1.2 西方古代物理学发展（中世纪以前）

西方古代物理学大体分为四个发展时期：早期希腊时期、雅典时期、亚历山大时期和罗马时期。其中早期希腊时期是古希腊科学的诞生时期；雅典时期是古希腊科学的发展时期，科学中心由艾尔尼亚转移到了雅典；亚历山大时期，科学中心又转移到了亚历山大，当时的学者们在力学、光学等方面为后来的科学发展做出了巨大贡献；罗马时期的物理几乎没有新的建树。

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1.2.1　古希腊的自然哲学观

古希腊自然哲学，宏观地来说就是人们对大自然万物的一种理解方式。这一点在人类历史上相对来说是比较特殊的，因为自然哲学是科学的源头。希腊神话作为一种最原始的自然观与中国神话的自然观一样，是把自然现象附着于不同的神身上。后来，在古希腊时期，人们把不同意见的争论当成认识真理的有效途径，也就逐渐形成了元素说和原子论的物质本原思想。

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人物小史与趣事

泰勒斯（Thales，约公元前624—约公元前547），古希腊时期的思想家、科学家、哲学家，西方首个哲学家，米利都学派始祖。

▲“水是万物的本原”

最先将物质世界从神话传统中解脱出来的是爱尔尼亚学派的创始人米利都的泰勒斯，他第一次提出了“世界的本原是什么”这一哲学命题。他还给出了自己的答案：水是万物的本原。他认为水是万物的本原，万物起源于水又复归于水。这种单一元素说抛弃了造物主的创世说，为后人对物质本原的认识开辟了探索之路。

▲ 只顾天空不看脚下的天文学家

泰勒斯有一天晚上走在旷野之间，抬头看着星空，满天星斗，可是他预言第二天会下雨。正在他预言会下雨的时候，脚踏进了一个坑里，他就掉进那个坑里摔了个半死。别人将他救起来，他说：“谢谢你把我救起来。你知道吗，明天会下雨啊？”于是又有个关于哲学家的笑话，哲学家是只知道天上的事情不知道脚下发生什么事情的人。在两千年以后，德国哲学家黑格尔说：“一个民族只有有那些关注天空的人，这个民族才有希望。如果一个民族只是在关心眼下脚下的事情，那么这个民族是没有未来的。”而泰勒斯就是标志着古希腊智慧的第一个人。后来英国的奥斯卡·王尔德曾经说过：“我们都生活在阴沟里，但仍有一些人还在仰望星空。”

▲ 骡子的故事

泰勒斯是一个商人，商旅生活使他了解到各地的人情风俗，也开阔了眼界。他用骡子运过盐，某次，一头骡子在溪中滑倒，盐被溶解掉了一部分，负担减轻了不少，于是这头骡子每过溪水就打一个滚。泰勒斯为了改变这头牲畜的恶习，便让它改驮海绵，吸水后重量倍增，后来这头骡子再也不敢偷 懒了。

毕达哥拉斯（Pythagoras，公元前570—公元前500），希腊人，思想家、哲学家、数学家、科学家。主要成就：影响西方乃至世界的人物；第一个注重“数”的人；毕达哥拉斯定理；证明了正多面体的个数；建设了许多较有影响的社团。

▲“数”是万物的本原

毕达哥拉斯为躲避希波战争而迁居到意大利南部，在那里创建了毕达哥拉斯学派。毕达哥拉斯把“数”和几何学、弦的长度与振动状态等联系起来，认为“数”是万物的本原。毕达哥拉斯学派认为：因为有了数，才有了几何学上的点；有了点，才有了线、面和立体；有了立体才能产生水、火、土、气等元素；世界万物都是由这几种元素构成的；而自然界的一切现象和规律都是由“数”的不同所决定的。

亚里士多德（Aristotle，公元前384—公元前322），古希腊斯吉塔拉人，哲学家、科学家、教育家、思想家，著有《工具论》《物理学》《形而上学》《伦理学》《政治学》等。

▲ 地上的物体由火、气、水、土四元素构成

亚里士多德继承并发展了恩培多克勒、柏拉图的四元素说。他认为地上的物体是由火、气、水、土四元素组成的，而天体则是由第五种元素——以太构成的。他说：“……地在水中，水在气中，气在以太中，以太在天中，但天就不再在其他东西中了。”在火、气、水、土四元素的形成过程中，冷、热、干、湿四种特性起到了决定性作用，这四种特性的两两结合才构成了火、气、水、土四种元素。如火是由热与干的组合，热与湿组合则为气，湿与冷组合则为水，冷与干组合则为土等。

▲ 亚里士多德的运动观与时空观

亚里士多德提出了一系列理论自然科学的根本问题，包括物质、空间、时间、运动及其相互关系等。他认为，“没有什么在事物之外的运动”“离开事物而独立存在的运动是没有的”。他将物体的位置（空间）定义为某物体“周围的物体静力边界的最深处”，即用周围物体去定义空间位置，也即位置变化必须以存在两个物体为前提。他认为“如果没有运动的存在，又怎能有时间？”因此“时间是运动的数目，或者本身是一种运动”。

