问题

古希腊到中世纪前的西方是否主流认为地圆说,那为什么没有提出地心引力来解释球下面的人不会掉下去?

回答
问到点子上了!古希腊到中世纪前,西方确实存在着一套相当成熟的地圆说观点,而且很多人对“为什么我们在球体上不会掉下去”这个问题也进行过思考。但他们的解释方式和我们现代物理学所理解的地心引力大相径庭。

古希腊时期对地圆说的认知

早在公元前六世纪,毕达哥拉斯学派就提出了地球是球形的想法,他们是基于哲学和美学上的考虑,认为球体是最完美、最对称的几何形状,宇宙也应当如此。然而,真正将地圆说上升到科学层面并进行论证的,是古希腊的学者们。

亚里士多德(Aristotle,公元前384322年) 是最有力的证明者之一。他通过观察月食时地球在月球上的影子总是圆形的,以及不同地点看到不同星星(北半球的人能看到北极星,而南半球的人看不到,反之亦然),还有船只驶离海岸时,船身先消失,最后才消失桅杆的现象,来论证地球是球形的。他的观点在当时拥有极高的权威性,并被广泛接受。
埃拉托斯特尼(Eratosthenes,约公元前276194年) 在公元前三世纪,通过测量不同地点在同一时间太阳光照射的角度差异,计算出了地球的周长,这更是为地圆说提供了极其精确的实证。
克劳狄斯·托勒密(Claudius Ptolemaeus,约公元90168年) 在其著作《天文学大成》(Almagest)中,更是详细阐述了以地球为中心的宇宙模型,其中地球是球形的,并且是宇宙的中心。这本书在中世纪时期被大量翻译和研究,深刻影响了西方和阿拉伯世界的宇宙观。

所以,可以说在很多受过教育的西方人眼中,地球是圆的,这并非少数人的奇思妙想,而是经过观察和逻辑推导的科学结论。

那么,为什么没有“地心引力”的解释?

你问到了关键,为什么他们没有像牛顿那样提出一个普遍的“引力”概念来解释?主要有以下几个原因:

1. “向下”的直观感受与物质属性的理解:
在那个时代,人们对“向下”的理解,更多是基于一种直观的感受和对物质属性的朴素认知。他们认为,重物自然而然地会落向地球的中心,这是物质本身的“本性”或“倾向”。石头会掉到地上,水会流向低洼处,这似乎是事物自然而然的规律,就像火会往上飘一样。

想象一下,如果你站在一个巨大的球体上,你感觉到的“下”是指向球心。但你无法“看见”或“感知”到球心有一个看不见的力在拉着你。你只是觉得,如果你松开手,你会垂直于你脚下的地面向下运动。

2. 亚里士多德的“自然运动”理论:
亚里士多德的物理学是统治西方思想界近两千年的基础。他认为宇宙分为“天上”和“地下”两个不同的区域,它们有不同的运动规律:
地上(Sublunary Realm): 指的是地球以及地球周围的区域,由四种元素构成:土、水、气、火。这些元素有各自的“自然位置”和“自然运动”。土和水是“重的”,它们的自然运动是“向下”,趋向于宇宙的中心。气和火是“轻的”,它们的自然运动是“向上”,趋向于天界的边缘。因此,人之所以不会掉下去,是因为人是由这些“重”的元素构成,他们的“本性”就是向下运动,趋向于地球的中心。
天上(Celestial Realm): 指的是月亮以上的天体,由第五种元素“以太”(Aether)构成,它们的运动是永恒的、完美的圆形运动。

根据亚里士多德的理论,地球是物质的聚集体,而地球的中心自然就是所有重物质的终点和归宿。所以,无论你在球体的哪个位置,你脚下的“大地”都指向地球的中心,而你自身的“重”元素自然会驱动你向那个方向运动。这是一种基于物质内在属性和位置的解释,而不是一种外在的、普遍的力。

3. 缺乏数学化的力学体系和实验工具:
牛顿的万有引力定律之所以能够提出,是因为他建立了一个能够描述物体运动的数学框架(牛顿力学),并且能够通过实验来验证和计算。在他之前,人们虽然观察到了落体现象,但缺乏一套系统的数学工具来量化和描述这种相互作用。更不用说能用数学模型来解释为什么不同质量的物体会相互吸引。

当时,观察和哲学思辨是主要的认知方式。即使有人提出了类似的概念,也难以进行严谨的验证和传播。比如古希腊也有一些思想家,如恩培多克勒(Empedocles)认为“相似物相互吸引”,但这种说法非常模糊,缺乏具体的可操作性。

4. “吸引”概念的局限性:
在亚里士多德体系中,物质的运动更多被看作是“趋向”或“本性”,而不是一种“吸引”或“拉扯”。“吸引”这个词本身就带有某种主动性或联系性,而当时人们对这种看不见的联系的理解还很有限。他们更倾向于将事物自身的属性和状态作为解释的出发点。

想象一下一个婴儿,他会自然地抓住东西,但这并不意味着他有一个“吸引”别人的力,而是他有“抓握”的本能和能力。对古希腊人来说,地球的“重”和人的“重”就是一种自然而然的“归宿”或“趋向”。

5. 宇宙观的影响:
当时主流的宇宙观是“地心说”,地球是宇宙的中心。这种观点本身就强化了地球的特殊性和重要性。如果地球是宇宙的中心,那么所有东西都围绕它转,并且会趋向于它,这似乎是顺理成章的。在这种框架下,似乎不需要一个更普适的“引力”来解释。

