公元前334年，希腊马其顿王国年仅22岁的国王亚历山大率领着一支由久经沙场的公民战士组建的军队穿过达达尼尔海峡，开始了征服庞大的波斯帝国的漫长征程。巧合的是，在我写这本书时，我有一个22岁的儿子，他的名字——阿列克谢——与“亚历山大”有着同样的希腊词根。人们都说现在的小孩成长速度比任何时候都快，但有一件事情我是不敢想象的：我的阿列克谢带领着一群久经沙场的希腊公民战士在美索不达米亚对抗波斯帝国。关于这位年轻的美索不达米亚国王如何取得了胜利有不少历史传说，它们绝大多数都是酒后的胡言乱语。然而他确实取得了胜利，他漫长的征服之旅把他的足迹留在了开伯尔山口以及更远的地方。在他33岁去世那年，他在短短的一生中已经取得了足够多的成就，自此他就被人们称为亚历山大大帝。
在亚历山大入侵的时候，近东地区遍布着像乌鲁克这样的城市，它们已经存在了上千年。让我再说得明白一点儿：如果美国存在的历史有乌鲁克那么久，我们到现在应该有600位总统了。
沿着这些亚历山大曾经征服过的古城的街道漫步一定会引发惊叹，你会发现自己漫游于宏大的宫殿、由专门水渠灌溉的广阔的花园以及宏伟的石头建筑之中。这些石头建筑由顶部雕刻着狮鹫和公牛的柱子装饰。这里曾有着充满生机的复杂社会，根本没有衰退的迹象。然而他们的文化却在智力上被征服他们的讲希腊语的世界超越了，并被它年轻的领袖设为典范——这个人受过亚里士多德的言传身教。
亚历山大征服美索不达米亚以后，那种认为希腊的东西要更好的想法迅速传遍了整个近东地区。1儿童永远都是文化变迁的先锋军，他们学习希腊语言，背诵希腊诗歌，练习希腊摔跤。希腊艺术在波斯越来越流行。巴比伦牧师波路西斯、腓尼基人桑楚尼亚松以及犹太人弗莱维厄斯·约瑟夫斯都曾写过本民族的史书，目的在于展示他们和希腊观念的兼容性。甚至收税也希腊化了——人们开始使用相对较新的希腊字母表来做记录，信息被记录在纸莎草纸上，而不是用楔形文字记在泥简上。但亚历山大所带来的希腊文化最伟大之处和艺术或者管理无关，而是他直接从亚里士多德那里学来的东西：一种全新的、理性的认识世界的方法，这在人类思想史上是一个华丽的转折点。亚里士多德的思想是建立在之前许多代科学家和哲学家的劳动成果之上的，正是这些人挑战了关于宇宙的陈旧观念。
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在古希腊初期，希腊人对自然的认知和美索不达米亚人并非完全不同。遇到恶劣的天气，人们会解释说这是因为宙斯消化不良，如果农民收成不好，人们会认为这是因为天神发怒了。在当时或许不会出现地球是患花粉热的神打喷嚏时喷出的黏液形成的这种创世神话，或许也会有，因为在文字发明1 000年之后，记录人类词汇的载体讲述了大量世界是如何形成的以及是什么力量统治世界的故事。但它们都有一个共同点，描绘动荡不安的宇宙，这个宇宙由一位来自某种无形空间的神秘莫测的天神创造。“chaos”（混沌）这个词来自希腊语对虚无的表述，据说这就是宇宙成形之前的状态。
如果说在宇宙成形之前一切都处于混沌状态，那在世界形成之后，希腊神话里的诸神似乎也没有投入多少精力给它带去秩序。闪电、风暴、干旱、洪水、地震、火山爆发、虫灾、意外、疾病——所有这些以及其他许多反常的自然灾害使人类付出了健康和生命的代价。这些天神自私、不忠、善变，他们不断地因为愤怒或者疏忽大意给人类带来灾祸，他们就像是瓷器店里的公牛，而我们就是那些易碎的瓷器。这是希腊人一代又一代口口相传的原始宇宙理论，直到公元前700年左右才由荷马和赫西奥德用文字记录下来，此时写作传入希腊文化已经有一个多世纪了。从那时起，这些理论就成为希腊教育的主要课程，形成了几代思想家被人们广泛接受的智慧。2
我们生活在现代社会，作为悠久的科学思想史的受益人，很难理解在古人眼里自然世界怎么会是这个样子。自然结构和秩序的概念对于我们来说显而易见，就像他们认为是神在控制着万事万物一样。今天，我们的日常活动以图表形式被量化，分配了一定的小时和分钟来完成某事。我们以经纬度来划分地球表面，我们用街道名和门牌号来标识我们的住址。今天，如果股票市场下跌了3%，专家将会给我们做出分析，比如这次下跌是出于对通货膨胀的担忧。另一位专家会说这主要是因为中国的发展，这倒是实情，还有1/3的人会将其归罪于太阳黑子的异常活动。无论正确与否，我们的分析都是基于起因和影响之上的。
我们需要世界的因果关系和秩序，因为这种概念在我们的文化和意识中根深蒂固，然而与我们不同的是，古人缺乏数学和科学的传统，以及现代科学概念框架——精确的数值推算的观念，重复实验将会产生相同结果的概念，以时间作为参照来跟进未展开的事项——这些对他们来说难以掌握或接受。在古人看来，自然世界似乎是由混乱统治的，对于他们来说，有序的物理定律之怪异就跟他们狂野善变的神的故事在我们的眼中是一样的（或者，有可能和1 000年之后的历史学家研究我们今天的宝贵理论时的感觉一样）。
