公元前334年，希臘馬其頓王國年僅22歲的國王亞歷山大率領著一支由久經沙場的公民戰士組建的軍隊穿過達達尼爾海峽，開始了征服龐大的波斯帝國的漫長征程。巧合的是，在我寫這本書時，我有一個22歲的兒子，他的名字——阿列克謝——與「亞歷山大」有著同樣的希臘詞根。人們都說現在的小孩成長速度比任何時候都快，但有一件事情我是不敢想像的：我的阿列克謝帶領著一群久經沙場的希臘公民戰士在美索不達米亞對抗波斯帝國。關於這位年輕的美索不達米亞國王如何取得了勝利有不少歷史傳說，它們絕大多數都是酒後的胡言亂語。然而他確實取得了勝利，他漫長的征服之旅把他的足跡留在了開伯爾山口以及更遠的地方。在他33歲去世那年，他在短短的一生中已經取得了足夠多的成就，自此他就被人們稱為亞歷山大大帝。
在亞歷山大入侵的時候，近東地區遍佈著像烏魯克這樣的城市，它們已經存在了上千年。讓我再說得明白一點兒：如果美國存在的歷史有烏魯克那麼久，我們到現在應該有600位總統了。
沿著這些亞歷山大曾經征服過的古城的街道漫步一定會引發驚歎，你會發現自己漫遊於宏大的宮殿、由專門水渠灌溉的廣闊的花園以及宏偉的石頭建築之中。這些石頭建築由頂部雕刻著獅鷲和公牛的柱子裝飾。這裡曾有著充滿生機的複雜社會，根本沒有衰退的跡象。然而他們的文化卻在智力上被征服他們的講希臘語的世界超越了，並被它年輕的領袖設為典範——這個人受過亞里士多德的言傳身教。
亞歷山大征服美索不達米亞以後，那種認為希臘的東西要更好的想法迅速傳遍了整個近東地區。1兒童永遠都是文化變遷的先鋒軍，他們學習希臘語言，背誦希臘詩歌，練習希臘摔跤。希臘藝術在波斯越來越流行。巴比倫牧師波路西斯、腓尼基人桑楚尼亞松以及猶太人弗萊維厄斯·約瑟夫斯都曾寫過本民族的史書，目的在於展示他們和希臘觀念的兼容性。甚至收稅也希臘化了——人們開始使用相對較新的希臘字母表來做記錄，信息被記錄在紙莎草紙上，而不是用楔形文字記在泥簡上。但亞歷山大所帶來的希臘文化最偉大之處和藝術或者管理無關，而是他直接從亞里士多德那裡學來的東西：一種全新的、理性的認識世界的方法，這在人類思想史上是一個華麗的轉折點。亞里士多德的思想是建立在之前許多代科學家和哲學家的勞動成果之上的，正是這些人挑戰了關於宇宙的陳舊觀念。
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在古希臘初期，希臘人對自然的認知和美索不達米亞人並非完全不同。遇到惡劣的天氣，人們會解釋說這是因為宙斯消化不良，如果農民收成不好，人們會認為這是因為天神發怒了。在當時或許不會出現地球是患花粉熱的神打噴嚏時噴出的黏液形成的這種創世神話，或許也會有，因為在文字發明1 000年之後，記錄人類詞彙的載體講述了大量世界是如何形成的以及是什麼力量統治世界的故事。但它們都有一個共同點，描繪動盪不安的宇宙，這個宇宙由一位來自某種無形空間的神秘莫測的天神創造。「chaos」（混沌）這個詞來自希臘語對虛無的表述，據說這就是宇宙成形之前的狀態。
如果說在宇宙成形之前一切都處於混沌狀態，那在世界形成之後，希臘神話裡的諸神似乎也沒有投入多少精力給它帶去秩序。閃電、風暴、乾旱、洪水、地震、火山爆發、蟲災、意外、疾病——所有這些以及其他許多反常的自然災害使人類付出了健康和生命的代價。這些天神自私、不忠、善變，他們不斷地因為憤怒或者疏忽大意給人類帶來災禍，他們就像是瓷器店裡的公牛，而我們就是那些易碎的瓷器。這是希臘人一代又一代口口相傳的原始宇宙理論，直到公元前700年左右才由荷馬和赫西奧德用文字記錄下來，此時寫作傳入希臘文化已經有一個多世紀了。從那時起，這些理論就成為希臘教育的主要課程，形成了幾代思想家被人們廣泛接受的智慧。2
我們生活在現代社會，作為悠久的科學思想史的受益人，很難理解在古人眼裡自然世界怎麼會是這個樣子。自然結構和秩序的概念對於我們來說顯而易見，就像他們認為是神在控制著萬事萬物一樣。今天，我們的日常活動以圖表形式被量化，分配了一定的小時和分鐘來完成某事。我們以經緯度來劃分地球表面，我們用街道名和門牌號來標識我們的住址。今天，如果股票市場下跌了3%，專家將會給我們做出分析，比如這次下跌是出於對通貨膨脹的擔憂。另一位專家會說這主要是因為中國的發展，這倒是實情，還有1/3的人會將其歸罪於太陽黑子的異常活動。無論正確與否，我們的分析都是基於起因和影響之上的。
我們需要世界的因果關係和秩序，因為這種概念在我們的文化和意識中根深蒂固，然而與我們不同的是，古人缺乏數學和科學的傳統，以及現代科學概念框架——精確的數值推算的觀念，重複實驗將會產生相同結果的概念，以時間作為參照來跟進未展開的事項——這些對他們來說難以掌握或接受。在古人看來，自然世界似乎是由混亂統治的，對於他們來說，有序的物理定律之怪異就跟他們狂野善變的神的故事在我們的眼中是一樣的（或者，有可能和1 000年之後的歷史學家研究我們今天的寶貴理論時的感覺一樣）。
