物质观念
物理学研究的对象是物质，因此物质观念是物理学中一个根本问题。
关于物质的观念，首先是要承认它的实在性，是独立于人的意识的客观存在，否认这一点，就否认世界发展的规律性，也就没有什么物理科学了。我们中国古代的思想家，很大一部分对这个问题持唯物的态度，他们不仅肯定形形色色物质的客观存在，而且企图探源溯本，追求整个世界的本源，推究万物的形态。
现代物理学认为物质有两种基本存在形态，一为不连续的微粒形态，如原子、质子、中子、电子等等；另一为连续的场形态，它具有质量、动量、能量，分布在整个空间。这两种形态的物质，在一定的条件下可以相互转化，因此可以说物质是微粒和场的矛盾统一体。在人类认识史上，这两种物质观争论了好几个世纪，至今还在延续着。在我国古代竟也存在着这两种物质观念。
先介绍微粒说。中国远在先秦时期，对于物质是否无限可分就已经存在尖锐的争论。
在西周时代，人们就注意到物质的分割问题了，那时虽然没有什么学说或理论，但在造字中多少透出一点信息来。譬如“小”字，在最原始的文字里只写作三点，表示细小的意思。据东汉许慎的解释：它表示一根东西，表示劈为两半，意思是说，把一根东西劈了又劈，剩下的就是“小”的形象。但是究竟小到什么程度，那“小”可不可以再劈分呢？这里找不到答案。战国时代儒家的著作《中庸》里就比较明确地指出：“语小，天下莫能破焉。”宋代的朱熹（1130~1200）解释说：“天下莫能破是无内，谓如物有至小而可破作两者，是中着得一物在；若无内则是至小，更不容破了。”这里所说的“莫能破”、“无内”，也就是不可分割的意思。这就论证了物质有不可再分割的最原始单位，就相当于古典原子学说中的原子概念。在英文里，现在被译成“原子”的Atom一词，原来也就是“不可分割”的意思。本世纪初，严复翻译的《穆勒名学》一书，第一次把Atom一词介绍到我国，当时他就译成“莫破”，而把现译为“原子论”的Atomic Theory译为“莫破质点律”，大概就是以《中庸》书里的字词为渊源的。而“无内”一词，并不始于朱熹，远在战国时期，有个名叫惠施的人（约前365—前310年）曾说过一句话，叫做“其小无内，谓之小一”。意思是说“小一”这东西，不再有内，也就无法再分割了，即是最原始的微粒。
主张不可无限分割的一派，最著名的是战国时期的墨家。《墨经》里面专门有两条谈论这个问题，说得很透彻。一条《经》文说：“端：体之无序最前者也。”译成现代话就是说：“端”是组成物体（“体”）的无可分割（“无序”）的最原始的东西（“最前者”）。这“端”就很近似于原子的概念了。“端”为什么不可分割呢？解释这条《经》文的《经说》指出：“端是无间也。”意思是说，一个“端”里，没有间隙，所以不可分割。《墨经》另有一条用逻辑推理的方法去论证物质的不可无限分割。《经》文说：“非半弗则不动，说在端。”就是砍的意思，译成现代话就是：不能分为两半的东西是不能砍开的，也就对它不能有所动作，它便是“端”了。这条《经说》解释说：“非：半。进前取也：前则中无为半，犹端也。前后取：则端中也。必半，毋与非半，不可也。”墨家认为，砍一个物体，一定分为两半（“必半”），如没有或不能分为两半的就是不可砍开的（“毋与非半，不可也”），如将一物体不断地分半，最后便能得到一个最原始的“端”。这有两种取法，一为“进前取”，即从后至前，一半一半地取来，到了最前处必有一个不能再分半的“端”留着。另一种是“前后取”，即在前后两头同时向中央取去，则那个不可分半的“端”，必留在当中。这里不但作出比较缜密的论证，而且他们可能认为组成任何物体的微粒数目，总不外于单数或双数两种情况，所以用“进前取”与“前后取”两种办法总可以得到最小的“端”。这种研究可以说是深入细致的，是我国古代原子论的杰出代表，和古希腊的原子论者德谟克勒特正可以相互辉映。
