#2.1.2 从秘密的魔法到公开的新科技（11-17世纪中）

11世纪，人类对于光学的研究开始进入“现代”阶段，各种利用光学现象的秘密“把戏”逐渐被揭开神秘面纱，当光线被赋予几何的秩序，先驱学者们终于看到了自然法则的精密齿轮，这场静默的革命，让光的轨迹从神谕的隐喻化作可丈量的诗行，为后世铺就了一条用理性丈量宇宙的星途。

11世纪

• 11世纪初，被誉为“现代光学之父”的阿拉伯科学家伊本·海什木（Ibn al-Haytham，965-1040）
  • 指出光是由太阳等发光物体发出，物体因反射了光线，再进入眼睛从而被看到，即视觉入射理论；
  • 对球面镜和柱面镜的正投影规律展开研究，提出了经典的“海什木问题（球面镜正投影问题）”，引起众多学者在此基础上对各类弧面镜继续展开研究；
  • 对小孔成像和暗箱进行深入研究，认同更小的洞可提供更清晰的图像；
  • 还研究了透镜和大气折射产生的放大倍数，这些研究巩固了暗箱理论的基础；
  • 对视觉暂留现象的研究提及很难在旋转的衣服上辨别出不同的颜色，推断视力需要一些时间才能辨别一种颜色。
  • 海什木在软禁期间完成了其七卷本光学著作《光学全书》（Book of Optics，1011-1021），因处于欧洲“黑暗时期”而未能及时推广，直至13世纪，一位不知名学者把这本书翻译成拉丁文才开始在欧洲广泛流传。
  • 其光学理论和以实验验证猜想的科学精神，影响了随后几个世纪欧洲的科学研究。

• 11世纪后期，中国宋代科学家沈括（1031-1095）在其《梦溪笔谈》（1088）再次详细解释了凹面镜成像、小孔成像、凹面镜焦点，凸面镜和平面镜照影差异等光学现象，也提及造镜技艺的失传。
  • “阳燧照物皆倒，中间有碍故也。算家谓之格术。如人摇橹，臬为之碍故也。若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗隙所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东。又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂，与阳燧一也。阳燧面洼，以一指迫而照之则正；渐远则无所见；过此遂倒。其无所见处，正如窗隙、橹臬、腰鼓碍之，本末相格，遂成摇橹之势。故举手则影愈下，下手则影愈上，此其可见。阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内。离镜一、二寸，光聚为一点，大如麻菽，著物则火发，此则腰鼓最细处也。”
    • 这段文字形象地描述了小孔成像现象：当飞鸟或楼塔的光线被窗缝（小孔）遮挡时，形成的影子会与物体运动方向相反（如鸢东飞则影西移），且影像呈现倒立状态。沈括通过这一现象，结合凹面镜（阳燧）成像的原理，进一步指出“光沿直线传播”是倒影形成的根本原因。虽未建立现代数学模型，但已蕴含光路直线性的科学直觉，为后世光学研究奠定了基础。
  • “古人铸鉴，鉴大则平，鉴小则凸。凡鉴洼则照人而大，凸则照人面小。小鉴不能全视人面，故令微凸，收人面令小，则鉴虽小而能全纳人面，仍復量鉴之小大，增损高下，常令人面与鉴大小相若。此工之巧智，后人不能造。比得古鉴，皆刮磨令平，此师旷所以伤知音也。”

• 11世纪，一种被称为“读书石”的透镜在欧洲出现，据说最初是把玻璃球切开两半制成的。而在11-12世纪维京人坟墓中发现的一些晶石透镜，也和读书石相似。

12世纪

• 英国哲学家罗伯特·格罗斯泰斯特（Robert Grosseteste，1175-1253）：
  • 融合奥古斯丁神学与数学光学思想，提出光的本质理论；
  • 虽仍支持视觉出射理论，但也提出通过实验来验证推测；
  • 强调数学和几何在光学研究中的重要性，用镜子和镜头进行光学实验，寻找曲面透镜投影规律；
  • 提出当光学被很好地理解后，便能让放得很远的东西看起来很近，反之亦然，甚至可控制物体的视觉距离。

13世纪

• 英国哲学家罗杰·培根（Roger Bacon，约1214-1293/1294）谈论到利用暗箱和小孔成像来观察室外景色或日食，提出将几何学应用于光学、光直线传播、反射定律，使用透镜对物体进行放大，描述透镜成像原理，为望远镜发明奠定基础。
• 培根曾致力于在大学课程中增加光学课程，但因批判经院哲学、主张实验科学被逐出大学讲坛。

• 13世纪下半叶，玻璃镜片研磨和抛光工业开始发展，最初集中在威尼斯和佛罗伦萨，后来荷兰和德国也出现了镜片制造中心。

• 波兰裔物理学家维帖洛（Witelo，约1230-1278）汇编了一部光学著作《透视》（10卷，约1270年完成），系统阐述几何光学与生理光学（包括视觉心理学），提出光沿直线传播的早期观点，并探讨透镜成像原理。他仔细研究了折射，发现折射角与入射角不成正比，但没有意识到全内反射。

