古希臘羅馬時(shí)期的物理學(xué)

在希臘化時(shí)代，籠統(tǒng)的古希臘、羅馬科學(xué)開始分化的天文學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)和醫(yī)學(xué)。其中的數(shù)學(xué)，尤其是幾何學(xué)的進(jìn)步，大大促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展。

同時(shí)，天文學(xué)與物理學(xué)緊密相聯(lián)，特別是在論證行星運(yùn)動(dòng)方面。希臘人主要從整體上對(duì)自然界進(jìn)行觀察，他們雖然看到了自然現(xiàn)象間的相互聯(lián)系，但并未達(dá)到對(duì)自然界進(jìn)行分析的研究水平，也未能超出萌芽的、片斷的經(jīng)驗(yàn)范圍。

在研究方法上，古希臘化時(shí)代主要還停留在對(duì)自然的直接觀察和簡(jiǎn)單的抽象與推理上其，理論常常帶有猜測(cè)的性質(zhì)，但在個(gè)別問題上有所突破，如阿基米德的"王冠"問題和托勒密的光的折射問題。羅馬帝國崩潰后，宗教開始籠罩全社會(huì)，進(jìn)入中世紀(jì)黑暗時(shí)期，物理學(xué)和化學(xué)同其它科學(xué)一樣，受到摧殘和破壞，走向了衰落。

1.光學(xué)的研究與成果

古希臘羅馬時(shí)期，光學(xué)的研究倍受科學(xué)家的重視，發(fā)展很快。公元前3世紀(jì)的著名學(xué)者歐幾里得第一個(gè)把光學(xué)研究建立在科學(xué)的基礎(chǔ)之上，此后的科學(xué)家克里奧梅德斯、托勒密等人闡明了光學(xué)折射的理論。在光學(xué)領(lǐng)域里作出了卓越的貢獻(xiàn)。

歐幾里得(前3世紀(jì)）是歐氏幾何的最后完成者。約公元前300年，應(yīng)托勒密一世邀請(qǐng)，客居亞歷山大城。在希臘化時(shí)代，亞歷山大城是西方學(xué)術(shù)文化的中心。歐氏在這里從事數(shù)學(xué)研究，并成為亞歷山大學(xué)派的創(chuàng)始人之一。

他除了在公元前320年完成了驚世名著《幾何原本》、創(chuàng)立了歐幾里得幾何學(xué)之外，同時(shí)也十分重視對(duì)光學(xué)的研究。他的《光學(xué)》和《反射光學(xué)》兩篇文章為幾何光學(xué)奠定了基礎(chǔ)，被認(rèn)為是最早的兩部光學(xué)專著。歐氏也成為古希臘第一個(gè)把光學(xué)研究建立在科學(xué)基礎(chǔ)上的人?！豆鈱W(xué)》一文介紹了透影幾何說的原理，《反射光學(xué)》一文對(duì)光的反射定律有一定研究。其實(shí)，光的直線傳播規(guī)律和反射規(guī)律是歐氏幾何的基點(diǎn)，為此，他從形式上論述了光線的概念，同時(shí)，還描繪了來自眼睛里的線。他已知道凹鏡聚集作用(但不知焦點(diǎn)的具體位置）、分光作用以及凸鏡的散光作用。他還論述了光折射的試驗(yàn)：將一指環(huán)放在一高腳杯底，眼睛剛好在指環(huán)被杯壁遮住的地方。位置不變，向杯里注水后指環(huán)就看不見了。這一試驗(yàn)表明，人類對(duì)光的折射現(xiàn)象已有了確切的認(rèn)識(shí)。

歐幾里得之后，亞歷山大城的許多西方著名學(xué)者，在繼承前人成就的基礎(chǔ)上，又取得了新的成果，其中以希龍、克里奧梅德斯、托勒密等人的成就更為突出。希龍指出：光從始點(diǎn)傳到另外的某一點(diǎn)，受到鏡子的反射而經(jīng)過距離最短的路線。即光線為起點(diǎn)到某一點(diǎn)隔鏡相對(duì)點(diǎn)的連線。

