《物理的故事——在悖论中前行》
第10节

作者: 江湖小片
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  基本关系概括如下:
  1.h越高,小球最终在平面上走的距离也越远,说明h越高,最终速度越大;
  2.小球在平面上移动的距离几乎与时间成正比,即s=vt;
  3.小球最终速度与小球的重量无关;
  4.用斜面代替水平面(图中虚线),无论两个斜面怎样倾斜,小球到达的高度与原始高度几乎一致。

  第一个问题:速度的改变从何而来呢?伽利略认为是重力,这和亚里士多德是不谋而合的。不过伽利略认为重力也只是一个表象,因为下落的速度一直在增大,所以根本就没有下落速度8可言,速度8只能在某个瞬间发生。
  为此他提出“加速度”的概念。当物体质量越大时,受到的重力也越大,但是不同物体的重力加速度却是相同的,因为同等条件下,最终的速度是一致的,唯有如此,小球的最终速度与重力无关才能成立;
  第二个问题:亚里士多德认为力是维持物体运动的原因,可是当小球到达水平面时,除了相互抵消的重力和水平支撑力,在水平方向上并没有力去维持小球运动。伽利略提出一个假设:如果木板没有尽头,那么小球也会无止尽地运动下去,因为实在没有任何理由让小球停下来。所以他认为维持物体运动的是惯性,而非力。
  日期:2017-08-12 08:32:35
  伽利略的伟大之处在于他还提出“匀加速”的概念,当实验中的斜面角是直角时,那么小球也可以看成是自由落体运动,重力产生了加速度是均匀的(加速度恒定),并推导出了s=gt^2/2,让人们切身感受到重力加速度的存在。

  伽利略更伟大之处在于他敢于假设,我们知道实验中的斜面不可能是绝对光滑的,也不会无限长,但是他用灵活的思考代替了呆板的现实。
  简单比较亚里士多德与伽利略的动力学:
  1. 亚里士多德认为力是维持物体运动的原因,伽利略认为力是改变物体运动的原因;
  2. 亚里士多德认为重力越大,下落速度就越大,伽利略认为下落速度与重力大小无关,因为重力加速度是一样的,加速度是改变物体速度的最终原因;

  3. 当物体不再受力(外力平衡)时,仍然有可能往前运动(即维持运动状态),亚里士多德归结为介质迂回推动或者精灵推动,伽利略则归结于物体的惯性。
  在一点不麻烦上帝他老人家的情况下,伽利略给出了一套比较完备的运动学体系。很多人将这个简单实验列入人类物理史上十大最美实验之中,而我认为这应该是人类第一个最美的实验。原因如下:
  1.小心说话。远离了古希腊把搞不清的问题全部牵扯倒上帝身上,转而以实验为基础,通过数学计算和推理。伽利略给出了一套完备的科学方法,并必须基于一个准则下:一切都要以事实说话;
  2.大胆假设。伽利略突破真实实验的局限,大胆地提出理想化的实验模型,将经验与理性结合起来,开创了人类思路的格局,为物理学乃至自然科学奠定了思想基础。
  日期:2017-08-12 08:36:05
  伽利略的丰功伟绩如同太阳一般耀眼光辉,但伽利略的太阳也有自己的黑子。在他的心中,宇宙是有限的,而且是一个圆球,有限的宇宙怎么能容的下无限伸展的物体呢?所以他认为木板不会永远的直下去。就好比地球上木板,弯着弯着就绕地球走了一圈,那样的话,木板上的小球将会永远地做着圆周运动;即便人类有能力制造一个木板能冲出地球、冲出太阳系、能冲到“天尽头”,可是最终冲不过圆圆的宇宙,所以小球最终逃不了圆周运动的命运,所以伽利略认为直线运动是圆周运动的前奏,而最终是“圆惯性”式运动。而地球的自转、公转皆来自与“圆惯性”

  伽利略崇拜真理,也成功地挑战了亚里士多德地位,但这只对事不对人;而对于哲学家柏拉图,他既对事又对人的崇拜起来,所以“圆是最美的”让伽利略情有独钟,以至于伽利略会对他的同行、亦师亦友的开普勒的椭圆轨道理论视而不见。当然,在哪个年代,连哥白尼的“日心说”尚是一种猜测,更别说椭圆轨道了。
  站在今天的知识角度,伽利略的圆惯性似乎有些“画蛇添足”的味道,也让后人不禁感到遗憾。但我想遗憾也是多余的,假设人类有能力在外天空放置一个小球(即不受外力作用),并让它自转起来,我们完全有理由相信它会一直转下去。对于这种“一日转、终生转”,在“万有引力”之前,唯有圆惯性才是最完美的解释。

  伽利略的成就无比伟大的,性格也是无比高傲的。他曾意气风发,却又时运不济,最终只赢得身后之名。1642年1月8日,他与世长辞。据说在头天晚上,他走到阳台摸着自己心爱的望远镜,就像疲倦于杀伐的将军摸陪伴自己一生的战马一样,也许他会想如果有翅膀飞到他曾发现的木星上该是多么美好啊!第二天,他的随从发现他倒在阳台上,昏迷不醒。随从忙着找大夫,然而所有的大夫都因为伽利略是死囚而拒绝给他医治。下午,伽利略逝世,享年78岁。

  300多年后的1995年,人类替伽利略完成了最后的梦想。1989年伽利略号木星探测器正式升空,并与1995年顺利抵达木星轨道。
  300多年后的1992年,梵蒂冈教廷终于对伽利略平反,并宣称300多年前对伽利略的审判是一个“善意的错误”。想起他的朋友开普勒,不禁让人潸然泪下。正是:同是天涯沦落人,相逢何必曾相识。
  日期:2017-08-12 10:09:06

  第九回:一个凄美的故事
  有一个美丽的传说。
  一个已逾知天命的老头在路边邂逅18岁的公主,因为老头才华横溢,被公主的父亲选中,当公主的数学老师。日日耳鬓厮磨,公主和老头产生不伦之恋。国王知道后,一气之下将老头放逐,并禁止他们任何交流。流离失所的老头身染沉疴,寄去的十二封书信如石沉大海,杳无回音,当写第十三封信就气绝身亡了,信中就一个简单的公式:r=a(1-sinθ)。国王看不懂,将全国数学家请来也没有人能解开这个谜团,于是国王很放心,将这封信给了闷闷不乐的公主。公主收到信,立刻明白恋人的意思。她用老头教给她的“坐标系”将这个方程画了出来:

  她知道恋人依旧爱着她,只是不知道他们已经阴阳相隔了。
  这就是著名“心型线”。这位公主叫克里斯汀,这个老头叫勒内 笛卡尔(Descartes,1596—1650),这个坐标系叫“笛卡尔坐标系”。只是这个故事是后人编的,就像人们宁愿相信伽利略真的爬上了比萨斜塔一样,故事永远都比现实生动。
  笛卡尔出生于法国,比伽利略小32岁。他是一位伟大的哲学家、数学家、物理学家,他的家乡现在已经以他的命名就足以证明他的伟大,但是这人有一点不好——身体不好,大概是娘胎就带来的。在他一岁的时候,他的母亲便因为肺结核散手人寰,他也差点在一次生病中夭折。在他父亲悉心照料下,他顽强的活了下来,随后取名勒内(意为“重生”)。他的父亲后来再婚,他便由外婆带大。他有惊人的哲学思考天赋,但是独自成长让他和他的父亲以及他的兄弟情感上产生隔阂,应该说他的内心是孤独的,而孤独总是独自旅行最好的理由。
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