中世纪物理：近代物理的起源——以运动学为例

石旭

（内蒙古大学哲学学院，内蒙古呼和浩特010070）

中世纪物理：近代物理的起源
——以运动学为例

石旭

（内蒙古大学哲学学院，内蒙古呼和浩特010070）

中世纪物理学在物理学史上的地位，特别是对近代物理学的影响一直是诸多科学史家热议的问题。以中世纪物理科学中的运动学为研究对象，可以发现，中世纪运动学研究为近代力学研究奠定了基础。同时，中世纪物理学研究蕴含着诸多近代物理根源，它是古代科学向近代科学过渡的必要或中间环节。

中世纪物理学；亚里士多德；运动学

中世纪科学与近代科学之间关系是诸多学者的研究对象。美国学者爱德华·格兰特从研究中世纪物理学角度出发认为“无论是把中世纪的批判视为自1300年左右不同于伽利略的批判，中世纪物理学史本身就值得研究，并构成科学史的重要一章。”［1］34这无疑是对中世纪物理学在历史中“地位”的肯定，同时也体现出中世纪科学对于后世科学（近代物理学）的影响。法国学者皮埃尔·迪昂认为，“当代有足够理由引以自豪的机械论和物理学，是由一系列细如游丝般难以察觉、却从未间断的进步积累而成，这些成就发源于中世纪学者的核心学说中”［2］369运动学是力学重要分支，从属于动力学，为其提供理论基础。它是指“从纯几何的角度来描述和研究物体位置随时间的变化的规律”。由此本文针对中世纪物理科学最为具体的科学——运动学，从研究科学史角度探寻中世纪物理学与近代物理学的关系，特别是运动学研究对于近代物理科学发展有着承上启下作用。而作为古代知识集大成者——亚里士多德，其物理学思想值得研究。

一、亚里士多德的运动学思想

近代物理学之父伽利略在他发动运动学革命之前，在大多数欧洲人的科学思想中，亚氏运动学思想占有举足轻重的统治地位，而亚氏运动学思想主要归于其《论天》和《物理学》两本著作中。《物理学》讨论自然哲学、存在原理、物质与形式、运动、时间和空间、外重天的永远在运动的球体以及为了这个外重天运动不已而必须有的不动的原动者。［3］30亚氏认为要使一个物体运动不已，需要有一个不断起作用的原因。在17世纪以前，物体如何运动成为当时学术界研究的焦点，例如说为什么一个物体竖直上抛后，先是以减速度上升到某一高度，再以加速度竖直落向地面。就此运动现象而言，结合现有文本来看，亚氏是最先运用较为专业术语来描述这一运动现象的。他将物体向下落体运动称为“自然的运动”，而将石头向上抛体运动称为“非自然运动”，这两种运动都可归为较为一般的位置变化运动。显然这种说法貌似源于生活观察。就像人们经常可以看到物体下落速度越来越快，而竖直上抛却越来越慢并最终落回地面。由此看来，物体下落或是上升运动，落回地面是其最终结果，亚氏用其“四元素说”解释这一现象，坚信每种地面上的物质实质上都是由水、火、土、气四种元素组成的，其中土作为绝对重的元素，而火则作为绝对轻的元素。物质中土元素占主要重量，则其自然地落向地心；物质中火元素占主要重量，则其在无阻碍时就会上升。因此说下落或上升是轻重物体归于本身“自然位置”的运动，而反向进行的则是“强制运动”或是“非自然运动”。