克里奧梅德新(公元1世紀(jì)）對(duì)光的折射實(shí)驗(yàn)作了大量的論述，其中就包括歐幾里得的指環(huán)實(shí)驗(yàn)。這些試驗(yàn)都是極為科學(xué)的，是古代人類智慧的結(jié)晶。他認(rèn)為：當(dāng)光線從較稀薄的介質(zhì)進(jìn)入較密集的介質(zhì)時(shí)，在入點(diǎn)上幾乎與分界面垂直。他還指出：由于光線在大氣中的折射，在太陽剛落山時(shí)，仍可看見太陽。

托勒密是位卓越的天文學(xué)家和杰出的地理學(xué)家，但在光學(xué)領(lǐng)域里也有貢獻(xiàn)，他曾經(jīng)作了一個(gè)出色的實(shí)驗(yàn)：在一圓盤中心固定兩地可以轉(zhuǎn)動(dòng)的尺子，圓盤的一半浸入水中，將一支尺子撥到一定的方向，轉(zhuǎn)動(dòng)另一尺子，使它表示前尺所表現(xiàn)入射線的延續(xù)，量入射角和折射角，就會(huì)得出相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果，即入射角為0°，折射角為0°，從折射率中算出折射角為0°。入射角為10°，折射角為8°，從折射率中算出折射角為7°29'；入射角為20°，折射角為15°30＇，從折射率中算出折射角為14°54'……。從這一實(shí)驗(yàn)中可以看出，托勒密相信折射角與入射角成比例，但還沒有找出準(zhǔn)確的折射率。他在《光學(xué)》一書中曾論述了光的折射理論，并首次記載了不同海拔高度外氣差觀象。這些結(jié)果以及對(duì)光的認(rèn)識(shí)，對(duì)后世光學(xué)的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用。

2.卓越的力學(xué)家阿基米德

阿基米德(公元前287-前212年）是古希臘亞歷山大時(shí)期的著名學(xué)者。他不僅在數(shù)學(xué)方面作出了巨大的貢獻(xiàn)，而且在物理學(xué)方面也取得了驚人的成果。他的主要功績(jī)是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)掘出一些靜力學(xué)原理，并對(duì)靜力學(xué)進(jìn)行數(shù)學(xué)研究，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)學(xué)抽象，導(dǎo)出了力學(xué)定律。

在《論面平衡》一書中，阿基米德解釋了平面型重心的數(shù)學(xué)定義，并闡述了面平衡問題。同時(shí)，他從下列假設(shè)出發(fā)，提出了杠桿定律的依據(jù)：

a.相等的重量作用在離支點(diǎn)相等的距離上，二者相互平衡；

b.不同的重物置于離支點(diǎn)相等的距離上，大的重物占優(yōu)勢(shì)；

c.離支點(diǎn)距離不等的相等重物，離支點(diǎn)近的占優(yōu)勢(shì)；

d.一個(gè)重物的作用可以用幾個(gè)同樣分布的、但重心不變的重物的作用來代替；相反，幾個(gè)同樣分布的重物也可以用一個(gè)來代替，這個(gè)重物的重心要和那幾個(gè)一致；

e.重量不等而形狀相同的重心分布一樣。

阿基米德證明了這一定律，后來，他又把它用到了無法比較的重物上。

阿基米德所發(fā)現(xiàn)的浮力定律(亦稱阿基米德定律）的內(nèi)容是：一個(gè)物體浮于液體中時(shí)，其重量等于它所排開液體的重量；當(dāng)物體沉入液體中時(shí)，物體重量的減少數(shù)等于該物體排開液體體積的重量。后來，這一定律也轉(zhuǎn)用于氣體研究中。

此外，阿基米德還首次提出了密度和相對(duì)密度的概念，即密度是某物質(zhì)單位體積所言的質(zhì)量；相對(duì)密度是某物質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)密度的比值。

大量的研究成果充分顯示了阿基米德在力學(xué)領(lǐng)域里為人類作所出的巨大貢獻(xiàn)，他的這些力學(xué)理論是古代力學(xué)科學(xué)的頂峰。同時(shí)，其數(shù)學(xué)與力學(xué)相結(jié)合的研究方法更為后世的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家等指出了光明的道路。

