西方古代物理學

中國古代的哲學思想博大精深，物理學思想極其豐富，但由於所處封閉的地理環境，使她的文化對西方世界影響甚微，西方人習慣於把中國文化稱為東方神秘主義。但古希臘的哲學思想就截然不同了，由於他們所處開放的地理位置和頻繁的商業往來，營造了溫和相溶的文化氛圍，使他們的哲學思想不斷地向語言不同的國家滲透，希臘以她那獨特的理性思維和舉世矚目的哲學成就，對全人類的精神生活產生了極其深遠的影響。

第一節 希臘的奇蹟和精神

在古代世界所有的民族中，少有像希臘人那樣對近代世界發生如此巨大的影響。他們光輝的哲學成就與他們內涵豐富的氣質之間存在著不可分割的聯絡：他們熱愛自由，不肯屈服於暴君；他們創立的民主體制年輕而富有活力；他們熱愛生活，天性樂觀，每四年舉行一次的奧林匹克競技會是他們歡樂生活的寫照；他們崇尚理性和智慧，熱愛真理，對求知有一種異乎尋常的熱忱。英國著名的科學史家丹皮爾（W．C．Dampier）在他的《科學史》中曾說：“從古希臘神話的神身上，我們得到了一種從別處得不到的對於希臘人的氣質的認識。我們可以看到這個民族雖然也虛偽、自負、或許還放蕩不羈，但是卻有美的感受,，生活樂天，對人熱情，充分表現出他們是一個勇敢善戰，生氣勃勃，胸懷坦蕩的戰勝的民族，這個民族具有異常聰穎的稟賦，生長在風光明媚的國土上，這裡有酒槳般深暗的海水，把全世界的商品和知識帶到他們的門口，氣候對他們堡壘式的家園也非常適宜，還有大量的奴隸使生活富裕，有閒暇來發展最高度哲學、藝術和文學。”

希臘人開啟了西方哲學也開啟了科學；公元前500年左右開始，希臘人中出現了一大批才智卓越的哲學家和科學家，他們是許多學科的鼻祖。在這些光輝燦爛的群星中，有最早期的自然哲學家泰勒斯（Thales）、阿那克西曼德（Anaximander）、阿那克西米尼（Anaximenes）、赫拉克利特（Heraclitus）、、巴門尼德（Parmenider）、芝諾（Zeno）、恩培多克勒（Empedocles）、阿那克薩哥拉（Anaxagoras）、留基伯（Leucippus）、德謨克利特（Democritus）、波賽東尼奧（Poseidonius）。有人文哲學家普羅泰哥拉（Protagoras）、高爾吉亞（Gorgias）、蘇格拉底（Socrates），有體系哲學家柏拉圖（Plato）、亞里士多德（Aristotle）、伊壁鳩魯（Epicurus）。有天文學家默冬（Meton）、歐多克斯（Eudoxus）、阿利斯塔克（Aristarchus）、希帕克斯（Hipparchus）、托勒密（Ptolemy），有數學家畢達哥拉斯（Pythagoras）、歐幾里得（Euclid）、阿波羅尼（Apollonius）、康農（Conon）、阿契塔（Archytas）、刁番提（Diophantus），阿基米德（Archimedes），有醫學家希波克拉底（Hippocrates）、蓋倫（Galen）、塞爾蘇斯（Celsus Aulus Cornelius），有地理學家斯特拉波（Strabo）、埃拉托色尼（Eratosthenes）、畢特阿斯（Pytheas）。這些天才人物不僅在一個領域做出他們的開創性工作。而且在許多個領域均有建樹。像亞里士多德，幾乎在每一個知識領域都發表了他卓越的見解，是一位不折不扣的百科全書式的學者。希臘科學是近代科學的真正先驅，幾乎在每一領域、每一問題上，希臘人都留下了思考，都是近代科學的一代宗師。任何一個時代出現這麼多天才的人物，它都稱得上是偉大的時代，但說希臘時代是偉大的時代還遠遠不夠。在地中海域這樣一個狹小的地方，在周邊都處在無邊的黑暗之中的時候，希臘人不僅在科學、哲學和藝術上作出了偉大的成就，而且創造了一種全新的精神，而這種精神恰恰是真正的現代科學精神，這才是奇蹟所在。

