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物理学史1.2 伽利略的运动学研究
1638年,伽利略的《两门新科学》一书的出版,揭开了物理学的序幕。他在这本不朽的著作中整理并公布了三十年前他得到的一些重要发现。1639年1月,这位年迈失明的作者口授了一封给友人的信,提到这本书时讲道①:“我只不过假设了我要研究的那种运动的定义及其性质,然后加以证实。……我声明我想要探讨的是物体从静止开始,速度随时间均匀增加的这样一种运动的本质。……我证明这样一个物体经过的空间(距离)与时间的平方成正比。……我从假定入手对如此定义的运动进行论证;因此即使结果可能与重物下落的自然运动的情况不符,对我也无关紧要。但是我要说,我很幸运,因为重物运动及其性质,一项项都与我所证明的性质相符。”他的这一席话对后人了解他在运动学研究上作出种种发现也许会很有益处。
1.2.1? 伽利略为什么要研究自由落体
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西方有句谚语:“对运动无知,也就对大自然无知。”运动是万物的根本特性。在这个问题上,自古以来,出现过种种不同的看法,形成了形形色色的自然观。在16世纪以前,亚里士多德的运动理论居统治地位。他把万物看成是由四种元素——土、水、空气及火组成,四种元素各有其自然位置,任何物体都有返回其自然位置而运动的性质。他把运动分成自然运动和强迫运动:重物下落是自然运动,天上星辰围绕地心作圆周运动,也是自然运动;而要让物体作强迫运动,必需有推动者,即有施力者。力一旦去除,运动即停止。既然重物下落是物体的自然属性,物体越重,趋向自然位置的倾向性也就越大,所以下落速度也越大。于是,从亚里士多德的教义出发,就必然得到物体下落速度与物体重量成正比的结论。
亚里士多德的理论基本上是错误的,但这一理论毕竟是从原始的直接经验引伸而来,有一定的合理成分,在历史上也起过进步作用,再加上被宗教利用,所以直到16世纪,仍被人们敬为圣贤之言,不可触犯。
正因为如此,批驳亚里士多德关于落体运动的错误理论,不仅是一个具体的运动学问题,也是涉及自然哲学的基础问题,是从亚里士多德的精神枷锁下解脱的一场思想革命的重要组成部分。伽利略在这场斗争中作出了非常重要的贡献。他认识到通过自由落体的研究打开的缺口,会导致一门广博的新科学出现。请读读他在《两门新科学》中核心的一章,即“第三天的谈话”,开头讲的一段话①:
“我考虑更重要的是,一门广博精深的科学已经启蒙,我在这方面的工作只是它的开始,那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到各个遥远的角落。”
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1.2.2? 近代科学诞生的前奏
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伽利略于1564年出生在意大利一个贵族家庭里,从小爱好文艺和科学。他所处的时代正值文艺复兴之后思想大解放的时期,意大利是文艺复兴的发源地,思想非常活跃。其杰出代表达·芬奇(Leonardda Vinci, 1452—1519)不仅是艺术家和工程师,还做过许多物理实验,主张在科学工作中多进行实验观察;波兰人哥白尼(Copernicus, 1473—1543)主张日心说,公开向亚里士多德的信仰者挑战;英国人弗兰西斯·培根(Francis Bacon, 1561—1626)大力宣传实验的重要性,极力反对经院哲学,为伽利略的工作鸣锣开道,可以说,他们是伽利略工作的前驱。
数学上也有人为新科学的诞生作了准备,13—14世纪英国牛津大学的梅尔顿(Merton)学院集聚了一批数学家,对运动的描述作过研究,他们提出了平均速度的概念,后来又提出加速度的概念。不过,他们从未用之于落体运动。
亚里士多德关于重物下落速度快的结论与实际经验不符,理所当然会受到科学家的实验检验。就在伽利略所在的比萨(Pisa)也多次记载有落体的研究。例如,伽利略的一位老师,叫包罗(Giro-lamo Borro),是哲学教授,就曾在自己 1575年发表的书中写道①:
“我们从窗口以同样的力投两个重量相同的物体,铅块慢于木块。”不过,铅块和木块可能是抛出窗外的。
1544年,有一位历史学家记述了三个人曾对亚里士多德的落体思想表示怀疑。他们注意到亚里士多德的意见与实际经验不符。但书中没有描述具体的实验。
1576年意大利帕都亚(Padua)有一位数学家叫莫勒第(G.Moletti),写了一本小册子叫《大炮术》,也是以当时惯用的对话方式进行论述的。其中有一段明确地提到落体运动,请读下面一段对话①:
作者:我认为理由是充分的,如果有人问我,我一定同意这是一条原理。
王子:亲爱的先生,您错了。它们同时到达。我不是只做过一次试验,而是许多次。还有,和铅球体积大致相等的木球,从同一高度释放,也在同一时刻落到地面或土壤上。
作者:如果高贵的大人不告诉我您做过这样的试验,我还会不相信呢!那好,可是怎样拯救亚里士多德呢?
王子:许多人都设法用不同的方法来拯救他,但实际上他没有得到拯救。老实告诉您,我也曾以为自己找到了一个办法来拯救,但再好好思考,又发现还是救不了他
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