• 法国作家让·墨恩（Jean de Meung，约13世纪）在《玫瑰传奇》（Roman de la Rose）第二部中引入大量议论与百科知识（天文、地理、伦理），成为中世纪“社会百科全书，其中提及“魔镜表演”， 还描述了一种投影的镜子，所投影像可以在水里或空中，且“十分有活力”。
  • Lorris G. translated. (2016). De The Romance Of The Rose. https://archive.org/details/LorrisGuillaumeDeTheRomanceOfTheRose

• 约1290年，法国天文学家圣克劳德·威廉（William of Saint-Cloud）撰写了一份手稿，详细地向人们介绍如何制作暗箱来观察日食，这使暗箱的原理和小孔成像现象被更多人所认识。

• 13世纪末，相传西班牙裔医生、炼金术师阿纳多斯·诺瓦（Arnaldus de Villa Nova，约1240–1311）可能使用到带有图像翻转功能的暗箱，带来了一种特殊的“运动表演”，让演员在外边表演，观众在昏暗房间里观看暗箱投影在墙上的动态影像，甚至还考虑到配音。

• 13-14世纪，我国元代科学家赵友钦（约1271-1335）在《革象新书》中详细记载了一个严谨的、已具现代科学实验精神的小孔成像对比实验（“小罅光景”实验），成为最早的关于小孔成像的科学研究。
  • 实验包括改变孔的大小和形状，改变光源的强度，改变光源、小孔和“屏幕”之间的距离等，观察并记录这些变化对成像效果的不同影响。
• 《革象新书》被收入《永乐大典》并传世。

15世纪

• 约翰内斯·丰塔纳（约1395-1455，Johannes De Fontana）在其《战争器械之书》（Bellicorum Instrumentorum Liber，约1420）中也描绘到一种“魔法灯笼”。画面中一人手持灯笼，投影出一个小恶魔的形象，配文“夜间出现吓唬观众”，由于配图潦草，灯笼看起来只是简单地利用烛火做光源，投影原理可能类似于影灯或走马灯。
  • 在意大利文艺复兴早期的工程文献中，他常被归类为“幻想工程师”，其设计是否真实实现难以考究。

• 意大利画家、发明家达·芬奇（Leonardo da Vinci，1452-1519）的手稿涉及大量光学和机械内容，
  • 他探讨了一些关于眼睛是如何工作的观点，但似乎并未能明确地解释该问题；
  • 提及到视觉暂留现象，指出快速移动的人似乎会给自己的路径涂上色彩印记，闪电在乌云中移动时像一条发光的蛇，挥舞一个亮点会看到火焰余晖等；
  • 对暗箱进行了完整的描述，有270张关于暗箱的画稿，对不同的光圈形状和孔径进行成像测试。
  • 但这些内容在1797年被物理学家乔瓦尼·文丘里（Giovanni Battista Venturi，1746-1822）破译并发表之前鲜为人知。
  • Leonardo da Vinci. (2008). Notebooks. OUP Oxford, 133.
• 达·芬奇特殊的“镜像字”书写习惯以及部分画作，后来也被认为也可能和光学研究有关。

16世纪

• 平面玻璃板制作技术得以完善，实用的玻璃镜开始出现。玻璃镀锡技术开始用于镜子生产，均匀、高反光率的玻璃镀锡在威尼斯盛产，价格极度昂贵。后有法国工厂盗取了该技术，实现了镜子的大规模生产，虽不光彩，但确实推动了镜子的普及。欧洲几个兴盛的玻璃制造产业圈，为高质量光学镜的研发提供了基础。

1521

• 相传意大利画家、建筑家塞萨尔·切萨里亚诺（Cesare Cesariano，1483–1543）在其《建筑论》（Treatise On Architecture，1521）记录了关于暗箱投影的描述，记录了一位僧侣（Papnutio）的实验，对暗箱的形状和尺寸都给出了清晰的描述。
  • 已知最早公开发表的暗箱详细记录之一。
  • 他被认为是达芬奇的学生，但达芬奇的手稿直到1797年才被解读，两者关联性难考，《建筑论》基于维特鲁威的著作整理而成。
• Gernsheim H. (1914). The History of the Camera Obscura From the Earliest Use of the Camera Obscura in the Eleventh Century. https://precinemahistory.net/1400.htm

约1540

• 德国数学、天文学家伊拉斯谟·赖因霍尔德（Erasmus Reinhold，1511-1553）发表了如何使用暗箱观看日食或街景。
  • 哥白尼学说的早期支持者，但受限于时代宗教环境，未公开挑战托勒密体系。

