伽利略“斜面”

孫敦福 慶賀

我們知道，力的作用效果之一是力能改變物體的運動狀態。假如物體不受力作用時，物體將怎樣運動？可能你會想：物體不受力，物體當然要保持靜止。比如，“用力推車，車子才前進；停止用力，車子就要停下來”。這種觀點對嗎？

在物體運動原因的研究中，長期以來人們的經驗是，要改變一個靜止物體的位置，必須推它、提它或拉它。因此人們直覺地認為，物體的運動是與推、提、拉等動作相聯系的，深信要使一個物體運動得更快，必須用更大的力推它、提它或拉它，當推、拉物體的力不再作用時，原來運動的物體便靜止下來。根據這類經驗事實，亞里士多德得出結論：靜止是水平地面上物體的“自然狀態”或“自然本性”，必須有力作用在物體上，物體才能運動；沒有力的作用，物體就要靜止下來。然而，亞里士多德的這個結論是錯誤的，并且由于亞里士多德的權威，這種錯誤認識被維持了近兩千年。直至三百多年前，伽利略才創造了有效的方法和技術，揭示了現象的本質。

伽利略認識到，將人們引入歧途的是摩擦阻力，而這又是人們在日常觀察物體運動時難以完全避免的。伽利略注意到，當一個球沿斜面向下滾時，它的速度增大，而向上滾時，它的速度減小。由此他推論，當球沿水平面滾動時，它的速度應不增不減。實際上他也發現，球越來越慢，最后停下來。伽利略認為，這并非是它的“自然本性”，而是由于摩擦阻力的緣故，因為他同樣還觀察到，表面愈光滑，球便會滾的越遠。于是他推論，若沒有摩擦阻力，球將永遠滾下去。1632年伽利略的實驗如圖1所示，讓小球沿一個斜面從靜止狀態開始下滾，小球將滾上另一個斜面，達到與原來差不多的高度然后再下滾。他推論，只是因為摩擦力，球才沒能達到原來的高度。然后，他減小后一斜面的傾角，小球在這個斜面上仍達到同一高度，但這時它要滾得遠些。繼續減小第二個斜面的傾角，球達到同一高度就會滾得更遠。于是他設想：若將后一斜面放平，球會滾多遠？結論顯然是球將永遠滾下去。這就是說，力不是維持物體運動（即維持物體的速度）的原因，而恰恰是改變物體運動狀態（即改變物體速度）的原因。這一結論，打破了自亞里士多德以來二千多年間關于“受力運動的物體，當外力停止作用時便歸于靜止”這一類陳舊觀念。這只是一個理想實驗，因為摩擦是永遠無法消除的。后來這個結論被牛頓總結為牛頓第一定律，為近代力學的建立奠定了基礎。

伽利略把實驗觀察和抽象思維結合起來，找到了深入理解運動問題的真正線索，是他研究工作的卓越之處。愛因斯坦稱贊道：“伽利略的發現以及他所用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。”