亞里士多德與伽利略給我們的啟示
——備課札記
縱觀物理學(xué)發(fā)展的歷史長(zhǎng)河,我們感喟人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然規(guī)律之曲折、艱辛、漫長(zhǎng);驚嘆那些在黑夜中摸索的物理學(xué)巨匠們的頑強(qiáng)、睿智、杰出.從古代的亞里士多德、阿基m德到物理學(xué)新時(shí)代的伽利略、牛頓到近代物理學(xué)的奠基者愛(ài)因斯坦、玻爾……,一代代的物理學(xué)家所代表的人類(lèi)智力的自由創(chuàng)造,使我們關(guān)于物理實(shí)在的圖景的描繪愈來(lái)愈接近客觀真理,使物理學(xué)大廈逐步地趨向完美.回顧物理學(xué)的發(fā)展歷史,重溫物理學(xué)家曾經(jīng)經(jīng)歷的種種挫折與成功,猶如實(shí)施一種智力移植;通過(guò)挖掘革命性、科學(xué)性理論的創(chuàng)造性思路或者偉大科學(xué)家從事科學(xué)創(chuàng)造的思路,使我們對(duì)物理世界的認(rèn)識(shí)更科學(xué)、合理,更富于創(chuàng)見(jiàn),更機(jī)智敏捷.如借鑒歷史的明鏡.依據(jù)古人曾經(jīng)產(chǎn)生過(guò)的錯(cuò)誤,預(yù)料今天初學(xué)者腦子里會(huì)出現(xiàn)的影像,未雨綢繆、少走彎路.讓我們以亞里士多德與伽利略為例去尋求啟迪吧.
我們從教科書(shū)上曾經(jīng)結(jié)識(shí)過(guò)這兩位偉大學(xué)者.在落體運(yùn)動(dòng)法則問(wèn)題上.在力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系問(wèn)題上,這兩位時(shí)隔兩千年的學(xué)者的觀點(diǎn)的確是相去甚遠(yuǎn).在十六世紀(jì)以前,亞里士多德在物理學(xué)界享有至高無(wú)上的威望,致使人們的思維、觀察和知識(shí)都緊緊束縛在亞氏所寫(xiě)下的那些東西上.它使人們相信地球是宇宙的中心;輕物體的自然運(yùn)動(dòng)是向上的;重物體的自然運(yùn)動(dòng)是向下的,越重的物體下落越快;天體物質(zhì)的自然運(yùn)動(dòng)則是圍繞宇宙中心旋轉(zhuǎn)的.這些自然運(yùn)動(dòng)無(wú)須外力作用.非自然運(yùn)動(dòng)的那些物體都是由于有外力迫使.力是維持物體非自然運(yùn)動(dòng)的原因;馬車(chē)沿著馬路行駛當(dāng)然得由馬來(lái)拉動(dòng);推一個(gè)物體的力不再去推它,原本運(yùn)動(dòng)著的物體自然便停下來(lái)……,亞里士多德的觀點(diǎn)與最簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)那么吻合、與人們對(duì)事物的理解程度那么相符,所以曾一代一代地被奉若神明,視作人類(lèi)知識(shí)的顛峰而保持了千百年,大自然的真諦隱匿在黑夜中,謬誤使人們困惑、迷茫.人類(lèi)在混沌中摸索…….伽利略偉大的工作,從根本上改變了人們關(guān)于運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的概念,使物理學(xué)進(jìn)入了新時(shí)期.伽利略運(yùn)用科學(xué)的研究方法,在幾十年時(shí)間里研究落體運(yùn)動(dòng),研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,得出了與亞里士多德截然不同的結(jié)論,現(xiàn)在我們知道,任何物體總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變,直至有外力迫使物體改變這種狀態(tài)為止,勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止才是物體的自然運(yùn)動(dòng)狀態(tài),力則是導(dǎo)致物體改變自然運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因;自由下落的物體“下落速度與下落時(shí)間成正比”.伽利略是劃時(shí)代的物理學(xué)家,正如愛(ài)因斯坦所言.伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一,而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開(kāi)端.
