物理學的起源
卻說這是夏天的一個傍晚，大片濃密的黑雲，象鉛色的幕布一樣，籠罩著天空，隆隆的雷聲此起彼伏，悶熱的空氣受到即將到來的大雷雨愈來愈強烈的震動。
幽暗降臨到大地，濃雲密雨劈頭蓋臉地砸下來，狂風暴雨震撼著人們的靈魂。那傾斜的雨線，扯天扯地的垂落，向大地射出無數的箭頭。
幾分鍾，天地已分不開，空中的河往下落，地上的河橫流，成了一個灰暗昏黃，有時又白亮亮的一個水世界。
慢慢地，雨點由稠密變得稀疏，往東看，在一瞬間，一個弧形的半明的彩虹架在暗雲中間，雨腳在那方一道道地下垂著，象是彩虹邊倒掛的匹練。
那彩虹顏色鮮豔，紫色特別顯著，隻是長虹一端殘缺不全。站在教學門前的牧士和信徒們，望著雨過複晴的晚空，喃喃祈禱著，手在心口上不住地畫著“十”字。
你知道這是怎麼回事嗎？
原來這些信徒們看到彩虹出現，認為是上天給他們帶來好運，但又看到彩虹殘缺不全，以為是上天有意要懲罰有罪的人們。於是他們便禱告著。
其實，這是最常見的一種物理現象。古希臘著名學者阿那克西曼德說：
“風是空氣的一種流動，因為空氣的最輕和最濕部分為太陽所發動或膨脹起來。當太陽的光線投射在極濃厚的雲上時，便產生了五光十色的七彩虹。”
這說明阿那克西曼德已經知道彩虹產生的原因，它隻是一種普通的現象，而不是上天創造用來獎賞或懲罰人類的。
在本回裏，我們將係統地介紹古代物理科學的發展及其重大成就。
就整個物理世界來說，古希臘人有過許多精彩的議論，他們對具體的物理現象也作過不少認真的研究，取得了一些成果。
米利都派的學者們已經注意到了一些物理現象，發表過一些看法。如泰勒斯說到磁石吸鐵，他從他的哲學出發，認為那是因為這塊磁石有靈魂。但是琥珀摩擦能夠產生靜電的這一功勞應該歸功於他。
畢達哥拉斯派是著眼於從數的角度來研究物理科學現象。他們對於琴弦的長度與音律的關係的研究，取得了很好的成績。
他們考查了同張力下不同長度的琴弦的音調，發現兩弦長度之比為2∶1時，兩弦能產生諧音，亦即相差八度，若長度之比為3∶2時，兩音相差五度，等等。
總之是要使音調和諧，弦長必須是簡單整數比。這個發現似乎支持了他們的哲學的合理性，使他們對宇宙間數的和諧，更加深信不疑。
自然科學家恩培多克勒（公元前493～公元前433？）似乎很善於觀察也富於想象力，他是不認為自然界會有虛空存在的。
他有次在做試驗中發現，上端密閉的管子插入水銀中，水銀不能進入管子的情形，他說這是因為管子中的空氣的重力，堵住了想進入的水銀。
他說：“聽覺是外麵的聲音造成的，當語言所推動的空氣在耳朵內鳴響時，便產生了聽覺。”“空氣振動時，便打擊堅硬的部分，產生出一個聲音來。”
他還認為，光是發光體的一種極為精細的流出物，它通過細微的孔道進入我們的眼睛，我們便能看見，光的傳播是需要時間的，在一定的時間內才能到達我們的眼睛。
對於磁性，他也用類似的想法來解釋。他說，鐵塊被磁石吸住，是由於鐵塊中的某種流出物大量流向磁石中的細微的孔道造成兩者相吸的。
而古希臘的“第一個百科全書式的學者”德謨克利特對物理現象的解釋則帶有更多的猜測性。
如關於光，他說那是“從一切物體上都經常發射出一種波流”，“在眼睛和對象之間的空氣由於眼睛和對象的作用而被壓緊了。就在眼睛上麵印下了印子”，這就是視覺。
