《物理学原理（第一卷）时间、空间、质量》

第一章 中华传统文化中的物理学

§ 1.2 测量时间(光阴)的科学

虽然《易经》有非常庞杂的内容。单从自然科学的观点，也有非常丰富的内容，但是从物理上来说，它主要是测量太阳光运动规律的科学。时间是人类生活中一个不可缺少的一个量，也是物理学中的一个最基本的物理量。但是对于时间真正的内涵直到现在仍是一个争论不休的问题。《易经》就是产生于中国远古时期的用竹竿测量太阳影子的长期的实践结果，中国人一直把时间称为“光阴”，《易经》中关于光阴的测量就是人类有记载的关于时间测量的最早的科学纪录，用这种方法来测量太阳回归周期时间现在依然适用，丝毫也没有失去它的实在性和合理性 ^[6]。

在阳光下垂直一根直干，直干下有一条阴影，从早到晚这条阴影不断地不断变化，记录了时间，中国人的时间来自阴阳原理，来自用竹竿测量阴影的实验。我们用简单的工具模仿古人的试验，历经五年得出了正确的结果，终于弄清楚了古代中国人是怎样巧妙地发现时间季节规律的奥秘。确切地说，时间是地球与太阳运动规律的体现，地球周期运动规律的特征是光周期特征。

太阳发出的一束光在地球表面不停地扫动，垂立的竹竿下产生了不断变化的阴影，每时每刻阴影长度都不同，但一天之中有一条“最短影线”，这条“最短影线”出现的时刻，古人称为“午时”。当太阳直射地球表面表面某一点，直干下面的影子没有了，古人以为太阳 (神化) 回到了家乡，他们把这一时刻称为“夏至”，这一天称为“夏至日”，并在直干下地面上划记下阴影线段的划痕“ - -”作为符号。 (一般说来应该是所有“午时线”中的“最短影线”，只有在回归线上夏至日的影线才会没有——作者注 )——这是人类历史上最早的科学符号。是原始的“阳符”。经过坚持不懈地测量阴影，古人又找到了最长的“最短影线”，这条线代表太阳到了最远的地方，这一时刻称为“冬至”，这一天称为“冬至日”，一直竿下的阴影划痕“—”作为符号，这是人类历史上第二个科学符号，是原始的“阴符”。古人把每一天的一条一条的“最短影线”长度位置划刻在地上形成一个一个的划痕点，他们用一条长绳摆放在这些划痕点上，摆成一个类似“ >8” 的形状，再对应划痕点结一个砣，一个点结一个砣，全部结完，结了366 个砣，像一条长长的珠链，这条长长的绳结链叫做“年”。每一个砣代表一天，一年 365-366天……

这里所用的名词如阴符和阳符于一般《易经》上有些不同，个别描述也有些可以讨论的地方，但是确实把易经产生的自然科学上的真实的特点清楚地显示出来了。这才是太极、阴阳、八卦的实在的内容和来源。从这里我们的古人确定了一年的天数在 365和366 天之间，并在一年内确定了季节的变化，订出了 24个节气，为中华农业的发展做出了不可估价的贡献。也为人类的自然科学的发展做出了重大的贡献。

人类这项最伟大的科学工程，传说是伏羲和他的助手夸父等人完成的。伏羲做完了试验，开始撰写科学论文。他的论文是人类对太阳现象进行最早研究的学说，是一部用图符 (最早的中国文字) 写成的“天书”。古人把阴影的变化现象称之为“易”，相应地把时间、气候、物候等有规律的变化也称之为“易”，因此伏羲的科学论文也就叫做《易经》。伏羲的《易经》与后来的《易经》是不同的，应该称为“原《易》”。……原《易》对于还远处在采集渔猎社会的古中国人的生存发展起到了巨大的促进作用。

我们仿佛看到，在人类历史的源头有一位白发老人，身披“捌卦”绳结，手持一根竹竿，带着他的助手们，现场教学，向百姓们传授太阳学说。让大家掌握时间季节规律的科学知识，合理地采集野果，捕渔和狩猎，这就是古中国人一代帝皇的形象。有人根据史料推测伏羲时代是远离今天 18000-20000年以前的时期，那时候的古中国人就拥有了太阳学说——《易》和太阳历——“捌卦时制”，开始拥有了文字和数字，……这不是人类科学的起源，那又是什么呢？

