亞裡士多德，在科學上并不是一個坐在椅子上空想的學者，他對周圍的環境進行了敏銳的觀察。在對運動的觀察中，亞裡士多德注意到某些運動無需幫助即可維持，而另外一些運動隻有借助外界作用才能維持。亞裡士多德認為一個無需幫助的運動例子是：當你把一塊石頭丢下石橋，它在無明顯幫助的情況下向地面落下。亞裡士多德把這種能夠自己維持的運動稱為自然運動。

除固體下落外，亞裡士多德還察覺到另外三種自然運動：瀉下或沿坡流下的液體，上升的氣體和向上跳動的火焰。在亞裡士多德看來，這四種運動代表了地球上能發生的四種自然運動。他認為，由于地球上所有的東西都由四種不同物質或元素——土、水、氣和火構成，而每一種元素都力圖到達不同的自然位置，所以就産生了自然運動。雖然亞裡士多德所說的元素不同于化學元素，但元素這個詞仍沿用至今，意指那些構成萬物的物質。

每個亞裡士多德元素都有各自固有的自然運動和力圖到達的固有自然位置：土元素向下運動，因為地球中心是它的自然靜止位置(有學識的古希臘人知道大地是一個球)；水向下流動，因為它的自然位置剛好在土的上方；氣上升，因為大氣層是其自然位置；而火焰向上跳，這是因為其自然位置在氣之上。

亞裡士多德認為萬物皆由這四種元素構成，一個物體的自然運動由該物體所含的每種元素的多少而定。岩石在水中下沉，因為岩石主要由土構成；木頭浮在水面，因為它除含土外還含有氣；而熱氣上升，因為它含有火。

所有這些自然運動要麼豎直向下，要麼豎直向上。水平運動有所不同。當你沿着道路拉一輛小車，或水平抛出一塊石頭，或在地闆上推一個箱子時，是你的活動維持着物體運動：你使小車運動；石頭因你抛出而運動；你必須推這個箱子。推和拉是讓小車、石頭和箱子運動所必需的。亞裡士多德認為，之所以需要推與拉，是因為物體必須受到強制才會背離其自身的本性行事，換句話說，才會做與其自然運動完全不同的運動。亞裡士多德把所有這些強制的運動歸類為強迫運動，意思是需要外界的推或拉來維持它。

亞裡士多德認為地球上所有的運動不是自然的就是強迫的，但是他覺察到天上的情況則完全不同。他相信月亮、太陽、行星和恒星是由地球上找不到的第五種元素——以太(來自希臘文，意為使燃燒或發光)構成。與地上的四種元素不同，以太沒有質量，不會腐朽(不變的，永恒的)。以太在一切方面都是完美的，它的自然位置是在天空，它的自然運動是環繞地球的完美的圓周運動。這第三種運動叫做天體運動。

這個理論用幾條普遍原理解釋了相當大範圍内的觀察結果。它是一個勝任的和有用的理論，并得到廣泛的認可，這種情況可部分地歸因于這個理論似乎言之成理。岩石的确是自動下落，為了維持水平運動的确需要推動，而天上的運動也的确與地上的運動不同。然而我們将看到，牛頓物理學與所有這些觀念完全對立。

亞裡士多德理論支持了希臘人關于地球在宇宙中地位的另一個觀念，即地球是靜止的，星星圍繞它運行。亞裡士多德物理學解釋了這一切的原因：地球之所以不能運動，是因為它主要由土元素構成，其自然靜止位置在地球中心；而星星做圓周運動則由以太的本性決定；地上的物體不能像星星那樣運動，因為地上沒有以太。亞裡士多德物理學解釋了地上與天上為什麼如此不同。

中世紀基督教哲學發現古希臘物理學和天文學與它非常合拍。地心宇宙、由可腐壞的元素構成的地球、由可腐壞和易朽的元素構成的人類、萬物之自然安息位置、處于永恒的天體運動中由不朽的以太構成的完美天國——所有這一切都與教會神學配合得很好。因此，一直到公元1600年前後，地心天文學和亞裡士多德物理學仍在歐洲文明的哲學與文化中起着核心作用。

縱觀物理學發展的曆史長河，我們感歎人類認識自然規律之曲折、艱辛、漫長；驚歎那些在黑夜中摸索的物理學巨匠們的頑強、睿智、傑出。從古代的亞裡士多德、阿基米德到物理學新時代的伽利略、牛頓，到近代物理學的奠基者愛因斯坦、玻爾……一代代的物理學家所代表的人類智力的自由創造，使我們關于物理實在的圖景的描繪愈來愈接近客觀真理，使物理學大廈逐步地趨向完美。回顧物理學的發展曆史，重溫物理學家曾經經曆的種種挫折與成功，猶如實施一種智力移植；通過挖掘革命性、科學性理論的創造性思路或者偉大科學家從事科學創造的思路，使我們對物理世界的認識更科學、合理，更富于創見，更機智敏捷。如借鑒曆史的明鏡，依據古人曾經産生過的錯誤，預料今天初學者腦子裡會出現的影像，未雨綢缪、少走彎路。讓我們以亞裡士多德與伽利略為例去尋求啟迪吧。

