伽利略的斜槽实验

伽利略的斜槽实验

伽利略用木板制成斜槽蒙上羊皮纸,用铜球从槽上滚下,他用大容器稳定地滴水并用天平称量的方法解决计时问题,测出铜球在斜槽上的位置与时刻,在这样的条件下,对物体沿不同角度的光滑斜面运动的规律进行了上百次的定量研究,得出结论：物体沿光滑斜面运动是匀变速直线运动,进而将斜面倾角趋于90时,推理得：
　　自由落体运动是初速为零的匀变速直线运动.
　　那伽利略为什么要研究自由落体呢?
　　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：
　　“我的目的,是要阐述一门崭新的科学,它研究的却是非常古老的课题.也许,在自然界中最古老的课题莫过于运动了.哲学家们写的关于这方面的书既不少,也不小,但是我从实验发现了某些值得注意的性质,到现在为止还未有人观察或演示过.也做过一些表面的观察,例如观察到下落重物的自然运动是连续加速的,但还从未有人宣布过,这一加速达到什么程度；据我所知,还没有一个人指出,一个从静止下落的物体在相等的时间间隔里,保持按从1开始的奇数的比数.……
　　“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.”
　　关于伽利略的比萨斜塔实验,传说纷纭.有人说,他这个落体实验对亚里士多德的理论是致命一击,由此批驳了亚里士多德的落体速度与重量成正比的说法,得出落体加速度与其重量无关的科学结论；有人说,他用大小相同而重量不等的两个球,得到同时落地的结果；甚至有人说他是用炮弹和枪弹做实验的.有人则过分宣扬伽利略的落体实验,说他是第一个做落体实验的人.
　　然而,伽利略在《两门新科学》中,并没有提到他在比萨斜塔做过实验.有关这个实验的说法大概来自他晚年的学生维维安尼（Viviani,1622—1703）在《伽利略传》中的一段不准确的回忆.这篇传记是在伽利略死后十几年即1657年出版的.其中有这样一段记述①：
　　“使所有哲学家极不愉快的是,通过实验和完善的表演与论证,亚里士多德的许多结论被他（指伽利略）证明是错的,这些结论在他之前都被看成是神圣不可冒犯的.其中有一条,就是材料相同,重量不同的物体在同样的媒质中下落,其速率并不像亚里士多德所说的那样,与其重量成正比,而是以相等的速率运动.伽利略在其他教授和全体学生面前从比萨斜塔之顶反复地做了实验来证明这一点.”
　　在伽利略的落体运动定律的形成过程中,斜面实验起过重要作用.他在《两门新科学》中对这个实验描述得十分具体,写道②：
　　“取长约12库比（1库比=45.7厘米）、宽约半库比,厚约三指的木板,在边缘上刻一条一指多宽的槽,槽非常平直,经过打磨,在直槽上贴羊皮纸,尽可能使之平滑,然后让一个非常圆的、硬的光滑黄铜球沿槽滚下,我们将木板的一头抬高一、二库比,使之略呈倾斜,再让铜球滚下,用下述方法记录滚下所需时间.我们不止一次重复这一实验,使两次观测的时间相差不致超过脉搏的十分之一.在完成这一步骤并确证其可靠性之后,就让铜球滚下全程的1/4,并测出下降时间,我们发现它刚好是滚下全程所需时间的一半.接着我们对其他距离进行实验,用滚下全程所用时间同滚下一半距离、三分之二距离、四分之三距离或任何部分距离所用时间进行比较.这样的实验重复了整整一百次,我们往往发现,经过的空间距离恒与所用时间的平方成正比例.这对于平面（也即铜球下滚的槽）的各种斜度都成立.我们也观测到,对于不同的斜度,下降的时间互相间的关系正如作者预计并证明过的比例一样.
