基础科学

源于古希腊人的自然科学萌芽

与古希腊人最早在几何学、代数学和天文学等领域取得成就一样，对自然进行研究的科学（即物理学）同样起源于古希腊。早期的自然哲学家对物质世界提出了质疑。物质世界是如何形成的？宇宙的主要物质是什么？是气、水、火还是一些由它们组合而成的物质形态？物质能够无中生有吗？究竟有没有一个造物主？生命是故意被创造出来的，还是所有的事物都是一种偶然机遇的产物？由物质组成的宇宙是一成不变的，还是会经常发生变化？在很多人看来，这些疑问都属于形而上学的问题，因此无法找到像数学一样精确的答案。

公元前7～前6世纪，一些早期的哲学家提出了他们的宇宙理论，主要是通过一种或者是几种重要的元素对宇宙的组成进行阐释。物质的形态是如此变化多端，既包括非生命形态，也包括生命形态，这就意味着这些元素必然处于持续不断的变化之中。然而，我们可以找到一个平衡点，而且这种平衡点介乎于将要形成和诞生以及即将消灭和死亡之间，如此循环往复。公元前5世纪之前，这些概念一直是理论争辩的核心。从那个时候开始，这个争论才开始分化为两个方向。

公元前515年出生的巴门尼德认为，物质不断形成和消亡的过程意味着在某一个时间点上必然存在着一种“非存在”的状态。既然存在是可能的，那么“非存在”应该是不可能的；而如果“非存在”确实存在，那么其本身就是一种客观存在。正如巴门尼德在他的一首诗《真理之路》中所描述的那样：“不要让不是真理的东西引导你，你要让自己的思想跳出那种思维方式。”

与巴门尼德同处于一个时代的恩培多克勒（可能还是巴门尼德的学生）认为，从诞生之日起，宇宙就不能发生变化，它始终保持着一种不变的状态。同时，他也认为我们生活于其中的世界的改变是有可能的，这些变化主要通过土、水、气和火这四种物质的“根”元素之间发生错综复杂的互相作用。那些“根”可以通过相爱与相恨的力量被拉开或者牵到一起，如此循环往复——相爱与相恨是他为吸引力和排斥力所起的另外一种名字。每一种“根”都有其独特性，而所有的物质都是由这些“根”的不同组合形成的，因此不久之后，这些“根”便被称为基本元素。

德谟克利特在这一争论中却持另外一种完全不同的观点。出生于公元前460年左右的德谟克利特因为对人类生存条件所持的乐观态度而被人们称为一位笑容可掬的哲学家。据传闻所说，他足足活了100岁。

德谟克利特找不到任何理由来解释为什么存在和非存在两者可以共存。“任何事物的存在都归于零。”他斥责了巴门尼德的所有信徒和拥护者。他把世界想象成一个莫大的虚空，在这个虚空中，持续不断地下着细微到根本无法察觉更无法辨认其形状和大小的原子雨。各个原子之间出于巧合的碰撞可以形成各种物体，而当原子分崩离析的时候，物体又开始分解。

在柏拉图指导其弟子去寻找那些潜藏在世界完美外表之后的永恒物质的时候，他最出名的弟子亚里士多德却对自然世界的直接观察给予了极大的关注和重视。亚里士多德不仅竭力研究那些在当时被柏拉图主义者和毕达哥拉斯学派奉为尊贵高尚的天体运动，而且也关注和考察那些从小毛虫到海洋生物等自然世界中极为平凡的具体事件。

从逻辑的角度出发，亚里士多德拒绝接受原子理论，而是采用了恩培多克勒的火、水、土和气四元素论，并且创立了一个非常详细的物质理论。按照亚里士多德的观点，这些元素同时塑造了生命物质和非生命物质。然而，他在根本信仰上与恩培多克勒有所不同，因为他认为元素是可以变动的。在亚里士多德看来，元素可以放弃或者获取潮湿与干燥、热与冷等属性，而且它们也能够从一种存在方式自动转变为另外一种存在方式。

对自然世界进行的观察使亚里士多德了解到，自然中的每一个事物都存在着某种设计原理或创造功能。他认为，生命体实际上都是按照从低级向高级进化的目的进行组织的：从最初开始的无生命物体上升到各种在生长发育机制上近乎完美的植物，然后是在觅食功能上几近完美的动物，最后是思考功能和幸福感相当完美的人类。

在亚里士多德看来，世界是运动着的，变化和运动是世界的基本特征。同时，他还认为在每一个物体背后存在着4种被他称之为“因子”的元素。一旦这些因子被人们所了解和掌握，那么物体本身就完全被人们所了解和掌握了。第1个因子是物质或者物质动因，即所有物体的组成元素。第2个是形式或者形式动因，即上述物质所呈现的外部形式。第3个是动力或者动力动因，也就是使这个物体成为可能的原因。第4个是亚里士多德世界观中最为重要的一个因子，这个因子被称为目的动因，它指出了一个事物的目的、目的的内容以及目的存在的原因等。

所有的自然事物（与人类双手所创造的人造物品有所不同）在其内部都存在着一种动力法则，而且就是这种法则推动着它们朝着自己的目的动因推进。

比如，橡树的果实不需要外界刺激就可以朝着其目的（生根发芽，从而茁壮成长为一颗成熟的橡树）前进。因此，在亚里士多德看来，物质一直处于变动之中，即从一种存在状态转变成另外一种存在状态，其驱动力要么是基于内在法则使它们朝着正当的目标变动，要么在外力作用下朝着其他目标变动。

在德谟克利特时代之后的一个多世纪，伊壁鸠鲁重新回归到他的原子理论，并开始思索由在一个没有灵魂、诸神和造物主的虚空世界里运动着的原子组成的唯物主义世界。伊壁鸠鲁的原子论与德谟克利特的原子论之间存在着区别：他的原子是有质量的，而且可以突然被转移和发生碰撞。此外，在它们被赋予某种形状的时候，它们能够唤起感官刺激。在伊壁鸠鲁看来，自然事件是没有任何目的的，所有的事情都是由原子的随机运动决定的。即使是人的思想也与源自原子结构的身体没有什么两样。当死亡降临的时候，思想和身体的原子都将散播到空气中去。

古希腊人留下了最基本的物理学概念：元素、原子或者其他物质是所有物质的基本构成要素；物质都有产生、成长、衰退和消亡的过程；由于物质都将经历转变的过程，因此物质的形态经常是暂时性的。这便是古希腊物理学思想的基本内容（在某些情况下，这些思想又是一个个的问题），这些思想一直激励着2500多年以后的科学家和哲学家。