古希腊物理学的发展

1、古希腊物理学的发展在古典时代，希腊先哲们已开始思考了自然界的形成问题，并诞生了一大批的自然哲学 家。公元前5世纪，希腊人联合起来将波斯人赶出了希腊半岛，赢得了希波战争的胜利。在 随后的几十年间，雅典由一个普通的海港城市一跃而变为希腊的政治、经济和文化中心。这 座耸立在山巅之上的城市，既是航运和贸易的要冲，也是艺术家和思想家聚会的场所。经济 的发展、生活的富足，吸引了一批批富有才干的人前来一展鸿图，人才聚积、思想砥砺，又 加速了文化的繁荣。希腊人在音乐、建筑、绘画等艺术也都进入了鼎盛时期。经济和文化的 繁花结出了丰硕的哲学果实，在学派林立、百家争鸣的思想舞台上，众多的哲学大师相继在 雅典登台亮相

2、，他们一手创下了希腊哲学空前绝后的黄金时代，将理论的重心从自然本体论 逆转为理论形而上学，并综合了各种已经铺开而未能深入拓展的论旨，使古代西方哲学达到 了登峰造极的顶点。到亚历山大时期，人们才对经验知识的研究与积累重视起来，随着亚历 山大帝国的分裂，雅典的学术中心地位也被分裂。而亚历山大里亚城作为新兴的首府和西方 世界的科学中心。一、亚里士多德亚里士多德是来自被雅典人称为外帮人的北方，亚里士多德十七岁时到雅典接受高等教 育，成为柏拉图（Plato,前427前347）的学生，柏拉图从叙拉古回来后，年青的亚里士 多德进了柏拉图学园，他在那时勤奋学习，终于成为柏拉图学生中最有声望的一名，柏拉图 称他

3、为“学园的智慧”。他在这个学园整整呆了 20年，一直到柏拉图去世。他的著作在生前 没有出版，手稿和抄本只在少数私人朋友中流传。亚里士多德死后不久，他的手稿遗失了。 200年后，在故乡友人的地窖中又重新被发现，此事传为文化传播中的一件奇迹。亚里士多 德年轻时没有名气，主要是他20年中潜心在柏拉图门下治学，即没有急于发表自己著作， 也没有分离出去建立自己的学派。他的学识是为政治所迫离开柏拉图学园到国外流浪时才为 外界知晓。公元前335年亚里士多德回到雅典，并在那里创立了自己的讲习所一一吕克昂学 园，亚里士多德在这里给他的弟子授课，讲课的方式就是漫步于讲学堂和庭园，因而他的学 园也被称为“逍遥学园”

4、或“漫步学园。他还集存于一批手搞，这就是早期“大学园书馆” 的范例，正是这图书馆成为后来巨大的亚历山大图书馆的中心。亚里士多德把重点放在自然哲学上，他完成了包括逻辑学、形而上学、物理学、动物学、 伦理学、政治学、美学、文学、气象学多种论著。亚里士多德的演讲收集起来近一百五十卷， 可以说是代表了当时知识的百科全书，其中许多代表了亚里士多德本人的独创思想和见解。亚里士多德在物理学上的成就远不如在生物学的大，他写成了物理学一书，这里的 “物理学”其原意是“自然论”或“自然哲学”的意思。对于“运动原因”的探讨，主要是 作为他的哲学原理的一种推论。亚里士多德将自然界的运动分为自然运动和强迫运动。自然 运

5、动是由于物体在“内在目的”的支配下寻找其“天然位置”，重物垂直下落和轻物竖直上 升的运动就是自然运动。按照他的想法，每一物体都有其活动的自然领域或特定空间。例如， 含“土”的元素天然位置在地心，它是绝对的重；“火”元素的天然位置在天空；“气”和“水” 的轻重都是相对的。所以，重物下坠，烟气升腾，都是一种自然运动。物体越重，下落得就 越快；物体越轻，下降越慢，物体下落的快慢与它的重量成正比。在外界推动者的作用下进行的运动称为强迫运动；如果不推，物体就会停下来，处在静 止的状态。亚里士多德断言，物体运动速度与施加的外力成正比，与在介质中受到的阻力成 反比。那为什么射出的箭和抛出的石块在弓和推动者的

