物理知识系列讲座（二）——从自然哲学到现代物理学①古代物理学思想

物理知识系列讲座（二）——从自然哲学到现代物理学

序 言

古希腊人把对自然现象的观察和理解笼统地包含在一门学问中即自然哲学，它是自然科学的总结。直至牛顿时代，物理学与哲学仍然属同一学科。牛顿把当时的物理学叫做自然哲学，他所著的关于物理学的名著就称为《自然哲学的数学原理》。自然科学分化为物理学、化学、天文学、地理学、生物学、力学等（数学仅是一种工具）只是近三百年多年的事。从17世纪牛顿力学的建立到19世纪电磁学基本理论的形成，物理学逐步发展成为具有完整体系的独立的学科。什么是物理学？物理学就是研究物质结构、运动和相互作用的基本规律以及它们的各种实际应用的学科。与其他学科相比，它更着重于对物质世界最普遍最基本的规律的追求，因而物理学是其他自然科学的基础，是工程技术的源泉。物理学作为自然科学的带头学科，历来是人类物质文明发展的动力。作为人类追求真理、探索未知世界奥秘的工具，物理学是一种哲学观和方法论，物理学中充满着活的哲学思想。同其他任何知识领域一样，物理学也是人类社会实践的产物，它是随着人类社会实践的发展而产生、形成和发展的。物理学的发展经历了古代物理学时期（16世纪以前）、经典物理学时期（16世纪—19世纪）和近现代物理学时期（20世纪以来），其研究内容、方法和观念都在不断发生深刻的变化。本系列讲座将简要地介绍物理学的发展历程。

讲座1——古代物理学思想

人类的出现是自然界演化和发展的产物。人类社会的不断进步也是人类不断认识自然、征服自然、改造自然的过程。严格意义上的科学形成于近代，但究其发展渊源要追溯到古代。

一 、中国古代物理学思想

作为四大文明古国之一的中国最早发明指南针、火药、造纸和印刷术，在农业、手工业、天文、航海、军事、桥梁和数学等方面曾居于世界前列，对古代物理学的贡献也最为显赫，为世界文明史写下了光辉的篇章。从远古到青铜时代直至奴隶社会，人类发明了石器、取火、陶器、各种工具和简单机械，乐器、兵器，建筑、纺织、舟车等手工业不断发展，从而促进了物理学知识的积累。春秋战国，“百家争鸣”，各种技术发展迅速，有关力学、声学、光学、电学、磁学知识不断丰富。从秦汉、隋唐到宋元时期，在物理学理论研究不断深入的同时，也进行了实验研究，如地磁偏现象、光学的系统研究等，这一时期中国物理学达到了很高水平。但在明代以后，由于在长期的封建统治和科举制度下，中国的物理学以及科学技术相对于西方发展缓慢，同时也渐渐融入了世界物理学潮流。以下简要介绍中国古代物理学的一些思想。

1.关于物质本原的认识

从远古时代开始，人们就在探索自然现象各种变化的原因及宇宙生成问题。在中国古代，关于对物质本原的研究主要有“阴阳学说”、“五行思想”、“原子观点”、“元气说”诸理论。

（1）阴阳学说在《易经》的注解书《易传》中，作者指出：“易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦”，这就是对天地万物的解释。“太极”指宇宙本原（物质的原始状态），“两仪”就是阴阳，“四象”是春夏秋冬四时，“八卦”即天、地、山、泽、水、火、风、雷，把自然现象归纳成为八种基本现象。老子（约公元前600 - 公元前500）在《老子》中说：“万物负阴而抱阳”。按上述阴阳学说，世间万物的千变万化、生生不息都归结于阴阳之间的彼此消长、对立统一、相互作用和相互转化。

（2）五行思想“五行”指“金木水火土”五种基本物质或元素。史伯（西周末）提出“和实生物，同则不继”，认为世间万物皆由这五种元素构成。后来，人们系统地研究了五种元素之间具有相生和相克的基本关系即：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金和土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。这种关系能说明一些自然现象，但却被赋予了某些神秘色彩，从而对古代物理学的发展产生了消极影响。