他還說：“顏色並不是本身存在的，物體的顏色是由（原子）方向的變化。”
關於磁現象，他認為“磁石和鐵是相類似的原子構成的，但磁石的原子則更精細。磁石比鐵較鬆並且有更多的空隙。”
因為運動是永遠趨向相類似的東西的，鐵的原子向外擴散而流向磁石，鐵也就被拖向磁石了。
恩培多克勒和德謨克利特對磁現象的解釋雖仍遠離科學，不過比起泰勒斯的解釋，已是前進一大步了。
下麵，我們來介紹那個時期，最有影響的人物亞裏斯多德是怎樣解釋物理科學的。
亞裏斯多德是古希臘第一個最認真的研究物理現象的人。他的《物理學》也是世界上最早的物裏學專著，盡管那時物理學的含義與現代的說法不盡相同。
亞裏斯多德著力研究的是力學方麵的問題。我們已經知道他認為月亮以下的世界的物體，都有重者向下輕者向上的自然運動，要改變它們的自然狀態，就得有外力。
但外力一消失，物體就立即恢複它們的自然狀態，或者靜止不動於其自然位置，或者垂直上升，下落以恢複其自然位置。
亞裏斯多德反對虛空觀念，認為物體在空間的運動，也就是在某種介質中運動。物體的運動與作用於其上的力成正比，而與它所受到的阻力成反比。
他把外力的作用與物體的“非自然’”運動這樣聯係在一起，那麼他又如何解釋，拋物體在離開拋物者以後仍能運動一段距離呢’
他說，物體剛離開拋物者那個時刻，由於它正向前衝而排開部分介質，就在它的後麵造成一個虛空，自然界是不允許虛空存在的，周圍的介質使文即填補這個虛空，於是這些介質，又對物體形成了一個向前的推力，物體因而得以繼續前進。
但當該物體所受的阻力與推力相等時，它的非自然運動就停止了，拋物體就立即恢複它的自然狀態了。
亞裏斯多德似乎可以自圓其說，但他的認識與實際相去甚遠了。
對於自由落體，他認為較重的物體下落速度要快一些，理由是它衝開介質的力比較大。當然，這種認識也是錯誤的。
亞裏斯多德的物理學沒有科學試驗的基礎，他的結論基本上是不正確的。他的錯誤認識也曾在很長的時期之內，嚴重地束縛著人們的思想。
不過，他的工作終究是人類對機械運動所作的最早的認真的分析，在這個意義上來說，他的曆史功績也是不應輕易抹煞的。
古希臘人也很早就用凹麵銅鏡聚焦取火，玻璃透鏡的使用也很早。
我們還知道古希臘人對光和觀覺的一些看法，而把對光的研究建立在科學基礎之上的則是歐幾裏得。他的著作《光學》和《論鏡》，被認為是最早的光學專著。
歐幾裏得進行了許多光學試驗，並且應用幾何學方法來加以研究。他已經弄清楚了光的反射定律，即入射角與反射角相等。他還研究了凹、凸麵鏡的反射。
對於視覺的認識，他卻是後退了一步，他不認為是物體發出的光進入眼睛而產生視覺，卻認為是眼睛發出一種無形的觸須般的“視線”與物體接觸，而使人看見。
力學
一、力學之父
這一時期有著比較大的成就的，是被後人譽為“力學之父”的古希臘最大的物理學家阿基米德。
阿基米德（公元前287～公元前212）生於敘拉古。這是一座美麗的港中城市。
在宜人的地中海海風的滋潤下，它美麗富饒。許多冒險家、航海家、商人都願意在敘拉古遊覽、探險和貿易。
敘拉古的港口每天都很擁擠，雲集著四麵八方的船隻，五花八門貨物堆滿了碼頭。穿著各式服裝、說著不同語言的人們湊在一起，比比劃劃，大聲交談。
