必然性和宇宙演化论、科学思想
留基伯留存的唯一完整的一句话是：“没有任何事情是随便发生的，每一件事都有理由，并且是遵循必然性的。” (51) 但没有留存他的阐释。而可知的是德谟克利特在古希腊哲学史上第一次从哲学上阐述了“必然性”（anankes，necessity），并用以论述宇宙演化与自然现象，使它成为原子论哲学体系的一个重要的哲学范畴。在他之前，巴门尼德在诗中有几处用了anankes，指命运女神之一；恩培多克勒在《净化篇》中讲到灵魂的轮回转世有“必然性”，只是一个神秘的宗教思想的概念。摆脱了神学意义，从哲学上对“必然性”首先进行探讨的是德谟克利特。
德谟克利特所说的必然性，是指事物的产生都有一定的因果关系。第欧根尼·拉尔修阐释了他的见解：“一切事物都是根据必然性发生的，漩涡运动是产生一切事物的原因，他称之为必然性。”认识这种自然的作用，可“使灵魂继续处于安静和强有力的状态，不受恐惧、迷信以及其他情绪的困扰”。这正鲜明地表现了他对自然的科学理性态度。他有一句名言：“宁愿找到一个因果的说明，而不愿获得波斯的王位。” (52) 这又表现了他蔑视富贵、献身科学的崇高品德。他说的必然性首要地是宇宙演化的法则，也指事物现象的原因，排除了任何目的论意义。所以，亚里士多德论评道：“德谟克利特无视目的因［终极因］，将自然界的一切作用归结为必然性。” (53) 他写过一系列自然科学著作，都题为关于某种现象的“原因”，亦即探究其必然的因果关系，如《天体现象的原因》（Heavenly Causes）、《大地表面的原因》（Causes Affecting Eearth Surfaces）、《声音的原因》（Causes Affecting Voices）、《种子、植物和果实的原因》（Causes Affecting Seeds， Plants and Fruits）、《动物的原因》（Causes of Animals），等等。 (54) 这表明他旨在探究自然现象的必然性，已大为深化了科学思想。
德谟克利特终究是首次提出必然性就是因果关系，还不能分清必然的原因和偶然的原因，没有理解必然和偶然的对立统一，将一切现象都归诸必然，因而有机械的宿命论色彩。亚里士多德在《物理学》中讨论到“偶然性”（chance）和“自发性”（spontaneity）算不算原因时，批评德谟克利特的学派“竟怀疑它们［偶然性和自发性］是否实在。他们说没有什么事情是偶然发生的，我们说的偶然或自动发生的事情，都是有一定原因的” (55) 。比如有人到市场上去，偶然遇到了某个正要去找的人，遇到这个人是偶然的，在他们看来也有其必然原因，那就是他肯定会到市场上去买东西的。德谟克利特自己举例说：某些看来是偶然的事件，像种橄榄时挖地发现了宝藏，秃鹰从高空猛扑乌龟而碰破了脑袋等，都有必然的原因。 (56) 像这样否定自然事件中有偶然性，表明他对因果必然联系的理解是机械的，有片面性。但是，他排除任何神学意义的目的论，启发人们去认识物质世界本身固有的客观原因和科学规律，又富有科学精神。罗素论评道：“原子论者乃是严格的决定论者，他们相信万物都是依照自然规律而发生的”，“原子论者要比批评他们的人更科学得多”。“原子论者问的是机械论的问题而且做出了机械论的答案。可是他们的后人，直到文艺复兴时代为止，都是对于目的论的问题更感兴趣，于是就把科学引进了死胡同”。 (57)
德谟克利特对宇宙总体提出原子漩涡运动的必然性，阐述了世界生成和宇宙演化的总貌。艾修斯记载说：“［关于必然性］德谟克利特认为就是指原子的运动、抵抗力和撞击力。” (58) 无数的自由原子在广阔无垠的虚空中，向不同方向作看来是凌乱的运动，就像现代物理学的气体分子运动理论所描述的那样。原子在互相撞击的作用力下，自然地形成一种漩涡运动。其中，有两条具有必然性的物理法则起着作用。
