古代光学史概述——林德伯格《西方科学的起源》中的光学史

08哲学硕 科学技术史专业 姜锐 10823050

摘要：从古代，亚里士多德对视觉的物理分析、欧几里得开创的几何光学，一直到托勒密的发展、阿尔哈曾的大综合，再到中世纪以罗吉尔·培根等人为代表的后继者们。林德伯格整理出古代光学和视觉理论发展的一条清晰线索。一方面，几何光学在稳步地发展这，而另一方面，对光和视觉的物理本性问题，学者们的讨论则形态各异。

关键词：古代光学史、亚里士多德、欧几里得、阿尔哈曾、罗吉尔·培根

引言

大卫·林德伯格是古代光学史（17世纪以前）的专家，做过大量的研究，这从《西方科学的起源》一书的参考书目中便能看出。本文尝试将这本书中的古代光学史线索进行一个概括和澄清，对于不太好理解的一些关键概念给出进一步讲述。本书英文第二版对光学部分有所补充，而中文版是依据第一版翻译而成，故本文这里的探讨，也是对本书中文版中不恰当表述的纠正与澄清。

希腊学者对于光和视觉的认识

人类对光和视觉的认识是从极早就有的。追溯其根源自然要追到西方学术传统的源头——古希腊。那时的哲学家已经对光与视觉有了很多系统化的讨论。因为古代光学的内容过于庞大，涉猎极广，包括数学、物理学、形而上学、心理学、解剖学等等，而其理论体系的形式与现代科学极为不同，对于现代读者来说是极为陌生的。为此，我们选择一种辉格式的概括方式，即偏重数学和物理的角度，在承认现代科学的有效性的基础上，来发掘古代光学中的种种成就与（所谓的）进步。

按照现代的眼光，光学体系中最主要的划分是“进入说”（intromission theory）和“发出说”（extramission theory）[1]，其中“进入说”指的是，视觉产生的机制（agent）是从所看到物体到达眼睛的；而“发出说”则是相反，从眼睛发出。按这种区分，我们可以把古希腊光学理论进行如下划分：亚里士多德和原子论者持“进入说”的观点，而柏拉图、欧几里得则持“发出说”的观点。

熟悉现代科学思维方式的人往往不易理解为何“发出说”能有其根据。殊不知，光的“发出说”才更接近人的原初经验。人生在世，首先觉察到的是“自我”，自己的身体，而后开始通过视觉而巡视世界。人的视觉有一个“中心与边缘域”的结构[2]，即视野中心是注意力的焦点，是最清晰的；而边缘则是模糊的，不为主体所明确察觉，这种模糊对主体的认知来讲正是一种黑暗区域。从而，在最原初的经验中，我们的眼睛注意到哪里，哪里就像被照亮一样，进入到感知领域中来，这正像“探照灯”一样。也正因为如此，文学中也有“眼中冒出火来”这样的描写，和“被人注视的不自在”的切身感受。下面就来简要介绍这几位学者的光学理论。

原子论者

首先是原子论者，以伊壁鸠鲁为代表。古希腊的原子论用原子来构想整个世界，解释一切自然现象，甚至是灵魂。整个世界就像一个机器一样，没有目的、偶然地运作着。原子论者在面对“人如何能看到东西”这个问题时，试图探索视觉中的图像是如何从可见物体中产生的，他们给出了一个朴素的回答。在林德伯格的书中有几次提到：

原子论者认为：看见东西，是一小“片”的原子群（a thin film of atoms [a simulacrum]）从可见物的表面发出而被眼镜所接收。这一“片”，承载着可见物的形状和颜色，在眼或心灵中与灵魂原子（soul atoms）相互作用，来产生视觉感知。[3]

希腊的原子论者……薄片（thin “skin” or “simulacrum” of atoms）从物体外表面剥落（“peeled”）[4]