为什么应该以人的智慧能发现的概念来预测和解释自然呢？阿尔伯特·爱因斯坦在发现时空会被扭曲成一块咸味饼干的形状时也不会感到惊讶，但他却因自然世界拥有秩序这个相当简单的事实万分吃惊。他写道：“人应该对一个混乱的世界有所预期，这个世界无法以任何形式被人的大脑所理解。”3但是他又继续写道，与他的预期恰恰相反，“关于宇宙最不可理解的事情竟然是它可以被理解”。4
牲畜理解不了把它们束缚在地球上的力量，乌鸦也对使它们飞翔的空气动力学一无所知。爱因斯坦表达了一个重要和独特的人类观察：秩序统治世界，掌管自然秩序的法则没有必要通过神话故事来解释。它们是可知的，人类拥有这个地球上其他生物所不具备的破译自然的蓝图的独特能力。这是一堂意义深远的课程，如果说我们可以破解宇宙的设计，我们就可以使用这种知识来理解我们在其中所处的位置，我们就可以试图操纵自然去创造使我们生活得更好的产品和技术。
理性地探究自然的新方法来自公元前6世纪生活在大希腊爱琴海岸的一群革命性的思想家。这片广阔的海湾分裂出了今日的希腊和土耳其。在亚里士多德之前的数百年间，与释迦牟尼和孔子将新的哲学传统带给印度和中国同一时期，这批最早的希腊哲学家里程碑式地转变了他们认识宇宙的概念，它不再是毫无规律可言，而是存在某种秩序，而非混沌状态。我们很难低估这一转变产生的深远影响，或者它自此塑造人类意识的程度。
这些激进的思想家成长于神奇的葡萄架下、无花果园中、橄榄树下以及繁华的世界性大都市。5这些城市坐落在河流入海口和海水后退形成的海湾，以及通向内陆地区的道路的尽头。据希罗多德的说法，这里是“全世界空气和气候最好的”天堂。这个地方叫爱奥尼亚。
古希腊人在今天的希腊大陆和意大利南部建造了许多城邦，但它们只不过是一些省份而已——古希腊文明的中心在土耳其的爱奥尼亚，位于哥贝克力石阵和恰塔霍裕克以西数百英里。古希腊启蒙运动的先锋出现在米利都城，这座城市位于一个海湾的海岸边，拉特摩斯海湾，这一地理位置赋予它去爱琴海甚至地中海的便利条件。6
按照希罗多德的说法，在公元前1世纪到来之前，米利都城是一个中等规模的聚居地，主要生活着加勒比人，他们是米诺斯人的后裔。在公元前1000年左右，来自雅典和其周边城市的士兵占据了这一地区。到公元前600年，新米利都城在某种程度上变成了古代的纽约，吸引着整个希腊寻求更好生活的贫穷但勤奋的人民。
经过几个世纪的发展，米利都城的人口数量增长到10万，它变成了财富与奢华的中心，在爱奥尼亚的城市中，甚至在整个希腊世界它都是最富有的城市。米利都城的渔民在爱琴海捕捞鲈鱼、红鲣鱼和蚌类。农民在这片富饶的土地上种植玉米和无花果——这是古希腊人知道的唯一可以长久保存的果实——同时，果园出产橄榄，既供食用，也用来榨油，制作古希腊版的黄油、肥皂和燃油。更重要的是，出海的便利使米利都城成为一个重要的贸易中心。像亚麻、木材、铁器和银器这样的商品从数十个米利都居民建立的殖民地被带到了这里，最远甚至来自埃及，而米利都城的能工巧匠制作的陶器、家具和上乘的羊毛织物则远销海外。
但米利都并不仅仅只是一个物资交换的十字路口，它也是人们分享思想的地方。在这座城市，数十种不同文化背景的人相遇、交流，并且米利都人四处闯荡，出现在了许多语言不同、文化各异的地方。所以，当它的居民为了咸鱼的价格讨价还价时，传统与传统相遇，迷信与迷信碰撞，这给新思维方式的产生和文化创新的出现提供了空间——特别是，人类最最重要的质疑传统智慧的意愿。更为重要的是，米利都城的财富给了人们闲暇时间，有了闲暇人们就能够投入到对有关存在的问题的思索当中了。因此，在如此众多的有利条件下，米利都城变成了一个复杂的、世界性的天堂，一个学术的中心，一场思想革命风暴所需的全部因素就此形成。
正是在这种环境中，米利都城以及后来爱奥尼亚更广大地区出现了一群思想家，他们开始质疑已经流传千年的对于自然的宗教和神话解释。他们就是那个时代的哥白尼和伽利略，哲学和科学的创立先驱。
据亚里士多德所言，第一个这样的学者名叫泰勒斯，生于公元前624年左右。据称许多古希腊的哲学家都生活在贫困之中。确实如此，假如古代能有今天这样的条件，哪怕是最著名的哲学家也会找一份更好的工作，比如在马路边卖橄榄，从而过上更优越的生活了。尽管哲学家生活贫困是一个惯例，但泰勒斯却是一个例外，他是一个精明的富裕商人，有着大把的时间去思索和推敲。有这么一个例子，据说他依靠囤积市场上的橄榄榨油机然后再以高昂的价格销售橄榄油而发了一笔大财，他简直就是一个人的“石油输出国组织”。据说他还积极参与到他所在城市的政治生活当中，并且同独裁者色拉西布洛斯私交甚好。
