Question

伽利略自由落体运动实验验证过程和理念

Answer 1

关于落体运动，古希腊哲学家亚里士多德仅仅凭借直觉和观感，曾经作出过这样的结论：重的物体下落速度比轻的物体下落速度快，落体速度与重量成正比。因为人们过分迷信权威，2000多年来，他的学说从未受到任何怀疑，一直到16世纪末，伽利略通过反复的实验，认为如果不计空气阻力，轻重物体的自由下落速度是相同的，从而对亚里士多德的理论提出质疑。他嘲讽那些信奉权威的人，他们认为“有些事情理所当然是对的，仅仅因为亚里士多德是这样说的”。
　　相传伽利略为了公开他的论断，批驳亚氏的落体理论，曾经在一个有“其他教授、哲学家和全体学生”参加的大型集会，登上高高的比萨斜塔，当场做了著名的斜塔落体实验，证实了自己的学说，顿时全场哗然，轰动一时。
　　这个传奇性的故事由伽利略的学生维维安尼流传下来。维维安尼在写《伽利略》时，提到他曾经听说伽利略当年在有其他教授、哲学家和全体学生在场的情况下，从比萨斜塔的最高层重复做过多次试验，证明轻重物体同时落地。关于伽利略的比萨斜塔实验，众说纷纭。有人说他用大小相同而重量不等的两球（可能是铁球与木球）得到同时落地的结果；有人说他是用炮弹和枪弹做的实验。有人则过分宣扬这个实验的意义，说他第一个做自由落体实验一举推翻了亚里士多德的错误。
　　事实上，自由落体实验在伽利略以前就有人做过，并留下了史学记载。1576年，意大利有一位数学家在他的著作中提到自己做过自由落体实验。他是将重20磅与重1磅的铅球从同一高度释放，结果在同一时刻落地，他还表示他没法拯救亚里士多德的教义。荷兰的斯悌文在他1586年的著作中更明确地记载有自由落体实验：“反对亚里士多德的实验是这样的，让我们拿两只铅球，其中一只比另一只重10倍，把它们从30英尺的高度同时丢下去，落在一块木板或有什么可以发出清晰响声的东西上面，那么，我们就会看出轻球并不需要用重铅球10倍的时间，而是同时落到地板上，因此它们发出的声音听上去就像是一个声音一样。”斯悌文是荷兰物理学家，对静力学作过深入研究，非常重视实验和实际应用。不过，斯悌文并没有根据落体实验作进一步的理论探讨。
　　其实，伽利略自己在1591年写的小册子《论运动》中，曾多次提到物体从塔上落下的实验，并对同时落地做出了自己的解释。但他并没有指明这座塔是否就是比萨斜塔，也并没有肯定这个实验是他自己做的。光靠这样一个事实也不足彻底否定亚里士多德的错误诊断。伽利略的高明之处就在于凭借数学的推理，将落体实验转化成斜面实验，从而有可能精确地测量路程和时间的关系，作出判决性的实验结论。