他們各顯神通，開辟了一個個市場，進行貿易交流。經濟上空前繁榮的敘拉古，在觀念上也不斷更新。貿易的往來和文化的交流，使古希臘成了人類文明的搖籃之一。
阿基米德就出生在這樣一個充滿知識和思考的時代。
阿基米德的父親菲迪阿斯，是位數學家兼天文學家。兒子的誕生，給這位老科學家帶來無比的喜悅。他將一支橄欖枝插在門楣，向全城宣告：“我有兒子了。”
小時候的阿基米德喜歡聽故事，聽伊索寓言，聽荷馬史詩。這些知識性和趣味性的故事，極大地增強了他的想象力。
到了上學的年齡，菲阿迪斯把兒子送到一位很有學問的老師那裏。於是，阿基米德在鋪平的沙子上，用樹枝在地上畫著他幼小的心靈和期待。
隨著知識的加深，阿基米德對一切新鮮事物都越來越感興趣。他喜歡聽大人們對某個問題的爭論，他有時也敢大膽地說出自己深思熟慮後的看法。
他喜歡觀察事物，重視一切現象，每天都有許多疑問在腦子裏轉悠。有時會迸發一些奇妙地新思想。
阿基米德在知識的海洋裏暢遊著。“大海為什麼總是咆哮不停？大船為什麼會浮在海麵行走？船帆為什麼是弧形的？船頭為什麼是尖的？
有許多問題在敘拉古找不到答案，阿基米德感到很焦急。
有一次，阿基米德把一古腦兒的問題全部倒向一位航海家。這位航海家覺得阿基米德有著驚人的睿智，豐富的想象力，便說：“請你回家告訴你的父親，要他把你送到知識的窗口——亞力山大去。”
阿基米德回家後，便問父親：“亞曆山大是一個什麼樣的城市。”
父親把自己所了解的亞曆山大，告訴了這位未來的科學家。
原來，亞曆山大是埃及最大的港口，位於尼羅河口。它是地中海東部政治、經濟、文化的中心，是古埃及托勒密王國的首都。
在那裏，有當時世界上最大的圖書館，藏書量高達70萬卷。這裏有一流的科學家、學者，還有為從事科學研究的科學家們建造的一流的實驗室。
許多不同國度的科學家們，在這個學術氛圍比較濃的城市裏，專心致誌地從事著他們的研究課題。
阿基米德聽說亞曆山大是如此的城市後，便向父親提出他的想法：到亞曆山大去！
終於，父親在他期待的目光裏答應了他的請求。於是，阿基米德每天到碼頭上，打聽風向風力，準備著自己的行裝。
求知的欲望使阿基米德變得衝動起來，最後在他父親的努力下，依靠和國王亥厄洛的親戚關係，阿基米德踏上了行程。
這一年，阿基米德僅有11歲。
白帆升上了船桅，水手們解開纜繩。阿基米德的心在嘣嘣地跳動，敘拉古向後退去，阿基米德向著知識的寶庫，前行！
阿基米德來到了世界著名的學術中心亞曆山大後，便幸運地成了歐幾裏得的弟子埃拉托色尼和卡諾恩的學生，向他們學習數學、天文學和力學。
亞曆山大，這座新興的城市，薈萃著各地著名的學者，被稱為“幾何學之父”的歐幾裏得，曾在這裏開辦學校，講述著他的著名著《幾何原本》。
在這裏，歐幾裏得培養了一大批通曉幾何學的數學家。人們由衷地敬佩著他的才華，說他象魔術師一樣，能夠把蒼天和大地任意變成複雜的圖案，令人不可思議。
很快，阿基米德在知識的海洋裏能夠暢遊自如了。他整天都在畫著各種各樣的幾何圖形，研究它們之間的聯係、區別，找出它們那帶有規律性的東西。
有一天，他和同學們乘著木船，從尼羅河順流而下，興致勃勃地瀏覽著尼羅河兩岸美麗的風光：清新的空氣，溫柔的風，茂密的樹木，肥沃的農田。
