伽利略

16世界末，还是青年的伽利略对亚里士多德对自由落体运动的论断表示怀疑。在他著名的著作《两种新科学的对话》中，他设计了一个完美的思想实验。这个实验充分展现了逻辑的力量，证明亚里士多德的理论不靠谱。而且，进一步的，伽利略在比萨斜塔上做了那个大名鼎鼎的实验：两个铁球同时着地。

比萨斜塔

03 完美的思想实验

伽利略的思想实验如下：

根据亚里士多德的论断：重的物体下落的比轻的物体快，那么，大的石头比小的石头下落的要快。

假设大石头下落的速度为x，小石头下落的速度为y，则x>y。

现在考虑：把两个石头用绳子紧紧的捆在一起，然后自由下落。会是什么结果呢？

分析1：两个石头捆起来的重量比原来单独一个大石头还要大，所以，最终下落速度要比x还大。

分析2：由于小石头原来比大石头下落速度慢，捆在一起，小石头就会拖累大石头的速度，所以，最终下落速度比x小。

这样，从亚里士多德的 一个前提，推出了 两个完全不同个的结论！

所以，这个前提是不对的！亚里士多德的理论陷入了困境。

伽利略认为，为了摆脱这个困境，只有一种可能： 重的物体和轻的物体下落得一样快！也就是说，下落的快慢和重量无关！

同时，伽利略提出：实验结果是检验理论的唯一标准。

为了证明自己的理论，说服更多的人，传说伽利略在比萨斜塔做过自由落体实验：手持两个不同重量的铁球，同时松手让铁球自由下落，结果两个铁球“咣当”一声，同时着地！

当然，这个故事被后来严谨的考证给否定了。尽管如此，来自世界各地的人们都前往比萨斜塔参观，把这座古老的建筑作为物理学的圣地。

Where | 物理爱好者不得不去的物理学圣地

04 理论+实验：物理学的两条腿

我们常说，物理学的发展有两条粗壮的大腿：一条叫理论，一条叫实验。

物理学家也可以简单的分为理论物理学家和实验物理学家。比如提出相对论的 爱因斯坦就是典型的理论物理学家，而因为测量电子电量而获得诺贝尔奖的 密立根是典型的实验物理学家。

实验+理论，两条腿走路的科研方式，就是最早由伽利略提出的。

伽利略比前人伟大的地方就在于，他首先采用了 实验检验猜想和假设的科学方法。在他之前，学者们总是通过思辨性的论战来决定谁是谁非——我曾经开玩笑的说，在伽利略之前，大家解决问题，就看谁能说过谁，谁就是对的。

爱因斯坦有一句很著名的话：

提出问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题有时候仅仅是一个数学上或者实验上的技巧，而提出问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。

爱因斯坦有一句很著名的话：

提出问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题有时候仅仅是一个数学上或者实验上的技巧，而提出问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。

针对自由落体运动，伽利略不光证明了亚里士多德的理论是错误的，而且他还提出了新的问题。

05 新的问题和解决方案

既然自由落体的快慢与物体重量无关，那么决定性的条件又是什么呢？伽利略要真正搞清楚自由落体运动的规律。

但是， 困难重重：首先是概念上的困难——当时，人们连速度都还没有定义。其次是测量仪器，特别是时间的测量仪器非常不准确。

当然这些都难不倒天才的伽利略。

首先，针对概念上的困难，伽利略建立了我们现在 描述运动的基本概念，比如速度、平均速度、瞬时速度、加速度等。在此基础上，运动学有了清晰的描述和可靠的数学模型。

其次，伽利略用 新的思想实验，逻辑推演，解决了计时不准确、不精确的问题。

伽利略相信（很多物理学家都相信，如果你想要学好物理学，请认真思考这一点）：自然界规律是简洁明了的。所以他猜测，自由落体是最简单的变速运动——它的速度是均匀变化的。

但是，什么叫均匀变化？伽利略认为有两种可能：

从数学上计算发现，速度与路程成正比的话，那么将会推导出 非常非常复杂的结果。

既然自然规律是简洁明了的，那么——复杂就是错的！

所以，伽利略开始思考速度与时间成正比的理论，并设计实验进行验证。

06 铜球在斜面上运动

实验装置很简单：让铜球在斜面上滚下。

这个实验体现了伽利略天才的实验技巧和逻辑能力，让我们来分析伽利略的思路。

由于不能精确测量时间，只能转化思路：既然速度(v)与时间(t)成正比，那么位移(s)就与时间的平方（t^2）成正比。

所以，伽利略设想： 只要测量出物体通过不同位移所用的时间，就可以检验这个物体的速度是否随时间均匀变化。

但是，对于当时滴水计时的方法来说，自由落体太快了。伽利略就采用了一个巧妙的方法，来“冲淡”重力。他让铜球在阻力很小的斜面上滚下，这样，小球的加速度就比竖直下落小的多，用的时间就更长，所以容易测量。

伽利略做了几百次实验，得到以下几个事实：

到了这里，由于倾角过大，时间已经不能准确测量，伽利略开始进行思想实验：就是在思想中，让斜面的角度不断增大，直到90度！

由于在斜面上总是匀加速运动，那么进行合理的外推，倾角变大，当倾角到了89.9度，甚至90度，同样应该是匀加速运动！倾角是90度，也就成了自由落体运动。

由此证明，自由落体运动是一种匀变速直线运动！

07总结

伽利略的逻辑和实验使人钦佩、令人信服，但是很多人又不禁疑惑：“为什么生活中重的物体比轻的物体下落快呢？”

这是因为 空气阻力的存在， 空气阻力占物体重力的比例不同， 会造成物体下落加速度的不同。没有空气阻力的话，所有物体下落的一样快。

这就要靠下一个伟大的物理学家——牛顿——的理论了！

而牛顿，就是在伽利略逝世的这一天提早降生的！（提早是因为，牛顿是早产儿~）

现在，已经有实验验证了：

在真空的环境下，一根羽毛和一个铁块从同一高度同时自由下落，会以同样的速度同时落地！

伽利略的自由落体理论得到完美的验证。

借用曾经听过的一句话：

伽利略之前的科学踟蹰于泥途荒滩，因而千年徘徊。从伽利略开始，大师斐出，经典如云，近代科学的大门从此打开了！

借用曾经听过的一句话：

伽利略之前的科学踟蹰于泥途荒滩，因而千年徘徊。从伽利略开始，大师斐出，经典如云，近代科学的大门从此打开了！

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