6、作用早已结束后还会继续运动呢？亚 里士多德的解释是：物体刚离开推动者时，由于它向前冲而排开部分介质，就在它的后面造 成了一个虚空，自然界是不允许虚空存在的，所以周围的介质就立即填补这个虚空，这些介 质对物体又形成了一个向前的推力，物体也因此而得以继续前进。那么它们的运动是怎样终 止的呢？这或者是由于力逐渐减弱以至降为零，或者由于反作用，或者由于重力超过了这个 力。这样，亚里士多德就把运动的根源放在事物之外，并把外力的作用与物体运动的速度直 接联系起来了。亚里士多德认为，一物体越重，就越急于找到其归宿，因为重就是急切返回 的体现。所以一较重物体下落的速度比另一较轻的为快。另一方面，天体运动则并不

7、企图寻 找任何归宿，只是一种稳定、永恒、均匀的园周运动。很明显，尽管亚里士多德是个严密的 观察家，但并不是一个实验者。虽然他注意到岩石下落速度比羽毛快，但他并不想作一不同 重量岩石下落的观测。此外，他和所有其它古代学者一样，都未能对精确的测量做出恰当的 评价。这不只是因为他们在这方面执拗，还因为古代使用仪器确定处于雏形状态，几乎没有 进行精确测量的明确方法。亚里士多德最为出色的是在生物学方面。他是细心谨慎的观察家。他观察到海豚通过叫 胎盘的特殊组织供给胎儿营养以使其生长。其它鱼类都不这样，而哺乳动物皆如此，所以亚 里士多德将海豚归入兽类，而未归入海洋鱼类。生物学家花了两千年才在这方面赶上亚里士

8、 多德。在天文学上，亚里士多德接受了毕达哥拉斯学派关于地球是园形的见解，毕达哥拉斯 学派提出了至今仍然有效的推理方法；即当你走到北方时，就会看见新的星星出现在北方地 平线上，原来有些星星则消失在南方。如果大地是平的，那么在地球表面的任一点都能同样 看到所有的星星。正因为亚里士多德支持这种观点，这种观点才能在随后最黑暗的日子里流 传下来。亚里士多德的哲学体系，在古代的影响从未像柏拉图的那么大。亚里士多德的著作在他 去世后几个世纪内都未能出版。中世纪时，亚里士多德的著作留传在阿拉伯人中间，他们对 这些著作给予极高的评价。十二、十三世纪基督教欧洲从阿拉伯人手中重新将亚里士多德的 著作译成拉丁文。从此

9、，亚里士多德在哲学方面取代了柏拉图，他的论点几乎逐步被认为具 有神圣的权威性；即亚里士多德的最不正确的论说，似乎都容易被人们接受，这就成了灾难。 这不能责备亚里士多德，他本人并不是盲目服从权威的信徒；柏拉图逝世时，亚里士多德给 他的导师写的挽联是：“我爱吾师，我更爱真理。”然而这种过分的奉承在经过多年以后，他 就变成了谬误的象征，十六、十七世纪发生科学革命时，最初取得胜利就是推翻了亚里士多 德派的物理学。因此，几百年来，亚里士多德几乎总被看作是科学之敌，而实际上，他确实 是一位不朽的伟大科学家，甚至连他的谬误也是出于理性的。亚里士多德是对整个欧洲文明 影响最大的古希腊思想家之一;他的思想与概念

10、已经融化到欧洲人的日常生活和科学研究活 动中。二、阿基米德阿基米德（Archimedes，前287前212）是古代伟大的科学家和数学家，直到两千年 后出现的牛顿才能与他相提并论。阿基米德在亚历山大学习，他的老师康农（Conon，前 300？）曾在那里当过欧几里得（Euclid，前325前270）的学生。阿基米德在数学方面 的成就与欧几里得、阿波罗尼（Apollonius，前262前190）并称古希腊三大数学家。阿基 米德从亚历山大学成后被他的亲属叙拉古国王希罗二世召回从事研究工作。阿基米德在力学上的主要成果是浮力定律和杠杆平衡原理的发现，阿基米德在论浮 体中提出了两条假设。假设一：“假定一种液

