古希臘物理學(xué)成就

古代世界的各個(gè)文明地區(qū)，在理解和認(rèn)識(shí)物理世界的現(xiàn)象、本質(zhì)和規(guī)律方面，都取得了一定的成果；不過(guò)比較而言，古希臘和中國(guó)春秋戰(zhàn)國(guó)的物理知識(shí)，是更為豐富和更加體系化的，對(duì)后世科學(xué)的發(fā)展也有更大的影響。

古人是通過(guò)自己的實(shí)踐和以自己的思維方法來(lái)了解和認(rèn)識(shí)物理世界的，包括哲學(xué)上的思考和具體物理現(xiàn)象的研究?jī)蓚€(gè)方面。由此產(chǎn)生了很具特色又很有價(jià)值的古代物理知識(shí)。

1.古希臘關(guān)于運(yùn)動(dòng)和空間、時(shí)間的觀念

古希臘的學(xué)者中，對(duì)運(yùn)動(dòng)、空間和時(shí)間作出最系統(tǒng)的研究的，是亞里士多德，并比較集中地反映在他的《物理學(xué)》一書(shū)中。他把一般的變化理解為運(yùn)動(dòng)，其中包括產(chǎn)生和消滅、數(shù)量的增加和減少、性質(zhì)的變化和位置的移動(dòng)。但他強(qiáng)調(diào)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)的"最一般最基本的形式是空間方面的運(yùn)動(dòng)(我們稱(chēng)之為位移）"。亞里士多德把位置的移動(dòng)這類(lèi)運(yùn)動(dòng)分為兩大類(lèi)，即"自然運(yùn)動(dòng)"和"非自然運(yùn)動(dòng)"。重物豎直下落和輕物豎直上升的運(yùn)動(dòng)屬于自然運(yùn)動(dòng)，這是物體在其"內(nèi)在目的"支配下尋找其"天然位置"的運(yùn)動(dòng)。他說(shuō)含土元素和水元素的重物的天然位置在宇宙中心(地心）；越重的物體包含的土元素和水元素也越多，所以它們落向地面的傾向性也更大，因而不同重量的物體自由下落時(shí)，較重物體的下落速度必定更快。非天然的運(yùn)動(dòng)，都只能在外力強(qiáng)迫下才能進(jìn)行；而且這種強(qiáng)迫作用，只有在推動(dòng)者的直接接觸下才能實(shí)施。"推一個(gè)物體的力不再推它時(shí)，物體便歸于靜止"。但推動(dòng)者也被推動(dòng)，按邏輯推論，最后的推動(dòng)者必是只推動(dòng)他物而不被他物所推動(dòng)的，他必然是不動(dòng)的；亞里士多德由此得出了"第一推動(dòng)者"的結(jié)論，即存在著一個(gè)"先于其他而自身不動(dòng)的推動(dòng)者"，他可以作為所有其他事物運(yùn)動(dòng)的根源。為了解釋離弦的箭或拋出的石頭的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，亞里士多德提出了"自然界沒(méi)有虛空"的假設(shè)，認(rèn)為空間充滿介質(zhì)，如空氣；箭或石頭的最初運(yùn)動(dòng)，沖開(kāi)前面的空氣，而在其后面造成虛空，周?chē)目諝饬⒓刺钛a(bǔ)這一空間而對(duì)飛行體產(chǎn)生一個(gè)推力。

關(guān)于空間，亞里士多德作了如下的說(shuō)明："(1)空間乃是一事物(如果它是這事物的空間的話）的直接包圍者，而又不是該事物的部分；(2)直接空間既不大于也不小于內(nèi)容事物；(3)空間可以在內(nèi)容事物離開(kāi)以后留下來(lái)，因而是可分離的……"。他還進(jìn)一步概括說(shuō)："空間是包圍物體的限"，即包圍物體的限面。亞里士多德的這種認(rèn)識(shí)，是發(fā)展相對(duì)空間和相對(duì)運(yùn)動(dòng)概念的出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)也是發(fā)展絕對(duì)空間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)概念的出發(fā)點(diǎn)。

