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古代叫叆叇、火珠,英文词源是扁豆,你能猜到它是谁吗?

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本篇文章正文共 5559字

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 编者按:

透镜是几何光学与物理光学中最基本的光学元件之一,在我们的生活中无处不在:小到架在鼻梁上的一副眼镜,大到口径数米的天文望远镜物镜,其核心都是一片或一组透镜。

然而,这个在物理学中十分严谨的概念,其西文原名lens竟源自拉丁语中一种最不起眼的食材——小扁豆;而在汉语中,透镜的概念又先于“透镜”之名进入中国:从汉代“削冰令圆”的冰透镜实践记载,到明代以阿拉伯语音译命名的“叆叇”,再到民国时期七人委员会审定的“透镜”,这一光学元件的译名历程蜿蜒曲折。

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图片来源:Wikipedia

引言

“潭面无风镜未磨”,唐代刘禹锡《望洞庭》中的这句诗,写的是八百里洞庭在无风之夜的澄澈。有趣的是,古人长期所说的“镜”,指的都是铜镜——反射成像之镜。

所谓“以铜为镜,可以正衣冠”,其核心功能是“照见”,而非“透过”。而今天我们口中的“镜片”“镜头”“透镜”,却是透过它看东西的“镜”。一字未改,成像原理已悄然从“反”变为“透”。

在现代物理学中,透镜被定义为由透明介质(通常为玻璃或光学塑料)制成的、至少有一个面为曲面(球面或非球面)的光学元件,其作用是使通过它的光发生折射并改变光波的会聚或发散状态,从而成像或改变光束结构。透镜按形状可分为凸透镜和凹透镜两类。凸透镜中间厚边缘薄,具有会聚光线的作用;凹透镜中间薄边缘厚,对光线起发散作用。我们前面的系列文章中已介绍到,生物光学系统中的晶状体和显微成像系统中物镜与目镜的组件均属于透镜的典型应用实例。作为光学大厦最基础的砖石,透镜支撑起从日常消费到前沿科研的几乎所有光学系统。

然而,很少有人追问:为什么这件光学器件叫“透镜”?“透”字从何而来,它与中国传统的“镜”有何本质区别?为什么英语把透镜叫作lens?为什么汉语最终选择了“透镜”二字,而不是“透光镜”“光片”之类的名字?从一粒扁豆到万里星空,这个词走过了一段比光线折射路径更曲折的旅程。

中国古代对透镜的发现与应用

中国古代的“镜”文化源远流长,但大多数是反射之镜。《周礼·秋官》中记载“司烜氏掌以夫燧取明火于日”——所谓“夫燧”,是一面凹面铜镜,利用反射聚焦日光取火。这里有个常被混淆的科普要点:夫燧是凹面反射镜,不是透镜。墨子学派在《墨经》(我国较早的自然科学研究著作之一)中系统讨论了平面镜、凹面镜与凸面镜的成像规律,同样以反射为主。透镜在古代社会的逐步应用,源于其光学特性所实现的能量聚焦与物体放大功能。

在西汉时期,先民就已发现透明球形物质的聚光取火效应。据考察,中国古代最早使用透镜的记载见于汉代的《淮南万毕术》:“削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则火生”。把坚冰削磨成凸透镜的形状,举向太阳,以艾草承接焦点,便可取火,其原理与现代凸透镜完全一致。天然水晶、琉璃珠都曾被用作取火工具,古人将这类能聚光的透明珠玉称为“火珠”。

贞观四年(630年),林邑国向唐太宗进献火珠,《旧唐书》记载其“大如鸡卵,圆白皎洁,光照数尺,状如水精,正午向日,以艾承之,即火燃”。水晶(水精)磨制的凸透镜在历代亦偶有出现,不过多被归入“奇珍”之列,而非实用的光学器具。古人很早便知道凸透镜的另一种作用便是放大文字来帮助阅读,在汉代以及魏晋时期的考古发掘中都出土过水晶石制作的凸透镜,说明我国古人至迟在汉代就能用水晶石加工磨制具有放大功能的镜片了。

明代初期,随着中外交流的深入,当时被称为“叆叇”(ài dài)的眼镜开始传入中国。明朝画家仇英绘制的《南都繁会图》中,便有戴眼镜的老者(如图1所示)。

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图1 明朝画家仇英绘制的《南都繁会图》截图(图片来自网络)

“叆叇”一词源自阿拉伯语“uwainat”(眼镜)的音译,本义是指烟云缭绕、浓云遮日的样子。《妙法莲华经》卷三云“日光掩蔽,地上清凉,叆叇垂布”,即此意。

眼镜最早的雏形是用水晶石制成的单片凸透镜,目前国内发现最早的镜片是东汉出土的金圈镶嵌水晶放大镜,直至明代,单片凸透镜才被改良为可以久架于鼻梁上的双镜片眼镜。

明代张靖之在《方州杂录》中记载,他在京中指挥胡氏家中见过一副宣德年间的宫廷赐物:“如钱大者二,其形色绝似云母石,类世之硝子,而质甚薄……老人目昏,不辨细字,张此物于双目,字明大加倍”。