為什麼應該以人的智慧能發現的概念來預測和解釋自然呢？阿爾伯特·愛因斯坦在發現時空會被扭曲成一塊鹹味餅乾的形狀時也不會感到驚訝，但他卻因自然世界擁有秩序這個相當簡單的事實萬分吃驚。他寫道：「人應該對一個混亂的世界有所預期，這個世界無法以任何形式被人的大腦所理解。」3但是他又繼續寫道，與他的預期恰恰相反，「關於宇宙最不可理解的事情竟然是它可以被理解」。4
牲畜理解不了把它們束縛在地球上的力量，烏鴉也對使它們飛翔的空氣動力學一無所知。愛因斯坦表達了一個重要和獨特的人類觀察：秩序統治世界，掌管自然秩序的法則沒有必要通過神話故事來解釋。它們是可知的，人類擁有這個地球上其他生物所不具備的破譯自然的藍圖的獨特能力。這是一堂意義深遠的課程，如果說我們可以破解宇宙的設計，我們就可以使用這種知識來理解我們在其中所處的位置，我們就可以試圖操縱自然去創造使我們生活得更好的產品和技術。
理性地探究自然的新方法來自公元前6世紀生活在大希臘愛琴海岸的一群革命性的思想家。這片廣闊的海灣分裂出了今日的希臘和土耳其。在亞里士多德之前的數百年間，與釋迦牟尼和孔子將新的哲學傳統帶給印度和中國同一時期，這批最早的希臘哲學家里程碑式地轉變了他們認識宇宙的概念，它不再是毫無規律可言，而是存在某種秩序，而非混沌狀態。我們很難低估這一轉變產生的深遠影響，或者它自此塑造人類意識的程度。
這些激進的思想家成長於神奇的葡萄架下、無花果園中、橄欖樹下以及繁華的世界性大都市。5這些城市坐落在河流入海口和海水後退形成的海灣，以及通向內陸地區的道路的盡頭。據希羅多德的說法，這裡是「全世界空氣和氣候最好的」天堂。這個地方叫愛奧尼亞。
古希臘人在今天的希臘大陸和意大利南部建造了許多城邦，但它們只不過是一些省份而已——古希臘文明的中心在土耳其的愛奧尼亞，位於哥貝克力石陣和恰塔霍裕克以西數百英里。古希臘啟蒙運動的先鋒出現在米利都城，這座城市位於一個海灣的海岸邊，拉特摩斯海灣，這一地理位置賦予它去愛琴海甚至地中海的便利條件。6
按照希羅多德的說法，在公元前1世紀到來之前，米利都城是一個中等規模的聚居地，主要生活著加勒比人，他們是米諾斯人的後裔。在公元前1000年左右，來自雅典和其周邊城市的士兵佔據了這一地區。到公元前600年，新米利都城在某種程度上變成了古代的紐約，吸引著整個希臘尋求更好生活的貧窮但勤奮的人民。
經過幾個世紀的發展，米利都城的人口數量增長到10萬，它變成了財富與奢華的中心，在愛奧尼亞的城市中，甚至在整個希臘世界它都是最富有的城市。米利都城的漁民在愛琴海捕撈鱸魚、紅鰹魚和蚌類。農民在這片富饒的土地上種植玉米和無花果——這是古希臘人知道的唯一可以長久保存的果實——同時，果園出產橄欖，既供食用，也用來搾油，製作古希臘版的黃油、肥皂和燃油。更重要的是，出海的便利使米利都城成為一個重要的貿易中心。像亞麻、木材、鐵器和銀器這樣的商品從數十個米利都居民建立的殖民地被帶到了這裡，最遠甚至來自埃及，而米利都城的能工巧匠製作的陶器、傢俱和上乘的羊毛織物則遠銷海外。
但米利都並不僅僅只是一個物資交換的十字路口，它也是人們分享思想的地方。在這座城市，數十種不同文化背景的人相遇、交流，並且米利都人四處闖蕩，出現在了許多語言不同、文化各異的地方。所以，當它的居民為了鹹魚的價格討價還價時，傳統與傳統相遇，迷信與迷信碰撞，這給新思維方式的產生和文化創新的出現提供了空間——特別是，人類最最重要的質疑傳統智慧的意願。更為重要的是，米利都城的財富給了人們閒暇時間，有了閒暇人們就能夠投入到對有關存在的問題的思索當中了。因此，在如此眾多的有利條件下，米利都城變成了一個複雜的、世界性的天堂，一個學術的中心，一場思想革命風暴所需的全部因素就此形成。
正是在這種環境中，米利都城以及後來愛奧尼亞更廣大地區出現了一群思想家，他們開始質疑已經流傳千年的對於自然的宗教和神話解釋。他們就是那個時代的哥白尼和伽利略，哲學和科學的創立先驅。
據亞里士多德所言，第一個這樣的學者名叫泰勒斯，生於公元前624年左右。據稱許多古希臘的哲學家都生活在貧困之中。確實如此，假如古代能有今天這樣的條件，哪怕是最著名的哲學家也會找一份更好的工作，比如在馬路邊賣橄欖，從而過上更優越的生活了。儘管哲學家生活貧困是一個慣例，但泰勒斯卻是一個例外，他是一個精明的富裕商人，有著大把的時間去思索和推敲。有這麼一個例子，據說他依靠囤積市場上的橄欖搾油機然後再以高昂的價格銷售橄欖油而發了一筆大財，他簡直就是一個人的「石油輸出國組織」。據說他還積極參與到他所在城市的政治生活當中，並且同獨裁者色拉西布洛斯私交甚好。
