第二章
物質(zhì)及能量觀念的改變

物質(zhì)是什么，它是怎么運(yùn)動(dòng)的？這是自古以來(lái)盤踞在物理學(xué)家腦子里的問(wèn)題，也是艾薩克·牛頓的基本質(zhì)疑。

我們對(duì)物理問(wèn)題的現(xiàn)代觀點(diǎn)是建立在看不見(jiàn)、摸不到、陌生的量子理論世界上的，但是，牛頓的一生以及自那時(shí)起直到21世紀(jì)的今天所發(fā)現(xiàn)的種種自然規(guī)律和體系，是我們現(xiàn)在大部分日常生活中賴以利用的物質(zhì)與能量的基礎(chǔ)?？茖W(xué)史家普遍認(rèn)為，牛頓對(duì)物質(zhì)如何發(fā)生運(yùn)動(dòng)的看法，以及對(duì)能量和力如何發(fā)生作用的觀念，可被視為物理學(xué)發(fā)展的分水嶺。的確，大家都同意是牛頓的成就才使工業(yè)革命成為可能。牛頓凝聚了眾人的知識(shí)：他是那樣一位科學(xué)家，獨(dú)立將自古以來(lái)眾人得到的線索，統(tǒng)統(tǒng)聚集于他首創(chuàng)的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)（一種基于數(shù)學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)證明的、兩者同等重要的研究方法）中。牛頓滿載著兩千年來(lái)關(guān)于宇宙本質(zhì)的各種不斷改變的觀念，他的偉大之處是將伽利略、笛卡兒、開(kāi)普勒等許多科學(xué)家的個(gè)人突破加以整合和梳理，最后總結(jié)成一個(gè)涵蓋廣泛的宇宙觀——?jiǎng)?chuàng)造了一組定律和法則，賦予近代物理學(xué)一個(gè)明確的架構(gòu)。

四元素說(shuō)

最早記錄對(duì)物質(zhì)的看法和意見(jiàn)的是古希臘人，我們也知道幾個(gè)早期探討物質(zhì)世界的學(xué)派，而與我們的討論有關(guān)且最重要的有兩種：亞里士多德的一系列觀念，以及與他相抗衡的古希臘哲學(xué)家德謨克利特的原子論。

一直到牛頓時(shí)代都占據(jù)主流的古希臘傳統(tǒng)哲學(xué)，歸結(jié)于亞里士多德的“四元素”概念，這四元素就是火、水、土和氣。另外一個(gè)非主流的觀念是德謨克利特提出的，這位大師比亞里士多德早出生70多年，他認(rèn)為物質(zhì)是由一種小到看不見(jiàn)的叫作原子的東西組合而成的。然而，因?yàn)閬喞锸慷嗟潞桶乩瓐D都極其不同意德謨克利特的原子論，所以經(jīng)過(guò)亞里士多德時(shí)代之后，它幾乎被完全忽略了，直到17世紀(jì)初期才又被重新探討。

第一個(gè)闡明“四元素”概念的，事實(shí)上是一位更早的西西里島哲學(xué)家，他名叫恩培多克勒，他比亞里士多德早出生100多年。后來(lái)，這個(gè)見(jiàn)解被亞里士多德接受并加以提煉、推廣。一般人認(rèn)為“四元素”概念起初來(lái)自對(duì)燃燒過(guò)程的觀察。例如，把青綠的樹枝丟進(jìn)熊熊烈火中燃燒，火焰因發(fā)光而看得見(jiàn)，冒出來(lái)的煙消失在空氣中，樹枝里的水分沸騰，燒剩的灰燼散在地上，就像泥土。于是人們本能地想成宇宙間每一件物體都源自這四種元素，由它們以不同的比例組合而成。這種想法是亞里士多德的自然哲學(xué)基礎(chǔ)，經(jīng)由他的推廣而世世代代流傳下來(lái)。

