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重物和轻物哪个下落得更快——伽利略对亚里士多德的一次失败的挑战
亚里士多德认为:物体下落的快慢是由物体本身的重量决定的,物体越重,下落得越快;反之,则下落得越慢。这个观点统治了西方学术界将近2000年。
第一个向亚里士多德提出挑战的是意大利物理学家伽利略。1590年的一天,年轻的比萨大学数学教授伽利略,邀请一些学者和大学生来到比萨斜塔下面,看他做自由落体实验。他和他的助手登上斜塔,然后将一大一小两个铁球从相同的高度同时扔下,结果两个铅球同时落地。伽利略把实验重复一次,结果仍然相同。伽利略的实验,动摇了亚里士多德在物理学中长期占统治地位的定律,引起了极大的震动。
这个流传极广的故事记载在他的学生维维安尼写的《伽利略生平的历史故事》(1717)一书中,但后世的历史学家普遍认为是虚构的,因为伽利略、比萨大学和同時代的其他人都沒有关于这次实验的片言只语。
不过,伽利略确实在他的《两种新科学的对话》(1636)一书中,驳斥了亚里士多德的这个观点。书中伽利略以萨尔维阿蒂的身份出现,而以辛普利邱代表亚里士多德的观点。两人展开了下述的一段对话:
萨尔维阿蒂:如果把两个自然速率不同的物体连在一起,那么落得快的物体会被落得慢的物体拖着而减速,慢的物体会被快的物体拖着而加速。你同意吗?
辛普利邱:没有疑问,你说得对。
萨尔维阿蒂:但是,如果这是对的,那么我们取一块大石头,例如它的下落速率为8,再取一块小石头,下 落的速率为4,将它们拴在一起,整个系统的下落速率应该小于8;但是两块石头拴在一起要比那块速率是8的石头大,因此,重物比轻物的运动速率要小;这个结论刚好和你的推测相反……我怎么得出了重物体下落得更慢的结论?
辛普利邱:我完全被搞糊涂了……说实在的,这完全超出了我的理解力……
在这段对话中,如果我们仔细推敲,就会发现,伽利略的假设其实是完全站不住脚的,因为两种性质完全相同的东西,当它们合在一起的时候,只能做加法;只有两种性质不同的东西,才会相互抵消。比如你将酒和水这两种不同性质的液体混在一起的时候,酒就会变淡,而水就会变浓;但若你向远处同时投一大一小两只铁球,怎么可能比光投一只大的铁球远呢?这两种性质相同的东西怎么可能相互抵消呢?所以如果亚里士多德这样反问伽利略:“既然投向远处的一大一小两只铁球拴在一起产生了新的重量后,并不能否定两只铁球单独远投时各自的速率,那么当下落的一大一小两只铁球拴在一起产生了新的重量后,是不是也应该不能否定两只铁球单独下落时各自的速率?”伽利略该如何回答呢?他可能也只能这么说:“我完全被搞糊涂了……说实在的,这完全超出了我的理解力……”
伽利略自以为已经驳倒了亚里士多德,但其实他自己先已陷入了自相矛盾之中。用自己的悖论去驳斥亚里士多德的悖论,结果他并没有驳倒亚里士多德。也许他的学生后来发现了伽利略在这一推论方面的致命缺陷,所以编造了这么一个故事。