《物理的故事——在悖论中前行》
第9节作者:
江湖小片
伽利略与神父们冲突在于,伽利略认为天体的运行与《圣经》里的天堂是两码事,而教会则认为是一码事。除了维护自己的地位,教会可能是怕信徒们在这样浩淼的宇宙中找不到天堂的位置吧,实际上科学不断的发展,教徒们一直都在忧心忡忡地想给上帝的安排一个合适的住址。
伽利略是倔强的也是聪明的,在被禁言的岁月,他毕全生所学,于1630年完成了一本叫《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》的书,书中虚设三位人物:沙格列陀、萨尔维阿蒂和辛普利邱。沙和萨皆是伽利略的支持者,而辛却是坚持“两个凡是”的人:凡是亚里士多德说的话都是正确;凡是后人对亚里士多德的工作的补充都是有意义的。
这本书仿照古希腊的很多著作(比如《理想国》)以三人的对话形式展开,分为四天,每天一个主题(就像第一回中小明和祖师爷的对话一样),洋洋洒洒几百页表达了对亚里士多德体系的思考和批判和哥白尼体系辩护。
日期:2017-08-11 22:39:27
要为哥白尼体系辩护,就绕不开一个话题:地球自转为什么没有东风的问题。这个让人类裹足不前的问题在在这一刻有了答案,伽利略认为地球在转动的同时,地球上的任何物体——人、山、石头、空气等等,都具有同样转动的速度。如果两个速度一样,那么二者是相对静止的。好比一个人坐稳稳当当的船里,自然感觉不到船在行走,只能感受到两岸风景在后退。
假设一艘船(A)的速度是60,对面划来另一艘船(B),速度是70,那么对于A船上的人来说,A船的速度是0,而B船的速度是130;对于B船而言,B船速度是0,而A船速度也是130,不过是相反的方向而已。
假设B船是从A船向同一个方向,那么对于A船来说B船以10的速度前进;而对于B船来说,A船的速度也是10,不过是倒退。这便是伽利略相对变换原理。
此时,如果船桅杆上的掉下一个石头(脱离船体),为什么会落到正下方,而不是后方?伽利略聪明地将石头下落的速度看成复合运动。
下落的石头可以看成两个速度的合成,一方面它因为重力垂直向下运动,另外一方面它又沿着船体运动的方向,以同样的速度运动,所以石头落下只能在正下方。也就说石头的整个运动被分解了,一个是继续水平方向上的运动,一个是自由落体。在岸上的观察着看来,它做抛物线运动,而对于船上的观察着看来,它的运动就是自由落体。
自由落体很容易理解,维持石头水平运动的力何来呢?根据亚里士多德的理论,力才是维持物体运动的原因,而现在石头离开了船,即便是空气迂回的话,石头水平方向的速度也会慢慢减小。
对于这一悖论,伽利略创造性地提出了“惯性”的概念。惯者,一贯而之也,可以简单理解为:物体(无论运动还是静止)始终想要保持原来的样子,直到外力改变它,由于空气的阻力可以暂时不计,所以石头会在水平方向是上继续维持原来的样子。
那么问题来了,力到底和运动有什么关系?是维持?还是改变?伽利略认为是改变,比如石头下落就是受到重力的缘故,重力也不再是物体的固有属性,惯性才是。惯性是维持物体运动的原因,在没有外力作用的情况下,一个在一条直线上匀速运动的物体将以该速度在该直线上持续运动下去;如果这个物体“不出什么意外”的话,它会永远持续运动到无限时间和无限距离。
在伽利略5次到罗马乞求后,终于在1632年该书获得教会的出版许可。由于此书以对话的形式书写的,一改了科学的讲解,所以普通人都可以愉快流畅的阅读,此书风靡一时。
六个月后,三十年战争爆发,教皇渐渐感到自己的权威在很多国家消失殆尽,可下面的人告诉他“即使在意大利,您老人家的余额也有待充值。”一句话惊醒了梦中人。
当曾经两肋插刀的兄弟在兄弟肋上插两刀时,伽利略的处境可想而知,教会改口称伽利略违反了1616年的禁令,并对伽利略进行的严厉的审判,最终以问题严重、亟待审查为由禁止再版再售,顺带一劳永逸地把伽利略也给判了个终身监禁。当人们知道审判了结果后,《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》早就被抢购一空。
防民之口甚于防川,这个道理其实大家都懂,只是在既得利益面前,谁都显得那么的脆弱。就像刚穿上新装的皇帝,他明知自己光着腚,也要杀掉敢说真话的小孩。
就这样,伽利略被软禁在家里。他的晚年很是凄苦,多病缠身的他脑海里依然做着完美的科学实验。由于年轻时观察太阳,强烈的阳光灼伤了他的双眼,最后失明,即便如此他依然坚持完成了另外一本对话——《关于两门新科学的对话》。这部书稿1636年就已完成,由于教会禁止出版他的任何著作,他只好托一位威尼斯友人秘密出境,这本书的发表也彻底的改变了物理学,也一举将伽利略推到了“近代物理学之父”的高度。
日期:2017-08-11 22:43:23
哥白尼曾在“地球在动为什么其他的东西感觉不到”这个问题上含糊不清,伽利略正是从此处得出了“惯性”概念。维持物体运动的惯性,而不是力。注意“维持”二字,维持表示的“必须一直存在”。
日期:2017-08-12 08:20:35
第八回:史上第一个最美的实验
在伽利略的第一部对话中,他依然没有办法能让辛普利邱先生从“两个凡是”中觉醒过来,所以在他的第二部对话——《两个新世界的对话》的第一天,伽利略就通过沙萨二人之口劈头盖脸问了辛先生这样的问题:
亚里士多德认为自由下落的物体,重则快,轻则慢,诚如所言,假设一个物体(A)下落速度是8,另一个物体(B)下落速度是4,将二者绑在一起会怎样呢?
1.一轻一重,轻重中和,所以速度要小于8,大于4;
2.一轻一重,轻重相加,所以速度要大约8。
显然这是自相矛盾的。据说伽利略为了向人们展示悖论的错误,特意爬到比萨斜塔上,同时丢下两个不同重量的铁球,发现两个铁球是同时着地——历史上著名的比萨斜塔实验。这个故事在当时只记载在一个学生给伽利略作的传记中,此时伽利略已是晚年,双面失明只能口述作传,所以崇拜者为了书的可读性,添点儿油加点儿醋也未可知。如果故事是真实的,为什么其他书上鲜有记载?要知道当时伽利略已经是很有名气的人物了。
且不论比萨斜塔实验的真实性,只论另外一个实验,虽然在伽利略出版的书里没有明言,但是从两本《对话》以及早年间的书中,我们可以猜测他没少做过这样的实验:
用一个6m多长、3m多宽的接近光滑(光滑意味着没有摩擦力)直木板槽,再把这个木板槽倾斜固定,让钢球从木槽顶端沿斜面滑下,并用水钟或者脉搏测量钢球每次下滑的时间,研究它们之间的关系。
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