亚氏坚持把因果关系作为科学目标，对于运动现象的解释也是如此。首先，亚氏认为每一次运动的发生都需要有一个不动的推动者，在任何有生命的物体如动物中，灵魂是推动者而动物的肢体是受动者；而地面物体的推动者必为另一外一个不动的物体。也就是说要使物体运动顺利，必须有不动点。“没有不动，就不可能发生运动”。［4］157可以说，运动物体必须通过媒质不断与推动力相接触，否则运动将会停止。这是亚氏对于运动的一种解释，强调的就是物体保持其运动是在一定外力作用下完成的，亚氏始终相信媒质，即原动力不仅推动物体使其开始运动，而且这种媒质也有一定的阻滞作用，即前面空气被推动后推动物体向前运动，同时又推动后面内空气。如此类推，直到各部分内的动力逐渐减弱，以至于不能推动下一部分的空气为止，使运动终止。由此可知，亚氏将这种媒质既作为动力又作为阻力。同时他关于物体运动的描述，即物体的运动是以不动为前提的，动与不动的关系论证，为后来的确立“相对运动”提供了借鉴，这也是最早对惯性运动的描述。

可以说中世纪物理学是在亚氏理论框架内发展的，之后经中世纪学者们翻译与注释，以及对其进行整理、批判和讨论进一步得到发展。而基督宗教文化主导下的12世纪拉丁语言世界，致力于翻译从回教地区传回的古希腊科学著作与评释作品，包括亚氏自然哲学与托勒密天文学，［5］由此看出在亚氏理论到达西方之前，希腊和阿拉伯注释家、翻译家就都已对物体运动问题特别是亚氏运动学的观点进行研究，阐述了一些重要思想，一定程度上影响了中世纪物理学。如六世纪希腊的注释家斐罗波诺斯不仅否定了位置运动中外部阻媒的必要性，而且反对把外部媒介如空气作为强制运动的原因或动因。他设想一种应力作为运动原因。［1］44这一结论对中世纪学者研究落体现象无疑极有启发，也为后来近代物理学研究关于物体运动给予帮助，在下一部分中将对此作进一步阐述。

二、中世纪科学家对于运动学的研究

中世纪关于亚氏物理学思想一直存在争论。第一，物体运动是否与媒质有关？第二，物体运动速度为什么是有限的？基于这种对亚氏理论之争，中世纪诸多学者纷纷提出自己观点。首先，关于亚氏始终认为物质都是由四种元素构成的混合物，任何一种物质不可能只具有单一元素，每种物体中占主要比重元素决定该物体自然运动方向，其阻力来自于外部环境，这一思想在中世纪被长期接受，且居于统治地位。但也有学者意识到，仅仅由单一元素所占的比重来决定物体自然运动方向，结论是模糊的，还应研究物体中混合元素各自所占的比例。也就是说，混合物中的重元素具有使物体向下运动的优势，而轻元素则要向上运动，此时轻元素就是阻力，可以说在同一物中应既有动力也有阻力，这即是“内阻”概念。在中世纪物理学范围内，内阻力的引入是必要的，它摆脱亚氏关于运动必须有外部媒质限制的说法。在论证虚空中自然运动的合理性，若限于混合物，内阻力显得最为合理。“内阻”理论是假设存在着单一元素物质而没有内阻，所以在虚空或是同一媒介中，无论其形态大小，只要是同质物体中所包含元素比率都相同，都会以相同速度下落。这里布雷德沃丁最早发现亚氏运动学原理不能成立。认为应抛开虚空中不同重量物体将以不同速度做自然下落运动概念，重量不同的同质物体会以相同速度做自然下落运动。［4］161这正是自由落体运动前奏。

在关于物体运动必须有媒质观点上，最早反对亚氏理论的是基督教哲学家菲洛波罗斯，他提出“冲力说”来重新解释物体运动。在他看来，物体运动与媒质无关，物体被原动者给予动力后，会在一种“推动动力”下继续运动，直到原动力耗尽。而按亚氏说法运动发生与持续是由“以太”参与完成的，但菲洛波罗斯取消这一运动媒介转以用一种惯性概念来说明物体运动，这里蕴含着近代物理学著名的“惯性定律”。后续哲学家阿维罗依和阿芬佩斯继承和发挥菲洛波罗斯冲力说，也证明媒质对运动发生并非是必要的，媒质仅仅是阻滞作用。

