這是否只是一種“美麗的傳說”
——對伽利略是否在比薩斜塔公開做過落體實驗的探討

肖城輝 余建剛

(東莞市第一中學(xué) 廣東 東莞 523129) (佛山市南海區(qū)石門中學(xué) 廣東 佛山 528248)

一次偶然的機會筆者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行高中歷史教材(人教版 必修3)，在第四單元“近代以來世界的科學(xué)發(fā)展歷程”的第11課“物理學(xué)的重大進展”導(dǎo)言部分寫道：“17世紀初的一天，在意大利比薩斜塔上進行了一場著名的實驗．物理學(xué)家伽利略從塔頂拋出了質(zhì)量不一的兩個球，結(jié)果這兩個球同時落地.這一實驗證明了物體的下落速度與物體的質(zhì)量無關(guān)，它否定了從古希臘以來人們關(guān)于物體大小決定了下降速度快慢的認識，為近代力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).”[1]

而筆者翻開身邊的高中物理教材(人教版 必修1)第二章“勻變速直線運動的研究”第5課“伽利略對自由落體運動的研究”在比薩斜塔圖片附言中卻寫道：“傳說伽利略在此做過落體實驗，但后來又被嚴謹?shù)目甲C否定了.盡管如此，來自世界各地的人們都要前往參觀，他們把這座古塔看作伽利略的紀念碑.”[2]

對伽利略公開在比薩斜塔做落體實驗這一著名事件，兩本教材各執(zhí)一詞.歷史教材編者認為這是真實存在的，而物理教材編者卻認為這是已被嚴謹?shù)目甲C否定了的傳說.同樣需要嚴謹性和科學(xué)性并存的教材，卻得出截然不同的結(jié)論，這兩種說法孰是孰非？這個幾百年來被人們所津津樂道的著名實驗，是否只是一種“美麗的傳說”？為了弄清事情的來龍去脈，筆者查閱了在國內(nèi)影響較廣的有關(guān)文獻，羅列如下，供大家參考.

1 誰是傳說的最早記述者

最早記述伽利略在比薩斜塔當眾做落體實驗是源于伽利略晚年的學(xué)生維維安尼1654年所寫的傳記《伽利略的歷史故事》，它發(fā)表于1717年，書中介紹了伽利略晚年曾親自向他講述的生平事跡及經(jīng)歷.1590年的一天早晨，伽利略當著他的同事和學(xué)生的面在比薩斜塔公開做了落體實驗，記載如下: “有一個哲學(xué)上的普遍準則，就是不了解運動就不會了解自然.他完全投入這個問題的研究，然后通過實驗、響聲、證明和論證，產(chǎn)生使所有哲學(xué)家不快的事.他指出亞里士多德在運動問題上得出的大量結(jié)論是錯誤的，但直至那時仍被作為最正確而不可懷疑的真理持續(xù)存在，像伽利略所說，同質(zhì)料卻重量不同的物體通過同一介質(zhì)運動，根本不遵守亞里土多德強加的與重量成比例，而是以同速運動.在其他學(xué)生在場的情況下，他從比薩斜塔上反復(fù)實驗，指出了這一點.”[3]

但是，維維安尼本人并沒有親眼看見伽利略做斜塔實驗.他來到伽利略身邊時，伽利略已經(jīng)雙目失明，只能口授了.令人奇怪的是，在和維維安尼同時代的作家中，有四個人寫到落體問題，卻都沒有提到伽利略這一轟動一時的實驗.因此，維維安尼所記載的這事件的真實性受到了質(zhì)疑.

2 支持者的論據(jù)

科學(xué)史上存在著相當多的至今仍是懸而未決的疑案，伽利略到底是否在比薩斜塔上做過落體實驗就是其中的一例.這一問題自20世紀后期以來就一直在爭論著.根據(jù)搜集和分析了有關(guān)爭論的很多資料，有不少證據(jù)支持伽利略做過這個實驗，理由有四點.

