日出東方而落于西，四季變換冷熱交替，大自然早在人類懵懂之初就已經有了一套運作自如的系統。熱脹冷縮、杠杆原理、機械共振都在等待着被人類一一發現。
我們常常從曆史與藝術的角度欣賞文物，卻忽略了文物本身的科學原理。我們将從力學、光學、聲學、熱學四個實體分支，介紹相關文物，探讨古人對實體知識的發現與應用。
陶器精美，銅燈閃爍，這些精美的文物又是如何打造出來的？如何改進陶窯才能達到燒陶所需的 1000°高溫？《清明上河圖》中的汴京虹橋又是以怎樣的精密結構承載巨重？曾侯乙編鐘又是如何做到“一鐘雙音”？應縣木塔為何“千年不倒”？讓我們一起來揭示文物背後的秘密，感受古人的智慧。
01 力學
1. 銅奔馬
東漢 銅奔馬 甘肅省博物館藏
專家通過現代科學儀器進行金屬探傷分析，觀察表面鑄造痕迹和馬蹄底内殘存的鐵芯，再結合金屬成分檢測結果，确認銅奔馬是用青銅陶範鑄造法，分段鑄造焊接而成，且工匠在馬的右後腿内夾鑄了卯榫狀鐵芯骨，可以增強馬腿的強度和支撐力。
此外，制作者在腿根、踝關節、蹄足等受力部位也專門做了榫卯狀特殊處理，使銅奔馬得到了最佳強度和支撐效果，令這匹銅奔馬一足掠踏飛燕之上，曆經 2000 年伫立不倒。
2. 青釉刻花提梁倒流壺
五代 耀州窯青釉刻花提梁倒流壺 陝西曆史博物館藏
一般提梁壺的提梁均在壺身兩側，壺蓋獨立可拿取，此壺的獨特之處是壺蓋與器身連為一體。設計者匠心獨運，将提梁的一端連接配接壺身，另一端連接配接壺蓋中心，并且将提梁設計成一隻鳳凰形狀。
這一獨特設計也注定了在使用時的獨特性，此壺為倒灌壺，可以把液體從壺底注入，并從壺嘴正常倒出。它運用了實體學中“連通器液面等高”的原理，即連通器中隻有一種液體，且液體不流動時，各容器中的液面總保持相平。倒流壺展現了古代的一種哲學思維，那就是“倒既正，正是倒”。隻要壺内液體維持在同一個高度，水就不會漫溢出來，這也告誡人們在行事時不要落入極端中。
3. 張擇端《清明上河圖》卷
北宋 張擇端《清明上河圖》 故宮博物院藏
該卷生動記錄了中國十二世紀北宋都城東京（又稱汴京，今河南開封）的城市面貌和當時社會各階層人民的生活狀況，是北宋時期都城東京當年繁榮的見證。
在《清明上河圖》中存在虹橋數座，虹橋是木結構拱橋，俗稱飛橋、蜈蚣橋。虹橋的建造以北宋為盛。張擇端以寫實的手法、合乎透視的原理，精心繪畫了宋都汴梁附近的虹橋。從張擇端的繪畫中可以清楚地看到虹橋的結構。經過一些橋梁專家推算，其跨度約 20 米，寬度約 8 米。
虹橋是縱橫相架、自身穩定的木結構。為了保證其幾乎不變形，使結構成為一個堅固的整體，虹橋的木結構由 21 組并列的拱骨組成，拱骨采用直徑約 40 厘米的圓木。拱骨有兩個系統：外面一組，長、短拱骨各兩根，互相鉸接，稱為第一系統；裡面相鄰的一組，由三根等長拱骨組成，稱為第二系統。如此交替排列，全橋共由 11 組第一系統和 10 組第二系統的拱骨組成，當這兩個系統各自獨立時，都是不穩定結構，唯在這兩個系統交會處，以巨木橫貫，使拱骨彼此銜接，這才成為一個穩定結構，并将橋面載荷橫向分布于各拱骨。