这里所描述的历史由于过于古老，实在也难以确证。但是有两条毋庸置疑的事实：一是有文字记载的，是中国最早采用了非常接近于现代的太阳回归年的时间作为农历中天干地支的纪年方式，二是与此相应的中国有最丰富的，时间最准确的古代的星象和气象的历史记载。这些都是我们古人在时间测量成就上的不可否认的确证。人类文明是一个整体，而人类的文明源头我们只能从一些古老传说的文字记载中来获得那些模糊的而又决非完全虚假的知识。华夏文明中通过竹竿测量太阳的影子的方向来确定时间和平面上的空间关系是确实有据的，经历夏、商、周三代的坟典的口头流传和后人记载，通过影子的移动和影子长短的变化来确定四季和昼夜的时间更迭。在现代的中国百科全书中 [7]中是这样来描述太阳光的影子的测量与时间和空间的关系的：

圭表是最古老、最简单的一种天文仪器，创制年代也不可考。它包括两个组成部分；一为直立在地平上的标杆或石柱，汉以后改为铜制，叫做表，一为正南北方向平放的尺叫做圭。《周礼·大司徒》等篇所称“土圭”，即度圭 (量度用圭) 之意，是用玉或石制成的。汉以后改用石或铜制。圭和表互相垂直，组成圭表。根据正午时度量表影的长度可以推定二十四节气，从表影长短的周期性变化可以确定一回归年的日数。表影在正北的瞬间就是当地真太阳时的正午，可以用来校正漏壶。从《周礼，考工记》可知，战国以前人们已懂得只用铅垂来校正表的垂直，用水平来校正圭的水平。

这一叙述与易经上的有关记载也是大致一致的。这就是在易经上称为简易的哪些内容，“《易》道十分简单，很容易掌握。要而言之，就是一句话，效法天地自然而已”。在易经上还提到，三皇五帝建立了《三坟》和《五典》：三皇建立的《三坟》，言大道也，五帝建立的《五典》，言常道也。这里大道就是效法天地的自然之道，而常道就是治理天下万民的人文之道。从上面这些材料以及我国的天支、地干的历法和阴阳、八卦的学说，我们大致可以知道下面几点：

(1) 从自然科学的角度，我国先民用竹竿影子测量太阳光运动规律的实践已经有了现代科学实验的所有的普遍特征，它是在当时条件下从地球上观察太阳运动规律的最有效、最可靠的实验方法。一般说来，在蒙昧时代，尚没有文字记载的情况下，对于任何自然现象的观察都不是少数人所能够完成的，需要在足够数量的人群，因而也需要在足够大地域内的人群的参与，才有可能通过长期、广泛的交流和传承而作为的民族文化的精华，代代相传而保留下来。我国文字的出现是在三千多年前的殷商时期，在那时已经有了精确可靠的纪年方法。也就是说测量太阳回归年的日数已经相当确实而可靠。所以完成太阳历纪年方法的年代，应该远在甲骨文产生之前，正像古籍所记载的那样，通过的太阳运动的测量来建立阴阳八卦的空间概念和天干地支的时间历法，在三皇的时期出现了也是合理的。为什么我国的古人能够在自然科学的发展上，远比其他古文明地区要先进，这大概和我国的地理环境有关，人类的古文明都出现在大河流域，这是出现农耕文明的必要条件。世界上的其他古文明地区大都是出现在南北流向的大河流域，而中国的古文明地区在黄河中下游及其主要支流渭河流域，那里纬度基本都在 36.5度左右，这为大区域的太阳运动测量提供了极好的条件。而在南北走向的大河流域，沿着大河不同地区不同纬度上观察到的太阳运动会有很大的差别，不同的纬度上，同一天同样高的表，在圭上的太阳影子长度会有很大差别。中国二十四节气的农历是世界上最古老而合理的关于太阳回归年的历法。 它之所以首先在中华大地上出现也不是偶然的，它是与我们祖先的辛劳和智慧，特别是一代一代地传承着祖先遗训的执著的结果，正是这样的一种精神，把不同部族的人群凝聚在一起，产生了人类农耕时代的最辉煌的文明。

