古代物理学

第十五章　古代物理学

现在我们要来讲西方的物理学史了。

首先讲西方古代物理学，主要讲一些伟大的哲学家或者数学家的思想，他们的许多思想与物理学有特别密切关系，例如德谟克里特、亚里士多德和阿基米德的思想，他们是哲学家或者数学家，但同时也是西方古代最伟大的物理学之一，其中尤其以阿基米德的思想为重。

接着讲伽利略，将他作为中世纪与文艺复兴时期物理学思想的代表。

再下章讲牛顿的生平及其创立的新体系，这属于近代物理学的范畴了。

最后讲现代物理学，主要是爱因斯坦的生平及其思想，包括我们久仰大名、如雷贯耳的相对论。

可以看出来，讲物理学史的四章分别是以四个人物为核心的，即阿基米德、伽利略、牛顿、爱因斯坦。内容比较简单，不过它已经包含了千年以来西方物理学发展的精粹，四个大师分别是西方物理学的四个时代：古代、中世纪及文艺复兴、近代、现代。在我们这篇小小的物理学简史里，已经足够了。

—追求万物的本原—

我们先来看看古代物理学的发展情况。

西方物理学最早的源头与古代天文学、哲学相似，都是古希腊哲人们提出的对世界及其万事万物的来源、起因等的种种臆想，例如天地从何而来、又是谁创造了万物，万物又如何从混沌之中有了秩序，什么是宇宙的中心、大地是什么形状等，这些想象与猜测都算得上是萌芽时期的科学思想，特别是萌芽时期的物理学思想。

关于万物之起源，泰勒斯说万物的本原是水，赫拉克利特则认为是火，亚里士多德更进一步，将构成宇宙的元素说成四种——水、火、土、气。他还说天上的星星由“第五元素”，它的另一个名字是“以太”。这个概念将对以后的物理学产生相当大的影响。

德谟克里特的原子论也许是对物理学直接产生影响最大的哲学观念。他认为万物是由原子构成的，原子是一些有着各种各样形状的小粒粒，方的圆的扁的长的都有；它们是不可分的，内部没有一点空隙，无论用多锋利的刀也休想砍开；原子的数目比撒哈拉沙漠中的沙子还要多，数不胜数；与数目一样，原子的种类也无限地多；体积则有的大，有的小，等等。这些我们在本丛书的哲学卷中都讲过了，大家可以去参考参考。我们不难看出原子论是与物理学直接相关的思想，这种思想对于以后千年之间西方人对物质的认识都有很大影响。

—驳不倒的荒谬—

另一个古代哲学家是活动于公元前5世纪的埃利亚的芝诺，他对早期的物理学思想也作出了贡献，他的贡献之特点在于狠狠地刁难了物理学家们一下。他提出了许多“佯谬”，也就是一些一眼看上去是错的甚至明显荒谬的，但仔细一想却也不是完全没有道理，但终究又是没道理的怪问题。我们这里且提两个，第一个是阿基里斯永远追不上乌龟。

芝诺的话听起来很有道理，要驳倒他还真不容易呢，不信您可以试试，不过要注意，可不能光做实验，对于这种佯谬，“实践是检验真理的唯一标准”是不适用的。

第二个是飞矢不动。

芝诺这些佯谬无论在哲学史还是科学史上都难倒了许多智慧的脑袋，要驳倒芝诺的佯谬远不是那么容易的事。

据有的科学家们说可以借助数学去推翻之，例如对第二个佯谬就可以用集合论与复变函数去推翻，那就更麻烦了。

看得出来，芝诺那些佯谬讨论的都是时间、空间、运动、无限、有限等问题，这些问题既属于哲学，又属于物理学，至今都是如此。

—错误百出的创造者—

比以上哲学家对物理学贡献更大的是亚里士多德。

在本丛书的哲学卷中，我们已经比较详细地讲述了亚里士多德的人生及思想，包括他的哲学与科学思想，大家如果对之感兴趣，可以去参考一下，这里我们只讲他的物理学思想。

我们知道，亚里士多德是古代西方哲学家之首，是他们中之最博学者，他的著作几乎囊括了当时所有的知识范畴。还有，虽然主要身份是哲学家，但在亚里士多德的思想之宫殿中，内容最为丰富的并不是形而上学的玄思，而是对实在的自然界的观察与沉思。亚里士多德把他的目光投向了整个自然界，把自然界的万千个体当作自己的研究对象，试图从中寻求知识与真理。而在他的吕克昂里，教学的主要内容不是柏拉图、阿卡德米的数学与政治，而是倾向于生物学、天文学、物理学等有关自然事物的学科。

在这些关乎自然的学科之中，物理学无疑是主体之一。在亚里士多德看来，物理学，即physics，乃是研究自然万物之理的学问，它与研究非自然的抽象之理的形而上学，meta‐physics，相对，是一种“形而下学”。更具体地说，它研究的是自然万物的运动、发展、变化等，与自然万物与之息息相关的时间与空间也是亚里士多德十分关注的研究对象。

亚里士多德认为这些对象有一个共同特点：都多少与运动相关。

对亚里士多德而言，运动似乎是自然万物最重要的性质，一切事物都会有运动。同时运动也是具体事物的运动，它与时间和空间，尤其是时间，有着极为密切的联系。就如他在《形而上学》中所言：“离开事物而独特存在的运动是没有的。”在《物理学》中又说：“如果没有运动的存在，又怎能有时间？”因此，“时间是运动的数目，或者本身就是一种运动”。

