物理科学从天而降

最早的物理学解释 　　夏天的一个傍晚，大片浓密的黑云，像铅色的幕布一样，笼罩着天空，隆隆的雷声此起彼伏，闷热的空气受到即将到来的大雷雨愈来愈强烈的震动。 　　幽暗降临着大地，浓云密雨劈头盖脸地砸下来，狂风暴雨摇撼着人们的灵魂。那倾斜的雨线，扯天扯地的垂落，向大地射出无数的箭头。 　　几分钟，天地已分不开，空中的河往下落，地上的河横流，成了一个灰暗昏黄，有时又白亮亮的一个水世界。 　　慢慢地，雨点由稠密变得稀疏，往东看，在一瞬间，一个弧形的半明的彩虹架在暗云中间，雨脚在那方一道道地下垂着，像是彩虹边倒挂的匹练。 　　那彩虹颜色鲜艳，紫色特别显著，只是长虹一端残缺不全。站在教堂门前的牧士和信徒们，望着雨过复晴的晚空，喃喃祈祷着，手在心口上不住地画着“十”字。 　　你知道这是怎么回事吗？ 　　原来这些信徒们看到彩虹出现，认为是上天给他们带来好运，但又看到彩虹残缺不全，以为是上天有意要惩罚有罪的人们。于是他们便祷告着。 　　其实，这是最常见的一种物理现象。古希腊著名学者阿那克西曼德说： 　　“风是空气的一种流动，因为空气的最轻和最湿部分为太阳所发动或膨胀起来。当太阳的光线投射在极浓厚的云上时，便产生了五光十色的七彩虹。” 　　这说明阿那克西曼德已经知道彩虹产生的原因，它只是一种普通的现象，而不是上天创造用来奖赏或惩罚人类的。 　　就整个物理世界来说，古希腊人有过许多精彩的议论，他们对具体的物理现象也作过不少认真的研究，取得了一些成果。 　　米利都派的学者们已经注意到了一些物理现象，发表过一些看法。如泰勒斯说到磁石吸铁，他从他的哲学出发，认为那是因为这块磁石有灵魂。但是琥珀摩擦能够产生静电的这一功劳应该归功于他。 　　毕达哥拉斯派是着眼于从数的角度来研究物理科学现象。他们对于琴弦的长度与音律的关系的研究，取得了很好的成绩。 　　他们考查了同张力下不同长度的琴弦的音调，发现两弦长度之比为2∶1时，两弦能产生谐音，亦即相差8度，若长度之比为3∶2时，两音相差5度，等等。 　　总之是要使音调和谐，弦长必须是简单整数比。这个发现似乎更支持了他们的哲学的合理性，使他们对宇宙间数的和谐，更加深信不疑。 　　自然科学家恩培多克勒（前493～前433？）似乎很善于观察也富于想象力，他是不认为自然界会有虚空存在的。 　　他有次在做试验中发现，上端密闭的管子插入水银中，水银不能进入管子的情形，他说这是因为管子中的空气的重力，堵住了想进入的水银。 　　他说：“听觉是外面的声音造成的，当语言所推动的空气在耳朵内鸣响时，便产生了听觉。”“空气振动时，便打击坚硬的部分，产生出一个声音来。” 　　他还认为，光是发光体的一种极为精细的流出物，它通过细微的孔道进入我们的眼睛，我们便能看见，光的传播是需要时间的，在一定的时间内才能到达我们的眼睛。 　　对于磁性，他也用类似的想法来解释。他说，铁块被磁石吸住，是由于铁块中的某种流出物大量流向磁石中的细微的孔道造成两者相吸的。 　　而古希腊的“第一个百科全书式的学者”德谟克利特对物理现象的解释则带有更多的猜测性。 　　如关于光，他说那是“从一切物体上都经常发射出一种波流”，“在眼睛和对象之间的空气由于眼睛和对象的作用而被压紧了。就在眼睛上面印下了印子”，这就是视觉。 　　他还说：“颜色并不是本身存在的，物体的颜色是由于（原子）方向的变化。” 　　关于磁现象，他认为“磁石和铁是相类似的原子构成的，但磁石的原子则更精细。磁石比铁较松并且有更多的空隙。” 　　因为运动是永远趋向相类似的东西的，铁的原子向外扩散而流向磁石，铁也就被拖向磁石了。 　　思培多克勒和德谟克利特对磁现象的解释虽仍远离科学，不过比起泰勒斯的解释，已是前进一大步了。 　　