六、从“水晶饼”谈到透镜
在前述河北正定天宁寺凌霄塔地宫中，除了出土避邪纳福镜之外，令人感到惊喜的是，在这避邪纳福镜所照的长方形石函内还出土了所谓“水晶饼”一件，直径5.3厘米，中厚2.5厘米，呈中部鼓起的圆饼形；此外，还有直径为3.4～6.5厘米的水晶珠四件，直径为3.4厘米的茶晶珠一件；璞玉一枚。它们都是宋徽宗崇宁二年（1103年）的遗物。
“水晶饼”是什么？有何科学价值？
从《文物》报道推测，所谓“水晶饼”，正是光学上的水晶凸透镜，它是由水晶体加工制造而成的，其光学性能与玻璃凸透镜相同，其质地胜过一般玻璃透镜。人们制作它的目的是取火用。它和同一石函内出土的四枚水晶珠都可以作为取火用具。在同一地点发掘出五枚较大的水晶凸透镜，这在中国文物发掘史上并不多见。它们和嘉峪关的平凸透镜证明了古代中国有取火透镜，也为历代典籍中关于光学的记载提供了物证，同时结束了长期以来物理学史界关于中国古代有无透镜的争论。
由于未曾测定“水晶饼”的焦距和曲率半径，因此，图2-21中，虽然透镜的大致形状与大小按“水晶饼”比例画出，但其焦距（HF或HF'）和曲率半径（aO或bO'）是随意做出的。图2-21只表明，当太阳光从物空间（HFO）射入透镜时，在像空间（HF'O'）的焦点（F'）就可以燃艾引火。
图2-21 凸透镜取火
事实上，考古界已发掘出许多水晶透镜。
据考古报道，在山东诸城臧家庄与葛布口村战国墓中曾出土扁圆形水晶珠，大者直径达2.2厘米，厚0.7厘米。从物理学观点看，它就是小型的水晶凸透镜。时人曾否用它聚焦点火，是值得考虑的问题。
据《嘉峪关壁画墓发掘报告》称，在属于西晋时期的嘉峪关古墓群中出土了两件水晶珠，“白色透明，圆形或椭圆形，底面平，背面隆起成寰顶”，其中圆形水晶“直径1.7厘米，隆高0.4厘米”，椭圆水晶“长径1.3厘米，短径1.1厘米，宽1.2厘米”。嘉峪关在甘肃河西走廊，是通往西域的战略重地。据同墓出土的大量战争场景绘画看，这两件水晶当属平凸透镜，可供战时对日取火。与此水晶几乎同时的西晋张华在《博物志》中说及取火法，“如用珠取火”，就是以这种水晶珠取火。但这种取火法可能当时尚属军事秘密，故而张华称“多有说者，此未试”。由此可见这两件平凸水晶出土的科学价值。
据《文物》报道，在南京北郊郭家山东晋墓葬中曾出土水晶凸透镜，直径2厘米，在安徽亳州曹操宗族墓葬中出土“聚光玻璃器五件”，或扁圆形，或扁桃形，“明亮度与水晶相同。在放大镜下可看到内含微泡，硬度同玻璃一样”，凸高为0.5～0.6厘米，可以断其为凸透镜。对于这些水晶或玻璃凸透镜尚有不同看法。然而，嘉峪关水晶珠以及凌霄塔地宫出土的宋代“水晶饼”，为点火用的水晶凸透镜是毫无疑问的了。
迄今考古发掘的历代水晶珠或玻璃珠举不胜举。天然水晶在新石器时代就受到人们的注意，并将它做成装饰品。在距今五六千年的浙江吴兴邱城遗址和安徽含山凌家滩遗址都曾发现水晶粒或小水晶球。在殷商、西周和春秋战国墓葬中亦多有发现。在江西新干大洋洲商墓中出土了属于殷墟早中期的高纯度水晶圆套两个，其直径分别为7厘米、4.7厘米。在天津宝坻牛道口第二层文化遗存中除发现西周初期水晶珠、料珠之外，尚发现一块呈不规则三角形的水晶。在山东诸城臧家庄与葛布口村战国墓中出土的水晶珠呈扁圆形，大者直径达2.2厘米，厚0.7厘米。在绍兴306号战国墓中出土多达13颗的紫色水晶，剖面为椭圆或菱形。这是公元前473年之前的水晶工艺制品。在西汉初期中山靖王刘胜（公元前165—前113年）的墓葬中，除出土水晶珠外，还有水晶印。
