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科学史:伽利略自由落体思想实验受到了阿基米德的启发吗?

已有 1456 次阅读 2022-5-15 13:27 |系统分类:科普集锦

物理教材都有伽利略的比萨斜塔实验,但是伽利略(1564年2月15日 - 1642年1月8日)可能没有做过这个实验; 或者他可能做了,但可以确定的是,在他之前,就有很多人---包括一些神父---做过这个实验了。这个实验实施起来并不难。伽利略的主要贡献在于他的著名的思想性实验。在《关于两大世界体系或者两门自然科学的对话》中,他通过思想实验反驳了亚里士多德的观点:

物体下落的速度与其质量成正比。

在小学语文中有一篇精美的课文《两个铁球同时着地》,描述了这段故事。课本中说:

他(伽利略)想:如果(阿基米德)这句话是正确的,那么把这两个铁球拴在一起,落得慢的就会拖住落得快的,落下的速度应当比10磅重的铁球慢;但是,如果把拴在一起的两个铁球看作一个整体,就有11磅重,落下的速度应当比10磅重的铁球快。这样,从一个事实中却可以得出两个相反的结论,这怎么解释呢?

我们可能会问一个问题,伽利略的这个想法来自哪里?在伽利略的时代,阿基米德的文章在意大利已经得到了广泛传播,所以伽利略是熟悉阿基米德的工作的。我在《阿基米德全集$\cdot$论浮力》中发现了下面的命题,它就是著名的阿基米德浮力定理。阿基米德的证明几乎和伽利略的证明一模一样。

伽利略的思想实验直接受到了阿基米德的启发?这是一个有趣的问题,历史可能真是如此,但是它可能已经无法考证了。

不过可以看出,人类文明的发展,科学的进步,不是某个民族的功劳,而是全人类共同努力的结果。李约瑟在《文明的滴定》中,就明确表达过这样的观点。有些民族的贡献我们已经无法考证了,但是不表示它不存在。另外,近代科学的发源地在意大利,也有明确的原因。除了伟大的科学家个人的杰出才能外,也和当时的环境、教育、文化等有密切关系。意大利的文艺复兴导致的思想解放,翻译运动,大学教育(比如最早的大学University of Bologna 博洛尼亚大学, 1088年;Università di Padova,  帕多瓦大学, 1222年; Università di Pisa,比萨大学,1343年; 1581年伽利略进入比萨大学学医,但后来喜欢上了数学),数学的发展(比如12 - 13世纪的斐波那契; 1545年三次方程卡尔丹求根公式;会计之父 卢卡·帕乔利 (1445–1517年);微积分先驱卡瓦列里(Cavalieri,Francesco Bonaventura ,1598 - 1647年【伽利略同时期数学家】)等)等,客观上为伽利略做出伟大的贡献提供了土壤。我们知道,伽利略改造了望远镜,推翻了亚里士多德的很多观点; 而望远镜就来自古代阿拉伯。阿尔哈曾(Alhazen; 阿拉伯全名为:Abu-'Ali Al-Hasan Ibn Al-Haytham)是阿拉伯最杰出的物理学家,他正确解释了人眼原理,同时也制造了大量的光学元件,并著有《光学宝鉴》。12世纪开始,他的书被翻译为拉丁文,从而被伽利略和西方所知。罗杰$\cdot$培根(Roger Bacon), 开普勒和费马等人,都明确引用过阿尔哈曾的工作。

要了解某个文明、思想、和科学的发展,从地理、文化、历史等角度做些考证工作,是一个不错的方法。中国古代的智慧,喜欢用天时、地利、人和(取自《孟子·公孙丑下》、《孙膑兵法·月战》等)来理解,不无道理。如果从历史的角度去理解伽利略的思想的起源和发展,我们可以找到某条线索,它穿越了两千年的历史长河,也穿越了几千公理的山岳河海。一个国家、民族可能会被征服、被消灭,但它们的最宝贵的思想,可能会被继承和发扬。


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(来自阿基米德全集$\cdot$论浮力)


语文课文:《两个铁球同时着地》

伽利略是17世纪意大利伟大的科学家。他在学校念书的时候,同学们就称他为“辩论家”。他提出的问题很不寻常,常常使老师很难解答。

那时候,研究科学的人都信奉亚里士多德,把这位两千多年前的希腊哲学家的话当作不容许更改的真理。谁要是怀疑亚里士多德,人们就会责备他:“你是什么意思?难道要违背人类的真理吗?”

亚里士多德曾经说过:“两个铁球,一个10磅重,一个1磅重,同时从高处落下来,10磅重的一定先着地,速度是1磅重的10倍。”这句话使伽利略产生了疑问。

他想:如果这句话是正确的,那么把这两个铁球拴在一起,落得慢的就会拖住落得快的,落下的速度应当比10磅重的铁球慢;但是,如果把拴在一起的两个铁球看作一个整体,就有11磅重,落下的速度应当比10磅重的铁球快。这样,从一个事实中却可以得出两个相反的结论,这怎么解释呢?

伽利略带着这个疑问反复做了许多次试验,结果都证明亚里士多德的这句话的确说错了。两个不同重量的铁球同时从高处落下来,总是同时着地,铁球往下落的速度跟铁球的轻重没有关系。伽利略那时候才25岁,已经当了数学教授。他向学生们宣布了试验的结果,同时宣布要在比萨城的斜塔上做一次公开试验。

消息很快传开了。到了那一天,很多人来到斜塔周围,都要看看在这个问题上谁是胜利者:是古代的哲学家亚里士多德呢,还是这位年轻的数学教授伽利略?有的说:“这个青年真是胆大妄为,竟想找亚里士多德的错处!”有的说:“等会儿他就固执不了啦,事实是无情的,会让他丢尽了脸!”

伽利略在斜塔顶上出现了。他右手拿着一个10磅重的铁球,左手拿着一个1磅重的铁球。两个铁球同时脱手,从空中落下来。一会儿,斜塔周围的人都忍不住惊讶地呼喊起来,因为大家看见两个铁球同时着地了,正跟伽利略说的一个样。这时大家才明白,原来像亚里士多德这样的大哲学家,说的话也不是全都对的。



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2 史晓雷 王涛

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