3.希羅與氣動(dòng)力學(xué)研究

希羅(公元前130-75年，又譯作希隆）是希臘化時(shí)代著名學(xué)者。他曾詳細(xì)描述了杠桿、尖劈、螺旋、絞車、滑輪等機(jī)械，并正式確定了杠桿和滑輪的法則。另外，他還提出了著名的希羅三角公式，即平面的反射法則。公元前100年左右，他寫成《氣動(dòng)力學(xué)》一書，詳細(xì)地論述了利用蒸汽的反沖作用力而旋轉(zhuǎn)的汽轉(zhuǎn)球(又稱作風(fēng)神輪）。這種汽轉(zhuǎn)球應(yīng)該是世界上最早的反動(dòng)式汽輪機(jī)的雛形。這本專著的問世無疑是對(duì)古希臘人們所積累的氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)的總結(jié)，也是人類原始的氣動(dòng)力學(xué)研究的開始。

4.盧克萊修與古代原子論

盧克萊修(約公元前99～前55年），羅馬著名詩人，在物理學(xué)方面也頗有造詣，其主要貢獻(xiàn)是撰寫成《物性論》一書。他以詩的形式生動(dòng)地闡述了原子論學(xué)說，對(duì)原子論學(xué)說進(jìn)行了概括總結(jié)。他以多孔性和比重的不同來論證虛空的存在，并以塵埃在陽光中的飛舞來比喻原子在虛空中的運(yùn)動(dòng)等。

其實(shí)，原子論學(xué)說是古希臘人探索研究的主要課題之一。早在公元前5世紀(jì)時(shí)，阿那克薩哥拉(公元前500～前428年）就開始探索這一問題，他引用兩個(gè)始原，即積極的始原和消極的始原來論證物質(zhì)的構(gòu)造。積極的始原是一種精細(xì)液體，是運(yùn)動(dòng)的最初發(fā)動(dòng)者，可以引起旋轉(zhuǎn)，一經(jīng)旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散開來，造成世界并使它具有秩序；而消極的始原則是可以被分割為無限小的"種子"，各種不同的種子構(gòu)成了各種不同的物質(zhì)，而種子本身也具有無限多的性質(zhì)，它們?cè)诤苄〉姆秶鷥?nèi)重復(fù)著世界上多種多樣性形態(tài)，萬物的產(chǎn)生和消滅就是這種種子的結(jié)合與分離。

后來，米利都的留基伯(約公元前500～前440年）和阿布底拉的德謨克利特(公元前460～前370年）對(duì)此作了更明確的表述，企圖從物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中去尋求世界萬物的本原。前者認(rèn)為，宇宙萬物都由原子組成，而原子是最小的，不可分割的物質(zhì)粒子，相互之間充滿著虛空，原子就在這個(gè)無限的虛空中永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)著。后者認(rèn)為，物質(zhì)世界就是原子和虛空，原子被迫去在充滿和否定虛空，彼此間沒有本質(zhì)區(qū)別，而虛空則是原子運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)；是原子得以貯存、運(yùn)動(dòng)和作用的場(chǎng)所；是與原子無關(guān)地獨(dú)立存在著的。

此后，約生於公元前342至前270年的伊壁鳩魯對(duì)這一學(xué)說作了進(jìn)一步發(fā)揮。他贊同所有自然現(xiàn)象都是原子在虛空中的運(yùn)動(dòng)、結(jié)合與分離所造成的這一觀點(diǎn)，但主張?jiān)颖旧碛行螤?、大小、重量的差別，并認(rèn)為原子在虛空中的運(yùn)動(dòng)為同速，而且運(yùn)動(dòng)可以偏斜，這是必然性和偶然性的統(tǒng)一。這些主張到后來都被繼承和發(fā)展，成為古希臘哲學(xué)體系中的重要組成部分。而盧克萊修的論著正是對(duì)前人原子學(xué)說的系統(tǒng)總結(jié)。

5.對(duì)聲音和熱現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)

早在公元前6世紀(jì)，畢達(dá)哥拉斯學(xué)派的創(chuàng)始人畢達(dá)哥拉斯就提出了音程間的算術(shù)關(guān)系，將聲和音階的研究提上日程。后來的亞里士多德在研究中得出聲音是一種運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。他認(rèn)為，發(fā)聲體撞擊空氣使之在各個(gè)方向上發(fā)生拉伸和壓縮運(yùn)動(dòng)，從而使聲音傳播開去，如果碰到障礙，聲音就象球被倒射回來一樣產(chǎn)生回聲。他還主張，如果使管振動(dòng)，當(dāng)管的長(zhǎng)度加倍，管內(nèi)的振動(dòng)就要花兩倍的時(shí)間。