主张物质可以无限分割的，以战国时期叫作“辩者”的一派为代表，其中最著名的是公孙龙（约前320—前250）。他有一句有名的话，叫做“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”“棰”就是木杖。意思说，一条尺把长的木杖，今天截取一半，明天截取一半的一半，依此截取下去，永远截不完。这等于说木杖可以无限地分割。正与上面惠施的“小一”理论尖锐地对立着。据说当时两派争论得十分激烈，以致“终身无穷”。
过去，有的人大概接受了墨家的物质理论，结果把公孙龙的说法也纳入墨家的理论。比如从晋代起，有人干脆用“端”的概念去解释“尺棰”的说法，这是不对的。也有的人，只从古典原子论的观点出发，认为公孙龙的说法是错误的，说它只是一个数学上的无穷小概念。更有的人，因为“辩者”同时提出的还有什么“鸡三足”、“卵有毛”、“火不热”之类的奇怪命题，也就把“尺棰”的说法判了一个“诡辩”的罪名，当然是很不公平的。公孙龙臆测到物质的无限可分，应该说是符合于辩证法的。
现在来介绍连续的物质形态学说。我国古代的这类学说是从探求物质本源中来的，并且是逐步发展、充实的。春秋战国时期的思想家们提出了不少的见解。例如《管子》中认为“水”是“万物之本源”（《水地篇》）。企图用一种具体的东西概括世界及其现象，是做不到的。当时以及后来还提出了诸如“道”、“太极”、“太初”、“太始”、“太素”、“一”等。这些概念虽各有其不同的意义，后人的理解也很不相同。但它们共同的意义在于用以给自然界作出统一的解释。比如“太极”，《易·系辞》说：“易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。”明确地认为“太极”是派生万物的本源，孙中山先生把它比附为“以太”，说：“元始之时，太极（此用以译西名‘以太’也），动而生电子，电子凝而成元素，元素合而成物质……”（《孙文学说》）。
这许多概念之中，发展得最充分的是《管子》中提出的“精气”学说。原来它兼指物质与精神，《荀子》也提到“气”。到了东汉，王充就已指出：“天地，含气之自然也”（《论衡·谈天》），明确主张“元气自然论”。后来经过晋代的稽康（224~263）、杨泉、唐代的柳宗元（773~819）、刘禹锡（772~842）、李觏（1009~1059）等唯物主义思想家的发展丰富，特别是宋代的张载，把它推向高峰，至明末王夫之，可说是大成。现在把历代元气论的几个论点摘引如下：
“夫天覆于上，地偃于下，下气蒸上，上气降下，万物自生其中间矣。”（王充《论衡·自然》）
“夫天，元气也，皓然而已，无他物焉。”（杨泉《物理论》）
这些话表明，“元气”是自然界最原始的存在，“万物”都是由它“生”出来的。它可上蒸、下降，显然就是一种客观的存在。“所谓气者也，非待其蒸郁凝聚接于目而后知之，苟健顺动止浩然之得言，皆可名之象尔。”（张载《正蒙·神化》）这句话表明“气”并不一定看得见，只要是有运动、静止而又很广大属性的（实即空间）也就是“气”。值得注意的是，这种客观存在的本身运动变化而有广度的气，恰恰和我们今天所讲的“场”形态物质相似。
“夫物以阴阳二气之会而后有象，象而后有形。”（李觏《删定易图序论一》）
“太虚无形，气之本体，其聚其散，受化之客形尔。”（张载《正蒙·太和》）
“气不能不聚为万物，万物不能不散而为太虚。”（张载《正蒙·太和》）
“气之聚散于太虚，犹冰凝释于水，知太虚即气则无‘无’。”（张载《正蒙·太和》）
