七、“透光镜”之谜
古代人所谓“透光镜”，其实并不透光。清代光学家郑复光在其著《镜镜痴》卷五《透光镜》中说：
独有古镜，背具花文。正面斜对日光，花文见于发光壁上，名透光镜。
可见，“透光镜”就是青铜平面镜。其奇特之处在于，被它反射到屏（墙）上的光中呈现出该镜背面的纹饰，仿佛是入射光“穿透”青铜镜体，神出鬼没地将镜背图纹反射到屏上了。因此，古代人称它为“透光镜”。
图2-23 西汉透光镜背面纹饰
在湖南攸县曾发掘一枚战国时期透光镜，直径21.8厘米，厚约0.2厘米。由此推断，透光镜在中国具有长远的历史。据考，有文字可查⑰或实物遗存至今的汉代透光镜约20枚。其中，上海博物馆藏西汉透光镜4枚，背铭“见日之光，天下大明”的透光镜（见图2-23）尤为著名。隋唐间，可查考的透光镜也不少，在河南遂平曾相继两次发现两枚唐代透光镜。自宋以降，民间收藏透光镜的人明显增加。而到清代，郑复光在驳古人视透光镜如奇宝时说：
透光镜，人争宝焉。不知湖州所铸双喜镜，乃日用常品，往往有之，非宝也。
由此可见，至晚在明清时代，中国有一部分学者视它为常镜。这时期，湖州（今属浙江）所铸双喜镜，既是日用品，也是透光镜。留意明清时期有关文物，也当不难发现之。但是，年代稍远的青铜平面镜，由于出土的大部分锈蚀斑斑，很难再验证其是否为透光镜。如若将它们再加工打亮，即使出现“透光”现象，似也有今日加工工艺所致之嫌。因此，处理古代铜镜要极为科学、严谨。
且不说战国时期的透光镜。至晚在西汉时期，中国人已探明了成功制造透光镜的奥秘。但是，历史总是曲折的。我们迄今尚未发现公元6世纪之前有关透光镜“透光”现象的文字记载。直到北周和隋唐之际，才有了有关的文字记述。
北周庾信（513—581年）在《镜赋》中曾写道：“临水则池中月出，照日则壁上菱生。”⑱此“菱”字是指镜背花纹。清代光学家郑复光持此说。隋唐之际，王度在其《古镜记》中叙述其师临终前赠以古镜，他以此镜“承日照之，则背上文画墨（尽）入影内，纤毫无失”。这就是说，大约从6世纪起，人们才发现透光镜的“透光”现象。至晚从此时起，透光镜的制造就是有意识的了。
可作为这一结论佐证的是，清代冯云鹏、冯云鹓兄弟所辑《金石索》卷六记载了一枚唐代八卦镜，背铭“透光宝镜，仙传炼成，八卦阳生，欺邪主正”。这是较早出现“透光镜”三字。冯氏兄弟检验该镜，证实它“迎日照之，八卦太极，光映素壁”。这证明，该镜铸造者是下意识制造透光镜的。因为镜背铭文是匠师铸造的，而非后来补刻或补铸。
“透光镜”三字在唐代出现，以及迄今考古发掘唐代透光镜多枚，表明唐代人确实已经着意制造这类镜子。入宋以后，科学家沈括有史以来第一次果敢地断论了“透光”现象的本质，也首次记述了使光滑镜面有与其背纹相似的痕迹的铸造方法。自他之后，透光镜的铸造问题为历代学者所重视。可以说，近代学者所能想到的制造方法都被古代中国人提出过。郑复光在他于1835年之前成书的《镜镜痴》中，不但总结和评述了历史上有关透光镜制法的言论，而且在中国历史上最清楚、正确，在世界上最早论述了“透光”现象的光学原因。他的论述比英国物理学家布喇格（W. H. Bragg，1862—1942年）在1932年的有关论述整整早了100年。
我们先谈谈透光镜“透光”的原因。
即使镜体极薄，可见光绝不能穿透青铜合金板。那么，镜面反射光何以会出现镜背纹？除了镜边缘和凸起纹饰之外，镜体极薄，仅有0.5~0.9毫米之厚。经过某种铸造法或机械加工，镜面产生了与镜背纹饰相似的图案。这些镜面图案，人眼觉察不出，而在其反射光时就出现在光屏上了。因此，透光镜实是镜面各处曲率不同的凸面镜。在有纹饰的厚处曲率较小，无纹饰、铭文的薄处曲率较大。当一束平行光照射镜面时，曲率大的地方反射光比较分散，在屏上的投影光就比较暗；曲率小的地方反射光比较集中，投影光就比较亮，如图2-24所示。由于明暗不同，透光镜反射到屏上的光就产生了与镜背相同的明暗花纹。这就是“透光”的秘密。