亞里士多德于公元前384年出生于希臘半島西北部卡爾息底斯的斯塔吉拉。他的父親是馬其頓國(guó)王的御醫(yī)，他自己后來(lái)成了柏拉圖的學(xué)生。中年以后，亞里士多德?lián)瘟藖啔v山大大帝的老師，前者寫的論文不僅在那個(gè)時(shí)代就極具影響力，甚至到13世紀(jì)，歐洲的學(xué)者在經(jīng)過(guò)黑暗時(shí)代之后，重新發(fā)現(xiàn)他的論文殘篇時(shí)，還引發(fā)了恢復(fù)學(xué)習(xí)的風(fēng)尚，這又預(yù)示了文藝復(fù)興的來(lái)臨。亞里士多德的思想中與自然哲學(xué)（到18世紀(jì)才改稱為物理學(xué)）最有關(guān)系的部分，在《論生滅》和《物理學(xué)》這兩篇論著內(nèi)。它們專門討論質(zhì)料、形式、運(yùn)動(dòng)、時(shí)間等概念，以及天與地的范疇。

在亞里士多德看來(lái)，天地之間的萬(wàn)物皆由四種元素相混組合而成，它們?cè)诎捕ㄖ螅蜁?huì)分開(kāi)層次：水沉降到空氣之下（或者空氣上升至水面，譬如氣泡），堅(jiān)固的泥土沉降到水與空氣之下，火焰則上升至空氣上方，居于諸物的最上層。如果亞里士多德使用這種模式來(lái)解釋蘋果下墜的現(xiàn)象，他當(dāng)會(huì)將蘋果歸屬于水和土的合成體，而下墜現(xiàn)象不過(guò)是它在尋找在宇宙間的自然定位，才穿過(guò)空氣降落到地面上的。他一方面推廣“四元素”的主張，另一方面又首創(chuàng)“不動(dòng)的動(dòng)者”的說(shuō)法，那是他賦予一位全能者的名字。這位全能者在某處維持天上星辰的運(yùn)動(dòng)，使太陽(yáng)和行星環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)不息。

以三段論代替實(shí)驗(yàn)

亞里士多德的研究范圍有如百科全書般廣闊，他對(duì)那個(gè)時(shí)代所知的所有科目都有研究和著述，包括邏輯學(xué)、哲學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)和物理學(xué)。他最強(qiáng)的領(lǐng)域在邏輯學(xué)方面，自然科學(xué)則以生物學(xué)較強(qiáng)，物理學(xué)較弱。他創(chuàng)立的三段論是他獲得科學(xué)見(jiàn)解的主要工具。三段論是使用兩個(gè)前提，用邏輯推論得出結(jié)論的方法。譬如以三句話組合而成的三段論：“所有的大象都是動(dòng)物，所有的動(dòng)物都是生物，因此所有的大象都是生物。”

三段論在邏輯推理上是十分有用的工具，它直到19世紀(jì)以前都被作為數(shù)學(xué)推理的基礎(chǔ)，然后才逐漸被更加能融會(huì)貫通的推理方法代替?？墒?，以三段論來(lái)推論物理學(xué)則失之于膚淺，因?yàn)樗皇峭普?，而不具備?shí)驗(yàn)這個(gè)要件。簡(jiǎn)言之，三段論僅僅包含兩個(gè)前提和一個(gè)結(jié)論，而它們要么是基于膚淺的觀察得來(lái)的，要么是基于演繹推理得來(lái)的。

亞里士多德的老師柏拉圖（他所創(chuàng)建的雅典學(xué)院存續(xù)了9個(gè)世紀(jì)）公開(kāi)表態(tài)他不喜歡實(shí)驗(yàn)，因此在古希臘傳統(tǒng)的自然哲學(xué)里，實(shí)驗(yàn)從來(lái)不會(huì)成為指導(dǎo)原則。亞里士多德及其后數(shù)代信仰他的古希臘思想家都在遵循以三段論邏輯為基礎(chǔ)的一套僵硬法則，制造了扭曲的現(xiàn)實(shí)圖景。更嚴(yán)重的是，這種局限性很大的研討方法，變成了不可逾越的戒律，眾人必須遵守，直到現(xiàn)代學(xué)術(shù)萌芽為止。歷史學(xué)家查爾斯·辛格對(duì)這不幸的過(guò)程曾經(jīng)感嘆道：

整個(gè)科學(xué)理論都是以此方式解釋的，整個(gè)邏輯也是以此方式構(gòu)成的，以達(dá)到論證科學(xué)的目的（即完全以推理取得結(jié)論），又再依賴這些不實(shí)的類比做反復(fù)相似的論證。這種錯(cuò)誤是否為忽視經(jīng)驗(yàn)法則的原因，以致自然科學(xué)在亞里士多德之后的兩千年間毫無(wú)進(jìn)展呢？^[1]

