从“墨子”号量子通信卫星开始说说中国古代科学

　　2016年8月16日，中国首颗量子通信卫星“墨子号”发射升空，这是一件具有划时代意义的大事情，因为这是中国在美国与欧洲之前，率先发射量子通信卫星，这无疑是标志了中国科学的崛起。

　　而潘建伟院士为首席科学家的量子通信卫星项目组把这个卫星命名为“墨子”，使得我们有必要回过头去，看看春秋战国时代的墨子，我们也可以由此展开，来谈谈中国古代科学。

　　看过电视剧《寻秦记》（作者黄易）的人，都可以知道墨家的“墨子剑法”。当时的知识分子，比如孔子也是佩剑的，所以墨家有剑法并不稀奇。

　　但是，墨子同时是中国古代科学集大成者，他是古代物理学家的代表，也做一些机械，这一点恐怕是没有争议的。尤其是他对光学的研究，基本上可以参考《墨经》一书。他大致提出了平面镜成像的规律：在平面镜成像中，像与物等大。

　　平面镜成像规律是非常深刻的，因为它实际上揭示了光是沿直线传播的。同时也揭示了一个更加重要的原理，叫做“光速最快”的原理，因此在两点之间走的话，光用的时间是最少的。通过这个技巧，我们可以来处理一些极小值问题。

　　比如在一条笔直的河流的两边，有2个村庄A与B，这两个村庄要共同出资在河流上做一个码头M，问码头选择在什么地方，可以让总的路程MA+MB最小。这完全可以用墨子提到的光是沿直线传播的知识来处理。

　　墨子通过物理实验的办法，得到了“小孔成像”的知识。这一点也是非常重要的， 大家可以观察夏天的大树，树荫下有很多太阳的光斑，都是圆形的，为什么呢？其实这就是树叶的缝隙成的太阳的像，就是一种小孔成像。

　　因为太阳是圆形的，所以光斑也是圆的。

　　中国春秋战国时代有墨子这样杰出的物理学家，他的才能堪比同时代的阿基米德，当然阿基米德因为杠杆原理求出了球的体积，其水平似在墨子之上，但后来中国南北朝时期出现了祖冲之以及他的后代，也做到了阿基米德同样的事情，计算球的体积其实是一种积分的办法，是微积分的实践。

　　中国古代科学在汉朝的时候其实也有发展，不说炼铁这种技术，也不说张衡的地动仪（这个玩意不知道是不是真的有效，也许是一个鬼打架的发明），汉朝最著名的学问发展应该是“中国剩余定理”，也就是所谓“韩信点兵”的问题，实际上就是“鸡兔同笼”的问题，可以说把算术推动到了全世界第一流的水平，当时会做同余计算的民族还很少，中国人就已经有了这个成就了，这个在西方是拿破仑战争时期的高斯才做到的。

　　中国在南北朝时期有一本算经，这本书里也写到了勾股定理，但似乎没有给出完整的证明。勾股定理可以用面积法证明，但中国古代似乎不太重视几何学，对面积缺乏概念。

　　这里必须要提到宋朝，宋朝的时候，出了一个靖康之耻。参考金庸的《射雕英雄传》可以发现，郭靖的女朋友黄蓉居然精通幻方。中国古代叫“九宫格”，来自中国的两本更早的书叫《河图》与《洛书》。大家不要小看中国古代的人，不要以为中国古代只有洛阳铲——并不是这样的，幻方属于组合数学的高深内容，中国人在宋朝就已经在研究了。可惜地是，没有推广到高阶，一直在玩3阶的，而且没有把幻方看成是一个矩阵，研究水平一直不高。

　　但宋朝其实也是研究水平高的，那就是杨辉的三角形。这个三角形通俗地说是600年后牛顿搞的牛顿二项式。

　　宋朝因为政治体制温和，对知识分子尊重，所以出了很多科学上的大事件，比如沈括就写了一本科普书《梦溪笔谈》，介绍了地磁偏角的存在性。这个角度的存在性发现与指南针的发明，使得中国完全有充分的理由成为航海大国，取代后来的西班牙与葡萄牙成为很牛的航海大国本来是天经地义的事情。

　　那么到了明朝，中国果然成为航海大国，郑和下了西洋，其船队规模空前，可以说是震古烁今的。中国带给世界的瓷器、丝绸、茶叶都是很好的产品。

　　这个时候，中国是当之无愧的世界第一的大国。

　　后来明朝海禁，不让出海了，而且打击自由贸易，整个国家陷入了文盲般的状态，数学的发展也受到了阻滞。用历史学家黄仁宇的说法是：“明朝没有了数学，连会计都没有，全国缺乏一种数目字的管理。”

　　这就是中国黑暗的开始，要怪都怪明代的政治制度。

　　后来呢，倭寇来了，戚继光抗击日本浪人。后来就是后金的崛起，中国人引进了荷兰人的火炮，打击后金。本来火药是中国人发明的，但中国人只用它做二踢脚，没想到用到战争与开矿。这个时候中国的科学基本没有发展，而西方已经发展了他们的科学，有传教士来中国来，中国的徐光启与传教士翻译了欧洲的数学书《几何原本》！

　　这里可以看出，中国古代科学有一个短板，就是不重视几何学（中国古代缺乏欧几里德！也许曾经出现过，但被秦始皇焚书坑儒了），只会算术。这是非常不好的现象。

　　到了清朝，已经没有人做科学了，唯一的数学家也就是李善兰之类，没有很高的成就，因为不重视基础理论，后来的所谓汉阳铁厂什么的都只学了一些表面的东西，完全就是不行了。

　　因此，从上文可以看出，中国古代科学一开始并不落后于西方——只是中国古代科学没有形成自己的专著（或者已经被秦始皇焚书坑儒了，但值得注意的是《墨子》留了下来），没有《几何原本》这样的书。欧洲后来出现了牛顿，这大概是万历与崇祯年间，中国科学落后了。

　　落后了400年了，到了现时代，中国有了以潘建伟为代表的新一代科学家，已经取得世界领先的科技成果，这在某种意义上来说，确实可以看成是墨子的科学精神与科学实践在中国的复兴与传承。(作者:张轩中)