图2-24 不等曲率镜面的反射
古代人如何制造这种镜，使其镜面曲率不相等呢？沈括在《梦溪笔谈·器用》中说：
人有原其理，以谓铸时薄处先冷，唯背文上差厚，后冷而铜缩多，文虽在背，而鉴面隐然有迹，所以于光中现。
沈括的这种解说，今日被称为“铸造说”。明代郎瑛持类似说法。他在《七修类稿续稿·透光镜》中说：“予意此必铸时或异，而用铜用药非常者。”郑复光在一定程度上支持沈括之说。但自宋以降，对沈括之说存有异议。
元代吾衍提出了另一种看法。他在其《闲居录》中说：
假如镜背铸作盘龙，亦于面镜窾刻作龙，如背所状，复以稍浊之铜填补铸入，削平镜面，加铅其上，向日射影，光随其铜之清浊分明暗也。
这个解说，今日被称为“镶嵌说”。它在历史上得到许多人赞同，然郑复光持异议，而且，近年一些研究者也持有异议。
郑复光在《镜镜痴》卷五《透光镜》中提出了自己的看法。他说：
铸镜时铜热必伸。镜有花纹，则有厚薄。薄处先冷，其质既定，背文差厚，犹热而伸，故镜面隐隐隆起。
这实际上是进一步阐述了沈括“铸造说”的物理原因。然而，郑复光又做了补充论证：在镜坯成形之后，还要经过“刮”与“磨”的工序。他说：
夫刮力在手，随镜凸凹而生轻重，故终有凸凹之迹。
虽工作刮磨，而刮多磨少，终不能极平，故光中有异也。
这种看法被称为“刮磨说”。郑复光特别强调刮磨对镜面曲率的影响。但近年的研究表明，刮磨法造成的“透光”图像是空心的，即图像边缘亮，中间暗；而西汉透光镜是实心的，即整个图像都是明亮的。近年的研究者中，上海博物馆和复旦大学光学系采用淬火法，上海交通大学采用铸磨法。有的强调铸造残余应力和结构应力的影响，认为这是铜镜“透光”的基本原因，而研磨是其“透光”的重要环节。还有人主张，据历史上的三种说法都可以制成透光镜，在遂平发现的唐代透光镜很可能是用吾衍镶嵌法制成的。而且，可能不止上述三种方法。
对透光镜“透光”机理的解释，最早是由沈括结合其铸造说而提出的。沈括和他的同时代人都知道，“透光镜”是反射镜，只是其镜面“隐然”有与镜背相似的痕迹。这一解释得到后来学者们几乎一致的称许。
郑复光发展了沈括的见解，做出了几近于近代科学的解释。他将沈括提出的镜面“隐然有迹”的“迹”，一语点破为“凸凹之迹”。镜面凸凹，在阳光下“平处（此指稍凹之处——引者注）发为大光；其小有不平处（此指凸处——引者注），光或他向，遂成异光（今日谓之“发散光”——引者注），故见为花纹也”。对照图2-24，郑复光的解释就不能不令人叹服了。不仅如此，郑复光还将水面反射与透光镜反射做了类比，他说：
水静则平如砥，发光在壁，其光莹然动，则光中生纹，起伏不平故也。铜镜及含光玻璃，其发光亦应莹如止水。
他又说：
铜镜磨工不足，故多起伏不平，照人不觉，发光必见。
由于（镜面）凸凹，故能视镜无迹而发光显著也。
郑复光所谓“发光”，即今日所谓镜面反射光。他在水面和青铜镜面之间所做的类比，约100年后为西方光学家解释透光镜现象时所采用。他的“镜面凸凹”“起伏不平”之说，也为当代光学所采用。而他的关于玻璃会产生类似现象的论述，成为当代精密光学仪器制造家的警世之言。
一件有意思的事是，在郑复光的《镜镜痴》成书（1835年前）之后，1877年，英国传教士傅兰雅先生在上海主编科学杂志《格致汇编》，有山东烟台人询问透光镜之原理，傅兰雅回答：“考光学中并无此理。”并以类似元代吾衍“镶嵌法”的说法阐述之。次月，又有广东人再问，并推想：将带有与镜背相同花纹的铁范以强力压于镜面，就可以造成透光镜。傅兰雅对此不能回答，并直率地承认自己之前所解答“为随意说出，非必为其实在之故”。傅兰雅在肯定广东人设想“似乎有理”的同时，又说：“此镜本非出自西国，西国之书不论及之。莫怪本馆不能径答也。”⑲傅兰雅的回答，既反映了当时大多数西方学者尚未听说过透光镜，也不知其理何在，同时更体现了傅兰雅本人的学者风范。
