1、第二章 西方古代物理學一. 古希臘的自然觀二. 古希臘的物理知識三. 中世紀的物理知識 公元前8世紀在歐洲誕生了光芒四射的古希臘文明。隨著羅馬帝國的滅亡，宗教的殘酷統(tǒng)治，公元5-10世紀歐洲進入黑暗的中世紀，科學、文化受到極大摧殘。從11世紀起，隨著“十字軍東征”，文藝復興運動開始，歐洲的科學文化開始復蘇，近代科學逐步孕育。一. 古希臘的自然觀 歐洲文明源自古希臘，從公元前8世紀到公元4世紀，史稱“古希臘時期”。這個時期，古希臘學派林立、智者云集，包括科學在內(nèi)的希臘文化達到了奴隸社會的顛峰。（一）世界萬物本原樸素元素論 米利都學派創(chuàng)始人泰勒斯（約前624-前547）認為萬物本原是水，萬物生于水

2、又復歸于水。 其學生阿那克西曼德（約前610-前546）提出一種“無限者”（或“無定”、“不固定者”）作為萬物本原。 后者的學生阿那克西米尼（約前585-前525）則以實實在在的“氣”作為萬物本原。 之后的赫拉克利特（約前540-前475）又把富于變化的“火”作為萬物本原。 也有學者認為萬物的本原是多種元素。 恩培多克勒（約前490-前430）提出了“四根說”，即土、水、氣、火四種元素。這四種本原以“愛”和“恨”相吸或排斥而結合成萬物，萬物的變化就是這四種元素的分離與重新組合。 古希臘的元素論到了亞里士多德（約前384-前332）才算有了定論。他認為地上萬物由輕重不同的土、水、氣、火四種元素組

3、成，天體由神圣純潔的以太組成。他提出元素由冷、熱、干、濕四種基質(zhì)結合而成。四種元素不同的結合構成世界萬物。亞里士多德對空氣、水、土、火四種元素的定義2 古代原子論 原子論的創(chuàng)始人是米利都學派的留基伯（約前500-前440）和他的學生德謨克利特（約前460-前370），一百年后，伊壁鳩魯（約前342-前270）發(fā)展了原子論的思想。3 畢達哥拉斯學派“數(shù)的和諧” 公元前6世紀至公元前5世紀，畢達哥拉斯（約前584-前497）創(chuàng)建了古希臘哲學中很獨特的一個學派，這是一個研究數(shù)學與宗教的秘密結社，公元前5世紀分裂為科學派和宗教派。 畢達哥拉斯學派反對物質(zhì)元素是萬物本原的觀點，認為數(shù)是獨立于物之外的實質(zhì)

4、，數(shù)是萬物本原，“萬物皆數(shù)”，“數(shù)支配著世界”，“萬物的本原是一”。 他們認為1是同一，是普遍的由1可以產(chǎn)生2，產(chǎn)生出各種數(shù)；2是意見，是1的對立物；3是實在與圓滿，所有的一切都由3決定；4是主義；10是靈魂與理性，10=1+2+3+4，包括了數(shù)的全部本性。由數(shù)可以產(chǎn)生幾何上的點、線、面、體，有了體才可以火、氣、水、土元素，從而產(chǎn)生萬物,數(shù)在物之先，數(shù)是事物的終極原因。（二）對宇宙的認識1 米利都學派的泰勒斯認為地象一個圓盤或圓桶浮在水上。2 畢達哥拉斯學派企圖用“數(shù)的和諧”來建立關于宇宙的理論。他們認為球體是最完美的幾何形體，所以他們斷言，宇宙是球形的，當中是中心火團，各種物體都圍繞中心火團

5、做均勻圓周運動；恒星緊系在天的最高圓頂，這個圓頂三萬六千年繞中心火團轉一周，下面是同心運動的球體（水、金、火、木、土星、太陽、月亮和地球）。3 柏拉圖學派 柏拉圖（前427-前347）認為永恒神圣的天體必須沿著完美的圓形軌道作均勻有序的運動，或者是沿著復合的圓周運動。他的學生歐多克索和亞里士多德提出了同心球?qū)幽Ｐ停禾?、月亮和行星都在以地球為中心的同心球殼中運動。4 地心說 古希臘后期的阿波羅尼（約公元前247-205）為了克服同心球?qū)幽Ｐ偷睦щy，提出了“本輪-均輪”結構模型：行星沿著本輪做圓周運動，本輪的中心有在一地球為中心的均勻輪上做圓周運動。5 太陽中心說 阿里斯塔克（約前310-前23

