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科学方法漫话-2:伽利略的科研方法——从自由落体定律的发现谈起
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大家知道，伽利略是现代科学方法奠基人，他的不朽著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于两门新科学的对话》开了现代科学的先河。他首次较为系统地运用现代科学的基本研究方法，在科学研究特别是在力学研究中，以实验方法为核心，综合采用逻辑方法、观察方法、抽象方法、数学方法等基本方法，解决了一系列重要问题。现以自由落体研究为例，对此加以阐释。
•挑战权威• 伽利略从不迷信权威，善于观察和思考，敢于向权威挑战。关于自由落体，当时风行的是亚里士多德的错误观点：落体以匀速下落，速度与落体的重量成正比。伽利略经过深思熟虑和周密部署，开始出战了。
•逻辑分析• 作为第一步，伽利略采用逻辑方法，设计了一个“思想实验”：用短绳系住重量不同的大小石块，使之自由下落，按亚里士多德观点导得矛盾。他在《关于两门新科学的对话》（56～62页）对此作了有趣的描述：“显然当把两者合在一起时，较慢的物体使较快的物体有些减速，而较快的物体使较慢的物体有些加速。……如果一块大石头具有速度8，而一块较小的石头具有速度4，那么当它们合在一起时，系统将以比8为低的速度运动；而当把它们绑在一起时就变成一块比原来以速度8运动的石头还要大的石头。所以，较重的物体比较轻的物体以较低的速度运动；结果是与你推测的矛盾。”因此，亚里士多德的理论无法自圆其说！亦即，演绎逻辑的创始人亚里士多德犯了低级的逻辑错误！
•观察分析• 伽利略比他的前辈高明之处在于把逻辑方法与观察、实验方法结合起来。1589年进行了比萨斜塔落体试验，观察到10磅的球与1磅的球同时落地，初步验证了他的逻辑分析结果。（参看博文《不屈不挠忍辱负重——记现代科学之父伽利略》）。
•实验分析• 严格说来，比萨斜塔落体试验只是一种观察，较为被动，而不是经过精心设计的实验（关于观察方法与实验方法的区别详见以后的博文）。因比萨斜塔的高度仅为56米，落体落地过快，不易看清，当时也无条件进行精密测量。因此，伽利略设计了两种实验：斜面实验和单摆实验。前者实际上是一种“冲淡引力”的实验，小球在光滑斜面上滑落，使得实际收到的引力作用减小，实验发现，大小球滚动速度相同，且与斜面夹角无关。接着的单摆实验中，他发现只要摆长相同，摆动速度就相同，与摆重无关。这样，就从两个角度演证了自由落体运动。
•数学分析• 伽利略在斜面实验的基础上，采用初等数学方法，确立了物体下落时的加速度、时间的数量的关系，亦即目前中学物理学中所描述的数学分析。这里，他清晰地引进了加速度的概念。从而，使自由落体定律成为铁板钉钉的理论，亚里士多德理论就此落败。
•抽象分析• 伽利略并未就此停步。他进一步做了“双斜面”实验，将两个光滑斜面相向放置于桌面上，各自与桌面的夹角相同，发现从一个斜面上滚落的小球，到达对面的斜面的同一高度后往回滑落，在同一高度上往返滚动。接着，他又做了“思想实验”：设想斜面与桌面的夹角为九十度时，就回到自由落体情形；设想斜面与桌面的夹角趋于零度时，滚落的小球就会无休止地前行，这样他发现了惯性，实际上得到了牛顿第一定律——惯性定律！
当然，作为物理学家、力学家，他敏感地抓住了阻力问题。他知道，阻力是无法避免的，他的后一个“思想实验”在实践中无法实现，在他的《关于两门新科学的对话》一书中有详尽的讨论，这里不予赘述。
综上所述，我们可以了解到，伽利略善于针对科学研究的实际需要，综合运用不同的科学方法，使之相辅相成、相互补充，形成一套比较完整系统的方法。他在谈到自由落体研究时说：“这是第一次为新的方法打开了大门，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里会博得许多人的重视。”“一门博大精深的科学已经出现，我们的工作仅仅是一个开端”。他身后的现代科学发展史证实了他的真知灼见。
伽利略做比萨斜塔落体试验距今恰好420周年，我们作为后来者，是否更应该多多聆听这位科学大师的声音，学学他的科学方法和治学之道呢？
本文主要参考资料：
1. 库兹涅佐夫，Б. Г.，伽利略传，商务印书馆，2001。
2. 林徳宏，张相轮，创造的动力丛书（2）科学方法卷，安徽教育出版社，2001。
3. 周立伟，科学研究的途径，北京理工大学出版社，2007。
4. 伽利略，关于两门新科学的对话，武际可译，北京大学出版社，2006。
写于2009年4月20日晨
https://blog.sciencenet.cn/blog-330732-370769.html
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