作家兼歷史學(xué)家丹皮爾爵士也以同樣的口吻說(shuō)：

亞里士多德有技巧地將一些特例引申為通則，再由此形成定理。但可悲的是，他在實(shí)踐上常常失敗。僅找到一些事例就立刻將其普遍化，當(dāng)然不免要失敗。他既掌握不到足夠的事實(shí)，又沒(méi)有適當(dāng)?shù)目茖W(xué)背景去佐證那些事例。^[2]

排斥原子說(shuō)

近代的科學(xué)方法包括推理和實(shí)驗(yàn)，我們可以舉一個(gè)淺顯的例子來(lái)說(shuō)明：在進(jìn)行一項(xiàng)研究之前，通常都是由于發(fā)現(xiàn)一些有意義的現(xiàn)象，于是根據(jù)一些已知的知識(shí)，配合這些現(xiàn)象建立一些假設(shè)，逐漸經(jīng)由純粹推理的方式而發(fā)展出暫時(shí)性的假說(shuō)，這個(gè)過(guò)程叫作歸納。接下來(lái)依據(jù)假說(shuō)，用數(shù)學(xué)演繹出實(shí)用的預(yù)測(cè)，最后用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明這個(gè)預(yù)測(cè)是否正確。如果從假說(shuō)推演出來(lái)的預(yù)測(cè)，與實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)所得的結(jié)果不相符，就應(yīng)該修正假說(shuō)，然后重新推演和實(shí)驗(yàn)，直到理論預(yù)測(cè)和實(shí)際觀測(cè)一致為止，否則就要放棄原來(lái)的主張。

如果推理和驗(yàn)證終相符合，假說(shuō)就被提升到一種理論的狀態(tài)，然后我們?cè)囉眠@個(gè)理論來(lái)解釋比開(kāi)始時(shí)所見(jiàn)更廣泛的現(xiàn)象。這個(gè)理論或許能夠歷經(jīng)多年不倒，但是嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，我們不能把它看成唯一適合解釋那些現(xiàn)象的理論。好的科學(xué)允許引進(jìn)新的概念，進(jìn)一步推翻舊的理論，甚或做出激烈的改變。^[3]

亞里士多德主導(dǎo)了學(xué)術(shù)界，以致不同的概念被完全排斥?！霸诱撝浮钡轮兛死叵嘈牛凑粘＠?，世界上有甜即有苦，有熱即有冷，且自然界存在各種顏色。事實(shí)上，的確有原子和虛空的存在。然而亞里士多德以一些不甚正確的知識(shí)為基礎(chǔ)，使用三段論來(lái)排斥原子觀念。例如，他說(shuō)假使原子論為真，那么物質(zhì)的本性就都是重的^[4]，沒(méi)有任何東西能足夠輕而往上升，大體積的空氣和火將會(huì)比小體積的土或水更重，結(jié)果泥土和水不再向下沉（或反過(guò)來(lái)說(shuō)空氣和火都不向上升），而各種元素也不再回歸它們的自然位置了。這種論斷說(shuō)明了亞里士多德在研究學(xué)問(wèn)上有多么不客觀，這與現(xiàn)代物理學(xué)家的研究方法大相徑庭。他不愿對(duì)他所珍惜的信仰做挑戰(zhàn)性的思考，即使是在面對(duì)這股強(qiáng)有力的反對(duì)逆流時(shí)。

亞里士多德的教條對(duì)他的追隨者有如宗教般不可侵犯，他教授的學(xué)問(wèn)流傳后世，若干世紀(jì)以來(lái)從未受到質(zhì)疑。但它卻誤導(dǎo)了后世的思想家，將科學(xué)引進(jìn)了死胡同，幾百年來(lái)未得矯正。

黑暗時(shí)代

亞里士多德逝世于公元前322年，大約就在那個(gè)時(shí)期，古埃及的城市亞歷山大正逐漸崛起，成為世界知識(shí)的中心。構(gòu)成這中心的核心是一座大圖書館，據(jù)說(shuō)其中的40萬(wàn)冊(cè)圖書與卷軸藏有人類的全部智慧。隨著亞歷山大大帝東征，知識(shí)也自亞歷山大城向東方傳播，同時(shí)也向西傳入歐洲。古羅馬文化就是以古希臘的哲學(xué)、科學(xué)和文學(xué)為基礎(chǔ)的。特別是在科學(xué)上，早期的許多偉大學(xué)者都屬于古羅馬時(shí)代。舉兩個(gè)人為例：老普林尼是公元1世紀(jì)的博物學(xué)家兼文學(xué)家，他著有37冊(cè)的論文集《自然史》；普魯塔克是較晚一代的古希臘思想家?？墒沁@些學(xué)者很少有科學(xué)上的創(chuàng)見(jiàn)，他們只是努力澄清和精煉古希臘學(xué)者留傳下來(lái)的學(xué)說(shuō)。

