1.2 西方古代物理學發展（中世紀以前）

西方古代物理學大體分為四個發展時期：早期希臘時期、雅典時期、亞歷山大時期和羅馬時期。其中早期希臘時期是古希臘科學的誕生時期；雅典時期是古希臘科學的發展時期，科學中心由艾爾尼亞轉移到了雅典；亞歷山大時期，科學中心又轉移到了亞歷山大，當時的學者們在力學、光學等方面為后來的科學發展做出了巨大貢獻；羅馬時期的物理幾乎沒有新的建樹。

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1.2.1　古希臘的自然哲學觀

古希臘自然哲學，宏觀地來說就是人們對大自然萬物的一種理解方式。這一點在人類歷史上相對來說是比較特殊的，因為自然哲學是科學的源頭。希臘神話作為一種最原始的自然觀與中國神話的自然觀一樣，是把自然現象附著于不同的神身上。后來，在古希臘時期，人們把不同意見的爭論當成認識真理的有效途徑，也就逐漸形成了元素說和原子論的物質本原思想。

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人物小史與趣事

泰勒斯（Thales，約公元前624—約公元前547），古希臘時期的思想家、科學家、哲學家，西方首個哲學家，米利都學派始祖。

▲“水是萬物的本原”

最先將物質世界從神話傳統中解脫出來的是愛爾尼亞學派的創始人米利都的泰勒斯，他第一次提出了“世界的本原是什么”這一哲學命題。他還給出了自己的答案：水是萬物的本原。他認為水是萬物的本原，萬物起源于水又復歸于水。這種單一元素說拋棄了造物主的創世說，為后人對物質本原的認識開辟了探索之路。

▲ 只顧天空不看腳下的天文學家

泰勒斯有一天晚上走在曠野之間，抬頭看著星空，滿天星斗，可是他預言第二天會下雨。正在他預言會下雨的時候，腳踏進了一個坑里，他就掉進那個坑里摔了個半死。別人將他救起來，他說：“謝謝你把我救起來。你知道嗎，明天會下雨啊？”于是又有個關于哲學家的笑話，哲學家是只知道天上的事情不知道腳下發生什么事情的人。在兩千年以后，德國哲學家黑格爾說：“一個民族只有有那些關注天空的人，這個民族才有希望。如果一個民族只是在關心眼下腳下的事情，那么這個民族是沒有未來的。”而泰勒斯就是標志著古希臘智慧的第一個人。后來英國的奧斯卡·王爾德曾經說過：“我們都生活在陰溝里，但仍有一些人還在仰望星空。”

▲ 騾子的故事

泰勒斯是一個商人，商旅生活使他了解到各地的人情風俗，也開闊了眼界。他用騾子運過鹽，某次，一頭騾子在溪中滑倒，鹽被溶解掉了一部分，負擔減輕了不少，于是這頭騾子每過溪水就打一個滾。泰勒斯為了改變這頭牲畜的惡習，便讓它改馱海綿，吸水后重量倍增，后來這頭騾子再也不敢偷 懶了。

畢達哥拉斯（Pythagoras，公元前570—公元前500），希臘人，思想家、哲學家、數學家、科學家。主要成就：影響西方乃至世界的人物；第一個注重“數”的人；畢達哥拉斯定理；證明了正多面體的個數；建設了許多較有影響的社團。

▲“數”是萬物的本原

畢達哥拉斯為躲避希波戰爭而遷居到意大利南部，在那里創建了畢達哥拉斯學派。畢達哥拉斯把“數”和幾何學、弦的長度與振動狀態等聯系起來，認為“數”是萬物的本原。畢達哥拉斯學派認為：因為有了數，才有了幾何學上的點；有了點，才有了線、面和立體；有了立體才能產生水、火、土、氣等元素；世界萬物都是由這幾種元素構成的；而自然界的一切現象和規律都是由“數”的不同所決定的。

亞里士多德（Aristotle，公元前384—公元前322），古希臘斯吉塔拉人，哲學家、科學家、教育家、思想家，著有《工具論》《物理學》《形而上學》《倫理學》《政治學》等。

▲ 地上的物體由火、氣、水、土四元素構成

亞里士多德繼承并發展了恩培多克勒、柏拉圖的四元素說。他認為地上的物體是由火、氣、水、土四元素組成的，而天體則是由第五種元素——以太構成的。他說：“……地在水中，水在氣中，氣在以太中，以太在天中，但天就不再在其他東西中了。”在火、氣、水、土四元素的形成過程中，冷、熱、干、濕四種特性起到了決定性作用，這四種特性的兩兩結合才構成了火、氣、水、土四種元素。如火是由熱與干的組合，熱與濕組合則為氣，濕與冷組合則為水，冷與干組合則為土等。

▲ 亞里士多德的運動觀與時空觀

亞里士多德提出了一系列理論自然科學的根本問題，包括物質、空間、時間、運動及其相互關系等。他認為，“沒有什么在事物之外的運動”“離開事物而獨立存在的運動是沒有的”。他將物體的位置（空間）定義為某物體“周圍的物體靜力邊界的最深處”，即用周圍物體去定義空間位置，也即位置變化必須以存在兩個物體為前提。他認為“如果沒有運動的存在，又怎能有時間？”因此“時間是運動的數目，或者本身是一種運動”。

