（一）亞里士多德物理學

物理學是研究自然的。與其它學科不同，物理學更關心自然界最基本的規律。這就是從古希臘到現代哲學和物理學緊緊地聯繫在一起的原因。那麼什麼樣的規律是最基本的？哲學和物理學的區別是什麼？這裡我以亞里士多德(Aristotle)的運動學說為起點，來討論物理學和哲學的基本問題。這麼做的原因很簡單：在歷史上人類對世界的認識從常識開始，在人的一生中，每個人對世界的認識也是從常識開始。我這裡所說的常識僅限於和自然界有關的判斷。常識是一種片面的，零散的，非專業的知識和判斷，往往是潛移默化形成的。常識更多地依賴於我們的感官，而不是邏輯推理。由於社會分工以及生活環境的不同，個別人群還會形成一些相對專業化的知識，這種知識對真理的產生非常重要。那麼，對世界的認識是如何從常識到科學的？

亞里士多德相信地球是宇宙中心，地球上一切物體都是由土(earth)，水(water)，氣(air)和火(fire)四種元素構成的，此外，他還假設宇宙上空充滿以太(aether)。亞里士多德排斥原子論，認為元素是連續可分的，不存在真空。每種元素都有其自然位置，土最重，在最下，土上面為水，水上為氣,氣上是一層看不見的火。這種相對地心的層次分布就是他所說的自然位置(natural place)。亞里士多德認為地面是靜止的，為運動提供了參照系。每個物體都趨於靜止，靜止是自然狀態，不需要原因。而運動需要原因(cause)。他區分了兩種原因，一種是物體具備的內在的尋找自然位置的傾向，另一種是其它物體或介質產生的力。這樣，運動也就隨之分成了由內在因素決定的自然運動(natural motion)和由外力引起的強制運動(violent motion)。物體趨於自然位置的傾向是由物體含有的四種元素的量決定的，如重的物體要下落，輕的物體要上升。他還認為重物體比輕物體下落快。行星沿正圓形軌道運行也是自然運動。強制運動的軌跡為直線，速度與力成正比，與介質的阻力(或密度)成反比，用現代術語可以表達為 V ∝ F/ρ ，這裡F為力，ρ為介質密度。由這個簡單的關係式可以看出，當介質的密度為零時，即物體在在真空中時，速度無窮快，因此，亞里士多德認為真空是不存在的，所有運動都發生在介質中。另外，亞里士多德不承認長距離作用，力只發生於兩個接觸的物體。這使亞里士多德陷入尷尬的處境。離弦的箭和拋出去的石頭是靠什麼力來維持運動的呢？為自圓其說，亞里士多德認為空氣流到箭或石頭後推動它們向前運動。這一觀點受到後來學者的批評。

毫無疑問，現在絕大部分人都認為亞里士多德的理論是錯誤的，根本就談不上是科學。這種評價往往是根據牛頓力學給出的。我們現在的教育從來不談及歷史，科學成了先入之見。然而，如果我們仔細推敲亞里士多德的理論，我們會發現，亞里士多德的學說完全是基於個人經驗，而不是憑空捏造的。他的觀點還是比較接近常識 (common sense)的。Halloun和Hestenes (1984a, 1984b, 1985)發現，在沒有接觸牛頓力學之前，學生通常相信運動需要力，恆定的力產生恆定的速度，要增加速度就要增加力。這和亞里士多德的運動學說極為接近。然而，亞里士多德並沒有停留在常識上，他試圖建立一套自洽的理論體系來解釋日常經驗，這個系統包含演繹推理。他的地心學說，元素學說和運動理論是一致的。比如，不同元素賦予物體不同的重量，因此才會有不同的運動速度或運動方向。亞里士多德認為地球是球體，這也是超越常識的。

我們知道，常識是指普通人具備的關於日常經歷的知識，對日常生活具有指導意義。既然亞里士多德的理論概括了日常生活經驗，怎麼會是錯誤的？難道有用的常識能會是錯誤的？如果是這樣，人類為什麼依賴錯誤的常識來生存呢？很多人認為常識依賴直覺，是不可靠的。地球是平的，地球是靜止的，太陽圍繞地球轉。這是我們的直覺，顯然有悖於現代科學。比如，我們都知道地球是球體，球和面是不一樣的。但是，我們卻忘了，地球不僅是球體，而是巨大的球體。地球如此巨大以至於我們的活動和直覺所能觸及的就是一個平面。從這個意義上說，巨大的球體的概念整合了地球是平面的常識性認識。因此，是否有這種可能，即亞里士多德的學說只是經典物理學的特殊情況。換句話說，牛頓力學並沒有取代以常識為基礎的亞里士多德學說，而是將其整合到更一般的體系中。為回答這一問題，最好的途徑是看看在歷史上從常識到科學是怎麼演變的。

首先，John Philoponus(約490–約570)修正了亞里士多德的動力學公式，認為物體運動的速度正比於動力和阻力之差，用現代術語可以表達為 V ∝ F - R，這樣，真空中的運動是可能的(R = 0時，V不趨於無限大)。其次，Philoponus質疑亞里士多德對拋體運動的解釋，認為拋體運動是因為其獲得的非物質動力(incorporeal motive energeia)，該動力在運動過程消耗。幾百年後，Philoponus的拋體運動理論被發展成為衝力(impetus)理論。最後，Philoponus反對亞里士多德的關於落體運動的觀點，即物體越重下落越快。他明確表示，當一個物體的重量幾倍於另一個物體時，兩個物體下落到地面所需要的時間與重量沒有比例關係，落地時間的差別非常小。看來，Philoponus應該是做了落體實驗，當然不是在比薩斜塔，並且要早於伽利略幾百年。