6、0）提出了與眾不同的見解，認為地球不是宇宙的中心，太陽才是宇宙的中心地球和行星都圍繞太陽作圓周運動，恒星在遠處，是不動的。二. 古希臘的物理知識古希臘物理知識比較集中在力學和光學兩個方面。（一）力學知識代表人物：亞里士多德和阿基米德 亞里士多德（公元前384前322年）研究了在重力作用下物體的運動，論證了運動、時間和空間的關系，區(qū)分了物質(zhì)方面的運動、量方面的運動和空間方面的運動。關于時間，亞里士多德把時間看作是描述運動的數(shù)。他認為時間不同于運動，但時間也不能脫離運動。關于物體的運動，亞里士多德認為變化就是運動。這里的變化包括物體的性質(zhì)變化、物體的位置移動、事物的產(chǎn)生和消滅、數(shù)量的增減其中位置移

7、動就相當于機械運動。他指出，要談運動就必須指明“什么”在運動，“在哪里”運動和“何時”運動，顯然這里已指明了物體運動和時間、空間的不可分割性。 亞里士多德（公元前384前322年）是古希臘最偉大的科學家之一。他17歲時就跟大哲學家柏拉圖學習。亞里士多德愛獨立思考。因此，他有許多觀點跟他的老師截然相反。亞里士多德當過教師，對植物、動物、天文、氣候、數(shù)學和物理等方面都進行過研究，著書1000多種，可以說他是古希臘各種知識集大成者。他的這些著作被當作古代世界的百科全書。達爾文曾這樣評價亞里士多德：我尊敬林奈和屈費爾好像兩位神一樣。但是，他們比起亞里士多德來，卻不過是小學生。阿基米德（公元前287前2

8、12年）生于意大利的斜拉古，他父親是天文學家和數(shù)學家。他從小受到父親的熏陶而熱愛數(shù)學。11歲時他到埃及的亞歷山大學習。在那里他接受了東方和古希臘的優(yōu)秀的文化教育，為他后來事業(yè)上取得成就打下了基礎。 阿基米德擅長對物理問題進行數(shù)學處理。他詳細研究了物體在液體中所受浮力跟浸入液體中物體體積之間的關系，得出了著名的浮力定理，傳說據(jù)此他揭開了金王冠之謎。他詳細地研究了杠桿的平衡問題，找出了杠桿的平衡條件。他曾豪邁地提出：只要給我一個支點，我就可以把整個地球舉起。阿基米德敘述杠桿平衡的學說，奠定了靜力學的基礎。（二）光學知識 古希臘對光的反射的研究貢獻最大的是歐幾里德（約前330-前275）和希隆。歐幾

9、里德把幾何學運用到光現(xiàn)象的研究上，開創(chuàng)了幾何光學。他著有反射光學，確立了光的直進性并建立了反射定律，確定了凹面鏡的聚焦點在球心或球心與球面之間。之后的希?。s前150-前100）也著有反射光學一書，內(nèi)容是關于鏡子的理論和實際應用。 相傳古希臘的阿基米德，曾令他的士兵共同用鏡子把太陽光反射到進攻他們的同一只敵船上，把敵船燒毀。 托勒密在對天體的觀測中曾注意到光的折射現(xiàn)象。他著有光學一書，但早已佚失。（三）其他物理知識古希臘對磁和聲也有一定研究。 柏拉圖在中，亞里士多德的學生泰奧弗拉斯托斯在論石中都指出磁石和琥珀吸引它物的能力。盧克萊修在物性論中曾用原子論來解釋磁石吸鐵現(xiàn)象，而且他第一個記述了磁力

10、相吸現(xiàn)象。 古希臘人在樂器的制造中積累了一些聲學知識，畢達哥拉斯學派還最早創(chuàng)立了“五度相生律”。亞里士多德認為聲音的傳播需要有介質(zhì)，空氣和水都可以傳播聲音。他還認識到回聲是聲的反射。古羅馬的建筑師重視劇場建筑的聲學問題，維特魯威的名著論建筑開創(chuàng)了建筑聲學的研究。三. 中世紀的物理知識 在以歐洲為中心的世界史分期中，公元5-15世紀這一時期通常被稱為中世紀。中世紀還可分為：3 經(jīng)院哲學時代（公元11-12世紀） 經(jīng)院哲學是封建統(tǒng)治階級為了統(tǒng)一人們的思想而發(fā)展起來的官方哲學，因為它產(chǎn)生在教會的學院里而得名。這一時期哲學成了神學的婢女，自然科學失去了自己的聲音，自由的科學精神被徹底的禁錮起來了。1