科學可以說是人類歷史上迄今為止最後出臺的一類文化現象，是人類文化最高層次和最為獨特的成就。科學精神，是科學家們在科學研究活動中的某些高尚卓越的氣質、風格、意志、態度和修養體現出來的精神風貌的總和。科學精神的內容包括求真精神，求實精神，理性精神，創新精神。所謂理性精神，常常表現為科學家在科學研究活動中，具有堅持自然界的運動變化是有規律的信念；具有堅持自然規律是可認識的信念；在認識自然現象的過程中，具有刻意追求秩序、和諧、嚴格、精緻和完備的審美價值的觀念，等等。而科學的理性精神，正是古希臘哲學家們的首創。

古希臘哲學家認為，在表面上看來紛繁複雜的自然現象背後，存在著自然秩序的法則，即能為人類理性所探明的自然界的普遍規律。這種觀念就是科學理性精神的開端。根據這種精神，科學家對自然界不是僅僅單純地觀察和收集資料，而是還要進一步對其進行理論思考並推出有關的系統知識。於是，古希臘數學家將古埃及人的土地測量的實踐經驗歸納為具有邏輯性的、相關的、系統的幾何學。古希臘的天文學家運用古巴比倫的祭司收集的星象資料從事天文學研究，探究天體執行的內在規律。理性精神在古希臘的科學研究活動中得到充分的發揮，並創造出輝煌的理論成果。這個實踐和成果又反過來進一步強化了人們的理性意識。古希臘哲學家進一步強烈地認識到，當個人將自己的生活同按照理性認識所達到的客觀標準協調一致時，即當理性成為人們行為穩定的、指導性的信念時，人就能達到個人品德的完善。他們希望所有的人類信仰及行為都要服從於明晰的理性之光，把人的倫理道德從強權、傳統、教條、迷信及神話傳統中解放出來。由此鑄成了古希臘的理性主義傳統，並從此成為一種重要的人類文化精神。這種文化精神在近現代歐洲許多國家的現代化程序中起過積極的作用。古希臘是西方哲學的故鄉，黑格爾說：“一提到希臘這個名字，在有教養的歐洲人心中，尤其是我們德華人心中，自然會引起一種家園感。”

第二節 古希臘時代的物質觀

希臘文明是西方文明三大源頭之一，理性追求是希臘文明的重要精神。希臘人從沉思和領悟中追尋人類生活中所可獲得的最平凡的幸福。德謨克利特（Democritus，前470～前 380）曾說：“我寧願（在幾何學上）發現一項證明，而不要波斯的王座。”在希臘的科學、哲學等著作中，我們到處可以呼吸到一種寧靜的沉思的空氣。希臘人對自然界進行徹底地反思和懷疑，上天入地地追尋事物的終極真理；並在似乎雜亂無章的世界中發現了規律，且提出各種關於規律的假定；然後讓這些假定的所有細節在所有的層次上經受自己和別人的置疑，以考驗這個假定是否是“真”。這種徹底求真的精神終於孕育出了西方科學。直至近代，人類從沒有像希臘人那樣精密而又充滿熱情地研究自然界。

一、關於物質本原的思考

泰勒斯（Thales，前640～前 550），是希臘古典時代第一位唯物主義哲學家，他出生於希臘的殖民地愛奧尼亞地區的米利都。米利都發達的工商業和航海業，使其成為當時東西方文化交流的中心，並且成為希臘哲學的發源地。希臘歷史學家希羅多德（Herodoti，前484～前420）說道：“米利都是海上的霸主。”泰勒斯就在這個米利都城創立了一個唯物主義哲學學派——米利都學派。

在泰勒斯時代，希臘人生活在海邊，天天與水打交道，他們也許注意到了太陽使水蒸發成汽，霧從海面升起凝聚成雲，然而又變成雨落回大海這種自然現象，泰勒斯從而提出了世界生於水的命題。也就是說，世間萬物都有一個統一的來源——水，水是構成和派生萬物的根源和始基。今天看來，這種看法是相當粗糙和膚淺的，可在那個時代卻是十分大膽而難能可貴的。因為這表明，人們已開始努力去探尋萬事萬物背後最終的統一基礎，把整個宇宙作為自己研究的物件。埃及的祭司宣稱大地是從海底升上來的，而泰勒斯則認為地球就漂在水上。泰勒斯還有一個很重要的觀點就是“萬物有靈。”根據這一學說，連石頭也是有靈魂的生物。泰勒斯向他哲學上的對立面畢達哥拉斯反覆強調說：整個宇宙都是有生命的，而又正是靈魂才使一切生機盎然。當然，現在看來這種觀點是有些武斷的。