第一条法则是同类相聚。他认为同类相聚是自然界的普遍法则。他说：“生物同类相聚，如鸽和鸽，鹤和鹤，别的动物世界也如此。还有非动物世界，人们可以在筛种子时或在沙滩上的石子中看到，在前者，由于筛子的旋转，豆和豆、大麦和大麦、小麦和小麦［合在一起］；在后者，由于波浪的运动，卵石和卵石、圆石和圆石在一起。别的事物也同样，好像有一种吸引力将它们合在一起。” (59) 恩培多克勒也讲元素与事物的同类相聚，但是要靠“爱”与“恨”的外在力量的作用。德谟克利特说的同类相聚则是同类原子或具有同一性质的事物本身彼此发生趋同的物理作用：原子在漩涡运动的分离作用下，形状大小相同的结合起来，形成水、火、土、气等元素物质，进而结合成为万物。
第二条法则是原子及其结合物在漩涡运动中造成轻重有别的运动方向。当时的自然哲学家还不懂得牛顿发现的万有引力原理，不会用它来解释重力的实质。德谟克利特所说的原子的轻重和原子的形状大小紧密关联。他说：“每个不可分的物体［原子］越大，它就越重。” (60) 塞奥弗拉斯特记述道：“德谟克利特用大小区别轻重”；又认为，“在复合物体中，包含更多虚空的越轻，包含少的越重”。 (61) 当代法国学者奥伯林（D.O'Brien）在其《德谟克利特，重量和大小》一书中，提出根据亚里士多德在《论天》中谈到的有“绝对的轻重”和“相对的轻重”之分别，认为德谟克利特的原子“近乎有绝对的重量，只是对于由原子组成的物体，亚里士多德才说它们有相对的重量”。 (62) 原来亚里士多德在《论天》第4卷第1章讨论“轻”和“重”时，提出有“绝对的轻重”和“相对的轻重”之区别。所谓相对的轻重，是指两个有重量的物体如木与铜，如果大小相同，一个（铜）在下降运动中的速度快于另一个（木），就是相对的重。而整个宇宙是圆形的，无所谓上和下，但有中心和边缘的区别。当原子运动时，有些原子总是从中心向边缘运动，这是向上运动，就是绝对的轻；相反，如果从边缘向中心运动，就是向下运动，就是绝对的重。德谟克利特认为，原子在无限的宇宙中作漩涡运动时，有的形状小的原子从中心向外圈边线运动，就是轻的；有的形状大的原子从外圈向中心运动，就是重的。大小不同的原子在漩涡运动中形成了不同的运动方向。重原子趋向运动中心，轻原子则飞向漩涡的外层。在漩涡运动中造成的轻重区别，不仅取决于原子的大小，就原子结合的物体说，也取决于原子与原子间包含虚空的多少，因为德谟克利特是用这个道理说明由原子结合成的物体有的是大而轻的，有的是小而重的。
早期的伊奥尼亚哲学和阿那克萨戈拉已用漩涡运动来说明宇宙的生成。德谟克利特的原子漩涡运动的宇宙演化说则更为精细、科学，富有辩证法思想。这种漩涡运动有内在的必然法则，从中分化出宇宙万物，并在永恒运动中演化出无数个生灭的世界。
他描述人类所处的世界是这样生成的：各种形状、无限数目的原子在无限的虚空中运动，互相作用，就形成一种漩涡运动，在彼此冲撞中同类相聚，并造成轻重有别的不同运动方向。轻的物体像扬筛似地被抛向外层虚空，其余较重的物体就纠集着陷向漩涡中心，因为运动的合力，紧密地结合成最初的一团球形，它像一层壳，逐渐厚固，就形成处于漩涡中心的大地。抛向外层的物体也不断有自由原子和新的物体附着上去，分别形成一团团紧密的物体。它们最初是潮湿泥泞的，后来逐渐干了。它们的基质构成同大地一样，都是原子的结合物，只是它们处在漩涡外层，运动速度快，所以燃烧而明亮发光。月亮、太阳和各种星辰就是这样形成的。它们各自运行的轨道同漩涡中心——大地的距离不等，因而速度也不等。我们人类所处的这个世界体系，就是这种井然有序的原子运动的大漩涡之一，是原子自身运动的必然结果。他的这种天体系统理论是一种地心说，不像后来亚里士多德和托勒密的地心说那样精致，但是它认为整个天体系统都是物质原子自身运动所生成的，有必然的因果联系，无需神的第一推动力，不给神以任何容身之地，因而是一种更科学的天体起源假说。