亞里士多德則把“存在”分為十大范疇，以“本體”為中心，其余為本體的數量、質量、關系、地點、時間、狀態、所有、作用、傾向等。他將運動理解為廣義的變化，并分為四類：①本體的運動——如生與死；②性質的運動——如白與黑；③數量的運動——增與減；④位置的運動——向下和向上或重和輕。

亞里士多德主張空間、時間與物質的連續性，即無限可分性，反對原子論。亞里士多德的哲學體系是在唯物主義和唯心主義之間動搖的。例如，一方面，他認為世界和物質是真實存在的，必須通過觀察對事物進行分門別類的研究；而另一方面，他認為既然時間是計算運動的數目，就需要有計數的“靈魂”。

1.2.2　古希臘的物理學

公元前5世紀，古希臘人聯合起來將波斯人趕出了希臘半島之后，雅典由一個普通的海港城市一躍而變為古希臘的政治、經濟和文化中心。這座聳立在山巔之上的城市，不僅是航運和貿易的要塞，也是藝術家和思想家聚會的場所。古希臘人在音樂、建筑以及繪畫等藝術方面也都進入了鼎盛時期。經濟和文化的繁花結出了豐碩的果實，在學派林立、百家爭鳴的思想舞臺上，眾多的哲學大師相繼在雅典登臺亮相，他們一手創下了希臘哲學空前絕后的黃金時代。古希臘的物理成就主要體現在對于力學、光學現象的觀察與思辨中，但是因為缺乏科學的實驗論證，所以所得到的一些結論是片面的，甚至是錯誤的。

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人物小史與趣事

阿基米德（Archimedes，約公元前287—公元前212），古希臘物理學家、數學家，靜力學和流體靜力學的奠基人，享有“力學之父”的美稱。其力學著作有《論平面圖形的平衡》《論浮體》《論杠桿》《原理》等。其數學著作有《論球和圓柱》《圓的度量》《拋物線求積》《論螺線》《論錐體和球體》《沙的計算》等。

▲ 阿基米德螺旋

公元前287年，阿基米德誕生于地中海西西里島的敘拉古城。阿基米德的父親菲迪阿是天文學家兼數學家，學識淵博。阿基米德從小受到科學思想的熏陶，偏愛數學和物理，11歲時，借助與王室的關系，他被送到古希臘文化中心亞歷山大城（今屬埃及）去學習。

亞歷山大城位于尼羅河口，是當時文化貿易的中心之一。這里有雄偉的博物館、圖書館，而且人才薈萃，被世人譽為“智能之都”。阿基米德在這里學習和生活了許多年，跟隨歐幾里得的學生康農學習，以后又和亞歷山大城的很多學者保持緊密聯系，因此他算是亞歷山大學派的成員。他在學習期間對數學、力學和天文學產生濃厚的興趣。在他學習天文學時，發明了用水力作動力源的星球儀，并用它模擬太陽、行星和月亮的運行及表演日食和月食現象。為解決用尼羅河水灌溉土地的難題，他發明了圓筒狀的螺旋揚水器，后人稱它為“阿基米德螺旋”。

公元前240年，阿基米德決定離開亞歷山大城，回到自己的故鄉，這在當時是不尋常的行動，這可能是由于他與敘拉古國王希羅二世有親屬關系的緣故。阿基米德回到敘拉古，當了赫農王的顧問，幫助國王解決生產實踐、軍事技術和日常生活中的各種科學技術問題。

然而阿基米德并沒有在平靜中度過他的晚年。作為一名學者，他贏得了最大的聲譽。在阿基米德晚年時，即公元前212年，古羅馬軍隊攻陷敘拉古。當該城被破時，阿基米德對現實采取了學者的超然漠視態度，專心致力于數學問題的研究，俯身在沙灘上畫出了幾何圖形。一個羅馬士兵命令阿基米德離開，他傲慢地做了手勢說：“別把我的圓弄壞了！”這名羅馬士兵顯然是個不懂得幽默的庸人，阿基米德不幸被殺死，終年75歲。阿基米德的遺體葬在西西里島，墓碑上刻著一個圓柱內切球的圖形，以此紀念他在幾何學上的卓越貢獻。

▲ 稱量皇冠的難題

傳說敘拉古國王希洛讓珠寶匠給他制作了一頂純金的王冠。做成后既高興卻又懷疑工匠偷了他的金子，王冠里可能有假。盡管做好的王冠跟送去的黃金一樣重，但誰能保證那頂王冠沒有摻銀子呢?

