7 比薩斜塔上落下的兩顆球
實驗所需的特殊器材:兩顆球、斜塔
討論
另一方面,一旦這兩顆球綁在一起,其實就等於是結合兩者的重量,形成一個更重的物體。伽利略只要拿著較輕的球,底下吊著較重的球,就會感受到這種效果;他一放手,這兩顆球掉落的速度一定比大球獨自掉落的速度還快(舉例來說,我們可以想像這兩顆球緊緊綁在一起)。
伽利略的本意並沒有要在水中進行這項實驗,他假設的環境條件近乎「無摩擦力」;然而,艾金森卻無視於此,認為這項前提「一點也不顯而易見」。於是,在他筆下,這項實驗的結果就只有在某些情況下才具有經驗上的真實性(真讓人難過);至於思想實驗能讓人進入「柏拉圖的真理境界」這種概念,更是大錯特錯。最後,艾金森高傲地指出:「伽利略實際上做了實驗,也確實必須做這項實驗。」於是,他就像幾百年前的宗教法庭,否決了伽利略進行哲學思考的權利。
辛普利席歐:「你說的一點也沒錯。」和圖書
薩爾維亞提:「不過,假設這點確實沒錯,又假設有一顆大石頭的掉落速度為八,另一顆小石頭的掉落速度為四,則兩者繫在一起一掉落的速度就會小於八。然而,這兩者繫在一起其實會共同構成一個比原本的大石頭更大的物體:結果這個物體重量較重,掉落速度反而較慢,恰恰和你的假設相悖。由此可見,一開始假設較重的物體掉落速度較快,最後卻會推論出較重的物體掉落的速度較慢……因此,辛普利席歐,我們不得不論斷,無論大小,物體掉落的速度都相同,只要它們所受的重力相等。」
對哲學家來說,這樣的批評實在是最深的侮辱;不過,艾金森認為這是伽利略咎由自取。只要假設這座斜塔淹沒在水裡,兩顆球不是在空氣中掉落,而是在水中沉落,就能為亞里斯多德平反,證明伽利略的想法錯誤。艾金森接著添上一筆:「如果再模擬現實www•hetubook.com•com狀況,假設兩顆球是在湍流之下達成終端速度,情況可就更是複雜得多了。」
假設較重的物體掉落速度較快,就會像下圖的狀況,較輕的物體產生有如降落傘的功能。這麼一來,這兩顆球一起掉落的速度,就會比大球獨自掉落的速度還慢。
由此可見,把兩顆球繫在一起,掉落速度即會比原來更快也更慢,這正是哲學家最喜歡的東西:矛盾。只有一個方法能避免矛盾,就是假設兩顆球掉落的速度一樣。
在《關於兩門新科學的對話》(1628)一書中,伽利略以兩位朋友對話的方式敘述了這項實驗。和-圖-書
所以,結果是哪顆球先落地——速度又是多快呢?
不過,儘管這項實驗具有歷史上的重要性,哲學家對它的看法卻不盡相同。舉例而言,在〈科學推論中的思想實驗〉這篇別開生面的論文中,哲學家厄文(Andrew Irvine)質疑伽利略的實驗,認為兩顆球不可能真正結合為一體;畢竟,繫繩上的結也有可能鬆開啊!「由此得到的教訓自然就是,儘管思想實驗極為有效,也適用於各種主題,卻不是完全可靠。」他接著論斷指出:「雖然思想實驗有許多優點,卻絕對無法www.hetubook.com.com取代實際的觀察與實驗。」艾金森(David Atkinson)這位滿腦子科學的荷蘭哲學家,在〈自然科學的實驗與思想實驗〉一文中也做出同樣的結論,指稱「伽利略針對自由落體所提出的信條,本身其實是邏輯上的不合理推論」。這也就是說,他的結論無法從前提導出,他的屋頂不是支撐在牆壁上……
將這段文字視為偉大的思想實驗,自然無可非議。物理學家都知道這項實驗確立的原理,也就是不論質量與成分,所有物體掉落的加速度都相同。這項原理稱為「等效原理」,後來直接導致愛因斯坦的廣義相對論;其中解釋重力的方式是指稱,地球環繞太陽旋轉的運行,其實就是在彎曲的時空中「掉落」的情形。
至少,對亞里斯多德而言,費力爬上斜塔顯然已經太遲了;然而,伽利略也不必實際從事這項實驗,只要在腦子裡想像一遍即可。總共只有三種可能的狀況:兩顆球落下的速度相同,不然就是重的掉得較快,再不然就是輕的球掉得較快。不過和-圖-書,若是在兩顆球之間繫上一條線呢?
若一件重物在特定時間內移動特定距離,則該重物愈重,移動同樣距離所需的時間愈短。不同重物移動同樣距離所需的時間,會依據各重物的重量不同而依比例增減。舉例而言,一件重物在特定時間內移動一段距離,兩倍重的物體移動相同距離便只需一半的時間(《論天》〔De Caelo〕第一卷,ⅵ,274a)。
當時,伽利略心裡想著亞里斯多德的定理:
薩爾維亞提:「如果拿兩個自然掉落速度不同的物體,那麼,只要把兩者繫在一起,速度較快的物體一定會被較慢的物體牽引而減緩速度,慢者也會被快者拉扯而加快速度。你同意我這種看法嗎?」
這是史上最著名的一項實驗,同時也是最簡單的實驗。在這項實驗中,備受尊崇的天文學家伽利略爬上比薩斜塔,俯身探出欄杆,拋下兩顆球;一顆較大較重,另一顆較小較輕,然後觀察哪一顆先掉落地面。