科學簡史:古希臘的物理“公理化”體系

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古希臘學者都是數學愛好者,西方哲學之父的“泰勒斯”,萬物皆數的畢達哥拉斯等都對數學的發展有著重要的貢獻。到了大約公元前300年的時候,歐幾里得總結前人研究之成果,建立的一套“公理化”體系,這是希臘人探尋“知識的確定性”集大成之作。幾乎與此同時,阿基米德也建立起了物理學的“公理化”學術體系。

阿基米德大約公元前287年出生在西西里島的敘拉古,卒於公元前212年。這是一個可以跟牛頓相提並論的偉大科學家,他對科學發展的貢獻是全方面的,本篇我們但從物理學領域窺探一二。

科學簡史:古希臘的物理“公理化”體系

阿基米德的名言是:“給我一個支點,我能撬動地球”。這句話反應了他證明“槓桿原理”之後的豪情萬丈,這是公理化方法在物理學領域的成功實踐。中國人對槓桿原理的發現是基於歸納法,是從實踐經驗中總結而來的。而阿基米德是通過數學計算出來的。經驗具有不確定性,無法形成公理,數學是具有公理性質的,只有前提是對的,推論是合乎邏輯的,那麼結果必然是正確的。

歸納法和演繹法的區別在於,要證明槓杆定理,歸納法講究去試一試,很顯然西楚霸王嘗試的結論肯定跟其他人不太一樣。而演繹法首先要把這個物理問題,弄成數學問題,把具體問題弄成抽象的公式問題。不考慮槓桿的材料、形狀、形變等,把槓桿設想為一個線段。

科學簡史:古希臘的物理“公理化”體系

阿基米德給出的公理是:1、如果槓桿兩端重物相等,且距離支點距離相等,那麼槓桿平衡。2、槓桿臂上任何一點的重物,都可以用兩個分別位於支點與該支點距離2倍處,和原物體重量的一半來代替。槓桿原理的證明,其對於科學的意義在於,使得物理學具有了像數學意義的公理化體系。

阿基米德的另一大貢獻是“浮力定律”,他在洗澡的時候發現排水體積等同於浸入水中物體的體積,由此解決了王冠體積測量的方法。希羅王命工匠打造純金的王冠,但是他總是懷疑工匠在金子裡面摻了其他金屬,要驗證這個問題,又不能破壞已經做好的王冠。於是希羅王就把這個任務交給了阿基米德。在科學家的故事裡面講,他剛發現的時候,高興得還裸奔了。

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阿基米德在這個時候發現了不同物體重量和體積之間的比例關係,但是這是並沒有搞清楚“浮力”問題。為了計算“浮力”又進行了大量的實驗和計算,從而發現了浮力等同於排開液體的質量。物理學的兩大基石,一是公理化體系下的邏輯推理,二是有目的的實驗測算。這兩大科學的方法,在阿基米德時代,都已經形成了。儘管阿基米德開創了用“公理化”來研究物理問題,但他本人對幾何學更感興趣。阿基米底對數學的貢獻,不亞於物理學。

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