(2) 从物理学上来说，观测太阳光的运动规律正是物理学上的最基本最重要的规律。说它最基本是因为要搞清楚物质运动的基本规律必得从研究光，特别是太阳光的运动规律开始，因为人类对外部世界的观察离不开光。 而且直至今天对太阳光的运动规律的研究仍然是物理学的最基本最重要的任务。今天现代物理学所发生的所有混乱和荒谬也只有在深入研究太阳光的基本运动规律中才能解决。 说它最重要，从当时来说，那是建立农耕社会的基础，只有对于空间 (东南西北的方位) 和时间(一年四季的节气) 有精确地掌握，才能够确切知道那里什么时候 ,在什么地方适合种植什么作物，什么时候进行收获。这是农耕社会经济发展的基础，也是治理天下的基础，人民只有能吃饱了才能够接受治理。在现在对于太阳光的深入研究，同样是社会发展的最重要的基本科学问题。 当然现代关于“太阳光”的研究不能在中华古文明的基础上，而必须在现代科学的基础上，而这种现代科学又是与人类的古老的文明一脉相承的。本书之所以称为物理学原理，就是要把研究这种人类文明的传承关系，用现代的话来说就是要研究数理逻辑的发展和发展过程中“自洽性”的延续 (或传承)作为物理学发展的主要依据。 这一点将在后面讨论。

(3) 易学中关于太阳运动规律的测量已经具有了现代自然科学实验方法的基本形式。我们可以毫不牵强地把它称作是物理学发展的源头之一，也是数理逻辑的一个雏形。它的实验方法和结果都是合理而可靠的，它的测量结果的分析和导致的理论结果，具有现代科学中的逻辑演绎和数学运算的最原始的理念的性质。因而，从这个伟大实验所产生的理念“时间”实际上就是现代科学中的第一个“逻辑前提”，是人人、处处、时时都可以感受到的公理，从它所测量的影子的位置所演绎出来的东南西北的空间方位、天干地支的纪年和每年的 24个的节气，也具有现代逻辑演绎的基本性质，这是具有严格因果关系的演绎。虽然它的使用范围比较窄，只适用于一定纬度范围的狭小的地区内，我们说它狭小也是从现代的眼光，现在我们不但可以很方便地在全球旅行，而且已经走出了地球，走向空间；而在当时已经具有处处的性质。 自然科学和与自然科学相联系的逻辑规则都有极其严格的限定范围，超出这一范围就不再适用，现在我们把它称为“有限论域”。 有限论域从根本意义上来说，就是一定历史时期人类的特定的认识范围，这个认识范围是以人们对某一特定的自然现象的准确理解为基础的。从这一被准确认识的自然现象中，人类获得了思维中的一个确切的“理念”，这个理念就是组成人类思维规律的基础。当然一定的历史时期，人类认识到的“理念”，也不是孤立的一个，而是一群相互联系在一起的观念。如中华文明中的“水平面”、“铅垂线”和“时间”的观念就是一群不可分割的观念，没有了水平面、铅垂线的观念，也不会有“时间”的理念。在所有的那些观念中，一定有一个观念是所有那些观念的代表，这个代表那个历史时期的“观念”，还必须要有一个些基本的性质，那就是它必须能够与“数字和数字运算”明确地联系在一起。我们把它称为可以“抽象”为以数字和数字演算体系中的一个“元素”。同时这个特殊的“观念”或抽象成数学体系的“元素”，还必须具有最可靠的稳定的性质，也就是亚里斯多德所说的“人人能够感受到”的性质。我们就把这个“观念”提升为哲学上的“理念”，也就是物理学中的逻辑前提 (或公理) ，它也是物理学中的基本量纲，所有的物理学都必须建立在这样的基本量纲的基础上。只有那个抽象为与数学相联系的理念才能够发展成为人类思维基础的“逻辑前提”。直到今天，人类思维中这样的“逻辑前提”还只有极为有限的几个。“时间”就是其中的一个。