这些话表明，太虚即气，其本体无形，它充满在整个空间之中，天地间并不存在“无”；有形之物（即实物），是“气”聚集而成的。这里就隐含着类似于今天所谓物质的微粒形态和场形态之间的转换的思想。
王夫之总结了上面的这些意思，他说：“阴阳二气充满太虚，此外更无他物，亦无间隙，天之气，地之形，皆其所范围也。”（《张子正蒙注》）
“虚空者，气之量。气弥沦无涯而希不形，则人见云而不见气。凡虚空皆气也，聚则显，显则人谓之‘有’，散则隐，隐则人谓之‘无’。”（《张子正蒙注》）
这短短的80多字，道出了气是客观存在、充满宇宙、连续无间隙的，只是人目所不能直接观察到，它可以和有形之物相互转化。宇宙中的所有物质及其现象，都是这种“气”形成的。
很明显，王夫之这段话不仅把以往元气论者的几个重要论点都包括进去，而且有了他自己的发挥，使元气论自然观达到了比较完整的境界，既给出了正确的物质观念，又道出了物质的连续形态和不连续形态之间辩证统一的关系，这已被现代物理学所揭示。元气论自然观对于我国古代物理学乃至整个自然科学的影响是极其深远的。它的基本理论，除了把物质性的气作为有形的宇宙万物的终极本原以外，还把它看成是天地万物联结成为一个有机整体的根本。元气论者还认为气有“感应”作用，能自感，也能感物。在后面的章节中还要谈到，许多物理现象都用这种理论加以解释，成为一种相当有效的思想武器。当然，“元气论”是一种思辩性的学说，完全不能与现代物理的物质理论相提并论，这一点是不言而喻的。
元素论思想
我国在远古就有类似于“元素论”的思想萌芽，那就是五行学说。
古人在长期生产斗争中，逐渐认识了一些物质的性质。四五千年以前，人们主要从事农牧业，后来还学会了烧制陶器和金属冶炼（炼青铜）。在这些活动中，同人们的生活和生产关系最密切的，主要是水、土、木、火，后来还有金属等五种物质。因为农业种植离不开水和土，制作工具离不了木和金属，日常生活与制陶冶炼离不开火。所以金、木、水、火、土是那时候人们最常用的五种“基本物质”，称之为“五行”，或干脆称为“五材”。西周时期的《尚书·洪范》上写着：“五行：一曰水，二曰火，三曰木，四曰金，五曰土。”春秋时代的《左传》里也说：“天生五材，民并用之，废一不可。”《洪范》里还对这五种基本物质的性质作了记载，说水有湿润之性，向下之性；火有燥热之性，向上之性；木有直性又有曲性；金有可以顺从之性，也有可变革之性；土有可用作播种和收获之性。由于当时的生产力水平低，人们接触到的东西并不太多，似乎周围的一切都能用这五种东西生出来，例如用水浇土，就可以种出粮食来，再用火烧熟了就可以吃；用金属刮削木头，就能做出工具和器皿，可以用等等。所以人们认为这五样东西，可以组成世界上形形色色的一切物质；一切物质的性质，也是这五种物质性质的综合表现。西周末年的史伯，就提出“以土与金、木、水、火杂，以成百物”。并提出，只有一种，就产生不了新物质，必须有不同的基本物质在一起才能发生作用，生成新的物质。他明确地认为自然“百物”，就是由这五种最基本的物质组合而成。这可以说是最原始的元素学说。当然，这五种东西本身并不是真正的“元素”，更不能全用它们去解释一切。不过在当时，这也算是比较引人注意的理论了。
