历史的真相——胡克定律和郑玄有关系吗?

近代以来的欧洲历史是一部科学蓬勃发展的历史,在这段光辉的岁月中,无数的科学家在各个领域提出了对后世深刻影响的理论,其中就包括英国科学家罗伯特·胡克,公元1676年,胡克按照学术界惯例,发布了一个拉丁语字谜“ceiiinosssttuv”,两年过后,他将错乱的字母重组,公布了答案“ut tensio sic vis”,这句拉丁文意译过来就是“力的变化就像伸长那样”简明扼要的点出了他的发现:固体材料受到力量的拉伸或者挤压后,其变形距离和力量呈线性关系。基于这个理论,胡克发明了我们常常用到的弹簧,也因此被物理学史所铭记。不过,近些年来,随着民族自信的需要,一些学者在遥远的古代找到了一位同样“发现”这一定律的人——郑玄,于是,他们提议将胡克定律前加上郑玄,更有激进者,认为胡克还可能抄袭了郑玄的发现,这究竟是怎么回事呢?就让我们一一道来。

历史的真相——胡克定律和郑玄有关系吗?

罗伯特·胡克


郑玄和他的发现

郑玄是我国东汉时代的人,在那个年代,并没有真正意义上的科学家和学科,因此郑玄的研究实际上是在经学的基础上,兼顾其他各类杂学,而他发现的所谓物理学定律,也是在为《周礼》做注解时提及的。在这本书的考工记·弓人篇中,提及古代复合弓所用的动物筋、角和木材三种材料时,说其“材美,工巧,为之时,谓之参均。角不胜干,干不胜筋,谓之参均。量其力,有三均,均者三,谓之九和。”

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郑玄首先是一位经学家


相信大家乍一看到这段话,一定是像看天书那样无助,虽然大致意思能够明白,但什么叫角不胜干,怎样才叫三均,就无从知晓了,其实不光我们如此,古人也是一样,于是,郑玄在做注时,便根据自己所了解到的知识和对文字的理解,对这部分内容通俗地解释了一番,他写道:“假令弓力胜三石,引之中三尺,弛其弦,以绳缓摄之,每加物一石,则张一尺”当然,可能是觉得还不够,他又补充了一下,被唐代的贾公彦所记录,说:“郑又云,假令弓力胜三石,引之中三尺者,此即三石力之弓也必知弓力三石者,当弛其弦,以绳缓摄之者,谓不张之,别以一绳两策,乃加物一石张一尺、二石张二尺、三石张三尺”

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左边的测弓法即是郑玄所说的不张弓测法


经过郑玄的这一番解释,我们终于可以明白,九和、三均所要达到的效果是弓经过卸弦后的负重测试,可以达到重物每增加约30公斤,弓张开的距离就增加23厘米,依此类推。显然,从这一段的描述来看,郑玄所说的这个要求,明确的表达了拉力和弓体变形距离(即拉距)之间每增加相同的力,就增加相同的距离,和胡克定律所说的力与变形程度呈线性关系非常接近,甚至可以说一致。正是由于这个原因,诸如国防科技大学的老亮、河北工业大学力学系的李银山等人都鼓吹郑玄发现了胡克定律,自己的祖先比物理学大师还早了千年发现物理学定律,这一消息任谁听起来都会觉得自豪而有趣,但事实真是如此吗?

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汉代砖画上的拉弓射击


站不住脚的定律

任何有着基本科学素养的人都会知道,要称为定律,首先要能满足这几点要求,首先它得是客观规律,其次,它是可以证明的,尤其是要证明其具有可重复性。而郑玄的问题,就出在后者,胡克在发现这个定律时,做了大量实验,其实验结果不但可以重复,还让他发明出了现代意义上的金属弹簧,并将这个理论应用到弹簧秤上,这就意味着他的定律被确切的证明了。

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胡克定律的相关实验


但郑玄却不具备这样的条件,原文没有提到他有任何的实验和成果,那有人或许会说,可能是他做了实验而没有说呢?也可能是其著作遗失了呢?乍一看,这样的质疑非常正确,但是我们先不说没有流传就不能草率的证明,就算他确实做了,他也不可能成功的证明这一定律。