下面，我们来介绍那个时期，最有影响的人物亚里斯多德是怎样解释物理科学的。 　　亚里斯多德是古希腊第一个最认真的研究物理现象的人。他的《物理学》也是世界上最早的物理学专著，尽管那时物理学的含义与现代的说法不尽相同。 　　亚里斯多德着力研究的是力学方面的问题。我们已经知道他认为月亮以下的世界的物体，都有重者向下轻者向上的自然运动，要改变它们的自然状态，就得有外力。 　　但外力一消失，物体就立即恢复它们的自然状态，即或者静止不动于其自然位置，或者垂直上升，下落以恢复其自然位置。 　　亚里斯多德反对虚空观念，认为物体在空间的运动，也就是在某种介质中运动。物体的运动与作用于其上的力成正比，而与它所受到的阻力成反比。 　　他把外力的作用与物体的“非自然”运动这样联系在一起，那么他又如何解释，抛物体在离开抛物者以后仍能运动一段距离呢？ 　　他说，物体刚离开抛物者那个时刻，由于它正向前冲而排开部分介质，就在它的后面造成一个虚空，自然界是不允许虚空存在的，周围的介质便立即填补这个虚空，于是这些介质，又对物体形成了一个向前的推力，物体因而得以继续前进。 　　但当该物体所受的阻力与推力相等时，它的非自然运动就停止了，抛物体就立即恢复它的自然状态了。 　　亚里斯多德似乎可以自圆其说，但他的认识与实际相去甚远。 　　对于自由落体，他认为较重的物体下落速度要快一些，理由是它冲开介质的力比较大。当然，这种认识也是错误的。 　　亚里斯多德的物理学没有科学试验的基础，他的结论基本上是不正确的。他的错误认识也曾在很长的时期之内，严重地束缚着人们的思想。 　　不过，他的工作终究是人类对机械运动所作的最早的认真的分析，在这个意义上来说，他的历史功绩也是不应轻易抹煞的。 　　古希腊人也很早就用凹面铜镜聚焦取火，玻璃透镜的使用也很早。 　　我们还知道古希腊人对光和视觉的一些看法，而把对光的研究建立在科学基础之上的则是欧几里得。他的著作《光学》和《论镜》，被认为是最早的光学专著。 　　欧几里得进行了许多光学试验，并且应用几何学方法来加以研究。他已经弄清楚了光的反射定律，即入射角与反射角相等。他还研究了凹、凸面镜的反射。 　　对于视觉的认识，他却是后退了一步，他不认为是物体发出的光进入眼睛而产生视觉，却认为是眼睛发出一种无形的触须般的“视线”与物体接触，而使人看见。 　　水往高处流 　　有一天，少年阿基米德和同学们乘着木船，从尼罗河顺流而下，兴致勃勃地测览着尼罗河两岸美丽的风光：清新的空气，温柔的风，茂密的树木，肥沃的农田。 　　正是这次旅行，使阿基米德发明了他的第一件作品：阿基米德螺旋提水法。 　　原来埃及人一直用尼罗河水灌溉农田，但是河床低，农田地势高，农民们只好手提肩挑，拎水浇地，又吃力又费功夫。 　　阿基米德看到这一情形后，心想：如果有一种东西，使水能够向高处流，那该有多好？但是，怎样才能做到呢？ 　　他回住处后，便着手这件作品的研究，经过一个多星期的认真测算，他终于画出了这件物品的草图。 　　阿基米德找到木匠，向他比划着：“这是圆筒，这是螺杆……” 　　木匠好半天才弄懂这件物品的结构，几天后，聪明的木匠居然按照阿基米德的草图把物品做了出来。 　　阿基米德眯着眼睛看了看，又摇摇手柄，拍着木匠的肩膀，说道：“嗯，还行。” 　　于是，阿基米德扛着这个怪玩艺，走向农田的庄稼地。 　　他把螺杆的一头放在河水里，安了手柄的那头放在岸上，轻轻地向着一个方向不断的摇动手柄，只见河水咕咕噜噜地从怪物的顶端冒出来。 　　一个显然不可能的奇迹发生了：水往高处流！ 　　农民们放下水桶，争着来看阿基米德的发明，既省力又省时间，大大地减轻了劳动强度。农民们把阿基米德抛向天空。 　　螺旋抽水机很快地从埃及传到外国，人们不仅用它来提水灌溉土地，还用来排积水，扬谷粒，扬沙子。