（3）原子观点关于物质结构，《墨经》中讲到“端”的“非半”性质与希腊的“原子说”是世界上关于“原子论”的最早起源。《墨经》记述，“端，体之无厚而最前者也”。其解释是，端“是无间也”。意思是说，端的尺寸非常小（“无厚”），内部无间隙，不能再分割，是构成物质的最小颗粒。《庄子·天下》指出：“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，认为物质可无限分割。这些都是中国古代朴素的物质结构论点。

（4）元气理论“元气说”是中国古代物质结构理论研究的一个重要成果。它源于“阴阳学说”，经汉、唐、宋发展到明末清初，许多古代学术大家都进行了研究，王船山（1619-1692）进行了全面总结并将其推向了最高峰，形成了系统的理论。东汉时的王充（27-约97）在《论衡》中说：“元气未分，浑沌为一；万物之生，皆禀元气”。北宋时的张载（1020-1077）则指出：“一物两体，气也”，“一物两体，其太极之谓与？”。“元气说”的主要观点可以概括为：天地是包含元气的实体，万物由物质性的元气构成，是气的不同凝聚状态。万物从混沌中产生和发展，是元气运动所致。有形的物体不可灭，无形的元气也不可灭，元气的运动也不可灭。“元气说”充分论证了客观世界的物质性、物质的不灭性和运动的永恒性。

2.关于时间、空间和运动的认识

魏国的尸佼（公元前390-330）最先给宇宙以定义：“上下四方曰宇，往古今来曰宙”，此处宇即空间，宙即时间。《庄子》关于宇宙的定义是：“有实而无乎处者，宇也；有长而无本剽者，宙也。”意思是，宇是实在的且无所不在，宙有长短但无始终，说明了时空的无限属性。《管子》认为，天地包裹万物，天地又包裹在宙合之内，说明了时间与空间的联系。关于运动与静止，墨家给出了定义：“动，域徙也”“止，以久也”，意思是运动意味物体空间位置（域）的改变（徙），静止意味物体处于空间某一位置有一段时间（久）。至于时空与运动的关系，墨家写道：“宇域徙 ，说在长宇久”，即“宇徙而又处宇，宇南北，在旦又在暮”。也就是说，物体在空间移动，是空间随着时间的由近及远的变化，物体离开原空间而占据另一空间，好比物体从南到北，经历的时间从早到晚。这样，时间与空间的联系便统一于物体的运动中了。

《吕氏春秋》中描述的“刻舟求剑”的故事，说的是一个人坐在行船上，手中的剑掉到水中。他在船上掉剑的位置刻上记号，以便到水中捞剑。作者实际上是笑话掉剑人以行船为参照系去找剑是独劳的，应该以河岸为参照系确定剑在水中的位置才能找到剑。晋代束皙（262-301）说：“乘船以涉水，水去船不徙矣”“仰游云以观，日月常动而云不移”。汉代《春秋伟·元命苞》中写道：“天左旋，地右动”。这些都是古人对运动相对性的描述。《春秋伟·考灵曜》中记述：“地恒动不止，而人不知，比如人在大舟中，闭而坐，舟行而人不觉也”，可以认为是相对性原理的思想。

3.关于力的认识

墨经中写道：“力，刑之所以奋也”“重之谓下，举重，奋也”。如果把“刑”即“形”理解为物体，“奋”理解为“运动状态的改变”，这与牛顿定律似乎不谋而合。古人已明白重力是向下的，人用身体克服向下的重力，举起重物就是“奋”。