这五种“元素”怎样组成各种各样的物质呢？有人企图给它规定一个死死的框子，什么“水生木，木生火，火生土，土生金……”又有什么“水克火，火克金，金克木，木克土，土克水”等等。这种被称为“五行生克说”的理论，虽然在认识史上也起过一定作用，但实际上是认识局限性的表现。因为人们看到了，种树要浇水，木燃烧可得火，木燃后化为灰烬成了泥土，金属矿物是由泥土中开采出来等等；又看到了水能灭火，火能熔掉金属，金属的刀可以砍断木头，木制工具可以耕翻土地，土可以塞住水流等等。于是便认定自然界存在那么一个相生、相克的“规律”。这样把无限丰富生动的自然变化过程，硬套在一个本来并不存在的框子里，当然是不可能的，也是无法说明问题的，所以不可避免地遭到许多唯物主义思想家的批判。比如《墨经》中指出，某克某（“克”，《墨经》叫做“胜”），那是随着条件的变化而可以有所不同的，像数量的多少就是条件之一，所以明确提出“五行无常胜”。墨家还举出例子加以论证，说熊熊大火温度很高，固然可以熔解金属，那是火多金少；但一大块金属也可以捶灭一小块炭火，这是金多火少。王充《论衡·命义》也说：“水盛胜火，火盛胜水。”当然他们只看到一个数量的条件，还没有完全正确反映出元素之间组合的真正规律，但比之于上述那种生搬硬套的机械论观点，要进步一些。
墨家学者们还利用这种朴素的五行元素论解释燃烧等自然现象。五行说，如果按本来的意义发展下去，不失为一种解释自然现象的理论。但在发展的关键时刻，受到了唯心主义一派的毒化与侵蚀，被搞得“神秘”、“怪诞”起来。后来什么都要凑个“五”，什么五味、五色、五金……并且要相配。譬如对于药物，也说“色青属木，入肝；色赤属火，入心”等等。甚至还联系到人事问题上来，搞所谓“天人感应”，那就完全离开了原来的意义。长期以来，这个神秘化了的“五行说”，把人们的头脑变成了一张僵硬的“五行网”，去硬套一切，穿凿附会，是极端荒谬的。这都是后来的事，不应当因此而贬低原来的朴素的五行思想的科学意义。五行物质学说虽然只用五样具体的物质去说明无穷无尽的物质世界，显然是十分不足的，这是古代低下的生产力水平所决定的，是无足怪的；但它的一个主导思想在于承认物质的变化，人们可以设法改变物质的成分，创造出需要的物质来，这可能就是后来发现的炼丹术的思想基础。就这一点来说，五行物质理论也是有一定的意义的。
物质守恒思想
自然界的各种变化过程中，物质既不消灭，也不创生，其量总是守恒的，这叫做物质守恒原理。这种思想，在我国是“古已有之”。
战国时期的《墨经》里有两条记载包含着这种思想萌芽，其中一条说：“可无也，有之而不可去，说在尝然。”意思是说，原来没有的，就没有，已经有的，也不可能消灭，因为它是曾经有过的。对这一条《经说》解释说：“已给则当给，不可无也。”就是说，已经存在的应当存在下去，不可能消灭。这都定性地说明了物质的不可无故消灭。另一条还从数量关系去说明，《经》云：“偏去，莫加少，说在故。”意思是，某种物质被减去一点，但从总体来说，没有增加也没有减少，因为合起来还是一样多少。对这一条《经说》从反面解释说：“俱一，无变。”意思是几部分物质合在一起，总量也是没有变化的。这两条文字明显地包含着物质守恒的原理。这种思想在别的书里，也有不少记载。差不多时期的《管子》一书里也说到：“天地莫之能损也。”说出了物质不灭的思想。晋代的《列子》中更进了一步，说“物损于彼者盈于此”，“成于此者亏于彼”。意思是，在变化过程中，这里物质多了，那里必然少了；这里少了，那里必然多了。这是从数量关系上说明了物质守恒。其实，凡是对世界持唯物认识的人，往往是承认物质守恒的。
我国古代的“元气论”者就是如此，他们认定物质实体的变化，只是“气”的“聚”、“散”，而“气”是不会生灭的。张载就明确地提出：“本体（即气）不为之损益。”王夫之说得更加透彻，他认为“（气）散而归于太虚，复其氤氲之本体，非消灭也，聚而为庶物之生，自氤氲之常性，非幻成也”，“生非创有，死非消灭”。所以他十分反对唯心论者的天地生灭观点，指出：“天地本无起灭，而以私意起灭之，愚矣哉！”他曾经提出这样的问题：如果物质可以消灭，到哪里去了呢？说它产生，又何从而来呢？宇宙哪有这么大的储藏供它不断地消耗呢？这是对物质守恒思想的极其生动、有力的论证。
