物理学的先驱亚里士多德

　　亚里士多德是第一个尝试研究物理学并给出“物理学”这一名称的人。他生活在古希腊文明发展的鼎盛期，从17岁开始，跟随大哲学家柏拉图一直学习了20年。成为亚历山大大帝的家庭教师后，亚里士多德对许多国家的文化、动物和植物进行了研究。公元前335年，在雅典附近的吕克昂，亚里士多德开办了自己的学园并在此传道授业直至去世。

观察与经验

　　亚里士多德虽就学于柏拉图，但他并不认为柏拉图的理念或物质形式与实际的物质实体具有同等重要的意义。在这一点上，他比柏拉图更接近于科学家的思想，因为后者并不看重物质研究的价值。正是由于对物质世界的关注，亚里士多德在生物学、天文学和物理学领域创立了大量知识，著有《物理学》、《论生灭》、《论天》、《天象学》、《论宇宙》等；生物学著作有：《动物志》、《论动物的历史》、《论灵魂》。除此之外，在伦理学、政治学、诗歌、修辞学等领域亚里士多德也留下了大量的著作，所以称他为百科全书式的学者一点都不为过。

　　亚里士多德认为只有重视感性经验才能把握世界的真理，这就需要对周围的物理世界进行密切的观察，从大量的观察资料中去形成理论，这样，我们就知道我们的理论能用来解释什么并且可以用进一步观察到的现象来检验这些理论。亚里士多德篇幅最长的著作《动物志》就是对有关动物的观察资料的大型汇编，这成为他在生物学领域进行理论思考的基础。

　　亚里士多德曾劝告研究自然的学生要用更宽广范围的观察资料来检验他们的理论。他说：“必须更多地相信事实而不是论证，而只有在论证所断言的东西与现象一致时才能相信论证。”但由于亚里士多德对直观观察或感性经验到的现象过于相信，以至于他从观察资料中所形成的理论有许多错误。以后，伽利略用实验的科学方法弥补了亚里士多德观察与经验方法的不足。

论两种运动

　　亚里士多德在逻辑学、生物学和其他学科中所运用的方法极大地影响了他的物理学思想。其中，所迈出的重要一步是他意识到了在物理世界中大量复杂的因素常常掩盖了隐藏的秩序。他在力学中对运动的分析就建立在划分两种运动的基础上。两种运动一为自然运动，如落体的运动；二为非自然运动，如马拉车的运动。亚里士多德认为这样就能找到那隐藏着的物体运动的秩序。

　　按照亚里士多德的观点，重物下落是因为它们要寻找它们的自然位置，在下落过程中，落体的速度是恒定的，并且与它们的重量和它们所通过的媒质有关，如一块石头在空气中比在水中下落得快。现在我们知道，这种分析只是部分的正确，它仅适用于物体下落了一段时间后摩擦力已变得较大的情况。实际情形是，从静止开始下落的物体其速度以每秒9．8米的速率增加，在同一时刻下落的一个弹子和一块石头将一起增大速度并在同一时刻落到地面，只是一块石头比一个弹子要下落更远的距离后， 其所受到的空气阻力与重力才能保持平衡，此时，它将以恒定的速度下落。这种临界速度不仅依赖于物体的重量，而且依赖于物体的形状和大小。相同的因素同样地影响物体在水中下落的速度，只是速度更慢了，并且临界速度达到得更快了。

　　亚里士多德关于落体运动的观点只在物体受到空气阻力的作用下才是正确的。与此类似，他对非自然运动的分析也暗含了摩擦力这种重要的影响因素。一块岩石下落的自然倾向是在地面上保持静止或落向地球中心，通过推、拉使石头在水平方向移动是一种非自然运动，它需要某种作用于其上的外在力量。亚里士多德认为，总是需要施加外力才能使物体保持水平方向的运动，这种观点只有在物体所受摩擦力较大的情况下才是正确的。而在诸如石头沿水平方向的投掷、圆球在光滑平面上的滚动等情况中，水平运动能在不受外力的作用下保持相当长的一段时间。由于亚里士多德显赫的声名，他的思想的热情支持者几乎毫不怀疑地允许他的理论统治物理学近达2000年。