南宋吴曾在《能改斋漫录》中记述着这样一个故事：燕昭王养的一头肥猪太大，最大的秤也不能称出猪的重量，便命“水官”用船去称重，才称出猪的重量。东汉末年“曹冲称象”的故事也与此相似。墨家曾写道：“沉形之衡也，则沉浅非形浅也，若易五之一”。可以这样理解，浮体放入水中平衡时，浮体下沉一定深度，浮体的重量与水对物体下沉部分的浮力相等，好比五件物品与一件物品的等价交换。可见古人对浮力已有较深刻的认识。至于弹力，我国古人早就有所认识并加以利用了，如弓箭、弹弓、管乐器中的簧片等，而且在许多书籍中也记载了外力与形变的正比关系。

在古代，利用杠杆原理制成的各种机械、工具、衡器在农业和商业活动中普遍使用。张衡（78-139）在天文、数学、物理和机械制造等方面均有许多杰出贡献。他发明的侯风地动仪，就用到了惯性和杠杆原理等力学知识。地动仪中的“都柱”重心高，对地震敏感，地震波传来则因惯性倒向震源方向并触其相应的曲杠杆。由于杠杆作用，该方向龙嘴张开滑出铜球落入蟾蜍嘴里，便可判断出地震方向。

4.关于光的认识

中国古代在光的直线传播、光的反射和折射、光的色散、小孔成像实验有许多研究。

我国春秋战国时期，墨子（公元前479年～前381年）及其弟子在《墨经》中就已记载着光的直线传播（影的形成和小孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面）上的反射现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位置及大小与所用镜面的曲率相联系。《墨经》记录的有关光学知识是世界上最早的。《墨经》记述的小孔成像实验如图1-1-1，物体通过小孔成的像是倒立的。光照在物体（人）上，从物体上发出的投射到屏上的一切光线均相交于针孔处，物体下部发出的光线像箭一样射到高处，上部发出的光线射到低处。《墨经》记载着凹面镜的成像有两种：缩小的倒立像和放大的正立像（但没有记载第三种像即物体处于球心与焦点之间能形成放大的倒立像）。还发现凸面镜所成的像只有一种即位于镜面另侧的缩小的正立像。对平面镜成像，墨家认识到物与像离镜面等距、点点对应。

图1-1-1 小孔成像

我国宋代的沈括（1031-1095）在《梦溪笔谈》中记载了极为丰富的几何光学知识，他不仅总结了前人的研究成果，而且对凹面镜和凸面镜的成像规律、测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等方面均有创造性的阐述。南宋末的赵友钦对小孔成像进行了全面而系统的实验（改变光源、改变物距、改变像距、改变孔的形状大小），得出了一些有意义的结论如大孔成像（明亮部分）和大孔形状相同，小孔成像和光源形状相同。

沈括

古人很早就注意到彩虹这种大气光象。唐代的孔颖达（574-648）指出：“云薄漏日，日照雨滴则虹生”。著名道士张志和（约730-810）首次进行了日光色散实验即“背日喷乎水成霓虹之状”。沈括说“虹乃雨中日影也，日照雨则有之”。朱熹认为虹是“日色散射雨气”。中唐道士张果还用白石英制作了三棱镜，记录了世界上第一幅色散光谱图并且画出了光图，也许注意到了光的折射现象。

5.关于电和磁的认识

我国古代关于电现象的研究内容较丰富。“电”字最早见于西周时期的青铜器上的铭文中，实际上是对雷电现象的记录。雷电和摩擦起电是古人对电现象研究的主要内容。东汉王充在《论衡》中记述：“顿牟缀芥，磁石引针……”（顿牟即琥珀），即是说摩擦过的琥珀可以吸引轻小物体如芥籽、磁铁可以吸引铁针。他还用“元气”理论来解释静电和静磁现象，认为芥籽和琥珀、铁针和磁石具有相同的“气性”，因而互相感动而吸引（“气有潜通”）。雷电是一种常见的自然现象，响为雷，闪为电。雷电的破坏作用及发生时的情景在古书中有许多记载。雷电是如何产生的？历代学者用“元气说”作了许多解释。先秦的慎到（前395-前315）首先提出：“阳与阴夹持，则磨轧有光而为电”（磨轧即摩擦）。《淮南子·坠形训》中指出：“阴阳相薄为雷，激扬为电”，即是说阴阳二气彼此撞击产生雷，而相互渗透产生电。王充认为，雷电是因为阴阳二气之争、产生爆炸而形成的。朱熹认为雷电是“阴阳之气，闭结之极，忽然迸散出”，一种阴阳作用的突变过程。明代刘伯温概括了历代学者的观点：“雷者，天气之郁而激发也，阴气团于阳，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。对于建筑物的防雷措施，古代工匠也有一些办法，例如把瓦做成鱼尾状，放在屋顶可防雷击。在《汉书》中还有“矛端生火”的记载，当云层（带电）经过时，矛端产生微弱亮光（放电）。