物体整个地发出一个完成一致的图像或能力（a coherent image or power），通过介质到达眼睛。对原子论者，这就像一副面具从脸上揭下，在空间中整体运动，同时缩小……完整地进入观察者的眼睛。[5]

以此，再结合一些其他的文献[6]我们能看到，原子论者认为，所谓的“看见东西”，是这样一个过程：由原子组成的一小片薄膜（伊壁鸠鲁称之为eidola），从可见物体表面剥落下来（这正好像一层面具从脸上剥落下来一样），薄膜承载了颜色和形状的信息，向眼睛运动，同时自身也在缩小，最后进入眼睛，产生视觉图像。这种理解实际上类似于思维中的“取相”功能，或者是摄像术的理解，即从物体表面剥离出一个二维的图像。而本书第一版以及中文版中的描述就有所欠缺了，仅仅说：

……将视觉归结为：眼睛接受了从可见物体表面发射出的原子薄膜（影子）。[7]

古希腊的原子论者也对视觉进行了物理的描述，他们找到了一种不同的动因——是原子的一层极薄的“膜”或“像”，从物体的外层“剥离”……[8]

仅这样的叙述是不太容易理解的。

然而，这种对视觉的理解体系，其遇到的最大问题便是：人的眼睛很小，但能看到山那样巨大的物体，如此庞然大物所产生的“面具”是如何均匀缩小而保持形状和颜色不变的。这样的理解被后来的学者如阿尔哈曾所驳斥。

亚里士多德

另一位持“进入说”的是亚里士多德。根据他的理论：

“潜在”透明（potentially transparent）的介质，在被发光体（如太阳）照亮时，转变成“现实的”透明状态（actual transparency）。光只是介质的被实现（actualized）的状态。而后，有色物与被实现的介质相接触产生进一步的变化，这种变化传递到观察者的眼中，导致对这些物体的视觉感知。[9]

而中文版的翻译则有些问题：

亚里士多德认为，潜存的透明媒质被发光体如太阳照亮时，就激活为实存的透明状态；光就是处于这种状态的媒质。……处于实在状态的透明媒质……[10]

“潜存”、“实存”、“实在”这样的翻译用语，显然是没有理解亚里士多德物理学中的重要的概念：即潜能和现实。这一对概念被用来作为运动（或者说变化）的定义：“潜在的事物（作为潜在者）的实现即是运动”[11]。在这一定义中，亚里士多德想抓住的是“运动”的存在论本质。从而在光学讨论中，亚里士多德所关注的方面与近代科学大相径庭。根据他的体系，介质在未被照亮时是潜在透明的，而被照亮后，介质的潜在透明属性被实现为现实的透明介质。这一介质沟通了眼睛和被看物体，而物体的颜色信息则通过这一现实透明的介质传递给了眼睛。

尽管这样的理论在现在看起来很复杂而繁琐，但在中世纪的学术讨论中，学者们正是通过亚里士多德的物理学框架来讨论自然哲学的。这种物理学是“质”的物理学。阿尔哈曾等后代光学学者们，在光的物理本性方面，也继承了亚里士多德的分析方法。

欧几里得

而“发出说”的代表人物有柏拉图、欧几里得。其中柏拉图的思想更带有神秘色彩，在林德伯格的书中仅有一句描述：“火从观察者的眼镜中放射出，联合阳光的作用，形成一块介质（form a medium），从可见物一直延展到眼睛，以此，源于可见物的‘运动’传递到眼睛，最终到达灵魂。”[12]可以说，按照近代对光的探索方向，柏拉图没有对光学做出更多的讨论。

欧几里得以其严谨的公理化几何学而著称，他更多是通过几何学来对光进行探索，发展出一套“透视理论”。欧几里得继承柏拉图的“以几何拯救现象”的精神，开辟了几何光学这样一个悠久的传统。欧几里得对于光的本性、作用机制等问题讨论得很少，其所谓的“发出说”更多的是服务于他的几何光学，他提出了“视锥”（visual cone）这样一个概念，即从眼睛中发出的视线（visual ray）形成了一个锥体，顶点在眼睛，底面则在被看到的物体上，这样的锥体像探照灯一样，从而，正是在视线所及之处物体被看到[13]。欧几里得的透视理论中还有一些很有趣的结论，例如[14]，“物体的视大小是视锥所张的角度的函数”，“越远的物体，在视野中看起来越高”等。

