伽利略断层：自由落体定律与现代科学

伽利略断层的历史

亚里士多德物理学的统治

科学史家一致认为，伽利略断层标志着现代物理学的开端。 从古希腊，约公元前4世纪，到中世纪晚期（15世纪），世界观是稳定的：即伟大的希腊哲学家和科学家亚里士多德（公元前384-322）的世界观。 他在形而上学和物理学领域的著作如此宏富，影响了众多文明。

亚里士多德的思想通过许多思想家和各个学派的著作传播开来。 亚里士多德的著作描述了一个“直觉的”世界，分为两部分：月下世界（月球以下，包括地球）和月上世界（月球以外，宇宙的其余部分）。 月下世界是变化的、不完美的和可朽的；它是火、气、水和土所在之处。 月上世界是以太所在之处，不变、完美且不可朽。

因此世界是地心说的，地球在空间中静止不动；所有人都适应了这一点，因为它符合当时的观察。 这一世界观被所有亚里士多德派注释者（亚里士多德时代）、新柏拉图主义者（约300至540年）、中世纪的阿拉伯人（约980至1200年）、犹太人（约1130至1200年）、拜占庭人（约1040至1140年）以及中世纪注释者（约1180至1280年）所传播。 当然，中世纪晚期的一些数学家、物理学家、天文学家、哲学家和科学普及者对这一地心说世界持怀疑态度，特别是妮科尔·奥雷姆（1320-1382）和让·布里丹（1292-1363）。

哥白尼式断裂

亚里士多德的世界已经达到了极限，但没有人质疑它，因为它完美地契合了中世纪的“圣经”。 随着尼古拉·哥白尼（1473-1543）的出现，世界即将发生剧变。 这位波兰的教士、医生和天文学家提出了一种将太阳置于宇宙中心（日心说）的理论，行星围绕太阳旋转。 地球不再是中心且静止不动，而是一颗与其他行星一样的行星。

深刻的范式转变

自由落体定律

他1543年出版的题为“天体运行论”的著作被“广泛”传播。 哥白尼所强加的这场深刻的、兼具哲学和科学性质的范式转变被称为“哥白尼革命”，但真正将科学推向现代世界的是伽利略（1564-1642）。

想到伽利略，我们会想象他将望远镜对准月球凹凸不平的表面、银河系的恒星、木星的卫星、金星的相位或土星。 但并非天文学中望远镜的使用标志着现代物理学的开端。

伽利略断层以17世纪初，约1604年自由落体定律的提出为标志。 该定律表述如下：获得的速度与下落持续时间成正比，与物体的质量和性质无关。 据法国物理学家艾蒂安·克莱因（1958-）称，这是物理定律首次用“时间”参数来表达，这就是伽利略断层。 时间成为数学变量，将在现代物理学中发挥决定性作用。

伽利略的自由落体定律是革命性的，因为它与我们的感官相悖。 亚里士多德的直觉理论在我们看来更正确，因为它解释了重物比轻物下落得更快。但它是错误的。

关于两大世界体系的对话

一部用意大利语写成的说服之作

为了更好地传播他的发现，伽利略于1632年写了“DIALOGO”，一部关于两大世界体系——托勒密（90-168）体系和哥白尼（1473-1543）体系——的对话。 他用意大利语而非当时出版界通用的拉丁语撰写这部著作，以便更好地被理解。 他为此使用了三个人物。因这本书，教皇乌尔班八世（1548-1644）于1633年6月22日谴责了伽利略。

伽利略书中的摘录，在四天中展现了三个人物：亚里士多德理论的捍卫者辛普利奇奥，诚实、开放且有教养的萨格雷多，以及代表伽利略想要传播的思想的萨尔维亚蒂。

关于自由落体的对话

辛普利奇奥：亚里士多德已经证明，在同一介质中，不同质量的物体以不同的速度下落，这些速度与物体的质量成正比。［…］您总不至于想向我们证明软木球和铅球下落得一样快吧？

萨尔维亚蒂：我非常怀疑亚里士多德是基于实验来断言这一点的。［…］

辛普利奇奥：但他自己的话表明他观察到了这一现象，因为他说“我们看到较重的……”。这个“我们看到”暗示了实验。

萨格雷多：但我亲自试过，辛普利奇奥先生，我向您保证，一颗一百或两百磅、甚至更重的炮弹，在落地时，并不会比一颗半磅的滑膛枪弹领先一掌宽，即使下落高度是一百腕尺！

辛普利奇奥：我很难相信一滴铅会和炮弹下落得一样快。

萨尔维亚蒂：［…］我不想，辛普利奇奥先生，您像许多其他人一样，专注于我所说的某件与真理只差一根头发丝厚的事情，而看不到亚里士多德所犯的像缆绳一样粗的错误。亚里士多德写道：“一颗一百磅的铁球从一百腕尺的高度落下，在一磅的球只下降一腕尺之前就到达地面。”我则说，它们同时到达。您只需做实验，就会发现当大球触地时，另一个只差两指的距离。而您现在想在这两指后面，隐藏亚里士多德的九十九腕尺，并且，强调我的微小错误，而对他的巨大错误保持沉默。

辛普利奇奥：无论如何，我无法相信在真空中，如果那里运动是可能的，一团羊毛会和一块铅下落得一样快。

萨尔维亚蒂：慢慢来，辛普利奇奥先生［…］，请听这个将启发您的推理。我们探究在阻力为零的介质中，质量非常不同的物体会发生什么。［…］只有一个绝对没有空气的空间才能让我们感知到答案。由于这样的空间不存在，我们将观察在阻力较小的介质中发生的情况，与阻力较大的介质进行比较；如果我们发现不同的物体在介质越容易穿过时速度差异越小，［…］那么我们可以以很大的概率认为，在真空中速度将全部相等。［…］取两个质量非常不同的物体，从一定高度落下以观察它们的速度是否相等的实验，存在一些困难。事实上，如果高度很大，介质对轻物体的阻碍会大得多，在长距离上轻物体会落后。［…］然而，如果取两个形状相同、材料相同的物体，在减小其中一个的质量的同时减小其表面积，速度不会降低。［…］因此我得出结论，如果完全消除介质的阻力，所有物体将以相等的速度下落。

伽利略的斜面实验

减缓下落的装置

为了用他那个时代的手段研究落体，伽利略设计了一个巧妙的实验：他让球在光滑的斜面上滚动以减缓下落。通过这种方式，重力的效果被减弱，完美抛光的球形青铜球在自身重量的驱动下缓慢滚动。这个装置使他能够测量肉眼容易观察的持续时间，这在自由落体中是不可能的。

落体定律的表述

经过多次重复试验，伽利略得以表述自由落体定律。他特别确立了获得的速度与下落持续时间成正比，以及行进的距离与时间的平方成正比。这些通过严格的实验方法获得的结果，标志着与亚里士多德定性物理学的决裂，并奠定了匀加速运动的基础。