伽利略比亚里士多德高在哪儿

熟悉科学史的朋友可能知道，伽利略为了驳斥古希腊哲学家亚里士多德的观点——“物体的下落速度和重量成正比”，曾经设计过一个“思想实验”。这一理论设想记载于他晚年出版的《关于两门新科学的对话》一书中，至今还作为科学史上“思想实验”的光辉典范被人津津乐道。可惜大家很少知道，伽利略的这个“思想实验”在逻辑上有个漏洞，严格地说并没有把亚里士多德驳倒。

伽利略的“思想实验”

亚里士多德认为，在同一种介质（比方说空气、水等，当然也可以是空无一物的真空）中，物体的下落速度和它的重量成正比，物体越重，下落的速度越快。

伽利略据此设想，有一重一轻两个球，重球的下落速度将比轻球快。再设想把这两个球用一条质量可以忽略不计的细绳连起来，因为轻球的下落速度慢，势必就会拖慢下落速度快的重球，因此它们一起下落的速度应该介于重球和轻球单独下落的速度之间。但是另一方面，两个连在一起的球也可以看成一个物体，这个物体的质量比重球质量还大，那么根据亚里士多德的结论，它下落的速度又应该比重球单独下落的速度还快。这就出现了自相矛盾，因此亚里士多德关于落体运动的规律不能成立。

这个推理貌似无懈可击，但不知大家注意到没有，伽利略当初的这个“思想实验”并不只是针对真空中的物体而言的（在真空中这个推理当然是无懈可击的），而是针对亚里士多德关于一切在“介质”中运动的物体而言的。伽利略相当自信，认为自己的这番推理不仅对于在真空中，即使对于在介质中下落的物体也同样适用。

可是我们从日常生活中得来的经验却是，在很多介质中，越重的物体的确下落得越快，比如在空气中，铁球就比羽毛下落得要快，所以亚里士多德的结论没错。这样一来，我们只能说，当伽利略把这番推理从真空推广到有介质的情况时，逻辑上肯定在什么地方出了问题。

问题出在哪里呢？

亚里士多德会如何反驳伽利略？

原来，要比较两个物体在介质中的运动，亚里士多德的结论暗含了这样一个前提，即这两个物体大小、质量可以不同，但形状必须相似；所谓相似，就是说如果一个是球，另一个也必须是球；一个是立方体，另一个也必须是立方体；而若一个是球，另一个却是立方体，就没有可比性。

这是因为物体在介质中的运动跟形状有密切关系。比如同样的1千克铁，做成一个铁球还是敲成一张薄铁片，它们在空气中下落的速度是完全不一样的。正是知道这一点，现在科学家在做风洞试验时，飞行器的模型要跟飞行器本身的形状必须严格相似，否则，比方说，实际的飞行器是流线型的，而你在实验室拿来试验的模型却是球形的，那么得来的数据对实际设计就没有什么用。

说清了这一点，让我们再回头逐句检查伽利略的推理过程。“两个球连在一起，因为轻球的下落速度慢，势必就会拖慢下落速度快的重球，因此它们一起下落的速度应该介于重球和轻球单独下落的速度之间”这个说法依然无懈可击；接下去，“把两个连在一起的球看成一个物体，这个物体的质量比重球质量还大，它下落的速度应该比重球单独下落的速度还快”，这个说法就有问题了。为什么呢？因为如果把两个连在一起的球看成一个物体，这个物体的形状就不再是球形了，这样一来，它跟重球单独下落就没有可比性了，所以得出“它下落的速度应该比重球单独下落的速度还快”就未免过于武断。

假如亚里士多德在世，也许会抓住这一点把伽利略驳倒。

伽利略如何接近真理

虽然从严格意义上说，伽利略并没有把亚里士多德驳倒，但亚里士多德的结论毕竟是错误的，伽利略更接近真理，但此时伽利略离得出正确的结论依然还有一段距离。

起初，伽利略提出一条新的落体运动“定律”来代替亚里士多德的结论：落体的运动速度和物体的密度成正比。也就是简单地把亚里士多德的物体“重量”换成了“密度”。因为作为一名细致的观察者，伽利略也注意到，在空气中材料不一样的物体下落速度会很不一样，而区别不同材料的一个重要特征是密度，所以他就把落体的运动速度与构成材料的密度联系了起来。比如说羽毛比铁球下落得慢，对此亚里士多德的解释是，铁球比羽毛重，而按伽利略新的说法则是，铁球的密度比羽毛大。

金的密度差不多是银的2倍，那么，按伽利略新的落体运动“定律”，如果从同一高度同一时刻释放金球和银球，在金球落地的时候，银球应该才走了距离的一半。可是，伽利略通过无数次的实验发现，虽然每次金球的确要比银球落地快一点，但前后相差时间并不很大。

如果换成我们现在的科学家，或许会为了描述这个微不足道的差别，提出一些很复杂的关系来，比如说假设落体速度与密度的平方、1/2次方的关系啦等等……总之，总能找到一个复杂的关系把速度的微小差别跟密度联系起来的，但这样一来，就“一叶障目，不见泰山”，让细枝末节干扰了对基本规律的把握。幸运的是，伽利略当时想得很简单，他认定物体的下落速度只跟密度成正比，但既然这假设与实际不符，他也就完全排除了速度与密度有任何关系。伽利略的这种做法从现在看来是不够严谨的，但在科学研究中，有时敏锐的洞察力比严谨的方法更重要。

通过这样的排除法，伽利略才逐渐认识到，对自由落体运动的一切干扰都来自介质的阻力；在真空中，去除了这一干扰之后，它们的运动应该是完全一样的。这就是我们今天熟知的自由落体运动定律：如果不计空气阻力，轻重物体的自由下落速度是相同的，与物体的重量、形状、材料等都没有关系。

伽利略为了得到这一结论，采用了理论和实验相结合的办法——不断提出假说，然后通过实验来证明对错——这在科学史上尚属首次，所以他当之无愧是近代物理学之父。