托勒密[15]

光学进展到希腊化时期，其最伟大的光学著作则是由著名的天文学家托勒密完成的。与以往的古希腊学者的单一进路不同，托勒密“尝试创造一个全面的理论，将欧几里得的视觉几何理论、对视觉过程的物理、生理方面的全面分析结合起来。” 这正为后来的阿尔哈曾的光学大综合指明了方向。

托勒密采纳了欧几里得的视锥的概念，但将视线看成是物理上真实的视觉流，从眼中流出，将所接触到的物体的颜色、形状、大小、位置等信息带回眼睛、带回大脑的管理部门（Governing Faculty）。同时，托勒密对于反射现象（视觉也可以是反射的或者折射的视觉）进行了全面的几何学描述，同时对曲面镜也有所研究。他发展了一套定理来处理反射产生的像的位置、大小、形状，并且发展了实验方法以检验其理论。

而对于折射的分析是托勒密对光学史的贡献，他用类似的方法全面给出了折射的几何分析及实验研究。并得出“介质越密，光线越靠近垂直方向”的结论。

托勒密的另一项贡献是巧妙的铜盘实验，他垂直放置一个铜盘，让光线发生折射，铜盘边上标记有角刻度以测量光线的角度关系。托勒密曾经试图在入射角和折射角之间找到一个固定的比率关系，但没有成功，但找到了一些似是而非的规律（其测量数据似乎有过调整以适应理论）。

对于“进入说”和“发出说”，林德伯格给出一个洞察[16]，即侧重于视觉与光的物理机制的学者（如原子论者、亚里士多德）倾向于持“进入说”，而偏重视觉的几何理论的学者（欧几里得、托勒密）则倾向于“发出说”。这不是偶然的，林德伯格继续论证到：“发出说”对于光学的几何分析是必不可少的，因为视锥由从眼睛中发出的视线构成，从而只有承认“发出说”，才能使用视锥这样一个非常方便的分析工具。特别地，林德伯格提到，被划为“进入说”的亚里士多德，在一次要对光学现象进行几何分析时（分析彩虹），明确采用了“发出说”的观点。[17]

伊斯兰的贡献与阿尔哈曾[18]

在西方学术的传递演变中，伊斯兰世界起到了一个重要的保存的作用，成为科学史上一个必不可少的环节。随着伊斯兰世界的扩张和强盛，大批的古希腊及希腊化时期的学术文献被翻译成了阿拉伯语。阿拉伯学者们面对古代的大量遗产，开始了漫长的吸收、调和、完善和澄清的工作。他们仔细考察各家各派的学说，尝试调和矛盾，将其中一些模糊的概念进行澄清。

阿拉伯的学者对于光学也有很多新的重要贡献，例如死于约866年的金迪（al-Kindi）写了一个全面而明确的对欧几里得视觉理论的批判。其最重要的成就是一个颠覆性的断言：光线不是从发光物整个发出的，而是从其表面每一点向各个方向发出的，各个点之间相互独立。相对于朴素的“从物体上整体剥离的面具”的观念，这一断言无疑是根本性的转变。但下面将会看到，这样的解释也会遇到很多问题，后来的阿尔哈曾对此给出了成功的解释。

此外，活动于约985年的本·萨尔（ibn Sahl）对光学研究有另一项贡献，他研究了曲面折射问题，并测量了角度关系，并找到了现在被称之为斯涅耳定律（Snell’s law，即现在的正弦定律）的结论。但这一定律在当时没有什么实际用途，直到17世纪才被斯涅耳、笛卡尔等人重新提出并得到重视。[19]另外，还有卡玛尔丁（Kamal al-Din，1297-1319）对霓、虹现象进行了研究并给出了正确的解释（虹是小水滴的折射、反射、折射过程，而霓则要有两次反射）。