(4) 在中华古文明中的相互联系的理念中，只能抽象出一个集中代表的理念“时间”，指不仅是因为时间这个理念与数字和数字运算建立了明确的关系。这种关系在一定的历史范围内、在一定的精度上是人人、处处、时时可以感受到了。我们就可以把它称为“公理”。公理必须“人人可以感受到”，这一人类思维发展中的最伟大的理念，是亚里斯多德提出来的。但是中华古贤还没有提出过这样明确的概念。也就是说中华文明的思维中还只有哲学理念，这里我们把哲学实际上看作与思维联系在一起的概念，是研究思维的一门人类的学问的总体。但是还没有与逻辑联系在一起，逻辑的核心就是“人人可以感受到”的“公理”和公理的演绎。因为中华古文明中所出现的真正的“理念”，还只有“时间”一个，而这个时间的理念也是比较原始的朴素的理念，还没有从这个理念进行演绎来发展理念的可能。

(5) 中华古文明中只有“时间”是具有公理性质的理念。其它的概念不具有这种性质。但是在产生时间这个理念的过程中，必须有很多其它的概念伴随在一起。没有水平面和铅垂线的概念就不会有准确的时间概念，如果圭的面不是水平的，表的方向不是铅垂的，一年的八卦图是测不出来的；但时水平面和铅垂线不是人人能够感受到的，或者准确地说，对于不同地区的人类来说，他们所感受到的水平面和铅垂线的方向是不一样的，所以一年的八卦图是不一样的。只有同一纬度上的人才能感受到一样的八卦图。所以在中华古文明中在水平面和铅垂向上建立的日晷，只在建立年与日的时间概念上是一个具有公理性的概念。也就是说，只要太阳系星体的运动状态的变化没有超出那个范围，在以日为误差单位的时间的概念上，中华古贤所创制的纪年的方法是“公理”，直到现在人类还没有超越这一公理的思维或实践的能力。但是以水平面为基准所建立的测量“光阴”的系统，在一天的时间之内只有光阴的最短线是准确的，而其它方位上的影子的角向位置是每天不一致的。所以那种日晷只能校准每天午时的时间。所以中华古贤所作的太阳运动规律的测量只是在一定的空间范围，即同纬度的一定地域范围内进行，只是在一定范围内的结论，即对平面上空间的方位和从太阳运动得到的时间是适用的，影子的角向运动的规律是没有严格意义的，要使它有意义，就必须建立在地心说的地球模型基础上的日晷，在那里圭该地区的纬度相一致，表的方向则是地球旋转轴的方向，这不但在那时的中华文明所不能理解，也是古希腊文明所没有达到的。只有日心说和地动说的理念下才能够获得那样的测时的方法。

(6) 由于一个公理性的理念的获得必然借助于一系列非公理性的人类思维概念的支持。这样人们关于某一个自然界运动规律的认识过程中，既有一部分是“公理”，如中华文明中的“天时”。这种“公理”是对于人类来说的，在人类文明从古到今的发展中，它都是人人能够感受到的，也可以是真理的同等意义的名词。但是我们还是不要把它称为“绝对真理”，因为它对于自然界来说并不是真理。否则现代物理学家一下就可以把我们驳倒了，但是现代物理学家给公众的宇宙图景，难道真的是真理了吗？实际上他们所描绘的什么都不是。当时间的理念失去真理性的时候，现代物理学家们的理论也早就失去了存在的任何依据。他们所描述的宇宙图景不是还要用年和光年作为计量的基础吗？地球都没有了年和光年的理念又如何成立呢？相对真理就是亚里斯多德的公理，是人人能够感受到的东西。不同地区的人们，在没有获得日心说和地动说理念的情况下，在比中华文明晚近一千年左右的时间内也都建立了与中华文明相一致的纪年历法。这就是中华文明中的“天时”具有公理性的证明。但是人们在获得一个公理性理念的时候，并不能把分清其中那个是人类长久可以信赖的、公理性的理念，而那些只是在一定条件下才可以信赖的相对的真理，不仅如此，人们总是希望把它进一步延伸到更加大的范围。这些延伸到各个其它领域的应用，有许多对于人类思维和生产的发展同样是有贡献的，但是也有些就可能成为完全的荒谬，所以巫术和科学总是那么难分难解地纠缠在一起，不仅古代如此，现在也一样。说到底人类的思维所能够获得的真理总是极为有限的，而不准确不完全合理的部分总是主要的。但是正因为人类所获得的理念中，具有逻辑前提的“公理”的成分，这一部分是永远不会被完全推翻的，所以人类思维的发展总是有继承性。但是又总有需要修改的暂时的部分。