正是這次旅行，使阿基米德發明他的第一件作品：阿基米德螺旋提水法。
原來埃及人一直用尼羅河水灌溉農田，但是河床低，農田地勢高，農民們隻好手提肩挑，拎水澆地，又吃力又費功夫。
阿基米德看到這一情形後，心想：如果有一種東西，使水能夠向高處流，那該有多好？但是，怎樣才能做到呢？
他回住處後，便著手這件作品的研究，經過一個多星期的認真測算，他終於畫出了這件物品的草圖。
阿基米德找到木匠，向他比劃著：“這是圓筒，這是螺杆……”
木匠好半夫才弄懂這件物品的結構，幾天後，聰明的木匠居然按照阿基米德的草圖把物品做了出來。
阿基米德眯著眼睛看了看，又搖搖手柄，拍著木匠的肩膀，說道：“嗯，還行。”
於是，阿基米德扛著這個怪玩藝，走向農由的在稼地。
他把螺杆的一頭放在河水裏，安了手柄的那頭放在岸上，輕輕地向著一個方向不斷的搖動手柄，隻見河水咕咕嚕嚕地從怪物的頂端冒出來。
一個顯然不可能的奇跡發生了：水往高處流！
農民們放下水桶，爭著來看阿基米德的發明，既省力又省時間。大大地減輕了勞動強度。農民們把阿基米德拋向天空。
螺旋抽水機很快地從埃及傳到外國，人們不僅用它來提水灌溉土地，還用來排積水，揚穀粒，揚沙子。以後這個機械就被稱作為“阿基米德螺旋提水器”。
直到今天，有的地方還在使用阿基米德螺旋提水器。至於飛機、大船的螺旋槳，甚至小的螺絲釘，那都是阿基米德螺杆的後代。可見，它影響至深至遠。
公元前240年，47歲的阿基米德回到他的故鄉敘拉古，擔任亥厄洛國王的顧問，繼續從事他醉心的數學和力學的研究。
對於自己被迫充當了“一名被人看不起的象叫花子那樣惟利是圖的商業和戰爭機器的製造者”的角色，阿基米德簡直是恨透了。
但是，他和亥厄洛國王有親戚瓜葛，因此他受雙重義務的束縛——即是臣子又是親戚——必須聽命於國王。
在國王的命令下，阿基米德搞出來的發明不少40種。其中一部分商用，但絕大多數是為了軍事目的。
一次，他出生的城市敘拉古被羅馬人包圍了。於是，亥厄洛國王命令阿基米德立即設計一件防禦武器，來對付敵人的圍城。阿基米德接受任務後，思索了幾天，便向亥厄洛國王複命。
亥厄洛國王問道：“難道這麼幾天，你的防禦性武器就發明出來了嗎？”
“是的，國王陛下。”阿基米德顯然是精疲力盡了。
“用什麼辦法呢？”亥厄洛國王關切地問。
“用鏡子燃燒的辦法。”
阿基米德再也支持不住了，倒在桌上，呼呼大睡起來，顯然，他自從接到任務後，沒睡過一個囫圇覺了。
國王愛惜地看了阿基米德一眼，便命令仆人把他抬到床上，準備好豐盛的酒菜，準備好好慰勞一下這位又是臣民又是親戚的卓越發明家。
這時，馬西努斯率領著一支羅馬艦隊，在敘拉古城逡巡著，由於天氣陰濕，羅馬艦隊隻好待命。
不幾天，終於是一個睛朗的天氣，馬西努斯便命令士兵們各就各位，準備轟擊敘拉古城市。
正在這時，隻見一束熾熱的火光迎麵撲來，頓時，羅馬軍艦著火。馬西努斯正想命令士兵們滅火，但又一軍艦著火。不一會兒，羅馬艦隊已有四五隻軍艦燃起衝天大火。
馬西努斯一看這情勢，知道進攻是不可能的了，失敗也是不可避免了，遂命令：羅馬艦隊全線撤退。
原來，阿基米德利用光學原理，用巨大的火鏡反射陽光，使其焦點聚於某一點上，來焚燒敵艦。
