物理学史1.2 伽利略的运动学研究.doc

1638 年，伽利略的《两门新科学》一书的出版，揭开了物理学的序幕他在这本不朽的著作中整理并公布了三十年前他得到的一些重要发现1639 年 1月，这位年迈失明的作者口授了一封给友人的信，提到这本书时讲道 ① ：“我只不过假设了我要研究的那种运动的定义及其性质，然后加以证实……我声明我想要探讨的是物体从静止开始，速度随时间均匀增加的这样一种运动的本质……我证明这样一个物体经过的空间（距离）与时间的平方成正比……我从假定入手对如此定义的运动进行论证；因此即使结果可能与重物下落的自然运动的情况不符，对我也无关紧要但是我要说，我很幸运，因为重物运动及其性质，一项项都与我所证明的性质相符他的这一席话对后人了解他在运动学研究上作出种种发现也许会很有益处1.2.1 伽利略为什么要研究自由落体西方有句谚语：“对运动无知，也就对大自然无知运动是万物的根本特性在这个问题上，自古以来，出现过种种不同的看法，形成了形形色色的自然观在 16 世纪以前，亚里士多德的运动理论居统治地位他把万物看成是由四种元素——土、水、空气及火组成，四种元素各有其自然位置，任何物体都有返回其自然位置而运动的性质他把运动分成自然运动和强迫运动：重物下落是自然运动，天上星辰围绕地心作圆周运动，也是自然运动；而要让物体作强迫运动，必需有推动者，即有施力者。

力一旦去除，运动即停止既然重物下落是物体的自然属性，物体越重，趋向自然位置的倾向性也就越大，所以下落速度也越大于是，从亚里士多德的教义出发，就必然得到物体下落速度与物体重量成正比的结论亚里士多德的理论基本上是错误的，但这一理论毕竟是从原始的直接经验引伸而来，有一定的合理成分，在历史上也起过进步作用，再加上被宗教利用，所以直到 16 世纪，仍被人们敬为圣贤之言，不可触犯正因为如此，批驳亚里士多德关于落体运动的错误理论，不仅是一个具体的运动学问题，也是涉及自然哲学的基础问题，是从亚里士多德的精神枷锁下解脱的一场思想革命的重要组成部分伽利略在这场斗争中作出了非常重要的贡献他认识到通过自由落体的研究打开的缺口，会导致一门广博的新科学出现请读读他在《两门新科学》中核心的一章，即“第三天的谈话”，开头讲的一段话 ① ：“我的目的，是要阐述一门崭新的科学，它研究的却是非常古老的课题也许，在自然界中最古老的课题莫过于运动了哲学家们写的关于这方面的书既不少，也不小，但是我从实验发现了某些值得注意的性质，到现在为止还未有人观察或演示过也做过一些表面的观察，例如观察到下落重物的自然运动是连续加速的，但还从未有人宣布过，这一加速达到什么程度；据我所知，还没有一个人指出，一个从静止下落的物体在相等的时间间隔里，保持按从 1 开始的奇数的比数。

……“我考虑更重要的是，一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到各个遥远的角落1.2.2 近代科学诞生的前奏伽利略于 1564 年出生在意大利一个贵族家庭里，从小爱好文艺和科学他所处的时代正值文艺复兴之后思想大解放的时期，意大利是文艺复兴的发源地，思想非常活跃其杰出代表达·芬奇（Leonardda Vinci， 1452—1519）不仅是艺术家和工程师，还做过许多物理实验，主张在科学工作中多进行实验观察；波兰人哥白尼（Copernicus， 1473—1543）主张日心说，公开向亚里士多德的信仰者挑战；英国人弗兰西斯·培根（Francis Bacon， 1561—1626）大力宣传实验的重要性，极力反对经院哲学，为伽利略的工作鸣锣开道，可以说，他们是伽利略工作的前驱数学上也有人为新科学的诞生作了准备，13—14 世纪英国牛津大学的梅尔顿（Merton）学院集聚了一批数学家，对运动的描述作过研究，他们提出了平均速度的概念，后来又提出加速度的概念不过，他们从未用之于落体运动亚里士多德关于重物下落速度快的结论与实际经验不符，理所当然会受到科学家的实验检验。

