挑战权威 实验求真
物理实验

古希腊有很多著名的科学家,如欧几里得,他的《几何原理》是当时最高的科学成就;阿基米德,他发现了浮力定律,研究过杠杆原理;德谟克里特,他是原子论的创始人;亚里士多德,它的主要著作有《物理学》,《生物学》,《气象学》,《论天》等,他的运动学被认为是物理学的经典,在16世纪以前一直统治着欧洲人的头脑。尽管亚里士多德对科学作出过巨大贡献,但他的运动学是唯心主义的先验论的,其中的结论大多是错误的,但是,由于他在科学界的权威地位,这种错误理论一直阻碍着欧洲力学的发展。

亚里士多德的一个错误是断言力的作用是物体运动的原因,为了解释箭射出去后为什么还能运动一段时间,他认为空气是箭飞行的推动者,箭的前部分开空气开道,尾部空气涌向它刚离开而腾出来的地方,从而推动箭前进。一切抛射体的运动都是如此,从而得出一个推论,自然界不能没有空气,真空不可能存在。他从不做实验,只是凭想当然,唯一的依据就是生活经验,例如一辆小车,如果停止推动,它就会停下来。第二个错误是认为重的物体下落比轻的物体快,伽利略的一段话转述了亚里士多德的这一观点:“如果让两块石块(其中之一的重量10倍于另一块的重量)同时从某高处,比如说100腕尺(1腕尺=20吋)落下,…那么较重的石块落到地面时,另一块只不过落下10腕尺。”

16世纪末,伽利略以一个改革者的目光重新审视了这些结论。关于第一个问题,他注意到在水平面上运动的物体,如果初始速度相同(例如都从同一斜面的同一高度滑下),有时运动得远些,有时运动得近些,远近随水平面的粗糙程度而改变,如果水平面很光滑,物体就可以运动得很远。这就说明物体的运动不可能是空气推动的结果,因为当粗糙程度改变时,空气推动的情况不应当改变,改变的只是摩擦力,显然,如果假设摩擦力是改变物体速度的原因,上述现象就可得到合理的解释。照此推理下去,当物体不受摩擦力时,速度就不会有变化,就可以一直沿水平方向运动下去,这样就已十分接近惯性这一概念了。但是,由于地球是圆的,在范围很大时,“水平”应当是弯曲的,另一方面,伽利略的推论并没有包括竖直方向的情况,即没有说明竖直方向如果不受力,物体也会因惯性而永远运动下去。普遍情况下的惯性定律,是牛顿完成的。

伽利略的这些推理,都是以实验为基础的。在16世纪,还没有好的计时器,伽利略完成斜面实验先是用自己的脉搏,后来是用水漏。用实验方法检验物理规律,是伽利略的创举,它的意义比物理规律本身更重要。

关于重物下落的快慢,伽利略进行了如下逻辑推理:取轻重不同的两个物体A﹑B,设A比B重。按照亚里士多德的结论,A比B下落快,如果把A﹑B绑在一起,A由于B的牵扯而变慢,B由于A的拉动而变快,因此下落快慢应介于A或B单独下落的快慢程度之间,另一方面,两者合在一起后将比A更重,它应该比A落得更快。这在逻辑上是相互矛盾的。伽利略同样用实验证明了轻重不同的小球是同时落地的。关于伽利略有没有在比萨斜塔上作过落体实验,史学界尚有争议。但不管怎么说,伽利略的斜面实验完全可以看成是“放慢了”的落体实验,这是无可置疑的。

以上例子表明,权威并非总是正确的,只有实验才是检验物理定律真伪的标准。