对磁现象的认识可以追溯到冶铁业创建之初，因为天然磁体实际上是一种铁矿石。《吕氏春秋》记载：“慈石召铁，或引之也”“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子”，明确地描述了磁石的吸铁性如同慈母吸引着自己的孩子。《淮南子》还记述了磁石吸引物质只限于铁，写道：“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”“及其于铜则不通”。战国《韩非子》记载有司南勺（天然磁石做成的指向工具，像勺子，长柄指向南方）。为了改进司南的指向精度，后人创制了一些新的指南仪器如指南鱼、指南龟、指南针。沈括对指南针形制的改进有重大贡献。在研究磁针时，他还发现了地磁偏现象。12世纪，中国的指南针传入阿拉伯和欧洲，为世界文明的发展发挥了重要作用。

6.关于声的认识

中国古人对声学的研究有许多发现和创造，尤其在乐律研究方面有许多重要成果。另外对声音的产生与传播、共振与共鸣等现象也做了许多理论和实验研究。

对声音的产生，宋应星认为，声“不能自为生”，须“两气相轧而成声”，例如“冲之有声焉，飞矢是也；振之有声焉，弹弦是也；辟之有声焉，裂缯是也；合之有声焉，鼓掌是也”，也就是说，声音的产生源于物体的振动或急速运动冲击空气。关于声音的传播，王充将之比做鱼在振动时引起水波的传播，认为人发声可使气产生振动，气对于声源振动而产生的波动像水波一样。他在《论衡》中说：“鱼长一尺，动于水中，振旁侧之水……”。宋应星也说：“物之冲气也，如其激水然。气与水，同一易动之物”，显然是把声音的传播类比水面波动现象。古人还以乐器做实验，对共振与共鸣进行了大量的研究（此处不再叙述）。建筑声学效应是中国古代对声音的反射、传播研究的重要成果，北京天坛的回音壁和山西永济的莺莺塔是声学在建筑上应用的杰作。

二、 西方古代物理学思想

1.关于物质本原

古希腊哲学家们对宇宙本原、万物组成、大地构造等问题，进行了许多思考和辩论，提出了各种观点。其中主要有“元素论”和“原子论”等理论。

（1）元素论泰勒斯（Thales,前620—前550）最早创立关于理性学科和哲学的学派—米利都学派（米利都—地中海东岸一个城市）。他对地中海沿岸陆地的起源进行了思考，认为大地漂浮在水面上，千差万别的万物应有同一本原，这个本原就是水。万物源于水又复归于水，任何东西都会产生和消灭，惟独水长存。泰勒斯的学生阿那克西曼德（Anaximander,前611-前547）认为，世界本原不是水，而是无任何规定性的“无限者”。阿那克西曼德的学生阿那克西米尼（Anaximanas前585-前528）认为大地像是“漂浮在空气中的一片宽大的树叶”，万物本原应是“气”。赫拉克立特（Heraclitus前540-前475）把物质本原归于“火”，他指出：“这个世界对于一切存在物都一样，它不是神也不是人所创造的；它过去、现在、将来永远是一团永恒的活火，在一定的分寸上燃烧，在一定的分寸上熄灭”“一切转为火，火又转为一切”。世界没有开端，没有终结，处于永恒的运动变化之中。恩培多克勒（Empedocles约前493-前433）认为，万物的本原不是单一的，应由四种“元素”组成即“土、水、气、火”，其中土、水、气代表物质的固态、液态和气态，火则代表颜色和温度。元素自身是不变的，它们的不同组合构成了丰富多彩的物质世界。亚里士多德(Aristotel,约前384-前322)对前人的研究做了总结，认为四种元素是世界万物的本原。但他认为，冷、热、湿和干是更基本的性质，四元素是这四种性质两两组合而成的物质本原，湿与冷组合成水，湿与热组合成气，干与冷组合成土，干与热组合成火。这样，四种元素不再是不变的，而是可以相互转变的，如加热水时，水中的冷为热所代替，水就变成气了。他还认为，在构成地时，土居于宇宙的中心，水与气分布其上，火在最上，月层以上的天体由第五种元素—以太构成。