第一，維維安尼的記載是他親自聽伽利略說的，而他是伽利略晚年最信賴的學(xué)生和助手，反對伽利略做過這個實驗的人至今拿不出維維安尼記載是錯誤的可靠證據(jù).

伽利略著作手稿的書信已于20世紀晚期由主編伐瓦系統(tǒng)整理，作為意大利國家版本出版.意、英、德、法和美國的許多伽利略傳記作者和科學(xué)史學(xué)家，已經(jīng)做了大量發(fā)掘、整理和分析工作，有些作者如德瑞克等曾特地去意大利查證.關(guān)于伽利略的比薩斜塔實驗的最早記載，是維維安尼在前述的《伽利略的歷史故事》一書中介紹的.因此，維維安尼記載的可靠性就成為搞清這個問題的關(guān)鍵之一.至今，既然史學(xué)界還找不到比他的更可靠的直接證據(jù)，則他與伽利略的關(guān)系和治學(xué)態(tài)度就成為重要因素.

維維安尼是伽利略晚年(1639～1642)年的得意門生和助手，伽利略去世時他才20歲，正處記憶力強的年紀.在伽利略被監(jiān)禁的極端困難情況的后期與他同住，幫助伽利略進行研究和做斜面落體實驗.伽利略高度評價他說：“幾個月來這個青年，我現(xiàn)在的客人和學(xué)生，對我的加速度論文中提出的原理，極其認真地進行研究，迫使我不得不追隨它，作為一個可接受的真正原理予以考慮.”我們今天知道的關(guān)于伽利略的許多事跡，如發(fā)現(xiàn)擺的等時性，發(fā)明空氣溫度計和他在比薩時的困難處境等，都是由于維維安尼的介紹才被世人所熟知.他遵照伽利略的遺囑，保存和整理伽利略的遺稿和書信.維維安尼還曾與托里拆利一起實驗發(fā)現(xiàn)了真空現(xiàn)象.伽利略晚年曾親自向他講了很多自己的生平事跡及經(jīng)歷.這些特殊的情況和關(guān)系，才使得維維安尼有可能在伽利略去世12年后，寫成《伽利略的歷史故事》這本對后世有重要學(xué)術(shù)價值的著作.這些情況說明，維維安尼確實是一位對待科學(xué)嚴肅而認真的、對伽利略的生平與學(xué)術(shù)活動有相當了解的學(xué)者.他明確提到這個比薩斜塔落體實驗是伽利略在晚年親自向他講過的，伐瓦羅也確認了這個事實.伐瓦羅寫道，為了證明新的真理，他在比薩斜塔的高處做重物落下實驗，這是維維安尼所肯定的，他必然是從伽利略口中聽到的.他以如此肯定的態(tài)度確信，并說那是不成問題的[4].

第二個論據(jù)是在伽利略的著作中有多處提到“由高塔上”墜落重物的事，并詳細記載了實驗用的物品、方法和數(shù)據(jù)，可見他是做過塔上落體實驗.據(jù)統(tǒng)計，伽利略在《論運動》以及兩本《對話》著作中，共提到塔上落體實驗達30余次之多.在伽利略的 《關(guān)于力學(xué)和位置運動的兩種新科學(xué)的對話和數(shù)學(xué)證明》[4](1638年 )一書中有這樣的描述：

“薩 ：我十分懷疑亞里士多德確實曾經(jīng)用實驗檢驗過下面這個論斷：如果讓兩塊石塊 (其中一塊的重量10倍于另一塊)同時從比如說100腕尺(注：腕尺為長度單位，約50～56 cm)高處落下，那么這兩塊石頭下落的速率便會不同，那較重的石塊落到地上時，另一塊石頭只不過下落了10腕尺.

辛 ：他的話似乎表明，他已經(jīng)做過這個實驗了，因為他說‘我們看見較重的石塊’，“看見”這個詞證明他做過實驗 .