他又认为：宇宙在时间和空间上都是无限的，像人类所处的原子漩涡运动所生成的世界，在宇宙中有无数个。无数个世界产生了，又分解还原为无限多的原子。他具体描述了无数个世界有生有灭、无限多样。他说：
有无数个大小不同的世界。在有些世界中，既无太阳也无月亮，在另一些世界中，太阳和月亮比我们这个世界中的太阳和月亮要大，而另一些世界中不只有一个太阳和月亮。这些世界距离不等，某一个方向大些，另一个方向小些。一些世界正处在鼎盛时期，另一些世界在衰落之中。这里的世界产生了，那里的世界毁灭了，它们是因彼此冲撞而毁灭的。某些世界没有动物、植物，也没有水。 (63) (https://www.daowen.com)
这真是卓杰的科学推断，和当今的宇宙观与天体科学很接近。他还认为，一个世界衰亡，或者是由于它达到鼎盛期后，不能再从外层虚空补充新原子，它逐渐自行消解为互相分离的自由原子；或者是由于一个世界在运行中被另一个世界碰击而并合了，但它的原子构成的本质不变，“并合”不过是原子的更大聚集。总之，无限的宇宙中有无数个世界在生灭不息。它们生长于原子漩涡运动，衰变为自由原子；自由原子在另一个时刻又会结合成另一个世界。它们的运动生灭都有必然性。一切世界、一切事物都会消亡，但运动的原子永恒不灭。这就是宇宙演化的总画面。
他的宇宙演化学说，是一种虽素朴但非常卓杰的假说，辩证的科学内容已大为增强，在西方科学发展史上有重要意义。17世纪笛卡尔提出太阳系起源于以太漩涡运动，被誉为近代科学史上探究天体起源的一次勇敢尝试。18世纪拉普拉斯提出太阳系起源于白热气体的漩涡运动，大胆摒弃了上帝这个假设。而康德冲破形而上学缺口的星云假说，主张太阳系起源于物质微粒的凝聚和漩涡运动，认为无限的宇宙中有无数个太阳系不断生灭成毁，就像神话中的“火凤凰”，不断“自焚”，又“从它的灰烬中恢复青春得到重生”。 (64) 这些近代的科学假说，在天体力学内容和科学论证方面，当然是德谟克利特的宇宙演化论不好比拟的，但它们的基本观点却很相似。德谟克利特的假说提出于2000多年以前，确实是很难能可贵的。
德谟克利特用原子论哲学探讨各类自然现象的原因，写过许多著作，可惜现在只有一些残存的第二手资料，但仍可从中察知其丰富的科学思想。西方有些学者如克莱芙认为，德谟克利特的科学思想是保守陈旧的，只是因袭了早先伊奥尼亚自然哲学家的科学思想。这种说法不确切。他的某些见解是接受了前人一些素朴的猜测，如他认为大地是一个扁长、中凹的大圆盘，人和虫豸一样是从潮湿温热的泥土中滋生的。但不应以偏概全。他在科学探讨上富有创新精神，也取得了不少成就。