4. 陶鷹鼎
新石器時代 陶鷹鼎 中國國家博物館藏
陶鷹鼎是新石器時代仰韶文化中唯一一件以動物塑性的器皿，可見其造型的創新性與特殊性。在中國傳統文化中，鼎更多的是和“青銅器”聯系在一起，更多的呈現出厚重與大氣。而陶鷹鼎則是以鷹為型，三足矗立，莊重中帶有一絲“萌”感。
陶鷹鼎雖以鷹為型，卻并未影響器皿本身的實用性。縱觀鷹鼎，其鷹身肥而有力，肌肉健碩，敦實有力的兩腿微微分開，鷹尾下撘，和另外兩隻腳構成鼎的三足，支撐整個鼎身，其重心面垂直地落在以三足點做圓的圓心附近，此種三足器皿展現了原始先民對物體重心的認知和應用：重心即物體的重量中心，通過物體中心的垂線或垂面與物體的支撐面垂直，則物體實作平衡。
5. 新石器時代仰韶文化彩陶網紋船形壺
新石器時代 現藏中國國家博物館
網紋船形壺為幾千年前先民使用的水器，其造型奇特，紋飾精美有巧思，可謂是當時水器界的時尚精品。而對于這一水器的形狀和用處，研究認為網紋船形壺是由當時流行的一種尖底陶罐演變而來的。
這種尖底陶罐一般腹大，口小，有研究認為這種尖底器皿是利用了重心原理制造的汲水罐。雙耳位于腹部偏下位置，當兩邊系繩後，因為雙耳低于重心導緻空罐呈傾斜狀态，而當罐身入水裝半罐水時，瓶身則直立，而裝半罐水以上時即傾覆。而船型壺則是将這一器型傾斜90度，變成了平底兩側有尖角的船形，不僅重量分布均勻，而且也更實用美觀。
6. 舞馬銜杯仿皮囊式銀壺
唐 舞馬銜杯仿皮囊式銀壺 陝西曆史博物館藏
此壺的制作工藝非常獨特。壺蓋帽為捶揲成型的覆式蓮瓣，頂中心鉚有一個銀環，環内套接了一條長 14 厘米的銀鍊與提梁相連，壺肩部焊接着一端有三朵花瓣的像弓劍形狀的提梁。壺身是先将一整塊銀闆捶打出壺的大緻形狀，再以模壓的方法在壺腹兩面模出兩匹互相對應奮首鼓尾、銜杯匐拜的舞馬形象，然後再将兩端黏壓焊接，反複打磨緻平，幾乎看不出焊接的痕迹。
鎏金舞馬銜杯紋銀壺以錘揲、錾刻、鎏金等工藝加工制作而成，顯示出了唐代高超的金銀器制作水準。捶揲即是充分利用金銀的延展性能，用錘子将金銀打造成圓形薄葉，然後置于器物或模具上再從中央開始擠壓捶打，就會形成有凹凸紋飾的器物。早在公元前 2000 年，西亞地區就掌握了捶揲技術。随着中外文化的密切交流，捶揲技術從西亞傳入大陸，唐代工匠熟練掌握了這種工藝，進而使金銀器制造技術進入了新的發展階段。
7. 戰國包金鑲玉嵌琉璃銀帶鈎
戰國 現藏中國國家博物館
包金嵌玉獸首銀帶鈎的主要裝飾工藝包括錾刻镂雕、鎏金、鑲嵌等。工匠按設計圖用薄紙拷貝出紋樣，貼在材料上，用小錾錾出虛線，也就是點組成的線條，取下紙樣，靠木錘、鐵錘按印錘打出大型輪廓。在打起外形過程中一般要多次過火燒，以保持它的柔軟度。通過镂空工藝錾刻掉設計中不需要的部分，形成透空的紋樣，稱镂空或透雕。
