伽利略与惯性定律 1582 年的一天,意大利比萨城一个年轻的医科学生,正在比萨大教堂里 跪着,同去做礼拜的同伴们都在专心地听牧师讲道,大厅里除了讲演声和一 根链条的擦碰声外,一片寂静.一盏从教堂顶端悬挂下来的吊灯,被风吹得 在空中来回摆动.摆动着的挂灯链条的嘀嗒声惊扰了正在做祈祷的医科学生 ——伽利略.这种人们常见的现象,引起了伽利略极大的兴趣.他的思考与 牧师的祷告距离越来越远了.他目不转睛地注视着吊灯的摆动,尽管吊灯摆 动的振幅逐渐减小,但往返一次所需要的时间似乎都一样.他把右手指按在 左手腕的脉搏上测量起来,惊奇地发现:不论灯摆动的幅度多大,每摆动一 次所需用的时间的的确确是相同的.这个意外的发现,使他仿佛遭到了闪电 的突然袭击,引起了伽利略的惊奇.他自问:自己的感觉是正确的吗 不是 感觉欺骗了自己,就是亚里土多德"摆幅短需时少"的说法是错误的.究竟 是看花了眼,还是发现了奇迹,发现了大自然的一个伟大真理 他在教堂一 刻也呆不下去了,拔腿跑回家中. 伽利略回家后,迫不及待地进行了实验,为了取得精确的实验结果,他 找来了一只沙钟,准备好鹅管笔,墨水,纸张,认真记录实验数据,并请他 的教父帮助他进行这个试验.他找来两根一样长的绳子,在顶端各坠上一块 相等重量的铅块,分别将两根绳头系在两根厅柱上.伽利略手拿两个铅摆, 分别拉到距垂直线不同的位置,然后同时放开手,让绳索自然摆动,让他的 教父数一根绳索的摆动次数,自己数另一根绳索摆动的次数,然后加以比较. 经过多次反复实验,发现两根绳索来回摆动的次数总数是一样的.伽利略终 于发现:虽然两根绳索起点不相同,但摆动的时间却一样.他发现了摆动的 规律,并用数学公式给予了准确的表述:即摆动的周期与摆的长度的平方根 成正比,而与摆锤的重量无关.这就是伽利略年轻时发现的著名的"摆的等 时性原理".后来,荷兰的科学家犹更斯就是根据这个原理,制造出了挂摆 的时钟.今天,这个原理被更广泛地应用于计数脉搏,时钟计时,计算日食 和推算星辰的运动等诸方面. 伽利略发现著名的"摆的等时性原理"时,年仅 18 岁. 1564 年 2 月 15 日,伽利略出生于意大利的比萨城.他的祖辈是佛罗伦 萨的名门贵族,父亲是音乐家,作曲家,多才多艺,而且还擅长数学,可是 他却不愿意自己的儿子将来成为一名数学家或音乐家,希望他能成为一位医 生.伽利略 11 岁时,进入佛罗伦萨附近的法洛姆博罗莎经院学校,接受古典 教育.孩提时代的伽利略,好奇心极强,喜欢与人辩论,从不满足别人告诉 他的道理,而要自己去探索,去想象.他虽是一个音乐师的儿子,却从小就 对"天空的音乐"感兴趣,他父亲说他是一个心不在焉的小星象家,说他常 常眼里看见奇象,耳朵里听见异音.在学校里,当老师在解说拉丁文的介词, 或意大利文的动词的重要性时,小伽利略的心早就随着父亲给他买的作为生 日礼物的那只小气球飞到天外去了.他还喜欢制造机械玩具做游戏,他制作 了各式各样的像车,风车,船之类的小玩意儿. 17 岁时,伽利略进入了比萨大学学医.然而,他以后的成就竟与医学毫 无关系.在大学学习期间,他对医学兴味索然,却迷恋着数学,在他的医学 教科书下藏着欧几里德和阿基米德的著作,背着人,一心一意地钻研着数学.
