《人类科学技术史-092》古希腊物理学成就

古希腊物理学成就

古代世界的各个文明地区，在理解和认识物理世界的现象、本质和规律方面，都取得了一定的成果；不过比较而言，古希腊和中国春秋战国的物理知识，是更为丰富和更加体系化的，对后世科学的发展也有更大的影响。

古人是通过自己的实践和以自己的思维方法来了解和认识物理世界的，包括哲学上的思考和具体物理现象的研究两个方面。由此产生了很具特色又很有价值的古代物理知识。

1.古希腊关于运动和空间、时间的观念

古希腊的学者中，对运动、空间和时间作出最系统的研究的，是亚里士多德，并比较集中地反映在他的《物理学》一书中。他把一般的变化理解为运动，其中包括产生和消灭、数量的增加和减少、性质的变化和位置的移动。但他强调说，运动的"最一般最基本的形式是空间方面的运动(我们称之为位移）"。亚里士多德把位置的移动这类运动分为两大类，即"自然运动"和"非自然运动"。重物竖直下落和轻物竖直上升的运动属于自然运动，这是物体在其"内在目的"支配下寻找其"天然位置"的运动。他说含土元素和水元素的重物的天然位置在宇宙中心(地心）；越重的物体包含的土元素和水元素也越多，所以它们落向地面的倾向性也更大，因而不同重量的物体自由下落时，较重物体的下落速度必定更快。非天然的运动，都只能在外力强迫下才能进行；而且这种强迫作用，只有在推动者的直接接触下才能实施。"推一个物体的力不再推它时，物体便归于静止"。但推动者也被推动，按逻辑推论，最后的推动者必是只推动他物而不被他物所推动的，他必然是不动的；亚里士多德由此得出了"第一推动者"的结论，即存在着一个"先于其他而自身不动的推动者"，他可以作为所有其他事物运动的根源。为了解释离弦的箭或抛出的石头的持续运动，亚里士多德提出了"自然界没有虚空"的假设，认为空间充满介质，如空气；箭或石头的最初运动，冲开前面的空气，而在其后面造成虚空，周围的空气立即填补这一空间而对飞行体产生一个推力。

关于空间，亚里士多德作了如下的说明："(1)空间乃是一事物(如果它是这事物的空间的话）的直接包围者，而又不是该事物的部分；(2)直接空间既不大于也不小于内容事物；(3)空间可以在内容事物离开以后留下来，因而是可分离的……"。他还进一步概括说："空间是包围物体的限"，即包围物体的限面。亚里士多德的这种认识，是发展相对空间和相对运动概念的出发点，同时也是发展绝对空间和绝对运动概念的出发点。

关于时间，亚里士多德把它看作是描述运动的数。他说："时间既不是运动，也不能脱离运动"；"运动完成了多少总是被认为也说明时间已过去了多少"；"只有当我们已经感觉到了运动中的前和后时，我们才说有时间过去了。"于是他得出结论说，时间是使运动成为可以计数的东西，"时间是一种数"。他还指出："时间是永存的"；"在任何地方，同时的时间都是同一的"。这是他对时间的无限性和同时性的认识。

2.希腊时期的经验物理学知识

力学现象是最为直观的，古希腊人在这方面取得的成绩也最大。其中成就最为突出的是亚里士多德关于运动的研究和阿基米德的静力学工作。前者已在前面作过叙述。

阿基米德是静力学的真正创始人。他在物理学方面有多部著作，留传至今的只有《论平板的平衡或平板的重心》和《论浮体》。在前一部书中，他把杠杆的实际应用中的一些经验知识当作"不证自明的公理"，然后从这些公理出发，运用几何学的方法通过严密的逻辑论证，得出了杠杆原理。这些公理包括：相同的重物置于杠杆二端离支点等距的位置处，杠杆平衡；相同重物与支点距离不等时，杠杆不平衡，并向距离远的一端下倾；不相同重物置于杠杆二端与支点等距处，重的一端将下倾；在重心的位置保持不变的条件下，一个重物的作用可以用几个均匀分布的重物的作用来代替。从这样一些人人都会接受的公理出发，阿基米德证明了"二重物平衡时，所处的距离与重量成反比"。这就是杠杆原理。

据说阿基米德以这一原理为根据曾对叙拉古国王希罗宣称："给我一个稳固的支点，我就能把地球挪动！"阿基米德的另一个重要成就，就是发现并精确论证了著名的阿基米德定律，即浮力定律。传说这是他在洗澡时由于看到水的溢出和感到水的浮力而突然想到的解决金王冠内是否掺了银的方法，从而得到了这个定律的。从《论浮体》这部著作可以断言，他确实是思考过船体所受浮力的问题。他同样采用严密的逻辑方法，从一些人们很容易接受的基本公设出发，得到了他的结论：浸入液体中的物体所失去的重量(即它所受到的浮力），等于与它同体积的液体的重量。

