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伽利略没在比萨斜塔上做“两个铁球”实验  

2017-03-20 20:40:18|  分类: 文教历史 |  标签: |举报 |字号 订阅

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伽利略没在比萨斜塔上做“两个铁球”实验

杨津涛
 希望小学语文教材编写者们能及时采纳新的研究成果,将教材中已被证伪的内容,剔除出去。
小学语文教材中的《两个铁球同时着地》小学语文教材中的《两个铁球同时着地》

几十年来,由小学语文课文《两个铁球同时着地》,我们记住了伽利略,知道他为驳倒亚里士多德的经典理论,做了著名的“比萨斜塔铁球实验”。但这个“比萨斜塔铁球实验”,其实并不存在。

“比萨斜塔铁球实验”的故事,民国时期由国外传入,近几十年被写入小学语文教材

在人教版小学语文教材中,《两个铁球同时着地》出现在四年级下册,其文章核心内容大致谓,当时“研究科学的人都信奉亚里士多德,把这位两千多年前的希腊哲学家的话当作不容许更改的真理”——亚里士多德认为,物体下落速度和其重量成正比。但是伽利略对此表示怀疑,他“那时候才25岁,已经当了数学教授……宣布要在比萨城的斜塔上做一次公开试验。”“……伽利略在斜塔顶上出现了。他右手拿着一个10磅重的铁球,左手拿着一个1磅重的铁球。两个铁球同时脱手,从空中落下来。一会儿,斜塔周围的人都忍不住惊讶地呼喊起来,因为大家看见两个铁球同时着地了,正跟伽利略说的一个样”。

这个故事流传已久,不同图书中的细节各有不同。1935年商务印书馆出版了外国人布赖安特(W·W·Bryant)所著《伽利略传》。此书说法是:“……最著名成功事,即在著名批萨斜塔所行之事。依亚里士多德学说,落体之速度与其重成正比例;故百磅重之物降落较一磅重者快百倍。伽利略否定此说,只因空气之阻力,随物体之大小与形状而改变,其实二物之降落率相等。斜塔之栏杆为试验此说极便利之机会。伽利略作此实验,其结果重者比轻者约快二吋。奇哉!许多反对彼者仍以亚里士多德为胜,以重者降落较快于轻者,伽利略讽刺彼等以二吋亚里士多德之九十九码,盖此数即照亚里士多德假设重者至地应快之数。”

2012年,在中国人编写的一本名为《伽利略:自然科学之父》的书中说:“……伽利略进入公共广场,满怀兴奋,不时停下来,用他那双漂亮的眼睛注视三幢出类超群的建筑物……比萨斜塔底下站着一大群学生,高声谈笑,好像是来看赛鸡表演似的,而不是参加一个庄严的科学实验示范。当然,校长和一些年长资深的教授,怕贬低身份,并没有来参观。伽利略从人群中瞥见几位教授,有些带着一种藐视的神情,有些似乎是感到厌烦,也有修士在内。然而,出乎他们意外的是,这两个质量不相等的铁球同时落地。”

伽利略肖像伽利略肖像

现有资料无法证明伽利略做过“比萨斜塔铁球实验”

伽利略为反驳亚里士多德,做的是一个没有实际操作的“思想实验”

以上三则材料内容上有所不同,但都肯定伽利略确实做过“比萨斜塔实验”。然而,近现代研究者们翻遍当时的各种档案,也没有找到任何相关记述。如果这个实验确如《两个铁球同时着地》所说,曾引起很大轰动的话,不可能一点记录都不留下。1909年,德国学者沃尔维尔(E·W0hlwill)率先表示质疑,“伽利略从未在比萨时的著作中写过这件事,在后来的著作中也未提到”。1935年,美国学者库珀(Lane Cooper)在《亚里士多德、伽利略和比萨斜塔》一书中更大量举证,证明伽利略没有做过“比萨斜塔实验”。