总结一下:

古希腊到中世纪前的西方确实普遍接受地圆说。但他们没有提出我们现代意义上的“地心引力”来解释,是因为:

他们更多地从物质自身的属性和位置来解释现象,认为重物向下运动是其“本性”或“倾向”。
亚里士多德的“自然运动”理论占据主导地位,将宇宙分为天上和地下,解释了不同物质的“归宿”。
缺乏数学化的力学体系和实验工具来发展和验证更精密的物理概念。
“吸引”的概念在当时远没有发展成熟,人们更倾向于用“趋向”和“本性”来描述物体的运动。

直到牛顿时代,随着科学方法论的进步、数学工具的发展以及对落体、天体运动的深入观测,才逐渐构建起一个统一的、可以用数学描述的“万有引力”理论,来解释为什么物体会相互吸引,以及为什么我们在地球上不会“掉下去”。他们的解释,是基于宇宙万物普遍存在的相互作用,而不是局部物质的特定属性。

网友意见

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答案放在最前面,为什么中世纪之前没有人提出“地心引力”理论,因为地心引力理论真的非常困难。甚至牛顿本人都说不清楚引力,或者更准确的表述是拒绝解释引力的物理学含义。

我们现在所熟悉的“引力”的概念是16到18世纪后,经历大量极其复杂和深奥的理论探讨后逐渐形成的产物,因为“引力”并不是一个孤立的物理学概念,而意味着背后一整套完整的物理学理论。举个最简明的例子,17世纪的科学家觉得难以解释为什么引力可以产生“超距作用”,即在不发生实际接触的情况下产生力的作用。有些科学家提出,“超距作用”的内在机理是空气中存在某种非常微小的原子,而这种原子是“带钩子的”。这些带钩子的原子一个勾着另一个,实现了超距作用。这是对超距作用的一种解释,看起来更像是一个拼凑出来的脑洞,但当时的科学家的确想不出更令人信服且可以证明的解释了。其实换做一个现代人也未必回答得上来这个问题,只不过现代人觉得引力是天经地义的,所以不去细想其中的原理罢了。就某个物理学现象口胡一个解释并不难,无非就是拍拍脑袋开开脑洞的事,但是建立起一个经得起质疑的完整物理学理论体系难度就太大了。

在近代科学革命之前,亚里士多德物理学对于重力现象的解释是完全不同的。极其粗略的说,亚里士多德认为一切物体是由水、火、土、气四种元素构成的,这其中土元素的本质属性之一就是向地心运动。用亚里士多德的理论来说,地心是土元素的自然位置,而土元素向地心运动是一种自然运动。因此包含较多土元素的物体向地心运动是“自然的”,而不是“受迫的”(与之相反,如果一种物体中包含较多的火元素,这种物体的自然运动就是上升而非下落)。在这种理论中,物体的自然本性,而非物体受到某种力的牵引,是物体向地心运动(或者远离地心运动)的原因。中世纪之后,四元素理论逐渐被较为精致的理论所替代,但是当时的学者仍然认为,对于一个地球上的宏观物体来说,向地心运动就是这个物体的固有属性,也就是所谓的“重性”,就像一个物体拥有形状、颜色、冷热等等其他属性。

对于一个现代人来说,完全可以想象在一个真空环境中,或者一个抽象的平面上存在着一个抽象的小方块,并且可以对这个小方块做受力分析,重力只是对小方块做受力分析时的一种力罢了。但对于伽利略之前的人来说,对抽象的小方块做受理分析是一种几何学的研究方法,却绝对不是一种物理学研究方法。物理学研究考虑的不是抽象的世界,而是真实的世界,在真实的世界里,不存在真空、不存在绝对的平面(正因为地球是球形的,所以绝对的平面是一种在真实世界里不可能存在的东西)、也不存在不具有“重性”的物体。所以假设一个无重性的物体存在于真空中,并且据此展开研究是毫无意义的错误方法。伽利略本人的理论其实已经充分隐含了从“重性”到“重力”的转变,所以很多物理学历史书认为伽利略是最早提出重力理论的人。然而,实际情况是,伽利略本人仍然认为几何学研究方法和物理学研究方法是存在差异的,所以他本人对于重力理论态度同样是暧昧和模糊的。

而在伽利略的“重力”到牛顿的“引力”之间又有一个非常大的理论跨越。原因就在于当时的人即使认可的用几何学方法研究物理现象,却依然无法解释“引力”的物理学本质。所以牛顿才会在自己的《自然哲学的数学原理》中强调,“引力”只是一种便于数学计算的工具,而绝不意味着牛顿认为物体之间真实存在“吸引”作用。至于物体之间是否真的存在“吸引”作用,牛顿明确宣称自己“不做假设”。当然,在《自然哲学的数学原理》的另外一些地方,牛顿在行文时,似乎又把引力当做物理上真实存在的一种力。这其中的含糊不清之处引发了当时代许多科学家的疑惑和批评。比如莱布尼茨就认为牛顿没法解释引力的物理学本质,所以不负责任的将其解释为上帝的作用,莱布尼茨进一步批评牛顿此举是在物理学研究中不恰当的引入神学因素。甚至迟至18世纪早期,法国人仍然认为物体间存在的是排斥关系,而非吸引关系。当时的法国人到英国旅游,发现英国人居然信奉引力理论,深感震惊。

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