宇宙的结构

　　亚里士多德认为宇宙是一个球体，其中地球就固定在这个球体的中心。他相信宇宙的大小是有限的，因为如果宇宙无限它就不会有中心。亚里士多德曾对地球是否可能运动作过一番思考，他认为地球上并没有出现奔涌的风和不稳定的现象就足以说明地球是静止的。在当时，亚里士多德的这些论据以及他自己的运动定律看起来都是非常合理的，其结论似乎也是逻辑证明的自然结果。对于地球是球状体亚里士多德毫不怀疑，主要原因是一方面球体完全对称而符合美即美学方面的原因；另一方面球体符合自然法则即物理方面的原因。而物理的原因正是观察的结果。首先，人们观察到船在远处水平面逐渐下降消失的现象，这正是在弯曲的而不是平坦的地球上所出现的自然结果；其次，无论一个人去到哪里，甚至从爱琴海的一边到另一边，他看到物体总是垂直地落向地面，无疑，这种现象只会在平坦的或球形的地球上发生，而不会发生在仅仅是弯曲的地球上。综合这些证据就能得到地球是球状体的结论。亚里士多德的伟大之处就在于他能为问题提供一种答案，尽管这种解答与科学的真理之间还有很大的差距。

　　亚里士多德相信那些闪闪发光的星体都是沿圆形轨道运动的，因为从美学的观点看这是令人满意的，若用同心圆球的机械论观点来解释就可以进一步说明人们所观察到的一些天体现象。而且，在亚里士多德看来，那些同心的球体即是一种真实的物理存在，而不仅仅只是一种数学上的解释。于是，宇宙是一种透明的水晶球的思想就变得流行起来。但是，是什么原因使得那些星体运动的呢？为什么所有这些球体都旋转呢？亚里士多德根据他的运动定律得出结论说，那个最外层的球体--恒星天--即是“第一推动者”，而在它后面驱动整个天体运动的则是一个“不动的推动者”。正是在这里，我们可以看出，亚里士多德从物理学领域进入到了形而上学的领域，并将神引入到了科学中，结果，物理的原因就变成了超物理的原因。

　　亚里士多德几乎在每一个科学领域都作出了自己的贡献，其学说对后世的西方思想和科学产生了重大的影响，这一点没有其他任何一位古希腊思想家可以相比。亚里士多德曾说过一句名言：“我敬爱柏拉图，但我更爱真理。”由此可见亚里士多德追求真理的执著精神。当今世界著名的高等学府美国哈佛大学的校训为：“让柏拉图与你为友，让亚里士多德与你为友，更重要的，让真理与你为友。”这大概也是亚里士多德精神的体现吧。

开创理想实验的伽利略

　　伽利略生活于人类文明最富有成果的年代--文艺复兴时期，在力学和天文学方面均作出了许多重要的发现，其中一些因为和人们从亚里士多德那里继承下来的观点相矛盾而受到教会的强烈抵制，而且由于他对哥白尼日心说的坚定支持以及其他一些原因还导致他受到宗教法庭的审判。但那个时代毕竟是迷信让位于理性思想的时代，是证据和逻辑证明开始压倒对教义盲目接受的时代。尽管伽利略受到非难并被迫公开宣布放弃对日心说的支持，但他的著作还是被人们广泛接受。现在，伽利略已被认为是近代物理学的奠基者之一，开创理想实验的人。

伽利略论运动

　　尽管带给伽利略极高声誉和较多争论的是他天文学上的发现，但他对于运动所得出的结论也极富趣味。像亚里士多德一样，伽利略认识到支配运动的简单原则被许多现象所掩盖，认识到对在地球上运动的物体产生最大影响的两种因素是重力和摩擦力。但他经过推理还认为，摩擦力常常是复杂的和不可预知的，因此首先应将注意力集中于摩擦力完全不起作用的系统上，这就是他对实验条件的简化！