就在伽利略所在的比萨（Pisa）也多次记载有落体的研究例如，伽利略的一位老师，叫包罗（Giro－lamo Borro），是哲学教授，就曾在自己 1575 年发表的书中写道 ① ：“我们从窗口以同样的力投两个重量相同的物体，铅块慢于木块不过，铅块和木块可能是抛出窗外的1544 年，有一位历史学家记述了三个人曾对亚里士多德的落体思想表示怀疑他们注意到亚里士多德的意见与实际经验不符但书中没有描述具体的实验1576 年意大利帕都亚（Padua）有一位数学家叫莫勒第（G.Moletti），写了一本小册子叫《大炮术》，也是以当时惯用的对话方式进行论述的其中有一段明确地提到落体运动，请读下面一段对话 ① ：“王子：如果从塔顶我们放下两个球，一个是重 20 磅的铅球，另一个是重1 磅的铅球，大球将比小球快 20 倍作者：我认为理由是充分的，如果有人问我，我一定同意这是一条原理王子：亲爱的先生，您错了它们同时到达我不是只做过一次试验，而是许多次还有，和铅球体积大致相等的木球，从同一高度释放，也在同一时刻落到地面或土壤上作者：如果高贵的大人不告诉我您做过这样的试验，我还会不相信呢！那好，可是怎样拯救亚里士多德呢？王子：许多人都设法用不同的方法来拯救他，但实际上他没有得到拯救。

老实告诉您，我也曾以为自己找到了一个办法来拯救，但再好好思考，又发现还是救不了他由此可见，关于落体问题的讨论在伽利略 1589 年当比萨大学教授之前已经广泛展开了，并且已有人作过实验，得到的结果其实是尽人皆知的生活经验问题在于，没有人敢于触犯亚里士多德的教义因为亚里士多德的理论指的是落体的自然运动，即没有媒质作用的自由落体运动，这是一种理想情况，在没有真空泵的 16 世纪谁都没有可能真正做这类实验1.2.3 伽利略的落体实验关于伽利略的比萨斜塔实验，传说纷纭有人说，他这个落体实验对亚里士多德的理论是致命一击，由此批驳了亚里士多德的落体速度与重量成正比的说法，得出落体加速度与其重量无关的科学结论；有人说，他用大小相同而重量不等的两个球，得到同时落地的结果；甚至有人说他是用炮弹和枪弹做实验的有人则过分宣扬伽利略的落体实验，说他是第一个做落体实验的人然而，伽利略在《两门新科学》中，并没有提到他在比萨斜塔做过实验有关这个实验的说法大概来自他晚年的学生维维安尼（Viviani，1622—1703）在《伽利略传》中的一段不准确的回忆这篇传记是在伽利略死后十几年即1657 年出版的其中有这样一段记述 ① ：“使所有哲学家极不愉快的是，通过实验和完善的表演与论证，亚里士多德的许多结论被他（指伽利略）证明是错的，这些结论在他之前都被看成是神圣不可冒犯的。

其中有一条，就是材料相同，重量不同的物体在同样的媒质中下落，其速率并不像亚里士多德所说的那样，与其重量成正比，而是以相等的速率运动伽利略在其他教授和全体学生面前从比萨斜塔之顶反复地做了实验来证明这一点这里要说明几点：1.维维安尼并没有亲眼看见伽利略做斜塔实验，因为伽利略死时（1642 年），他才 20 岁他来到伽利略身边时（1639 年），伽利略已经双目失明，只能口授了所以，维维安尼的记述可能不确实2.伽利略如果真的做了斜塔实验，时间大概是在 1589—1592 年他在比萨大学任教之际，可是，有人找遍当年比萨大学的有关记录，均未发现载有此事3.如果真有此事，也只能算是一个表演，不可能通过这个表演对两千年的传统学术进行判决那么，究竟伽利略有没有做过落体实验呢？经查考，在伽利略早年（1591年）写的《论运动》（De Motu）的小册子中确实记载有这类实验不过，直到伽利略去世二百年后，即 1842 年，才整理发表，维维安尼并不知道这个小册子这个实验也不像维维安尼所说的，是要彻底批驳亚里士多德的落体理论，而是为了弥补亚里士多德理论的缺陷伽利略在这本小册子里用阿基米德的浮力定律来说明在媒质中落体的运动。