空闲时,就用自制的仪器进行自然科学实验.他深深感到:"数理科学是大 自然的语言."为了学好这种语言,他决意献出自己的一生. 在学习过程中,伽利略表现出了独特的引人注目的个性,对任何事物都 爱质疑问难.他不但指责学校的教学方法,而且还怀疑教学内容.尤其是对 哲学家们所崇奉的那些"绝对真理",他更想探明它们究竟包含什么意义, 甚至对古希腊伟大的哲学家亚里士多德的主张也提出了质疑. 伽利略的学习动向和实验活动,引起了学校教授们的不满,因为一个学 生要独立思考,简直是不折不扣的异端.教授们宣布道:"所有科学上的问 题都最后而且一劳永逸地被亚里士多德解决了.无论何时,只要谁敢对一条 教条式的说法提出异议,教授只需引用亚里士多德的一句话就可以结束争 论.而伽利略却常常用自己的观察,实验来检验教授们讲授的教条,对于伽 利略"胆敢藐视权威"的狂妄举动,教授们不仅写信向伽利略的父亲告状, 而且拒绝发给伽利略医学文凭,甚至给他警告处分,因此,伽利略被迫离开 了比萨大学,成了一个人所共知的学医失败者. 1585 年,伽利略回到佛罗伦萨,在家自学数学和物理,潜心攻读欧几里 德和阿基米德的著作, 1586 年写出论文 《水秤》 1588 年写出 , 《固体的重心》 , 从而引起了学术界的注意.1589 年,伽利略的母校比萨大学数学教授的席位 空缺了,在友人的推荐下,他当上了比萨大学的数学教授.伽利略,这位年 仅 25 岁的教授在完成日常教学工作外,开始钻研自由落体问题. 当时,亚里士多德的物理学占支配地位,是无容置疑的.亚里士多德认 为:不同重量的物体,从高处下降的速度与重量成正比,重的一定较轻的先 落地.这个结论到伽利略时差不多近 2000 年了,还未有人公开怀疑过.物体 下落的速度和物体的重量是否有关系:伽利略经过再三的观察,研究,实验 后,发现如果将两个不同重量的物体同时从同一高度放下,两者将会同时落 地.于是伽利略大胆地向天经地义的亚里士多德的观点进行了挑战. 伽利略提出了崭新的观点:轻重不同的物体,如果受空气的阻力相同, 从同一高处下落,应该同时落地.他的创见遭到了比萨大学许多教授们的强 烈反对,他们讥笑着说:"除了傻瓜外,没有人相信一根羽毛同一颗炮弹能 以同样的速度通过空间下降."他们准备教训伽利略,迫使他在全体教授和 学生们面前承认他的观点是荒唐的,让他当众出丑,永世不得翻身. 对于亚里土多德的信徒们的挑战,性格倔强的伽利略毫不畏惧,为了判 明科学的真伪,他欣然地接受了这个挑战,决定当众实验,让事实来说话. 公开的"表演"地点在比萨斜塔.1590 年的一天清晨,比萨大学的教授 们穿着紫色丝绒长袍,整队走到塔前,洋洋得意地准备看伽利略出丑;学生 们和镇上的市民们,也熙熙攘攘地聚集在比萨斜塔下面,想看个究竟.伽利 略和他的助手不慌不忙,神色自如,在众人一阵阵嘘声中,登上了比萨斜塔. 伽利略一只手拿一个 10 磅重的铅球,另一只手拿着一个 1 磅重的铅球.他大 声说道:"下面的人看清,铅球下来了!"说完,两手同时松开,把两只铅 球同时从塔上抛下.围观的群众先是一阵嘲弄的哄笑,但是奇迹出现了,由 塔上同时自然下落的两只铅球,同时穿过空中,轻的和重的同时落在地上. 众人吃惊地窃窃私语:"这难道是真的吗 "顽固的亚里土多德的信徒们, 仍不愿相信他们的崇拜者——亚里士多德会有错误,愚蠢地认为伽利略在铅 球里施了魔术.为了使所有的人信服,伽利略又重复了一次实验,结果相同. 伽利略以雄辩的事实证明"物体下落的速度与物体的重量无关",从而击败

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