中国古代的玻璃自成体系，它是一种铅钡玻璃；西方的玻璃含钠钙较多。或许由于中国瓷器发达，玻璃未曾在古代得到充分发展和应用，而与玻璃同类的琉璃有了相当发展。琉璃是晶体熔化后仍保持液态结构的固体，或者说，是保留在过冷态的液体。瓷器上的釉就是琉璃，完全透明的琉璃就是玻璃。在古代文献中，称“琉璃”的东西也有可能是玻璃。
根据考古发现西周墓葬中有玻璃珠的事实，可以推断，我国的玻璃大约出现于西周时期。在宝鸡益门村二号春秋墓发掘出多达1615粒的料珠串饰。在湖南慈利石板村战国墓中出土透明料珠17件。在战国初年曾侯乙墓中出土了成串的200余颗的料珠和玻璃珠。在扬州邗江甘泉西汉“妾莫书”墓和杨寿新莽时期宝女墩墓中都发现了用以制作衣服的长方形玻璃片，都是我国自产的玻璃，有一些迄今仍有光泽。已发掘的汉代玻璃珠或玻璃器皿逐渐增多。尤其是，在河北满城刘胜墓中发掘我国自产的玻璃盘、耳杯，经化验，其主要成分为硅、铅、钠和钡。随着中西交流的发展，各种玻璃器件或饰物，此后屡有出土，其中多为舶来品。有趣的是，根据对1950—1980年间考古发掘的历代自产玻璃的分析统计，有人认为我国玻璃制造曾经有过几次发展；更令人感兴趣的是，相应的每次发展之后，有关透镜的知识也有所进步。
应当说，以上所罗列的汉代及其之前的水晶与玻璃文物仅仅是考古发掘的十之一二罢了。人们自然会提出疑问：在汉代及其之前的漫长历史进程中，在欣赏、加工、制作水晶或玻璃过程中，人们未曾发现它们的任何光学特性，诸如对日取火或日光下的五色斑斓现象？
先秦时期，文献中尚没有专门的玻璃名称。一说战国时期称玻璃为“璆琳”；汉代有“壁流离”“瑠璃”“流离”“琉璃”等称呼；北朝时期，有文献记为“颇梨”⑪；唐代，“颇黎”“玻瓈”之名见于史籍⑫。此后，才有如今所用的“玻璃”一词。
较早隐约涉及点火透镜的可能是《管子·侈靡》中的记载：“珠者阴之阳也，故胜火。”唐代房玄龄或尹知章作注说：“珠生于水而有光鉴，故为阴之阳；以向日则火烽，故胜火。”注释中“珠生于水”的“珠”，并非蚌珠（俗称珍珠），而是产于山岸流水之中的水晶珠。“向日则火烽”，也就是“向日则火生”之意。可见，至晚在《管子》成书时代，人们已知道水晶珠能向日取火。鉴于它能聚焦日光取火，人们也称水晶珠为火珠。晋代张华在《博物志》卷四《戏术》中说：“取火法，如用珠取火，多有说者，此未试。”能取火的珠必定是水晶珠或玻璃珠，而不可能是蚌珠。张华自己虽未曾亲自尝试，但知道水晶珠和玻璃珠有此光学特性者众矣。这是关于利用火珠于太阳光下取火的较早的明确记载。
实际上，比张华更早的东汉王充在其《论衡·率性篇》中已指出：“道人消烁五石，作五色之玉”，“随侯以药作珠，精耀如真，道士之教至，知巧之意加也”。他还一再地将此“道人之所铸”“随侯之所作”与阳燧点火相提并论。可见，至迟王充时代已有人铸造或制造能点火的玻璃透镜。