透光镜在世界各地传播并引起现代科学家的关注与研究，这个过程也是极有趣的。早在汉代，中国铜镜已传到朝鲜和日本。曹魏明帝景初二年（238年），一次送给日本使臣的铜镜足有百枚。奈良时期（710—794年，相当于我国唐代中期），日本已从中国学到了铸镜技术。在江户时代（1603—1868年），日本人又学会了制造透光镜，并称其为“魔镜”。明治初期（相当于我国清代后期），日本民间收藏有大量“魔镜”，19世纪90年代遂有研究论文发表，但其观点与郑复光的相差无几。
郑复光发表他的有关透光镜的专论之前三年，欧洲人才知道透光镜。1832年旅居印度的普林塞普（J. Prinsep）在加尔各答偶然见到一枚透光镜，便撰写了题为“论中国魔镜”的文章发表于《亚洲学会会志》上。流传到加尔各答的这枚镜很可能原产于中国，但作者却使用了更能吸引读者的日本名词“魔镜”。接着，英国物理学家布儒斯特（David Brewster，1781—1868年）对透光镜进行检验，认为其特性是密度差异引起的。他的观点和元代吾衍不谋而合。1844年，法国天文学家和光学家阿拉戈（D. F. J. Arago，1786—1853年）将一枚透光镜赠送给法国科学院，从而引出了一连串讨论文章。儒莲（Stanislas Julien）最早在文章中引述了周密与吾衍的有关文字，并认为，在磨制光滑镜面时其凸面曲率有微细差异。大多数物理学家同意他的说法。在讨论中，多数人认为镜子是铸造而成的，但个别人认为是压模而成的。此时，旅居日本的艾尔顿（W. E. Ayrton）和佩里（J. Perry）经过察访日本铸镜工匠，以实验证明透光镜是铸造而不是压成的。十年之后，这两个旅居日本的欧洲人又指出，在镜子铸成后以压磨法使其产生“透光”效果。尤为有趣的是，1877年，英国《自然》（Nature）周刊展开了关于透光镜机理的讨论。讨论中多数人认为，镜面凹凸现象是从镜背压击而成的。几乎同时，在意大利和法国的科学界也有人在进行透光镜实验，除了加高压的观点外，有一种意见与沈括几乎相同，主张是加热得到“透光”效果，并提醒天文学家在制造天文反射镜时要注意控制温度，以避免“透光”效应的发生。1932年，曾因晶体结构研究于1915年获诺贝尔物理学奖的W. H.布喇格以“论中国的魔镜”为题，写了一篇总结性文章，从而结束了在西方长达百年的争论。后来，这个老布喇格（他的儿子称小布喇格，W. L. Bragg，父子一同获诺贝尔奖）又将其文章编入科普作品《光的世界》一书中。商务印书馆于1947年曾将该书翻译出版。老布喇格的主要论点是，铜镜铸成后要经过刮磨，在刮磨受压时，微向下凹，“镜子较薄部分，比起背后凸起的较厚部分，向下凹得多一些。因而对于刮磨器而言，就退让得后一些。这样，较薄部分多少避免了刮磨器作用，而在压力过去时它们又恢复原状，但是比镜面的平均地位却微微凸起一些”。从而，镜面形成了与镜背一致的凹凸状，“当光线从镜面被反射时，反射光的聚散与镜背花纹相应”。为了使人了解镜面及其反射情形，他列举了类似在他之前100年郑复光所做的水面比喻。
从湖南攸县出土的战国透光镜诞生之日起，到布喇格于1932年写出有关它机理的总结性文章，斗转星移，历史过了两千多年。为了了解它的机理，欧洲近代科学家从1832年到1932年亦整整忙碌了一个世纪。20世纪70年代中期，日本和中国的学者又曾为推进该项目的研究而分别做了许多工作。这些，大概是古代镜匠们所始料未及的事。