錾刻是在金屬表面進行裝飾的一種工藝，用小錘熟練地擊打各種大小和不同紋理的錾子，使其在金屬表面留下錾痕，形成各種流暢生動的花紋圖案，達到裝飾的目的。這種工藝始于春秋晚期，盛行于戰國。
此包金嵌玉獸首銀帶鈎屬于錾花工藝的镂空浮雕，通過錾花中的镂空工藝刻劃出帶鈎一端的獸首、鈎身兩側盤繞的夔龍以及兩隻對稱的鳳鳥紋飾。錾花制作工藝既要依靠工匠自身的雕刻技藝與經驗，又要憑借錾花制作工具。這些工具都是工匠根據所錾刻花紋的需要自制的。自制錾花膠也是錾花工藝的一個重要環節。因為在錾花中需要它起一個固定、粘接和襯墊的作用，以便錾花刀在材料上面良好地工作。
02 光學
8. 長信宮燈
漢代 長信宮燈 河北博物館藏
長信宮燈的造型精巧，由頭部、身軀、右臂、燈座、燈盤和燈罩六部分組成。整盞燈是中空的，部件可以靈活拆卸，友善清除燈内的積灰。宮女高舉持燈的右臂是一條煙道，煙灰通過右臂進入體内，進而保持室内清潔。燈罩可以通過調節開合角度控制燈火的明暗，燈盤中央插上蠟燭，點燃後，煙會順着宮女的袖管進入體内，不會污染環境。
長信宮燈的燃燒原理是其最大的亮點之一。在漢代，燈具一般使用動物油脂作為燃料，但燃燒時産生的油煙會污染室内空氣。而長信宮燈通過巧妙的設計，将煙熏油燈的排煙問題解決得很好。燈燃燒時産生的油煙随着熱空氣的推動上升，沿宮女的袖管進入中空的燈體内，與金屬壁接觸後逐漸冷卻，凝結在内壁。由于燈體下端沒有底蓋，這件燈具還可以放置在水盤上，煙遇水也會凝結，避免了室内的空氣污染。
長信宮燈更是古代“環保”理念的傑出代表。當點燃燈盤中心的蠟燭時，煙霧會順着宮女的袖管進入燈體内部，有效避免了煙霧對環境的污染，確定了室内空氣的清新。宮燈的造型構造設計合理，許多構件便于拆卸和清洗，考古學和冶金史的研究專家公認，此燈設計之精巧，制作工藝水準之高，在漢代宮燈中首屈一指。1993 年被鑒定為國寶級文物。是以被譽為“中華第一燈”。
9. 彩繪雁魚青銅釭燈
西漢 彩繪雁魚青銅釭燈 中國國家博物館藏
釭是指導煙管，釭燈就是帶導煙管的燈，又可簡稱為釭，是漢代新創制的一種燈具。漢代燈通常被做成人形、動物形和器物形，其導煙管有單管和雙管兩種，都能将煙氣導入燈腹内，使室内減少煙炱而保持清潔。釭燈是漢代燈具在功能方面最先進的發明創造，構思設計巧妙合理，達到了功能與形式的完美統一，在世界燈具史上處于領先地位。
彩繪銅雁魚燈是釭燈中的傑作。它以傳統的禽鳥銜魚的藝術造型呈現，整體形象是一隻鴻雁回首銜魚伫立。這隻雁的頸部修長，回首銜着一條魚，體态肥碩，羽翼豐滿，短尾上翹，雙足并立。燈盤帶柄，位于雁背之上，而燈罩則是由兩片弧形闆組成。使用者可以通過轉動開合燈盤和燈罩來調整光線和風向，使室内環境更加舒适。更為獨特的是，這隻雁和魚的身體都是中空相通的。在大雁的頸部和背部，以及魚的腹内，都有子母口設計，使得這些部分可以互相連接配接。當油脂被點燃時，産生的煙霧會通過魚腹收集，然後經過雁頸導入，最終吸附在雁腹内的水面上。這種設計不僅有效地減少了室内的油煙污染，還賦予了燈具更多的藝術美感。