泰勒斯的學生阿那克西曼德（Anaximander，前611～前547）認為，世界本原不可能是水，他認為一切物質的來源和去向為一無形的質體。他將這看不到的物質稱為“無極”，是無限的意思。阿那克西曼德的學生阿那克西米尼（Anaximanas，前585～前528）認為，空氣是宇宙萬物的基本要素。他假設透過壓縮，空氣會變為水，最終還會成為土。他是明確區分行星（如火星和金星）和恆星的第一個希臘人。他還認為彩虹並不是女神，而是一種自然現象。阿那克西米尼的弟子阿那克薩哥拉，作為最後一個移居雅典的愛奧尼亞人；他把這種傳統帶到了雅典。他認為宇宙的起源不是什麼上帝創造的，而是由於無數“種子”受到籠統的神的作用後變成的，這些種子也就是當時留基伯（Leucippus，前490～?）所假設存在的原子。阿那克薩哥拉的結論是：天和地是由相同材料構成。由於在公元前468年有一顆石隕星墜於愛琴海北岸。這可能有助於他得出這一結論。他認為恆星和行星都是燃燒著的岩石，太陽是相當於伯羅奔尼撤半島這樣大小的一塊熾熱岩石。至於月亮，他認為是與地球相仿的天體，甚至很可能有人居住在那裡。

赫拉克立特（Heraclitus，前540～前475）基本上繼承了米利都學派的唯物主義哲學傳統，他認為物質本原歸於火。赫拉克立特指出：“這個世界對於一切存在物都是一樣的，它不是任何神所創造的，也不是任何人所創造的；它過去、現在、未來永遠是一團永恆的活火，在一定的分寸上燃燒，在一定的分寸上熄滅。”世界沒有開端，沒有終結，處於永恆的運動變化之中。從統一的本質中產生出事物和現象的多樣性：“一切轉為火，火又轉為一切，有如黃金換成貨物，貨物又換成黃金一樣。”

齊諾弗尼斯（Xenophanes，前570～前480）也出生於愛奧尼亞，成年後到南義大利追隨他的導師畢達哥拉斯（Pythagoras），但他的觀點不像他的導師那樣神秘；他根據有時在山頂上發現貝殼這一事實推測，山嶽原來一定被海水覆蓋，隨著時間的流逝而上升到今天的高度；他主張構成宇宙萬物的基本要素是“土”。

恩培多克勒（Empedocles，約前493～前433）揉合了泰勒斯、阿那克西米尼、赫拉克利特、齊諾弗尼斯等人提出的水、火、氣、土四種本原的見解，他認為，不能用單一的物質做萬物的本原，應將這四種物質一同做萬物本原。這樣共有四種“元素”，即水、氣、火、土，其中土、水、氣代表物質的固態、液態和氣態，火則代表顏色和溫度等；其它一切事物都由這些物質的不同組合和排列構成。當元素在力的作用下分裂並以新的排列重新組合時，物質就發生了質的變化。

亞里士多德（Aristotle，前384～前322）接受了恩培多克勒的四大元素說；但是，亞里士多德認為，冷、熱、溼和幹是更基本的“性質”，四元素是這四種性質兩兩組合而成的物質本原，溼與冷組合成水，溼與熱組合成氣，干與冷組合成土，干與熱組合成火。這樣，與恩培多克勒的學說不同，四元素不再是不變的，而是可以相互轉變的，如加熱水時，水中的冷為熱所替代，水就變成氣了。亞里士多德同意畢達哥拉斯的觀點，認為天地是受兩個不同體系的自然規律支配的，地球上的一切東西都是可變的，汙染的；而天上的一切是永恆的，不變的。地球上的四個元素各有其歸宿，而運動就是要達到其歸宿所作的一種努力。土居中心，水在其上，空氣又在水之上，火則在地球上一切物質的最高處。而天上的一切天體是由第五種元素“以太”組成的。

二、畢達哥拉斯學派與數的和諧性

畢達哥拉斯（Pythagoras，前560年～前480年）是歐洲歷史上著名的哲學家和科學家，他生於愛琴海旁的薩摩斯，薩摩斯與米利都隔海相望。年輕時畢達哥拉斯在東方廣泛旅行，他曾在泰勒斯、阿那克西曼德指導下進行過學習和研究。在泰勒斯和阿那克西曼德的影響下，畢達哥拉斯熱衷於探討萬物本原問題。他把整個宇宙看作是有生命的，從對立中去尋找世界演化的動力。畢達哥拉斯摒棄了東方希臘傳統的唯理性，創立了一種以秘密、禁慾主義和神秘主義為標誌的畢達哥拉斯學派。他的基本主張是：靈魂不死和輪迴轉世；不存在絕對意義的新東西。他發現了畢達哥拉斯定理；“數學”這個詞也是畢達哥拉斯學派首先採用的；他們在數學上研究發現的深度和廣度在當時世界上遙遙領先。亞里士多德也說：“他們把全部時間用在這種研究上，進而認為數學的始基就是一切存在物的始基。”在天文學上，他們也進行了一些天才的猜測；如月亮不發光，只是反射太Sunny，啟明星（Phosnhoru）和長庚星（Hesperu）是同一顆星等。他首先指出地球呈球狀。他還是第一個指出太陽、月亮和各行星不參與恆星的統一運動、而有它們各自的軌道，直到二千一百年後開普勒才推翻了這些見解。