我們從教科書上曾經結識過這兩位偉大的學者。在落體運動法則問題上、在力與運動的關系問題上，這兩位時隔兩千年的學者的觀點的确是相去甚遠。在16世紀以前，亞裡士多德在物理學界享有至高無上的威望，緻使人們的思維、觀察和知識都緊緊束縛在亞氏所寫下的那些東西上。它使人們相信地球是宇宙的中心；輕物體的自然運動是向上的；重物體的自然運動是向下的，越重的物體下落得越快；天體物質的自然運動則是圍繞宇宙中心旋轉的；這些自然運動無需外力作用；非自然運動的那些物體都是由于有外力迫使；力是維持物體非自然運動的原因；馬車沿着馬路行駛當然得由馬來拉動；推一個物體的力不再去推它，原本運動着的物體自然便停下來……亞裡士多德的觀點與最簡單的經驗事實那麼吻合、與人們對事物的理解程度那麼相符，所以曾一代一代地被奉若神明，視作人類知識的巅峰而保持了千百年。大自然的真谛隐匿在黑夜中，謬誤使人們困惑、迷茫，人類在混沌中摸索……伽利略偉大的工作，從根本上改變了人們關于運動問題的概念，使物理學進入了新時期。伽利略運用科學的研究方法，在幾十年時間裡研究落體運動，研究力與運動的關系，得出了與亞裡士多德截然不同的結論。現在我們知道，任何物體總保持靜止或勻速直線運動狀态不變，直至有外力迫使物體改變這種狀态為止；勻速直線運動或靜止才是物體的自然運動狀态，力則是導緻物體改變自然運動狀态的原因；自由下落的物體“下落速度與下落時間成正比”。伽利略是劃時代的物理學家，正如愛因斯坦所言：伽利略的發現以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且标志着物理學的真正開端。

物理教科書上，亞裡士多德給同學們的印象不好，他老是出錯，老是作出一些輕率的結論。同學們覺得亞氏實在太不高明而伽利略則比他偉大千百倍。事實上，亞裡士多德是古代一位偉大的學者，一位百科全書式的大學問家，他有着成就事業的理性方法，又有幾乎無所不及的思想成果，他在哲學、邏輯學方面的成就至今還被應用着，不過他在物理學中卻的确是錯誤百出并且謬種流傳，整整贻誤物理學二十個世紀。亞裡士多德的悲哀不在于頭腦，也不全在于時代，而在于研究方法不當。亞裡士多德的物理研究方法有什麼特點呢？或許可以用“觀察加直覺”來概括。亞裡士多德觀察了衆多的自然現象：火焰向上竄、石頭往下落、馬車要馬拉着跑、尖厲的聲音傳得遠……于是便依賴于直覺推理得出一系列直覺結論。固然，觀察與直覺對物理研究是至關重要的，詳實的觀察與良好的直覺往往導緻偉大的發現，觀察使人腦累積事物的形象，形成一種潛知，直覺的想象、鑒别與啟發便使這種潛知的信息外傳。阿基米德巧解王冠之謎發現浮力規律、牛頓由蘋果落地而及月亮乃至天地萬物間的引力，就是亞裡士多德本人也曾從觀察月食現象而正确判斷地球是圓球形的。然而，物理學更是一門以實驗為基礎的科學，所以根據直接觀察所得出的直覺結論常常是不可靠的，它們有時會将人們引入歧途，将“觀察加直覺”作為物理研究的基本方法，這也正是亞裡士多德物理學的失敗之所在。

伽利略是第一位創造通過實驗檢驗理論推導的科學研究方法的科學家。他崇尚“實驗加推理”，他拒絕聽信任何未經實驗的科學思想，哪怕那是來自于教堂或權威。伽利略用盡畢生的精力探索落體運動的規律，他首先通過落體佯謬的思想實驗，否定亞裡士多德的重物下落快的結論。通過觀察棉花、羽毛等在空氣中落下，伽利略曾經提出過落體速度與密度成正比例的法則，然而通過科學的推理，使伽利略認識了不易察覺的空氣阻力，從而發現了自己最初的法則的錯誤，并猜想到在沒有空氣阻力的情況下，一切物體都在同樣地增加着速度。為了建立真正的落體法則，伽利略仔細地用實驗研究了擺的運動和小球在斜面上的運動，嚴格地定義了勻變速運動，設計出了精密的時間測量方法，盡量地消除各種阻力的影響，運用數學工具……最終找到了物體下落速度與下落時間成正比的正确法則。伽利略的貢獻不隻是建立了一個新的法則，而且将物理學研究推向正确的軌道，從此開始了物理學的突飛猛進。

亞裡士多德與伽利略的故事告訴我們，知識就是力量，而能力與方法比知識更有力量。我們每個人都同樣地擁有一個健全的大腦，我們每個人都應該可以像伽利略那樣去思索。重要的是學會認識世界的方法和具備進行科學研究的能力。如若我們能從亞裡士多德和伽利略以及其他各位偉大學者的失敗與成功中尋求啟發和借鑒，我們也将會擁有一顆傑出的閃爍着智慧之光的大腦，去容納經典的與現代的物理知識，去面對已知的與未知的物理世界

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