10. 銀首人俑銅燈
戰國 銀首人俑銅燈 河北博物院藏
男俑頭部用白銀精心制作，雙眼用黑寶石鑲嵌，高顴骨，濃眉短須，胡須微翹，發髻、胡須、眉毛、頭發，根根可見，笑容可掬。男俑身穿長袍，廣袖低垂，長裙曳地，不僅顯得潇灑自然，而且有利于器物平衡。右手執蛇，連接配接一柱，頂上為燈盤，柱上有一攀援的猿；左手執蛇尾，蛇口銜一燈盤。左邊平地放置的燈盤中，一條蟒蛇盤踞其間，吻部高挺頂住耍蛇人左手所握之蛇，保證了全燈重心穩定。這樣的高難度動作，并不是虛構，而有生活原型，考證發現這是河北雜技史迄今發現最早的實物證據。
根據不同的使用場景，這盞燈可以自由調節燈光，高、中、低不同處的燈燭，三支、六支、九支燈燭，分别對應不同的亮度需求，當同時點滿九支燈燭時，火光高低錯落，有如火樹銀花般耀眼明亮。
11. 青銅缸燈
西漢 青銅缸燈 海昏侯國遺址博物館藏
青銅缸燈，結構繁複，由器座、托盤、側面燈罩、頂部燈罩和弧形煙管組成。器座為球形腹鼎，獸蹄足，肩部兩側有弧形向上的出煙管。座上有一圓形托盤，盤底有一圓筒，可與底座相套。托盤内有一圓形燈盤，兩者之間有兩個可分離的弧形燈罩，移動燈罩，可擋風和調整光照方向。此燈利用虹吸原理，燈腹裝水，煙通過煙管到達腹中溶于水，防止了燃油燈對室内造成污染，更利于照明之用。
03 聲學
12. 曾侯乙編鐘
戰國 曾侯乙編鐘 湖北省博物館藏
曾侯乙編鐘之是以能成為樂鐘，關鍵在于它恰當地運用了合金材料，在科學配比的基礎上，采用了“複合陶範”鑄造技術、鉛錫為模料的熔模法，加上鐘壁厚度的合理設計、鼓部鐘腔内的音脊設定和爐火純青的熱處理技術，使鑄件形成“合瓦形”，産生雙音區，構成“共振腔”，進而對其所在的振動區起到負載作用，達到加速高頻的衰減，有助于編鐘進入穩态振動。
合瓦形鐘體，兩側有棱。而棱是兩片瓦狀的連接配接部，是鐘體剛性最大的部分，鐘體振動時要使棱部進入振動狀态需要更大的能量，是以編鐘發聲時，棱能對鐘聲起阻尼作用（減振消能），加速鐘聲的衰減。而且敲擊同一編鐘的不同部位時，因為棱的阻尼作用不同，其振動模式有很大變化。敲擊正鼓部，編鐘進入振動狀态後，棱起着明顯的阻尼作用，相反敲擊側鼓部，棱所起的阻尼作用甚微，這樣就出現了“一鐘雙音”的奇迹。
通過對曾侯乙編鐘全部幾何尺寸的測試和整理分析發現，各鐘的幾何尺寸嚴格遵循着某種數學邏輯關系。就某一鐘而言，隻要确定其中一個主要尺寸，即可計算出其餘的尺寸，而且鐘體的尺寸與編鐘的聲學性質密切相關。例如，将編鐘第一基頻與其銑長聯系起來分析，可以看到，基頻随銑長的變化，明顯地分成低頻、中頻和高頻三個區。鐘體厚度與銑長也存在内在聯系，某兩鐘銑長相同時，可通過對鐘體厚度的調整，改變鐘的振動頻率；在固定的頻率下，限定鐘的厚度，也可變化銑長。