關(guān)于時(shí)間，亞里士多德把它看作是描述運(yùn)動(dòng)的數(shù)。他說(shuō)："時(shí)間既不是運(yùn)動(dòng)，也不能脫離運(yùn)動(dòng)"；"運(yùn)動(dòng)完成了多少總是被認(rèn)為也說(shuō)明時(shí)間已過(guò)去了多少"；"只有當(dāng)我們已經(jīng)感覺(jué)到了運(yùn)動(dòng)中的前和后時(shí)，我們才說(shuō)有時(shí)間過(guò)去了。"于是他得出結(jié)論說(shuō)，時(shí)間是使運(yùn)動(dòng)成為可以計(jì)數(shù)的東西，"時(shí)間是一種數(shù)"。他還指出："時(shí)間是永存的"；"在任何地方，同時(shí)的時(shí)間都是同一的"。這是他對(duì)時(shí)間的無(wú)限性和同時(shí)性的認(rèn)識(shí)。

2.希臘時(shí)期的經(jīng)驗(yàn)物理學(xué)知識(shí)

力學(xué)現(xiàn)象是最為直觀的，古希臘人在這方面取得的成績(jī)也最大。其中成就最為突出的是亞里士多德關(guān)于運(yùn)動(dòng)的研究和阿基米德的靜力學(xué)工作。前者已在前面作過(guò)敘述。

阿基米德是靜力學(xué)的真正創(chuàng)始人。他在物理學(xué)方面有多部著作，留傳至今的只有《論平板的平衡或平板的重心》和《論浮體》。在前一部書(shū)中，他把杠桿的實(shí)際應(yīng)用中的一些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)當(dāng)作"不證自明的公理"，然后從這些公理出發(fā)，運(yùn)用幾何學(xué)的方法通過(guò)嚴(yán)密的邏輯論證，得出了杠桿原理。這些公理包括：相同的重物置于杠桿二端離支點(diǎn)等距的位置處，杠桿平衡；相同重物與支點(diǎn)距離不等時(shí)，杠桿不平衡，并向距離遠(yuǎn)的一端下傾；不相同重物置于杠桿二端與支點(diǎn)等距處，重的一端將下傾；在重心的位置保持不變的條件下，一個(gè)重物的作用可以用幾個(gè)均勻分布的重物的作用來(lái)代替。從這樣一些人人都會(huì)接受的公理出發(fā)，阿基米德證明了"二重物平衡時(shí)，所處的距離與重量成反比"。這就是杠桿原理。

據(jù)說(shuō)阿基米德以這一原理為根據(jù)曾對(duì)敘拉古國(guó)王希羅宣稱(chēng)："給我一個(gè)穩(wěn)固的支點(diǎn)，我就能把地球挪動(dòng)！"阿基米德的另一個(gè)重要成就，就是發(fā)現(xiàn)并精確論證了著名的阿基米德定律，即浮力定律。傳說(shuō)這是他在洗澡時(shí)由于看到水的溢出和感到水的浮力而突然想到的解決金王冠內(nèi)是否摻了銀的方法，從而得到了這個(gè)定律的。從《論浮體》這部著作可以斷言，他確實(shí)是思考過(guò)船體所受浮力的問(wèn)題。他同樣采用嚴(yán)密的邏輯方法，從一些人們很容易接受的基本公設(shè)出發(fā)，得到了他的結(jié)論：浸入液體中的物體所失去的重量(即它所受到的浮力），等于與它同體積的液體的重量。

阿基米德所開(kāi)拓的不只是靜力學(xué)的發(fā)展道路；他把實(shí)驗(yàn)和邏輯論證結(jié)合起來(lái)的方法，更具有現(xiàn)代科學(xué)方法的特色，實(shí)際上是開(kāi)辟了整個(gè)物理學(xué)的通途?？上У氖请S著古希臘學(xué)術(shù)的衰退，他的工作沒(méi)有得到繼續(xù)和發(fā)展。

