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[水煮物理]之:扒掉皇帝的新衣
澳门新萄京官方网站:2010-09-19文章来源:

 作者:罗会仟  新萄京科学院物理研究所

(连环画《皇帝的新衣》)

   中国有句古话:“舍得一身剐,敢把皇帝拉下马!”可见,碰碰至高无上的皇帝是一种多么恐怖的事情。即便是皇帝被骗子蒙蔽穿了一件无法看见的衣服,也无人敢直言一句,最后只有一个无知的小孩喊出了“皇帝在裸奔”。那位小孩的命运不可而知,肯定是倒霉到家了。此等事情在学术界想必屡见不鲜,因为学霸们、“权威”们、“先知”们的思想总是统领某个或者整个领域。比如亚里士多德,他的思想便统领西方自然科学千年之久,堪称自然科学的皇帝。然而皇帝总有出错的时候,比如穿上了骗子的新衣。只是在科学领域,不只是存在一两个敢说真话的人,像我们前面提到的哥白尼和布鲁诺就是其中代表。我们还有更大胆的同学,他不仅仅说皇帝的新衣是假的,而且亲手在众人面前,扒掉了皇帝的新衣,让众人看到,一个赤裸裸的皇帝,不过如此!这位胆大包天的同学,便是伽利略,近代自然科学的先驱者。

(伽利略)

   亚里士多德的教义里有那么一条:“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。”即“到物体下落速度与物体重量成正比。”这条教义一直到16世纪仍然为人们所笃信,因为“好像理所当然”。不过从没有人怀疑过,这位哲人无非是转了转脑子就蹦出的这么句话,没想到成了金科玉律。事实上,早在伽利略之前,就有三人怀疑此语,只是他们没有流传下实验记录。而伽利略,作为实验物理的奠基人,第一次做了那个闻名遐迩的自由落体实验——比萨斜塔实验。实验的设计很简单,让一个小铁球和一个大铁球同时在斜塔高出释放,看谁先落地。实验的思想却很精妙:假如小球下落慢v1、大球下落快v2,那么把两个球绑在一起的话,必然小球要拖慢大球的下落速率,于是这样的下落速率介于两者之间v<v1+v2,可是两个在一起的质量大于任何一个m=m1+m2>m1,m2,若看成整体那它们的下落速率应该大于其中任何一个v>v1,v2。很显然,从同一个前提假设出发推出了一个矛盾的命题结论,亚里士多德的命题肯定有问题的。据说,伽利略在公众面前做了这个落体实验,证实了两个球是同时落地的,于是证明物体的下落速率与其质量无关。有人也一直怀疑伽利略到底干过这个事情没,事实上,即使如此的实验,也很难判定的,因为抓重球的那个手会释放的慢一些,所以可能会导致与亚里士多德完全相反的结论——重球反而下落慢!这可不是人们所能接受的解释。只能说,比萨斜塔实验是伽利略一次成功的表演,真正扒掉皇帝的新衣的实验,乃是更为巧妙的斜面实验。


(比萨斜塔)

   1632年和1638年是伽利略的丰收年,他在这两年里分别出版了两部《对话》:《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》支持了地动学说,首先阐明了运动的相对性原理;《两门新科学的对话》讨论了材料抗断裂、媒质对运动的阻力、惯性原理、自由落体运动、斜面上物体的运动、抛射体的运动等问题,给出了匀速运动和匀加速运动的定义。这两部《对话》奠定了力学的基础,而关于物体运动的相关讨论和实验研究,更是开创了用实验事实说话的物理学研究风格。更重要的是,关于运动的相对性原理和惯性的讨论,启发了后来的牛顿、爱因斯坦等人,后来关于惯性质量和引力质量的讨论引出了物理学史上最伟大的革命。而这一切的开端,就在于伽利略哪个精巧的斜面实验。

(伽利略的斜面实验)

   斜面实验在现在看来非常简单:只要测量斜面上铜球滚下相同距离所需要的时间就可以。伽利略发现铜球滚下1/4距离所需要的实验正好是全程时间的一半,最终确认铜球滚下的距离与所用的时间平方成比例,并且对于不同高度的斜面均能成立。由此可以推广到90°斜面,即自由落体运动,物体下落高度应该和所用的时间平方成正比。可是,这个实验有许多致命的问题。测量长度恐怕问题不大,因为只要测量斜面的几分之几而已,用根棉绳就可以做到,可是测量时间呢?读者恐怕会笑——用个钟表不就可以嘛!事实上,您错了。那个年代根本没有钟表,因为钟表的发明其实起源于伽利略在后面的几年里关于单摆的等时性等后续研究中。

(钟摆计时器的发明原理是单摆的等时性)

   没有表也要计时,这正是伽利略聪明之处,正如欧姆发现欧姆定律的时候,根本就不可能有电流表电压表一样(那时甚至连电流电压是啥都还不清楚!)。一种说法是伽利略用自己的脉搏计时(聪明吧?),只要数脉搏的个数,认为任意两个脉搏之间等时间间隔就可以,不过若您要是有哮喘,那就完了。《对话》里的记录是伽利略发明了漏水计量时间的方法,在一个大水箱戳个小洞,接下所须计量的时间内所有漏出的水,然后称量它们的比重,只要得到不同时间漏出的水的重量之比,就可以得到时间之比!这简直太绝了。不过这一招,其实在公元前二世纪咱大汉王朝就用过了,而且发明了最原始的计时工具——漏壶,此待《水煮物理》下期后话。我更喜欢另一个传说,伽利略能精确计时,在于他有个懂音乐的老爸。伽利略小时候就跟老爸学小提琴,因此音乐节拍感非常强,所以只要在做实验的时候,哼支小曲就可以计量时间了,何不乐哉!传说终归还是传说,也就平时吹牛乐呵乐呵罢了。伽利略在斜面实验之后,对物体的运动问题做了大量思考,得出了许多有用而准确的结论。他对时间计量的发明,更是开拓了人类如何记录和度量时间的先河。中国人会日晷、漏壶、沙漏、燃香计时,可偏偏没有发明出机械计时,与其说是遗憾,不如说是孔子的吃饭哲学堵塞了读书人的脑子,实属必然。


(伽利略发明的机械定时器)


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