在所有幸存到古羅馬時(shí)期的古希臘科學(xué)中，亞里士多德、柏拉圖、阿基米德、畢達(dá)哥拉斯等學(xué)者的著述算是保存得很完整的，不過(guò)德謨克利特的理念已受到古羅馬哲學(xué)家盧克萊修的重視，它出現(xiàn)在他的一首詩(shī)中。后來(lái)，羅馬帝國(guó)漸趨瓦解，而亞歷山大城的大圖書館在被德奧菲羅斯主教于公元390年左右毀壞（7世紀(jì)時(shí)被阿拉伯人又一次毀壞）之后，亞里士多德的學(xué)說(shuō)就不是很流行了。

究其原因，那個(gè)時(shí)代的人已經(jīng)不再追求純粹的知識(shí)，不再信任任何超越神學(xué)所詮釋的學(xué)問(wèn)了，大部分的人類文明投入了史稱的“黑暗時(shí)代”。在這個(gè)時(shí)期，羅馬帝國(guó)迅速?zèng)]落，教育與學(xué)術(shù)都被宗教狂熱者掌握。這種新運(yùn)動(dòng)的信徒是斯多葛學(xué)派（又譯禁欲主義者），他們認(rèn)為至高無(wú)上的境界，即純潔的精神超越物質(zhì)性存在，因此要排除與物質(zhì)相關(guān)的研究，以終結(jié)物質(zhì)的影響。依照斯多葛學(xué)派的看法，亞里士多德的學(xué)說(shuō)太過(guò)機(jī)械，太過(guò)隱藏于實(shí)體世界之中了，^[5]反而是柏拉圖的冥思與他們有更深的關(guān)聯(lián)，與他們新追求的宗教意義完全搭調(diào)。

柏拉圖所傳授的是關(guān)于現(xiàn)實(shí)的人本主義觀點(diǎn)，他認(rèn)為有一個(gè)掌握全人類利益的最高存在，他創(chuàng)造并謹(jǐn)慎地控制萬(wàn)物。對(duì)柏拉圖而言，行星的運(yùn)行只是為了標(biāo)定時(shí)間，他還把整個(gè)宇宙看成一個(gè)有身軀、有靈魂、有智慧的龐大生命體。他看到自然進(jìn)程中的數(shù)字關(guān)聯(lián)和意義，因而將數(shù)學(xué)放在最重要的位置。可是他厭惡科學(xué)實(shí)驗(yàn)，據(jù)一位歷史學(xué)家說(shuō)：“他婉轉(zhuǎn)地指責(zé)科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)神不敬，而且它是卑下的工匠手藝。”^[6]

歐洲的黑暗時(shí)代沒(méi)有一個(gè)明確的終結(jié)點(diǎn)，某種形式的學(xué)習(xí)一直存在于修道院里。天主教的神父對(duì)神秘主義和宗教的關(guān)系饒有興趣，卻都對(duì)理論和實(shí)用的科學(xué)缺乏熱心。在同一時(shí)期，阿拉伯人在研習(xí)煉金術(shù)、天文學(xué)和數(shù)學(xué)方面都有長(zhǎng)足的進(jìn)步，他們?nèi)匀痪S持著對(duì)純粹科學(xué)的興趣。當(dāng)這些知識(shí)又逐漸滲透回歐洲時(shí)，無(wú)知的帷幕被拉起來(lái)了。可是這個(gè)過(guò)程十分緩慢，耗時(shí)300~400年。

亞里士多德有一部分著述被阿拉伯人保存下來(lái)，他們將其與他們的思想混合之后，傳到了歐洲。這些著作在公元1200—1225年被歐洲學(xué)者重新發(fā)現(xiàn)，翻譯成拉丁文。自此以后，亞里士多德的科學(xué)概念取代了柏拉圖的神秘主義而重獲尊崇，之后又逐漸和基督教的神學(xué)糅合。

