伽利略的“比薩斜塔試驗”之謎

這是很多課本、課外書中都講述過的一個科學故事：古希臘哲學家亞里士多德認為，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，這被當成是不可懷疑的真理。但是年輕的科學家伽利略不信這個邪。他在比薩斜塔上當眾實驗，扔下了一重一輕兩個球。在眾人的驚呼聲中，兩個球同時落地。于是，流傳千年的教條被推翻了，一條新的科學定律——自由落體運動定律——被發現了。

這個故事最早出現在伽利略的秘書為他寫的傳記中。這本傳記寫于1654年，此時伽利略已去世12年。按作者的說法，伽利略是在比薩大學任教期間，當著其他教授和全體學生的面在比薩斜塔做的實驗。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驗，而比薩大學也沒有記錄過這件事。另外，如果真像書中所說，這件事在當時轟動一時，那么很多圍觀者也會對自己的家人、朋友講起，但當時留下的歷史資料中，完全沒有留下有關這個實驗的記載。

這是怎么回事呢？于是，有人懷疑，這個故事應該是伽利略的秘書虛構出來的。有點類似于今天的“名人軼事”。實際上，伽利略并沒有真的做這個實驗。

但是，伽利略確實深入地研究過這個問題。他曾在自己的一本書里，提到了一個可以駁倒亞里士多德理論的實驗：如果從大約100米高處扔下一個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實驗。而且，這個實驗也不可能在比薩斜塔做，因為那座塔只有50多米高。

后來，人們發現伽利略在比薩大學當教師期間，曾寫了一部沒有出版的手稿，里面提到，他確實曾經在一座高塔上做過一個實驗，但不是為了否定亞里士多德的理論，而是為了驗證他的一個想法：落體的速度和物體的密度成正比。原來在那時，伽利略還不認為亞里士多德是錯誤的。他設想，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；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，假如人們同時從塔上扔下一個金球和一個銀球，由于金子的比重大約是銀的兩倍，那么金球肯定會比銀球先落地。

不止如此，伽利略說他做實驗時用的是木球和鉛球，結果發現了一個奇怪的現象：剛松手時，木球的下降速度比鉛球還快，之后鉛球才逐漸趕上了木球，領先木球落地。根據現在的物理學知識，如果考慮到空氣阻力，鉛球先落地是對的，但是木球一開始會領先鉛球則非常奇怪。因此有人懷疑，伽利略記錄的這個實驗也是假的。

到了20世紀80年代，兩名美國科學家米克里奇和塞特爾重復了伽利略的這個實驗。他們讓51名學生一手握鐵球，一手握木球，兩手朝下，同時松手讓球下落，并把整個過程用高速攝影機拍下來。結果他們發現，在大多數學生松手時，木球的確明顯比鐵球落得快！原來，這是因為人們在扔球時，會下意識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驗！

科學家們推測，伽利略通過實驗發現，如他事先所預料的，比重大的物體的下落速度會略快于比重小的。但他也注意到，比重小的物體的下落速度一開始會比比重大的快。關于這個奇怪現象的思考，使他最終放棄了原先的假設，得出了正確的結論：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實驗為素材，虛構出了著名的“比薩斜塔實驗”的故事。

其實，在伽利略生活的時代，已經有很多人在他之前研究了這個問題，并得出了相同的結論。

意大利數學家貝尼德蒂在1585年出版的書中，就提到了一個實驗：假設兩個重量相同的物體被一根線系在一起，同時下落，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，這兩個物體并不會因此在半空中減速，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。

雖然有前人的研究作為基礎，但只有伽利略花費了多年的心血，做了很多關于物體運動的系統實驗。后來，他還想出了測量落體速度的方法：讓球從光滑的斜板上滾下，然后測量在某個時間點上球與起點之間的距離，從而不僅證明了在阻力可忽略時物體的下落速度與重量無關，而且證明了物體在下落時，它們的速度是不斷增大的。這就是我們現在說的自由落體運動定律。它為現代物理學的發展奠定了基礎。

在1640年的一封信中，伽利略說：“追求真理的可靠途徑是把實驗放在任何推理的前面。因為推理總會含有謬（miù）誤，而一個科學的實驗不可能與真理相對立。”在伽利略之前，還沒有哪位科學家如此強調實驗的重要性。因此，愛因斯坦認為，將伽利略稱為現代物理學乃至現代科學之父是當之無愧的。