　　伽利略用来分析匀速运动和匀变速运动的物理系统是一个光滑的重球在可以倾斜的光滑平面上滚动的模型。当球在倾斜平面上向下滚动时，其速度增加，反之，则速度减小。但如果平面是水平放置着的，又会出现什么情况呢？按照逻辑推理可知，球的速度应当既不增加也不减少，而是保持同一速度运行。据此，伽利略正确地得出结论：如果没有摩擦力，一个在水平面上运动的物体将保持匀速前进。

　　伽利略还根据球在倾斜平面上滚动的运动模型发现了落体定律。他认识到当物体下落的的时候，其速度是不断增加的。这其中有一个最大的问题，就是如何测量下落物体的速度，而当时所具备的计时工具只是依水流出或充满一个容器所用时间的长短为基准的水钟。伽利略认识到，一个沿倾斜平面滚下的球不断加速是由于重力的缘故，据此，他推理认为，若将平面倾斜得越来越接近于垂直，则球的运动就会越来越接近于自由落体运动。运用倾斜的平面和粗糙的水钟，伽利略发现了匀变速运动中距离和时间之间的正确关系。

伽利略和实验

　　尽管人们先前已经用观察来检验他们对于自然界的看法，但伽利略却是第一个使实验活动在科学中具有重要地位的人。

　　传说伽利略曾经从比萨斜塔的顶上丢下了两个大小不同的铁球以表明它们将在同一时刻落到地面。事实上，若空气阻力可以忽略，伽利略关于落体运动的结论就是正确的。美国宇航员大卫•斯考特在月球上所做的实验也相当戏剧化地证明了这一点，在月球上同时丢下一个锤子和一根羽毛，两者都以相同的速度下落并在同一时刻落到了月球表面。

　　伽利略所运用的方法在现代物理学中依然具有重要的指导意义：如果人们希望理解一个起初的物理过程，首先需要考虑其中的一些复杂因素可以忽略的理想化系统。只有通过对一个简化了的理想模型的理解，一个人才能有希望理解现实情形的复杂和微妙。

　　伽利略除了极为重视实验外，也非常留心观察周围的事物。如1583年，他在比萨注意到了天教堂天花的一盏，发现它前后摇摆的周期是恒定的，并不受它逐渐减小的摆动幅度的影响。伽利略的发现即一个摆的频率仅依赖于它的长度成为以后制造摆钟的理论基础。

伽利略观天体

　　伽利略用自制的望远镜首先观察到月亮的表面并不像人们通常所认为的那样是平坦的、光滑的、精确的球面，而与起伏的、粗糙的并且具有高山和深谷的地球表面并没有两样。1610年1月，伽利略又发现了木星的四颗卫星，观察了金星和水星的周相，为哥白尼的太阳中心说提供了新的证据。1612年，伽利略用望远镜观察太阳，发现了太阳黑子，并且估计黑子的面积比地球上亚非两洲的面积还要大。从黑子的缓慢移动，伽利略推断太阳是自转的，周期为25天。此外，伽利略还用望远镜发现了许多肉眼看不到的天体，大大扩展了人们的视野。这些发现都被记述在他的《星际使者》和《关于太阳黑子的信札》这两本著作中。正是由于这些新的天文发现，伽利略陷入了长期的论战之中。反对者责问道：为什么地球转动时，人们没有感到一股强烈的风呢？为什么飞鸟仍然能够自由地飞翔呢？伽利略回答说，这是因为地面上的空气也随着地球一块运动，所以对于空气来说地球的运动并不存在，一切都跟地球处在静止状态中一样。对于地球在自转时为什么不会把地面上的物体抛向太空这一问题，伽利略解释说，那是因为地球运转的速度很缓慢，还不能产生那么大的力量。随后，伽利略又反问道：如果地球不动，整个宇宙绕地球运动，那么地球又怎能抵挡得住这股强大的力量呢？伽利略坚定地认为，自然界不会让庞大的宇宙绕小小的地球旋转。