沙：辛普利邱，可是我進行過檢驗，我可以肯定地對你說，重量為200磅以上的一枚炮彈到達地面時，重量僅為0.5磅的與之同時下落的步槍子彈并不會落后1拃(注：1拃約23 cm)，倘若兩者都是從高度為200腕尺的地方落下來的話. ”[4]

(注：伽利略為了充分地展示其學(xué)說的無比說服力，此書是以三個人對話的形式來寫的:其中薩爾維阿蒂(Salviati),伽利略自己的發(fā)言人;辛普利邱(Simplicio),傳統(tǒng)亞里士多德觀點的代表;沙格列陀(Sagredo),中立而開朗的旁觀者)

這無疑不能是一個假想的實驗，這可用他的另一句話來做回答，“沙格列陀：不過我還是相信你，……而如果你沒有具體的實驗或嚴格的證據(jù)為依據(jù)的話，我敢說你是不會這樣說的”.

第三個論據(jù)是“塔上落體實驗”雖未指明是比薩斜塔，但把它“理所當然”地認為是比薩斜塔卻是非常合情合理.至于為什么在伽利略著作中未曾出現(xiàn)是“比薩”斜塔字眼的問題，對于長期生活在比薩的伽利略來說，是不言而喻的.物理學(xué)家泰勒認為“伽利略的著作時常以典型的辯論和證明的形式論述，很少給出詳細的實驗過程”，可能是“未想到有必要記錄細節(jié)”的緣故，這是有道理的.

1589至1591年，正值伽利略在比薩大學(xué)任教期間，要做自由落體實驗可供選擇的最可能和最合適的地點非比薩斜塔莫屬.比薩斜塔既毗鄰比薩大學(xué)，又是唯一的高塔,達到實驗精度所需要的足夠高度.我們知道，一般塔呈上小下大的錐形，難以做自由落體實驗.而比薩斜塔塔高54.8 m，2～6層直徑相同，相鄰的兩層又稍微有偏移量，這樣的建筑顯然是自由落體實驗的最佳場所.伽利略要做自由落體實驗何必舍近求遠和舍簡就難呢?他既然可以登鐘樓測擺的等時性(1583年)，登威尼斯的St.Mark塔觀測天象(1609年)，為什么連自由落體這么簡單卻極其重要的實驗而不做呢？這似乎是不可思議的.到過意大利做過物理考察的美國著名物理學(xué)家霍爾通教授也認為伽利略要做落體實驗，只能在比薩斜塔上.[5]

第四個論據(jù)是伽利略在1590年之后，在比薩大學(xué)受到攻擊和被迫辭職而離開了比薩大學(xué).而1590年左右又無證據(jù)說明他曾做過足以激起全校師生極大反感的其他離經(jīng)叛道的事，那么他就不至于遭到群起攻之而被解職的嚴重困境.激起如此大的群憤，必然是因為他做了當時被普遍認為大逆不道的事.伽利略在比薩斜塔當眾表演落體實驗，從根本上反對了此前奉為權(quán)威和經(jīng)典的亞里士多德的運動觀.因此極有可能是因這一實驗使伽利略遭到攻擊被迫辭職.這種解釋可以將伽利略著作中提到的30余次“塔上落體實驗”與維維安尼的記載統(tǒng)一起來.進一步認為維維安尼介紹的那次實驗應(yīng)該是做過，而且只是伽利略在比薩斜塔上做的多次實驗中公開當眾表演的一次.

3 質(zhì)疑者的聲音

首先對維維安尼說法提出質(zhì)疑的是德國科學(xué)史學(xué)家沃爾維爾(E.Wohlwill).他在1909年發(fā)表的《伽利略及其為哥白尼學(xué)說而斗爭》一書中，指出“伽利略從未在比薩時的著作中寫過這件事，在后來的著作中一點也未提到.同樣，也不可能相信公開證明的事實”.

