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伽利略是著名的科学家,在物理学史上占有突出的地位,是现代实验物理学的奠基人,被冠以“现代科学之父”等诸多称号。
在伽利略的一生中,发生了许多被后人铭记和记录的事件,其中最著名的是他在比萨斜塔上的自由落体实验,该实验被评为世界上十大最美的物理实验之一。
落体运动是我们公司比较熟悉的空。什么因素决定了物体下落的速度?亚里士多德认为物体下落的速度是由其重量决定的,重的物体比轻的物体下落得快。他的论断符合人们的常识,比如石头落地比树叶落地快。以至于接下来的两千年里,亚里士多德的论证都被奉为经典。
然而,伽利略怀疑亚里士多德的断言,他在《两种新科学之间的对话》一书中对此进行了评论。根据亚里士多德的断言,一块大石头比一块小石头下落得快。假设大石头的下落速度为8,小石头的下落速度为4,当两块石头绑在一起时,大石头会被小石头拖住,速度变慢。因此,整个系统的下降速度应小于8;但是两块石头绑在一起,总重量比那块大的重,所以整个系统下落的速度比8还快。这样,从“重的东西比轻的东西结束得快”这个前提出发,推断出相互矛盾的结论,使亚里士多德的理论陷入困境。为了摆脱这种困境,伽利略认为只有一种可能:重物体和轻物体下落的速度应该一样快。
伽利略的思想实验演变成了科学史上的一个著名故事:据说伽利略爬上比萨斜塔反驳亚里士多德的落体学说,从斜塔上同时投下一轻一重两个大小相同的球,让大家看到两个球同时落地,从而证明了物体的下落速度与其重量无关。这就是著名的斜塔坠落实验。
然而,这个实验的结果并不完全准确。实际上,由于空空气阻力的存在,实验结果会有一些误差,不会同时完全落地。石头下落速度比树叶快,正是因为空空气阻力。
(由于空空气阻力的影响,不同锥角的纸筒下落速度不同)
如今,我们可以方便地在近真空环境下做自由落体实验。把同样的金属块、羽毛、木块、玻璃球等物体放在两个玻璃管中,一个玻璃管抽入现实空,另一个玻璃管用空气体密封。同时把两根玻璃管倒过来,让它们同时从顶部落下。通过慢动作可以观察到真实空管中的物体落入同一块,同时说明影响落体速度的因素是空空气阻力。没有空空气阻力,只有在重力的作用下,不同重量的物体以相同的速度下落。
这个实验也被人搬到了月球上。1971年,宇航员大卫·斯科特乘坐阿波罗15号宇宙飞船来到月球,并向全世界的电视观众展示了一根羽毛和一把锤子确实同时落在了月球上。斯科特说,“这证明伽利略先生是对的。”
虽然伽利略斜塔下落实验的真实性存在争议,但伽利略确实通过数学推理将下落实验转化为斜面实验,证明了距离与时间的平方成正比,从而推翻了亚里士多德的错误论断。这就是现在众所周知的自由落体定律。
伽利略运用理想实验和科学推理巧妙地揭示了亚里士多德落体学说的内在矛盾,打开了亚里士多德运动学说的缺口,促进了物理学的真正诞生。