怎樣對王冠作無損傷的鑒別呢?國王把這一難題交給了阿基米德。他為此思考了許多日子，仍無結果。有一天，他前往澡堂洗澡，當他跨入浴盆時，水溢出盆外，并感到身體有點漂浮，并且，身體浸沒在水中的部分越多，溢出的水也越多，同時水對身體的托力也越大。本來這是一個大家所熟知的現象，但是，這卻給了阿基米德靈感。阿基米德欣喜若狂，甚至忘了穿衣服，發瘋似的直奔王宮去，邊跑邊喊：“我找到了!我找到了!”據說他在國王和大臣面前進行了表演：他先把一塊與王冠重量相等的純金放進一個裝滿水的容器中，稱出溢出水的重量；接著再對王冠重復上面的過程，發現溢出的水比前者多，從而說明王冠里摻進了比純金密度小的金屬。另一種說法是，阿基米德取來等重的金塊、銀塊和王冠，分別稱出它們在水中的重量，算出它們在水中減少的重量，從而找到了答案。很可能他同時用了這兩種方法。隨后他便發現了阿基米德原理。

▲ 如果給我一個支點，我就能把地球撬動

據說，當阿基米德專注于杠桿問題的研究時，國王責問阿基米德：“為什么你的研究只停留在學問的游戲上？你所研究的學問到底有什么用處？”阿基米德無比豪邁地回答：“如果給我一個支點，我就能把地球撬動！”一句話體現了一位科學家豐富的想象力，體現了科學家對力學定律的深層理解和迷戀，也體現了阿基米德所特有的機智和理想。當然，這個支點是很難找到的，阿基米德也無法挪動地球。但據說當時他曾設計過一套杠桿滑輪系統，把一艘巨船輕松地從港口一直拉到岸上，此舉在他的國家引起轟動。國王特為此下令：“以后凡是阿基米德講的話，務必一律聽從。”

▲ 杠桿定律的證明

阿基米德首先從數學上應用幾何學的證明方法對杠桿定律加以論證。他先提出七條公理（包括等重重物在等臂處平衡；不同臂時長臂占上風；等重重物平衡后一方附加重物者將占上風；等重及相似物體可用其重心相互代替等）及幾條推論（若干物體的重心可由一個重心代替等），然后證明了杠桿定律。

▲ 引入重心的定義

阿基米德引入了重心的定義，并用于求出各種簡單物體、平面和浮體的重心與平衡問題。在他的《論平面圖形的平衡》一書中，他論述了三角形、平行四邊形、梯形以及拋物線截面等的重心求法。特別值得注意的是，他首次通過重心概念將許多二次曲線截面面積問題化為平面直線圖形問題加以解決，也就是利用物理原理解決數學問題。

克羅狄斯·托勒密（約90—168），天文學家、地理學家、占星學家和光學家，“地心說”的集大成者，著有《天文學大成》《地理學》《天文集》和《光學》等。

▲ 博學多才

除了在天文學方面的造詣，托勒密在地理學上也做出了出色的成就。他認為，地理學的研究對象應為整個地球，主要研究其形狀、大小、經緯度的測定以及地圖投影的方法等。他制造了測量經緯度用的類似渾天儀的儀器（星盤）和后來馳名歐洲的角距測量儀。托勒密有地理學著作八卷，其中六卷都是用經緯度標明的地點位置表。托勒密對世界情況比他的前輩熟悉得多，埃拉托色尼的地圖東面只到印度的恒河為止，但是托勒密知道有馬來半島和“蠶絲之國”（即中國）。

在數學方面，他用圓周運動組合解釋了天體視運動，這在當時被認為是絕對準確的。他還論證了四邊形的特性，即有名的托勒密定理。他對光學也作過研究，認為光線在折射時入射角與折射角成正比關系。

▲ 發現入射角與折射角近似成正比關系

托勒密對光的折射現象進行了研究。他通過具體的實驗，測量了光線由空氣入射水中時其入射角和相應折射角的大小。他發現小角度入射時，入射角與折射角近似成正比關系，但未能由此得出正確的折射定律。

歐幾里得（Euclid，公元前325—公元前265），古希臘著名數學家，歐氏幾何學開創者，“地心說”的集大成者，著有《幾何原本》《反射光學》等。

▲ 歐幾里得和《反射光學》

《反射光學》為世界上最早的光學著作。在這部著作中，歐幾里得以光沿直線傳播為依據，提出了反射定律，并以此來說明平面鏡和球面鏡的成像；提出了視覺、視線的理論解釋，給出了有關于視線的7個定義，如“從眼球發出的光線以直線傳播，視線之間有彼此離開的現象”，最早論述了球面鏡的焦點；知道了凹面鏡的聚焦作用，凹面鏡對準太陽時也能點火等。歐幾里得的《反射光學》為幾何光學的建立奠定了基礎。

▲ 有關一塊牌子

一天，一群年輕人來到位于雅典城郊外林蔭中的“柏拉圖學園”。只見學園的大門緊閉著，門口掛著一塊木牌，上面寫著：“不懂幾何者，不得入內!”這個牌子是當年柏拉圖親自立下的規矩，目的是讓學生們知道他對數學的重視，然而卻將前來求教的年輕人給鬧糊涂了。有人在想，正是由于我不懂數學，才要來這兒求教的呀，如果懂了，還來這兒做什么?正在人們面面相覷，不知是退還是進的時候，歐幾里得從人群中走了出來，只見他整了整衣冠，看了看那塊牌子，然后果斷地推開了學園大門，頭也沒有回地走了進去。