　　“为了测量时间,我们把一只盛水的大容器置于高处,在容器底部焊上一根口径很细的管子,用小杯子收集每次下降时由细管流出的水,不管是全程还是全程的一部分,都可收集到.然后用极精密的天平称水的重量；这些水重之差和比值就给出时间之差和比值.精确度如此之高,以至于重复许多遍,结果都没有明显的差别.”
　　这个实验设计是安排得何等巧妙啊!许多年来,人们都确信伽利略就是按他所述的方案做的.在历史博物馆中甚至还陈列着据说是伽利略当年用过的斜槽和铜球.
　　但是,当人们重复伽利略上述实验时,却发现很难得到如此高的精确度.更不能使斜槽的倾斜度任意提高.有人证明,贴了羊皮纸的木槽,实验误差反而更大了.20世纪中叶,科学史专家库依雷（Koyré）提出一种见解,认为伽利略的斜面实验和他在书上描述的其它许多实验一样,都是虚构的,伽利略的运动定律源于逻辑推理和理想实验.这个意见对19世纪传统的看法无疑是一贴清醒剂.因为长期以来形成了一种认识,把实验的作用过于夸大了,好像什么基本定律,包括伽利略的运动定律都是从数据的积累中总结出来的.这种机械论的观点到了20世纪理所当然要受到怀疑论者批评.
　　然而,伽利略究竟有没有亲自做过斜面实验呢?他为什么会想到用斜面来代替落体?他是怎样做的斜面实验?这个实验在他的研究中起了什么作用?
　　伽利略没有对自己的工作作过更详细的阐述.但是,他留下了大量手稿和许多著作.人们把他的资料编成了20卷文集,这是研究伽利略的宝贵史料.
　　从1591年伽利略的那本没有及时发表的小册子《论运动》中可以看出,伽利略很早就对斜面感兴趣了.他在那里主要研究斜面上物体的平衡问题,但也提过下列问题：①为什么物体在陡的平面上运动得更快?②不同的斜面上,运动之比如何?为了使问题更明确,他画了一张图（如图1－1）.他问道：为什么沿AB下落最快,沿BD快于BE,而慢于AB?沿AB比沿BD快多少?他的回答是①.
　　“同样的重量用斜面提升比垂直提升可以少用力,这要看垂直提升与倾斜提升的比例.因此,同一重物垂直下落比沿斜面下降具有更大的力,这要看斜面下降的长度与垂直下落的长度成什么样的比例.”
　　既然力的大小与斜度成一定比例,落体运动的研究就可以用斜面来代替,按一定比例“冲淡”作用的力,“加长”运动的距离,这样可以比落体更有效地研究运动的规律.
　　人们从伽利略的手稿中找到了一些证据,证明他早年确曾做过斜面实验.其中有一页手稿画着一幅草图,两个小球正沿不同斜度的斜面向下运动,说明伽利略曾思考过斜面实验.另一页手稿（如图1－2）上记录有如下数据②：
　　第三列数字是伽利略根据测量数据计算所得.
　　经过查核,证明伽利略选取的长度单位是punti, 1 punti大约等于 29/30毫米,最大的距离为 2104 punti,相当于 2米.进一步研究,发现要能在2米长的斜面内取得8个相继时间内物体（也许是小球）通过的距离,角度必须限制在1.5°至2°之间.
　　从纸张的特点可以判定这页数据大约记于1604年.此时看来伽利略还没有确定时间平方关系,因为记录上的第一列数据1、4、9、16……64显然是后加上去的.第三列的数据有几个地方涂改,似乎是伽利略在实验之后对数据作了修正.这些判断有助于说明伽利略的时间平方关系并不是直接从实验得到,而是从别的渠道先有了设想,再用实验加以验证的.
　　伽利略在这个实验里测量时间的办法肯定也与《两门新科学》中他的描述不同,因为靠称量水重无法取相继的时间间隔.他可能是用乐器的节拍报时,因为他擅长琵琶.这个实验不需要知道时间的绝对值,根据节拍把小球挡住就可以了.