泰勒斯凭借自己的财富四处游历。在埃及，他发现埃及人尽管具有修建金字塔的专长，但却没有测量金字塔高度的见识。然而，正如我们知道的一样，他们发明了一套全新的计算法则去测算耕地的面积，并据此收税。泰勒斯通过改进埃及人的这些几何技术来计算金字塔的高度——他也向埃及人展示了如何使用这些方法测算船在大海中的航行距离。这让他在古埃及成为一位名人。
当泰勒斯回到希腊时，也带回了埃及人的数学知识，并将其翻译成了自己的语言。但在泰勒斯的手里，几何不仅仅是一件测量和计算的工具，它变成了一套依照逻辑运算的理论体系。他是第一个求证几何真理的人，而不只是简单地陈述看起来有用的事实结论，伟大的几何学家欧几里得后来将泰勒斯的部分理论纳入了他的《几何原本》中。7尽管泰勒斯的数学洞察力让人印象深刻，但真正使他出名的是他用来解释物理世界现象的方式方法。
在泰勒斯看来，自然并不是神话故事里的东西；它依照科学定律运行，这些定律可以用来解释和预测原本被认为受到天神干预才产生的自然现象。据说他是第一个明白日食发生原因的人，也是第一个提出月亮发光其实是反射的太阳光的希腊人。
即使在错得离谱的时候，泰勒斯也以他思想和观念的原创性为人称道。我们来看一下他对地震的解释吧。在泰勒斯生活的时代，人们认为发生地震的原因是海神波塞冬发怒，用他的三叉戟敲击地面所致。但泰勒斯所持的观点在他们看来一定是非常荒谬的：发生地震和天神没有任何关系。他的解释和我从任何一个加利福尼亚理工学院地震学家朋友那里听到的都不一样——他认为世界是一块漂浮在无边水域上的半球，当水涌动时地震就发生了。就其意义而言，泰勒斯的分析无疑是开创性的，因为他试图将发生地震的原因归结为自然运行的结果，并且还使用经验和逻辑论据来支持他的观点，但最重要的或许是他将关注的重点放到了地震为什么会发生这个问题上。
在1903年，诗人雷纳·马利亚·里尔克给一个学生提出建议。“要耐心对待你心中的未解之事，试着去喜欢问题，”他写道，“去实践问题。”8这一建议不仅对诗歌有效，对科学也同样有效。科学研究中（在生意场上也常常如此）最重要的技能就是提出正确问题的能力——泰勒斯实际上创造了提出科学问题的概念。在他目力所及的范围，包括天空，他都能发现亟须解释的现象，他的直觉引导着他对这些现象进行思索，直至最终自然的基本运行方式为人所知。他提出的问题不只涉及地震，也涉及地球的体积和形状、节令日期、地球和太阳以及月亮之间的关系——正是这些同样的问题在2 000年之后引导着艾萨克·牛顿完成了地心引力和运动定律的伟大发现。
为了赞颂泰勒斯与过去进行了怎样彻底的决裂，亚里士多德将泰勒斯和后来的爱奥尼亚思想家称为第一批physikoi，或者物理学家——我对自己属于这样一个群体而感到自豪，亚里士多德也会觉得自己属于这个群体。这一表述来自希腊语physis，意思是“自然”，亚里士多德选择这个词去描述那些为各种现象寻找自然解释的人，与此相反的是theologoi，或者“神学家”，这些人寻求超自然的解释方法。
然而，亚里士多德却并不欣赏另一个激进的群体：那些使用数学去塑造自然的人。这一创新要归功于泰勒斯之后那一代中的一位思想家，他和生活在爱琴海萨摩斯岛的泰勒斯相距并不遥远。
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我们当中有部分人的工作就是试图弄明白宇宙是如何运行的，另外一些人没有精通代数运算。在泰勒斯的时代，前一群体的成员也属于后一群体，因为正像我们看到的那样，我们所知的代数——以及数学领域其他的分支——彼时尚未被发明。
对于今天的科学家来说，在不使用方程式的条件下去理解自然的困难程度，就跟你想去理解自己伴侣的感受时对方只说一句“我还好”一样。因为数学是科学的语言——它是理论概念交流的方式。我们科学家或许不太擅长使用语言来表达个人思想，但我们却对利用方程式表述理论得心应手。数学语言帮助科学更深入地发掘理论的意义，这要比普通语言更具洞察力和精确性，因为它是一种具有内在推理和逻辑规则，并且含义不断扩展的语言，这让它有时候会以一种意想不到的方式展现在人们眼前，回荡在人们心中。
诗人使用语言描绘他们观察到的事物，而物理学家使用数学。诗人写完诗后他的工作就算完成了，而物理学家写完一首数学“诗”后，他的工作才刚刚开始。通过使用数学规则和理论，物理学家将诗变成了一堂具有启发性的自然新课程，甚至连它的原作者都料想不到。因为数学公式不仅蕴含概念，还会为那些有足够技巧和耐性去提炼它们的人提供这些概念的推理。这就是数学语言取得的成就：它增强了物理定律的表达效果，阐明了它们之间的关系，引导着人们推理求证的过程。
