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第10章 与物理学家相约(1)

集大成者亚里士多德

亚里士多德(Aristotle,公元前348~前332年)是古希腊著名的科学家和哲学家,于公元前384年诞生于爱琴海北岸的斯特基拉城。

亚里士多德是马其顿王室医师的儿子,从小对自然科学特别爱好,也很钻研,父亲经常教给他一些解剖和医学的知识,他有时也帮助父亲作一些外科手术。亚里士多德18岁那年前往雅典,成为古希腊著名哲学家柏拉图(公元前427~公元前347年)的大弟子,从事学习和研究长达20年之久。他好学多问,才华横溢,成绩突出,柏拉图夸他是“学院之灵”。公元前343年,亚里士多德担任了年仅13岁的王子亚历山大的宫廷教师。

公元前340年,亚历山大摄政,亚里士多德回到家乡。公元前335年他重返雅典,创办了一所吕克昂学院,独树一个新的哲学学派。由于这个学派的老师和学生,常常在花园里散步的时候讨论问题,当时人们就称他们为逍遥学派。

亚里士多德是古代知识的集大成者,恩格斯称他是最博学的人。他的著作是古代的百科全书,据说有四百到上千部,主要有《工具论》、《形而上学》、《物理学》、《伦理学》、《政治学》、《诗学》等。他的思想对人类产生了深远的影响。

亚里士多德很尊重老师柏拉图,但是决不盲从。他说:“吾爱吾师,但吾更爱真理。”他善于用自己的聪明才智去思考、推理、探索和研究。在亚历山大王子的帮助下,他运用科学的方法,对奇妙的生物世界进行了大量调查。他带领助手周游各地,搜集标本,分门别类,并且尽可能了解同动物和植物有关的各种知识。他是一位当之无愧的伟大生物学家。他一生最有价值的科学贡献,也正是在动物学和解剖学方面。他对500多种不同的动植物进行了分类,解剖过几十种动物,正确地指出鲸鱼是胎生的,描述了反刍动物的胃、鸡胚的发育、头足纲动物的再生现象等。

在物理学方面,亚里士多德最重要的贡献是创造了这门学科的名称,“物理”一词的现代拉丁文“PHYSICA”,是他从希腊字“自然”一词推演而来的。此外,他对地球的大小作出了在当时条件下比较合理的估计。但由于亚里士多德只想用推理去解释物理现象,并没有从事这一领域的任何实验工作,所以他提出了许多错误的断言,阻碍了科学的发展。比如:他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;他坚持说,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等等。

公元前323年夏天,亚历山大大帝从印度回师巴比伦的途中病故。从此,亚里士多德在政治上开始不得志。他决定离开雅典,离开吕克昂学院回到母亲的故地过隐居生活。公元前322年亚里士多德因病逝世,葬在卡尔基,终年62岁。

浮力定律的发现者阿基米德

阿基米德(Archimedes,约公元前287~约前212年)是古希腊著名的数学家、物理学家和发明家,约公元前287年诞生于地中海西西里岛的叙拉古城(希腊的殖民城市)。

他的父亲是古希腊天文学家和数学家。阿基米德从小深受父亲的影响,偏爱数学,很早就学习希腊著名数学家欧几里得(约公元前330~前275年)的《几何学原理》。11岁的时候,阿基米德去当时著名的文化中心——尼罗河畔的亚历山大城学习。在这期间,他发明了有名的阿基米德螺旋泵(一种提升水的机器),解决了利用尼罗河水灌溉的问题,迄今埃及农村还有用以灌溉的。回叙拉古后,他继续致力于数学和物理学的研究。

阿基米德在物理学中的主要贡献是在静力学和流体静力学方面,是理论力学的创始人。他在《论平面图形的平衡》一书中,证明了物体的重量之比等于距离的反比的杠杆定律。据说阿基米德发现杠杆定律以后,在写给叙拉古国王亥厄洛的信中得意地说:“我找到了把力放大的办法”,“只要给我一个支点和立足点,我就能移动地球”。当时,亥厄洛为埃及王托拉密造了一艘大船。下水那天,许多人围着这艘船团团转,费了九牛二虎之力也无法推船下水。国王召来了阿基米德,请他想想办法。阿基米德欣然接受任务,精心设计了一个杠杆滑轮系统。在隆重的推船下水仪式上,阿基米德从容地把绳子系到船上,另一端交给国王。只见国王轻轻地一拉,魔术般地奇迹出现了:大船缓缓地移动到了水里。

阿基米德有许多发现,其中最著名的要算浮力定律——阿基米德定律了。关于这个定律的发现过程,历史上流传着一个发人深思的故事:亥厄洛在叙拉古称王之后,为了炫耀自己的尊贵,命令工匠为他制作一顶金王冠。到了规定日期,工匠送来了金光灿灿的王冠,重量恰好和交付的黄金相同,亥厄洛国王十分满意。但后来有人告诉他,工匠在王冠里掺了假。国王感到受了欺骗,但要想知道真相就得将王冠毁坏,否则就没有办法把事实的真相揭露出来,于是命令阿基米德想办法查明真相又不得损坏王冠。