13. 獸面紋镈
春秋 獸面紋镈 山西博物院藏
獸面紋镈，又稱獸首銜鳳紋镈鐘，一組四件，為國家一級文物。镈鐘頂部是镂空雙龍形鈕，龍首相對，口中銜蛇，威風凜凜。镈鐘上方平平的地方叫做“舞”部，裝飾有獸首銜鳳紋。镈鐘的正中間叫做“钲”部，裝飾有獸首雙身紋；下面一圈叫做“鼓”部，也裝飾了華麗繁複的獸首銜鳳紋，是演奏的時候敲擊的部位。镈鐘上的一個個圓形的突起，叫做“枚”，起到了加快聲音衰減的作用，它們被塑造成盤繞狀螭紋的形象。“枚”與“枚”之間的條狀部位被稱為“篆”部，裝飾的是另一種以神獸為主體的紋飾——蟠螭紋。獸面紋镈是衆多追繳回來的珍貴國寶之一。
04 熱學
14. 北宋汝窯天青釉弦紋樽
北宋 北宋汝窯天青釉弦紋樽 故宮博物院藏
宋汝窯天青釉弦紋樽是宋代汝窯燒制的工藝品，我們可以很清楚的看到釉面的細碎開片，造成開片的原因是燒造冷卻時，瓷坯和釉料的熱脹冷縮的比率不同，是以在出窯時會造成釉開裂。雖然這是一種瑕疵，但古往今來，人們已經認同了這種開片美，而工匠們也了解并掌握了開片的原理和規律，反而主動追求瓷器的這一種特殊裝飾了。
這件瓷器的開片完美诠釋蟹爪紋與魚鱗狀開片，這是汝窯的兩個典型特征。蟹爪紋：紋理雜亂，很像螃蟹的爪。魚鱗狀開片則意即開片的形狀、裂紋的角度都是傾斜的，沒有筆直的裂紋，非常類似于魚鱗，是以叫魚鱗狀開片。
15. 彩繪鹳魚石斧圖陶缸
新石器時代 彩繪鹳魚石斧圖陶缸 中國國家博物館藏
彩繪鹳魚石斧圖陶缸是新石器時代前期的一件葬具，出土于1978年的河南省臨汝縣閻村，臨汝縣即今天的汝州市。汝州自古以來就是陶瓷的發源地，從原始社會的鹳魚石斧圖汝陶缸，到五大名窯之首，汝州的熊熊爐火燃燒了幾千年，形成過“汝河兩岸百裡景觀，處處爐火連天”的繁榮景象，在中國陶瓷史上占有顯著地位。
陶器用黏土或陶土經捏制成形後燒制而成，具有耐火、不溶于水等特性，是最早的人工材料制品。陶器的産生離不開火的使用。相傳，原始社會的燧人氏發明了取火的“木燧”，即“鑽木取火”的取火工具，由此人們掌握了“摩擦生熱”的熱學原理。當人們掌握了火的使用之後，還需達到一定的溫度，才能實作燒陶時化學組分的變化，産生低共熔玻璃相，粘合黏土中顆粒，降低吸水率，進而增強陶器硬度。若溫度不夠則就成了生燒，化學反應不充分，吸水率高，硬度差，陶器品質便差。是以，古代人也創造了一種依靠經驗進行的溫度目測技術，這也是陶器燒制成敗與否的關鍵之處。
16. 新石器時代仰韶文化彩陶人面魚紋盆
新石器時代 新石器時代仰韶文化彩陶人面魚紋盆 中國國家博物館藏
