|
近代物理从伽利略开始，自他之后，近代科学才算是有了一丝曙光。物理学家一般分为实验物理学家和理论物理学家，而伽利略则是两头都沾边。他通过做实验，诸如将一个小球沿着斜面下滑，他得出了力不是维持物体运动的原因，从而推翻了亚里士多德的观点。我们首先来简单介绍一下伽利略，伽利略与莎士比亚出生于同一年，即1564年。伽利略出生于比萨的一个没落的贵族家庭，在十岁的时候全家都搬到了佛罗伦萨，他后来进入修道院学习。伽利略小时候的梦想是当一名传教士，只不过他的父亲逼着他去考公务员，就是学医。伽利略17岁的时候，进入比萨大学学医，他一开始是一名医学生，只不过他的兴趣都在数学和物理学上，因为擅长辩论而闻名全校。1583年，伽利略在比萨教堂里注意到一盏悬灯的摆动，随后用线悬铜球作模拟（单摆）实验，确证了微小摆动的等时性以及摆长对周期的影响，由此创制出脉搏计用来测量短时间间隔。1592年，伽利略进入帕多瓦大学任教，这地方远离罗马，因此学术较为自由，也就在此期间，他深入而系统地研究了落体运动、抛射体运动、静力学、水力学以及一些土木建筑和军事建筑，发现了惯性原理，研制了温度计和望远镜。伽利略时期，亚里士多德已经被教会收编，代表着正确，而我们知道，老亚很多观点都是错的，比如他认为，重的物体比轻的物体下落更快。这非常符合我们的直觉，但物理学的存在，就是一次又一次颠覆我们的直觉。实际上，我们不需要像伽利略一样跑到比萨斜塔上亲自做一个实验，就可以证伪亚里士多德的这个结论。有关伽利略的比萨斜塔实验也是后人杜撰的，只能当作一个故事。因为当你松手放开两个小球的时候，你根本无法做到精准，也就是说，在同一时间内松开两只手。因此即使伽利略这么做了，这个实验也是非常粗糙的，不严谨。我们只需要用我们的头脑做一次思想实验就可以证伪老亚。其实一点都不难，我们只要假设有两个人，比如一个叫有趣的灵魂，200斤，另一个是好看的皮囊，100斤。我们先假设老亚的观点是对的，那就是说，有趣的灵魂要比好看的皮囊下落的时间更短。好，我们接着将有趣的灵魂和好看的皮囊绑在一起，让他们一起下落。按理说，好看的皮囊会拖累有趣的灵魂的下落速度，因为他下落地要比有趣的灵魂要慢。好，接着，我们将这两个绑在一起的人看做一个整体，我们就叫他有趣的皮囊吧，重300斤，这个整体要比单个的有趣的灵魂要来的重，因此它下落的速度要比单个的有趣的灵魂要快。于此，我们得出了与假设前提相矛盾的情况，即这是不可能的。同理，我们也可以得出，轻的物体比重的物体下落要快也是错的。那我们就只能接受，重的物体和轻的物体下落一样快这个结论。这场思想实验只发生于我们的头脑，因此我们不需要额外的工具就可以证伪老亚的这个结论，想来也是非常有意思。好，接下来我们继续来一场思想实验。我们假设有一辆火车，伽利略用的例子是轮船，因为他那个时代根本就没有见过火车。而我相信在现在，坐过火车的人肯定要比坐过轮船的人要多，所以这里的例子就用火车来代替。在一个封闭的火车里面，我和你坐在里面，我问你，你要怎么才能知道火车是在运动还是静止的呢？（相对地面，而且是直线运动，这里不涉及曲线）好，没错，那么我们再来增加一个限制条件，假设这辆火车没有窗户，是一个封闭的空间。你仔细想了一会，说，这也很简单，我们可以感受，只要将后背靠在座椅上，如果我们感受到一种推背感，感觉后背有一种力在推我们，我们就能得出，火车在做加速运动。而如果我们感觉后背有一种离开椅子的冲动，则火车在做减速运动。好，这也没问题，可是如果，加速度的变化很小呢，以至于我们的后背根本感受不到，又有什么办法可以直观地获得结果呢？你又想了想，从口袋里面掏出了一个单摆，说，我们看这个单摆，如果单摆是静止不动的，则火车是在静止或匀速直线运动，如果单摆在向前倾或向后倾，则它是在做变速运动，且加速度的方向与倾斜的方向相反。好，很好。可是你也说了，如果单摆是静止不动的，则火车是在静止或匀速直线运动，可是问题来了，我们要怎么辨别火车究竟是静止的呢还是匀速直线运动的呢？这也就是说，如果火车里面没有窗户，则我们根本就不可能判断出火车究竟是静止还是匀速直线运动的，无论我们做什么样的力学实验，都无法知道。在匀速直线运动状态下面，所有的力学规律和在静止的状态时是完全一样的。在伽利略眼中，静止和匀速直线运动这两个词的物理意义是相同的，他用了另一个词来统一描述他们的状态，即惯性系。无论是在静止的火车上做力学实验，还是在匀速直线运动的火车上做力学实验，在伽利略眼里，都是在一个惯性系里做力学实验。这也就是伽利略的相对性原理：在任何惯性系中，力学规律始终不变。后来，爱因斯坦在此基础上，又做出了延拓，在任何惯性系中，不仅力学规律不变，所有的物理规律都不变，这也就是狭义相对论的一个结论。伽利略之前的科学家，认为摩擦力是一种基本力，是宇宙中最本质的存在。也因为有了摩擦力，物体才能最终静止。可是伽利略发现，摩擦力并不基本，他通过滚球实验论证了这一点。当小球滚下一个斜坡再滚上另一个斜坡时，只要斜坡足够光滑，那么小球上升所达到的高度一定等于滚落时的高度。据此，伽利略认为，如果没有第二个斜坡，那么小球一定会以恒定的速度不停地向前滚动。（补充：宇宙中最基本的力就四种：万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。无论是推力、拉力，还是摩擦力，都属于电磁力，就包括你打我一拳，这也属于电磁力）这在我们今天看来，非常正常，但却是物理学上一次革命性的突破，它彻底改变了人们的思维方式。我们如今称其为“惯性定律”，可以说，它是牛顿运动定律的基石。只有在伽利略认识到匀速运动不需要外力之后，牛顿才能自然而然地做出外力改变速度的推论。从此，天堂与人间不再是两个不同的世界，它们共用一套物理法则，天堂相比于人间，也并没有什么特殊之处。1642年1月8日，伽利略去世，享年60岁，有关他在天文学上的成果和与教会之间的纠纷，我们留到西方史中再讲。
|