泰勒斯憑借自己的財富四處遊歷。在埃及，他發現埃及人儘管具有修建金字塔的專長，但卻沒有測量金字塔高度的見識。然而，正如我們知道的一樣，他們發明了一套全新的計算法則去測算耕地的面積，並據此收稅。泰勒斯通過改進埃及人的這些幾何技術來計算金字塔的高度——他也向埃及人展示了如何使用這些方法測算船在大海中的航行距離。這讓他在古埃及成為一位名人。
當泰勒斯回到希臘時，也帶回了埃及人的數學知識，並將其翻譯成了自己的語言。但在泰勒斯的手裡，幾何不僅僅是一件測量和計算的工具，它變成了一套依照邏輯運算的理論體系。他是第一個求證幾何真理的人，而不只是簡單地陳述看起來有用的事實結論，偉大的幾何學家歐幾里得後來將泰勒斯的部分理論納入了他的《幾何原本》中。7儘管泰勒斯的數學洞察力讓人印象深刻，但真正使他出名的是他用來解釋物理世界現象的方式方法。
在泰勒斯看來，自然並不是神話故事裡的東西；它依照科學定律運行，這些定律可以用來解釋和預測原本被認為受到天神干預才產生的自然現象。據說他是第一個明白日食發生原因的人，也是第一個提出月亮發光其實是反射的太陽光的希臘人。
即使在錯得離譜的時候，泰勒斯也以他思想和觀念的原創性為人稱道。我們來看一下他對地震的解釋吧。在泰勒斯生活的時代，人們認為發生地震的原因是海神波塞冬發怒，用他的三叉戟敲擊地面所致。但泰勒斯所持的觀點在他們看來一定是非常荒謬的：發生地震和天神沒有任何關係。他的解釋和我從任何一個加利福尼亞理工學院地震學家朋友那裡聽到的都不一樣——他認為世界是一塊漂浮在無邊水域上的半球，當水湧動時地震就發生了。就其意義而言，泰勒斯的分析無疑是開創性的，因為他試圖將發生地震的原因歸結為自然運行的結果，並且還使用經驗和邏輯論據來支持他的觀點，但最重要的或許是他將關注的重點放到了地震為什麼會發生這個問題上。
在1903年，詩人雷納·馬利亞·裡爾克給一個學生提出建議。「要耐心對待你心中的未解之事，試著去喜歡問題，」他寫道，「去實踐問題。」8這一建議不僅對詩歌有效，對科學也同樣有效。科學研究中（在生意場上也常常如此）最重要的技能就是提出正確問題的能力——泰勒斯實際上創造了提出科學問題的概念。在他目力所及的範圍，包括天空，他都能發現亟須解釋的現象，他的直覺引導著他對這些現象進行思索，直至最終自然的基本運行方式為人所知。他提出的問題不只涉及地震，也涉及地球的體積和形狀、節令日期、地球和太陽以及月亮之間的關係——正是這些同樣的問題在2 000年之後引導著艾薩克·牛頓完成了地心引力和運動定律的偉大發現。
為了讚頌泰勒斯與過去進行了怎樣徹底的決裂，亞里士多德將泰勒斯和後來的愛奧尼亞思想家稱為第一批physikoi，或者物理學家——我對自己屬於這樣一個群體而感到自豪，亞里士多德也會覺得自己屬於這個群體。這一表述來自希臘語physis，意思是「自然」，亞里士多德選擇這個詞去描述那些為各種現象尋找自然解釋的人，與此相反的是theologoi，或者「神學家」，這些人尋求超自然的解釋方法。
然而，亞里士多德卻並不欣賞另一個激進的群體：那些使用數學去塑造自然的人。這一創新要歸功於泰勒斯之後那一代中的一位思想家，他和生活在愛琴海薩摩斯島的泰勒斯相距並不遙遠。
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我們當中有部分人的工作就是試圖弄明白宇宙是如何運行的，另外一些人沒有精通代數運算。在泰勒斯的時代，前一群體的成員也屬於後一群體，因為正像我們看到的那樣，我們所知的代數——以及數學領域其他的分支——彼時尚未被發明。
對於今天的科學家來說，在不使用方程式的條件下去理解自然的困難程度，就跟你想去理解自己伴侶的感受時對方只說一句「我還好」一樣。因為數學是科學的語言——它是理論概念交流的方式。我們科學家或許不太擅長使用語言來表達個人思想，但我們卻對利用方程式表述理論得心應手。數學語言幫助科學更深入地發掘理論的意義，這要比普通語言更具洞察力和精確性，因為它是一種具有內在推理和邏輯規則，並且含義不斷擴展的語言，這讓它有時候會以一種意想不到的方式展現在人們眼前，迴盪在人們心中。
詩人使用語言描繪他們觀察到的事物，而物理學家使用數學。詩人寫完詩後他的工作就算完成了，而物理學家寫完一首數學「詩」後，他的工作才剛剛開始。通過使用數學規則和理論，物理學家將詩變成了一堂具有啟發性的自然新課程，甚至連它的原作者都料想不到。因為數學公式不僅蘊含概念，還會為那些有足夠技巧和耐性去提煉它們的人提供這些概念的推理。這就是數學語言取得的成就：它增強了物理定律的表達效果，闡明了它們之間的關係，引導著人們推理求證的過程。