以后这个机械就被称作为“阿基米德螺旋提水器”。 　　直到今天，有的地方还在使用阿基米德螺旋提水器。至于飞机、大船的螺旋桨，甚至小的螺丝钉，那都是阿某米德螺杆的后代。可见，它影响至深至远。 　　时代精英 　　古罗马帝国时期，出现了一位科学家卢克莱修（约前99～约前55）。他虽然没有阿基米德那样才华横溢，但他是那个时代那个时期的精华。 　　卢克菜修生于罗马，是哲学家德谟克利特的忠实信徒。著有长诗《论物性》，全诗共6卷，7000余行。 　　在这本书里，卢克莱修描写了自然界的各种现象，总结和反映了当时自然科学的成就，同时阐述了原子唯物主义思想。 　　他认为世界上除了永远存在着的由微小不可分的微子——原子组成的物质外，没有任何别的东西。宇宙是无限的，是由无数永远产生着、发展着和灭亡着的世界所组成。 　　世界上物的多样性只不过是物质籽子即原子结合的多样性。物的消失只是原子的分离，但没有一个原子可以被消灭。 　　在认识问题上，卢克莱修承认世界的可知性，主张感性知觉是认识外部世界的唯一源泉。各式各样的原子——圆形、棱角形、粗糙的、光滑的——作用于人的感官而引起各种不同的感觉。 　　卢克菜修是无神论者，他批判了宗教偏见，认为宗教是人类罪恶之渊。宗教的根源在于人们害怕尚未认识的自然现象。 　　世界上最初的神是由于恐惧心理所造成的，只要向人们解释自然现象的真正原因，宗教偏见就会消灭。 　　卢克莱修的观点在当时人们还未完全摆脱宗教的束缚时，是一种科学的论断，是唯物主义的具体表现。 　　到了古代阿拉伯时期，著名学者比鲁厄很认真地研究过物质比重问题，他相当精确地测定过18种宝石和金属的比重。他还曾以连通管的原理来解释地下的天然喷泉。 　　著名的科学家哈兹尼（闻名于1115～1121）则继续从事比鲁尼测定比重的工作，编成了一个包括许多种固体和液体的比重表。 　　他注意到水的比重与温度有关，还认识到空气也有重量，认为阿基米德浮力定律在空气中同样适用。 　　他经过研究分析，他说：大气的密度与高度有关，越靠近地面越大，反之则越小，所以物体在不同高度称量时，所表现出来的重量并不相同。 　　他因此而提出了一个在物理科学上很重要的思想，即物质的量和它的重量不是同一的，两者成正比关系。 　　古代阿拉伯人在光学方面做了更多的工作，肯迪（？～873？）是一位学识广博的学者，据说他写过361种著作，但这些著作大都失传。他的主要著作之一是关于几何光学和生理光学的，曾有拉丁文译本流传于欧洲。 　　古代阿拉伯最著名的光学著作是伊本·海赛木（965～1039）所著的《光学》。 　　在这部著作中，海赛本批判了欧几里得和赫伦的错误观点，正确地指出人之所以能够看见，是物体发出的光线进入眼睛所致。 　　他作了大量光学试验，认定光线在不同介质的界面上折射时，入射线，折射线和法线在同一平面之上。他不同意托勒密所说的入射角与折射角成正比的意见，不过他也未能找到正确的关系式。 　　海赛木还研究了球面镜、抛物面镜以及球面象差的问题，知道了平凸透镜的放大作用，正确地解释了太阳和月亮在接近地平线上时，看起来要比在空中大些的原因。 　　海赛木的著作很早就被译成拉丁文而流传，欧洲中世纪所有关于光学的著作几乎都受到它的影响。海赛木的工作实际上为近代光学的研究奠定了基础。 　　总之，物理学的发展自亚里斯多德和阿基米德之后，便陷于停顿。只有在阿拉伯时期，才又有了新的起色。 　　古代印度的主要成就是在天文学、数学、医学等科学领域，他们也有许多其他技术文明，例如，他们是世界上最早种植棉花的国家。甘蔗在公元5世纪就已大面积种植。 　　公元前710年，古印度人就会制造银币，公元前330年，就会炼钢。他们在造船、航海等许多方面的贡献也很突出。