在“内阻”和“冲力说”基础上，人们关于物体运动研究又有了新进展。布雷德沃丁和阿尔伯特等人得出同一结论：两个不同大小，不同重量同质物体在虚空中会以相等速度下落。两个多世纪后，近代物理学家伽利略在其著作《论运动》中运用相同方法反驳亚氏关于物体自由下落现象的解释。伽利略一直以比重来解释自然落体，虽有些不足但也是对中世纪力的概念的改进和继承。在其著作《关于两门新科学的对话》中，伽利略直截了当宣布自由落体定律表达式并推广其定律：“所有的物体，无论大小如何，无论由何种物质组成，在一个真空中都将以同等的速度下落。”［1］48这个定律后来成为牛顿物理学的有机构成。在自由落体问题上伽利略与中世纪先驱者运用方法可以说如出一辙。也许伽利略在学生时代就注意到中世纪讨论，但没有确凿的证据来支持这种说法。［1］48伽利略本人并没直接运用“内阻”概念，而是从其最基本概念——比重出发的，大胆抛弃物体间差异，表述自由落体运动。在此伽里略利用了中世纪一些成果，这说明中世纪物理学理论是近代物理学的萌芽阶段。

在上述研究物体运动过程中不少学者对此做出回答。而让·布里丹对冲力做了进一步分析，引进“冲力”概念来说明物体运动中所受的力。认为冲力是区别于抛射体位置运动的一种永久自然的东西。冲力可能是为推动一个物体而自然出现或预先安置于它要施应的物体之中的质，恰如磁石预应于铁中先使铁移向磁石的那种质。［6］冲力被认为是原动力内化，它能够保持运动。布里丹赋予冲力以永久性，认为冲力是一种自然的东西、一种质。

布里丹还就“冲力”研究物体自由落体运动，而伽利略本人也一直是用这种方式加以处理的。布里丹认为物体自由下落是其自身重或重力影响的，物体下落产生热导致空气稀薄，空气阻力自然减弱，冲力逐渐增强，累积产生加速度。也就是说重力给予物体下落原动力而冲力的纵向累积是导致速度不断增长的原因，产生一个连续加速运动，也就是近代物理所运用的加速度，也隐约闪现出万有引力理论。说明布里丹的工作具有一定影响力，中世纪运动学研究为近代力学研究奠定基础。牛津大学梅顿学院学者导出匀速和匀加速运动定义：“在所有相等的任意长度时间间隔内，获得一个相等的速度增量。”［1］56-57匀速运动定义在物理学史上具有划时代意义，对后世研究物体运动提供了合理解释。而“内阻”和“冲力”的引入也对于研究物体运动提供了更好方向，特别是在更广阔视阈内物体运动，虚空中物体运动以及研究落体或是自由落体运动研究都得到进一步印证，摆脱亚氏物理学思想束缚，在很大程度上革新中世纪运动学。许多研究方法及其概念为后世近代物理学研究做了有力铺垫。

三、中世纪物理学思想研究的意义

中世纪物理学研究意义在于能够更好地认知中世纪科学与近代科学的关系，物理学作为中世纪时期最为成熟普遍的科学，也是亚氏研究最为深入的学科，它能让我们更清楚地认识中世纪科学。

中世纪一直以来被人们认为是“黑暗时期”，认为那时的科学几乎毫无建树。难道中世纪无论是对于古代科学的传承，还是对近代科学的发展都不具有任何意义？这种观点看来是不正确的。高洪认为，从科学与宗教关系角度看，中世纪对科学的传承其主要意义在于它不仅仅局限于盲目重复或琐碎修饰亚氏思想和见解，而是对亚氏科学体系做了大量批判，这些批判不仅立足于科学，且还直接基于其思想基础本身［7］统观整个中世纪科学，既存在着古代科学缩影，也对近代科学发展有推动作用。