阿基米德冥思苦想了好几天,不得其解。有一天,阿基米德去洗澡,由于澡盆里的水太满,他一进澡盆,水就向外溢,而且感到水对身体有托力。他用身体沉浮多次来体验浮力的大小,领悟到身体排开的水越多,浮力就越大。他立即联想到王冠如果掺银子,必然比同样重量的金子体积大,放入水中所受的浮力就会比纯金的大。阿基米德立刻跳出澡盆,狂喜地跑过人流熙攘的大街,直向王宫奔去,嘴里喊着:“找到了!找到了!”后来经过阿基米德严格检验,证明王冠里确实用银子掺了假,工匠也被国王治了罪。

阿基米德在数学上也有辉煌的成就,成为亚历山大里亚时期一位伟大的数学家。他在数学上的最大贡献是对几何的研究。在《圆的度量》一书中,他证明了圆周率在31071和317之间;他还发展了前人的穷竭法,用来求面积和体积,求出了球体、圆柱体、椭球以及锥体等的表面积和体积公式。

阿基米德不仅是一位杰出的学者,而且是一位伟大的爱国者。传说古罗马大将马塞拉斯率兵攻打叙拉古,阿基米德和叙拉古人民一起英勇抗击入侵者。他把科学用于战争,搞出了许多军事上的发明。他设计制造了大型抛石机,敌人到达城下,一按动机关,石块自动抛出,砸向敌人。他让守城的人各拿一面镜子,组成大型凹面镜,把炽热的太阳光集中到迎面而来的敌船上,烧得敌军鬼哭狼嚎。罗马军队对阿基米德害怕到了草木皆兵的地步,马塞拉斯也惊叫说,这个“几何学妖怪”“使我们出尽了洋相。他神奇莫测的法术,简直比神话传奇中的百手巨人的威力还要高超多倍。”

公元前212年,古罗马军队突破城防,攻陷叙拉古城。年已75岁的阿基米德正在沙地上画数学图形,潜心研究数学,证明他的几何题。罗马士兵声嘶力竭的叱喝惊动了他。“喂,你们踩坏了我的图,赶快走开!”阿基米德发怒地说。凶神恶煞的士兵毫不理会,并把刀剑指向了他的脑袋。阿基米德明白了将要发生的事情,坦然自若地说:“等一下杀我的头,让我把这条几何定理证完。”然而,无知而又残暴的罗马士兵,一刀砍掉了阿基米德的头颅。

阿基米德生前最引为自豪的是这样一个发现:高和底面直径相等的圆柱体的体积,等于同它内接的球体积的一倍半。因此,后来罗马人为他举行了隆重的葬礼,并把一个含有内切球体的圆柱体图案,铭刻在他的墓碑上,以纪念他对几何学的杰出贡献。

发明地动仪的张衡

张衡(78~139),字平子,是中国东汉杰出的科学家。公元78年生于南阳郡鄂县石桥镇(河南省南阳县城北25千米)的一个没落官僚家庭。

张衡少年时代天资聪明,刻苦好学,读过许多经卷典籍。但是他并不满足,从17岁开始,他离开家乡,曾到汉朝故都长安游览名胜古迹,考察世态人情,又到首都洛阳,就读于最高学府——太学,终于成为博学多才的学者。

公元100年张衡出任南阳主簿,协助太守办理文牍。111年应召到京,经过考试以后,被任命为郎中,做文书起草工作。114年升任尚书侍郎,第二年又升任太史令,主持观测天象、编订历法。在这期间,张衡对天文学进行了深入研究,取得一系列成果。132年张衡又升任侍中,在皇帝左右当高级顾问。为了躲避朝廷内部争斗,专心从事学术研究,张衡要求调职。136年他出任河间太守,两年后又要求告老还乡,但是没有获准,被调到京城,出任尚书,执掌朝政政务。

张衡在担任太史令期间,经过多年的实际天文观测和对天文学理论的研究,写下了天文学史上的不朽名著《灵宪》。这是我国第一部重要的天文学理论文献,集中反映了张衡在研究方面所取得的伟大成就。

张衡是我国古代浑天说的主要代表之一。在《灵宪》中他明确地指出,大地是一个球:宇宙和天地不是一回事,天地有大小,而“宇之表无极,宙之端无穷”,也就是说宇宙是无限的。张衡还根据浑天思想,在公元117年精心设计了一架构造精细的浑天仪,能生动地表演天体的结构和运行,相当于现代的天球仪。它是世界上最早用水力推动的天文仪器。

配合浑天仪,张衡还创制了一种可以表示日期的仪器,名叫“瑞轮荚”,它是科学史上第一架机械计时器。

张衡第一次正确地解释了月食的成因。他指出,太阳像一团火,向外发射出光;月亮本身不发光,它像水面那样能反射光。当地球的影子遮掩了月亮的时候,就引起了月食。

张衡还提出了关于行星运动规律的卓越思想。他认为,金、木、水、火、土五星,视运动的快慢是有规律的,“近天则迟,远天则速”,也就是说,快慢是由这些行星离运转中心的远近决定的。对于同一颗行星来说,离运转中心近的时候运行快,远的时候运行慢。开普勒的行星运动三定律的重大发现是在17世纪,而张衡在开普勒之前一千五百年就定性地描述行星运动的快慢和行星到运转中心的距离的关系,这是难能可贵的。