在人類對世界本原的探討過程中，抽象思維能力是逐步提高和發展的；畢達哥拉斯學派在先哲基礎上，以別開生面的方式，不再只把“水”、“氣”、“火”、“土”等特殊的東西當作事物的本質，而是把從個別事物中抽象出來的一般理解為事物的本質，他第一個開始思索世界的同一性和規律性的問題。他把作為事物規定性的數提升到世界本原的地位，“數”在此不同於水、氣、火、土之類單純的直接的具體物質形態，從而達到比前人更抽象更具哲學思辨的理論高度。數的特徵是內在於音階，內在於天體，內在於許多其它事物的。而事物是由於摹仿數而存在。數既是存在物的質料因，又是存在物的形式因。數先於作為整體的自然界，先於種種自然的事物，“數”、“對立”、“一”是萬物本原，這三者並非平行關係，而是從屬關係。前者意味“數”是萬物的本原，後兩者又是對“數”的進一步解說。於是“數的元素和本原，也就是萬物的元素和本原。”而另一方面，畢達哥拉斯與其後哲學家純粹用理念、存在等心靈、觀念來追尋世界本原，又更具現實物質基礎。既然萬物產生於“數”，數具有和諧的性質，那麼萬物亦具有和諧或趨向和諧的性質，世界統一是由於萬物之間數量關係的和諧比例。畢達哥拉斯把已存在於生產、技藝領域內的和諧觀念，提煉概括加以昇華，使之成為一種哲學範疇，也即畢達哥拉斯主義的核心觀念。首先讓我們看看畢達哥拉斯的“天體和諧”理論。畢達哥拉斯在音樂的研究中，發現音程間一定數的比例構成美的和音。他還研究了建築、雕刻等造型藝術中什麼樣的比例才能產生美的效果，提出了著名的“黃金分割”定理；繼而將此思想運用到天體上，認為宇宙中的一切都存在著和諧，宇宙的秩序是以那種絕對的數的和諧為根據的。

畢達哥拉斯學派是一個特別重視數學、講究數學傳統的學派．畢達哥拉斯學派以“數是萬物之本原”為綱，以“數的和諧性”為核心，進行哲學思辨與探索自然。尤為可貴的是，他們提出了簡單性、和諧性及美的原則，認為天體星球間有一定數目比例關係，這種關係造就了一種天體的和諧．這種和諧使蒼穹無限的宇宙星空，處於一種紛繁而不亂，多變而有序的永恆的運動之中，它很像一支氣勢雄偉又娓娓動聽的交響樂，發出一種美妙而和諧的音響．各行星和地球之間的距離像琴絃的弦長一樣成比例，從而奏出美妙的“天體音樂”．恩格斯曾評價說：“就像數服從於特定的規律那樣，宇宙也是如此．於是宇宙的規律性第一次被說出來了．人們認為把音樂的音諧歸結為數學的比例的是畢達哥拉斯”，幾千年來，畢達哥拉斯學派“簡單、和諧、完美”的思想成為後來宇宙規律性一次又一次被更清晰、更準確地說出來的深刻的哲學思想基礎，對後人的科學研究工作產生了重要的影響，也成為今天我們值得回味和傳承的人類精神的火花。

三、古希臘的原子論思想

在義大利南部以巴門尼德（Parmenider，約前540～前470）為首的愛利亞學派，繼承了畢達哥拉斯學派關於超感覺世界的思想，他們把“數”的概念代之以純“存在”。巴門尼德（Parmenider，約前540～前470）首先提出物質組成最基本的元素是“大一”、“太一”，並把“大一”、“太一”分裂成無數的“小一”，無數的永遠存在、永遠為“是”而不可再分的“小單元”；另一方面，阿那克西米尼的弟子阿那克薩哥拉（Anaxagoras，前500～前428）認為，原子是由相同體之“種子”分裂出各不相同的“部份”，每一個“小部分”本身再沒有“部分”。從這一意義上講，阿那克薩哥拉是主張原子不可再分的。