阿基米德所开拓的不只是静力学的发展道路；他把实验和逻辑论证结合起来的方法，更具有现代科学方法的特色，实际上是开辟了整个物理学的通途。可惜的是随着古希腊学术的衰退，他的工作没有得到继续和发展。

光学也是古希腊发展得较早的一个知识部门。他们很早就思考过视觉的问题，提出了射入说、射入-射出说和射出说三种看法。毕达哥拉斯学派和原子论者认为，物体的表面会向四面八方发射出一些粒子，它们在运动过程中保持着物体的形状和颜色，当它们进入人的眼睛时就会引起视觉。亚里士多德也赞同射入说，但反对物体粒子的直接入射的说法，更强调介质的作用。他认为物体使它周围介质的性质发生了一定的变化，这种变化通过透明介质(如空气、水）传播开去，当介质的作用进入眼睛时，就会引起不同颜色的视觉。他说在没有介质的虚空里，人的眼睛是什么也不会看到的。

恩培多克勒和柏拉图学派则提出射入-射出说。他们说物体会发出某种东西，人的眼睛也会发出某种东西，它们在空间中相遇，就产生了视觉。恩培多克勒还认为，视觉过程需要时间，这是最早提出的光的传播需要时间的思想。但是，视觉所获得的为什么恰好就是物体的真实形象呢？欧几里得提出了射出说。他认为，视觉的产生是从人眼睛发出的射线被物体反射回来的结果；这些与物体边界相切的射线形成一个锥体从而被人所看到，物体的大小由视角来表达。

在《反射光学》一书中，欧几里得研究了光的传播问题。他把几何学运用到光现象的研究中，开创了几何光学。他确认了光(射线）的直进性并建立了光的反射定律，进而又把这个定律用于平面镜和球面镜的成像上。欧几里得还知道凹面镜的聚焦作用，并假定其焦点在球心或球心与球面之间。

活动于亚历山大城的赫隆(约公元前150-约前100)也写过一本名为《反射光学》的书，其内容是关于镜子的理论和实际应用。他认为光(射线）所行经的路程必须是最短的；从这个原则出发借助于几何学方法，他论证了光的反射定律，得出光的入射角和反射角相等的结论。

希腊人似乎还知道了利用透镜(玻璃球）制造取火镜的事实；亚里士多德还曾经描写过光的折射现象：插入水中的棍子，好象是折断了似的。

西方古代对电和磁的知识了解很少。据说泰勒斯已经知道摩擦过的琥珀会吸引轻小的物体。淡黄色的琥珀古代称之为"琥珀金"，"电"这个词就是由此而来的。磁石吸铁的现象，也早就被认识了。据亚里士多德载，泰勒斯可能说过"磁石有灵魂，因为它吸动铁"。柏拉图在他的《蒂迈欧》中明确地说出了磁石和琥珀有吸引它物的能力，他说这是一种奇异的现象。亚里士多德的学生提奥弗拉斯特收集和研究过许多矿石，他在一篇名为《论石》的文中说，琥珀能吸引小草以至于小块的铜或铁。在一些文学作品中，还有关于磁石吸铁现象的描写。如关于牧人玛格内斯的神话讲到，玛格内斯在克里特岛的艾达山上，他鞋底上的钉子和手杖的铁尖牢固地被大地所吸引，使他无法离开，从而发现了地下一种奇妙的石头(磁铁矿）。这些记载，都是对电和磁现象的初步描述。

声的现象很早就受到人们的注意。毕达哥拉斯学派曾经从对竖琴的弦长、笛子的管长与音调高低的研究中，发现了谐和的音调之间简单整数比的关系。

恩培多克勒对听觉问题作了可能是最早的论述。他说当打击坚硬的物体时会引起空气的振动，它传入人的耳朵就引起听觉。毕达哥拉斯学派的阿契塔(活动于公元前4世纪）认为声音是由被撞击的物体的振动产生的，他把音调的高低与振动的快慢联系起来，认为较快的振动产生高音，较慢的振动产生低音；但他却错误地认为高音传播的速度比低音为快。亚里士多德则认识到介质的作用，认为介质的存在也是声音现象存在的条件。他指出发声物体的振动碰撞介质，使介质在各个方向发生拉伸和压缩运动，从而传播开去。他说空气和水都可以传播声音，但他没有得出声波的概念。他还指出，当声音碰到障碍时，就会像光一样被反射而产生回声。

罗马的建筑师们从经验中提出了一些建筑声学问题。建筑师维特鲁威(活动于公元前1世纪）所著的《论建筑》中论及了交混回响、回声和共鸣等，开创了建筑声学的研究。

关于热现象，亚里士多德等把热看成是先于物质元素的一种基本性质。原子论者则认为热的感觉是由原子流引起的；他们把火看成是由最轻、最滑、最活泼的原子组成的。

总的看来，古希腊的物理学，除阿基米德的静力学外，都还未超出萌芽的、零散的经验范围。在研究方法上，也基本上停留在对自然现象的直接观察和简单的抽象和推理上；只在个别问题上，如阿基米德关于浮力现象的研究上，进行了卓越的科学实验。