自由落體定律的發(fā)現(xiàn)

卓世偉

在17世紀(jì)以前，物理學(xué)中有許多觀點(diǎn)都是錯(cuò)誤的，比如亞里士多德的自由落體觀念。亞里士多德認(rèn)為，在自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體下落的速度和它的質(zhì)量成正比，比如羽毛因?yàn)橘|(zhì)量小，所以下落速度慢，鐵球質(zhì)量大，所以下落速度快。亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn)影響了人們近2000年。

到了17世紀(jì)初期，年青的伽利略在讀了亞里士多德的著作后，首先運(yùn)用邏輯推理的方法指出了亞里士多德自由落體觀念中的邏輯矛盾。他說(shuō)，如果用一根繩子把兩個(gè)質(zhì)量不同的物體系起來(lái)，那它們將以什么速度下落呢？按照亞里士多德的理論，它們的質(zhì)量是兩物體質(zhì)量之和，所以，它們的下落速度也應(yīng)是兩物體各自單獨(dú)下落時(shí)的速度之和；另一方面，用繩子系起來(lái)的兩物體畢竟不是一個(gè)物體，質(zhì)量大的下落速度快，被質(zhì)量小的拖了后腿，所以速度減慢；而質(zhì)量小的物體原來(lái)下落慢，由于被質(zhì)量大的物體拖曳，則其速度應(yīng)有所增加；很快兩物體將以相同的速度下落，這個(gè)速度應(yīng)是兩物體下落時(shí)的平均值。這兩個(gè)互相矛盾的結(jié)論都是從亞里士多德的落體理論中推導(dǎo)出來(lái)的，可見(jiàn)亞里士多德的落體觀念不足為信，是錯(cuò)誤的。

站在比薩大學(xué)的課堂上，伽利略一只手拿著一塊磚，另一只手拿著用水泥砌在一起的兩塊磚，比較它們的質(zhì)量。他對(duì)學(xué)生說(shuō)：“各位同學(xué)，經(jīng)過(guò)觀察分析，我得出一個(gè)結(jié)論，亞里士多德的觀點(diǎn)是錯(cuò)的。”

全班學(xué)生都大吃一驚：“亞里士多德的觀點(diǎn)有誤？”每個(gè)人在學(xué)校里的第一堂自然科學(xué)課上，首先學(xué)習(xí)到的就是：古希臘哲學(xué)家亞里士多德的著作是科學(xué)的基礎(chǔ)。亞里士多德的一條定理就是：重的物體因其質(zhì)量大，所以下落速度快。

伽利略爬上桌子，把磚頭舉到齊眉的高度，松開(kāi)了手。“砰”的一聲，兩塊磚落在地板上，他問(wèn)道：“質(zhì)量大的下落得快嗎？”

學(xué)生們搖了搖頭，兩塊磚是同時(shí)落地的。

伽利略喊道：“再來(lái)一次！”他再次拋下磚頭，“砰”的一聲，學(xué)生們?nèi)源舸舻卣驹谀抢铩Ｋ謫?wèn)道：“質(zhì)量大的下落快嗎？”兩塊磚頭還是同時(shí)落地，學(xué)生們目瞪口呆，伽利略當(dāng)場(chǎng)宣布亞里士多德的結(jié)論是錯(cuò)誤的。

但是，世人不愿接受伽利略的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。他的朋友里奇是一名數(shù)學(xué)家，看到伽利略的磚塊落地演示后，說(shuō)道：“我只承認(rèn)兩塊磚與一塊磚是以相同速度落地的，但是我仍不能輕易相信亞里士多德的理論是錯(cuò)誤的，還是請(qǐng)你再找另外的實(shí)例來(lái)證明吧！”

伽利略認(rèn)為自己需要公開(kāi)進(jìn)行一次更有說(shuō)服力的演示，讓眾人接受他的發(fā)現(xiàn)。于是，伽利略做了著名的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，他從54米的高度同時(shí)扔下一個(gè)重4.5千克的鉛球和一個(gè)重0.45千克的鉛球，結(jié)果兩球同時(shí)落地。伽利略還考慮到，如果在比薩斜塔的高度上，雞毛不會(huì)與鐵球同時(shí)落地，是因?yàn)榇嬖谥諝庾枇Φ木壒剩孪耄谡婵罩袥](méi)有了空氣阻力，雞毛也會(huì)像鐵球那樣快速落地。

伽利略由此得出結(jié)論：無(wú)論質(zhì)量是否相同，物體從相同的高度自由落下時(shí)，它們將同時(shí)落地。這就是著名的自由落體定律。