光學(xué)也是古希臘發(fā)展得較早的一個(gè)知識(shí)部門(mén)。他們很早就思考過(guò)視覺(jué)的問(wèn)題，提出了射入說(shuō)、射入-射出說(shuō)和射出說(shuō)三種看法。畢達(dá)哥拉斯學(xué)派和原子論者認(rèn)為，物體的表面會(huì)向四面八方發(fā)射出一些粒子，它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持著物體的形狀和顏色，當(dāng)它們進(jìn)入人的眼睛時(shí)就會(huì)引起視覺(jué)。亞里士多德也贊同射入說(shuō)，但反對(duì)物體粒子的直接入射的說(shuō)法，更強(qiáng)調(diào)介質(zhì)的作用。他認(rèn)為物體使它周?chē)橘|(zhì)的性質(zhì)發(fā)生了一定的變化，這種變化通過(guò)透明介質(zhì)(如空氣、水）傳播開(kāi)去，當(dāng)介質(zhì)的作用進(jìn)入眼睛時(shí)，就會(huì)引起不同顏色的視覺(jué)。他說(shuō)在沒(méi)有介質(zhì)的虛空里，人的眼睛是什么也不會(huì)看到的。

恩培多克勒和柏拉圖學(xué)派則提出射入-射出說(shuō)。他們說(shuō)物體會(huì)發(fā)出某種東西，人的眼睛也會(huì)發(fā)出某種東西，它們?cè)诳臻g中相遇，就產(chǎn)生了視覺(jué)。恩培多克勒還認(rèn)為，視覺(jué)過(guò)程需要時(shí)間，這是最早提出的光的傳播需要時(shí)間的思想。但是，視覺(jué)所獲得的為什么恰好就是物體的真實(shí)形象呢？歐幾里得提出了射出說(shuō)。他認(rèn)為，視覺(jué)的產(chǎn)生是從人眼睛發(fā)出的射線被物體反射回來(lái)的結(jié)果；這些與物體邊界相切的射線形成一個(gè)錐體從而被人所看到，物體的大小由視角來(lái)表達(dá)。

在《反射光學(xué)》一書(shū)中，歐幾里得研究了光的傳播問(wèn)題。他把幾何學(xué)運(yùn)用到光現(xiàn)象的研究中，開(kāi)創(chuàng)了幾何光學(xué)。他確認(rèn)了光(射線）的直進(jìn)性并建立了光的反射定律，進(jìn)而又把這個(gè)定律用于平面鏡和球面鏡的成像上。歐幾里得還知道凹面鏡的聚焦作用，并假定其焦點(diǎn)在球心或球心與球面之間。

活動(dòng)于亞歷山大城的赫隆(約公元前150-約前100)也寫(xiě)過(guò)一本名為《反射光學(xué)》的書(shū)，其內(nèi)容是關(guān)于鏡子的理論和實(shí)際應(yīng)用。他認(rèn)為光(射線）所行經(jīng)的路程必須是最短的；從這個(gè)原則出發(fā)借助于幾何學(xué)方法，他論證了光的反射定律，得出光的入射角和反射角相等的結(jié)論。

希臘人似乎還知道了利用透鏡(玻璃球）制造取火鏡的事實(shí)；亞里士多德還曾經(jīng)描寫(xiě)過(guò)光的折射現(xiàn)象：插入水中的棍子，好象是折斷了似的。