當(dāng)科學(xué)與神學(xué)結(jié)合

自從經(jīng)歷黑暗時(shí)代斯多葛學(xué)派的純以心靈為重的主張之后，能有這樣的發(fā)展應(yīng)該值得慶幸。但事實(shí)上，新的困擾又產(chǎn)生了，那就是亞里士多德的自然哲學(xué)與基督教的教條結(jié)合成一體，這意味著若是對(duì)亞里士多德的主張有任何攻擊，即被視為對(duì)基督教的攻擊。這兩種教義結(jié)合起來(lái)成為十分強(qiáng)大的聯(lián)盟，它們創(chuàng)立了一種世界觀，在歐洲的每一所大學(xué)里都以背誦的方式傳授著，自13世紀(jì)到17世紀(jì)，延續(xù)了約500年，且不容許任何質(zhì)疑和挑戰(zhàn)。

這兩種并行的信仰產(chǎn)生了互相涵蓋的宇宙圖景：上帝創(chuàng)造了宇宙，并且如《圣經(jīng)》所言引導(dǎo)了萬(wàn)物的運(yùn)行。所有運(yùn)動(dòng)不但由上帝起始，也由上帝掌控。教義中的全能上帝與亞里士多德教條中的“不動(dòng)的動(dòng)者”完美契合，同樣指的是那雙無(wú)形的手。若非由于他的操縱，宇宙間就不可能有任何運(yùn)動(dòng)。所有物體都是由那“四元素”組合而成的，它們不能被分割成德謨克利特所說(shuō)的原子。按照亞里士多德的主張，每個(gè)物體都是單獨(dú)而完整的個(gè)體，由上帝用四種元素以不同的特殊比例組成；每個(gè)物體各自擁有明顯可辨的性質(zhì)，譬如重量、顏色、氣味和溫度等。這些性質(zhì)都被認(rèn)為是物體的內(nèi)涵，也就是本性，這與它們的外觀形狀或觀察者的感覺(jué)無(wú)關(guān)。

對(duì)13世紀(jì)的人而言，“物體的性質(zhì)，譬如味道、質(zhì)地等，多少因觀察者的感受而定”這樣的觀念是完全陌生的，他們以為物體的每種性質(zhì)都是固有的，任何人觀察所得的感受都相同。進(jìn)一步而言，因?yàn)閬喞锸慷嗟屡懦庠诱?，于是，物體是由小到無(wú)法被分割的元素組合而成的這種概念，對(duì)大多數(shù)人而言更是陌生。由于亞里士多德的主張與宗教緊密結(jié)合，在巨大的宗教勢(shì)力之下，任何哲學(xué)家想要公開(kāi)向已被接受的科學(xué)理論提出挑戰(zhàn)，都會(huì)有生命危險(xiǎn)。

然而，不管限制有多么嚴(yán)格，中世紀(jì)仍然出現(xiàn)了幾位著名的開(kāi)創(chuàng)性思想家，他們促使理性復(fù)蘇，共同努力將歐洲帶進(jìn)文藝復(fù)興時(shí)期，這才有了隨之而來(lái)的創(chuàng)新科學(xué)的蓬勃發(fā)展。

從大阿爾伯特到達(dá)·芬奇

黑暗時(shí)代之后那段時(shí)期的思想家被稱為經(jīng)院哲學(xué)家，其中最著名的代表人物是德國(guó)經(jīng)院哲學(xué)家兼神學(xué)家大阿爾伯特及其弟子意大利神學(xué)家阿奎那，他們?nèi)匀皇芟抻谧匀徽軐W(xué)與神學(xué)的結(jié)合，不得不跟隨亞里士多德的路線而摒棄實(shí)驗(yàn)，然而他們也在純神學(xué)教條限制以外的領(lǐng)域中追求真理，并取得了豐碩的成果。即使他們依然深信人類是神的中心造物，而且整個(gè)宇宙都是上帝為人類設(shè)計(jì)的，他們也進(jìn)一步提出前所未有的主張，指出研究大自然和物質(zhì)世界可以使神學(xué)發(fā)揚(yáng)光大。阿奎那和大阿爾伯特去世之后（接近13世紀(jì)末，亞里士多德的學(xué)說(shuō)重新進(jìn)入歐洲后約75年），終于出現(xiàn)了一位偉大的牛津大學(xué)學(xué)者羅杰·培根，他的學(xué)說(shuō)開(kāi)始滲透經(jīng)院哲學(xué)的框架。

