雞毛輕,鐵球重,從同樣的高度向下落,是雞毛先落地,還是鐵球先落地?
答案有三個:一、鐵球先落地;二、同時落到地上;三、雞毛先落地。
讀者請先想一想,然后再做出選擇。這里先說一下,這是一個古老的問題,提出問題的人是大名鼎鼎的古希臘哲學家亞里士多德。
公元前300多年的時候,亞里士多德說,物體下落的快慢與它的重量成正比,重的物體落得快。這樣,鐵球比雞毛重,自然是先落地的了。這是第一種答案。
由于亞里士多德被西方人尊奉為科學權威,在長達1900多年的時間里,沒有人懷疑過亞里士多德的說法,直到16世紀,才有人出來推翻亞里士多德的答案。
這個人是大家熟悉的伽利略。伽利略在《兩種新科學的對話》中,用兩個人對話的形式,做了一段精彩的推理,推翻了亞里士多德的答案。這段對話,用現(xiàn)代語言說得簡潔、通俗一些,大約是這樣的:
甲:物體A比物體B重得多,哪個先落地?
乙:按亞里士多德的說法,物體A先落地。
甲:現(xiàn)在把A和B捆在一起,成為A+B呢?
乙:A+B比A重,應該比物體A先落地。
甲:請注意,B比A輕,按亞里士多德的說法,B下落比A慢,A+B以后,B抱著A,下落速度減慢了。A+B應該比物體A后落地。
乙:哎呀,得出了兩個相反的結論,亞里士多德的話不能再相信了。
就這樣,伽利略巧妙地否定了對亞里士多德的迷信。第一個答案不對了,伽利略提出了第二個答案:同時落到地上。
伽利略說,輕重不同的物體從同一高度下落,應當同時落地。當時,伽利略是個二十五六歲的青年,別人都懷疑他的說法,伽利略決心登上比薩斜塔,當著眾人進行一次實驗。他一手拿著1磅重的鐵球,另一手拿著10磅重的鐵球,放開雙手,兩個鐵球同時落到了地上。來觀看的學者和民眾信服了。
這個著名的實驗同時使比薩斜塔出了名,代代相傳,成為人們熟知的故事。這個古老的故事并沒有到此完結,在往下說以前,先做一點補充。
在比薩斜塔實驗的前幾年,比伽利略年紀大得多的斯臺文曾經(jīng)做過一個實驗。他用荷蘭文寫道:“我們拿兩只鉛球,其中一只比另一只重10倍,把它們從30英尺的高度同時丟下來,落在一塊木板或者什么可以發(fā)出清晰響聲的東西上面,那么,我們會發(fā)現(xiàn)輕球并不需要10倍的時間,而是同時落在木板上。因為,它們發(fā)出的聲音像是一個聲音一樣。”這段話說明,當時不止伽利略,而是一批人發(fā)現(xiàn)了我們說的第二個答案:同時落在地上。
傳說,伽利略做完比薩斜塔實驗以后,仍然有人不服氣,提出一個尖銳的問題:雞毛和鐵球,哪個落得快?
伽利略認為,在生活中,的確是雞毛落得慢,這是雞毛受到的空氣浮力大的緣故。在真空里,雞毛和鐵球應該落得一樣快。伽利略的時代沒有條件完成這個實驗。后來,真空技術有了提高,才有人進行了實驗。辦法是:把雞毛、木塊、鐵球放到一個玻璃管內(nèi),抽去空氣,形成真空,就會看到雞毛、木塊、鐵球同時落到管底。
按說,雞毛和鐵球哪個先落地的答案清楚明白,應該到此為止。進入20世紀,事情發(fā)生了變化。1922年,匈牙利的富佛斯在一次實驗中發(fā)現(xiàn),不同重量的物質并不是同時落地,先后略有不同,大約相差1%左右。
這一發(fā)現(xiàn)并未引起人們的注意,過了60多年,直到1986年,才受到了重視。不少物理學家對富佛斯的實驗重新進行了分析,得出了令人吃驚的結論:雞毛和鐵球下落的快慢確實有差別,不是同時落到地上。一句話,否定了伽利略的答案。
第三個答案露面了:雞毛下落的速度比鐵球稍快一點,雞毛先落地。
大物理學家們說出這個答案,不由你不信,不由你嚇一跳。真怪,這個答案竟與我們的生活常識不一樣!
物理學家們說出這番話來,總是有點原因,他們一要做實驗——非常精細的實驗,二要做理論探討,然后才會寫論文。
他們說,在真空中,雞毛比鐵球落得快,是因為在下落過程中,不僅是重力起作用,還有一個較小的排斥力在起作用,它的方向與引力相反,影響了下落的速度。
這個排斥力,起初叫作“超電荷力”,后來叫作超負載力。這是新認識的一種力,也叫第五種力。
在此以前,人們認為在自然界存在的力有4種。最早認識的是引力,地球繞著太陽轉、蘋果落到地上都是引力在起作用;后來認識的是電磁力,存在于電磁場中。這兩種力都好理解。第三、第四種力存在于原子核內(nèi)部,主宰各種粒子的相互作用,叫強相互作用力和弱相互作用力。
如今,從雞毛與鐵球下落的問題中,又引出了一個排斥力,就成了物理學中的一件大事。是不是真的存在第五種力,經(jīng)過大量的實驗,結果不完全一致,還很難說死,下不了結論。因此,關于它的性質,也只能說,還不十分清楚。
3000多年的公案尚未了結。
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