1、【拓展阅读】亚里士多德与伽利略给我们的启示亚里士多德在科学上并不是一个坐在椅子上空想的学者，他对周围的环境进行了敏锐的观察。在对运动的观察中，亚里士多德注意到某些运动无需帮助即可维持，而另外一些运动只有借助外界作用才能维持。亚里士多德认为一个无需帮助的运动例子是：当你把一块石头丢下石桥，它在无明显帮助的情况下向地面落下。亚里士多德把这种能够自己维持的运动称为自然运动。除固体下落外，亚里士多德还察觉到另外三种自然运动：泻下或沿坡流下的液体，上升的气体和向上跳动的火焰。在亚里士多德看来，这四种运动代表了地球上能发生的四种自然运动。他认为，由于地球上所有的东西都由四种不同物质或元素土、水、气和火构成
2、，而每一种元素都力图到达不同的自然位置，所以就产生了自然运动。虽然亚里士多德所说的元素不同于化学元素，但元素这个词仍沿用至今，意指那些构成万物的物质。每个亚里士多德元素都有各自固有的自然运动和力图到达的固有自然位置：土元素向下运动，因为地球中心是它的自然静止位置(有学识的古希腊人知道大地是一个球)；水向下流动，因为它的自然位置刚好在土的上方；气上升，因为大气层是其自然位置；而火焰向上跳，这是因为其自然位置在气之上。亚里士多德认为万物皆由这四种元素构成，一个物体的自然运动由该物体所含的每种元素的多少而定。岩石在水中下沉，因为岩石主要由土构成；木头浮在水面，因为它除含土外还含有气；而热气上升，因为
3、它含有火。所有这些自然运动要么竖直向下，要么竖直向上。水平运动有所不同。当你沿着道路拉一辆小车，或水平抛出一块石头，或在地板上推一个箱子时，是你的活动维持着物体运动：你使小车运动；石头因你抛出而运动；你必须推这个箱子。推和拉是让小车、石头和箱子运动所必需的。亚里士多德认为，之所以需要推与拉，是因为物体必须受到强制才会背离其自身的本性行事，换句话说，才会做与其自然运动完全不同的运动。亚里士多德把所有这些强制的运动归类为强迫运动，意思是需要外界的推或拉来维持它。亚里士多德认为地球上所有的运动不是自然的就是强迫的，但是他觉察到天上的情况则完全不同。他相信月亮、太阳、行星和恒星是由地球上找不到的第五种
4、元素以太(来自希腊文，意为使燃烧或发光)构成。与地上的四种元素不同，以太没有质量，不会腐朽(不变的，永恒的)。以太在一切方面都是完美的，它的自然位置是在天空，它的自然运动是环绕地球的完美的圆周运动。这第三种运动叫做天体运动。这个理论用几条普遍原理解释了相当大范围内的观察结果。它是一个胜任的和有用的理论，并得到广泛的认可，这种情况可部分地归因于这个理论似乎言之成理。岩石的确是自动下落，为了维持水平运动的确需要推动，而天上的运动也的确与地上的运动不同。然而我们将看到，牛顿物理学与所有这些观念完全对立。亚里士多德理论支持了希腊人关于地球在宇宙中地位的另一个观念，即地球是静止的，星星围绕它运行。亚里士
5、多德物理学解释了这一切的原因：地球之所以不能运动，是因为它主要由土元素构成，其自然静止位置在地球中心；而星星做圆周运动则由以太的本性决定；地上的物体不能像星星那样运动，因为地上没有以太。亚里士多德物理学解释了地上与天上为什么如此不同。中世纪基督教哲学发现古希腊物理学和天文学与它非常合拍。地心宇宙、由可腐坏的元素构成的地球、由可腐坏和易朽的元素构成的人类、万物之自然安息位置、处于永恒的天体运动中由不朽的以太构成的完美天国所有这一切都与教会神学配合得很好。因此，一直到公元1600年前后，地心天文学和亚里士多德物理学仍在欧洲文明的哲学与文化中起着核心作用。纵观物理学发展的历史长河，我们感叹人类认识自
6、然规律之曲折、艰辛、漫长；惊叹那些在黑夜中摸索的物理学巨匠们的顽强、睿智、杰出。从古代的亚里士多德、阿基米德到物理学新时代的伽利略、牛顿，到近代物理学的奠基者爱因斯坦、玻尔一代代的物理学家所代表的人类智力的自由创造，使我们关于物理实在的图景的描绘愈来愈接近客观真理，使物理学大厦逐步地趋向完美。回顾物理学的发展历史，重温物理学家曾经经历的种种挫折与成功，犹如实施一种智力移植；通过挖掘革命性、科学性理论的创造性思路或者伟大科学家从事科学创造的思路，使我们对物理世界的认识更科学、合理，更富于创见，更机智敏捷。如借鉴历史的明镜，依据古人曾经产生过的错误，预料今天初学者脑子里会出现的影像，未雨绸缪、少走