從某方面而言，培根在屬于他的那個(gè)時(shí)代到來(lái)之前提前降臨了，他雖然也認(rèn)同經(jīng)院哲學(xué)的一些傳統(tǒng)信仰，卻是看出實(shí)驗(yàn)之實(shí)用性的第一人。他有三篇極具遠(yuǎn)見(jiàn)的論文：《大著作》《小著作》《第三著作》^[7]，這些文章勾勒出他在多個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的哲學(xué)思想和實(shí)驗(yàn)技巧。他所下的苦功雖使他在后代子孫中建立了崇高的聲望，但那對(duì)他的有生之年毫無(wú)用處。方濟(jì)各會(huì)（羅馬天主教會(huì)內(nèi)的一派）的修道會(huì)長(zhǎng)——阿斯科里的杰羅姆^[8]認(rèn)為培根反權(quán)威、反亞里士多德元素說(shuō)的觀點(diǎn)是異端，遂判培根為異教徒，對(duì)其加以終身監(jiān)禁。

緊隨培根時(shí)代而來(lái)的科學(xué)復(fù)蘇彰顯了哲學(xué)信仰的改變，這種改變中的每一點(diǎn)都和藝術(shù)上的改變同樣重要。例如意大利的達(dá)·芬奇這樣的學(xué)者，他站在實(shí)用的立足點(diǎn)上來(lái)研究科學(xué)，引導(dǎo)了伽利略、開(kāi)普勒、牛頓等人的許多新構(gòu)思?？墒窃谶_(dá)·芬奇的時(shí)代，學(xué)者們從不將他們的發(fā)現(xiàn)整合成任何系統(tǒng)性的著述，所以我們最多只能看到達(dá)·芬奇的一大堆筆記，里面只是寫滿了他研究哲學(xué)的心得而已。我們從中發(fā)現(xiàn)的最有意思的是，他和古希臘學(xué)者完全相反——他是一位徹底的實(shí)驗(yàn)主義者。

達(dá)·芬奇對(duì)亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)持相反的看法。亞里士多德宣稱任何物體都不會(huì)自己運(yùn)動(dòng)，只有“不動(dòng)的動(dòng)者”——上帝，才能使物體運(yùn)動(dòng)。達(dá)·芬奇的意見(jiàn)恰巧相反，他在筆記中寫道：“任何可感知的東西都能夠自己移動(dòng)……每個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)的方向上都有一個(gè)重量。”^[9]換句話說(shuō)，物體天生就具有朝著某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的傾向，除非它被外力阻止。這替大約半個(gè)世紀(jì)之后伽利略首創(chuàng)的慣性概念預(yù)先做了聲明，且終使牛頓將慣性的理念正式定型。

伽利略的思想成就

伽利略生于1564年，那時(shí)，達(dá)·芬奇已去世45年?？茖W(xué)史家認(rèn)為伽利略是牛頓之前在物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)兩方面最偉大的思想家。一般人都同意如下說(shuō)法：伽利略的實(shí)驗(yàn)論證為牛頓鋪路，使其創(chuàng)立了“以數(shù)學(xué)做完整的推演，以實(shí)驗(yàn)做最后的證明”這一套綜合研究方法。

伽利略在這一領(lǐng)域的成就是革命性的，他是用重復(fù)的實(shí)驗(yàn)方法證明亞里士多德的理論錯(cuò)誤的第一人。他最著名的成就大概就是通過(guò)使用天文望遠(yuǎn)鏡，推翻了傳統(tǒng)主張中太陽(yáng)系的組成結(jié)構(gòu)（第四章再詳述）。他在科學(xué)進(jìn)程上同等重要的另一舉動(dòng)，是他為后來(lái)被稱為力學(xué)的研究打下了基礎(chǔ)。