亚里士多德是古希腊最有影响的学者，17岁就读于柏拉图学园并在此学习工作20年之久。他在公元前335年回到雅典，建立了一个庞大的理论体系。他系统地研究了逻辑学、政治学、伦理学、文学、天文学、物理学、生物学，著作上千卷。其中《物理学》（physics一词起源于此）一书，叙述了当时人们对有关物体运动、空间和时间的认识。注意这里的物理学不是现代意义上的物理学，其原意是“自然论”或“自然哲学”的意思。

亚里士多德

（2）原子论古希腊毕达哥拉斯（Pythagoras,约前560-前480）创建了一个学术团体—毕达哥拉斯学派。该学派对数学的研究有很大成就，同时也对物质本原做了探索。他们认为，数是世界万物的本原，数支配着世界，事物是数的和谐表现。有了一个个的数目，才有几何上的点，有了点才有线、面、体，有了体才有火、水、气、土这些元素，进而构成万物。古希腊城邦爱利亚有一个学派—爱利亚学派在探讨物质本原的研究中，继承了毕达哥拉斯学派的思想，但把“数”以纯“存在”取而代之。德谟克利特（Democritus,约前460-前361）将毕达哥拉斯学派的思想和爱利亚学派的思想结合起来，建立了“原子论”观点。他把数学几何“点”与“存在”相结合，认为这种“存在”是“不可分的、不变的、球形的”，而且“存在”物太小非人的视力可及。他把这个“存在”取名为“原子”，意思是“不可分割”。这些小小原子可以形成某种几何结构，其排列组合便形成世界万物。原子论的大致要点是：（1）宇宙万物都由原子构成，原子是不可分割、不可破灭的极小而结实的物质单元；（2）宇宙中除了原子和虚空，不存在其它任何东西；（3）原子从恒古以来就存在，既不能创造，也不能消灭；（4）原子在数量上是无限的，在形式上是多样的，它们在一个无限的虚空中永远处于涡旋运动之中，因此形成各种复合物。由于组成物体的原子在数量、形状、次序、位置不同，故物体彼此各异；（5）原子在虚空中只有通过直接接触—压迫、撞击等，它们才能相互作用，超距作用不可能。伊毕鸠鲁（Epicurus,前341-前270）又发展了这一学说，认为原子不仅有形状上的差别，还有大小和重量的不同（按现在的说法，是原子量和原子体积的不同）。“原子论”观点对19世纪末20世纪初正式确定的近代原子论有直接和深刻的影响。