亚里士多德提到的第二个定律是著名的落体定律。这个定律您八成听说过，我记得初中的英语课本里就有这个故事，写的是伽利略为了证明亚里士多德的错误，在比萨斜塔将两个大小不同的铁球从塔顶丢下的事，以证明亚里士多德错了。那么，亚里士多德到底是怎么说的呢，我们且来看看吧！

亚里士多德在其《物理学》第四卷中有这样一段话：

“我看见一个已知重物或物体比另一个快有两个原因：或者由于穿过的介质不同（如在水中、土中或气中），或者，其他情况相同，只是由于各种运动物体的重量或轻量不同。”

从这段话中，可以看出来亚里士多德认为当其他情况相同，只有物体的重量不同时，重的物体将比轻的物体快。

后来，亚里士多德又将这个观念变成一个比例定律，他在《天论》第一卷中说：

“物体下落的时间与重量成正比，例如一物重量是另一物的两倍，则在同一下落运动中，只用一半时间。”

这个比例定律在我们今天看来是没什么意思的。这些，加上我们前面讲古代天文学时曾经说过的他的那些荒唐的天文学思想。如他把整个宇宙分成好多层，各层的天体都是完美的球形，越往上天体就越神圣，创造世界的神自然处于最高一层的天体。认为地球是宇宙的中心，太阳、月亮等其他所有天体都在绕地球转圈子。又称以月亮为界，月亮以上的所有东西都是无死亦无生的，月亮下面的东西则有生有死等，不能不看出来，虽然亚里士多德享有大名，对西方人思想影响之大少有人能比，然而他的思想的谬误之处也同样很多呢！

—古代世界最伟大的物理学家—

亚里士多德之后，又一个对西方物理学的发展作出过重大贡献的人是阿基米德。

我们前面在讲西方古代数学时曾比较仔细地讲过阿基米德的生平与数学成就，我们说过，他是整个西方历史上最伟大的三个数学家之一，能够与之比肩的只有牛顿与高斯。

阿基米德在物理学上同样贡献卓著，他的贡献主要在于力学。

在古希腊，力学叫Mechanice，原意是“巧计”或者“机智”，即如何用巧计与机智来省力的意思。亚里士多德也关注力学，他曾写过一本书，叫《力学问题》，在其中提出过一个问题：如何用一个很小的力来移动一个很重的物体？

对这个问题阿基米德作出了很好的回答，那就是杠杆定律及其数学证明。

杠杆的存在是很古老的，很早以前人们就知道用杠杆能够省力，亚里士多德在《力学问题》中也对之作过论述，他说：

“被动物体与主动重物（重量）之比，等于臂长的反比，因为凡一物体离杠杆支点越远，它就越易移动。”这些论述都只是一些经验的认识，是一个人通过经验的观察就能得出的结论，但阿基米德不同，他第一个用数学的方法运用几何学证明了杠杆定律。

阿基米德先提出了7条公理，例如等重重物在等臂处平衡，不同臂时长臂占上风，等重重物后一方附加重物者占上风等。然后证明了杠杆定律：

“可通约的两个重量，若反比于它们到支点的距离，将彼此平衡。”

这里可通约的意思就是，若两个重量分别是2与4，显然这两个数学是可以通约的，即变成1与2，这时，若它们到支点的距离分别是2与1，那么它们在杠杆上将彼此保持平衡。

我们还记得阿基米德关于杠杆有过一句著名的豪言壮语：“给我一个支点，我就可以撬动整个地球！”

我们要说的阿基米德第二个对物理学的贡献是浮体定律。

在前面讲西方古代数学一章中说到阿基米德的生平时，讲过阿基米德如何发现浮体定律的那个著名的传说。同等体积下，金子比银子重；同等重量下，金子的体积则比银子的体积小。如果金冠里头掺杂着银子的话，那么它的体积肯定比同等重量的纯金大。这时，如果将金冠放到水里，它排出的水的体积肯定比一堆同等重量的纯金放到水里排出的水的体积大。反之，如果没有掺杂银子，两者排出去的水的体积就会一样大。难题就这样迎刃而解了。

阿基米德的这个发现用科学的术语来说就是浮体定律。

但阿基米德的思想可不止于证明金冠里头是否掺了银子，而是更进一步地用科学的方法证明了浮体定律。他专门写过一本书，叫《论浮体》，在其中证明了好几条命题，例如有一条是：

“位于同一水平的相邻粒子互相挤压，受压较少的粒子被受压较多的粒子挤压，个别粒子受液体的垂直挤压。”

另一条是：“任何静止液体的表面都是以地球为心的球面。”

第三条是：“若物与水的比重相等，则物体浸入水中后，不会高于液面。”

第四条：“若物体比重比水的比重小，则物体只能部分浸入水中。”

第五条：“用力将比液体轻的物体按入该液体后将受到一个向上的力，其大小等于与该物体同体积的液体超过物体的重量。”

这些命题中第一条是讲水的特性的，我们可以用想象力去了解它，第二条也是容易了解的，因为盛在一个碗里的水其实与大洋里的水也差不多的，受到的都是地心引力，因此都是球面，只是由于大洋大，我们看得出来是球面，碗则太小，看不出来是球面而已。但要知道，大洋之水其实就是无数碗这样的水组成的啊！至于后面两个命题，应该是很容易了解的。而最后一条，它实际上涉及了比重的问题，与证明金冠是否含有银有直接关系。

以上就是古代物理学的内容了。

此后，西方历史的发展到了中世纪，物理学也是如此。

不过，与中世纪的哲学、艺术甚至科学中的数学都不一样，中世纪的物理学简直没什么值得一提，特别是在我们这本小小的书中讲物理学的小小的部分里，就更没有它的地位了，我们将直接进入文艺复兴时代。这就是我们下一章要讲的内容了。