亞里士多德認(rèn)為物體的重量是物體內(nèi)涵的性質(zhì)，物體以不同的速度下墜是因?yàn)樗鼈円獙で笞陨淼淖匀晃恢茫@是它們天生的傾向。1590年，佛蘭德斯數(shù)學(xué)家兼工程師斯臺(tái)文證明，在真空中同時(shí)從同樣的高度釋放輕重不同的物體，它們會(huì)同時(shí)到達(dá)地面。伽利略于次年重復(fù)做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)（雖然或許不是如傳統(tǒng)所說(shuō)的在比薩斜塔上進(jìn)行），他用一枚炮彈和一粒毛瑟槍彈做比較，以證明在不計(jì)空氣阻力的情況下，兩者會(huì)以相同的速度下降。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，伽利略發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更重要的現(xiàn)象，那就是物體下落過(guò)程中的速度與它下落的時(shí)間成正比。但是由于炮彈下落的速度太快，用眼睛無(wú)法測(cè)量，他也就無(wú)法寫出下落的速度與時(shí)間兩者之間的關(guān)系公式。為了找出這種關(guān)系，伽利略決心研究出一種能夠測(cè)量速度的實(shí)驗(yàn)。

他很快就想到，如果不算摩擦力，一個(gè)圓球從斜面的頂上滾下來(lái)所獲得的速度，與它從同樣高的一點(diǎn)自由落下時(shí)所獲得的速度應(yīng)該相同?；谶@個(gè)信念，他設(shè)計(jì)了一系列的實(shí)驗(yàn)：將一個(gè)圓球自幾個(gè)有著不同斜率和不同長(zhǎng)度的斜面滾下，并測(cè)量出圓球滾下來(lái)所用的時(shí)間以及達(dá)到的速度，由此證明了落體的速度確實(shí)隨著時(shí)間的推移而加快。然后他將實(shí)驗(yàn)稍做修改，使球滾下一個(gè)斜面后，立即滾上另一個(gè)斜面。之后，他更進(jìn)一步，讓球滾下斜面之后，繼續(xù)沿一個(gè)水平面滾動(dòng)。他發(fā)現(xiàn)球起先是平穩(wěn)地前進(jìn)，漸漸就因摩擦力的作用而慢了下來(lái)，終于停止不動(dòng)了。

從這些滾動(dòng)和落體實(shí)驗(yàn)中，伽利略至少可以推斷亞里士多德的“不動(dòng)的動(dòng)者”是荒謬的，物體不是不斷地被推或被拉才會(huì)運(yùn)動(dòng)，它具有一種慣性。運(yùn)動(dòng)中的物體除非被阻止，其本性有不斷運(yùn)動(dòng)的傾向。

這是一個(gè)革命性的觀念，可是并不止于此。伽利略在物質(zhì)與能量各方面的許多觀點(diǎn)，更為他贏得了第一位現(xiàn)代物理學(xué)家的榮譽(yù)。他反對(duì)亞里士多德的“四元素”論，贊成德謨克利特的原子觀念。雖然在那個(gè)年代，誰(shuí)也無(wú)法證明他的觀點(diǎn)正確與否，但他至少在重新思考原子理論方面比歐洲的一流思想家早了起碼30年。他還毫不客氣地攻擊亞里士多德一向堅(jiān)持的觀點(diǎn)，后者認(rèn)為物體與我們觀察時(shí)所感覺(jué)到的性質(zhì)是整體不可分的。伽利略說(shuō)：

每當(dāng)我想到一個(gè)物體或生命體的時(shí)候，我就覺(jué)得腦中立即將它的形象和特征都展現(xiàn)出來(lái)了。它和別的東西比較，是大還是??；它在什么地方出現(xiàn)；生長(zhǎng)在哪一季節(jié)；它是在運(yùn)動(dòng)還是保持靜止；它和別的物體是相連的還是不相連的；它是單獨(dú)存在的還是成群相聚的，或僅是幾個(gè)在一起的?？傊?，在想象中，這些條件和物體是分不開(kāi)的。但是，至于該物體是紅是白，是苦是甜，是會(huì)叫的還是無(wú)聲的，氣味是芬芳的還是難聞的等，我覺(jué)得這些性質(zhì)并沒(méi)有成為在心中要認(rèn)知物體非有不可的條件。如果我沒(méi)有感官的話，僅由想象或說(shuō)明是不可能獲知那些性質(zhì)的。所以，我認(rèn)為那些味道、氣味、顏色等依隨物體而存在的性質(zhì)只不過(guò)是名稱而已，它們完全由具備感官的動(dòng)物感受，動(dòng)物走開(kāi)之后，這些特色也都消失或者不被知曉了。