公元前1世紀(jì)的詩人、原子論者盧克萊修則企圖從物質(zhì)結(jié)構(gòu)來解釋聲音，他把聲音看作物質(zhì)流，認(rèn)為聲音的多樣性(如婉轉(zhuǎn)流暢的鳥鳴、悠揚(yáng)的笛聲、沉重雄渾的手掌拍擊聲等）是由"聲粒子"本身的性質(zhì)所決定的。在長(zhǎng)期生活和工作中，人們認(rèn)識(shí)到了聲音的交混回響、回聲、共鳴等，并主張聲音的傳播是與水波一樣的，會(huì)以無限膨脹的圓形向外擴(kuò)散。

熱與聲音一樣，是人們生活的親密伴侶，對(duì)于這一現(xiàn)象的研究，大約開始于赫拉克利特所生活的那個(gè)年代，只不過那時(shí)人們總是把熱與火聯(lián)系一在起。隨后的亞里士多德把熱看作是物質(zhì)的基原性質(zhì)，是物體所具有的證明身份的東西，沒有熱，就沒有物質(zhì)。公元前1世紀(jì)的盧克萊修等原子論者則認(rèn)為，熱是由物質(zhì)本身的流體運(yùn)動(dòng)引起的，并把火看作是熱的代表，是最輕的和光滑的原子。

關(guān)于熱的利用，最有代表性的是2世紀(jì)時(shí)亞歷山大的希羅，他最早把蒸汽作為動(dòng)力，制成小渦輪。其裝置是一個(gè)裝有兩個(gè)彎管噴口的中空的球，噴管與球的軸成直角，各自彎向相反的方向。每當(dāng)在下面加熱時(shí)，球內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，并由噴口射出，使球體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這種裝置可以說是現(xiàn)代渦輪機(jī)的雛形。

6.關(guān)于電、磁方面的知識(shí)

很早以前希臘人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到電和磁的存在。史載米利都的泰勒斯已對(duì)電和磁的性質(zhì)有了一定的了解。他在著作中曾對(duì)琥珀作了描述，并指出琥珀被摩擦后能夠吸引輕小的物體。另外，他還知道某些天然礦物能吸鐵。這些都給后代人提供了研究的基礎(chǔ)。

著名學(xué)者蘇格拉底(公元前470或469～前399年）已經(jīng)對(duì)磁化現(xiàn)象有了較深入的了解。他曾經(jīng)指出，靈敏的鐵(即磁石）不僅能吸引鐵環(huán)，而且會(huì)使鐵環(huán)具有同樣的吸引能力，以致形成一個(gè)十分長(zhǎng)的鏈，而這些都起因于磁石的作用。那時(shí)候人們已經(jīng)知道有些魚身帶電，并開始用這種魚來治病。如將鐵矛接觸電鰻，并將鐵矛另一端放于痛處，用以治療痛風(fēng)、頭痛等。

到公元前1世紀(jì)，盧克萊修從原子論的角度對(duì)磁現(xiàn)象作了解釋，他指出：磁體發(fā)射出細(xì)微的粒子流，撞擊、驅(qū)散磁鐵之間的空氣，并使之形成真空，而鐵原子則力求進(jìn)入這個(gè)真空，從而使整個(gè)鐵塊靠近磁石，并使兩者吸附在一起，而其它物體沒有鐵這種特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，不能為磁體所吸引。他還認(rèn)識(shí)到磁的排斥作用，并曾作過試驗(yàn)：將鐵屑放入一銅盆內(nèi)，把磁石放在下面，運(yùn)動(dòng)時(shí)鐵屑便在盆內(nèi)移動(dòng)，磁石轉(zhuǎn)向何方，鐵屑也跟向何方。

另外，古希臘人曾利用磁石的這個(gè)特性，找到了許多磁石礦和鐵礦，這應(yīng)該是較早利用磁石的例子。據(jù)說，磁(Magnet）的得名與小亞的一個(gè)地方瑪格尼西亞(Magnesia）有關(guān)，那個(gè)地方盛產(chǎn)磁鐵。