亞里斯多德物性學與衝力理論

又一篇科學史作業，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。