《物理学原理（第一卷）时间、空间、质量》

第二章 古希腊文化中的物理学

§2.2 亚里斯多德关于物质和运动的观念

对于亚里斯多德的物质与运动观念的批判在我年轻时代就有极为深刻的印象，它还使比萨斜塔成了我们一代人心中的科学圣地。实际上那个使万人空巷的两个铁球同时着了地的比萨斜塔的试验，也只是为了批判基督教会的一种假想。它并不能使人认识清楚亚里斯多德关于物质和运动观念的实质。其实亚里斯多德的关于物质与运动的观念，并不是那样可笑的一种迷信，而是人类在那个时代的对自然界的一种最普遍认识，其中很多观念对现代的物理学家还是很有启发意义的。

在亚里斯多德的时代，人们还无法准确地描述运动，人们对于时间和空间的概念是一步一步建立和完善起来的。古希腊的科学家更准确地建立了关于空间的观念，对于空间作了更详细的研究；而同时代的古中华文明则更细致地测量和讨论了时间的概念。但是同样都无法把时间和空间联系在一起。亚里斯多德关于物质和运动的概念就是那个时代人类思维能力的集中体现。它是以空间概念为中心，在对于时间和空间相互独立的逻辑框架中所建立起来的人类第一个对自然界的完整的描述，尽管这一描述以后很多地方都需要改进，但是直到现在，哪一个物理框架不会被改变呢？

因为这个物理世界是在与时间无关的独立的空间框架内建立起来的，所以它对于物质和运动的描述也必须适合这一框架。现在重要的不是去批判亚里斯多德的物理观点，每一个时代的人都有自己对物理世界的看法，这些看法总是要被下一个时代的所代替。要说他们错了，确实这样，但是代替它的看法何尝就是对的呢，行星沿圆轨道不对，沿椭圆轨道又何尝对呢。就是我们今天的物理学权威们对于宇宙和物质运动的理论就比亚里斯多德的高明了吗？确实牛顿的模型总体说来比亚里斯多德的理论模型好多了，但有的地方却不得不倒退了，爱因斯坦的理论总体上改进了牛顿的某些缺陷，但在另一些方面也比牛顿的更混乱了，但是这些理论总体上又是人类知识的发展。到爱因斯坦的某些继承者那里，一些不合理的地方被无限度的发展了，现代物理主流学者对于宇宙和物质运动的观念实在比亚里斯多德的模型还要矛盾百出和荒唐。人类科学和文化都是从远古的丛莽中一步一步走过来的，虽然我们无法获知这些知识的源来自哪里，但是我们却可以从自然科学的发展历史中，了解到人类对于自然界的认识是怎样从比较简单的、粗糙的、近似的一步一步的向着比较复杂的、细致的和精确的方向前进的。只有深刻了解这种一步一步的发展过程，才能够把握住自然科学发展的正确方向。

亚里斯多德时代对于宇宙的描述就反映了当时人们对于自然界的认识水平，这就是以几何学为中心的物理框架，对于物质和运动也基本上纳入这样一个基本的逻辑框架。所以对于物理世界，实际上只能描述静止或不变的运动状态——均速圆周运动和均速直线运动。当时还不可能有瞬时速度的概念，在希腊和在中国一样，那时候正在争论着“飞矢不动”和“兔子是否能够赶上乌龟”那样的一些悖论命题。由于无法准确测量运动，因而也无法讨论认识运动的原因，而把宇宙的运动状态的描述统统归到物质和空间的性质上去了。所以我们应特别注意亚里斯多德对于物质的复杂性质的假说， 当亚里斯多德的物质运动理论被伽利略和牛顿的更精确的理论所代替的时候，他的关于物质的复杂性的概念也同时被抛弃了。而现在物质的复杂性则又为越来越多的科学家所关心了。

亚里斯多德认为，地球是宇宙的中心，也是物理学的中心。重物体应该落到地球上，而轻物体则应当向上升起。亚里斯多德写道：

“我把那些在没有干扰的条件下总是向上的运动的东西称作轻物体，总是向下运动的物体称作重物体”。

“……地球的自然运动，与其各部分的运动一样，是朝着宇宙的中心的，这也就是为什么地球现在位于宇宙中心的原因……象火之类的轻物体，它的运动与重物体的运动方向相反，他趋向于宇宙的边缘。”