人面魚紋彩陶盆發掘于半坡遺址當中，此時制陶工藝已經發展到了具備設計科學合理的陶窯的階段。這一時期的陶窯有橫穴窯和豎穴窯兩類，是由平地露天堆燒發展到一次性泥質薄殼封燒而後發展而成的。平地堆燒陶器時，升溫較快，最高溫度可達 900°，但保溫不好，是以熱效率低，也經常出現生燒現象；一次性泥質薄殼封燒改進了平地堆燒的保溫問題，而且降低了燒制所消耗的燃料量，提高了熱效率燒成溫度一般在 800-900°之間；而窯爐燒陶的方法，利用窯室又進一步的提高了保溫性能和熱效率，燒成溫度提高到 950-1050°之間，同時也解決了泥質薄殼封燒使用的一次性問題。
橫穴窯後部的排氣孔會對前部火膛的熱氣産生吸力，進而提高窯室的溫度；而豎穴窯則是實作了下方的熱力上升到窯室，進而快速升溫并持久保溫。此類陶窯的出現是燒窯技術的巨大進步。
17. 封口白陶鬶
新石器時代 封口白陶鬶 莒州博物館藏
此陶鬶（guī）為夾砂白陶，屬大汶口文化器物，陶鬶是新石器時代常見的水器和禮器，一般多為敞口，此封口陶鬶為其中的特殊器型。此器型為長流喇叭口，喇叭封口處上有多個篩眼。篩眼有多重用處，不僅能在煮水時防止灰塵雜物落入内部，還能夠起到一定的過濾作用。陶鬶有三隻袋足，頸腹間安有一橋形柄，其上飾兩道弦紋，腹部飾一周長條狀附加堆紋。
大汶口文化後期，先民用“坩子土”經 1000℃的高溫燒制陶器，燒成的器物質地堅硬，胎壁薄勻，器物呈現色澤明麗的白色，還有一些黃色和粉紅色細砂陶器，一般統稱為白陶。與其他器物相比，白陶器色澤純正，質地醇厚，整體素面，盡顯潔淨與素雅之美。
18. 黑陶罍
新石器時代 黑陶罍 日照市博物館藏
新石器時代酒器，細泥黑陶。外表打磨光滑，形為直頸球腹，肩腹部飾有對稱縱向分布的兩對貫耳，器表飾以多道凹弦紋，制作精緻，造型優美，是山東龍山文化黑陶器中的精品。黑陶罍與黑陶蛋殼陶杯和白陶鬶一同出現，三種類型的器物正好組成一套完整的酒器，能夠實作盛、斟、飲三種功能。
黑陶器是龍山文化的代表器物，許多規格較高的墓葬之中都出土了大量制作精美的黑陶容器。黑陶的燒制方法則是在器物燒成的最後階段往熱窯中徐徐加水，由此産生的大量濃煙炭粒粘附在器物的表面，窯溫冷卻後，碳元素被密封在器壁中，進而燒成黑陶。所燒成的黑陶器更顯沉穩、大氣，有着純黑如漆的美譽，俗稱“黑又亮”。
19. 犧尊
春秋 犧尊 上海博物館藏
這件青銅器以水牛為形，構思巧妙。牛腹内中空，其頸部和背脊上巧妙地開了三個孔，中央的孔内嵌套了一個可拆卸的鍋形器，實用便捷。根據其結構，我們可以推斷這是一件用于溫酒的器具。鍋形器用來盛放酒水，而空穴則用來注水，水注入尊腹，進而起到溫酒的效果。
中國青銅器的一個顯著特點就是将動物形态融入酒器設計中，這件作品便是其中的佼佼者。盡管它的四足短小，但整個形态卻顯得穩重而有力。牛首上的雙角張力十足，雙目圓瞪，這些細節都保持了極高的真實感，使得造型與實用性得以和諧統一。值得一提的是，牛鼻上穿有一環，這一細節揭示了春秋時期已經開始使用穿鼻法來馴服牛。是以，這件青銅器不僅是一件精美的藝術品，同時也是研究中國牲畜馴化史的重要實物資料。