德谟克利特

2.关于运动和力

亚里士多德将物体的运动分为自然运动和强迫运动。自然运动指重物垂直下落和轻物体竖子直上升的运动。自然运动的物体要寻找其天然位置，这与物质所含元素有关。例如，含土元素的重物的天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，气和水的轻重是相对的。因而，重物下坠，烟雾升空，石头在水中下降，气泡在水中上升，这些都是自然运动。物体越重，下落越快，物体越轻，下落越慢，物体下落的快慢即速度与重量成正比。强迫运动指借助推力才能进行的运动。不推，物体就会处于静止状态。物体运动的速度与施加的外力成正比，与在介质中受到的阻力成反比。那为什么在推动者的作用结束后物体还会继续运动呢（如射出的弓箭、抛出的石头）？他这样解释，物体离开推动者向前冲将排开部分介质而在它的后面造成虚空，周围介质便填补这个虚空，这些介质又对物体形成推力，使得物体继续运动。那么物体的运动是如何终止的呢？这是由于介质的推力逐渐减至为零，或者是重力超过了这个力，或者是由于反作用。对物体下落越来越快的解释是，落体越接近天然位置，向天然位置运动的倾向就越强，或者物体下落时，它上面的空气柱重量增大，加强了强迫降落，下面的空气柱缩短，减少了对落体的阻力。显然，亚里士多德对物体运动的解释是错误的。

阿基米德（Archimedes,约前287-前212）是古希腊一位杰出的科学家，他在几何学、物理学和工程领域的贡献都很大。他测定皇冠的含金量，发现浮力定律，一直被传为美谈。阿基米德在他的《论平面的平衡》和《论浮体》中详细论证了杠杆原理和浮力定律。他还发明了许多简单机械如滑轮组、螺旋提水器等。他曾经声称：“给我一个稳定的支点，我就能把地球挪动”。

阿基米德

阿拉伯学者阿勒-哈齐尼（Al-Khazini,12世纪人）发展了“比重”概念。他利用阿基米德原理，通过实验测定了许多物质如金、银、铜、铁、铅、水银、象牙、酒等比重。还发现，空气也有重量，阿基米德原理在空气中同样适用；大气密度随高度的变化而变化，离地越近，空气密度越大；在不同的高度，称出物体的重量不同。进而提出了一个重要的物理思想：物质的量与它的重量并不是一回事。另外他还以路程与时间之比来表示速度。

12世纪，欧洲建立了牛津大学、巴黎大学、波伦亚大学，后来又建立了一些大学和学院，这些大学的建立对中世纪晚期的学术发展有重大作用。

在中世纪后期，许多欧洲人也开始研究亚里士多德的著作和理论。通过研究，一些学者对亚里士多德关于维持运动的力、力的作用、落体运动等论断表示出怀疑，并提出了一些有意义的观点。巴黎大学校长布里丹（John Buridan,1295-1358）提出了“冲力”概念，冲力的强度用物体的速度和重量来量度，这与牛顿的动量已十分接近。布里丹的研究还涉及到惯性思想，将惯性看成是一种“内力”，这是后来牛顿也坚持的观点。

在14世纪早期，牛津大学有一批学者开始对运动学问题进行探讨。他们定义了匀速运动（任何相等时间间隔内通过的距离相等）和匀加速运动（在所有相等的任意长度时间间隔内获得相等的速度增量），并且还尝试定义瞬时速度。另外还提出了平均速度定理，从而把匀加速运动转变成匀速运动进行计算。

3.关于光学

古希腊人十分重视光学的研究。希腊数学家欧基里德（Euclid,约前330-275）首先将几何知识引入光学研究并将光学看成几何学的一个分支（现称为几何光学）。他所著的《反射光学》一书中，研究了平面镜和球面镜成像问题，提出了反射角等于入射角的反射定律，还知道凹面镜的聚焦作用并假定焦点在球心与球面之间。他肯定了光是直线传播的，由此而研究投影现象，指出光源大小和物体大小不同，会产生不同的投影。此外，还给出了眼睛视线的定义：“从眼球发出的光线以直线传播，视线之间有彼此离开的现象”“视线包围的图样是以眼球为顶点、以被看外围大小为底的圆锥体”。

关于折射现象，苏格拉底（Socrates,约前470-前399）和亚里士多德都有记述。天文学家托勒密（Ptolemy,100-170）系统地研究了光的折射，最先测定了光通过两种介质界面时的入射角和折射角。并且发现：当入射角很小时，折射角正比于入射角；入射角很大时，两者呈非线性关系。