1545

• 荷兰数学家杰玛·弗里修斯（Gemma Frisius，1508-1555）在其《射电天文学与几何学》（De Radio Astronomica et Geometrica，1545）中发表了使用暗箱观测日食的插图，成为第一幅公开发表的暗箱图像。

1550

• 意大利博学家吉罗拉莫·卡尔达诺（Girolamo Cardano，1501-1576）发表了已知最早的有“双凸透镜”的暗箱，并详细描述了透镜如何提高投影图像的清晰度和亮度。
  • Vaquero J.M., Vázquez M., (2009). The Sun Recorded Through History. Berlin: Springer Science & Business Media, 104.
  • Girolamo Cardano. (2015). https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/cardano.html

1558

• 意大利博学者波尔塔（Giambattista della Porta，1535-1615）《自然魔法》（Magia Naturalis，1558）
  • 系统总结了暗箱原理，为后来摄影技术的发明奠定基础，
  • 详细描述了多种凹透镜和凸透镜的功能和原理，平面镜和透镜的组合使用（翻转图像），以数学方式解释它们的折射特性，还包含多种投影方法的具体操作说明。
  • 此书后被多次翻译出版，在欧洲地区广为流传，帮助人们更加了解透镜和镜子的作用，很大程度上推动了暗箱的进一步发展。
  • Porta. G. (1558). Natural Magick (1658 English Translation). http://web.archive.org/web/20180416080731/http://www.mindserpent.com/American_History/books/Porta/jportat2.html

约1560年代

• 意大利金匠、雕塑家和画家，被誉为“风格主义艺术的代表人物”的本韦努托·切利尼（Benvenuto Cellini，1500-1571）在其自传中声称曾在罗马竞技场举办过一次召唤怪物的表演，但没有解析所用技术。但根据他的生平经历和所处环境，这有可能是一场利用到暗箱投影技术的表演。

1573

• 意大利科学家、工程师、数学家埃格纳蒂奥·丹蒂（Egnatio Danti，1536-1586）在其对欧几里得光学论文的译著中提及使用凹面镜来翻转倒立的投影。
  • Danti E. (1573). La Prospettiva di Evclide. Fiorenza: Nella Stamperia de’ Giunti, 82-83.

1585

• 意大利数学家、工程师詹巴蒂斯塔·贝内戴蒂（Giambattista Benedetti，约1530-约1590）再次提及使用平面镜和透镜来校正图像。
  • Gorman, M. J. (2003). Art, optics and history: New light on the Hockney thesis. Leonardo. 36(4), 295–301.

17世纪

• 17世纪初，德国天文学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler，1571-1630）发表了多篇关于镜反射和针孔相机原理等研究报告，是术语“暗箱”的创造者。
  • Wenczel N. (2007). The Optical Camera Obscura II. https://www.mpiwg-berlin.mpg.de/Preprints/P333.PDF
• 他把眼睛比作相机暗箱，对晶状体和视网膜的作用提供了较为令人信服的解释，进行了利用透镜增强投影图像的实验，还提到放大投影、双凸透镜使用和反转图像的优势。
  • Dupré, S. (2008). Inside the “Camera Obscura”: Kepler’s Experiment and Theory of Optical Imagery. Early Science and Medicine, 13(3), 219-244
  •  Ilardi, V. (2007). Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes. American Philosophical Society, 220.
• 而他更为人所知的成就是发明了开普勒望远镜（凹透镜物镜+凸透镜目镜），发现超新星。

• 荷兰工程师、发明家科内利斯·德雷尔（Cornelis Drebbel）被认为在17世纪初发明了自动精密透镜研磨机。

1621

• 荷兰天文、物理学家威理博·斯涅尔（Willebrord Snellius，1580-1626）
  • 通过实验发现了光线从一种透明介质到另一种透明介质时，入射角和折射角之间折射数学定律，即n₁·sinθ₁ = n₂·sinθ₂，称为“斯涅尔定律”。
  • 有趣的是，斯涅尔也没有直接发表该成果，直到1703年才由克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens，1629-1695）正式发表并命名。
  • 而惠更斯很快便会成为幻灯时代的揭幕者了。

1637

• 法国数学家勒内·笛卡儿（René Descartes，1596-1650）
  • 在斯涅尔坐标几何学的基础上，用正弦函数对该定律进行推证，还独立地发现了“反射定律”。
  • 把眼睛比作相机暗箱，把视网膜描述为摄像机的屏幕。
  • “我思故我在”（Cogito, ergo sum）的提出者，开创近代哲学认识论转向，影响深远。

• 约1630-1640年代，意大利数学家博纳文图拉·卡瓦列里（Bonaventura Cavalieri，1598-1647）
  • 推进了关于透镜表面曲率、半径与焦距的计算。

17世纪中叶，人类对科学技术的探究与积累终于带来“幻灯”，这不仅催生了“幻灯动画”，也是“摄影”和“电影”的重要基础。