随着研究不断深入,科学史学者基本证实,当初伽利略在反驳亚里士多德“物体下落速度和其重量成正比”这一观点时,使用的是“思想实验”,即通过计算和推演,证明结论。在晚年著作《关于两门新科学的对话》中,伽利略描述了“实验”的推演过程:按照亚里士多德的理论,大石头下落速度大于小石头,那假设“如果一块大石头具有速度8,而一块较小的石头具有速度4,那么当它们合在一起时,系统将以比8为低的速度运动;而当把他们绑在一起时,就变成一块比以前以8的速度运动的石头还要大的石头。所以重的物体比较轻的物体以较低速度运动”。②意即按照亚里士多德的理论,将大小两块石头绑在一起时,会产生两种自相矛盾的结论,表明该理论不能成立。

没有着手去做“比萨斜塔实验”,并无损于伽利略的伟大。如一些学者评论的那样,“对伽利略而言,科学革命和新旧世界观的转换,并不是主要来自更多、更好的观察……不论是想象的实验,还是真实的实验,只要它们是按照数学的要求来设计的,都同样有效”。③爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》中也说:“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类认识史最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正开始。”

作为将实验引人科学研究的先驱,伽利略也从未忽视实验的验证作用。他在各种著作中,提到过落体实验30多次,其中一些实验地点恰恰是在“塔上”,相信伽利略做过“比萨斜塔实验”的人,大都引此为依据。事实上,并无法肯定那指的是不是比萨斜塔。

“比萨斜塔铁球实验”最早见于伽利略的一名弟子的著作

那“比萨斜塔实验”的说法从何而来呢?现在多数学者认为,这一说法最早见于伽利略门徒维维亚尼(Yiviani)所著《伽利略传》(1654年),维维亚尼写道:“由同类物质构成,但重量不同的几个物体,其运动速度不像亚里士多德所认定的那样与其重量成正比例,而是全部以同样的速度运动。这个论点,他(指伽利略)曾当着其他许多大学讲师、哲学家及全体科学家的面,从比萨塔顶反复做实验加以证明”。④

但如前文所述,近现代以来学者们翻遍了当时的各种档案,也未能找到任何与“比萨斜塔铁球实验”相关的资料,如果真如维维亚尼所言,该实验是“当着其他许多大学讲师、哲学家及全体科学家的面,从比萨塔顶反复做实验加以证明”,是不可能找不到任何记载的。维维亚尼可能是出于美化老师的目的,编写了这个故事;也可能是按照伽利略手稿《论运动》中有关“塔”的落体实验夸大而成;还可能是将荷兰人西蒙·斯台文1587年的落体实验,误安在了伽利略头上。

简言之,没有资料能证实伽利略做过“比萨斜塔铁球实验”,已是当下学术界的主流意见。如美国学者威廉·H.克劳普尔在《伟大的物理学家》一书中所言:“伽利略是这个传说中的英雄,虽然他实际上并没有在比萨斜塔上做过实验,但在实质上,他完全做了他应当做的事情。”⑥

现在的比萨斜塔现在的比萨斜塔

伽利略不是第一个质疑亚里士多德和做自由落体实验的人,但最先提出了正确解释

早在伽利略之前,已有不少人对亚里士多德的自由落体理论提出质疑。公元前1世纪,古罗马哲学家卢克莱修虽然同意在介质中落体速度与重量成正比,但他指出真空中所有落体的速度是一样的。6世纪,基督教神学家斐罗庞努士指出,通过实验能证明亚里斯多德有关落体的观点是错的,因为从同一高度扔下重量差别很大的两个物体,它们几乎会同时落地。此外,达芬奇等人,也曾质疑亚里士多德有关自由落体的观点。⑦

这些质疑者当中,最著名的,是前文曾提及的西蒙·斯台文及其铁球实验,他在书中描述了自己的做法:“让我们拿两只铅球,其中一只比另一只重十倍,把它们从三十英尺的高度同时丢下来,落在一块木板或者什么可以发出清浙响声的东西上面,那么,我们会看出轻铅球并不需要比重铅球十倍的时间,而是同时落到木板,因此它们发出的声音听上去就像是一个声音一样。”⑧

伽利略的贡献不在于重复了这些人的观点或实验,而在于他在观察的基础之上,正确总结出自由落体运动的规律。限于当时的技术条件,伽利略无法对自由落体运动进行实际观测,于是他设计了斜面实验和单摆运动实验,以“冲淡重力”。伽利略最终发现“下落距离 S 与下落时间 t 的平方成正比”的自由落体规律,是在1609年左右——已经是传说中“比萨斜塔实验”发生近20年后了(实际上并未发生)。⑨可见从发现一个现象,到用理论说明它,是一个漫长过程。