说到这,大家一定一头雾水,我定律都发现了,还不能证明?什么鬼?先别急,且听我慢慢道来,为什么郑玄不能证明呢?问题就出在他所选择的弹簧上,广义来说,弓也是一类弹簧,就那个时代来说,古人最常接触的弹簧也只有弓,因此,我国自古以来就很重视观察弓弩,无论是居延汉简等各处史料中记载的拉力数据,还是记录其制作流程的各类著作,都是有力的证明。而弓弩也分很多种,以材料为判断标准的话,分为单一木材制作的单体弓和动物筋、角和木材所制作的复合弓,其中郑玄所注释的内容,就是说的后者。

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新疆出土的汉代复合弓


既然郑玄补充批注的对象是后者,其观察或者实验的对象也必然是后者,但不幸的是,复合弓由于是多种材料构成,因此其拉力(拉伸与挤压弓臂的力量)和拉距(形变距离)并不是线性关系,其实这也不难理解,每种材料的弹性能力并不相同,因此相同力量所能造成的形变也不会一致,动物角这种更为坚硬的东西自然不会比筋更易变形。也就是说,按照郑玄批注所写的方法进行测试的话,是不可能得到每增加23厘米所需要的力是30千克这么规律的数据的,这一结果也被美国学者克洛普斯特格的实验结果所严整,他在著作中列出了几种弓的拉力与拉距对应的曲线图,其中亚洲复合弓(D曲线)的两者对应关系是一种抛物线而不是直线(线性相关在曲线图的表现即是直线)。

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克洛普斯特格的曲线图


既然复合弓不能正确引导郑玄得到这个结论,那么他是否可能是依据单体弓得到这个定律的呢?毕竟,郑玄虽然描述的是复合弓,但论述的还是每一种材料三均含义的问题,他会不会将其中的木弓体测试推到了全部材料之上?这确实很有可能,还是那张美国学者的图标,里面一张182厘米长的英国单体长弓(B曲线)的拉力曲线,就几乎是条直线。但即便如此,我们仍然不能认定郑玄成功的发现了这一定律,这是因为一般来说,古代的复合弓是反曲结构的,而英国单体长弓则是直拉结构,且我们无从得知郑玄所依据的弓是软而短的梢还是硬而长的(曲线C),长短如何(曲线A),而这些因素无疑都会产生巨大的影响。也就是说,即便材料单一,弓这种复杂的东西也可能导致拉力曲线不能每次得到一致的结果,而不同的弓型,材料在整个古代王朝都是混用的,在这样的背景下,我们很难想象郑玄可以准确的依靠木弓体实验,反复得到这个结论。所以,郑玄所谓的“定律”,连起码的证明和复制结果都无法做到,又何谈他发现了定律呢?就这一点来看,郑玄的发现可能只是刚巧发现了某个弓体的这一现象罢了,甚至可能只是他对古代文字的个人理解。

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左边和右边分别代表不同梢对拉力曲线的影响


未来与科学

除了郑玄无法证明这个定律的原因外,从更加精细和长远的角度来看,将胡克定律和郑玄的“发现”划等号也是欠妥的,虽然按照字面的意思,他们都描述了同一种现象和规律,但是前者显然有着更深更广的内容,因为胡克不光写下了这个规律的文字表述,还在此基础之上,利用数学知识写出了力和形变距离的表达式F=K*X或ΔF=K*ΔX,更为可贵的是,胡克认识到了不同材料之间的差异,于是在公式中用K表示材料的弹性系数加以区分,这就使得这个公式不光可以应用在实验材料上,还可以进一步推广。显然,从这一点来看,郑玄的“发现”和胡克定律就有着云泥之别,前者停留在现象的描述上,其数学表达也非常粗糙,无法推广到更多的材料中去,后者则已经开始利用总结的规律和数学表达式来尝试理解物理世界的奥妙了,这样的差异,不光是在理论上,也在实践中产生截然不同的结果,郑玄说出了一个有趣的现象,而后便沉寂在历史的河流之中,没有任何发明,也没有总结出可以推广使用的定律,反观胡克不但由此创造出现代常用的弹簧,还为现代物理学的发展贡献了自己的力量,就这一点来说,郑玄的“发现”和胡克定律相比并不具备任何可比性。

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我们常用的弹簧是胡克发明的


自信是建立在事实的基础上的,牵强附会的粉饰自己并不能增加我们的地位,真正的荣誉是依靠那些踏实肯干的现代科学家们孜孜不倦的研究所取得的,要获得自信,我们何必要舍近而求远呢?而对于我们普通人,所要做的是不要被这样的鸡血内容所蒙蔽,要用自己的大脑去思考一下,毕竟,如果真如很多专家学者所言的那样,我们的先祖比欧洲人率先发现了这个,发明了那个,又为何现代文明不起源于我们呢?


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