阿尔哈曾的贡献[20]

在伊斯兰的学术史中，光学上的集大成者是天才的数学家和数理天文学家伊本•海塞姆（Ibn al-Haytham），中世纪西欧学者通常称之为阿尔哈曾（Alhacen）[21]。他成功地将古代遗产中的光和视觉的物理机制分析、数学理论、以及解剖学或生理学方面（这部分的贡献者主要是一些医生，本书略而不谈）这三个独立的维度整合成一个完整的体系。其光学的基本假设、基本概念与方法，奠定了整个中世纪光学的光学框架，而很多方法一致沿用至今。可以说，阿尔哈曾是光学之父。

阿尔哈曾最重要的贡献在两个方面。首先，他引用了一系列有力的论证来驳斥光的“发出说”：例如，明亮的光会让眼睛受伤（而受伤的本质在于外来的伤害），抬头看天，眼睛如何可能发出辐射遍布整个宇宙，等等。而另一方面，他也兼取“发出说”中清晰而方便的视锥概念，将之整合进自己的体系中来。为此，他使用金迪的“物体表面上每一点都独立地向四面八方发出光线”观念来作为论述的基础，然而这中间需要克服一些困难。

“物体每一点都独立地向各个方向发光”会给解释视觉带来极大的困难。视野中的每一个点上都发出光线照到眼睛上的每个点，如此一来，进入眼睛的是不同方向、不同位置的众多杂乱光线。如何能看到连贯完整的画面？如图：

基于已有的解剖学研究，为了解释视觉看到完整画面的能力，需要将可见物体上每一个点和视觉器官中每一个点相对应，这样才能在眼睛的接受器官中形成清晰完整的图像。

阿尔哈曾成功地做到了这一点。他构想：尽管视野中每一个点都发出光照到眼睛上的每一个点，但并不是所有的光线都能产生视觉，只有与视野相应的那一点，即垂直地落在眼球表面上的光线才能引起视觉，而其他斜入射的光线因折射而发生偏折、强度减弱，在视觉中仅起到次要的作用。这样一来，外在视域和感光器官上的视野在几何上形成了一个球面投影的关系。而当仅考虑垂直入射的光线时，便也可以使用视锥这一概念了。如图

阿尔哈曾光学的重点是在视觉理论，但他也对所有光学现象感兴趣。他借鉴亚里士多德的形式概念，讨论了辐射的本性，考虑了光和颜色的问题，他区分了直接发光体和间接（被照）发光体，他考虑了反射折射的物理学，发展了光、颜色的辐射的数学分析，而且还用精细复杂的方法来处理反射折射中的成像问题。并且，他对视觉感知中的心理学、视觉错觉等问题给出了认真的讨论，对后世有极大的影响。

中世纪的后继者

阿尔哈曾的光学著作逐渐传入中世纪的欧洲，在13世纪获得了透彻的理解，并取得了主导地位。除此之外，还有新柏拉图主义传统、盖伦为代表的医学传统等。中世纪光学的几位代表人物依次是罗吉尔·培根、约翰·佩卡姆（Pecham）和威特罗（Witelo），他们决定性地影响了整个中世纪的光学发展，一直到1600年，开普勒要进一步发展视觉理论时，正是从培根、威特罗、阿尔哈曾所遗留的体系上开始的。

培根采取了阿尔哈曾的光学框架，采纳了“进入说”的观点，借鉴了他的几乎所有的细节。高度颂扬数学作用的培根，对阿尔哈曾对光和视觉的数学处理印象深刻，并将之发扬下去。但培根及其同时代的一些学者怀有一种信念，认为古人的思想是统一而没有矛盾的，为此，他不得不竭力表明，亚里士多德、欧几里得、阿尔哈曾、新柏拉图主义者的视觉理论其实是一个意思。

