в. арабо-мусульманскими купцами. Первона-чально они назывались ай дай, затем, в том же XV в., – янь цзин. Это назва-ние сохраняется до сих пор. Широкое распространение очки получили через два столетия. Китайские очки имели оправу с шарниром, благодаря которому их можно было складывать пополам. Стекла очков часто изготовляли из горного хрусталя. Вместо дужек использовались шнурки.
 
Первой китайской книгой, посвященной телескопу, стала «Юань цзин шо» («Изъяснение далеко[показывающих] линз») миссионера-иезуита Иоганна Адама Шаля фон Белла (кит. имя – Тан Жо-ван), изданная в 1626. Но только в XIX в. эта отрасль начала действительно развиваться. Основываясь на «Юань цзин шо», Чжэн Фу-гуан (1780-?) в 1835 написал и в 1846 опубликовал «Цзин цзин лин чи» («Завораживающее применение линз»), а в 1840 Чжан Фу-си издал «Гуан лунь» («Суждения о свете»). В обоих сочинениях систематизируются свойства света и различные формы зеркал и линз, а в первом описываются также методы изготовления телескопов и секстантов.
 
Камера-обскура. В истории науки первые опыты с камерой-обскурой, представляющей собой темную камеру с крошечным отверстием на одной стороне и экраном на другой, обычно приписываются Альгазену. На самом же деле изобретение этого оптического инструмента было сделано китайцами в IV–III вв. до н.э. Однако Альгазену принадлежит применение геометрических и количественных методов в исследовании изображений, возникающих в камере-обскуре. Этого не было у китайцев, которые ограничились только их качественными исследованиями.
 
Первые опыты с камерой-обскурой описываются в «Моистском каноне» («Мо цзин»). Название прибора не приводится, но зато даются термины, обозначающие две его существенные детали: экран (чжан [3]) и отверстие (сюэ [1]). Также вводится достаточное количество терминов, позволяющих объяснить эффект «переворачивания» (дао [3]) «изображения» (ин [5]). Суть этого эффекта, как считали моисты, в «пересечении» (у [10]), которое происходит в «точке» (дуань [1]), находящейся в отверстии. В качестве примера рассматривается процесс формирования изображения человека, который стоит напротив данного отверстия вне камеры. Он «как бы» испускает лучи, т.е. от него исходит отраженный свет. Световые лучи от верхней и нижней частей фигуры человека – «головы» и «ног» – распространяются одинаково. Свет от головы и ног, направленный в сторону камеры-обскуры, попадает в отверстие и на внешнюю стенку выше и ниже его. Попадая в отверстие, свет от головы идет под углом сверху вниз, а значит изображение головы на экране окажется снизу. Также свет от ног, попадающий в отверстие, идет снизу вверх, а значит изображение ног на экране будет сверху. Точка дуань [1] «собирает» (юй [4]) свет от всей фигуры человека и затем он, перевернувшись, попадает на «собирающее место» (цюй [2]) на экране.
 
Опыты с камерой-обскурой и вогнутым зеркалом проводил в XI в. Шэнь Ко. Описывая их результаты в «Мэнси би тань» («Записки из Мэнси»), он полемизировал с Дуань Чэн-ши, в «Юян цза цзу» («Сборник с [гор] Юян», 863) наивно объяснявшим переворачивание в камере-обскуре изображения пагоды ее расположением у моря, дающего отражение, которое и попадает уже перевернутым в камеру-обскуру. Шэнь Ко приводит аналогию между лучами света, проходящими через фокус (ай [1]), с веслом, вставленным в уключину. Если тянуть за ручку весла в одну сторону, то лопасть будет перемещаться в другую сторону. Аналогично если смещать объект в одну сторону, то его перевернутое отражение в вогнутом зеркале будет смещаться в противоположную. Так же, когда птица летит на восток, ее изображение в камере-обскуре будет двигаться на запад. Это потому, что свет оказывается «собран» (шу [15]) в неподвижном фокусе как зеркала, так и камеры, и эта «собранность» аналогична «сужению» (яо [7]) движения весла, закрепленного в уключине. Такое же «сужение» солнечного света, отраженного от вогнутого зеркала, является местом, в котором может загореться помещенный в него пучок полыни.
 
Обширные экспериментальные исследования прохождения света через отверстие камеры-обскуры были произведены в середине XIV в. ученым Чжао Ю-цинем. Он показал, что, когда отверстие маленькое, тогда световое пятно, проецирующееся на экране, является круговым вне зависимости от формы отверстия. При незначительных изменениях размеров отверстия размер изображения не меняется, но его яркость увеличивается при увеличении отверстия и уменьшается при его уменьшении. Если расположить экран ближе к отверстию, то изображение станет меньше, а яркость его увеличится. Когда отверстие маленькое, тогда наблюдается инверсия изображения, а когда отверстие большое, инверсии нет.
 
Чтобы перепроверить свои выводы, Чжао Ю-цинь провел дополнительный эксперимент, потребовавший достаточно сложной по тем временам организации. Он вырыл в земляном полу затемненной комнаты два колодца разной глубины. Колодцы закрывались крышками с квадратными отверстиями разных или одинаковых размеров. В колодцы устанавливались подносы с разным или одинаковым количеством горящих свечей. Свечи могли расстанавливаться по-разному на подносах. В глубокий колодец ставилась подставка, чтобы уравнять глубину обоих колодцев. Варьируя эти и другие условия эксперимента Чжао Ю-цинь рассматривал изображения, проецирующиеся на потолке комнаты. Он показал, что первоначально сделанные им выводы являются верными. Кроме того, им было отмечено еще несколько закономерностей, которые согласуются с современными данными.