然而在公元前6世紀初期，沒有人知道這一點。人類還沒有形成數學能夠幫助我們理解自然運行方式的概念。正是畢達哥拉斯（約公元前570—前490）——古希臘數學的奠基人，「哲學」表述的創造者，全世界中學生的噩夢（他們不得不停止發短信，花費大量時間學習a2+b2 = c2的意義）——首先幫助我們把數學作為表達科學概念的語言來使用的。
在古代，畢達哥拉斯這個名字不僅和天才掛鉤，而且還含有魔法和宗教意味。9如果他單純只是一個物理學家而沒有做教皇的話，他很有可能會被視為愛因斯坦一類的人物。通過後來許多作家的作品我們對畢達哥拉斯的生活有了很多瞭解，也有不少關於他的傳記。但到耶穌出現後的最初幾個世紀裡，關於他的傳說變得沒有可信度，並受到某種宗教和政治動機的玷污，許多作家受到這些動機的影響，歪曲了他的觀點並且放大了他在歷史上的地位。
有一件事情倒是事實，畢達哥拉斯在米利都城海灣對面的薩摩斯島長大。並且，他所有的傳記作者都認為他在18到20歲之間拜訪了泰勒斯。泰勒斯那個時候應該很老了，將不久於人世。泰勒斯知道自己年輕時的聰明才智早已退化，據說他還為自己萎靡的精神狀態向畢達哥拉斯道歉。不知泰勒斯教授了他什麼課程，畢達哥拉斯離開的時候受到了觸動。許多年後，人們還會偶爾看到他坐在家裡，為他的先師唱著讚歌。
和泰勒斯一樣，畢達哥拉斯也遊歷了很多地方，或許去過埃及、巴比倫和腓尼基。在他40歲的時候，他感到在這個小島的暴君波利克拉特斯的統治下生活難以忍受，便離開薩摩斯島去了科朗頓，科朗頓位於今天意大利的南部。在那裡，他吸引了大批的追隨者。據說也是在那裡他發現了物質世界的數學規律。
沒有人知道人類最初是如何發明語言的，儘管有時候我會想像某個穴居人碰斷了腳指頭，痛得不由自主地脫口而出，啊！這時有人會想，這種表達感情的方式真是太新奇了，於是不久大家都開口講話了。數學作為科學的語言，它的起源也有著某種神秘色彩，但要真是那樣的話我們至少也有一個描繪它的傳奇故事了。
根據傳說，某天畢達哥拉斯走過一家鐵匠鋪，聽到鐵匠在打鐵時鐵錘發出的聲音，他留意到不同的鐵錘在擊打鐵塊時所發出的音調有一個模式。畢達哥拉斯跑進鐵匠鋪裡拿起鐵錘做實驗，最後發現音調的差別不是由敲打鐵塊的人用了多少力氣決定的，也不是由鐵錘的具體形狀決定的，而是由鐵錘的大小，或者說，它們的重量決定的。
畢達哥拉斯回到家裡繼續他的實驗，不再用鐵錘，而是用不同長度和鬆緊度的繩子。就像許多希臘的年輕人一樣，他學過音樂，特別是笛子和里拉琴。在當時希臘的樂器只是猜測、經驗和直覺的產品。據說畢達哥拉斯在實驗中發現了控制絃樂器音色的數學定律，使用這種定律可以確定樂器弦的長度和它們產生的音調之間的精確關係。
今天我們會用聲音的頻率和弦的長度成反比這樣的話來描述畢達哥拉斯發現的這種關係。舉個例子，假設一根弦在撥動時會產生一定的音符。按住這根弦的中部它會發出一個更高的音——這時的頻率是原來的兩倍。按在這根弦的1/4處它的音調又會上升一個高度，是原來頻率的4倍。
畢達哥拉斯是否發現了這種關係？沒有人知道關於畢達哥拉斯的傳說在多大程度上是真實可信的。比如，他很有可能並沒有證明那個讓中學生痛苦不堪的「畢達哥拉斯理論」（勾股定理）——人們相信它是由畢達哥拉斯的一名追隨者首先證明的，但這個公式已經存在好幾個世紀了。姑且不論這些，畢達哥拉斯真正的貢獻不在於他得出了什麼具體的定律，而是在於他推廣了宇宙是依照數字關係構建的這個概念，他的影響力不是因為他發現了自然世界的數字聯繫，而是來自他對其的頌揚。正如古典學者卡爾·霍夫曼所言，畢達哥拉斯之所以重要「是因為他賦予了數字榮譽，是他把數字帶離實用的貿易領域，是他指明了數字和事物之間性質的相似性」。10
泰勒斯說自然世界遵循某種秩序法則，畢達哥拉斯由此更進一步，他斷言自然世界遵循數學法則。他宣稱數學法則是宇宙的基本事實。畢達哥拉斯學派相信數字才是事實的本質。
畢達哥拉斯的觀點對後期的希臘思想家們產生了巨大的影響——最明顯的就是柏拉圖——也包括整個歐洲的科學家和哲學家。但在那些相信宇宙可以通過理性分析被認知的古希臘推理大師和偉大的學者們之中，到目前為止對於未來科學發展影響力最大的人不是發明了理性分析的泰勒斯，也不是把數學帶入理性分析的畢達哥拉斯，甚至也不是柏拉圖，而是柏拉圖的學生，這個學生後來成為亞歷山大大帝的導師：亞里士多德。
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亞里士多德（公元前384—前322）出生在希臘東北部小鎮斯塔吉拉，他的父親是亞歷山大的祖父國王阿閔塔斯的私人醫師。亞里士多德很小的時候就成了孤兒，在17歲那年被送往雅典的柏拉圖學院學習。自柏拉圖之後，「學院」這個詞開始有了學習之地的意思，但在當時，「學院」只不過是雅典郊外一個樹木蔥蘢的公共花園的名字而已，柏拉圖和他的學生喜歡在這裡集會。亞里士多德在這裡待了20年。
