“小球”在下落,科学在“上升”

“小球”在下落,科学在“上升”插图

此刻,窗外下着雨,雨滴在下落。几乎所有人都觉得是那么的平淡无奇,那么的理所应当。但总有一些人在思考这种下落运动应该遵循什么样的规律。而这些“少数人”对落体运动规律的研究形成了人类自然科学史中壮美的篇章,值得每一个人去了解、去感悟。今天,这篇文章将分享落体运动规律的认识过程中值得思考的几点启示。

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眼见不一定为实,“事实”也不一定胜于雄辩

在日常观察中,一个苹果比一片树叶下落得更快,一个鸡蛋比一片羽毛下落得更快……这样的事实不胜枚举,数不胜数。善于概括和总结的古希腊哲学家亚里士多德就依据这些大量的亲眼所见的“事实”提出:物体下落的快慢与其重量有关,即重的物体下落得比轻的更快。这一结论与人们的眼见事实十分吻合,在其后的两千多年里都无可撼动。

正如“真理掌握在少数人手中”所言,16世纪末的一个意大利青年人与亚里士多德进行了跨时空的辩论。这场辩论的结果是这位青年人完胜——雄辩胜于“事实”。以下是他的辩论过程。

假设“重的物体下落得比轻的快”这一结论是正确的,那么一个较重的石块在空中下落速度v1大于较轻石块的下落速度v2。如果我们把这两个石块用绳子捆在一起,重石块会被轻石块拖慢,轻石块会被重石块拖快,这样导致的结果是它们在一起时的速度应介于v1和v2之间。然而,这两个石块作为一个整体时的总重量会比任一个石块更大的,因而下落速度会大于v1。这样基于亚里士多德的结论的推理将陷入“自相矛盾”的尴尬境地。

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这一“辩论”是非常有意思的,仅用逻辑的推理轻易地推翻了人们对眼见事实的认识。那问题出在哪里?这个青年人马上意识到,一定是我们没有看到真正的事实,并且正确地指认出这背后的“凶手”是空气阻力。

以下是利用现代技术手段的实验验证视频。

(说明:为便于观察,对拍摄的视频进行了慢速播放)

自然总是按照最简单的方式在运行

假如不同重量的物体的下落规律是不同的,每个物体都遵循各异的规律在运行,那么自然将会变得非常复杂。当经典的结论陷入困境时,这位生于文艺复兴时期的青年人坚信自然界的规律是简而美的。于是,他大胆提出,物体下落快慢与其重量无关,在一定条件下所有物体下落应该遵循同一规律,要么速度随下落时间均匀增大(满足最简单的正比函数),要么速度随下落距离均匀增大。这样一个大胆前卫的观念肯定不会被当时的人们所接受,这个青年人首次将实验手段引入科学研究中,利用斜面可以减慢物体的加速过程和基于证据事实的合理外推,验证了他的猜想。

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他的实验工具和数据可能非常粗糙,但凭着他超人的勇气和智慧足以成就他“近代科学之父“的伟大荣誉。作为后人,我们是否想过这个青年人为什么能够成功。我认为,“自然总是按照最简单的方式在运行”这一信条起到了重要的作用。人类每次对自然的重大发现无疑是这一信条的最佳佐证。

科学是基于客观证据的

逻辑推理(抽象表达)的产物

在这位青年人之前,人们普遍善于在逻辑上对自然界进行哲学性概括。比如我国古代的学者对自然的探索虽然走在了同时期的前列,但遗憾的是并没有形成真正的自然科学体系。在这位青年人的“带领”下,人们意识到仅仅在逻辑上对自然的哲学性概括是不够的,还需要基于客观证据的支撑。实验成为了科学研究的必要手段,也是自然科学成熟的一种标志。但问题的核心不是实验的工具,而是实验的设计。

“小球”在下落,科学在“上升”插图3

因为实验是真实状态下的规律的反映,有时真正的事实可能会被某些“干扰”因素隐藏得很深(比如,重的物体比轻的物体下落得更快肯定是实验现象所得,但一定反映的是真实的“事实”吗?),有时限于实验的条件无法满足,就需要巧妙的设计与转换(比如,利用斜面“冲淡”重力对下落快慢的影响,并逐渐增大斜面倾斜角进行合理外推),甚至进行理想实验(历史上著名的“理想斜面实验”)……正是因为这些,自然哲学逐渐变成了自然科学。

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文章读到这里,你大概能够猜出这个青年人是谁了吧。一个生于16世纪、卒于17世纪的伟大科学家,一个大胆与“权威”抗争的勇士,一个开创近代科学的智者,他就是伽利略。

“小球”在下落,科学在“上升”插图4

伽利略的墓志铭这样写道:他失明了,因为在自然界已经没有剩下什么他没有看见过的东西了

我们现代人更喜欢用科学模型来代替普通的物体,比如用小球来代替前文中的石块。回顾人类对落体运动的认识历史,我们不禁有一种感叹——“小球”在下落,科学在“上升”

参考文献:

【1】普通高中教科书物理(必修1).人民教育出版社

【2】普通高中教科书物理(必修1).教育科学出版社

【3】物理学史(弗卡约里著).中国人民大学出版社

注:本文中部分图片资料来源于网络,若侵删。

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