然而在公元前6世纪初期，没有人知道这一点。人类还没有形成数学能够帮助我们理解自然运行方式的概念。正是毕达哥拉斯（约公元前570—前490）——古希腊数学的奠基人，“哲学”表述的创造者，全世界中学生的噩梦（他们不得不停止发短信，花费大量时间学习a2+b2 = c2的意义）——首先帮助我们把数学作为表达科学概念的语言来使用的。
在古代，毕达哥拉斯这个名字不仅和天才挂钩，而且还含有魔法和宗教意味。9如果他单纯只是一个物理学家而没有做教皇的话，他很有可能会被视为爱因斯坦一类的人物。通过后来许多作家的作品我们对毕达哥拉斯的生活有了很多了解，也有不少关于他的传记。但到耶稣出现后的最初几个世纪里，关于他的传说变得没有可信度，并受到某种宗教和政治动机的玷污，许多作家受到这些动机的影响，歪曲了他的观点并且放大了他在历史上的地位。
有一件事情倒是事实，毕达哥拉斯在米利都城海湾对面的萨摩斯岛长大。并且，他所有的传记作者都认为他在18到20岁之间拜访了泰勒斯。泰勒斯那个时候应该很老了，将不久于人世。泰勒斯知道自己年轻时的聪明才智早已退化，据说他还为自己萎靡的精神状态向毕达哥拉斯道歉。不知泰勒斯教授了他什么课程，毕达哥拉斯离开的时候受到了触动。许多年后，人们还会偶尔看到他坐在家里，为他的先师唱着赞歌。
和泰勒斯一样，毕达哥拉斯也游历了很多地方，或许去过埃及、巴比伦和腓尼基。在他40岁的时候，他感到在这个小岛的暴君波利克拉特斯的统治下生活难以忍受，便离开萨摩斯岛去了科朗顿，科朗顿位于今天意大利的南部。在那里，他吸引了大批的追随者。据说也是在那里他发现了物质世界的数学规律。
没有人知道人类最初是如何发明语言的，尽管有时候我会想象某个穴居人碰断了脚指头，痛得不由自主地脱口而出，啊！这时有人会想，这种表达感情的方式真是太新奇了，于是不久大家都开口讲话了。数学作为科学的语言，它的起源也有着某种神秘色彩，但要真是那样的话我们至少也有一个描绘它的传奇故事了。
根据传说，某天毕达哥拉斯走过一家铁匠铺，听到铁匠在打铁时铁锤发出的声音，他留意到不同的铁锤在击打铁块时所发出的音调有一个模式。毕达哥拉斯跑进铁匠铺里拿起铁锤做实验，最后发现音调的差别不是由敲打铁块的人用了多少力气决定的，也不是由铁锤的具体形状决定的，而是由铁锤的大小，或者说，它们的重量决定的。
毕达哥拉斯回到家里继续他的实验，不再用铁锤，而是用不同长度和松紧度的绳子。就像许多希腊的年轻人一样，他学过音乐，特别是笛子和里拉琴。在当时希腊的乐器只是猜测、经验和直觉的产品。据说毕达哥拉斯在实验中发现了控制弦乐器音色的数学定律，使用这种定律可以确定乐器弦的长度和它们产生的音调之间的精确关系。
今天我们会用声音的频率和弦的长度成反比这样的话来描述毕达哥拉斯发现的这种关系。举个例子，假设一根弦在拨动时会产生一定的音符。按住这根弦的中部它会发出一个更高的音——这时的频率是原来的两倍。按在这根弦的1/4处它的音调又会上升一个高度，是原来频率的4倍。
毕达哥拉斯是否发现了这种关系？没有人知道关于毕达哥拉斯的传说在多大程度上是真实可信的。比如，他很有可能并没有证明那个让中学生痛苦不堪的“毕达哥拉斯理论”（勾股定理）——人们相信它是由毕达哥拉斯的一名追随者首先证明的，但这个公式已经存在好几个世纪了。姑且不论这些，毕达哥拉斯真正的贡献不在于他得出了什么具体的定律，而是在于他推广了宇宙是依照数字关系构建的这个概念，他的影响力不是因为他发现了自然世界的数字联系，而是来自他对其的颂扬。正如古典学者卡尔·霍夫曼所言，毕达哥拉斯之所以重要“是因为他赋予了数字荣誉，是他把数字带离实用的贸易领域，是他指明了数字和事物之间性质的相似性”。10
泰勒斯说自然世界遵循某种秩序法则，毕达哥拉斯由此更进一步，他断言自然世界遵循数学法则。他宣称数学法则是宇宙的基本事实。毕达哥拉斯学派相信数字才是事实的本质。
毕达哥拉斯的观点对后期的希腊思想家们产生了巨大的影响——最明显的就是柏拉图——也包括整个欧洲的科学家和哲学家。但在那些相信宇宙可以通过理性分析被认知的古希腊推理大师和伟大的学者们之中，到目前为止对于未来科学发展影响力最大的人不是发明了理性分析的泰勒斯，也不是把数学带入理性分析的毕达哥拉斯，甚至也不是柏拉图，而是柏拉图的学生，这个学生后来成为亚历山大大帝的导师：亚里士多德。
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亚里士多德（公元前384—前322）出生在希腊东北部小镇斯塔吉拉，他的父亲是亚历山大的祖父国王阿闵塔斯的私人医师。亚里士多德很小的时候就成了孤儿，在17岁那年被送往雅典的柏拉图学院学习。自柏拉图之后，“学院”这个词开始有了学习之地的意思，但在当时，“学院”只不过是雅典郊外一个树木葱茏的公共花园的名字而已，柏拉图和他的学生喜欢在这里集会。亚里士多德在这里待了20年。