亚里士多德则把“存在”分为十大范畴，以“本体”为中心，其余为本体的数量、质量、关系、地点、时间、状态、所有、作用、倾向等。他将运动理解为广义的变化，并分为四类：①本体的运动——如生与死；②性质的运动——如白与黑；③数量的运动——增与减；④位置的运动——向下和向上或重和轻。

亚里士多德主张空间、时间与物质的连续性，即无限可分性，反对原子论。亚里士多德的哲学体系是在唯物主义和唯心主义之间动摇的。例如，一方面，他认为世界和物质是真实存在的，必须通过观察对事物进行分门别类的研究；而另一方面，他认为既然时间是计算运动的数目，就需要有计数的“灵魂”。

1.2.2　古希腊的物理学

公元前5世纪，古希腊人联合起来将波斯人赶出了希腊半岛之后，雅典由一个普通的海港城市一跃而变为古希腊的政治、经济和文化中心。这座耸立在山巅之上的城市，不仅是航运和贸易的要塞，也是艺术家和思想家聚会的场所。古希腊人在音乐、建筑以及绘画等艺术方面也都进入了鼎盛时期。经济和文化的繁花结出了丰硕的果实，在学派林立、百家争鸣的思想舞台上，众多的哲学大师相继在雅典登台亮相，他们一手创下了希腊哲学空前绝后的黄金时代。古希腊的物理成就主要体现在对于力学、光学现象的观察与思辨中，但是因为缺乏科学的实验论证，所以所得到的一些结论是片面的，甚至是错误的。

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人物小史与趣事

阿基米德（Archimedes，约公元前287—公元前212），古希腊物理学家、数学家，静力学和流体静力学的奠基人，享有“力学之父”的美称。其力学著作有《论平面图形的平衡》《论浮体》《论杠杆》《原理》等。其数学著作有《论球和圆柱》《圆的度量》《抛物线求积》《论螺线》《论锥体和球体》《沙的计算》等。

▲ 阿基米德螺旋

公元前287年，阿基米德诞生于地中海西西里岛的叙拉古城。阿基米德的父亲菲迪阿是天文学家兼数学家，学识渊博。阿基米德从小受到科学思想的熏陶，偏爱数学和物理，11岁时，借助与王室的关系，他被送到古希腊文化中心亚历山大城（今属埃及）去学习。

亚历山大城位于尼罗河口，是当时文化贸易的中心之一。这里有雄伟的博物馆、图书馆，而且人才荟萃，被世人誉为“智能之都”。阿基米德在这里学习和生活了许多年，跟随欧几里得的学生康农学习，以后又和亚历山大城的很多学者保持紧密联系，因此他算是亚历山大学派的成员。他在学习期间对数学、力学和天文学产生浓厚的兴趣。在他学习天文学时，发明了用水力作动力源的星球仪，并用它模拟太阳、行星和月亮的运行及表演日食和月食现象。为解决用尼罗河水灌溉土地的难题，他发明了圆筒状的螺旋扬水器，后人称它为“阿基米德螺旋”。

公元前240年，阿基米德决定离开亚历山大城，回到自己的故乡，这在当时是不寻常的行动，这可能是由于他与叙拉古国王希罗二世有亲属关系的缘故。阿基米德回到叙拉古，当了赫农王的顾问，帮助国王解决生产实践、军事技术和日常生活中的各种科学技术问题。

然而阿基米德并没有在平静中度过他的晚年。作为一名学者，他赢得了最大的声誉。在阿基米德晚年时，即公元前212年，古罗马军队攻陷叙拉古。当该城被破时，阿基米德对现实采取了学者的超然漠视态度，专心致力于数学问题的研究，俯身在沙滩上画出了几何图形。一个罗马士兵命令阿基米德离开，他傲慢地做了手势说：“别把我的圆弄坏了！”这名罗马士兵显然是个不懂得幽默的庸人，阿基米德不幸被杀死，终年75岁。阿基米德的遗体葬在西西里岛，墓碑上刻着一个圆柱内切球的图形，以此纪念他在几何学上的卓越贡献。

▲ 称量皇冠的难题

传说叙拉古国王希洛让珠宝匠给他制作了一顶纯金的王冠。做成后既高兴却又怀疑工匠偷了他的金子，王冠里可能有假。尽管做好的王冠跟送去的黄金一样重，但谁能保证那顶王冠没有掺银子呢?