万历年间,田艺蘅在《留青日札》卷二《叆叇》条中记载潮阳林公有一副叆叇:“每看文章,目力昏倦,不辨细书,以此掩目,精神不散,笔画倍明。中用绫绢联之,缚于脑后”,并有“人皆不识,举以问余,余曰:此叆叇也”的生动细节。到了明代中后期,“眼镜”逐渐取代“叆叇”一词,并沿用至今。

值得注意的是,中国古代始终没有诞生专门指代“透射型光学元件”的统一术语。无论是“火珠”“水晶镜”还是“叆叇”,都停留在对具体器物的描述上,没有提炼出“透镜”这一通用概念。这一术语空白,直到晚清西学东渐的浪潮中,才由新一代科学翻译家填补。

西方透镜的演变与发展

与中国的经验化认知不同,西方透镜的发展走出了一条从工艺实践到理论建构的清晰路径。

透镜的历史几乎与玻璃一样古老。早在公元前75—710年,人们就注意到盛满水的玻璃球或透明水晶球能使光线会聚[1]。在眼镜发明之前,人类尝试过各种巧妙的方法来看得更清楚。如图2左图所示为古亚述帝国遗址出图的Nimrud透镜,常被认为是目前已知人类历史上最早的透镜实物之一,在当时可能被当作放大镜使用。罗马皇帝尼禄在观看角斗士战斗时也曾使用翡翠作为辅助观看的工具。这些是人类对透镜放大作用的最早记录之一,但对透镜放大现象的定量理解与系统阐释,则需等到17世纪折射定律的出现。

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图2 左图:人类历史上第一块透镜;右图:尼禄使用翡翠作为眼镜示意图[1]

那么,lens这个名字从何而来?lens的词源可追溯至拉丁语lens,本义是“小扁豆”。凸透镜中间厚、边缘薄的双凸形态,与一粒小扁豆的外形高度相似,于是人们干脆以“豆”名“镜”。这一比喻并非拉丁语所独有:德语Linse、法语lentille同样兼指“小扁豆”与“透镜”。以日常食材的形状为光学器件命名,在欧洲诸语言中是一种共享的命名策略,其理据是形态相似,而非功能描述。

17世纪末,lens一词进入英语,逐渐成为透镜的规范名称。最初lens仅特指双凸透镜,随着光学学科发展,才逐渐扩展为所有透镜类元件的统称,凹透镜、柱透镜等均纳入该概念范畴。

透镜真正走入大众生活,靠的是眼镜的广泛应用。1268年前后,英国方济各会修士罗杰·培根(Roger Bacon,约1214-1294)在《大著作》(Opus Majus)中描述了凸透镜使字母放大、变清晰的效应,并指出其适用于视力衰退者[2]。14世纪前后,意大利佛罗伦萨成为眼镜制造之都,工匠们意识到,年轻人的近视和老年人的老花眼需要不同的镜片曲率,镜片开始按焦距进行分级。两片凸透镜或凹透镜铆在金属或骨质框架上,用丝带系于脑后,变成了实用的老花镜或近视眼镜。

1608年10月2日,荷兰眼镜匠汉斯·利普希(Hans Lippershey)为一种“能把远处物体拉近”的管状仪器向荷兰议会提交了专利申请,这便是有文献记录的世界上第一台折射望远镜[3]。次年,伽利略自制望远镜指向夜空,发现了木星的四颗卫星与月球上的环形山,并于1610年出版《星际信使》(Sidereus Nuncius)[4],轰动了整个欧洲,这些发现为哥白尼的日心说提供了强有力的实证支撑。

几乎与此同时,把透镜倒过来用、把极小的东西放大的显微镜也在荷兰与意大利相继出现,光学显微镜先驱列文虎克用自制的简单显微镜观察牙垢、雨水、井水和植物浸液,发现其中有许多运动着的“微小动物”,从此将人类的认识领域扩展到微生物的世界中[5]。

透镜中文译名演变

最早系统向中国介绍西方近代光学知识的著作,是1876年由美国传教士金楷理口译、赵元益笔述、江南制造局翻译出版的《光学》。在这部晚清经典译著中,lens 被译为“透光镜”[6]。

值得一提的是,中国古代早有“透光镜”一说,特指一种西汉青铜镜——光线照射镜面时,反射光斑会呈现出镜背的花纹图案,属于反射光学效应。将lens译为“透光镜”,与传统器物重名,易造成概念混淆,这也是“透光镜”译词并未沿用的原因之一。

