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现代自然科学导论 ――物理学―― 第二章 经典物理学大厦 图2.1，亚里斯多德 10、日常的经验和亚里斯多德的推论 公元前384年，亚里斯多德出生在希腊北方的史塔吉拉城，他的父亲是马其顿国王的御医17岁时，亚里斯多德来到雅典，进入柏拉图创立的学园一待就是二十年公元342年，亚里斯多德应马其顿国王菲力普二世的邀请，担任年仅14岁的王子的宫廷。这位王子就是后来继承马其顿王位，并建立一个横跨亚、欧、非三洲的大帝国的—亚历山大大帝。认为物体只有受到推力的时候才运动，推力一旦消失，运动就停止；“凡是的物體，一定有推动者在推着它若你看到一个东西在移动，你就会寻找一个推动它的东西(像是我们的手、身体)。当没什么东西推它时，它就会停止是一個推着一个，不能无限制地追溯上去，必然存在第一推动者”中古世纪的基督教说“第一推动者”就是指上帝坚持说，重的物体比轻的物体下落得快；他主张地球中心说，认为地球是宇宙的中心；希腊字φ vois （自然）一词的宇宙的中央就是地球，地球上的物质，是由四种“原素”所组成，它们分别是泥土(Earth)、空气(Air)、火(Fire)和水(Water)。在亚里士多德的物理学中，四种原素都有各自的“恰当位置”(Proper Places)，而“恰当位置”则由原素的重量所决定。每种原素均自然地以直线，移向自己的“恰当位置”，然后停下来，例如：泥土向下、而火向上。故此地球上的最终会停止。用这个理论几乎能解释当时所观察到物质的属性和变化。囚于羑里亚里斯多德研究，包括了现在学科的哲学、物理学、生物学、天文学、大气科学、心理学、逻辑学、伦理学、政治学、艺术美学，几乎是涵盖了所有的领域，亚里斯多德的著作超过170种，被保留下来的仅仅是少数的资料。至于他对于自然科学的贡献，他摆脱柏拉图的《理念论》，把自然当作科学研究的客观对象，并进行科学分类，使得自然科学与社会科学逐渐演变成为许多独立的学科。在科学的方法论上，他开创了逻辑学，提出他所谓的四个公理：同一性定律、矛盾率、排他律、充分理由定律，并确定了概念、判断、推理等逻辑形式。他最先提出归纳和演绎两种方法，强调以数学体系与逻辑推里来证明科学的原理。这样的基本理论观点，促进了往后科学的发展，最明显可见的是，在他的影响下，出现了欧几里德的名著《几何原理》。而且亚里斯多德当年所使用的许多专有名词，至今仍被教科书所使用。 图2.2，伽利略 中世纪欧洲的基督教为了表明基督教义在民众心目中至高无上的地位，借用了古希腊思想家们的论述，论证了上帝的存在。如：造成宇宙万物运动的第一推动就是上帝。显然，这里就借用了亚里斯多德的思想。由于亚里斯多德全方位各领域巨大的思想成就，加上被宗教借用其思想的说教，亚里斯多德的运动论也就成了不可动摇的经典。 但人类天赋的思想自由并不都会被锢桎，总有人在思考着他所看到的、观察到的事实。如果这人正好有着非同常人的观察能力和孜孜不倦探究精神，那就有可能得出更能反映真实的结论，伽利略(Galileo)就是这种人中最出类拔萃的一位。 图2.3，比萨斜塔 1589～1591年间，伽利略对落体运动作了细致的观察。从实验和理论上否定了统治千余年的亚里士多德关于“落体运动法则”确立了正确的“自由落体定律”，即在忽略空气阻力条件下，重量不同的球在下落时同时落地，下落的速度与重量无关。伽利略晚年的学生V.维维亚尼记载，落体实验是在比萨斜塔上公开进行的年轻的比萨大学数学教授伽利略，邀请比萨的一些学者和大学生来到斜塔下面，他和他的助手登上斜塔，让一个重一百磅和一个重一磅的铁球，同时由塔上自由下落，轻的和重的几乎同时落地。伽利略把实验重复一次，结果仍然相同。伽利略的实验，动摇了亚里士多德在物理学中长期占统治地位的臆断，在观众中引起了极大的震动。触怒了比萨大学里亚里士多德学派的信徒，他们攻击伽利略胆敢怀疑亚里士多德，必定是圣教的叛徒。伽利略被赶出了比萨大学，但他由于这个实验发现了自由落体定律 图2.4，伽利略的斜面实验 伽利略1564年2月15日生于比萨，伽利略1572年开始上学，1575年随家迁居佛罗伦萨进修道院学习。1582年前后，他经过长久的实验观察和数学推算，得到了摆的等时性定律。1589年被聘为比萨大学的数学教授1591年到威尼斯的帕多瓦大学任教。离开比萨大学期间，他深入研究古希腊学者欧几里得、阿基米德等人的著作。他根据杠杆原理和浮力原理写出了第一篇题为《天平》的论文。不久又写了论文《论重力》，第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式，因此声名大振。帕多瓦大学任教，并进而提出了速度变化率即加速度的概念。 图2.6，夏夜星空。 伽利略的伟大还体现在他的天文发现。四百多年前荷兰一个小镇上的一名玻璃工匠偶然发明的望远镜，使得天文观测迈上了一个非比寻常的台阶。伽利略一听到那