公元前347年柏拉图去世时，亚里士多德离开了学院，几年之后他成为亚历山大的导师。国王菲利普二世选择他作为儿子导师的原因我们不得而知，因为亚里士多德在当时还没有什么名气。然而对于他来说，成为马其顿王国储君的导师一定是一个好主意。他得到了丰厚的报酬，当亚历山大征服波斯和世界其他地区的时候，他也获得了其他的利益。但在亚历山大即位之后，当时即将50岁的亚里士多德回到了雅典，在那里他花费了13年的时间创作出了让他名垂青史的大部分作品。他再没有和亚历山大见面。
亚里士多德讲授的科学极有可能和他从柏拉图那里学到的不一样。亚里士多德在学院里是优等生，但他对柏拉图强调数学学习的要求一直感觉不自在。他自己更倾向于细致的自然观察，而非抽象的定律——这和柏拉图式的科学以及我们今天从事的科学都不一样。
高中的时候我最爱上的课是化学和物理。看到我对化学和物理那么痴迷，我父亲有时候会让我解释这些科学给他听。他出生在一个贫穷的犹太家庭，只能负担得起他上一所当地的宗教学校，他接受的教育关注更多的是安息日理论，而非科学理论，因为他只上到七年级，看来我有一大堆工作要做呢。
我们的探索开始于我告诉他物理主要研究一件事情：变化。父亲认真想了一会儿然后咕哝了一声。“你知道什么变化，”他对我说，“你还太小，你从来没有经历过什么变化。”我抗议说我当然经历过变化，但他用一种古老的意第绪语表达方式回应我，这种话听起来要么深沉要么白痴，主要看你对意第绪语的忍耐程度。“有变化，”他说道，“确实有‘变化’。”
亚里士多德和柏拉图（左）
来自拉斐尔的壁画作品
是的，在物理学中，只有变！化！实际上，可能有人会说牛顿对于创造今天我们所知的物理学的主要贡献是他提出了一套完整的数学方法，这种方法可以用来描述所有的变化，不管它的性质如何。亚里士多德的物理学——起源于牛顿之前2 000年的雅典——在理解世界时主要依靠直觉，而非数学方法，我认为这种方法或许对我父亲而言更容易理解一些。于是，抱着找到什么东西可以让我更轻松地给他解释事情的希望，我开始阅读亚里士多德关于变化的概念。经过一番努力，我了解到尽管亚里士多德讲的是希腊语，也从来没有说过一句意第绪语，他所深信不疑的是这个：“有变化，确实有‘变化’。”
在我父亲的版本中，第二个“变化”听起来很不吉利，他的意思是这个词表达了纳粹侵略波兰之后他所经历的那种惨痛的变化。普通变化和自然变化之间的差异，还有它和暴力变化之间的差异，都同属于亚里士多德所说的差异：他相信人们观察到的所有自然转变都可以被归类为自然的或者暴力的。
在亚里士多德关于世界的理论中，自然变化产生于物体自身。11换句话说，自然变化的诱因是物体固有的性质或者构成。比如，我们称为运动的这种变化——位置的变化。亚里士多德相信万物都是由四种基本物质以不同的组合形式构成的——土、气、火和水——每一种都有内在的运动倾向。岩石掉到地上，雨水落入大海，在亚里士多德看来，这是因为大地和大海是那些物质天然的栖息之地。把一块石头抛向天空需要外在的干预，而当它降落时，它遵循着自己内在的倾向完成了“自然”运动。
在现代物理学中，我们并不需要解释为何一个物体会保持静止状态，或者当它受到某一方向持续作用力的时候会保持匀加速运动状态。同样，在亚里士多德的物理学中，并不需要解释为何物体会完成自然运动——为何由土和水构成的东西会掉下来，或者为何气和火会上升。这种分析是对我们所看到的世界的反映——水泡从水里升出，火焰看起来升到空气里，大型物体从天空降落，海洋栖身于陆地，大气则在一切之上。
对于亚里士多德而言，运动只不过是许多自然过程中的一种，就像生长、腐烂和发酵一样，都遵循相同的法则。他将所有形态的自然变化——木头燃烧、人体衰老、鸟儿飞翔、橡子坠落——视为内在潜能的实现。在亚里士多德的信仰体系里，自然变化推动着我们的日常生活。这是一种不会使人感到讶异的变化，我们对此习以为常。
但有的时候事情发展的自然过程会被打断，运动或者变化是外部事物强加的。比如石头被抛向天空，葡萄藤被连根拔起，鸡被宰杀当作食物，或者你丢了工作，或者法西斯占领了某块大陆。这些都属于亚里士多德所说的“暴力”变化。
根据亚里士多德的论述，暴力变化是指物体的变化或者移动的方向违背了其本性。亚里士多德试图理解这种变化的诱因，并为其选择了一个术语：作用力。
和关于自然变化的概念一样，亚里士多德关于暴力变化的学说与我们在自然世界中观察到的现象高度吻合——比如固体物质会自己坠落，但要想让它沿着任意方向运动，比如向上或者向侧面，就需要用到“作用力”，或者“力量”。