亚里斯多德认为，宇宙是封闭的，它由球面天幕包围着，天幕里面充满了空气、土、火、水以及天体物质。所有的行星、太阳与月亮都位于天边旋转，它们之间的空间充满着“ plenea”——一种类似于以太，像空气一样透明的物质。

除了那些其自然运动方向朝上，或者朝下的物体之外，亚里斯多德还引入了一种天体物质 (即组成星球与行星的物质) 的概念，它们的自然运动是环绕宇宙中心的旋转。这样，他把所有的运动形式分成两组：自然运动，即取决于物体本质，而不需要任何外部作用的运动；受力运动，即与物体本质无关，而取决于外力的运动。

亚里斯多德用以建立其宇宙的那些元素的相互差别，主要不在于它们的物质内容，而在于它们的自然运动的特性和在空间占据不同位置的趋势，按照亚里斯多德的理论，如果物体不是处于其自然运动状态，这就意味着有外力作用在物体上。例如沿着马路行驶的马车没有朝着中心作自然运动是由于马给了它作用力。而星球和月亮绕地球旋转却不需要任何力，因为它们是由天体物质组成，并处于自然运动状态。因此，物体占据的位置具有绝对的意义；宇宙的中心不同于它的外缘。这便是物体的空间几何位置于与其运动性质之间的基本联系。

当然亚里斯多德关于运动的观点也像他的宇宙模型那样被牛顿力学的物理框架所代替了。但是并不是像以前我读中学的时候所告诉我的那样：亚里斯多德认为从比萨斜塔上抛下两个大小不同的铁球，如果大球比小球重一百倍，它的下落速度也要比小球大一百倍，伽利略在比萨斜塔上同时抛下两个大小不同的球，结果是两个球同时着了地。在每一个特殊的历史时期里，为了把某种特殊的人或事物造就为万众崇拜的偶像，总是会宣扬一些似是而非的“科学道理”。在我成长的年代尤其是这样，要澄清这些似是而非的“科学道理”，真是比什么都困难。这大概就是我对物理学发展的历史细节特别感到兴趣的原因。还是让我们来看一下库珀 ^[9]对于这个问题的论述：

亚里斯多德的物理理论是对那个时期的观点的系统化，亚里斯多德对事物的理解程度也就是这些理论与事实符合的程度。亚里斯多德所引用的现象是很简单的。例如：为了在一条平坦的路上拉车，马需要不断地用力；或者，一块石头落到了湖底。由这类现象可以直接得出这样的结论：为了拉动马车需要用力。重物体比轻物体下落的快。看来，唯一不需外力作用的几种运动是物体下落 (如果它们是重物) 、物体升高( 如果它们是轻物) 和环绕地球旋转( 如果它们是由天体物质组成的) 。沿直线以恒定速度运动的物体( 如马车) 应当受外力的作用。因此，亚里斯多德从来没有研究过我们现在所说的摩擦和阻力，也没有把它们看作是不同于运动的力。直到最终弄清楚了力和运动之间的区别之后，才出现了惯性的概念，并形成了关于运动的现代的观点。

从这里可以看出亚里斯多德只是描述了当时人们所观察到的最简单的那些运动现象——匀速直线运动和圆周运动现象，其实又不是真正的匀速直线运动和圆周运动，而只是近似的匀速直线运动和圆周运动。在亚里斯多德看来匀速圆周运动是“自然运动”，因为天体的运动在当时看来是一种比较准确的圆周运动，而匀速直线运动是与某种力相联系的运动，所以是不严格的运动形式。现在我们知道，在那种情况下，外力总是与阻力相等，而阻力在大多数情况下都随着运动速度而增加。所以亚里斯多德对于力与速度关系的论述是人类认识运动过程中的重要的一步。对于阻力当时的人们自然是无法认识的，我们现在又何尝有正确的认识呢？ 2005年，当阿丽亚娜飓风由西向密西西比河口袭来，几百公里处转向了东方，人们正在庆幸的时候，飓风又突然转折回来，直奔纽奥尔良把一个百万人的城市变成了泽国。在 21世纪的科学技术最发达的国家，有上千颗注视着大气和海洋运动的卫星，有上百亿次的快速计算机处理着所采集到的海量数据，但是他们除了能告诉人们世界各地的当时的气象是怎样的，或许根据现在的气象状况能够告诉你以后一段时间，天气可能会怎样，他们又能告诉你天气为什么会那样变化，以后会怎样变化和飓风为什么会突然转折吗？当然这样说，我们并不是要否定几百近千年来现代科学的进步，要想否定的只是近代的偶像崇拜，那种以科学为旗号的偶像崇拜。回到亚里斯多德的时代，那时候实际上从来也没有讨论过自由落体的问题，因为讨论这类问题的前提还不存在：