尽管培根持“进入说”，但他仍然保留了从眼睛发出的视线，认为这种视线起到一个辅助作用——让介质准备好来接受可见物发出的光，使发进来的光变得更高贵（ennoble），以能够对眼有所作用。对于辐射（光是辐射的一种）的本性，培根接受新柏拉图主义式的观点，使用并发展了他老师罗伯特•格罗斯泰斯特（Robert Grosseteste）的种相（species）学说。这是一个关键的概念，本书中文版中没有体现出其微妙的内涵，在此我们给予澄清。我们来看林德伯格第二版书中的原文：

培根接受新柏拉图主义宇宙观，宇宙是一个巨大的力量之网（network of forces），其中每个东西都通过辐射自身的力量或相似性（likeness）作用于临近的东西。并且，他设想这个万有力量是所有因果过程得以发生的途径（conceived this universal force to be the instrument of all causation）。……对于光、颜色等一切可见的要素（visible agents），培根说，它们是其源头的相似性（likenesses of their sources），并因而是这种万有力量的显现（manifestations of this universal force）。[22]

这种相似性，或者叫“似相”，正是种相学说中的术语。种相学说是中世纪经院哲学的核心概念，其思考方式于当今科学迥然不同。[23]“培根一般用‘种相’表示所有起作用的事物所影响其他事物所凭借的力量。施动者（在这里即源头[sources]）本身的特征当然在这种力量中有所揭示；它在某种意义上类似于施动者，因此就其起源来说也被称为‘似相’（similitudo）或‘形相’（imago）。”这里的“似相”即林德伯格这里的“相似性”（likeness）。而这样构想的合理性，来自于一些简单的观察事实：火会把木头变成火，热的物体会使其他物体变热，传染病会传染上其他人同种的疾病等等。

从这里，我们可以看到培根在构想辐射过程中，使用着怎样的思维方式。他将世界看成这样一个巨大的网络体系——其中所有物体都在释放着“同化”他者的力量。培根继续讨论了“种相”或“同化力量”在空间中的传播过程，以此构造对光辐射的理解。不仅如此，培根基于此还发展出来对后世很有影响力的一套哲学体系，在中世纪经院哲学中起到了重要的作用。

对于佩卡姆和威特罗，本书中没有多提，因为他们的体系基本上也是阿尔哈曾的体系。而正是通过培根、佩卡姆、威特罗三位学者，阿尔哈曾的统一物理－数学－生理三方面的光学进路才得以在中世纪占据了重要的位置。如此，一直延续到开普勒才有了进一步的实质性发展。

结语

光学是一个成熟相当早的科学分支，阿尔哈曾奠定的基本数理框架与范式直到今天还在使用。后来的光学发展是从17世纪开始的，随着世界图景发生转变，人们也以新的方式探讨光的物理本性，随着波动光学的出现，过去的数理光学成为了现在的几何光学，另一方与之相对的是物理光学。如今，这一学科继续在光学仪器制造等领域发挥着重要的作用。

在《西方科学的起源》中，林德伯格对古代光学史有了一个非常概要性的介绍，让读者能够有一个初步的印象。而其中最有趣的，正是古代科学那方式迥异的思维方式和理解方式。本文正是对其中的几点（“进入说”与“发出说”，视锥概念，以及种相理论对辐射的分析等）进行了澄清，让读者得以一窥古人对光和视觉现象的众多理解。

本文大体是林德伯格这本书的整理和澄清，其中参考了其他一些科学史著作，列在后面。

参考文献

Dijksterhuis, E. J., The Mechanization of the World Picture (Oxford: Clarendon Press, 1961).

Dijksterhuis, Fokko Jan, "Once Snell Breaks Down: From Geometrical to Physical Optics in the Seventeenth Century," Annals of Science, 2004 61: 165-85.

