十年软禁，他完成光科学传世著作，还推测出眼睛的构造
一个为追求真理而研读科学著述的人，他的义务就是与自己读到的所有东西为敌。仔细思索内容的方方面面，并从各个角度加以质疑。与此同时，他对自己的分析也应持谨慎的怀疑态度，这样，他才有可能避免落入偏见或宽容的陷阱。
——海什木（公元965-1040年）
海什木头像最先被印在1982年版的10第纳尔纸币，之后被萨达姆的头像取代。上图为目前正在流通的2003年版伊拉克10000第纳尔纸币，人物头像为海什木。（图源：www-personal.umich.edu）
撰文 | 李研
上帝说，要有光，于是就有了光。从此，昼与夜分离，光和影相随。人类热爱光明，然而在正确认识光之前，光是神秘、捉摸不透的。从夸父追日到普罗米修斯盗火，关于光的传说流传在世界各地。
西方人从科学意义上探寻光的历史，至少可以追溯到距今2500年前的古希腊时期。此后又经历了大约1500年，正当欧洲处于中世纪的黑暗时，阿拉伯地区却迎来了繁荣的黄金时代，并涌现出一批对世俗和宗教等多个知识领域都做出重要贡献的“通才”。其中有一位闪耀着特别耀眼的智慧之光，他就是伟大的博学家——海什木，正是他开启了人们对光的科学认识。
《光学书》的炼成
海什木（Ibn al-Haytham，西方人常称其为Alhazen），全名穆哈默德•本•哈桑•本•海什木•巴士拉，出生于公元965年7月1日，出生地现位于伊拉克东南方的巴士拉城。当时正值阿拉伯帝国的兴盛时期，巴格达、开罗等地的哈里发（伊斯兰教宗教及世俗统治者的称号）成立了“智慧之家”，并在此聚集了很多学者，对古希腊流传下来的哲学和科学著作进行翻译。这是人类翻译史上的一个伟大工程，诸如柏拉图、亚里士多德、欧几里德和托勒密等人的名著都经过这样的整理，在伊斯兰文明中得到继承。
由于海什木生活的年代距今已有1000多年，可以找寻到的有关他生活状况的记载也比较简略。他早年曾前往巴格达学习工程，在抄写古希腊流传下来的科学书籍时，接触到了欧几里德的《几何原理》，并将其应用到工程建设中。当时在埃及的哈里发召集他参与控制尼罗河泛滥的工程，但他到开罗后经过推算研究，发现那是不可能实现的，因此拒绝参与工程建造。这让哈里发非常愤怒，海什木只好以装疯的方式避免严重惩罚，转而被软禁长达10年之久。在很多人看来，这一遭遇本应是他学者生涯的终结。然而，其后的事实证明，他似乎将自己的软禁之地改造成了研究工作坊，在此完成了大量重要的光学实验和写作。
哈里发在1021年死去，海什木也在软禁十年后重获自由。他把在狱中完成的全部手稿进行修正、更改，出版了物理学史上的奠基之作 ——《光学书》（Book of Optics）。《光学书》的拉丁译本，大约出现在12世纪晚期到13世纪初，但译者不详。直到1572年，这本著作才由德国数学家Friedrich Risner （c.1533~1580）出版，海什木的名字也被译为拉丁文“Alhazen”。
除了光学，海什木被认为在数学、医学和天文学等不同学科都取得了杰出的成就。但由于他生活的年代距今久远，后世对他科学贡献的描述往往也夹杂着一些传说。下面我们仅从他被学界公认的光学成就中选取一二进行介绍，即便如此，我们仍会惊叹于千年前他的研究深度以及给后世带来的启发。
海什木所著《光学书》的拉丁译本，封面画中体现了彩虹、透视效果和镜面反射等大量光学现象。（图源：en.wikipedia.org）
眼睛发光产生视觉？
光是人类认识世界的工具。人类感官接收的外部信息中，约90％以上通过眼睛传递给大脑。我们的视觉是如何产生的？古希腊学者恩培多克勒（Empedocles）认为，眼睛发出的光线射到物体上，人就看见（感觉到）了物体的存在，就像大海上的灯塔照亮周围一样。这种如今看来特别荒谬的解释，在当时却获得了包括柏拉图和欧几里德等著名学者在内的很多人的认可。比如欧几里得就主张：“视觉是眼睛本身发射某种东西，与被视物体发出的某种东西相遇后产生的”。欧几里得还用几何学论述恩培多克勒眼睛发光的观点，并试图用其解释各种自然现象。这是人类第一次用直线和三角关系解释光及视觉问题，可惜建立在完全错误的假设上。
海什木将人类对视觉的认识纠正到正确的路线上。传说，他在开罗被软禁期间，起初一连几天在一间黑暗的房间度过。当他终于可以从屋里走出来时，眼睛突然不适应外边的阳光，像被火烤一样痛。他紧闭双眼，经过很长时间才适应过来，同时也开始怀疑，如果光线真是从眼睛发出的话，为什么会引起这样的疼痛？
于是，海什木开始在头脑中拼凑出一个完全不同的解释。在《光学书》中，他驳斥了古希腊流传下来的观点，并通过大量实验证明，我们之所以能够看到东西，或者是因为物体本身发光（如太阳、蜡烛），或者是因为物体反射了光线。在此基础上，他进一步探究了眼睛的工作原理，推测光线进入眼睛后被聚集到眼睛的后面，并最终在大脑中形成视觉。这种认识在一千年前，是十分难能可贵的。
海什木《光学书》中对眼睛构造的描述。（图源：edu.glogster.com）
小孔成像