亚里斯多德认为，由于媒质的阻力，下落物体的速度应当变小。但是，由此应当得出这样的论断：在没有物质，也就没有任何阻力的真空中，所有的物体将以同样的速度下落 (不排除速度为无限大的可能性 )。然而亚里斯多德否认这一点，因为他试图把各种各样的自然运动与一定的宇宙元素——轻的火、重的土——联系在一起。因此，他断定真空是不可能存在的。卢克莱修曾以另一种形式简短地叙述过这个证明：

“所有物体在水中或稀薄空气中下落时，都应当与其重量成正比例地加速自己的下落，因为致密的水和稀薄的空气对不同物体阻滞是不一样的，它们只能对较重的物体比较快地腾出空间。但是，另一方面，真空不能支持任何东西……因此重量不同的所有的物体，在真空中运动的速度肯定不会相同。”

很难说，到底亚里斯多德认为什么东西不可能：是由于他认为物体下落速度与重量成比例，所以真空的存在是不可能呢？还是所有物体不可能在真空中以同样速度下落？在随后的物理书中解释运动时，没有任何地方再提到他的论据。但是这些论述，特别是如果从最不利的角度来看，它们似乎是亚里斯多德及其注释者所锻造的物理学这个庞大锁链中最薄弱的一环。也正是这一环节遭到了无情的抨击。随着时间的推移，批评越来越尖锐。例如伽利略以如下的方式转述了亚里斯多德的这个论点：“从 100肘高处下落的 >100磅 重的铁球，比1 肘高处下落的 >1磅 重的铁球要先到达地面”。为了使人们尽快地摆脱这种错误观点，这种尖锐性是极为需要的。因为几百年来，因为这种错误观点一直控制着亚里斯多德著作的注释者们。其实伽利略和西蒙·斯捷文揭穿的不只是亚里斯多德，同时也揭穿了与伽利略他们同时代的学者们以及他们的先辈们。因为几百年来这些人一直使自己的思维、观察和知识紧紧束缚在亚里斯多德所写下的那些东西上。

从这里可以看到古希腊人实际上没有讨论过自由落体的速度问题，那个时代还说不清楚这样的问题：从卢克莱修的叙述中，他们所谓的较重和较轻的物体实际上是对同样体积而言的，在那个时代他们不可能看到在真空中鹅毛那样的轻的物体能够和钢铁那样重的物体以同样的速度下落。并不是亚里斯多德说过大小不同的铁球会以不同速度下落，那时候还没有讨论这个问题的观察能力。伽利略对那种观点的尖锐批判也是需要的，它主要是对一千五六百年以后的那些同时代人的。亚里斯多德在那个问题上确实没有把那个事情讲对，在他的年代也只能这样；但是在伽利略时代，在发现了宇宙运动模型的开普勒定律以后，为了打破亚里斯多德理论框架中的错误观念就不得不对坚持亚里斯多德运动观的那些经院派的权威们进行尖锐的批判了。只有改变亚里斯多德的以空间作为描述运动依据的观念，才有可能诞生牛顿的理学世界。

但是同时我们还应该看到，在建立牛顿的物理学模型后，在某些问题上人们的看法反而不如亚里斯多德了。特别是在物质多样性的观念上，虽然亚里斯多德的物质多样性的具体描述并不准确，但是现在，从牛顿以来的必须用一个同样的方程式来描述所有物质运动规律的观念已经越来越成为科学发展的障碍。我们不得不重新回到物质多样性的概念上来。这就是人类认识发展过程的曲折性 。