霍金在《时间简史》中对伽利略的实验过程有过简单解释,“据说,伽利略从比萨斜塔上将重物落下,从而证明了亚里士多德的信念是错的。这故事几乎不可能是真的,但是伽利略的确做了一些等同的事——将不同重量的球从光滑的斜面上滚下。这种情况类似于重物的垂直下落,只是因为速度小而更容易观察而已。伽利略的测量指出,不管物体的重量是多少,其速度增加的速率是一样的……当然,一个铅垂比一片羽毛下落得更快,那是因为空气对羽毛的阻力引起的……”⑩伽利略的测量后来成为牛顿力学体系的基础。

如霍金所说,物理学上的自由落体运动(初速度为0,加速度为g的匀加速直线运动),只能发生在真空环境之下。在存有空气阻力的情况下,“两个铁球同时着地”其实是不能实现的。如果真有“比萨斜塔实验”,最开始引用的1935年商务印书馆《伽利略传》的说法更符合实际——大铁球克服空气阻力能力强,比小铁球落地时间更早上一点。不过,由于比萨斜塔的高度有限,空气阻力造成的影响是肉眼难以察觉的。也就是说,虽然伽利略没有去做这个实验,但如果去做这个实验,是足以反驳亚里士多德的。

画家笔下,正在做斜面实验的伽利略画家笔下,正在做斜面实验的伽利略

小学语文教材,应该用真实故事,去阐释真实道理

综上可知,围绕伽利略和“比萨斜塔实验”的争议,已经出现一百多年,现在基本能肯定的是,伽利略没有在比萨斜塔公开做过铁球落地的实验。近年来,一些相对专业的书籍逐渐纠正旧说,如吴国盛《科学的历程》(1995年)说,“伽利略并没有在比萨斜塔上做过传说的那个著名的判决性实验”。然而,在小学语文教材,及那些专门为少年儿童撰写的“科普读物”中,“比萨斜塔实验”实验的故事,依旧频繁出现。

伽利略和“比萨斜塔实验”的故事,很有一些顾颉刚所谓“层累”的意味,在流传过程中情节不断丰富。维维亚尼在《伽利略传》中说到这个事,只是一个陈述语句,但在中国小学语文课文里,已经包括了具体的实验细节、人物心理,乃至围观者的言语。在这样一个缺少史料支撑的事件中,故事的真实性和其细节的丰富程度成反比。

我们相信,只有真实的故事,才能传达真实的价值理念。用“比萨斜塔实验”这样一个本身漏洞百出的“科学常识”,来传达科学精神,实在是一种讽刺。希望小学语文教材编写者们能及时采纳新的研究成果,将教材中已被证伪的内容,剔除出去。

小学语文《两个铁球同时着地》课文小学语文《两个铁球同时着地》课文

注释

①阎康年:《关于“比萨斜塔实验”争论的发展和看法》,《科学、技术与辩证法》1988年第1期;②武际可:《打开近代科学之门的对话——伽利略的<关于两门新科学的对话>》,《力学与实践》2006年第5期;③⑦方舟子:《科学史上著名公案——伽利略有没有做比萨斜塔实验?》,《经济观察报》2009年6月8日、6月15日;亦明:《方舟子懂“科学史”吗?(之五)》,中国学术评价网;④转引自(俄)鲍·格·库兹涅佐夫:《伽利略传》,商务印书馆2001年,第48页;⑤⑧奚彦辉:《“科学常识”之谬——从“比萨斜塔实验”谈起》,中国社会科学报2016年1月15日;⑥(美)威廉·H.克劳普尔:《伟大的物理学家:从伽利略到霍金物理学泰斗们的生平和时代(上册)》,当代世界出版社2007年,第2、3页;⑨肖太陶:《伽利略有没有在比萨斜塔做过落体实验》,《中国科技信息》2005年第19期;⑩史蒂芬·霍金:《时间简史 第3版》,湖南科学技术出版社2007年,第14、15

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