公元前347年柏拉圖去世時，亞里士多德離開了學院，幾年之後他成為亞歷山大的導師。國王菲利普二世選擇他作為兒子導師的原因我們不得而知，因為亞里士多德在當時還沒有什麼名氣。然而對於他來說，成為馬其頓王國儲君的導師一定是一個好主意。他得到了豐厚的報酬，當亞歷山大征服波斯和世界其他地區的時候，他也獲得了其他的利益。但在亞歷山大即位之後，當時即將50歲的亞里士多德回到了雅典，在那裡他花費了13年的時間創作出了讓他名垂青史的大部分作品。他再沒有和亞歷山大見面。
亞里士多德講授的科學極有可能和他從柏拉圖那裡學到的不一樣。亞里士多德在學院裡是優等生，但他對柏拉圖強調數學學習的要求一直感覺不自在。他自己更傾向於細緻的自然觀察，而非抽像的定律——這和柏拉圖式的科學以及我們今天從事的科學都不一樣。
高中的時候我最愛上的課是化學和物理。看到我對化學和物理那麼癡迷，我父親有時候會讓我解釋這些科學給他聽。他出生在一個貧窮的猶太家庭，只能負擔得起他上一所當地的宗教學校，他接受的教育關注更多的是安息日理論，而非科學理論，因為他只上到七年級，看來我有一大堆工作要做呢。
我們的探索開始於我告訴他物理主要研究一件事情：變化。父親認真想了一會兒然後咕噥了一聲。「你知道什麼變化，」他對我說，「你還太小，你從來沒有經歷過什麼變化。」我抗議說我當然經歷過變化，但他用一種古老的意第緒語表達方式回應我，這種話聽起來要麼深沉要麼白癡，主要看你對意第緒語的忍耐程度。「有變化，」他說道，「確實有『變化』。」
亞里士多德和柏拉圖（左）
來自拉斐爾的壁畫作品
是的，在物理學中，只有變！化！實際上，可能有人會說牛頓對於創造今天我們所知的物理學的主要貢獻是他提出了一套完整的數學方法，這種方法可以用來描述所有的變化，不管它的性質如何。亞里士多德的物理學——起源於牛頓之前2 000年的雅典——在理解世界時主要依靠直覺，而非數學方法，我認為這種方法或許對我父親而言更容易理解一些。於是，抱著找到什麼東西可以讓我更輕鬆地給他解釋事情的希望，我開始閱讀亞里士多德關於變化的概念。經過一番努力，我瞭解到儘管亞里士多德講的是希臘語，也從來沒有說過一句意第緒語，他所深信不疑的是這個：「有變化，確實有『變化』。」
在我父親的版本中，第二個「變化」聽起來很不吉利，他的意思是這個詞表達了納粹侵略波蘭之後他所經歷的那種慘痛的變化。普通變化和自然變化之間的差異，還有它和暴力變化之間的差異，都同屬於亞里士多德所說的差異：他相信人們觀察到的所有自然轉變都可以被歸類為自然的或者暴力的。
在亞里士多德關於世界的理論中，自然變化產生於物體自身。11換句話說，自然變化的誘因是物體固有的性質或者構成。比如，我們稱為運動的這種變化——位置的變化。亞里士多德相信萬物都是由四種基本物質以不同的組合形式構成的——土、氣、火和水——每一種都有內在的運動傾向。岩石掉到地上，雨水落入大海，在亞里士多德看來，這是因為大地和大海是那些物質天然的棲息之地。把一塊石頭拋向天空需要外在的干預，而當它降落時，它遵循著自己內在的傾向完成了「自然」運動。
在現代物理學中，我們並不需要解釋為何一個物體會保持靜止狀態，或者當它受到某一方向持續作用力的時候會保持勻加速運動狀態。同樣，在亞里士多德的物理學中，並不需要解釋為何物體會完成自然運動——為何由土和水構成的東西會掉下來，或者為何氣和火會上升。這種分析是對我們所看到的世界的反映——水泡從水裡升出，火焰看起來升到空氣裡，大型物體從天空降落，海洋棲身於陸地，大氣則在一切之上。
對於亞里士多德而言，運動只不過是許多自然過程中的一種，就像生長、腐爛和發酵一樣，都遵循相同的法則。他將所有形態的自然變化——木頭燃燒、人體衰老、鳥兒飛翔、橡子墜落——視為內在潛能的實現。在亞里士多德的信仰體系裡，自然變化推動著我們的日常生活。這是一種不會使人感到訝異的變化，我們對此習以為常。
但有的時候事情發展的自然過程會被打斷，運動或者變化是外部事物強加的。比如石頭被拋向天空，葡萄籐被連根拔起，雞被宰殺當作食物，或者你丟了工作，或者法西斯佔領了某塊大陸。這些都屬於亞里士多德所說的「暴力」變化。
根據亞里士多德的論述，暴力變化是指物體的變化或者移動的方向違背了其本性。亞里士多德試圖理解這種變化的誘因，並為其選擇了一個術語：作用力。
和關於自然變化的概念一樣，亞里士多德關於暴力變化的學說與我們在自然世界中觀察到的現象高度吻合——比如固體物質會自己墜落，但要想讓它沿著任意方向運動，比如向上或者向側面，就需要用到「作用力」，或者「力量」。
