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经典之所以为经典，某种程度上也代表着它难以重现。有句话说得好：总是被模仿，从未被超越。但有这么一群人，却因为“经典”难以重现，开始怀疑起人生来。 上周日《加油！向未来》在全国唯一的6米高透明真空管里，将一根羽毛与一个不锈钢球从同样的高度同时释放，两者在高速摄像机和无数双观众眼睛的见证下，同时落地。曾经美国宇航员在月球上同一高度释放了一根羽毛和一把铁榔头，也是几乎同时落地。这一清晰明白又神秘的景象在电视上用仪器呈现出来，固然让人激动，但鲜有人知道实验准备过程的艰辛和“自由落体实验”的意义。 撒贝宁（右）和尼格买提（左） 节目中总高6.8米的真空落塔，大部件达到了两三百公斤。而组装的误差限制是以毫米计的。如果管上各种接口处有一个比头发丝还细的缝隙，所有的辛苦都将付之东流。组装完成后，实验验证团队都带着轻松的心态去测试，结果却傻眼了。 实验仪器 “经典”重现不出来了。 这个经典，指的正是伽利略具有奠基现代物理学意义的“落体实验”。他的卓越之处不止在实验本身，而是实验所使用的独特的方法：在实验的基础上，进行理想化推理。 他让一个铜球从阻力很小的斜面上滚下，做了上百次的实验，由此证明了小球沿光滑斜面向下的运动是匀变速直线运动。换用不同质量的小球重复上述实验，位移跟所用时间的平方的比值仍不变，这说明不同质量的小球沿同一倾角的斜面所做的匀变速直线运动的情况是相同的。 伽利略将上述结果做了合理的外推，把结论外推到斜面倾角增大到90°的情况，这时小球将自由下落，成为自由落体伽利略认为，这时小球仍然会保持匀变速运动的性质。 不过，用外推法得出的结论，并不一定都是正确的。现代物理研究中也常用外推法，但用这种方法得到的结论都要经过实验的验证才能得到承认。 回到节目中的真空落塔实验验证阶段。让各位怀疑人生的事情就是：真空管中的羽毛和不锈钢球下落不一样快。 而且是肉眼可见的明显不同步。实验验证团队最终找到原因，原来为了把不锈钢球和羽毛吸在电磁铁上，我们需要把羽毛和不锈钢球分别挂在一个小衔铁上，然后把衔铁吸在电磁铁上。考虑到羽毛质量很小，为了减小影响，固定羽毛用的小衔铁比固定铁球用的小得多。可这个衔铁是普通的铁（铁磁质）而不是纯铁（顺磁质），在电磁铁断电，磁性消失时，铁块内的剩磁小的吸力，不锈钢球较重能够迅速脱离电磁铁，而羽毛很轻，脱离的就要慢一点。 反复研究实验，最终还是换回了响应最快的电磁铁方案，在此基础上把衔铁统一改成较重的纯铁块。为了避免衔铁下坠对羽毛的干扰，不再把羽毛和铁球固定在衔铁上，而是把衔铁用绳子吊在电磁铁架子上，拴着羽毛和球的线挂在衔铁上，而悬挂的位置则选在距离衔铁边缘1毫米左右的地方，最终才实现了几乎同步释放的完美呈现。 当然，在实验中总会存在误差，所以不存在绝对的“同时”。现场科学顾问提出的另外一个难以控制的因素就是羽毛。羽毛的形状让它很难被垂直释放。但是这个实验证明了在同样的重力场中，不同重量的物体，是用相同方式下落的；惯性质量和引力质量是同源的、是统一的。 中科院物理所 曹则贤研究员 而物体是加速下落这一规律，正是通过生活中的观察得来的。曾经有人观察屋檐下的滴水，他发现屋檐下的滴水在一开始是连续的，快到底下的时候，分成一滴一滴的雨，而且是越往下雨滴之间的距离越远。这时候一个重要的概念被提出了：下落过程中是一个加速过程。 而重现这个经典实验的另一意义所在，便是致敬伽利略开创的研究自然规律的科学方法——将抽象思维、数学推导和科学实验相结合，这种方法对于后来的科学研究具有重大的启蒙作用，至今仍不失为重要的科学方法之一。《加油！向未来》的现场选手也得到了友情提示：真正的科学实验不能脱离理论存在。 |
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