他写道 ① ：“但是他（指亚里士多德）甚至犯了一个更大的错误，他假定物体的速率取决于越重的物体分开媒质的本领越大因为，正如我们证明了的，运动物体的速率并不取决于这一点，而是取决于物体重量与媒质重量差值的大小伽利略当时显然仍然相信，同样大小的物体在空气中下落，较重的比较轻的快，因为他写道：“……我们得到的普遍结论是：在物体材料不同的情况下，只要它们大小相同，则它们（自然下落）运动的速率之比，与它们的重量之比是相同的他甚至还为实际观测所得结果与上述结论不符进行辩护，他写道：“如果从塔上落下两个同体积的球，其中之一比另一个重一倍，我们会发现重的到达地面并不比轻的快一倍其实，在运动开始时，轻物会走在重物的前面，在一段距离内要比重物快这件事引起了现代科学史家的兴趣究竟伽利略是否真的看到了轻物先于重物下落？ 1983 年，塞特尔（T. B. Settle）和米克利希（R.Miklich）做了两球同时下落的实验 ① ，用高速摄影机拍照，果然重现了伽利略观察到的现象，不过他们不是用机械释放两球，而是用两手分别握着两个球，并且必须手心向下，同时释放实验判明，伽利略所得轻物走在重物前面的结论，是由于他握重球的手握得更紧，释放时略为缓慢所致。

这件事说明了，伽利略的思想不是从天上掉下来的，他经历了曲折的摸索过程开始，他甚至还是亚里士多德的维护者搞清这位近代科学的创始人的思想发展过程当然是一件有重大意义的课题科学史家们正在利用各种史料进行研究 1.2.4 伽利略的斜面实验在伽利略的落体运动定律的形成过程中，斜面实验起过重要作用他在《两门新科学》中对这个实验描述得十分具体，写道 ② ：“取长约 12 库比（1 库比=45.7 厘米）、宽约半库比，厚约三指的木板，在边缘上刻一条一指多宽的槽，槽非常平直，经过打磨，在直槽上贴羊皮纸，尽可能使之平滑，然后让一个非常圆的、硬的光滑黄铜球沿槽滚下，我们将木板的一头抬高一、二库比，使之略呈倾斜，再让铜球滚下，用下述方法记录滚下所需时间我们不止一次重复这一实验，使两次观测的时间相差不致超过脉搏的十分之一在完成这一步骤并确证其可靠性之后，就让铜球滚下全程的1/4，并测出下降时间，我们发现它刚好是滚下全程所需时间的一半接着我们对其他距离进行实验，用滚下全程所用时间同滚下一半距离、三分之二距离、四分之三距离或任何部分距离所用时间进行比较这样的实验重复了整整一百次，我们往往发现，经过的空间距离恒与所用时间的平方成正比例。

这对于平面（也即铜球下滚的槽）的各种斜度都成立我们也观测到，对于不同的斜度，下降的时间互相间的关系正如作者预计并证明过的比例一样为了测量时间，我们把一只盛水的大容器置于高处，在容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次下降时由细管流出的水，不管是全程还是全程的一部分，都可收集到然后用极精密的天平称水的重量；这些水重之差和比值就给出时间之差和比值精确度如此之高，以至于重复许多遍，结果都没有明显的差别这个实验设计是安排得何等巧妙啊！许多年来，人们都确信伽利略就是按他所述的方案做的在历史博物馆中甚至还陈列着据说是伽利略当年用过的斜槽和铜球但是，当人们重复伽利略上述实验时，却发现很难得到如此高的精确度更不能使斜槽的倾斜度任意提高有人证明，贴了羊皮纸的木槽，实验误差反而更大了20 世纪中叶，科学史专家库依雷（Koyré）提出一种见解，认为伽利略的斜面实验和他在书上描述的其它许多实验一样，都是虚构的，伽利略的运动定律源于逻辑推理和理想实验这个意见对 19 世纪传统的看法无疑是一贴清醒剂因为长期以来形成了一种认识，把实验的作用过于夸大了，好像什么基本定律，包括伽利略的运动定律都是从数据的积累中总结出来的。

这种机械论的观点到了 20 世纪理所当然要受到怀疑论者批评然而，伽利略究竟有没有亲自做过斜面实验呢？他为什么会想到用斜面来代替落体？他是怎样做的斜面实验？这个实验。