11、黑暗時代（5-8世紀）這個時期戰(zhàn)爭頻繁、社會動蕩，古希臘學術終結。2 阿拉伯文化時代（8-11世紀） 西方文化黑暗之時，東方中國的智慧之光照亮世界。地處東西方貿(mào)易交流紐帶的阿拉伯，成為溝通東西方科學文化的橋梁，為世界科學做出了特殊貢獻。（一）阿拉伯人的物理成就 阿拉伯帝國時期穆斯林在物理學方面取得的成就主要集中在光學與力學方面。 物理學家金迪（公元801？-873年，同時還是數(shù)學家、天文學家、哲學家、化學家和音樂理論家），一生至少著有265部學術著作，但是傳世的只有15部拉丁文譯本。它們是關于氣象、比重、潮汐、（幾何）光學，以及音樂理論等方面的論述，許多內(nèi)容是與物理有關的。 塔比特（公元826

12、-901年）寫了一部研究杠桿的力學著作杠桿的平衡，他在該書中成功地證明了杠桿的平衡原理。 哈茲尼設計一種奇妙的“智慧秤”，這種稱在沒有砝碼的情況下也能測量物質(zhì)的重量和比重。為此他在1137年還寫了一本書智慧秤的故事。另外，哈茲尼對比重的研究卓有成效。他發(fā)現(xiàn)空氣具有重量，使得阿基米德的浮力定律在空氣中也能適用。哈茲尼還發(fā)現(xiàn)并證明越接近地心水的密度越大，他知道物體在不同高度測量重量是不同的，進而提出了一種重要的物理學思想物質(zhì)的（質(zhì)）量不同于重量，而且二者之間的關系是正比關系。 比魯尼（公元973-1050年）研究過流體靜力學與物體的瞬間運動與加速度；他不僅發(fā)現(xiàn)光的傳播速度快于聲音，精確地測定了不同

13、類型寶石的比重，并且為所有已知的復合物與物質(zhì)元素建立了比重表，還正確地解釋了噴泉與自流井的成因 在光學研究中，阿勒哈增（公元965-1040年）不僅說明了光在同一物質(zhì)中是沿直線傳播的，還研究了光的反射和折射。他在實驗中不但研究平面鏡、球面鏡、柱面鏡和拋物面鏡，而且研究球面像差和透鏡的放大率。大氣折射也是他研究的范疇。在光學研究中哈森首先應用數(shù)學方法解決幾何光學的問題。他關于球面像差、透鏡的放大率和大氣折射方面的發(fā)現(xiàn)通過開普勒等人的介紹，對歐洲科學的發(fā)展有很大的影響。 哈增的另一項重要貢獻是對視覺原理的闡釋。在哈增以前，人們一直堅信古希臘學者柏拉圖（Plato，公元前427347年）和歐幾里德提

14、出的“視覺是由于眼睛發(fā)射出光線照射于物體上而產(chǎn)生的”這一錯誤觀念，而哈增的觀點是視覺是反射光線射入眼球所致。(二) 歐洲的物理成就1 羅吉爾 培根的物理成就 英國人羅吉爾 培根(約1214-1294)是13世紀杰出的科學家,他倡導實驗方法,重視對數(shù)學的研究,大膽同迷信、反動教會作不懈的斗爭。他稱得上是近代自然科學的先驅(qū)者。 他倡導用實驗方法研究自然界 把數(shù)學的重要性提到原則的高度2 沖力說學派 沖力說的代表早期的代表人物是公元6世紀亞歷山大里亞的斐勞波諾斯。他否認天體的運行是神靈推動的，而是上帝在初始創(chuàng)造時賦予天體的一種“沖力”，靠著這種沖力來維持天體的永恒運動，這種沖力是永恒的。14世紀牛津大學的威廉又恢復了斐勞波諾斯的沖力說，并進而提出，只要給物體沖力，物體便能運動，直到把這個沖力消耗完畢運動才會停止。 沖力說在巴黎也得到了發(fā)展，巴黎的沖力派認為沖力的大小與物體的密度、體積、