Husserl, Edmund, Ideas Pertaining to a Pure Phenomenology and to a Phenomenological Philosophy. First Book., General Introduction to a Pure Phenomenology, Translated by F. Kersten: Nijhoff, 1982).

Lindberg, David C., "Alhazen's Theory of Vision and Its Reception in the West," Isis, 1967 58: 321-41.

Lindberg, David C., The Beginnings of Western Science : The European Scientific Tradition in Philosophical, Religious, and Institutional Context, Prehistory to A.D. 1450 (Chicago: University of Chicago Press, 2007).

Lindberg, David C., Theories of Vision from Al-Kindi to Kepler (Chicago: University of Chicago Press, 1976).

亚里士多德 著，张竹明 译，《物理学》，商务印书馆，1982年版。

林德伯格 著，王珺 等 译，《西方科学的起源》，中国对外翻译出版公司，2001年版。

记得是初中的时候，第一次想自己该用什么id，于是起了这样一个名字。

最初的想法很简单，大概就是“我一定会成为一杰出而深刻的思想者”这样的想法，我能想得比别人好，是一个好的思考者good thinker，或者说“善思者”。就这样这个id一直沿用至今~~不过现在并不是很认同这个id了，思考并不够，它差的太远了。人在平常的时候总是说自己很理性，不会轻信什么的，但到了真正危难的时候，却会突然变得非常religious，而大没有苏格拉底那种临死而追求正义的心灵。思维的力量真的很弱小。

直到昨天，我忽然发现这个id的另一种理解方式，即good-thinker, the guy who thinks about GOOD. 思考“善”的思想者，或者说“思善者”。这样一来这个名字就有了新的含义。

古今中外，不管哪个文化、思想、哲学，都会思考“善”（good）这样一个理念。柏拉图将善推举为最高级的理念。而儒家也有“至善”这样一个最终追求（大学之道……在止于至善）。善是哲学追求的最高目标，善是修行的明确方向，是伦理学最基本的概念。

想到此，才觉得这个id还是有那么点意思的，呵呵。

善哉

一举一动观自心，正当烦恼初萌生， 危害自与他人时，愿疾呵斥令消除。

我好像看到了什么。

整个现代数学向前发展，其被后的概念是什么？

我在思考十七世纪世界图景的机械化（力学化）与自然的数学化之间的关系，看到戴克斯特赫斯提出，以运动与数学来刻画力学的主题。正是这样，力学是研究变化的学问，现代力学所使用的语言是数学。

然而以数学研究变化的学问，正是微积分，或者广义地说，数学分析。数学分析发展有着曲折的道路。物理正是与这样一条数学分析的发展路线发展前行的。

笛卡尔那里，有运动、有数学，却的正是微积分，从而搞出来的物理没有什么实质贡献。

而在十七世纪波动光学那里，有了某种微积分，但没有关于场的微积分，于是对光的描述比较差，被牛顿的光的微粒说占了上风。（惠更斯提出惠更斯原理，可以说是基于当时数学工具研究介质扰动传播的极限了）。

继续往下思考，似乎我们发现了某种本质规律。

如果说微积分（牛顿发明的不仅是微积分，还有微分方程的思想）的出现是因为力学中对运动的数学处理的要求，那么我们可以从对数学的发展动因有什么启示？

波动方程描述的是空间扰动的运动。

泛函分析是对函数变化的讨论。

矩阵也是从变化而发展来的。

而数学中另一个重要的主题是“关系”、“因果性”。

所谓连续指的是自变量与因变量之间的连续的“关系”、连续的“因果性”。

几何学中的Erlangen纲领：几何学是研究变换群中不变的性质。

有是变化与不变。

这些自柏拉图、亚里士多德就有的哲学概念并没有被消除，它们还在！保留在数学的各种符号背后。

胡塞尔就参与到数学基础的讨论之中。如此看来，对数学的现象学考察一定是一个很有趣的领域。