亚里士多德对变化的分析值得称道，因为尽管他看到的周围的现象和他同时代的其他伟大思想家所看到的一样，但和他们不同的是，他挽起袖子，对变化展开了一种前所未有的、百科全书式的细致观察——包括发生在人们生活和自然世界里的变化。为了找到不同种类的变化之间的相同点，他研究事故的原因、政治的动力、公牛负重时的运动、小鸡胚胎的生长、火山的爆发、尼罗河三角洲的变化、行星的运动、水的蒸发、多胃动物消化食物、物体融化和燃烧的方式。他解剖各种各样的动物，有时甚至远远超过了它们应该被卖掉的日期，但如果有人因为异味抗议的话，他只是报以嘲讽。
亚里士多德将他创造的一个系统性的表述变化的尝试称为“物理学”——由此他将自己和泰勒斯留下的思想遗产联系在了一起。他的物理学范围很广，囊括了生命和非生命物质，以及宇宙和地球上所发生的各种现象。时至今日，他所研究的变化的不同类别构成了整个科学分支的研究主题：物理学、天文学、气候学、生物学、胚胎学、社会学，等等。实际上，亚里士多德还是一个高产的作家——一个货真价实的维基百科式的人物。他的贡献包括一个没有强迫症的人所能完成的一些最为庞杂的研究。众所周知，他发表了——根据古代文献资料记载—170篇学术作品，其中有1/3保存至今，比如《气象学》《宇宙哲学》《伦理学》《政治学》《修辞学》《诗学》《天堂论》《论生成与毁灭》《论灵魂》《论记忆》《论睡眠》《论梦》《论青年、老年及死亡》《动物志》，等等。
当他曾经的学生亚历山大去征服亚洲的时候，亚里士多德回到了雅典，并创办了一所名为莱森（Lyceum）的学校。在那里，他一边行走在公共步行道上或者漫步于花园里，一边给他的学生教授这些年来他学到东西。[1]尽管他是一名优秀的老师，一位才华横溢且高产的自然观察者，但亚里士多德研究知识的方式与我们研究在今天被称为科学的知识的方式大相径庭。
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按照哲学家伯特兰·罗素的说法，亚里士多德是“第一个像教授一样写作的人……一位职业教师，而不是一个受到启示的先知”。12罗素把亚里士多德称为“被常识稀释过的”柏拉图。亚里士多德确实非常看重常识这一特质。我们大多数人都是如此。常识会制止我们回复那些来自尼日利亚骗子的电子邮件，在邮件中那些家伙许诺说只要我们今天给他们汇去1 000美元，他们保证明天返给我们1 000亿美元。然而，现在我们再回过头看亚里士多德的观点，基于我们现在所了解到的东西，有人会争辩说我们正是在亚里士多德对于传统观念的投入中发现了他研究科学的方式和今天我们研究科学的方式之间一个最大的不同——这也是亚里士多德的物理学中最大的缺陷之一。因为尽管常识不可轻视，但有时候我们还是需要一些“非常识”的东西。
为了在科学研究中取得进展，你经常会藐视历史学家丹尼尔·布尔斯廷所说的“常识暴政”。13比如，常识就是你用力推一个物体它就会滑动，然后逐渐慢下来直到停止不动。但为了找出运动的根本定律，你必须像牛顿那样透过表面现象去想象在一个理论上没有阻力的世界里物体会如何运动。同样，为了弄明白摩擦的原理，你必须越过物质世界的外墙去“看”物体是怎样由不可见的原子构成的，原子的概念由留基伯和德谟克里特斯提出，早出亚里士多德一个世纪，但亚里士多德并没有接受。
亚里士多德也对普遍意见，以及他那个时代的惯例和观念表现出极大的服从。他写道：“所有人都相信的就是真的。”14对于怀疑者，他说道：“摧毁了这个信仰的人将很难找到一个更可靠的信仰。”有一个例子生动地展现了亚里士多德对传统智慧的依赖——以及它如何扭曲了亚里士多德的远见卓识——他有点别扭地辩解说奴隶制度（他和大部分雅典市民都接受）是物质世界固有的性质。他使用一种让人能联想到他的物理著作的奇怪论证方法宣称“所有的事物，无论是整体还是由不同部分构成，统治元素和被统治元素之间的差异众所周知。这种二元性存在于生物当中，但不限于生物；它来源于宇宙的构成”。15亚里士多德声称正是由于这种二元性，人才会被划分成自由人，以及本质就是奴隶的人。
今天的科学家和创新者常常被描绘成古怪和不按常理出牌的人。我想这种刻板印象是有一定道理的。我认识的一个物理教授每天会在咖啡馆配料桌上提供的免费赠品中选择他的晚餐。蛋黄酱提供脂肪，番茄酱当作蔬菜，咸味饼干是他的碳水化合物。另一位朋友喜欢冷盘但却讨厌面包，在餐馆里可以心安理得地只点一堆意大利腊肠当作晚餐，他还拿着刀叉，好像那就是一块牛排。
对于科学家或者任何谋求创新的人来说，传统思想可不是一个好态度，不遵循传统思想有时候还会影响别人看待你的方式。但正如我们一直看到的那样，科学是成见和权威的天敌，即便对科学机构权威自身也是如此。要想取得革命性的突破，必须具备公然对抗人人都相信的事实的意愿，并能用可信的新观念替代旧观念。实际上，如果说在科学发展史和普遍的人类思想中存在着一个阻碍进步的障碍，那就是对于过去——以及现在的——观念的愚忠。所以如果我要为某个创新职位招人的话，我要当心那些具备太多常识的人，但我会特别看重附加栏里填写的古怪特质，并保证配料桌上的东西源源不断。