“随侯”即隋侯，在《墨子·耕柱》中也被述及，说他的珠是“诸侯之所谓良宝也”。《战国策·楚策四》也说：“宝珍隋珠不知佩兮。”汉高诱在注《淮南子·览冥训》中“隋侯之珠”时写道：“隋侯，汉东之国，姬姓诸侯也。”曾侯乙墓发掘后，有人认为，曾侯即随侯，曾国即随国，一国二名也。因此，曾侯乙墓出土的大量料珠与玻璃珠或许就是所谓的“隋侯珠”。由此看来，王充记述的“道人消烁五石”“随侯以药作珠”，这二者当指玻璃珠。如果曾侯乙墓出土的玻璃珠少有与白色玻璃类同者，那么，汉代的玻璃制造技术，从满城汉墓发掘的玻璃器来看，已有了极大提高。王充在东汉时代记述的“五色玉”或玻璃珠，是毋庸置疑的。能制造玻璃珠，就有可能将它们作透镜使用。晋代张华记述的取火珠正是这一科学技术发展的必然结果。结合文物与文字记载，用玻璃或水晶透镜点火，至晚为汉晋人所掌握，当不会有太大争议。
从萧梁朝起，史书中有许多关于边远地区或西域国家贡“火齐珠”“出火珠”“火珠”的记载⑬。入唐以后，凸透镜取火的记载已是明确无误。《旧唐书·林邑国传》载，贞观四年（630年），林邑国王范头黎遣使献火珠，“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”。
基于取火的相同功能，唐宋年间，有人将凸透镜（玻璃珠、水晶珠）也称为“阳燧”⑭或“阳燧珠”⑮。其实，后者是凹面反射镜，它与凸透镜有本质的区别。南唐道士谭峭在其《化书》卷一《四镜》中描述了四种镜子：
小人常有四镜：一名圭，一名珠，一名砥，一名盂。圭，视者大；珠，视者小；砥，视者正；盂，视者倒。
英国的中国科学史家李约瑟博士和中国的一些学者，都认为这四镜是透镜类镜子。
入宋以后，沈括将水晶凸透镜称为“水晶镜子”。杜绾在《云林石谱》卷上《英石》中说天然石英“面面有光可鉴物”。正是此时期，人们以透镜制作放大镜，以便刑侦官在阅读案牍时可以清楚地看见那些模糊不清的文字。刘跂（？—1117年）在《暇日记》中写道：
杜二丈和叔说，往年史沆都下鞫狱，取水精数十种以入。初不喻，既出乃知案牍故。暗者以水精承日照之则见。
目力辨别不清的文字放在光线明亮的凸透镜下（此时，文字一般都在透镜的焦点以内），就可以看到放大的正立虚像。史沆在京城审讯囚犯、阅览案牍，身带数十种水精（当是不同放大率的平凸透镜或双凸透镜），将那些“暗者”（即分辨不清的文牍）置阳光处，文牍上放水精，就能看清其中的文字。值得注意的是，刘跂记述此事的时间与凌霄塔地宫中的“水晶饼”和水晶珠几乎同时，后者除了作为点火透镜外，是否也曾被佛教寺庙中的长者用以诵读经文呢？
更有趣的是，几乎也与凌霄塔地宫中的水晶透镜同时，何薳（生活于11、12世纪之间）记述了一种“鲫鱼杯”：当杯内盛满水时，见杯“中间一鲫，长寸许，游泳可爱”；当水泼干后，“鱼不复见”。⑯这种杯子或盂器，类似前些年市场上曾畅销一时的“明星杯”：杯内盛满水或酒后，见杯底一微笑明星；酒饮干，明星也消失不见。实际上，这是一种在杯底装有凸透镜的酒杯。在制造此杯时，于凸透镜下嵌入一鱼形物（或一小张明星照片）。当杯不盛水或酒时，鱼成像在人眼一侧为实像，人眼不易看清；盛酒、水后，透明的白酒或水成为一面凹透镜，它与凸透镜组成一个凹凸相接的复合透镜。鱼等物在这复合透镜的焦点之内，成的像是在杯底一侧的放大的虚像（见图2-22），于是，人眼能看清楚它。这记载表明，古代人在实践中已了解了透镜成像的知识，而凌霄塔地宫中的水晶珠又为此时期制造这种杯子已具有一些关键材料提供了佐证。我们可以期待考古发掘出这种杯形或盂形容器。
图2-22 鲫鱼杯成像原理图