伽利略的运动观

据称，伽利略曾在比萨斜塔上同时扔下一大一小两块石头，并发现在实验允许的误差范围内，两块石头同时落地。不管伽利略是否真的进行了这项实验，他对运动的看法都是深刻的、独创的，其中的一些观点我们至今仍深信不疑。

伽利略认为，物体坠落时速度不恒定，但加速度是恒定的。无论物体轻重，加速度这个恒量都是不变的。因此，如果一轻一重两块石头从相同高度的地方同时坠落，它们将在同一时间着地。但这个观点并不适用于所有物体，因为如我们所知，如果一块石头和一片羽毛从比萨斜塔上同时落下，石块会先着地。

伽利略对这一差异再清楚不过了，因为这也是他与亚里士多德观点相左之处。伽利略意识到是空气阻力使得羽毛和石头下落时加速度不同，因为空气阻力对羽毛的影响更大。空气甚至还能发挥更大的作用，让物体从地面升起，赋予鸟类飞翔的能力。我们一不小心便会让空气的存在阻碍我们正确地认识落体的基本运动形态。如果把空气排空，那么石头和羽毛便会同时落地，而鸟类也将无法飞翔。

在基础物理课程上，我们经常会以另一种方式做这个实验。将一片羽毛和一块石头放入一根长玻璃管，玻璃管的一头用塞子塞住，另一头是一个阀门。将玻璃管竖立，石头和羽毛从玻璃管的一头落到另一头，而石头下落的速度比羽毛快。然后将玻璃管接上真空泵（一种从容器内排出气体——如空气——的工具），将里面的空气排尽。关闭阀门，再将玻璃管竖立。这时，石头和羽毛以同样的加速度下落，并同时到达玻璃管底部（观众起立鼓掌）。该实验如图4.1所示。

图4.1　在一个真空玻璃管内，石头和羽毛以相同的速度和加速度下落

伽利略无法抽空比萨斜塔周围的空气，于是他便使用像大石块和小石块这样的物体进行实验，因为空气阻力并不会因为石块的大小而有太大差别。实验过后伽利略推断出，当空气不存在时所有物体都会以相同的加速度坠落。时间证明伽利略的推断是正确的，其误差在现代实验所允许的范围内。

伽利略对水平运动也有着深刻见解。与亚里士多德不同，伽利略意识到一个运动物体的“自然”趋势是以恒定速度（速率恒定而方向为直线）运动，只有外部影响（作用力）才能改变物体的速率和运动方向，即产生加速度。一个物体的惯性即该物体抵制加速度的趋势。伽利略对惯性定律进行了清楚的描述：

任何物体都有保持匀速直线运动或静止状态的趋势，直到外部作用迫使它做出改变。

一个人不管以多快的速度做水平运动，只要他速度保持恒定，他就不会感觉到运动带来的任何影响（假设空气随着他一起运动）。当我们和地球处于相对静止状态时，我们实际上在随着地球快速地运动。尽管地球在自转，但其自转一圈需要24小时。此外，地球相对于人来说体积十分庞大。因此，当我们随着地球运动时，我们的运动轨迹大概呈直线状。运动轨迹的弧度对于我们来说太难以察觉，因此我们很难判断我们在跟着地球一起运动。

我们来举一个加速的例子。当你开车行驶在路上遇到红灯时，你知道在通常情况下放开油门是不足以制动的；你必须踩刹车。踩刹车的制动效果明显好于空气阻力和其他的常规阻力（摩擦力）。

关于踩刹车的例子可能会引起一些困惑。汽车的刹车怎么能看作外部作用呢？事实上，刹车确实是内部作用，它让汽车的轮胎转速减慢。而这一内部作用能否让汽车减速取决于外部作用。在通常情况下，踩刹车时汽车轮胎与路面的摩擦力会导致汽车减速。不过，如果汽车行驶在冰面上，摩擦力便会大打折扣，即便轮胎不旋转，它们也会沿着冰面滑行。一个极端的例子就是如果汽车从桥的一侧飞冲下去，就算踩刹车也无法改变车子在空中的整个轨迹。

当物体坠落时，引力是导致物体向下加速的作用力。但是引力这一作用力非常特别，因为当没有其他作用力影响时，引力给所有物体造成的加速度是相同的。伽利略知道这一点，却没有对其做出任何解释。在第6章中，我们将说到牛顿用他的万有引力定律和运动定律对其做出了解释，但他没有进一步讨论隐藏在引力定律后面的意义。在第10章中，我们会发现爱因斯坦对这一问题想得更加深入，而且还提出了一个与牛顿引力定律不同的理论。后续的实验证明爱因斯坦更加接近真理。