巴門尼德認為認識事物的途徑有兩條，一條為理智的途徑，一條為感覺的途徑。但巴門尼德的弟子芝諾（Zeno，約前490～前425），否認感覺是獲得真理的有用手段。他們試圖闡明能夠透過理性來證明而千萬不能相信感覺的啟示。芝諾提出了四大著名悖論，所有這些悖論好像都要證明被感覺到的運動是不可能的。他透過分析方法證明“運動是不可能發生的”；希臘飛毛腿英雄“阿基利斯永遠追不上烏龜”；“飛矢不動”等著名悖論。儘管這些悖論都建立在謬誤的基礎上，但對科學具有極為重大的意義，因為它們激發了人們去思考。由於芝諾所有的悖論都是以空間和時間可無限分割的假說為基礎的，所以鼓舞了像留基伯、德謨克利特這樣的人們透過探索不可分性來否定這些悖論，後來在他們認為構成物質的原子中找到了這種不可分性。

芝諾的學生米利都的留基伯（Leucippus，約前490～？）和留基伯的學生德謨克利特（Democritus，約前460～前361）將畢達哥拉斯學派的觀點和愛利亞學派的觀點結合起來，提出並建立了原子論觀點。留基伯出生於古代哲學的聖地愛利亞，因而他的學說是有深厚歷史根源的。從思想發展線索看，自從恩培多克勒“四元素”說的誕生之後，希臘人的“物質”觀念就越來越具體化，已經很具有可稱之“單元”、“單位”的意味。從“四元素”說到“原子”這個思想演變過程，也許在古人看來是相當“自然”的。留基波、德謨克利特認為，物質最後部分像“單一體”那樣的不可分，但卻又是“物質”、“質料”的。這種“單一體”就是所謂的“原子”。“原子”是自滿自足、自身不可再分、自身同一的，這樣，這個“原子”如何能動起來，必有一個“外部”的原因，即由“另一個”自身同一的“原子”來推動它，於是，自身不能變化的“原子”要動起來，必定要一個“空間”作為先決條件．於是“原子”的一切運動都是“外在”的，“空間”的。這樣，“原子論”必定要承認一個“無（原子）”的“空間”存在，這個“空無”的觀念就是古代原子論理論和實際上遇到的難題。

“原子”是“實”的（“實心”的），“空無”是“空”的（空心的），在這個意義上，“空無”是真正的“空間”。這個“間”裡，“空”無一物。“原子”之所以不可再分，並不僅是因為“太小”，“太硬”。而是因為它沒有“空隙”（空間），是“實心”的．沒有“部份”，因而無法“開啟”。“實（心）”的、“充實” 的原子自身因沒有空隙、空間而不會分化、運動。但原子的周圍尚有空間。原子之間有空的，這樣，原子才能運動起來。原子在空間中運動，形成了我們的經驗的世界。原子論“空無”觀念的提出，對於希臘科學思想的發展，是很有意義的。因為如果不在理論和實際上“打破”巴門尼德的“大一”，則其科學思想只能停留在哲學的層次上，而難以具體深入到千變萬化的經驗世界。使這個世界“有秩序”，使“變化”也能成為科學研究的“物件”，而從“變化”中找出“規律”來。

德謨克利特進一步認為，宇宙間萬物都是由原子構成的，而原子是不可分割、不可破滅的極小而結實的物質單元；宇宙間除了原子和虛空，不存在其他任何東西；原子從亙古以來就已存在，因為它既不能創造，也不能被毀滅，“沒有一樣東西是從無中來的，也沒有一樣東西在毀滅之後歸於無”；原子在數量上是無限的，在形式上是多樣的，他們在一個無限的虛空中永遠處於渦旋運動之中，因此形成各種複合物。由於組成物體的原子在數量、形狀、位置是不同的，所以物體彼此各異；原子在虛空中只有透過直接接觸、壓迫、撞擊等，它們才能相互作用，超距作用是不可能的；任何事物都不是偶然發生的，“一切都遵照必然性而產生”，都是按照某種原因或規律進行的；靈魂也是由光滑的和圓形的原子所構成的。後來的伊壁鳩魯（Epigrus，前341～前270）進一步發展了這一學說。他認為，原子本身不僅有形狀上的差別，而且還有大小和重量的不同。他還認為，原子在虛空中以同樣的速度運動著，只要不遇到任何阻止，它們就必然具有同一速度。但是，由於原子內部的原因，原子在運動中還會發生偏斜，由於這種偏斜使原子產生渦旋運動。所以原子的運動不僅有必然性，也有偶然性，是必然與偶然的對立統一。他的這些思想是非常傑出的。