第七回 一个美丽的实验

在伽利略的第一部对话体著作中，他依然没有办法让辛普利邱先生从对亚里士多德的彻底崇拜中觉醒过来，所以在他的第二部对话体著作《关于两门新科学的对话》中，伽利略借沙、萨二人之口劈头盖脸地问了辛先生这样的问题：

亚里士多德认为自由下落的物体重则快，轻则慢。诚如所言，假设一个物体的下落速度是8，另一个物体的下落速度是4，将二者绑在一起会怎样呢？

1.一轻一重，轻重中和，所以速度要小于8，大于4。

2.一轻一重，轻重相加，所以速度要大于8。

这是人类历史上最有名的悖论之一。据说伽利略为了向人们展示他的理论，特意爬到比萨斜塔上，同时丢下两个不同重量的铁球，发现两个铁球同时着地。这便是历史上著名的比萨斜塔实验。历史上对比萨斜塔实验的真实性颇有争议，因为它只记载于伽利略的一位粉丝给他写的传记中，那时伽利略已是晚年，而且双面失明，只能口述往事，所以崇拜者为了增加书的可读性，添点油加点醋也未可知。如果故事是真实的，为什么其他书上鲜有记载？要知道当时伽利略已经是很有名气的人物了。

且不论比萨斜塔实验的真实性，看看另外一个实验（见图7-1）。虽然伽利略在出版的新书里没有明言，但是从两部《对话》以及早年间的书中，我们可以猜测他没少做过这样的实验：将一个6米多长、3米多宽的接近光滑（光滑意味着没有摩擦力）的直木槽倾斜固定住，让钢球从木槽顶端沿斜面滑下，并用水钟或者脉搏测量钢球每次下滑的时间，研究它们之间的关系。基本关系概括如下。

1. h越大，小球最终在平面上运动的距离也越远，说明h越大，小球在斜槽底端的速度越大。

2.小球在平面上移动的距离几乎与时间成正比，即s=vt（s表示距离，v表示速度，t表示时间）。

3.小球在斜槽底端的速度与其重量无关。

4.用斜面代替水平面（图中虚线所示），无论两个斜面怎样倾斜，小球到达的高度与原始高度几乎一致。

第一个问题：实验中小球的速度从何而来呢？伽利略认为是重力，这和亚里士多德不谋而合。不过伽利略认为重力也只是一个表象，因为下落的速度一直在增大，所以根本就没有下落速度8可言，速度8只能在某个瞬间发生，那么速度又是怎么变化的呢？伽利略提出“加速度”的概念。当物体质量越大时，它受到的重力也越大，但是不同物体的重力加速度是相同的，因为在同等条件下，小球在斜槽底端的速度是一样的。唯有如此，小球的下滑速度与重力无关才能成立。

第二个问题：亚里士多德认为力是维持物体运动的原因，可是当小球到达水平面时，除了相互抵消的重力和水平支撑力，在水平方向上并没有力去维持小球的运动。伽利略提出一个假设：如果木板没有尽头，那么小球也会无止境地运动下去，因为实在没有任何理由让小球停下来。所以，他认为维持物体运动的是惯性而非力。

加速度让物体的速度发生变化，为了说明这种变化，伽利略提出了“匀加速”的概念，即加速度恒定不变。比如当实验中斜面的倾角是直角时，那么小球的运动也可以看成是自由落体运动，重力产生了加速度，小球的运动是均匀的（实际上近似均匀），并推导出了s=gt2/2（g表示重力加速度），让人们切身感受到重力加速度的存在。

现在可以简单比较亚里士多德与伽利略的运动学体系。

1. 亚里士多德认为力是维持物体运动的原因，伽利略认为力是改变物体运动的原因。

2. 亚里士多德认为重力越大，下落速度就越大；伽利略认为下落速度与重力的大小无关，因为重力加速度是一样的，加速度是改变物体速度的最终原因。

3. 当物体不再受力或外力平衡时，它仍然有可能往前运动（即维持运动状态）。亚里士多德将其归结为介质迂回推动或者精灵推动，伽利略则将其归结于物体的惯性。

在一点儿也不麻烦上帝的情况下，伽利略通过实验给出了一套比较完备的运动学体系。很多人将这个简单实验列入人类物理学史上十大最美实验之首（按时间算，它是第一个），原因如下。

1.小心说话。远离了古希腊人把搞不清的问题全部牵扯到上帝身上，转而以实验为基础，通过数学计算和推理，伽利略给出了一套完备的科学方法，并必须基于一个准则下——一切以事实说话。

2.大胆假设。伽利略突破真实的实验局限，大胆地提出理想化的实验模型，将经验与理性结合起来，开创了人类思维的新模式，为物理学乃至自然科学奠定了思想基础。

伽利略的丰功伟绩如同太阳一般光辉耀眼，但他这个太阳也有小小的黑子。在小球实验中，如果不出意外的话，小球将会永远地沿着直线匀速运动下去，可是意外无处不在，因为在伽利略心中，宇宙是有限的，而且是一个圆球，有限的宇宙怎么能容得下无限伸展的物体呢？所以，伽利略认为木板不会永远平直下去，比如实验中的木板慢慢延长，最后弯着弯着就绕地球走了一圈，那样的话，木板上的小球将会永远地做着圆周运动。即便人类有能力制造一个木板能冲出地球，冲出太阳系，冲到“天尽头”，可是最终冲不过圆圆的宇宙，所以小球最终逃不了圆周运动的命运，所以伽利略认为直线运动是圆周运动的前奏，物体最终都以“圆惯性”方式运动，而地球的自转、公转皆来自于“圆惯性”。

伽利略崇拜真理，尽管他成功地挑战了亚里士多德的理论，但是只对事不对人；而对于哲学家柏拉图，他既对事又对人地崇拜起来，所以“圆是最美的”让伽利略情有独钟，以至于伽利略会对他的同行、亦师亦友的开普勒的椭圆轨道理论视而不见。当然，在那个年代连哥白尼的日心说尚处在猜测阶段，更别说椭圆轨道理论了。

伽利略的“自误”不禁让后人感到画蛇添足般的遗憾，但是我想遗憾也是多余的。假设人类有能力在外太空放置一个小球（即不受外力作用），并让它自转起来，我们完全有理由相信它会一直转下去。对于这种“一日转、终生转”的运动方式，在发现万有引力之前，唯有“圆惯性”才是最完美的解释。

伽利略的成就是伟大的，性格也是高傲的。他曾意气风发，却又时运不济，最终只博了个身后之名。1642年1月8日，他与世长辞。据说在头天晚上，他走到阳台上摸着自己心爱的望远镜，就像疲于杀伐的将军抚摸着陪伴自己一生的战马一样，也许他会想如果有翅膀飞到他曾发现的木星上，该是多么美好啊！第二天，他的随从发现他倒在阳台上昏迷不醒。随从忙着找大夫，然而所有的大夫都因为伽利略是囚犯而拒绝给他医治。当天下午，伽利略逝世，享年78岁。

300多年后，人类替伽利略完成了他最后的梦想。1989年“伽利略号”木星探测器正式升空，并于1995年顺利抵达木星轨道。

1992年，梵蒂冈教廷终于为伽利略平反，并宣称300多年前对伽利略的审判是一个“善意的错误”。正义也许会迟到，但终究不会缺席。

再想起他的朋友开普勒，不禁让人潸然泪下。正是：同是天涯沦落人，相逢何必曾相识。