亞里士多德對變化的分析值得稱道，因為儘管他看到的周圍的現象和他同時代的其他偉大思想家所看到的一樣，但和他們不同的是，他挽起袖子，對變化展開了一種前所未有的、百科全書式的細緻觀察——包括發生在人們生活和自然世界裡的變化。為了找到不同種類的變化之間的相同點，他研究事故的原因、政治的動力、公牛負重時的運動、小雞胚胎的生長、火山的爆發、尼羅河三角洲的變化、行星的運動、水的蒸發、多胃動物消化食物、物體融化和燃燒的方式。他解剖各種各樣的動物，有時甚至遠遠超過了它們應該被賣掉的日期，但如果有人因為異味抗議的話，他只是報以嘲諷。
亞里士多德將他創造的一個系統性的表述變化的嘗試稱為「物理學」——由此他將自己和泰勒斯留下的思想遺產聯繫在了一起。他的物理學範圍很廣，囊括了生命和非生命物質，以及宇宙和地球上所發生的各種現象。時至今日，他所研究的變化的不同類別構成了整個科學分支的研究主題：物理學、天文學、氣候學、生物學、胚胎學、社會學，等等。實際上，亞里士多德還是一個高產的作家——一個貨真價實的維基百科式的人物。他的貢獻包括一個沒有強迫症的人所能完成的一些最為龐雜的研究。眾所周知，他發表了——根據古代文獻資料記載—170篇學術作品，其中有1/3保存至今，比如《氣象學》《宇宙哲學》《倫理學》《政治學》《修辭學》《詩學》《天堂論》《論生成與毀滅》《論靈魂》《論記憶》《論睡眠》《論夢》《論青年、老年及死亡》《動物誌》，等等。
當他曾經的學生亞歷山大去征服亞洲的時候，亞里士多德回到了雅典，並創辦了一所名為萊森（Lyceum）的學校。在那裡，他一邊行走在公共步行道上或者漫步於花園裡，一邊給他的學生教授這些年來他學到東西。[1]儘管他是一名優秀的老師，一位才華橫溢且高產的自然觀察者，但亞里士多德研究知識的方式與我們研究在今天被稱為科學的知識的方式大相逕庭。
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按照哲學家伯特蘭·羅素的說法，亞里士多德是「第一個像教授一樣寫作的人……一位職業教師，而不是一個受到啟示的先知」。12羅素把亞里士多德稱為「被常識稀釋過的」柏拉圖。亞里士多德確實非常看重常識這一特質。我們大多數人都是如此。常識會制止我們回復那些來自尼日利亞騙子的電子郵件，在郵件中那些傢伙許諾說只要我們今天給他們匯去1 000美元，他們保證明天返給我們1 000億美元。然而，現在我們再回過頭看亞里士多德的觀點，基於我們現在所瞭解到的東西，有人會爭辯說我們正是在亞里士多德對於傳統觀念的投入中發現了他研究科學的方式和今天我們研究科學的方式之間一個最大的不同——這也是亞里士多德的物理學中最大的缺陷之一。因為儘管常識不可輕視，但有時候我們還是需要一些「非常識」的東西。
為了在科學研究中取得進展，你經常會藐視歷史學家丹尼爾·布爾斯廷所說的「常識暴政」。13比如，常識就是你用力推一個物體它就會滑動，然後逐漸慢下來直到停止不動。但為了找出運動的根本定律，你必須像牛頓那樣透過表面現象去想像在一個理論上沒有阻力的世界裡物體會如何運動。同樣，為了弄明白摩擦的原理，你必須越過物質世界的外牆去「看」物體是怎樣由不可見的原子構成的，原子的概念由留基伯和德謨克里特斯提出，早出亞里士多德一個世紀，但亞里士多德並沒有接受。
亞里士多德也對普遍意見，以及他那個時代的慣例和觀念表現出極大的服從。他寫道：「所有人都相信的就是真的。」14對於懷疑者，他說道：「摧毀了這個信仰的人將很難找到一個更可靠的信仰。」有一個例子生動地展現了亞里士多德對傳統智慧的依賴——以及它如何扭曲了亞里士多德的遠見卓識——他有點彆扭地辯解說奴隸制度（他和大部分雅典市民都接受）是物質世界固有的性質。他使用一種讓人能聯想到他的物理著作的奇怪論證方法宣稱「所有的事物，無論是整體還是由不同部分構成，統治元素和被統治元素之間的差異眾所周知。這種二元性存在於生物當中，但不限於生物；它來源於宇宙的構成」。15亞里士多德聲稱正是由於這種二元性，人才會被劃分成自由人，以及本質就是奴隸的人。
今天的科學家和創新者常常被描繪成古怪和不按常理出牌的人。我想這種刻板印象是有一定道理的。我認識的一個物理教授每天會在咖啡館配料桌上提供的免費贈品中選擇他的晚餐。蛋黃醬提供脂肪，番茄醬當作蔬菜，鹹味餅乾是他的碳水化合物。另一位朋友喜歡冷盤但卻討厭麵包，在餐館裡可以心安理得地只點一堆意大利臘腸當作晚餐，他還拿著刀叉，好像那就是一塊牛排。
對於科學家或者任何謀求創新的人來說，傳統思想可不是一個好態度，不遵循傳統思想有時候還會影響別人看待你的方式。但正如我們一直看到的那樣，科學是成見和權威的天敵，即便對科學機構權威自身也是如此。要想取得革命性的突破，必須具備公然對抗人人都相信的事實的意願，並能用可信的新觀念替代舊觀念。實際上，如果說在科學發展史和普遍的人類思想中存在著一個阻礙進步的障礙，那就是對於過去——以及現在的——觀念的愚忠。所以如果我要為某個創新職位招人的話，我要當心那些具備太多常識的人，但我會特別看重附加欄裡填寫的古怪特質，並保證配料桌上的東西源源不斷。