1935年美國庫珀(Cooper)的《亞里士多德、伽利略和比薩塔實驗》一書追隨沃爾維爾的看法，提出伽利略在比薩教書時從未在比薩塔上做過所謂的斜塔落體實驗，并把該事說成是“虛構(gòu)”和“謊言”.

1952年11月法國科學(xué)史學(xué)家考義萊在美國哲學(xué)學(xué)會上發(fā)表“計量的實驗講演”，從伽利略落體實驗用的粗陋計時和計量工具，得出“邁爾森納甚至懷疑大科學(xué)家們所說的伽利略的一些實驗是否實際做過”的結(jié)論.后來他又發(fā)表不少論文，影響甚廣.

到了20世紀70年代，爭論更加激烈，支持、擁護者與反對、懷疑者勢均力敵，各抒己見，相持不下.

質(zhì)疑者認為,伽利略的比薩斜塔落體實驗的故事最早出現(xiàn)在1654年他的弟子維維安尼所編寫的傳記中，那時伽利略已經(jīng)逝世12年，如此轟動性的實驗為何會在主人翁死后12年才流傳出來？此外，伽利略的著作、比薩大學(xué)的文獻以及同時代的其他人，都從未明確提到過如此有名的“判決性實驗”.按它重大的科學(xué)意義來說，這是不可思議的.有專家推斷，維維安尼“編造”比薩斜塔實驗這一傳奇故事，很可能受當時傳記寫作喜歡夸大其詞編造故事吸引讀者的風(fēng)氣所影響，純屬是為了渲染傳記的主人翁——伽利略更富有傳奇色彩的一生. 當代著名科學(xué)家霍金認為，這個故事“幾乎可以肯定并非真事”，并寫道: “他(伽利略)已經(jīng)在傾斜的平面上做過實驗，為什么還要在沒有準確計時方式的情況下爬到高塔上去驗證呢？真是活見鬼！”

又有專家認為，懷疑維維安尼張冠李戴，落體實驗確有人做，但此人并非伽利略.比如說伽利略為否定亞里土多德的論點，曾用兩個重物，其中一個比另一個重10倍，同時從高處落下等等.這個說法與荷蘭物理學(xué)家斯臺文在伽利略之前所進行的落體實驗情形雷同.斯臺文在他的 《論力學(xué)》中記載了這一次實驗：“兩個大小不同重量比為1∶10的鉛球從高30英尺的高度落下，結(jié)果兩者幾乎同時落在地面的木板上，圍觀者可以聽到兩個鉛球撞擊木板時發(fā)出的——只有一聲‘嘭！’”[6]

英國自然科學(xué)史專家斯蒂芬·F·梅森斷言，正是斯臺文的這一項實驗，否定了亞里士多德的重物體比輕物體墜落得快的見解，而這一實驗曾經(jīng)被人錯誤地說成是伽利略做的. 在梅森之前，美國康乃爾大學(xué)庫珀的《亞里士多德、伽利略和比薩塔實驗》一書中也持有這樣的觀點.

此外，伽利略雖然有在其著作中多次提到過高塔做落體實驗，但是沒有一處明確說是他本人(即書中人物薩爾維阿蒂)做的實驗，更沒有明確指出在比薩斜塔當眾做過實驗.肯定伽利略做過比薩斜塔落體實驗的論點，似乎缺乏充分的證據(jù).

譬如伽利略在比薩大學(xué)任教期間，寫的一部沒有出版的手稿 《論運動》(寫于約1590年)，其中5處提到在“高塔”或“塔”上做的落體實驗.這5處，只有1處是為了反駁亞里士多德理論，是以反詰語氣提出的(“如果兩塊石頭從一座高塔同時扔出，一塊的大小是另一塊的兩倍，那么誰會相信，在大石頭已落地時，小石頭只下落了一半路程？”)，顯然只是假設(shè)，而不是對真實實驗的描述.剩下的4處是在描述實驗，其中1處更是明確地說他本人經(jīng)常在高塔上做試驗，但不是為了否定亞里士多德理論，而是為了驗證他提出的一個新的落體定律：落體的速度和物體的密度成正比.原來，此時伽利略并不完全否定亞里士多德理論.他認為，在真空中，如果是相同材料做的物體，那么它們的下落速度和重量無關(guān)；但是如果是不同材料做的物體，那么下落速度和它們的比重成正比.假如扔下一個金球和一個銀球，由于金的比重大約是銀的兩倍，伽利略認為金球應(yīng)領(lǐng)先銀球一半的距離先落地[7].