7、弯路。让我们以亚里士多德与伽利略为例去寻求启迪吧。我们从教科书上曾经结识过这两位伟大的学者。在落体运动法则问题上、在力与运动的关系问题上，这两位时隔两千年的学者的观点的确是相去甚远。在16世纪以前，亚里士多德在物理学界享有至高无上的威望，致使人们的思维、观察和知识都紧紧束缚在亚氏所写下的那些东西上。它使人们相信地球是宇宙的中心；轻物体的自然运动是向上的；重物体的自然运动是向下的，越重的物体下落得越快；天体物质的自然运动则是围绕宇宙中心旋转的；这些自然运动无需外力作用；非自然运动的那些物体都是由于有外力迫使；力是维持物体非自然运动的原因；马车沿着马路行驶当然得由马来拉动；推一个物体的力不再去推它
8、，原本运动着的物体自然便停下来亚里士多德的观点与最简单的经验事实那么吻合、与人们对事物的理解程度那么相符，所以曾一代一代地被奉若神明，视作人类知识的巅峰而保持了千百年。大自然的真谛隐匿在黑夜中，谬误使人们困惑、迷茫，人类在混沌中摸索伽利略伟大的工作，从根本上改变了人们关于运动问题的概念，使物理学进入了新时期。伽利略运用科学的研究方法，在几十年时间里研究落体运动，研究力与运动的关系，得出了与亚里士多德截然不同的结论。现在我们知道，任何物体总保持静止或匀速直线运动状态不变，直至有外力迫使物体改变这种状态为止；匀速直线运动或静止才是物体的自然运动状态，力则是导致物体改变自然运动状态的原因；自由下落的
9、物体“下落速度与下落时间成正比”。伽利略是划时代的物理学家，正如爱因斯坦所言：伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。物理教科书上，亚里士多德给同学们的印象不好，他老是出错，老是作出一些轻率的结论。同学们觉得亚氏实在太不高明而伽利略则比他伟大千百倍。事实上，亚里士多德是古代一位伟大的学者，一位百科全书式的大学问家，他有着成就事业的理性方法，又有几乎无所不及的思想成果，他在哲学、逻辑学方面的成就至今还被应用着，不过他在物理学中却的确是错误百出并且谬种流传，整整贻误物理学二十个世纪。亚里士多德的悲哀不在于头脑，也不全在于时代，而在于研究方
10、法不当。亚里士多德的物理研究方法有什么特点呢？或许可以用“观察加直觉”来概括。亚里士多德观察了众多的自然现象：火焰向上窜、石头往下落、马车要马拉着跑、尖厉的声音传得远于是便依赖于直觉推理得出一系列直觉结论。固然，观察与直觉对物理研究是至关重要的，详实的观察与良好的直觉往往导致伟大的发现，观察使人脑累积事物的形象，形成一种潜知，直觉的想象、鉴别与启发便使这种潜知的信息外传。阿基米德巧解王冠之谜发现浮力规律、牛顿由苹果落地而及月亮乃至天地万物间的引力，就是亚里士多德本人也曾从观察月食现象而正确判断地球是圆球形的。然而，物理学更是一门以实验为基础的科学，所以根据直接观察所得出的直觉结论常常是不可靠的
11、，它们有时会将人们引入歧途，将“观察加直觉”作为物理研究的基本方法，这也正是亚里士多德物理学的失败之所在。伽利略是第一位创造通过实验检验理论推导的科学研究方法的科学家。他崇尚“实验加推理”，他拒绝听信任何未经实验的科学思想，哪怕那是来自于教堂或权威。伽利略用尽毕生的精力探索落体运动的规律，他首先通过落体佯谬的思想实验，否定亚里士多德的重物下落快的结论。通过观察棉花、羽毛等在空气中落下，伽利略曾经提出过落体速度与密度成正比例的法则，然而通过科学的推理，使伽利略认识了不易察觉的空气阻力，从而发现了自己最初的法则的错误，并猜想到在没有空气阻力的情况下，一切物体都在同样地增加着速度。为了建立真正的落体
12、法则，伽利略仔细地用实验研究了摆的运动和小球在斜面上的运动，严格地定义了匀变速运动，设计出了精密的时间测量方法，尽量地消除各种阻力的影响，运用数学工具最终找到了物体下落速度与下落时间成正比的正确法则。伽利略的贡献不只是建立了一个新的法则，而且将物理学研究推向正确的轨道，从此开始了物理学的突飞猛进。亚里士多德与伽利略的故事告诉我们，知识就是力量，而能力与方法比知识更有力量。我们每个人都同样地拥有一个健全的大脑，我们每个人都应该可以像伽利略那样去思索。重要的是学会认识世界的方法和具备进行科学研究的能力。如若我们能从亚里士多德和伽利略以及其他各位伟大学者的失败与成功中寻求启发和借鉴，我们也将会拥有一颗杰出的闪烁着智慧之光的大脑，去容纳经典的与现代的物理知识，去面对已知的与未知的物理世界