他重视研究数学，特别是几何学，他是当时著名的数学家。比他略早的智者普罗泰戈拉认为，人是万物的尺度，只有感知到的现象是存在，几何学研究的抽象的几何图形并不存在。普罗泰戈拉认为几何学上的圆和直线并不是人们能感知的东西，几何学上说“圆和直线只能在一点上相切”，而人们看到的一个铁环和一根直杆却绝不止在一点上相切。他以此反对几何学。 (65) 德谟克利特著作目录中有一篇题为《论观点的差异或论圆或球面相切》，已佚失，一些学者推断这篇著作是批评普罗泰戈拉的上述论点的。他肯定感性经验反映现实，同时指出几何学是必要的理性认识的学问。他研究过数、锥角、锥切面等数学课题，他是研究当时刚萌发的立体几何学的先锋（柏拉图在《国家篇》中也很重视并倡导这门前沿学科）。希腊化时期的著名数学家、力学家阿基米德称赞“德谟克利特确实对圆锥体和角锥体的定理有不小的贡献”，“这些定理即：一个圆锥体是一个底面和高与之相同的圆柱体的三分之一，角锥体是一个底面和高与之相同的角柱体的三分之一，而他是首先没有留下证明而陈述这些几何定理的”，后来柏拉图学园的欧多克索进而作出证明。 (66)
他也研究天文学，在天体运行轨道方面纠正了经验观察中的一些误解。留基伯因袭阿那克西曼德的看法，认为太阳炽热，最明亮，所以运行速度最快，处在离大地最远的外层轨道上，其次才是别的天体包括恒星，月亮最靠近大地。 (67) 德谟克利特认为：不能只凭天体的可见亮度来判断其运行速度和轨道远近。天体越靠近漩涡中心——大地，受旋转力影响越小，速度越慢；反之则速度越快。他指出，恒星离大地最远，看起来似乎不动，其实运行速度最快，其次才是太阳、月亮。他专门写过《论行星》（On Planets），指出行星很多，不少行星尚未被人发现。 (68) 留基伯主张月亮本身有微弱的火，能发光。 (69) 而德谟克利特认为月亮同大地一样，有山峡幽谷（那就是人们所看到的月亮上的阴影），它本身不发光，只是由于反射太阳光而明亮。 (70)
他不限于用冷热、干湿、浓聚与稀散的对立素朴地解释气象的成因，而是用原子运动对气象作出了不少新阐释。风的成因是，当大量原子聚集在较小的空间互相猛烈冲击，空气流动，便产生风；而当原子流溢，散入较大的空间，风就平息了。 (71) “打雷的原因是云块中原子结合不平衡，往下方挤迫。闪电是云块的冲撞，由于这种冲撞，生火的粒子聚集在一起，它们彼此摩擦，通过许多空隙，进入一个点而滤出”；“海上龙卷风的发生是因为具有较多虚空的原子的结合，被带入虚空的地方，而且有一种特殊的膜包围了它们，然后由于许多因素混合，形成猛烈旋转翻腾的东西”。 (72)
他还用原子论解释物理现象。恩培多克勒用孔道结构和元素粒子流射说明磁石吸铁。但孔道如果是充实而不是虚空的，怎么能吸入粒子？为什么是磁石吸铁，而不是铁吸磁石？德谟克利特肯定粒子流射和同类相吸的观点，但是他作出新的解释，认为磁石吸铁在虚空里进行，磁石和铁由形状相似的原子构成，而磁石原子比铁原子更小、更活跃，磁石内部的原子组合更稀松，有较大的空隙，能很快进入铁中，激动铁原子，使它们进入磁石内部较稀松的空隙。因而是铁被磁石吸引，而不是铁吸引磁石。 (73)
德谟克利特对生物、生理作过许多研究。他用原子论的观点解释植物营养、果实成因，从动物皮肤和血管的孔道结构阐述营养吸收过程。他观察了狮、鹰、蜘蛛、海鱼的特殊生理功能，用原子的生理结构加以说明，如他认为狮子睡觉不闭眼、猫头鹰夜间视力好，是由于它们的眼内含有较多的火原子。他具体研究了动物的繁殖问题，认为动物和人的生命力在于活跃的圆球形的原子。动物的精子和卵子的生殖力在于从身体各部分吸取过来的各种元素，它们集中到精子或卵子中，已包含了身体各重要部位的细微成分，而骨、肉、筋是最重要的成分。精子和卵子间并不均衡的结合，是生命体繁殖的原因，就像无生命物质中原子在碰击中结合一样。 (74) 他反对阿那克萨戈拉和第欧根尼强调的只有雄性种子才有繁殖能力的观点，主张雄性和雌性的种子在繁殖中都起作用。关于在动物和人的繁殖中决定胎儿性别的原因，他认为取决于父方或母方的种子在结合体中谁占优势。 (75) 这是最早的基因遗传学思想的萌芽。