自由落體定律的發現

卓世偉

在17世紀以前，物理學中有許多觀點都是錯誤的，比如亞里士多德的自由落體觀念。亞里士多德認為，在自由落體運動中，物體下落的速度和它的質量成正比，比如羽毛因為質量小，所以下落速度慢，鐵球質量大，所以下落速度快。亞里士多德的錯誤觀點影響了人們近2000年。

到了17世紀初期，年青的伽利略在讀了亞里士多德的著作后，首先運用邏輯推理的方法指出了亞里士多德自由落體觀念中的邏輯矛盾。他說，如果用一根繩子把兩個質量不同的物體系起來，那它們將以什么速度下落呢？按照亞里士多德的理論，它們的質量是兩物體質量之和，所以，它們的下落速度也應是兩物體各自單獨下落時的速度之和；另一方面，用繩子系起來的兩物體畢竟不是一個物體，質量大的下落速度快，被質量小的拖了后腿，所以速度減慢；而質量小的物體原來下落慢，由于被質量大的物體拖曳，則其速度應有所增加；很快兩物體將以相同的速度下落，這個速度應是兩物體下落時的平均值。這兩個互相矛盾的結論都是從亞里士多德的落體理論中推導出來的，可見亞里士多德的落體觀念不足為信，是錯誤的。

站在比薩大學的課堂上，伽利略一只手拿著一塊磚，另一只手拿著用水泥砌在一起的兩塊磚，比較它們的質量。他對學生說：“各位同學，經過觀察分析，我得出一個結論，亞里士多德的觀點是錯的?！?/p>

全班學生都大吃一驚：“亞里士多德的觀點有誤？”每個人在學校里的第一堂自然科學課上，首先學習到的就是：古希臘哲學家亞里士多德的著作是科學的基礎。亞里士多德的一條定理就是：重的物體因其質量大，所以下落速度快。

伽利略爬上桌子，把磚頭舉到齊眉的高度，松開了手?！芭椤钡囊宦?，兩塊磚落在地板上，他問道：“質量大的下落得快嗎？”

學生們搖了搖頭，兩塊磚是同時落地的。

伽利略喊道：“再來一次！”他再次拋下磚頭，“砰”的一聲，學生們仍呆呆地站在那里。他又問道：“質量大的下落快嗎？”兩塊磚頭還是同時落地，學生們目瞪口呆，伽利略當場宣布亞里士多德的結論是錯誤的。

但是，世人不愿接受伽利略的科學發現。他的朋友里奇是一名數學家，看到伽利略的磚塊落地演示后，說道：“我只承認兩塊磚與一塊磚是以相同速度落地的，但是我仍不能輕易相信亞里士多德的理論是錯誤的，還是請你再找另外的實例來證明吧！”

伽利略認為自己需要公開進行一次更有說服力的演示，讓眾人接受他的發現。于是，伽利略做了著名的比薩斜塔實驗，他從54米的高度同時扔下一個重4.5千克的鉛球和一個重0.45千克的鉛球，結果兩球同時落地。伽利略還考慮到，如果在比薩斜塔的高度上，雞毛不會與鐵球同時落地，是因為存在著空氣阻力的緣故，他猜想，在真空中沒有了空氣阻力，雞毛也會像鐵球那樣快速落地。

伽利略由此得出結論：無論質量是否相同，物體從相同的高度自由落下時，它們將同時落地。這就是著名的自由落體定律。