伽利略的“比薩斜塔試驗(yàn)”之謎

這是很多課本、課外書中都講述過的一個(gè)科學(xué)故事：古希臘哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為，物體的下落速度和重量成正比，物體越重，下落的速度越快。千百年來，這被當(dāng)成是不可懷疑的真理。但是年輕的科學(xué)家伽利略不信這個(gè)邪。他在比薩斜塔上當(dāng)眾實(shí)驗(yàn)，扔下了一重一輕兩個(gè)球。在眾人的驚呼聲中，兩個(gè)球同時(shí)落地。于是，流傳千年的教條被推翻了，一條新的科學(xué)定律——自由落體運(yùn)動(dòng)定律——被發(fā)現(xiàn)了。

這個(gè)故事最早出現(xiàn)在伽利略的秘書為他寫的傳記中。這本傳記寫于1654年，此時(shí)伽利略已去世12年。按作者的說法，伽利略是在比薩大學(xué)任教期間，當(dāng)著其他教授和全體學(xué)生的面在比薩斜塔做的實(shí)驗(yàn)。但奇怪的是，伽利略本人的著作中從來沒有提到過自己的這次實(shí)驗(yàn)，而比薩大學(xué)也沒有記錄過這件事。另外，如果真像書中所說，這件事在當(dāng)時(shí)轟動(dòng)一時(shí)，那么很多圍觀者也會(huì)對(duì)自己的家人、朋友講起，但當(dāng)時(shí)留下的歷史資料中，完全沒有留下有關(guān)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的記載。

這是怎么回事呢？于是，有人懷疑，這個(gè)故事應(yīng)該是伽利略的秘書虛構(gòu)出來的。有點(diǎn)類似于今天的“名人軼事”。實(shí)際上，伽利略并沒有真的做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

但是，伽利略確實(shí)深入地研究過這個(gè)問題。他曾在自己的一本書里，提到了一個(gè)可以駁倒亞里士多德理論的實(shí)驗(yàn)：如果從大約100米高處扔下一個(gè)100～200磅的炮彈和一顆只有半磅重的步槍子彈，前者只比后者領(lǐng)先一掌距（越等于23厘米）落地。不過，伽利略并沒有說他本人做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)。而且，這個(gè)實(shí)驗(yàn)也不可能在比薩斜塔做，因?yàn)槟亲挥?0多米高。

后來，人們發(fā)現(xiàn)伽利略在比薩大學(xué)當(dāng)教師期間，曾寫了一部沒有出版的手稿，里面提到，他確實(shí)曾經(jīng)在一座高塔上做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，但不是為了否定亞里士多德的理論，而是為了驗(yàn)證他的一個(gè)想法：落體的速度和物體的密度成正比。原來在那時(shí)，伽利略還不認(rèn)為亞里士多德是錯(cuò)誤的。他設(shè)想，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。比如說，假如人們同時(shí)從塔上扔下一個(gè)金球和一個(gè)銀球，由于金子的比重大約是銀的兩倍，那么金球肯定會(huì)比銀球先落地。

不止如此，伽利略說他做實(shí)驗(yàn)時(shí)用的是木球和鉛球，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：剛松手時(shí)，木球的下降速度比鉛球還快，之后鉛球才逐漸趕上了木球，領(lǐng)先木球落地。根據(jù)現(xiàn)在的物理學(xué)知識(shí)，如果考慮到空氣阻力，鉛球先落地是對(duì)的，但是木球一開始會(huì)領(lǐng)先鉛球則非常奇怪。因此有人懷疑，伽利略記錄的這個(gè)實(shí)驗(yàn)也是假的。

到了20世紀(jì)80年代，兩名美國(guó)科學(xué)家米克里奇和塞特爾重復(fù)了伽利略的這個(gè)實(shí)驗(yàn)。他們讓51名學(xué)生一手握鐵球，一手握木球，兩手朝下，同時(shí)松手讓球下落，并把整個(gè)過程用高速攝影機(jī)拍下來。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)學(xué)生松手時(shí)，木球的確明顯比鐵球落得快！原來，這是因?yàn)槿藗冊(cè)谌忧驎r(shí)，會(huì)下意識(shí)地先松開拿著較輕東西的那只手，而由于要用更大的勁握住重球，因此松開要稍慢一些。所以，伽利略的記錄恰恰證明了他的確在高塔上做過實(shí)驗(yàn)！

科學(xué)家們推測(cè)，伽利略通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如他事先所預(yù)料的，比重大的物體的下落速度會(huì)略快于比重小的。但他也注意到，比重小的物體的下落速度一開始會(huì)比比重大的快。關(guān)于這個(gè)奇怪現(xiàn)象的思考，使他最終放棄了原先的假設(shè)，得出了正確的結(jié)論：在真空中，任何物體，不管其重量、形狀和比重，下落速度都是一樣的。之后，他的秘書很可能就是以這個(gè)實(shí)驗(yàn)為素材，虛構(gòu)出了著名的“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”的故事。

其實(shí)，在伽利略生活的時(shí)代，已經(jīng)有很多人在他之前研究了這個(gè)問題，并得出了相同的結(jié)論。

意大利數(shù)學(xué)家貝尼德蒂在1585年出版的書中，就提到了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：假設(shè)兩個(gè)重量相同的物體被一根線系在一起，同時(shí)下落，按亞里士多德的說法，它們的速度將由它們的總重量決定；然而，如果在下落過程中這根線突然斷了，這兩個(gè)物體并不會(huì)因此在半空中減速，而是仍然以原來的速度下落。所以說，物體下落的速度和它們的重量無關(guān)。

雖然有前人的研究作為基礎(chǔ)，但只有伽利略花費(fèi)了多年的心血，做了很多關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。后來，他還想出了測(cè)量落體速度的方法：讓球從光滑的斜板上滾下，然后測(cè)量在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上球與起點(diǎn)之間的距離，從而不僅證明了在阻力可忽略時(shí)物體的下落速度與重量無關(guān)，而且證明了物體在下落時(shí)，它們的速度是不斷增大的。這就是我們現(xiàn)在說的自由落體運(yùn)動(dòng)定律。它為現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

在1640年的一封信中，伽利略說：“追求真理的可靠途徑是把實(shí)驗(yàn)放在任何推理的前面。因?yàn)橥评砜倳?huì)含有謬（miù）誤，而一個(gè)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)不可能與真理相對(duì)立?！痹谫だ灾?，還沒有哪位科學(xué)家如此強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的重要性。因此，愛因斯坦認(rèn)為，將伽利略稱為現(xiàn)代物理學(xué)乃至現(xiàn)代科學(xué)之父是當(dāng)之無愧的。