1.27.2009

亞里斯多德物性學與衝力理論

一篇科學史作業,因為蘊含白爛例子所以依照慣例貼上來。

於亞里斯多德而言,對於這世上的每種具體存在的東西我們都可以問兩個問題,即這東西的形式是什麼?質料又是什麼?形式和質料在初步上決定了東西的狀態,這被稱為「形質說」,而隨著形式和質料的變化,東西的狀態也會變化。

促進東西的質料或形式的變化,可能有四種原因︰形式因、質料因、動力因和目的因。形式因就是允許該變化的形式的存在,使用植物生長的例子來談,種子長成幼苗的形式因就是種子的形式對於幼苗的形式的允許,種子有個固定的形式,這形式使它在特定狀況下會做出特定的變化,而這變化的過程被稱為「潛能實現」。質料因是使得變化成為可能的質料的組合或搭配,在這個例子裡,就是水分與養分。動力因就是促使變化發生的動力,在這個例子裡,就是種子變成幼苗的潛能。目的因則是變化發生的目的,在這個例子裡,就是長成幼苗。

萬物的最終成份,根據亞里斯多德,有四種,即土、水、氣、火,這些元素的本質決定了運動和變化的秩序。

關於運動,亞里斯多德承認兩件事︰

  1. 如果沒有推動者,運動不會自己發生。
  2. 只有自然運動和受力運動兩種運動︰在自然運動裡,物體依據自己的本性運動,企圖回到自己的自然位置上,這時,運動的推動者是物體的本性;在受力運動裡,物體違逆其本性朝非自然位置的方向移動,這時推動者來自物體外面。

這裡的自然運動,就是來自於四元素的本性︰它們之中土最重,傾向朝宇宙中心凝聚;水次重,傾向覆蓋在土外圍;氣次輕,傾向維持在土和水上頭;火最輕,總是在氣的外面。大多數物體都是四元素的混合,其自然運動方向依其組成元素的比例而定。自然運動的物體回到自然位置時,運動就停止了。

根據這樣的運動說我們可以合理地解釋,例如,為什麼我們能夠推動講台,而且當我們停下來,講台也停下來︰當我們推講台,我們朝講台施力,使講台做出受力運動,而當我們停止施力,講台的本性(85%土、9%水、6%氣,我猜)使它傾向於停留在離它最近的自然位置,即不動。

然而,當我們企圖解釋,例如說,脾氣不好的巨人投手郭阿里如何將講台擲出去的時候,這樣的說法就不適用了。根據亞里斯多德運動學,一旦外力撤銷,物體不再受力,就僅會依照本性移動,回到自然位置,這也是為什麼我們累得停步的時候講台也會馬上停下來,而非貼心地再往前移動個幾公尺。然而,當郭阿里鬆開他的巨手時,他的手也已經不再對講台施力,依照亞里斯多德運動學,講台應該馬上停住並且進行自然運動垂直往下(宇宙中心)掉,而非繼續往前飛,砸中裁判的腦門(自此巨人棒球賽再也不供應投手講台)。

亞里斯多德曾經試圖做過最後的掙扎︰為什麼當外力消失時,物體還會繼續那不自然的運動一段時間?因為雖然外力消失了,但是讓物體穿越的媒介會幫忙推一下,所以東西會繼續飛一段時間。這個解釋顯然與亞里斯多德自己的主張不相容,因為他同時也認為媒介會帶給穿越媒介的物體的是阻礙而非協助。

除了自我矛盾的問題之外,14世紀的科學家也找出了足以質疑亞里斯多德「媒介幫忙推」說的經驗證據︰如果媒介會提供飛行物體一定的推力,那麼輕的飛行物體得到推力的效果會比較明顯,然而,實際上卻是重的東西會飛得比較遠,這顯示媒介提供的不是推力而是阻力。

為了解決這個問題,中世紀哲學家發展出「衝力理論」。不同於亞里斯多德運動說,衝力理論承認有某種力量,也就是衝力,可以在外力消失後繼續保持在物體中,繼續讓物體移動。衝力理論有三個主要定律︰

任何物體運動時,都會產生衝力,這衝力會維持在運動中的物體體內。

衝力使物體持續運動,直到阻抗使衝力消失。

物體運動越快、重量越大,衝力越大。

除了媒介問題外,這個理論也解決了亞里斯多德運動說的另一個問題︰自由落體速度加快的問題。自由落體在落下途中速度會變快,然而古典的亞里斯多德運動學無法說明這一點,因為它只告訴我們自由落體是依據本性運動,而關於這樣的自然運動為何會有速度上的變化,則缺乏說明。

根據衝力理論,這樣的現象一點也不奇怪︰物體依據本性落下,這樣的運動反過來提供了物體同一方向的衝力,因此,掉落時間越久,累積的衝力越多,速度也越快。

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