伽利略說他經(jīng)常做的實驗是同時拋木球和鉛球的實驗.他報告一個奇怪的現(xiàn)象：一開始木球的下降速度比鉛球還快，之后鉛球逐漸趕上木球，領(lǐng)先木球落地.根據(jù)現(xiàn)在的物理學(xué)知識，如果考慮到空氣阻力，鉛球領(lǐng)先落地是預(yù)料中的；但是木球一開始領(lǐng)先鉛球，則似乎是荒唐的.有人據(jù)此懷疑伽利略不是真的做了實驗.

4 結(jié)論

伽利略是否公開地在比薩斜塔做過這一著名的落體實驗，其真實性一直以來頗受爭議，以致各權(quán)威學(xué)者的意見存在分歧，甚至對這一事件真實性予以回避.如1975年和1978年出版的《美國百科全書》和1978年出版的《國際百科全書》，肯定了這個實驗；但《大英百科全書》則否定這一實驗的存在，認為“他從比薩斜塔上落下重物的傳說并無事實根據(jù)”；《世界百科全書》則對此事件予以回避.

盡管如此，推翻亞里士多德觀點，建立了落體運動學(xué)新理論的偉大人物是伽利略，這是千真萬確、毋庸置疑的.伽利略不僅巧妙地通過假想實驗，用邏輯推理的方法輕而易舉地推翻了亞里士多德的關(guān)于重的物體下落得快的這一錯誤觀點；而且通過著名的“斜面實驗”，證明了在阻力可忽略情況下，落體速度與物體重量無關(guān)，定量地證明了自由落體運動是一種速度不斷增大的勻加速直線運動，下落的距離正比于時間的平方，系統(tǒng)徹底地解決了落體運動的問題.現(xiàn)存于佛羅倫薩地方博物館中的斜面木板、小青銅球和羅馬式水漏等全套原有實驗器件，以及詳細記錄于《關(guān)于力學(xué)和位置運動的兩種新科學(xué)的對話和數(shù)學(xué)證明》中的實驗過程，至今仍向世人展示著他是如何將實驗測量方法、歸納方法與數(shù)學(xué)的演繹方法完美結(jié)合起來.伽利略在研究自由落體的過程中，所建立的系統(tǒng)科學(xué)的物理研究方法，仍延續(xù)至今.伽利略為近代力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，不愧為現(xiàn)代物理學(xué)的偉大奠基者.后人把比薩斜塔當作他的紀念之塔，把在比薩斜塔作落體實驗的榮耀歸之于伽利略，盡在情理之中.

參考文獻

1 人民教育出版社課程教材研究所編寫組.高中新課標歷史(必修3).北京:人民教育出版社,2008.53

2 張大昌，等.高中新課標物理(必修1).北京:人民教育出版社,2009.48

3 W.Drake.Galileo at Work,His Scientific Biography,Chiago.1861.19

4 申先甲,張錫鑫,祁有龍． 物理學(xué)史簡編 .濟南：山東教育出版社．1985

5 閻康年. 關(guān)于“比薩斜塔實驗”爭論的發(fā)展和看法. 科學(xué)技術(shù)與辯證法，1988(1):10

6 (英)斯蒂芬·F·梅森著.周煦良,全增嘏,等譯.自然科學(xué)史.上海：上海譯文出版社，1980

7 方舟子.愛因斯坦信上帝嗎？(方舟子解讀科學(xué)史著名謎團)廣西:廣西科學(xué)技術(shù)出版社,2009