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亚里士多德的研究方法和后来人们研究科学的方法之间另一个重要冲突是他的方法是定性的，而非量化的。今天的物理学，即使在简单的高中课本里，也是一门量化的科学。哪怕只上过最初级的物理课，学生也知道一辆汽车每小时行驶了60千米，它的速度就是每分钟1千米。他们也知道如果你扔一个苹果，它将会以9.8m/s2的加速度降落。他们也会进行数字运算，比如计算出当你猛然坐在椅子上时，椅子施加在你脊柱上的力是多少——仅仅一瞬间——超过了1 000磅（453.60千克）。亚里士多德的物理学不是这样的。恰恰相反，他大声抱怨那些试图把哲学变成“数学”的哲学家。16
在亚里士多德的时代，任何试图将自然哲学转变成量化追求的努力都会毫无意外地遭遇古希腊知识界的阻力。亚里士多德没有秒表，或者带秒针的钟表，他也没有接触过依照精确周期思考事物的观念。并且，处理数据所需的代数和算术知识也并不比泰勒斯时代的更先进。正如我们看到的那样，那时加号、减号和等号还没有被发明，人们也没有形成数字体系或者像“每小时几千米”这样的概念。但13世纪以及后来的学者利用仪器和并没有多先进的数学知识在量化物理学中取得了进展，所以这些并不是有关公式、测量和数字估算的科学的唯一障碍。更重要的事实是，和其他人一样，亚里士多德只是单纯地对量化表述没有兴趣而已。
即使在研究运动时，亚里士多德的分析也只和性质有关。比如，对于速度他只有一个模糊的理解——像是“在相同时间内某些东西要比其他的走得更远”。对于我们来说，这听起来有点儿像是在吃幸运饼干时在里面发现的字条，但在亚里士多德的时代，人们认为这种表述已经足够精确了。由于对速度只有性质上的概念，所以人们对于加速度的概念也是极为模糊的，加速度是物体运动时速度和方向的改变——我们早在高中就开始学习了。在差异如此巨大的情况下，如果有人使用时间机器回到过去给亚里士多德一本牛顿物理学课本，在他眼中这本书和微波炉意面食谱相差无几。他非但理解不了牛顿所说的“作用力”或“加速度”的概念——他甚至不关心这些东西。
在亚里士多德进行细致观察的时候，真正让他感兴趣的是运动以及其他类型的变化看起来总会朝着某个终点发展。比如，在他的理解中运动是无法被测算的，是一种目的可被识别的现象：马拉车是为了让车在路上运动；山羊走动是为了觅食；老鼠逃跑是避免被吃掉；雄兔和雌兔交配是为了生出更多的兔子。
亚里士多德相信宇宙是一个巨大的和谐运行的生态系统。他到处都能发现目的。下雨是因为植物生长需要水分。植物生长是为了给动物提供食物。葡萄种子长成了葡萄藤，鸡蛋孵化出了小鸡，这都是将原本就存在于这些种子和鸡蛋里的潜能变成现实的过程。自古以来，人们总是按照自己的经验去理解世界。所以，在古希腊，人们以事物的目的来分析物质世界，而不是用毕达哥拉斯和他的追随者发明的数学理论去解释世界就非常自然了。
在这里，我们又一次见识到了在科学领域你选择提出的问题的重要性。即使亚里士多德接受了毕达哥拉斯关于自然遵循量化定律的概念，他也会抓不住重点，因为他只是单纯地对这些定律中的量化细节缺乏兴趣而已，更吸引他的是关于物体为什么会遵循这些定律的问题。是什么让乐器上的琴弦或者坠落的石块按照数字规律运动？这才是让亚里士多德产生兴趣的问题，也是在这里我们看到了亚里士多德的哲学思想和现代科学研究展开方式之间的最大分歧——亚里士多德以“目的”来解释自然世界，今天的科学研究却不会。
亚里士多德分析问题——寻找目的——的特点对于后来人们的思想产生了巨大的影响。这让各个时期的许多基督教哲学家对他推崇备至，但也在近2 000年的时间里阻碍了科学的进步，因为它和今天指导我们调查研究的强大的科学定律完全不能兼容。当两个撞球碰撞时，是由牛顿首先提出的物理定律——而非什么宏大的根本目的——决定接下来会发生什么。
科学最早产生于人类试图了解世界并从中发现意义的基本欲望，所以时至今日，曾经启发过亚里士多德的对于目的的渴望仍然可以引发许多人的共鸣就不会让人感到惊讶了。“事出有因”这种观念或许能给那些寻求理解自然灾难或其他悲剧的人以慰藉。在这些人看来，科学家坚持认为宇宙并没有受到某种目的的支配，让这些科学定理看上去冷酷和没有灵魂。