对物质守恒思想，从定性的思维到数量关系的说明，是一个进步，后来更能通过一个具体的变化过程，甚至一个实验来阐明，这又是一个大的进步。明代王廷相（1474~1544），在这方面迈出了可喜的一步。他首先指出“气虽无形可见，都是实有之物，口可以吸而入，手可以摇而得”。他指出，即使是无形的“气”，虽“有聚散”，但“无灭息”。王廷相还举海水为例，说“水”可凝结为冰，冰可溶解为水；冰可以有，也可以无，但把海水和冰加在一起，其总量是不会变化的。这对物质守恒思想是一个具体的说明。在这方面发挥得最好的，要算是王夫之了。当时经济发展，手工业生产技术有了显著的进步，人们对物质的变化有更多的感性知识，王夫之又特别留心于实地调查了解，深入到手工业作坊，考察劳动人民的实践活动。尤其是制墨、烧汞等化学工艺过程，给了王夫之很多启发，使得他能够更加充实与发挥物质守恒的理论。王夫之列举燃烧、汽化、升华三种物质变化事例，来论证“生非创有，死非消灭”的思想。下面就是他所列举的事实：
“车薪之火，一烈已尽，而为焰、为烟、为烬；木者仍归木，水者仍归水，土者仍归土，特希微而人不见耳。”这是说一车子柴，烧掉了即化为火焰、烟尘、灰烬，这时并非不存在了，只是成了“希微”，人们看不见而已。王夫之还举出，如果让松油在旷野燃烧，好像全不见踪影了；如果密闭着燃烧，就变成黑色的烟墨。这可以更明显地证明，燃烧的过程，物质仍然是不灭的。烟、焰、烬也不可凭空创生。
“一甑之炊，湿热之气，蓬蓬勃勃，必有所归。若盦盖严密，则郁而不散。”这是以烧水为例：水受热沸腾汽化，似乎不见了，那一定有所去向，并非消失，如果盖得严密，那蒸气就跑不掉了。以此说明，水的汽化并非水的消灭。
“汞见火则飞，不知何往，而究归于地。”“覆盖其上，遂成朱粉。”这是说水银受热升华，变为水银蒸气而飞散了，好像不知哪里去了，实际上是仍回归到大地。如果在炼汞的器皿上加上一个盖，水银蒸气就会附着在盖子上，成为红色粉末状的氧化汞。这就说明了汞的升华，也不是汞的消失。朱粉的形成也不是物质的创生。以固态、液态、气态三者的变换，来阐明物质守恒的道理，是十分直观生动、明白易懂而又有说服力的。
总之，物质守恒的朴素思想，在我国起源很早，历代不绝如缕，到了王夫之可以说已初步成型，不仅有理论的阐述，也有实验的论证，确实是人类物质认识史上一项很宝贵的财富。
物质结构
古人对于物质问题，除了作总体的思考以外，也曾经把注意力集中到物质的内部结构上来，首先引起人们注意的是某些结晶体的规则的几何形状。早在西汉时期就有人发现雪花的形状是有规则的。《韩诗外传》云：“凡草木花多五出，雪花独六出，雪花曰霙。”指出了雪花六重对称结构。《韩诗外传》是西汉韩婴的著作，成书于大约公元前135年，也就是说，我国古人远在2000多年之前已经深入地观察结晶体的形状结构了。在欧洲，直到公元1260年左右，阿贝特（1191~1280）还只是说雪雪花花呈星状。确切地提出其六重对称结构的，是波兰天文学家开普勒（1571~1630）。公元1611年元旦，他发表一篇论文，题目就是“把六角形雪花作为新年礼物”。在时间上说比我国晚了1700多年！不过，开普勒的认识是比较深刻的，他已经试图在原子观点的基础上，用密堆的数学理论加以解释，但最后他仍退到以“可能的形态”来说明这种现象。我国古代只停留在表面的观察，虽然也有人企图加以解释，譬如说“六”是“阴之成数”（汉刘熙《释名》）等等，毫无科学意味。宋代的朱熹却有独到的说法，他认为雪花是霰下降过程中，被猛烈的风吹裂才散为花瓣状，正像一团烂泥，拿在手里往地下猛力一摔，必裂成棱瓣状。这个说法虽然并没有接触到问题的本质，但比喻倒是生动易懂的。