怎样对王冠作无损伤的鉴别呢?国王把这一难题交给了阿基米德。他为此思考了许多日子，仍无结果。有一天，他前往澡堂洗澡，当他跨入浴盆时，水溢出盆外，并感到身体有点漂浮，并且，身体浸没在水中的部分越多，溢出的水也越多，同时水对身体的托力也越大。本来这是一个大家所熟知的现象，但是，这却给了阿基米德灵感。阿基米德欣喜若狂，甚至忘了穿衣服，发疯似的直奔王宫去，边跑边喊：“我找到了!我找到了!”据说他在国王和大臣面前进行了表演：他先把一块与王冠重量相等的纯金放进一个装满水的容器中，称出溢出水的重量；接着再对王冠重复上面的过程，发现溢出的水比前者多，从而说明王冠里掺进了比纯金密度小的金属。另一种说法是，阿基米德取来等重的金块、银块和王冠，分别称出它们在水中的重量，算出它们在水中减少的重量，从而找到了答案。很可能他同时用了这两种方法。随后他便发现了阿基米德原理。

▲ 如果给我一个支点，我就能把地球撬动

据说，当阿基米德专注于杠杆问题的研究时，国王责问阿基米德：“为什么你的研究只停留在学问的游戏上？你所研究的学问到底有什么用处？”阿基米德无比豪迈地回答：“如果给我一个支点，我就能把地球撬动！”一句话体现了一位科学家丰富的想象力，体现了科学家对力学定律的深层理解和迷恋，也体现了阿基米德所特有的机智和理想。当然，这个支点是很难找到的，阿基米德也无法挪动地球。但据说当时他曾设计过一套杠杆滑轮系统，把一艘巨船轻松地从港口一直拉到岸上，此举在他的国家引起轰动。国王特为此下令：“以后凡是阿基米德讲的话，务必一律听从。”

▲ 杠杆定律的证明

阿基米德首先从数学上应用几何学的证明方法对杠杆定律加以论证。他先提出七条公理（包括等重重物在等臂处平衡；不同臂时长臂占上风；等重重物平衡后一方附加重物者将占上风；等重及相似物体可用其重心相互代替等）及几条推论（若干物体的重心可由一个重心代替等），然后证明了杠杆定律。

▲ 引入重心的定义

阿基米德引入了重心的定义，并用于求出各种简单物体、平面和浮体的重心与平衡问题。在他的《论平面图形的平衡》一书中，他论述了三角形、平行四边形、梯形以及抛物线截面等的重心求法。特别值得注意的是，他首次通过重心概念将许多二次曲线截面面积问题化为平面直线图形问题加以解决，也就是利用物理原理解决数学问题。

克罗狄斯·托勒密（约90—168），天文学家、地理学家、占星学家和光学家，“地心说”的集大成者，著有《天文学大成》《地理学》《天文集》和《光学》等。

▲ 博学多才

除了在天文学方面的造诣，托勒密在地理学上也做出了出色的成就。他认为，地理学的研究对象应为整个地球，主要研究其形状、大小、经纬度的测定以及地图投影的方法等。他制造了测量经纬度用的类似浑天仪的仪器（星盘）和后来驰名欧洲的角距测量仪。托勒密有地理学著作八卷，其中六卷都是用经纬度标明的地点位置表。托勒密对世界情况比他的前辈熟悉得多，埃拉托色尼的地图东面只到印度的恒河为止，但是托勒密知道有马来半岛和“蚕丝之国”（即中国）。

在数学方面，他用圆周运动组合解释了天体视运动，这在当时被认为是绝对准确的。他还论证了四边形的特性，即有名的托勒密定理。他对光学也作过研究，认为光线在折射时入射角与折射角成正比关系。

▲ 发现入射角与折射角近似成正比关系

托勒密对光的折射现象进行了研究。他通过具体的实验，测量了光线由空气入射水中时其入射角和相应折射角的大小。他发现小角度入射时，入射角与折射角近似成正比关系，但未能由此得出正确的折射定律。

欧几里得（Euclid，公元前325—公元前265），古希腊著名数学家，欧氏几何学开创者，“地心说”的集大成者，著有《几何原本》《反射光学》等。

▲ 欧几里得和《反射光学》

《反射光学》为世界上最早的光学著作。在这部著作中，欧几里得以光沿直线传播为依据，提出了反射定律，并以此来说明平面镜和球面镜的成像；提出了视觉、视线的理论解释，给出了有关于视线的7个定义，如“从眼球发出的光线以直线传播，视线之间有彼此离开的现象”，最早论述了球面镜的焦点；知道了凹面镜的聚焦作用，凹面镜对准太阳时也能点火等。欧几里得的《反射光学》为几何光学的建立奠定了基础。

▲ 有关一块牌子

一天，一群年轻人来到位于雅典城郊外林荫中的“柏拉图学园”。只见学园的大门紧闭着，门口挂着一块木牌，上面写着：“不懂几何者，不得入内!”这个牌子是当年柏拉图亲自立下的规矩，目的是让学生们知道他对数学的重视，然而却将前来求教的年轻人给闹糊涂了。有人在想，正是由于我不懂数学，才要来这儿求教的呀，如果懂了，还来这儿做什么?正在人们面面相觑，不知是退还是进的时候，欧几里得从人群中走了出来，只见他整了整衣冠，看了看那块牌子，然后果断地推开了学园大门，头也没有回地走了进去。