伽俐略

伽俐略與落體實驗

據説，1590年意大利偉大的科學家伽俐略，曾在斜塔上做過著名的自由落體運動實驗。他使兩個重量不等的鐵球從塔頂垂直自由落下，結果同時着地，從而一舉推翻了古希臘著名學者亞里士多德關於重量不同的物體，其下落的速度也不同的定理。由此，比薩斜塔更加名噪全球。

古希臘哲學家亞里士多德認為，重的物體比輕的物體下落的要快。這符合人們的常識，如玻璃彈子就比羽毛落得快。伽俐略認為：下落速度與重量無關，所有物體下落速度都相同。很多人反對這個觀點，為了讓人們相信，伽俐略跑到比薩斜塔上扔下兩個不同重量的鐵球，結果兩個鐵球同時着地，於是伽俐略勝利了。

這個故事很可能是沒有根據的。首先，當時沒有理想的計時工具，伽俐略發現擺的等時性時是用自己的脈搏記時的，可見當時科學儀器的缺乏。如果做這個實驗，很難做到讓兩個球同時拋出，即使做到了同時拋出，落地時間也無法準確判斷；其次，空氣阻力會對球的下落產生影響，玻璃彈子比羽毛下落得快就是因為空氣阻力對羽毛下落的影響較大。兩個鐵球受空氣阻力影響，落地時間很可能不一樣，實驗結果對伽俐略不利。所以，在伽俐略本人留下的記錄中，沒有任何地方提到比薩斜塔實驗。

實際上，伽俐略批評亞里士多德的理論是從邏輯推理開始的。他設想一個重物（如鐵球）與一個輕物（如木球）同時下落，按亞里士多德的理論，當然是鐵球落得快，木球落得慢。現在，試想把鐵球與木球綁在一起，同時拋出，會發生什麼情況呢？一方面，鐵球和木球組成了一個比鐵球更重的物體，應當下落的比鐵球更快；另一方面，鐵球下落被木球拖住，其速度應該介於鐵球與木球之間。這樣，從同一個理論推出了互相矛盾的兩個結論，所以，亞里士多德的理論是值得懷疑的。正確結論應當是：下落速度與重量無關。

伽俐略這位真正的近代實驗之父，近代實驗科學的創造者，並不滿足於邏輯推理，他要用實驗來驗證他的設想。但不是跑到比薩斜塔拋下兩個鐵球，而是在室內用精心設計的斜面做實驗。他做了很多不同坡度的斜面，斜面儘可能光滑。然後在不同斜面上滾下各種重量的銅球，他發現，物體從斜面上滾下，作加速度運動。但只要斜面坡度不變，無論什麼重量的銅球滾下，加速度都一樣；加速度與重量無關，但與坡度有關，斜面越陡，加速度越大，斜面越平，則加速度越小。在極限情況下，斜面完全水平，加速度為零，物體若不受外力，他就應該永遠沿直線作勻速運動，這實際上就是牛頓第一定律；如果斜面完全垂直，就相當於自由落體，這時加速度最大，但對無論什麼重量的物體，加速度都一樣。

伽俐略做比薩斜塔實驗這一傳聞來自伽俐略晚年的學生維維安尼，他在寫伽俐略的傳記中提到伽俐略曾做此實驗。但歷史學家考證，沒有任何理由表明伽俐略做過這一實驗。值得一提的是，1586年荷蘭物理學家斯台文用兩個大小不同重量比為1：10的鉛球，讓它們從高30英尺的高度落下，結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出的聲音。1612年，一位亞里士多德派的物理學家為了反駁伽俐略，真的在比薩斜塔做了一個實驗，結果表明，相同的材料但重量不同的物體並不是在同一時刻到達地面。伽俐略在《兩門新科學》中對此有一個辯護，意思是説，重量1：10的兩個物體下落時只差一個很小的距離，可亞里士多德卻説相差10倍。為什麼忽視亞里士多德如此重大的失誤卻盯住我小小的誤差不放呢？這也表明伽俐略沒有做那個實驗。