11、体有这样的特性：它的各部分都是均匀和连 续的，推力较小的那部分液体被推力较大的那部分液体推开；如果流体沉入了任何物体，并 受到任何别的物体压缩，则物体各个部分受到液体垂直方向向上的推力。”假设二：“假定物 体在液体中受到向上的托力，这些力是沿着通过物体的重心的垂线（对液面）而向上的。” 在此基础上，阿基米德又提出了9个命题。阿基米德定律的具体表述是：“如果把一个轻于 液体的物体置于该液体内，则该物体应下沉到这样的程度，即被排开液体的重量正好等于该 物体的重量”（命题5）； “如果强行把一个轻于液体的物体浸于液体中，那么该物体将受到 一个向上的托力，该托力等于液体重量与被该物体所排开液体的重量之

12、差”（命题6）。浮力定律的发现与一个美妙的传说紧密联系在一起。传说希罗国王曾请阿基米德去测定 金匠刚制好的王冠，看看金匠是否在王冠里渗入银子，并告诫阿基米德不得毁坏王冠；起初 阿基米德茫然不知所措。直至有一天当他泡在一满盆水里洗澡时，他注意到水溢流出来。忽 然一个闪念使他联想到，溢出水量的体积等于他身体浸入水中的那部分体积。那么，如果他 把王冠浸入水中，根据水面上升的情况，他就能说出王冠的体积。他将王冠的体积与等重量 金子的体积进行比较，如果两者体积相等，就证明王冠是纯金的；假如王冠内掺有银子的话， 王冠的体积就会大些。当阿基米德发现这一浮力原理时，他的兴奋激动是难以形容的，他猛 然从浴盆中跃

13、出，赤条条地奔到叙拉古的街上，径直向皇宫边跑边喊道：“Eureka！ Eureka！” （我找到了 ！）从此以后，这句话就成为宣布某项发现时的合适用语了。阿基米德还发现了杠杆原理。由此他建立了 “静力学”，并提出了重心这个概念。在论 平面的平衡中，阿基米德用演绎的方法探讨了物体的平衡，提出了 7条假设。在这些假设 中，他归纳了一些平衡或不平衡的情况或条件，以及一些平面图形中的重心位置或关系。从 7条假设出发，阿基米德论证表述了 15个命题，其中第6命题和第7命题表述了杠杆平衡 原理，即“平衡时，距离与重量成反比”。阿基米德研究出了这原理的完整的数学关系。他 指出在支点远端的一小物体，会与在支点

14、近端的一大物体平衡，而且指出该物体的重量和离 支点的距离成反比。阿基米德就这样把重量和距离的定量测定概念用于科学观察上。关于这 问题，阿基米德另有一句名言：“只要给我立足之地，我就能移动地球。”传说希罗曾对他这 句话发出疑问，问他是否敢于搬动某件大得惊人的东西，即使它没有整个地球那么大。于是 阿基米德用钩子钩住一组做成滑轮形式的杠杆，他自己却很舒服地坐着，毫不费劲地（据传 说）用一只手就把一艘满载的船从港口一直拉到岸上。阿基米德专心致志研究的都是实用性 非常强的内容。据说他发明了一种中空全螺旋形的圆柱体，当它旋转时能当一水泵使用。现 在它仍被称为“阿基米德螺旋”。在数学领域中，他计算出了兀值（

15、指圆周周长与其直径之比）.超过古典数学领域中曾 得出的结果。他指出该值介于223/71到220/70之间。为了求出这个值，他使用了计算圆内 接和外切多边形的周长和直径的方法。多边形的边越多，在形状和面积上就越接近圆，内接 多边形的周长就越长，外切多边形的周长就越短，此时圆周的周长就越接近这两者。这和许 久以后微积分中使用的某些方法很相像。阿基米德并没有在平静中度过他的晚年。作为一名勇士，他赢得了最大的声誉。在阿基 米德晚年时，罗马人在马塞拉斯将军领导下攻打叙拉古，从此开始了一场罗马舰队对阿基米 德一人的三年奇怪战争。传说阿基米德制造了大型透镜使舰队着火，用起重器把船只吊起； 使船底朝天等等。传