西方古代對(duì)電和磁的知識(shí)了解很少。據(jù)說(shuō)泰勒斯已經(jīng)知道摩擦過(guò)的琥珀會(huì)吸引輕小的物體。淡黃色的琥珀古代稱(chēng)之為"琥珀金"，"電"這個(gè)詞就是由此而來(lái)的。磁石吸鐵的現(xiàn)象，也早就被認(rèn)識(shí)了。據(jù)亞里士多德載，泰勒斯可能說(shuō)過(guò)"磁石有靈魂，因?yàn)樗鼊?dòng)鐵"。柏拉圖在他的《蒂邁歐》中明確地說(shuō)出了磁石和琥珀有吸引它物的能力，他說(shuō)這是一種奇異的現(xiàn)象。亞里士多德的學(xué)生提奧弗拉斯特收集和研究過(guò)許多礦石，他在一篇名為《論石》的文中說(shuō)，琥珀能吸引小草以至于小塊的銅或鐵。在一些文學(xué)作品中，還有關(guān)于磁石吸鐵現(xiàn)象的描寫(xiě)。如關(guān)于牧人瑪格內(nèi)斯的神話講到，瑪格內(nèi)斯在克里特島的艾達(dá)山上，他鞋底上的釘子和手杖的鐵尖牢固地被大地所吸引，使他無(wú)法離開(kāi)，從而發(fā)現(xiàn)了地下一種奇妙的石頭(磁鐵礦）。這些記載，都是對(duì)電和磁現(xiàn)象的初步描述。

聲的現(xiàn)象很早就受到人們的注意。畢達(dá)哥拉斯學(xué)派曾經(jīng)從對(duì)豎琴的弦長(zhǎng)、笛子的管長(zhǎng)與音調(diào)高低的研究中，發(fā)現(xiàn)了諧和的音調(diào)之間簡(jiǎn)單整數(shù)比的關(guān)系。

恩培多克勒對(duì)聽(tīng)覺(jué)問(wèn)題作了可能是最早的論述。他說(shuō)當(dāng)打擊堅(jiān)硬的物體時(shí)會(huì)引起空氣的振動(dòng)，它傳入人的耳朵就引起聽(tīng)覺(jué)。畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的阿契塔(活動(dòng)于公元前4世紀(jì)）認(rèn)為聲音是由被撞擊的物體的振動(dòng)產(chǎn)生的，他把音調(diào)的高低與振動(dòng)的快慢聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為較快的振動(dòng)產(chǎn)生高音，較慢的振動(dòng)產(chǎn)生低音；但他卻錯(cuò)誤地認(rèn)為高音傳播的速度比低音為快。亞里士多德則認(rèn)識(shí)到介質(zhì)的作用，認(rèn)為介質(zhì)的存在也是聲音現(xiàn)象存在的條件。他指出發(fā)聲物體的振動(dòng)碰撞介質(zhì)，使介質(zhì)在各個(gè)方向發(fā)生拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)，從而傳播開(kāi)去。他說(shuō)空氣和水都可以傳播聲音，但他沒(méi)有得出聲波的概念。他還指出，當(dāng)聲音碰到障礙時(shí)，就會(huì)像光一樣被反射而產(chǎn)生回聲。

羅馬的建筑師們從經(jīng)驗(yàn)中提出了一些建筑聲學(xué)問(wèn)題。建筑師維特魯威(活動(dòng)于公元前1世紀(jì)）所著的《論建筑》中論及了交混回響、回聲和共鳴等，開(kāi)創(chuàng)了建筑聲學(xué)的研究。

關(guān)于熱現(xiàn)象，亞里士多德等把熱看成是先于物質(zhì)元素的一種基本性質(zhì)。原子論者則認(rèn)為熱的感覺(jué)是由原子流引起的；他們把火看成是由最輕、最滑、最活潑的原子組成的。

總的看來(lái)，古希臘的物理學(xué)，除阿基米德的靜力學(xué)外，都還未超出萌芽的、零散的經(jīng)驗(yàn)范圍。在研究方法上，也基本上停留在對(duì)自然現(xiàn)象的直接觀察和簡(jiǎn)單的抽象和推理上；只在個(gè)別問(wèn)題上，如阿基米德關(guān)于浮力現(xiàn)象的研究上，進(jìn)行了卓越的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。