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History and Philosophy of Science  
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物理学哲学:从常识到科学(一) 2016-09-20 09:17:10

(一)亚里士多德物理学

物理学是研究自然的。与其它学科不同,物理学更关心自然界最基本的规律。这就是从古希腊到现代哲学和物理学紧紧地联系在一起的原因。那么什么样的规律是最基本的?哲学和物理学的区别是什么?这里我以亚里士多德(Aristotle)的运动学说为起点,来讨论物理学和哲学的基本问题。这么做的原因很简单:在历史上人类对世界的认识从常识开始,在人的一生中,每个人对世界的认识也是从常识开始。我这里所说的常识仅限于和自然界有关的判断。常识是一种片面的,零散的,非专业的知识和判断,往往是潜移默化形成的。常识更多地依赖于我们的感官,而不是逻辑推理。由于社会分工以及生活环境的不同,个别人群还会形成一些相对专业化的知识,这种知识对真理的产生非常重要。那么,对世界的认识是如何从常识到科学的?

亚里士多德相信地球是宇宙中心,地球上一切物体都是由土(earth),水(water),气(air)和火(fire)四种元素构成的,此外,他还假设宇宙上空充满以太(aether)。亚里士多德排斥原子论,认为元素是连续可分的,不存在真空。每种元素都有其自然位置,土最重,在最下,土上面为水,水上为气,气上是一层看不见的火。这种相对地心的层次分布就是他所说的自然位置(natural place)。亚里士多德认为地面是静止的,为运动提供了参照系。每个物体都趋于静止,静止是自然状态,不需要原因。而运动需要原因(cause)。他区分了两种原因,一种是物体具备的内在的寻找自然位置的倾向,另一种是其它物体或介质产生的力。这样,运动也就随之分成了由内在因素决定的自然运动(natural motion)和由外力引起的强制运动(violent motion)。物体趋于自然位置的倾向是由物体含有的四种元素的量决定的,如重的物体要下落,轻的物体要上升。他还认为重物体比轻物体下落快。行星沿正圆形轨道运行也是自然运动。强制运动的轨迹为直线,速度与力成正比,与介质的阻力(或密度)成反比,用现代术语可以表达为 V ∝ F/ρ ,这里F为力,ρ为介质密度。由这个简单的关系式可以看出,当介质的密度为零时,即物体在在真空中时,速度无穷快,因此,亚里士多德认为真空是不存在的,所有运动都发生在介质中。另外,亚里士多德不承认长距离作用,力只发生于两个接触的物体。这使亚里士多德陷入尴尬的处境。离弦的箭和抛出去的石头是靠什么力来维持运动的呢?为自圆其说,亚里士多德认为空气流到箭或石头后推动它们向前运动。这一观点受到后来学者的批评。

毫无疑问,现在绝大部分人都认为亚里士多德的理论是错误的,根本就谈不上是科学。这种评价往往是根据牛顿力学给出的。我们现在的教育从来不谈及历史,科学成了先入之见。然而,如果我们仔细推敲亚里士多德的理论,我们会发现,亚里士多德的学说完全是基于个人经验,而不是凭空捏造的。他的观点还是比较接近常识 (common sense)的。Halloun和Hestenes (1984a, 1984b, 1985)发现,在没有接触牛顿力学之前,学生通常相信运动需要力,恒定的力产生恒定的速度,要增加速度就要增加力。这和亚里士多德的运动学说极为接近。然而,亚里士多德并没有停留在常识上,他试图建立一套自洽的理论体系来解释日常经验,这个系统包含演绎推理。他的地心学说,元素学说和运动理论是一致的。比如,不同元素赋予物体不同的重量,因此才会有不同的运动速度或运动方向。亚里士多德认为地球是球体,这也是超越常识的。

我们知道,常识是指普通人具备的关于日常经历的知识,对日常生活具有指导意义。既然亚里士多德的理论概括了日常生活经验,怎么会是错误的?难道有用的常识能会是错误的?如果是这样,人类为什么依赖错误的常识来生存呢?很多人认为常识依赖直觉,是不可靠的。地球是平的,地球是静止的,太阳围绕地球转。这是我们的直觉,显然有悖于现代科学。比如,我们都知道地球是球体,球和面是不一样的。但是,我们却忘了,地球不仅是球体,而是巨大的球体。地球如此巨大以至于我们的活动和直觉所能触及的就是一个平面。从这个意义上说,巨大的球体的概念整合了地球是平面的常识性认识。因此,是否有这种可能,即亚里士多德的学说只是经典物理学的特殊情况。换句话说,牛顿力学并没有取代以常识为基础的亚里士多德学说,而是将其整合到更一般的体系中。为回答这一问题,最好的途径是看看在历史上从常识到科学是怎么演变的。

首先,John Philoponus(约490–约570)修正了亚里士多德的动力学公式,认为物体运动的速度正比于动力和阻力之差,用现代术语可以表达为 V ∝ F - R,这样,真空中的运动是可能的(R = 0时,V不趋于无限大)。其次,Philoponus质疑亚里士多德对抛体运动的解释,认为抛体运动是因为其获得的非物质动力(incorporeal motive energeia),该动力在运动过程消耗。几百年后,Philoponus的抛体运动理论被发展成为冲力(impetus)理论。最后,Philoponus反对亚里士多德的关于落体运动的观点,即物体越重下落越快。他明确表示,当一个物体的重量几倍于另一个物体时,两个物体下落到地面所需要的时间与重量没有比例关系,落地时间的差别非常小。看来,Philoponus应该是做了落体实验,当然不是在比萨斜塔,并且要早于伽利略几百年。


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文章评论
作者:高鹏 回复 紫荆棘鸟 留言时间:2016-09-20 10:28:10

谢谢。多想些稀奇古怪的东西,说不定能够治偏头痛呢!比方说,耶稣是不是雌雄同体的?天堂里会不会有排泄物?耶稣复活的时候指甲和头发有没有长?耶稣复活这件事会不会发生在晚上?天使是否能瞬移?天使能否辨别白天和夜晚?

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作者:紫荆棘鸟 留言时间:2016-09-20 09:52:53

支持,支持喜欢动脑子不怕得偏头疼的同学。

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