然而我们还有另外一种看待世界的方式，因为我父亲的缘故我对它很熟悉。当出现关于目的的问题时，我父亲不会提到曾经发生在他身上的事情，但他会经常提起我母亲经历过的一件特别的事情，那时我母亲才17岁，他们还不认识。纳粹占领了她的城市，其中一个人不知出于什么原因命令十来个犹太人——我母亲也在其中——在大雪中跪成整齐的一排。这个人从一头走到另一头，每走几步就会停下来拿枪射穿一个俘虏的脑袋。如果这是上帝或者自然的宏伟计划的一部分，我父亲不想和这个上帝有任何关系。无论我们的生命有多悲惨或多成功，都和恒星爆炸一样是同一种冷漠定律的结果，无论是好是坏，生命都是一件礼物，一个从统治我们世界的那些枯燥无味的公式中诞生的奇迹，对于像我父亲这样的人，只要想到这些，他们就能够得到安慰。
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尽管在牛顿之前亚里士多德的观点一直统治着关于自然世界的思想，但随着时间的推移，有大量的观察者开始对他的理论产生怀疑。例如，考虑一下这种情况，没有完成自然运动的物体只有在施加一个作用力后才会移动。亚里士多德自己意识到这个问题涉及在初始推动力之后，是什么推动弓箭、标枪，或者任何其他投射物继续前进。他的解释是因为自然“厌恶”真空，在初始推动力之后空气中的微小颗粒跟在这些投射物的后面，继续推动它们运动。但即使是亚里士多德本人对于自己的理论也不是太热心。到了14世纪这种解释的漏洞越发明显，火炮的发明与传播使这种空气微粒跟在沉重的炮弹后面推动它前进的观念十分荒谬。
同样重要的是，发射这些炮弹的士兵并不关心是空气微粒还是微小的、无形的仙女推动炮弹前进。他们想要知道的是炮弹会沿着怎样的弹道运动，特别是这些弹道会不会让炮弹落在敌人头顶上。这些分歧展现了横亘在亚里士多德和后来自称为科学家的人之间真正的鸿沟：像抛射物的运动轨迹这样的问题——它在不同瞬间的速度和位置——不在亚里士多德考虑范围内。但如果有人想利用物理定律做预测的话，这些问题就变得至关重要了。所以，最终取代了亚里士多德的物理学，并让计算炮弹的弹道轨迹成为可能的自然科学主要研究的是世界运行过程中的量化细节——可测量的作用力、速度以及加速度——它们都不是世界运行过程的目的或者哲学原因。
亚里士多德也清楚自己的物理学并不完美。他写道：“我的物理学只是第一步，因而也是很小的一步，尽管它花费了我很多的思考和辛苦劳动。人们必须以第一步的眼光看待它，并以宽容的态度去评价它。你，我的读者或者我讲座的听众，如果你认为作为一个开局我已经做到了我所能做到的一切……将会认可我的成就，也会原谅我将余下的工作留待他人去完成。”17通过这句话，亚里士多德表达了一种他和后来的绝大多数物理天才共有的情感。我们认为他们，牛顿们和爱因斯坦们，对于他们的知识是无所不知的，自信的，甚至傲慢的。但正如我们看到的那样，他们和亚里士多德一样对于很多事情深感困惑，他们也和亚里士多德一样明白这一点。
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亚里士多德于公元前322年逝世，享年62岁，死于胃病。一年前，在他曾经的学生亚历山大死后，支持马其顿人的政府被推翻，亚里士多德从雅典逃走。尽管亚里士多德在柏拉图学院待了20年，他总感觉自己在雅典像是一个局外人。关于那个城市，他写道：“同样的事情雅典市民可以做而陌生人做就不恰当，留下来很难。”18然而随着亚历山大的离世，去留的问题变得至关重要，因为当时有一股危险的反击指向任何与马其顿有关联的人，亚里士多德很清楚因政治原因而被处决的苏格拉底树立了用一杯毒堇汁回应任何哲学辩论的先例。亚里士多德从来都是一位深刻的思想家，他产生了逃跑的念头，而不是冒险当一名烈士。他为自己的决定找到了一个高尚的理由——避免雅典人再一次犯下“对抗哲学”的罪孽——但这个决定，就和他探究日常生活的方法一样，是非常实用的。19
在亚里士多德死后，他的思想被莱森学院一代代的学生以及写关于他作品的评论文章的人传承下来。在中世纪初期，他的理论和其他学习活动一起消失了，但在中世纪鼎盛时代的阿拉伯学者中间又一次变得重要起来，随后又从他们这里传给了西方学者。他的思想经过部分修正最终成为罗马天主教会的官方哲学。所以，在接下来的19个世纪里，研究自然世界就意味着研究亚里士多德。
我们已经目睹了人类如何进化出能够提问的大脑以及提问的天性，以及工具——书写、数学以及律法的概念——并使用它来回答那些问题。和希腊人一起，通过学习使用推理去分析宇宙，我们到达了一个辉煌的科学新世界的彼岸。但这仅仅是一个更伟大的探险之旅的开端。
[1] 上完课后，学生会被抹上油按摩。我常常在想，如果上课时给我的学生提供这么一个选项，那将很容易增加我在他们当中受欢迎的程度，但不幸的是，这很有可能会在学校管理层那里产生完全相反的效果。