物理教科書(shū)上,亞里士多德給同學(xué)們的形象不妙、他老是出鍺,老是作出一些輕率的結(jié)論.同學(xué)們覺(jué)得亞氏實(shí)在太不高明而伽利略則比他偉大于百倍.事實(shí)上,亞里士多德是古代一位偉大的學(xué)者,一位百科全書(shū)式的大學(xué)問(wèn)家,他有著成就事業(yè)的理性方法,又有幾乎無(wú)所不及的思想成果,他在哲學(xué)、邏輯學(xué)方面的成就至今還被應(yīng)用著,不過(guò)他在物理學(xué)中卻的確是錯(cuò)誤百出并且謬種流傳,整整貽誤物理學(xué)二十個(gè)世紀(jì).亞里士多德的悲哀不在于頭腦也不全在于時(shí)代,而在于研究方法不當(dāng).亞里士多德的物理研究方法有什么特點(diǎn)呢?或許可以用“觀察加直覺(jué)”來(lái)概括,亞里士多德觀察了眾多的自然現(xiàn)象:火焰向上竄,石頭往下落、馬車(chē)要馬拉著跑、尖利的聲音傳得遠(yuǎn)……,于是便依賴(lài)于直覺(jué)推理得出一系列直覺(jué)結(jié)論.固然,觀察與直覺(jué)對(duì)物理研究是至關(guān)重要的.詳實(shí)的觀察與良好的直覺(jué)往往導(dǎo)致偉大的發(fā)現(xiàn),觀察使人腦累積事物的形象,形成一種潛知,直覺(jué)的想象、鑒別與啟發(fā)便是這種潛知的信息外傳.阿基m德巧解王冠之謎發(fā)現(xiàn)浮力規(guī)律、牛頓由落地蘋(píng)果而及月亮乃至天地萬(wàn)物間的引力,就是亞里士多德本人也曾從觀察月食現(xiàn)象而正確判斷地球是圓球形的.然而,物理學(xué)更是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),所以根據(jù)直接觀察所得出的直覺(jué)的結(jié)論不是常??煽康?,它們有時(shí)會(huì)將人們引入歧途,將“觀察加直覺(jué)”作為物理研究的基本方法.正是亞里士多德物理學(xué)的失敗之所在.
伽利略是第一位創(chuàng)造通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論推導(dǎo)的科學(xué)研究方法的科學(xué)家.他崇尚“實(shí)驗(yàn)加推理”,他拒絕聽(tīng)信任何未經(jīng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)思想,哪怕那是來(lái)自于教堂或權(quán)威.伽利略用盡畢生的精力探索落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,他首先通過(guò)落體佯謬的思想實(shí)驗(yàn).否定亞里士多德的重物下落快的結(jié)論.通過(guò)觀察棉花、羽毛等在空氣中落下,伽利略曾經(jīng)提出過(guò)落體速度與密度成正比例的法則,然而通過(guò)科學(xué)的推理.使伽利略認(rèn)識(shí)了不易察覺(jué)的空氣阻力,從而發(fā)現(xiàn)了自已最初的法則的錯(cuò)誤,并猜想到在沒(méi)有空氣阻力的情況下,一切物體都在同樣地增加著速度,為了建立真正的落體法則,伽利略仔細(xì)地實(shí)驗(yàn)研究了擺的運(yùn)動(dòng)和小球在斜面上的運(yùn)動(dòng),嚴(yán)格地定義了勻變速運(yùn)動(dòng);設(shè)計(jì)出精密的時(shí)間測(cè)量方法;盡量地消除各種阻力的影響;運(yùn)用數(shù)學(xué)工具;……最終找到了物體下落速度與下落時(shí)間成正比的正確法則.伽利略的貢獻(xiàn)不只是建立了一個(gè)新的法則,而且將物理學(xué)研究推向正確的軌道.從此開(kāi)始了物理學(xué)的突飛猛進(jìn).
亞里士多德與伽利略的故事告訴我們,知識(shí)就是力量,而能力與方法比知識(shí)更有力量.我們每個(gè)人都同樣地?fù)碛幸粋€(gè)健全的大腦,我們每個(gè)人都應(yīng)該可以象伽利略那樣去思索.重要的是學(xué)會(huì)認(rèn)識(shí)世界的方法和具備進(jìn)行科學(xué)研究的能力.如若我們能從亞里士多德和伽利略以及其它各位偉大學(xué)者的失敗與成功中尋求啟發(fā)和借鑒.我們也將會(huì)擁有一顆杰出的閃爍出智慧之光的大腦,去容納經(jīng)典的與現(xiàn)代的物理知識(shí).去面對(duì)已知的與未知的物理世界