2.1　孕育期的物理学：自然哲学

人类一直探索、研究着身边的世界，以便获得更好的生存优势。在古希腊，哲学分为两个分支：一个是形而上学，另一个是自然哲学。信奉形而上学的哲学家们是逻辑学家，其中最著名的是柏拉图。他研究抽象的理念，推崇演绎体系的经典几何学。自然哲学则研究物理世界的规律，研究自然现象，以便从中找到第一原理。作为最早的科学家，他们具备科学研究的基本素质，首先是数学能力，其次是观测和归纳能力，借此建立物理定律。

最早的自然哲学家是泰勒斯，他发现了摩擦琥珀可以吸引轻小的物体，以及磁石吸引铁的现象。在数学方面，他善于测量和计算，创立了相似几何学；据说他在天文学领域还有建树，能够预测日食。在哲学方面，他提出“万物皆水”，成为世界统一论的首创者。

古希腊哲学家德谟克里特率先提出“原子论”，并认为世界是虚空的，可见的物质则是由原子构成的。

毕达哥拉斯从研究音调和音律的关系中总结出音程和音数的关系。通过摆弄石子，他发现了初级的算术级数。在几何学中，毕达哥拉斯定理是耳熟能详的。他的学派开设的课程有算术、平面几何、立体几何、天文学、声学及和声学等。毕达哥拉斯归纳出“万物皆数”理论，进而推理出，地球并非宇宙的中心。

柏拉图在他的学院中开设的课程与毕达哥拉斯开设的课程几乎一样，柏拉图学院里最著名的一句话是“不懂几何学者不得入内”。柏拉图致力于解决“概念”及其所指之间的关系，例如，几何形状和现实中物体外形的关系，名词“桌子”和现实中各种桌子之间的关系，提出了作为纯粹概念的“理念”的绝对性。直到今天，人们依然在探讨这类命题。

亚里士多德是柏拉图的学生中最著名的一个，他是古代最伟大的哲学家、物理学家之一。他坚持“观察”是理解自然的最好工具，以极大的耐心和好奇心观察、归纳身边的世界，从动物、植物的习性和变化，到宇宙万物的运动规律。他的《物理学》对物体的运动和运动的原因进行了解释，他的《动物志》、《动物之构造》等对动物进行了描述和分类。在他描述的宇宙运行体系中，地球为中心，其他星体围绕着地球旋转，如同一台机器一样。为了确保论证的准确性，他建立了三段论论证结构，至今三段论论证结构仍然是人类逻辑思维的基本方式。亚里士多德建立的庞大自然科学体系是人类科学进步史上的里程碑，直到1900年后才被修正。对于这种修正，一些人痛斥亚里士多德的错误，但科学就是在不断修正中进步的。

亚里士多德坚持观察实证和严谨论证的方式，第一次系统地建立了科学通向真理的道路，为西方的科技复兴奠定了基础。从近代科学方法论的角度看，亚里士多德的不足是基于感官经验的定性描述和归纳，缺乏精准的工具和科学的测量方法，没有能准确地建立起对象间的数学逻辑关系。他的这种不足在今天许多文明中仍然是普遍存在的。

另一个对科学发展有深远影响的人是欧几里得。他的《几何原本》描述的几何体系出现于公元前3世纪，直到19世纪末才得到稍稍的修正。《几何原本》是人类思维史上最伟大的杰作之一，他横空出世，建立了完整的演绎体系；通过有限的定义、公设、公理，在巧妙的推理之下，一个个命题如同从泉水中涌出，汇集成一条滔滔不绝的大河，显示出第一原理的巨大力量。《几何原本》不只是对当时几何知识的总结，也是一本涵盖了所有初等数学的基础教科书（如数论、综合几何和代数），是西方基础教育训练儿童理性思维的必读书。欧几里得本人也是自然哲学家，出版过多本科学著作，涉及光学、天文学、音乐和力学等。

古典科学的巅峰是由阿基米德建立的。他同样生活在公元前3世纪，比欧几里得晚50年左右。阿基米德的最大贡献是首次建立了数学和物理之间的关系。他在《平面图形的平衡或其重心》专著中，采用欧几里得式的方法，从公设定义开始推理，并用数学确定相互关系，根据静态原理推导出杠杆原理。同样，阿基米德的研究也是多方面的，他出版了专著《论浮体》，奠定了他作为数学和物理学之父的声誉。在《数沙术》中，他严谨地计算宇宙天体（如太阳、地球、月亮）的尺寸，从而算出需要多少粒沙子才能填满整个宇宙。《论螺线》是一本伟大的著作，因为他涉及类似微分和积分的运算。阿基米德还是一位优秀的工程师，制造过精良的抛石机、弩炮、天象仪、螺旋泵和战舰。

公元2世纪，天文学在托勒密这里被推向巅峰。托勒密的三卷本《数学汇编》是古代最伟大的科学著作之一，中文翻译为《天文学大成》，该书制定了三角的六十进制度量体系，建立了三角函数表，至今仍然是天文学必不可少的计算工具。在构建了可用的数学工具后，托勒密用他来计算宇宙的结构。他拥有充足的观测数据进行计算。从计算的角度看，将坐标系建立在地球上是更加方便的，这使得托勒密的体系看起来是以地球为中心的宇宙。但为了数据拟合的严谨，他设置了偏心轨道，这样，地球的轨道就不再是圆形了。由此托勒密给出了行星运动的精确描述，其精确度直到牛顿时代才被突破。托勒密将数学应用在地理学上，建立了经纬体系，他的《地理学》因此成为地理学的圣经。托勒密还研究光学，论述了反射几何学和折射几何学，编制了几种介质的折射角表。该表直到17世纪菲涅尔的出现才被修正。托勒密还写了一本影响深远的巨著《四书》——占星学的圣经。

随着古希腊被古罗马人征服，古典自然哲学的进步被终结。古罗马人崇尚实用主义，浩大的工程建筑是他们的喜好，政治环境开始向宗教转移，享受主义和禁欲主义并行。古罗马时代之后是欧亚大陆持续不断的动荡时期，科学在此期间基本上是沉睡的，直到15世纪，科学才开始苏醒，16世纪的哥白尼、第谷、开普勒、伽利略等人才使之继续进步。

这些古代哲学家的研究为近代科学的诞生奠定了坚实的基础。过去对他们的理解通常是偏颇的，例如，谈到毕达哥拉斯就是他的神秘主义，谈到亚里士多德就是他对自由落体的“愚蠢”描述，谈到托勒密就是他的地球中心说，等等。但这些“愚蠢”是建立在严谨的观察、实验和数学基础上的，他们的研究方法和今天的科学研究方法并没有太多差异。人类有所进步，不仅是因为把观测工具的研发放在更重要的位置上，使得看到得更多，观测得更精确了；同时人类发明了更好的数学工具，并在专业化道路上坚持不懈。

其次，这些古代哲学家的成就与近代科学几乎是无缝衔接的，但被埋没了1000多年。这说明科学进步不是直线的，甚至是偶然的，“好东西”有可能随时被抛弃而遗失。人类也会犯愚蠢的错误，为短期利益而争抢，为意见不同而杀戮。

另外，这些古代哲学家是被逻各斯驱动的人。逻各斯一词的意思是理性与行动，信奉逻各斯力量的自然哲学家们训练自己抛弃主观情感，服从自然之神的意志，谦卑地观察自然，试图发现自然之神的规律，通过数学、逻辑和行动来认识自然中存在的第一原理。

因此，他们梳理与发现的知识推动了人类科学的进步。