天文学家阿里斯塔克（Aristachus,约前310-前230）最先利用当时的光学知识进行天文数据的测量。例如，他测得日地间距离为月地间距离的20倍（实际上为400倍）、月亮直径约为地球直径的1/2（实际为1/4）、太阳直径约为地球直径的10倍（实际为100倍）。而且还提出了一个大胆的假设—日心说，即地球绕太阳旋转。尽管限于当时的知识使得测量计算的结果不好，但其物理思想是值得参考的。出生在北非的埃拉托色尼（Eratosthenes,前270-前196）利用光学技术测量计算出地球周长约39000千米，与现在的数据（40000千米）相差无几。

阿拉伯学者阿勒-哈增（Al-Hazen,965-1038）写过一部《光学全书》，讨论了许多光学现象。他在托勒密的基础上进行了一系列研究。他反对托勒密关于眼睛发出光线才能看到物体的学说，认为光线是太阳或发光体发出并照射到物体上，眼睛接收到这些光线才看到物体。他对反射定律作了进一步的研究，指出入射线、反射线、法线都在同一平面。他研究过球面镜、抛物面镜、圆柱面镜，首先发明了凸透镜并进行实验研究，所得结果与近代凸透镜理论接近。

英国的罗杰．培根（Roger Becon,1214-1294）是13世纪杰出的科学人物。他深入钻研古希腊和阿拉伯的学术著作，竭力主张通过科学实验来认识真理。他按照阿勒-哈增的书做过光学实验，并发明了暗室。他描述了光的反射定律和折射现象，研究了球面镜的像差。用光的折射解释了虹的成因，提出了用透镜校正视力和用透镜组构成望远镜的可能性。阿玛提（Armati,公元1299年）发明了眼镜。波特（G.B.D.Porta,1535-1615）研究成了暗箱并在《自然的魔法》一文中讨论了复合面镜及凸透镜和凸透镜的组合。

到15世纪末，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜、暗箱和幻灯等光学元件已相继问世。

4.关于其它物理学知识

希腊人对电和磁了解不多。据说泰勒斯知道琥珀被摩擦后能吸引轻小物体，天然磁石可吸铁。卢克莱修用原子论对磁石吸铁进行解释，认为磁体发射出细微粒子流，撞击、驱散磁石和铁之间的空气，形成了真空，铁原子力求进入真空，因而表现出吸引。其它物体如金和木具有特殊结构，故不能被吸引。约在1269年，皮埃尔．德．马里古特(Pierre de Maricourt)写了一本描述磁力的书。他认识到，磁针断为两截，每一截又变成磁针异性磁极相吸、同性磁极相斥；铁与磁石摩擦可以磁化。认为磁针指向北极星而不是指向地球的北极。

关于热现象，亚里士多德把热看成是物质元素的基本性质。原子论者认为热是物质流引起的，把火看作是由最轻、最滑、最活泼的粒子组成的。培根通过实验，发现了火药的成分。他还研究过蒸汽的作用并预言可造出蒸汽动力的航船、不用马拉的自动行进的车。

关于声，亚里士多德把声音看作一种运动，认为发声的物体碰撞空气使之在各方向发生拉伸和压缩运动，从而发生传播，当碰到障碍时就象小球被反射一样产生回声。卢克莱修把声音视为物质流，声音的多样性取决于声粒子本身。罗马建筑师提出了建筑声学问题如声音的交混回响、回声与共鸣等。认为声音与水波不同，可以向四面八方传播。

总而言之，从古代到15世纪，中国和西方关于对自然界物理现象的认识，既缺乏系统的科学实验，也未形成完备的科学理论体系，基本上处于对自然的有限观察和零星的记载阶段。一些物理现象的理论解释也受到局限，许多甚至是错误的，物理学在技术上的应用水平也是很低的，物理学仍属于哲学的范畴。尽管如此，古代物理学思想和一些思维方式对后来物理学新体系的建立和发展的影响仍然是非常重要的。