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亞里士多德的研究方法和後來人們研究科學的方法之間另一個重要衝突是他的方法是定性的，而非量化的。今天的物理學，即使在簡單的高中課本裡，也是一門量化的科學。哪怕只上過最初級的物理課，學生也知道一輛汽車每小時行駛了60千米，它的速度就是每分鐘1千米。他們也知道如果你扔一個蘋果，它將會以9.8m/s2的加速度降落。他們也會進行數字運算，比如計算出當你猛然坐在椅子上時，椅子施加在你脊柱上的力是多少——僅僅一瞬間——超過了1 000磅（453.60千克）。亞里士多德的物理學不是這樣的。恰恰相反，他大聲抱怨那些試圖把哲學變成「數學」的哲學家。16
在亞里士多德的時代，任何試圖將自然哲學轉變成量化追求的努力都會毫無意外地遭遇古希臘知識界的阻力。亞里士多德沒有秒錶，或者帶秒針的鐘錶，他也沒有接觸過依照精確週期思考事物的觀念。並且，處理數據所需的代數和算術知識也並不比泰勒斯時代的更先進。正如我們看到的那樣，那時加號、減號和等號還沒有被發明，人們也沒有形成數字體系或者像「每小時幾千米」這樣的概念。但13世紀以及後來的學者利用儀器和並沒有多先進的數學知識在量化物理學中取得了進展，所以這些並不是有關公式、測量和數字估算的科學的唯一障礙。更重要的事實是，和其他人一樣，亞里士多德只是單純地對量化表述沒有興趣而已。
即使在研究運動時，亞里士多德的分析也只和性質有關。比如，對於速度他只有一個模糊的理解——像是「在相同時間內某些東西要比其他的走得更遠」。對於我們來說，這聽起來有點兒像是在吃幸運餅乾時在裡面發現的字條，但在亞里士多德的時代，人們認為這種表述已經足夠精確了。由於對速度只有性質上的概念，所以人們對於加速度的概念也是極為模糊的，加速度是物體運動時速度和方向的改變——我們早在高中就開始學習了。在差異如此巨大的情況下，如果有人使用時間機器回到過去給亞里士多德一本牛頓物理學課本，在他眼中這本書和微波爐意麵食譜相差無幾。他非但理解不了牛頓所說的「作用力」或「加速度」的概念——他甚至不關心這些東西。
在亞里士多德進行細緻觀察的時候，真正讓他感興趣的是運動以及其他類型的變化看起來總會朝著某個終點發展。比如，在他的理解中運動是無法被測算的，是一種目的可被識別的現象：馬拉車是為了讓車在路上運動；山羊走動是為了覓食；老鼠逃跑是避免被吃掉；雄兔和雌兔交配是為了生出更多的兔子。
亞里士多德相信宇宙是一個巨大的和諧運行的生態系統。他到處都能發現目的。下雨是因為植物生長需要水分。植物生長是為了給動物提供食物。葡萄種子長成了葡萄籐，雞蛋孵化出了小雞，這都是將原本就存在於這些種子和雞蛋裡的潛能變成現實的過程。自古以來，人們總是按照自己的經驗去理解世界。所以，在古希臘，人們以事物的目的來分析物質世界，而不是用畢達哥拉斯和他的追隨者發明的數學理論去解釋世界就非常自然了。
在這裡，我們又一次見識到了在科學領域你選擇提出的問題的重要性。即使亞里士多德接受了畢達哥拉斯關於自然遵循量化定律的概念，他也會抓不住重點，因為他只是單純地對這些定律中的量化細節缺乏興趣而已，更吸引他的是關於物體為什麼會遵循這些定律的問題。是什麼讓樂器上的琴弦或者墜落的石塊按照數字規律運動？這才是讓亞里士多德產生興趣的問題，也是在這裡我們看到了亞里士多德的哲學思想和現代科學研究展開方式之間的最大分歧——亞里士多德以「目的」來解釋自然世界，今天的科學研究卻不會。
亞里士多德分析問題——尋找目的——的特點對於後來人們的思想產生了巨大的影響。這讓各個時期的許多基督教哲學家對他推崇備至，但也在近2 000年的時間裡阻礙了科學的進步，因為它和今天指導我們調查研究的強大的科學定律完全不能兼容。當兩個撞球碰撞時，是由牛頓首先提出的物理定律——而非什麼宏大的根本目的——決定接下來會發生什麼。
科學最早產生於人類試圖瞭解世界並從中發現意義的基本慾望，所以時至今日，曾經啟發過亞里士多德的對於目的的渴望仍然可以引發許多人的共鳴就不會讓人感到驚訝了。「事出有因」這種觀念或許能給那些尋求理解自然災難或其他悲劇的人以慰藉。在這些人看來，科學家堅持認為宇宙並沒有受到某種目的的支配，讓這些科學定理看上去冷酷和沒有靈魂。