张衡非常注意地震的研究,公元132年创造出世界上第一架记录地震的仪器——地动仪。利用它,不但可以知道有没有发生地震,而且可以测出地震发生的方向。在欧洲,直到18世纪才造出地震仪。地动仪制成以后,许多人不相信它能测定地震。公元38年,安置在洛阳地动仪朝向西方的龙嘴里,突然吐出了铜球,这预示洛阳西部某个地方发生了地震。但是当时的洛阳人都没有感觉到地震,于是不少学者议论纷纷。过了几天,洛阳西部一千多里的陇西郡派人赶到洛阳,报告那里发生了地震。消息传开、人们无不信服地惊叹地动仪的高度精确性。

此外,张衡还创制了世界上第一架观测气象的仪器,叫做“相风铜鸟”,比欧洲12世纪才出现类似的候风鸡早一千多年。

张衡所以能够攀登上当时科学的高峰,决不是偶然的。他好学不倦,“如川之逝,不舍昼夜”。他勇敢进取,“约己博艺、无坚不钻”。他实事求是,“捷径邪至,我不忍以投步”。

他谦虚谨慎,“虽才高于世,而无骄尚之情”。他坚持朴素的唯物主义战斗精神,坚决反对风靡于世的谶纬神学,建议“收藏图,一禁绝之”。正是这些可贵的品质,使张衡对科学作出了伟大的贡献。

公元139年,张衡在洛阳与世长辞,终年61岁。

自由落体定律的发现者伽利略

伽利略(Galileo,1564~1642)是意大利著名的物理学家、天文学家。1564年2月15日诞生于意大利比萨城的一个破落贵族家族。他父亲是一位有才华的音乐家,还精通数学。

伽利略从小勤学好动,领悟力强,才学惊人,父亲决定培养他当医生。1581年,伽利略被送入比萨大学学医。但是伽利略的兴趣却在数学和物理学方面,上课的时候常常在医书下面藏着欧几里得、阿基米德等人的著作,课余喜欢制作仪器,做做实验。他坚信“数理科学是大自然的语言”。一些顽固守旧的教授认为,伽利略的举动是越轨行为,污蔑他是“玩弄无用的数学的神经病患者”。1585年,伽利略被迫退学回家。由于他刻苦自学,发明了“浮力天平”,还写了一篇题为《物体的重心》的论文,引起了学者们的注意,被誉为“当代的阿基米德”。1589年,比萨大学聘请伽利略担任数学教授,三年后又转到帕多瓦大学任教。他一面教学,一面从事物理学研究。从1609年开始,伽利略用自制的望远镜进行天文观测,并且积极宣传哥白尼学说。1611年伽利略到罗马,成为林赛科学院院士。1613年因为出版《关于太阳黑子通信集》,宣传和捍卫日心说,伽利略和宗教神学发生公开冲突,受到教廷警告。

从1623年起,伽利略花了九年的时间,写成名著《关于托勒玫和哥白尼两大世界体系的对话》。这本书的发表招来了横祸,1632年末伽利略被逮捕,遭终身监禁。1638年伽利略写成《两种新科学的对话》,总结了他一生在力学上的研究成果。

伽利略是经典力学和实验物理学的先驱者。他在物理学方面的主要贡献是,通过亲自实验,确立了自由落体定律,发现了物体的惯性定律、合力定律、单摆振动的等时性、抛体运动规律,提出了运动的相对性原理,还对速度、加速度等运动学的基本概念作出了严格的定义,等等。

单摆振动的等时性是伽利略作出的第一个重要发现。据说在1583年,年轻的伽利略在比萨教堂祈祷的时候,他的注意力被摆动的吊灯吸引住了。他全神贯注地用自己的脉搏来测定吊灯摆动的时间,奇怪地发现,不管吊灯摆动的幅度是大是小,摆的时间总是相等的。回去以后,伽利略用绳子系住石头,作了一系列实验,终于发现了摆动的等时性规律。伽利略还利用这种摆来测量病人的脉搏,为以后钟摆的发明开启了先河。

近两千年来,人们都相信亚里士多德的“圣言”:重的物体比轻的物体下落得快。伽利略在做单摆实验的时候发现,单摆上系的轻重不同的石块,从最高点下落到最低点所用的时间是相同的。他对“圣言”产生了怀疑,断言不同重量的物体从同一高度同时下落,将会同时落地。为了证实这一点,伽利略利用斜面“冲淡重力”的办法作了著名的滚球实验,他用自制的“水钟”来测量时间,证实了不同重量的滚球在同一斜面上滚下的时间是相同的。并且发现斜面上的滚球在相等的时间间隔里通过的距离的比总是1∶3∶5∶7……,这个比例同斜面的倾斜程度无关。他进一步推测,自由下落是斜面的一个极端情形,这些规律在自由落体中也应该成立,从而推翻了亚里士多德的结论,建立了科学的落体定律。

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