第二讲 经典物理学大厦

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1、现代自然科学导论――物理学――第二章经典物理学大厦图2.1，亚里斯多德10、日常的经验和亚里斯多德的推论第一个把自然作为理性分析研究对象的是亚里士多德。公元前384年，亚里斯多德出生在希腊北方的史塔吉拉城，他的父亲是马其顿国王的御医。17岁时，亚里斯多德来到雅典，进入柏拉图创立的学园一待就是二十年。公元前342年，亚里斯多德应马其顿国王菲力普二世的邀请，担任年仅14岁的王子的宫廷教师。这位王子就是后来继承马其顿王位，并建立一个横跨亚、欧、非三洲的大帝国的亚历山大大帝。亚里斯多德认为物体只有受到推力的时候才运动

2、，推力一旦消失，运动就停止；“凡是运动的物體，一定有推动者在推着它运动。若你看到一个东西在移动，你就会寻找一个推动它的东西(像是我们的手、身体)。当没什么东西推它时，它就会停止运动。如果运动是一個推着一个，不能无限制地追溯上去，必然存在第一推动者”。这样，力与运动的关联第一次由亚里斯多德提出，同时也第一次有了力的概念。后来，中古世纪的基督教说“第一推动者”就是指上帝。亚里斯多德还坚持说，重的物体比轻的物体下落得快；他主张地球中心说，认为地球是宇宙的中心；物理学(physica)一词就是亚里斯多德从希腊字φvo

3、is（自然）一词构造出来的υσικη，意思就是关于自然的学问，也是关于自然的哲学的意思。亚里斯多德认为，宇宙的中央就是地球，地球上的物质，是由四种“原素”所组成，它们分别是泥土(Earth)、空气(Air)、火(Fire)和水(Water)。而天上的天体则是由“以太”这种特殊的物质组成的。在亚里士多德的物理学中，四种原素都有各自的“恰当位置”(ProperPlaces)，而“恰当位置”则由原素的重量所决定。每种原素均自然地以直线，移向自己的“恰当位置”，然后停下来，例如：泥土向下、而火向上。故此地球上运动的物

4、质最终会停止。亚里斯多德用这个理论几乎能解释当时所观察到物质的属性和变化。当然，这样的解释今天看来是不够科学的。无疑，亚里斯多德的上述认识都是从日常的经验得出的朴素结论。只要想一想中国古代的五行学，亚里斯多德限于当时的认知水平得到这些结论是不足为奇了。迄今3000年前的周文王被商纣王囚于羑里期间作了一本书《周易》，内中认为，宇宙万物都是由金、木、水、火、土五种元素构成的。后来，这种观点被发展成无所不包的五行学说，甚至连整个中医理论也以五行学说为基础。亚里斯多德的研究，包括了现在学科的哲学、物理学、生物学、天文

5、学、大气科学、心理学、逻辑学、伦理学、政治学、艺术美学，几乎是涵盖了所有的领域，亚里斯多德的著作超过170种，被保留下来的仅仅是少数的资料。至于他对于自然科学的贡献，他摆脱柏拉图的《理念论》，把自然当作科学研究的客观对象，并进行科学分类，使得自然科学与社会科学逐渐演变成为许多独立的学科。在科学的方法论上，他开创了逻辑学，提出他所谓的四个公理：同一性定律、矛盾律14、排他律、充分理由定律，并确定了概念、判断、推理等逻辑形式。他最先提出归纳和演绎两种科学研究方法，强调以数学体系与逻辑推理来证明科学的原理。这样的基

6、本理论观点，促进了往后科学的发展，最明显可见的是，在他的影响下，出现了欧几里德的名著《几何原理》。而且亚里斯多德当年所使用的许多专有名词，至今仍被教科书所使用。20、伽利略的科学态度与科学精神图2.2，伽利略中世纪欧洲的基督教为了表明基督教义在民众心目中至高无上的地位，借用了古希腊思想家们的论述，论证了上帝的存在。如：造成宇宙万物运动的第一推动就是上帝。显然，这里就借用了亚里斯多德的思想。由于亚里斯多德全方位各领域巨大的思想成就，加上被宗教借用其思想的说教，亚里斯多德的运动论也就成了不可动摇的经典。但人类天赋

7、的思想自由并不都会被锢桎，总有人在思考着他所看到的、观察到的事实。如果这人正好有着非同常人的观察能力和孜孜不倦的探究精神，那就有可能得出更能反映真实的结论，伽利略(Galileo)就是这种人中最出类拔萃的一位。图2.3，比萨斜塔1589～1591年间，伽利略对落体运动作了细致的观察。从实验和理论上否定了统治千余年的亚里士多德关于“落体的运动法则”，确立了正确的“自由落体定律”，即在忽略空气阻力条件下，重量不同的球在下落时同时落地，下落的速度与重量无关。伽利略晚年的学生V.维维亚尼记载，落体实验是在比萨斜塔上公

8、开进行的。1590年的一天，年轻的比萨大学数学教授伽利略，邀请比萨的一些学者和大学生来到斜塔下面，他和他的助手登上斜塔，让一个重一百磅和一个重一磅的铁球，同时由塔上自由下落，轻的和重的几乎同时落地。伽利略把实验重复一次，结果仍然相同。伽利略的实验，动摇了亚里士多德在物理学中长期占统治地位的臆断，在观众中引起了极大的震动。但伽利略的举动触怒了比萨大学里亚里士多德学派的信徒，他们攻击伽利略胆敢怀疑亚里士