然而我們還有另外一種看待世界的方式，因為我父親的緣故我對它很熟悉。當出現關於目的的問題時，我父親不會提到曾經發生在他身上的事情，但他會經常提起我母親經歷過的一件特別的事情，那時我母親才17歲，他們還不認識。納粹佔領了她的城市，其中一個人不知出於什麼原因命令十來個猶太人——我母親也在其中——在大雪中跪成整齊的一排。這個人從一頭走到另一頭，每走幾步就會停下來拿槍射穿一個俘虜的腦袋。如果這是上帝或者自然的宏偉計劃的一部分，我父親不想和這個上帝有任何關係。無論我們的生命有多悲慘或多成功，都和恆星爆炸一樣是同一種冷漠定律的結果，無論是好是壞，生命都是一件禮物，一個從統治我們世界的那些枯燥無味的公式中誕生的奇跡，對於像我父親這樣的人，只要想到這些，他們就能夠得到安慰。
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儘管在牛頓之前亞里士多德的觀點一直統治著關於自然世界的思想，但隨著時間的推移，有大量的觀察者開始對他的理論產生懷疑。例如，考慮一下這種情況，沒有完成自然運動的物體只有在施加一個作用力後才會移動。亞里士多德自己意識到這個問題涉及在初始推動力之後，是什麼推動弓箭、標槍，或者任何其他投射物繼續前進。他的解釋是因為自然「厭惡」真空，在初始推動力之後空氣中的微小顆粒跟在這些投射物的後面，繼續推動它們運動。但即使是亞里士多德本人對於自己的理論也不是太熱心。到了14世紀這種解釋的漏洞越發明顯，火炮的發明與傳播使這種空氣微粒跟在沉重的炮彈後面推動它前進的觀念十分荒謬。
同樣重要的是，發射這些炮彈的士兵並不關心是空氣微粒還是微小的、無形的仙女推動炮彈前進。他們想要知道的是炮彈會沿著怎樣的彈道運動，特別是這些彈道會不會讓炮彈落在敵人頭頂上。這些分歧展現了橫亙在亞里士多德和後來自稱為科學家的人之間真正的鴻溝：像拋射物的運動軌跡這樣的問題——它在不同瞬間的速度和位置——不在亞里士多德考慮範圍內。但如果有人想利用物理定律做預測的話，這些問題就變得至關重要了。所以，最終取代了亞里士多德的物理學，並讓計算炮彈的彈道軌跡成為可能的自然科學主要研究的是世界運行過程中的量化細節——可測量的作用力、速度以及加速度——它們都不是世界運行過程的目的或者哲學原因。
亞里士多德也清楚自己的物理學並不完美。他寫道：「我的物理學只是第一步，因而也是很小的一步，儘管它花費了我很多的思考和辛苦勞動。人們必須以第一步的眼光看待它，並以寬容的態度去評價它。你，我的讀者或者我講座的聽眾，如果你認為作為一個開局我已經做到了我所能做到的一切……將會認可我的成就，也會原諒我將餘下的工作留待他人去完成。」17通過這句話，亞里士多德表達了一種他和後來的絕大多數物理天才共有的情感。我們認為他們，牛頓們和愛因斯坦們，對於他們的知識是無所不知的，自信的，甚至傲慢的。但正如我們看到的那樣，他們和亞里士多德一樣對於很多事情深感困惑，他們也和亞里士多德一樣明白這一點。
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亞里士多德於公元前322年逝世，享年62歲，死於胃病。一年前，在他曾經的學生亞歷山大死後，支持馬其頓人的政府被推翻，亞里士多德從雅典逃走。儘管亞里士多德在柏拉圖學院待了20年，他總感覺自己在雅典像是一個局外人。關於那個城市，他寫道：「同樣的事情雅典市民可以做而陌生人做就不恰當，留下來很難。」18然而隨著亞歷山大的離世，去留的問題變得至關重要，因為當時有一股危險的反擊指向任何與馬其頓有關聯的人，亞里士多德很清楚因政治原因而被處決的蘇格拉底樹立了用一杯毒堇汁回應任何哲學辯論的先例。亞里士多德從來都是一位深刻的思想家，他產生了逃跑的念頭，而不是冒險當一名烈士。他為自己的決定找到了一個高尚的理由——避免雅典人再一次犯下「對抗哲學」的罪孽——但這個決定，就和他探究日常生活的方法一樣，是非常實用的。19
在亞里士多德死後，他的思想被萊森學院一代代的學生以及寫關於他作品的評論文章的人傳承下來。在中世紀初期，他的理論和其他學習活動一起消失了，但在中世紀鼎盛時代的阿拉伯學者中間又一次變得重要起來，隨後又從他們這裡傳給了西方學者。他的思想經過部分修正最終成為羅馬天主教會的官方哲學。所以，在接下來的19個世紀裡，研究自然世界就意味著研究亞里士多德。
我們已經目睹了人類如何進化出能夠提問的大腦以及提問的天性，以及工具——書寫、數學以及律法的概念——並使用它來回答那些問題。和希臘人一起，通過學習使用推理去分析宇宙，我們到達了一個輝煌的科學新世界的彼岸。但這僅僅是一個更偉大的探險之旅的開端。
[1] 上完課後，學生會被抹上油按摩。我常常在想，如果上課時給我的學生提供這麼一個選項，那將很容易增加我在他們當中受歡迎的程度，但不幸的是，這很有可能會在學校管理層那裡產生完全相反的效果。