1587

研究人員：

伽利略·伽利萊

研究領域：

引力

結論：

無論質量是大是小，所有物體都會以同樣的速度墜落

大球和小球：誰墜落的速度更快？

引力和有關墜落的科學

作為實驗科學早期階段的一位重量級人物，伽利略思考世界的方式清晰明了，富有邏輯。他曾寫道：“自然的規律……可能并不復雜，基本的規律或許只有寥寥幾條。”這聽起來和奧卡姆剃刀原理異曲同工。

伽利略還曾寫道：“自然哲學（例如科學）是用……數學語言寫成的，它的特性可以表達為三角形、圓形和其他幾何圖形。”

1581年的某一天，伽利略坐在比薩一座宏偉的大教堂里，無聊的他注意到頭頂的黃銅大吊燈正在隨著氣流搖晃。教堂高聳的穹頂上垂著長長的鏈子，掛在鏈子上的吊燈緩慢地左右搖擺。伽利略利用自己的脈搏測量了吊燈搖擺的頻率，然后他驚訝地發現，無論吊燈搖擺的幅度有多大，每次搖擺花費的時間都完全相同。

單擺實驗

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回家以后，伽利略將配重塊系在繩子上，做了幾個單擺來探究這一現象。他發現，單擺的重量和振幅都不會影響最終的結果，唯一與搖擺周期有關的值是繩子的長度。要想讓單擺每次搖擺花費的時間增加到原來的兩倍，那么繩子的長度需要變成原來的四倍。現在我們知道，單擺搖晃的周期公式可以表達為，其中時間t以秒為單位，l是擺繩的長度，g是地球表面的重力加速度，即396.2英寸/平方秒（約10米/平方秒）。

伽利略意識到，根據這一特性，單擺非常適合用來校準機械鐘，于是他親自設計了一份圖紙，不過直到1642年伽利略去世，他的設計依然停留在紙面上。直到15年后，荷蘭博學家克里斯蒂安·惠更斯才制造出了世界上的第一座擺鐘。

墜落的物體

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1589年，伽利略開始思考亞里士多德的學說，尤其是關于物體墜落的論斷。亞里士多德曾經說過，較大的物體墜落速度比小的物體更快，如果一塊石頭的重量是另一塊石頭的兩倍，那么同時放手，較重的石頭一定會先落地。

伽利略很想驗證亞里士多德的理論，于是他設計了一個實驗。傳說他爬到了著名的比薩斜塔頂上，然后把兩個重量不同的球同時扔了下去，觀察二者墜落的速度。不過這個實驗做起來有些困難，要做到同時放手就不太容易了，而且兩個球墜落的速度太快，觀察者可能根本看不清它們誰先落地，更別提準確測量落地的時間。

傾斜的平面

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據我們所知，伽利略在一根木梁上挖了一道槽，然后打磨光滑，還在槽的內表面蒙了一層羊皮紙。然后，他支起木梁的一端，把光滑的銅球放進槽里，讓它沿著梁向下滾動。利用這個傾斜的平面，伽利略實際上減緩了銅球墜落的速度，因此他可以方便地觀察測量相關數值。

實驗的難點依然是計時，剛開始伽利略靠自己的脈搏來計時，后來也用過水鐘，最后他想到了利用聲音來測速。他在溝槽旁邊裝了一排小鈴鐺，球滾過去的時候會碰到鈴鐺，發出清脆的聲音。通過鈴鐺的聲音，就可以比較準確地估算銅球的速度。

鈴鐺以相等的間距排列在溝槽旁邊，隨著銅球向下滾動，相鄰的兩個鈴鐺發聲的間隔越來越短，換句話說，銅球在滾動的過程中，速度在不斷地變快。伽利略不斷更換鈴鐺的安裝位置，最后發現，如果相鄰的鈴鐺之間的間隔分別是1、3、5、7、9個單位，那么鈴鐺被碰響的時間就差不多是均勻的，也就是說，這些鈴鐺距離起點的距離分別是1、4、9、16和25個單位。通過這種方式，伽利略證明銅球在第1秒運動了1個單位，前兩秒4個單位，3秒9個單位，4秒16個單位，5秒則是25個單位——換句話說，銅球運動的距離與時間的平方成正比。

均勻加速度

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伽利略意識到，銅球的加速度是恒定的，或者用他自己的話來說：“從靜止開始運動的物體在相等的時間段內獲得的速度增量相同。”

伽利略的數學知識不足以讓他推導出自由落體的運動公式，幾十年后，牛頓將完成他未竟的工作。不過，這位意大利科學家的確證明了大球和小球沿著斜坡向下滾動的速度完全相同，亞里士多德的理論實際上是錯的。