从中世纪学者研究物体运动来看，他们所建立的理论仅仅与近代物理学相关定律相差一步之遥。“内阻”、“冲力”以及关于虚空中运动的理论等等，都为近代物理学打下了良好基础。与此同时中世纪学者对古代科学的翻译、注释以及对亚氏诸多著作研究、注释等都为近代物理学家提供了良好的思想基础。可见中世纪学者们对亚里士多德著作的细致研究，为近代早期学者们研究亚里士多德理论、探寻自然，提供了基础。如《西方科学的起源》书中强调：“中世纪的科学家为17世纪的科学成果打下基础，铺垫了道路，当一种新的科学框架在17世纪建立起来时，这一大厦包含有许多中世纪的砖瓦”。［2］376

总之，统观中世纪运动学研究的全部进程，可以发现，在近代物理学思想的严谨体系下，它的一些理论思想早在中世纪时期就有所体现，亚里士多德的物理学理论对于近代物理学家探寻物理世界提供了借鉴和便捷之路。对其进行细致研究，就会意识到中世纪乃是古代科学向近代科学过渡的必要或中介环节，有着承上启下作用，中世纪科学理论虽是存在错误，也正是这些瑕疵成就了今天近代物理，可以说没有中世纪一批优秀学者孜孜不倦对科学的研究，近代物理乃至科学都会延缓发展脚步，中世纪科学很好起到了推波助澜“功效”。我们在研究运动学基础之上寻找中世纪科学与近代科学关系，实际上就物理学而言，中世纪物理学研究蕴含着诸多近代物理学根源，除运动学之外，动力学、惯性定律、天体力学和光学等方面的贡献同样或是更能够探究上述问题，由此看出，彻底地否定中世纪在科学史中的重要地位是有失偏颇的，它并不是一片“荒芜”，而是为近代科学提供了思想和理论基础，可以说是近代科学思想的起源。同时细致、翔实地对史料进行分析，能更好描述出科学创造全过程，对于研究中世纪科学在科学发展中作用具有启迪意义。

［1］爱德华·格兰特. 中世纪的物理科学思想［M］. 郝刘洋,译. 上海： 复旦大学出版社, 2000.

［2］戴维·林德伯格. 西方科学的起源［M］. 王珺, 译. 北京：中国对外翻译出版公司, 2001.

［3］丹皮尔·W·C. 科学史及其哲学和宗教的关系［M］. 桂林：广西师范大学出版社, 2001.

［4］刘景华, 张功耀. 欧洲文艺复兴史——科学技术卷［M］.北京： 人民出版社, 2008.

［5］徐光台. 西方近代早期物理学的源起： 一个比较科学与文化的观点［J］. 科学与人文, 2013（4）： 13-28.

［6］王卓君. 中世纪动力学研究：近代力学的萌芽［J］. 大自然探索, 1989（1）： 107-112.

［7］高洪, 方哲. 中世纪的科学传承［J］. 自然辩证法研究, 2002（3）： 38-41.

（责任编辑：戢斗勇jidouyong@qq.com

张惠fszhang99@163.com）

Medieval Physics: The Origin of Modern Physics——Taking Kinematics as the Example

SHI Xu
（Philosophy School, Inner Mongolia University, Inner Mongolia, Huhhot 010070, China）

What status medieval physics did exist in physics history and how medieval physics impacted on modern physics were hot issues discussed by many scientific historians.The process of the development of scientific thought in the history of science in fact plays an important role in the middle age,which impels the development of modern science.For this purpose,this article takes kinematics in medieval physics as the object to briefly discuss the effects in medieval scientific thought.

medieval physics;Aristotle;kinematics

O4-09

：A

：1008-018X（2015）04-0019-04

2015-04-16

石旭（1990-），男，辽宁阜新人，内蒙古大学哲学学院科技哲学专业2013级研究生。