关注央视的朋友，可能会留意到近期CCTV-9反复播放的一个公益广告。其中，墨子号首席科学家潘建伟提到：“墨子第一次用科学方法，解释了光沿直线传播。这在光学中，是一条非常重要的原理，启发了量子通信。”
的确，早在春秋战国时期，墨子就发现光线通过小孔可形成倒立的影像。墨子的《经说下》中有“光之人煦若射”的记载，即阳光照在人身上如同射箭一样，暗指光沿直线传播。但墨子对光学现象的记载仅停留在经验记录和形象比喻，并没有用数学的语言去深入解读。
海什木很可能是中国之外，第一个详细记录“小孔成像“现象的人。海什木发现，蜡烛的光可以通过墙上的小孔，进入黑暗的房间，并在墙壁上呈现蜡烛的倒像。文献中甚至记载了他利用“小孔成像”，在暗室中观测日食的故事。更为重要的是，他在欧几里德《几何原理》的基础之上，用数学的语言解释了“小孔成像”。
海什木用几何语言描述“小孔成像”现象。（图源：commons.wikimedia.org）
从光沿直线传播到量子通讯，跨度也许有些大，但“小孔成像”和现代生活中的照相机，却有着密不可分的联系。
海什木当时用阿拉伯文“Qamara”命名了在暗室中的“小孔成像”现象，而后来“暗箱”的英文就被称为 “Camera obscura”。19世纪上半叶，人们终于找到了固定保存暗箱中投影面上光学图像的方法，照相机工业由此发端。于是，“Camera obscura”被认为是照相机的祖先，而“Camera”成了我们现在所熟知的照相机的英文名称。
小孔成像（图源：edu.glogster.com）
光的折射
不过，光也并不总是沿直线传播。准确地说，在平直时空中，光沿直线传播的前提是在同一均匀介质中传播。当光从空气射入水中时，便会在界面处发生反射和折射。
在海什木生活的年代，社会上流传着古希腊学者托勒密的学说，即入射角大于折射角，且与折射角成正比。如今学过高中物理的读者，应该都能指出这种说法的错误之处。
海什木研究光折射现象的实验方法（图源：参考资料[6]）
海什木重视实验测量，他用刻有360度刻度的圆盘测量了光的入射角、反射角和折射角，并且在此基础上，第一个提出了入射角和反射角位于同一平面。他还发现，入射角和折射角之间的正比关系在大角度时是不成立的。（注1）
不朽遗产
海什木的科学思想和发现深深影响了惠更斯、笛卡尔、伽利略和牛顿等我们熟知的科学大师，在近代欧洲拥有很高的声望。
17世纪波兰天文学家约翰•赫维留斯的一本天文学著作封面，画中两个站立的人左边是海什木，右边是伽利略（实际上两者生活的年代相差了近600年）。（图源：en.wikipedia.org）
海什木据传共有200多部著作，但遗憾的是，大部分文献已经遗失。流传至今的大约有50本，涉及光学、数学、天文学和医学等多个领域，其中《光学书》的7卷本对后世影响尤为深远。2015年为国际光学年，之所以选定这一年开展纪念活动，是因为距离海什木的光学著作诞生恰好一千年，这是光学发展史上的里程碑事件。
海什木诞辰1048年之际，Google 也曾设计图标，以纪念他对光学和视觉认识的突出贡献。（图源：www.google.com）
从历史一路走来，人类发展光学的脚步不曾停歇。如今，人类对光的本质已经有了深刻的认识，对于光的探索和应用也塑造了熠熠生辉的人类文明。再次回首千年之前，海什木所做的实验已经颇显粗糙，他对光的认识也必然带有那个时代的局限性。 然而，海什木研究问题的方法，即不盲从古人、不轻信书本的怀疑态度，以及在观察的基础上提出假说，而后在实践中求真知的精神，开启了实验物理学的先河，照亮了科学前进的道路，是放置于今日仍然具有重要意义的不朽遗产。
注1：在半岛电视台拍摄的一部纪录片中，海什木被描述为折射定律的发现者，甚至有人认为他利用此公式和落日的角度推算出了地球大气层的厚度，但这和一些已发表的科学史论文有所矛盾。本文取维基百科中的解读，即海什木推翻了古希腊学者的错误认识，从实验中总结出复杂但更接近实际的定则，但并没有最终推出准确的正弦法则。即便如此，他的工作对于人们认识光在不同介质中的传播仍起到推动作用。
专栏 | 钱币上的“赛先生”
参考资料
[1] Remembering Al Haytham (Al Hazen) on the eve of IYL 2015 https://www.youtube.com/watch?v=ZtedvW-wSEo&t=113s
[2] Ibn Al-Haytham (Alhazen) - Optics: The True Nature of Light：https://www.youtube.com/watch?v=HQ6KHxio4CM
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Ibn_al-Haytham
[4] https://zh.wikipedia.org/wiki/暗箱
[5] 方舟子：墨子的发现启发了量子通信了吗？
[6] Craig Aaen-Stockdale, Perception, 2008, 37, 636
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