此后的五十余年间,随着各类物理教材与译著的陆续出版,lens的中文译名始终未能统一:有译作“聚光镜”的[7],有根据英文单词lens音译作“靈(líng)視”的[8]。

“透镜”译名的最终官方定型,完成于1934年。1933年,在中国物理学会第二届年会上,推举杨肇燫、吴有训、周昌寿等七位学者组成物理学名词审查委员会,杨肇燫任主任委员。8月15日至9月2日,委员会先后集会九次,在历年审定草案的基础上完成通盘修订,共审定名词五千余则。次年1月,民国教育部正式公布《物理学名词》,明确“透镜”为lens的专属译名,并确定了“凸透镜”(convex lens)、“凹透镜”(concave lens)等衍生术语[9]。1988年,全国自然科学名词审定委员会公布《物理学名词(基础物理学部分)》,再次确认了“透镜”作为标准译名的地位,沿用至今[10]。

“透镜”定名后,整个光学元件的术语体系随之确立:凸透镜、凹透镜、柱透镜、平凸透镜等衍生术语相继形成;同时与反射镜、折射棱镜、衍射光栅等共同构成严整的光学元件术语群,概念边界清晰,构词逻辑高度统一。

结语

一个小小的透镜,承载了东西方各自命名自然的智慧与趣味,其定名之后的故事远未结束。进入19世纪以后,随着光学工程与材料科学的进步,透镜的形态与功能不断突破传统边界:非球面透镜、菲涅耳透镜、梯度折射率透镜等新型透镜相继问世,分别在大口径天文观测、轻薄投影系统、光纤通信等领域发挥了不可替代的作用。

时至今日,“透镜”的概念早已超越了“玻璃光学元件”的狭义范畴,在多个学科领域发生了概念泛化。在天体物理中,爱因斯坦广义相对论预言的引力透镜效应指出:大质量天体的引力场会使周围时空发生弯曲,导致途经的光线发生偏折,形成类似透镜的聚焦成像效果;如今,这一效应已成为探测暗物质与遥远星系的重要手段。在原子物理与量子光学领域,科学家利用电磁场构建出原子透镜,可以对原子束进行聚焦、准直与操控,为冷原子物理与量子精密测量提供了关键的技术支撑。

从最初一粒“小扁豆”的直观比喻出发,lens已经成长为一个横跨经典光学、现代物理、天文与量子领域的核心科学概念。此刻,“透镜”已不单是一片玻璃,而升华为一种认识世界的概念模型:凡能使“光”之路径弯曲会聚者,皆可借“透镜”之名以喻之。今天,当我们透过眼镜看世界、拿起手机拍照、通过望远镜仰望星空时,或许可以想起:我们目光穿过的,不仅是一枚枚玻璃镜片,更是东西方文明几千年的探索与积淀。一镜虽小,聚起的却是人类认知世界的万丈光芒。

参考文献:

[1]图说眼镜的历史[J].中国眼镜科技杂志,2014,(10):170-171.
[2]Roger Bacon. Opus Majus[M]. J. H. BridgesEdit. Oxford: Clarendon Press, 1897.
[3]Albert Van Helden. The Invention of the Telescope[J]. Transactions of the American Philosophical Society, 1977, 67(4): 1-67.
[4]Galilei, Galileo. Translated by Albert Van Helden.Sidereus Nuncius or The Sidereal Messenger. Chicago: University of Chicago Press. 1989.
[5]Antoni van Leeuwenhoek.Microscopical observations from Leeuwenhoeck, concerning blood, milk, bones, the brain, spitle, and cuticula, &c. communicated by the said observer to the Publisher in a letter.dated June 1. 1674. Phil. Trans. R. Soc. 21 September 1674; 9(106): 121-131.
[6]金楷理口译, 赵元益笔述. 光学[M]. 上海: 江南制造局, 1876.
[7]GEORGE A.HOADLEY. A. M., C.E 译. ZIA HONG LAI 编. 最新中学物理教材[M]. 上海: 商务印书馆, 1904.
[8]萨本栋编订. 物理学名词汇[M]. 北京: 中华教育文化基金董事会编辑委员会, 1932.
[9]国立编译馆. 物理学名词[M]. 上海: 商务印书馆, 1934.
[10]全国自然科学名词审定委员会. 物理学名词(基础物理学部分)[M]. 北京: 科学出版社, 1989.

作者简介

国防科技大学前沿交叉学科学院物理光学教学研究兴趣小组,旨在通过光学、语言学、科技史与科技哲学等多学科交叉、融入学科发展前沿知识,丰富《物理光学》的教学内容,激发学生创新灵感。目前,兴趣小组成员包括国防科技大学姜曼副教授、周朴研究员、张雨秋副研究员、叶俊副研究员、国防科技大学电子科学学院徐耀坤副研究员和中国海洋大学物理学院郝建颖副教授等教师。

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