關於這個故事，後來的科學家艾薩克·牛頓爵士，在進行了一係列凹鏡實驗以後發表意見說：“象阿基米德這樣的發明，在科學領域內不是不可能的。”
“盡管關於這件事，大多數的曆史學家認為是虛構的，但是，我堅持己見，尤其是發生在阿基米德身上。”
敘拉古第一次保衛戰勝利後，亥厄洛國王親自在王宮裏設宴慶賀，把阿基米德安排在一個顯著的地位。人們紛紛向國王道賀，誇獎著阿基米德的功勞。
國王舉起酒杯對著阿基米德說：“我親愛的阿基米德先生，我為我有你這樣一個臣民而高興，是你用了你的力量和智慧打敗了羅馬人。我提議，為阿基米德幹杯！”
王宮內頓時歡呼起來。
阿基米德致答謝詞：“是的，國王陛下的話是對的，人的力量是無窮盡的。比如，一塊千斤的石頭，我可以用杠杆來撬起它。就是說，再重的東西，在我手中，隻是一塊輕的鴻毛而已。”
在座的貴賓眼裏，都露出了驚詫的眼神。國王見此，說道：“我親愛的阿基米德，不要把話說得過於誇張了。”
阿基米德望著國王說：“任何重物都可以用一個給定的力來移動。陛下，若給我一個支點，我就可以移動地球。”
“開什麼玩笑，到哪裏去找一個支點能把地球舉起呢？你太吹牛了！”國王說。
阿基米德這時向國王鞠了一躬說：“陛下，我可以用實例來證明我的觀點……”
國王說道：“好呀，我倒看看你是怎樣證明的？”
不多久，亥厄洛國王為埃及王建造了一條巨大的船隻，但船造好了，卻沒法把它推到水裏去。國王動員了全城的人，齊心協力。但又失敗了。
敘拉古全城的人沒有一個想出好辦法，能使船隻下水。這時，國王突然想起阿基米德：他不是能舉動地球嗎？我先讓他舉動我的大船吧，現在該是證明他的時候了。
於是，派人把阿基米德找到。阿基米德聽後，輕描淡寫地說：“沒問題，大船定在什麼日子下水，請提前兩天告訴我。”
這天，天氣晴朗，雪白的海鷗不時掠過蔚藍色的海麵，微微起伏的波浪在陽光的照耀下，閃著銀光，這是個好日子。
海邊的船塢熱鬧非凡，居民幾乎是傾城而出，把海灘圍個水泄不通，人們你一言，我一語地議論著，大聲喧嘩或竊竊私語，彙成潮水般的聲浪。
有人說：“阿基米德注定要失敗了。”
還有人說：“這個聰明的人今天要倒黴了。”
人們說著鬧著，對著這隻龐然大物指指點點，並不時地發出哄然大笑。
阿基米德走上前去，檢查一下前兩天已設計好的複雜的杠杆和滑輪機構，最後將繩子的一端拿到國王的身邊。
國王說：“尊敬的阿基米德先生，你怎樣將這龐然大物推下海呢？這是不可能的。所以，我奉勸你，不要太狂妄了。”
阿基米德把繩子交給國王，說道：“事實勝於雄辯，還是請你拉一下這個繩子吧。”
國王不解地接過繩子，試著用力輕輕一拉，奇跡出現了：船體竟慢慢地滑動了，他高興極了。
就這樣，這條沉重的大船由國王親自送下了水。“嘩——”就象平地裏卷起一陣狂風，人群中歡呼鼎沸：“看啊，快看啊，大船真的下水了。”
全城的人象著魔似的觀看著這一種跡，國王驚呆了，他明白，站在自己麵前的阿基米德是一個無所不能的人。
國王立即站了起來，發出了告示：“從此以後，無論阿基米德說些什麼，都要相信他，包括我國王在內。”
阿基米德是個科學上的“癡人”，他想起問題就象著了魔一樣。讓他吃飯，他好象絲毫沒有聽見一樣，仍然繼續在火盆灰裏畫著他的圖形。