伽利略：奠基经典物理学

2023-08-16 理论教育版权反馈

【摘要】：伽利略为了通过试验严密论证物理规律，就在分析试验中引入了数学方法、逻辑论证相结合的科学研究方法。伽利略的这种自然科学新方法，有力地促进了物理学的发展，他因此被誉为是“经典物理学的奠基人”。在伽利略的研究成果得到公认之前，物理学以至整个自然科学只不过是哲学的一个分支，没有取得自己的独立地位。

伽利略的思想非常活跃，在他的青年时代，就表现出了非凡的学习能力和创造能力。伽利略勤奋好学，后来因为经济贫困离开了大学，之后就独立钻研古代的原子论、欧几里得几何学、阿基米德和亚里士多德的物理学名著。伽利略真正拉开近代科学序幕的是他的重物实验。

伽利略对运动的基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了深入的研究，并给出了严格的数学表达式，尤其是他提出了加速度的概念，这在力学史上是一个具有里程碑意义的成就。有了加速度的概念，力学中的动力学部分才能建立在科学的基础上，而在伽利略之前，只有静力学部分有定量的描述。

伽利略为了通过试验严密论证物理规律，就在分析试验中引入了数学方法、逻辑论证相结合的科学研究方法。例如，为了说明惯性，他曾设计一个无摩擦的“理想实验”导出了惯性定律：在一定点O悬挂一个单摆，将摆球拉到离竖直位置一定距离的左侧A点，释放小球，小球将摆到竖直位置的右侧B点，此时A点与B点处于同一高度。若在O的正下方C用钉子改变单摆的运动路线，小球将摆到与A、B两点同样高度的D。伽利略指出，对于斜面会得出同样的结论。他将两个斜面对接起来，让小球沿一个斜面从静止滚下，小球将滚上另一斜面。如果无摩擦，小球将上升到原来的高度。他推论说，如果减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面达到原来的高度就要通过更长的距离。继续使第二个斜面的倾角越来越小，小球将滚得越来越远。如果把第二个斜面改成水平面，小球就永远达不到原来的高度，而要沿水平面以恒定速度持续运动下去，因此得出这样的结论：一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部原因，便会始终保持这种速度——这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速的起因，而朝上的斜面提供了减速的起因，由此可见，只有在水平面上运动才是不变的。

这样，伽利略便第一次提出了惯性概念，并第一次把外力和“引起加速或减速的外部原因”即运动的改变联系起来。与前述的匀加速运动实验结合在一起，伽利略提出了惯性和加速度这个全新的概念，以及在重力作用下物体作匀加速运动的全新的运动规律，为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础。

惯性定律

一切物体在没有受到力的作用的时候，总保持静止状态或匀速直线运动状态。这就是牛顿第一定律。

这种新的惯性概念，推翻了1000多年以来亚里士多德学派认为物体运动靠精灵或外界迂回空气推动的说法，也澄清了中世纪含糊的“冲力”说。这是人类长期以来研究机械运动的理论成果，并且得到了当时“地动说”支持者们的拥护。

伽利略虽然没有明确地写出惯性原理，可是表明了这是属于物体的本性的客观规律，在研究其他物理问题时，他熟练地运用了它。然而他未能摆脱柏拉图关于行星作圆运动的观点，相信“圆惯性”的存在，因此未能将惯性运动概念推广到一切物体运动上。完整的惯性原理是在伽利略逝世后两年由笛卡儿表述的。

伽利略设计的实验虽是想象中的，但却是建立在可靠的事实的基础上。把研究的事物理想化，就可以更加突出事物的主要特征，化繁为简，易于认识其规律。伽利略进行科学实验的目的主要是为了检验一个科学假设是否正确，而不是盲目地收集资料，归纳事实。伽利略的这种自然科学新方法，有力地促进了物理学的发展，他因此被誉为是“经典物理学的奠基人”。

伽利略发现了惯性定律，自然而然就导引出了“相对性原理”。伽利略这样论证：在不长的时间内，可以认为地球表面上每一个点都在做匀速直线运动，位于地球上的物体将与地球表面该点有相同的速度，根据惯性原理，物体将保持这一速度。他做了一个试验，在一条行驶的船的桅杆上，丢下一粒石子，在石子下落的过程中，船已经离开了刚才的位置，可是石子还是会落在桅杆的脚下，而不是落在桅杆的后面。之所以发生这种现象的原因，是在开始下落的时候就具有了和船一样的速度。在下落的过程中，石子和船的速度保持了同一方向。这个原理就是“伽利略相对性原理”，爱因斯坦认为这一原理是狭义相对论的先导。

伽利略在力学方面的贡献是多方面的。伽利略还提出过合力定律、抛射体运动规律。在他晚年写出的力学著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中有详细的描述。在这本不朽的著作中，除动力学外，还有不少关于材料力学的内容。例如，他阐述了关于梁的弯曲试验和理论分析，正确地断定梁的抗弯能力和几何尺寸的力学相似关系。他指出，对长度相似的圆柱形梁，抗弯力矩和半径立方成比例。他还分析过受集中载荷的简支梁，正确指出最大弯矩在载荷下，且与它到两支点的距离之积成比例。伽利略还对梁弯曲理论用于实践所应注意的问题进行了分析，指出工程结构的尺寸不能过大，因为它们会在自身重力的作用下发生破坏。

在伽利略的研究成果得到公认之前，物理学以至整个自然科学只不过是哲学的一个分支，没有取得自己的独立地位。当时，哲学家们束缚在神学和亚里士多德教条的框框里，他们苦思巧辩，得不出符合实际的客观规律。伽利略敢于向传统的权威思想挑战，不是先臆测事物发生的原因，而是先观察自然现象，由此发现自然规律。他摒弃神学的宇宙观，认为世界是一个有秩序地服从简单规律的整体，要了解大自然，就必须进行系统的实验定量观测，找出它的精确的数量关系。他以系统的实验和观察推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此，他被称为“近代科学之父”。他的工作，为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。

▲伽利略望远镜

伽利略：奠基经典物理学

相关推荐