除了雪花之外，霜花、冰花是一种晶体枝蔓生长，我国古代对此也有些记载，例如《梦溪笔谈》中就有十分生动的描写，可能年代上是最早的。石英也是常见的天然结晶体，在我国古代又称“菩萨石”，它在岩穴中自由生长，形状比较完整，是由棱柱和棱锥组成，沿棱柱的晶轴是六重对称轴。远在南北朝时期的陶弘景（456~536）就指出它“六面如削”。宋代寇宗奭的《本草衍义》中更进一步说它“形六棱而锐首”。宋代杜绾的《云林石谱》也说“其质六棱”。这些说法不仅对外形记录是准确的，寇、杜二人还指出石英对日光具有色散作用，这实际上就是因为石英是透明的棱柱体，起了棱镜的作用。此外，对于如食盐、黄铁矿（“金牙石”）等立方晶系物质，古书上也指出它是“正方”形，形如“方印”等等。又如雹系三重对称结构，古书上说是“雹三出”。在这里特别值得提到的是沈括对石膏的几何外形所做的深入、生动而清晰的描述。他说这种晶体大的如杏叶，小的像鱼鳞；都是六角形，外形端整得像是切刻出来的，正如龟甲状；四周围象裙那样有微小的凸出；前面的晶体斜向下，后面的晶体斜向上；一片掩盖着一片，就像穿山甲的鳞片层层相叠；如果敲打它，会随着纹理裂开，也呈六角形，等等，记载得多么仔细和具体。沈括的这些知识并非凭空而来，因为他曾主持改革盐法，这期间为了调查食盐生产情况，曾深入到各地不少盐场。石膏正是盐湖的副产品，也是他观察研究的对象，所以沈括所记载的，全是当时劳动人民长期的经验和他自己入微观察的结果。正由于对各种晶体的形状有相当深入的知识，所以古人也以此作为判别不同晶体的根据。比如古代的本草学家们在鉴别石膏、长石、理石、寒水石、凝水石、精石、方解石等名词的异同时，依据之一，就是视其结构上的“肌理”、“形段”。比如北宋苏颂（1020~1101）的《图经本草》说：“破之皆作方棱者为方解石。”阎孝忠《集效方》也说：“敲之成方者，名方解石。”李时珍《本草纲目》说得更加透彻：“击之块块方解，墙壁（即指“自然晶面”）光明者，方解石也。”当然，古人对这些结晶体的判别，长期以来，存在着一些争论，判别有准确的，也有不准确的，但能够捉住外形的特征，无疑是正确的，也证明了他们对结晶体认识的深刻。古人在长期观察结晶体的过程中，积累与提炼了一些具有规律性的认识，形成了一些值得肯定的概念。例如“棱”就是指的两个自然晶面的交线，和现代的涵义没有什么不同；又如“墙壁”，是指自然晶面或解理；又如“拆”或“析”指的是“解理”，等等。
停留在对几何外形的观察和记载，当然还是对结晶体的初步研究。令人惊异的是，古人对于某种晶体的形成过程和条件，也有过记载，这是炼丹家的成绩。唐代初年的著作《黄帝九鼎神丹经诀》里，记载用朴硝（即硫酸钠Na2SO4）与硝石（即硝酸钾KNO3）制取硫酸钾（K2SO4）晶体时说，把朴硝和硝石捣细混和在一起，用热水淋汁（就是取得浓的水溶液），待澄清后，再以温水煮，待它半冷时倒入水盆中，盆外用冷水冷却，经过一夜就有硫酸钾出现，它“状如白色”，“大小皆有棱角起”，就是一种结晶体。这一段文字是制作晶体实验的忠实记录。此外，南宋程大昌《演繁露》记载食盐的生长过程也十分精彩。他说：“盐已成卤水，暴烈日中，即成方印，洁白可爱，初小渐大，或数十印累累相连。”这里指出了盐在水中含量超过溶解度，晶体逐步生长，由小到大，始终是立方体。描写是十分准确、深入的。
当然，晶体学的研究是20世纪才发展起来的学科，我们的祖先能如此细致深入地观察，并发现其形状规律，已属难得，且能研究它的生长过程，尤称珍贵。