16、说最后罗马人都不敢靠近城墙。然而这次围城的时间很长，直到公元前 212年以叙拉古被击败而告终。当该城被劫掠时，阿基米德对现实采取了学者的超然漠视态 度，专心致力于数学问题的研究，俯身于他在沙滩上画出的几何图形。一个罗马士兵命令阿 基米德离开，他傲慢地做手势说:“别把我的圆弄坏了 ！”这个罗马士兵立刻杀死了阿基米德。 多年以后，著名演说家西塞罗（Cicero，前106前43）悲痛地说道：“没有一个罗马人因 聚精会神研究数学而遭到残杀的!”三、古希腊的天文学成就在古希腊时代，天文学也得到了迅速的发展，出现了一大批像埃拉托色尼、希帕克斯、 托勒密等杰出的天文学家，从而使希腊历史上取得了有目共睹的天文

17、学成就。埃拉托色尼（Eratosthenes，前276前196），是阿基米德的朋友，是个像亚里士多德 那样具有广泛兴趣的人。他不仅是天文学家、地理学家，还是历史学家。他是历史上第一个 注意事件发生的确切日期的人；他曾出色地管理亚历山大图书馆。在数学方面，埃拉托色尼研究出一个确定素数的系统，今天仍称之为“埃拉托色尼筛”。 他建议采取每四年闰一天的办法，以使埃及阳历与四季一致。在地理学方面，他绘制了已知 世界的地图，从不列颠群岛到锡兰，从里海到埃塞俄比亚，胜过在他以前所绘制的任何地图。 在天文学方面，他研究出地轴与太阳在空中所显示的运动平面之角度，并求出几乎很确切的 数值。这就测定了 “黄赤交角”

18、。他还制作了有675颗星的星象图。埃拉托色尼一生著称于世的惊人成就，是在公元前240年测定出地球的大小，这项成就 直到近代才得到充分的评价。为了进行这项工作，他作了实际的纪录：在夏至之日，当太阳 在埃及南部塞依尼（今阿斯旺）处于天顶的同时，在亚历山大太阳偏离天顶七度。这差异只 能是由于塞依尼和亚历山大之间地球表面的弯曲而造成。当知道这两地南北之间的确切距 离，并假设地球是一表面各处的曲率相等的球体，就可能计算出地球的直径。埃拉托色尼做 完了这项计算，算出的地球周长似乎略多于25000英里，这结果接近准确。既然地球周长如 此之大，而已知陆地面积却比较小，他猜想大大小小的海可能会互相连成一片大洋。

19、这一猜 想直到一千八百年后麦哲伦（F. Magellan，1480-1521）的环球航行才得到证实。希帕克斯（Eipparchus，前190前120）是希腊最伟大的天文学家，他在爱琴海的罗得 岛上建立了他的观象台，并发明了许多用肉眼观察天象的仪器，这些仪器后来沿用了一千七 百年。希帕克斯继承了阿利斯塔克测量太阳和月亮大小和距离的研究。他不仅使用了阿利斯 塔克的月蚀方法，还测定了月亮视差。当我们移动自己的位置时，就会发现与远处物相比的 一近物体位置的明显变化，这就是我们都体会到的视差。公元前134年，希帕克斯在天蝎座里观察到一颗星，他未能在以前的观察纪录中找到这 星体；这是一件非常重要的事件。我

20、们知道平常用肉眼看模糊不清的星体偶尔却会突然变亮 而能看见，但在古希腊时代人们坚信天体是永恒不变的。希帕克斯决定绘制一份标有记录一 千多颗亮星的连续位置的精确星图，这是第一幅准确的星图。为了绘制这幅星图，希帕克斯 根据每个星体的纬度（与赤道南北相隔的角距）和经度（与任意一点东西相隔的角距），标 出它的位置。从希帕克斯开始，经纬度就变成地图上井井有条的坐标格，一直沿用到今天。 希帕克斯的星图导致了另一重要发现，因为他把自己的观察纪录与他从前人报道中所能找到 的观察记载进行了比较，他发现从西向东存在一均匀的移动。他只能这样解释：他假设天球 的北极在空中作缓慢的圆周运动，完成一周需时26700年，这个现象称为“岁差”。一直到 哥白尼（Copernicus Nicolas，14731543）时代，才证明这运动的原因是地球在地轴上的一 种缓慢摆动。希帕克斯把最外层布满星星的天穹以内的天球数字减到七个，每一行星有一个天球。 但是单个行星实际上不是这个天球的一部分。它是一个较小天球的一部分，而处于