这是否只是一种“美丽的传说”——对伽利略是否在比萨斜塔公开做过落体实验的探讨

肖城辉 余建刚

(东莞市第一中学 广东 东莞 523129) (佛山市南海区石门中学 广东 佛山 528248)

一次偶然的机会笔者发现现行高中历史教材(人教版 必修3)，在第四单元“近代以来世界的科学发展历程”的第11课“物理学的重大进展”导言部分写道：“17世纪初的一天，在意大利比萨斜塔上进行了一场著名的实验．物理学家伽利略从塔顶抛出了质量不一的两个球，结果这两个球同时落地.这一实验证明了物体的下落速度与物体的质量无关，它否定了从古希腊以来人们关于物体大小决定了下降速度快慢的认识，为近代力学的发展奠定了基础.”[1]

而笔者翻开身边的高中物理教材(人教版 必修1)第二章“匀变速直线运动的研究”第5课“伽利略对自由落体运动的研究”在比萨斜塔图片附言中却写道：“传说伽利略在此做过落体实验，但后来又被严谨的考证否定了.尽管如此，来自世界各地的人们都要前往参观，他们把这座古塔看作伽利略的纪念碑.”[2]

对伽利略公开在比萨斜塔做落体实验这一著名事件，两本教材各执一词.历史教材编者认为这是真实存在的，而物理教材编者却认为这是已被严谨的考证否定了的传说.同样需要严谨性和科学性并存的教材，却得出截然不同的结论，这两种说法孰是孰非？这个几百年来被人们所津津乐道的著名实验，是否只是一种“美丽的传说”？为了弄清事情的来龙去脉，笔者查阅了在国内影响较广的有关文献，罗列如下，供大家参考.

1 谁是传说的最早记述者

最早记述伽利略在比萨斜塔当众做落体实验是源于伽利略晚年的学生维维安尼1654年所写的传记《伽利略的历史故事》，它发表于1717年，书中介绍了伽利略晚年曾亲自向他讲述的生平事迹及经历.1590年的一天早晨，伽利略当着他的同事和学生的面在比萨斜塔公开做了落体实验，记载如下: “有一个哲学上的普遍准则，就是不了解运动就不会了解自然.他完全投入这个问题的研究，然后通过实验、响声、证明和论证，产生使所有哲学家不快的事.他指出亚里士多德在运动问题上得出的大量结论是错误的，但直至那时仍被作为最正确而不可怀疑的真理持续存在，像伽利略所说，同质料却重量不同的物体通过同一介质运动，根本不遵守亚里土多德强加的与重量成比例，而是以同速运动.在其他学生在场的情况下，他从比萨斜塔上反复实验，指出了这一点.”[3]

但是，维维安尼本人并没有亲眼看见伽利略做斜塔实验.他来到伽利略身边时，伽利略已经双目失明，只能口授了.令人奇怪的是，在和维维安尼同时代的作家中，有四个人写到落体问题，却都没有提到伽利略这一轰动一时的实验.因此，维维安尼所记载的这事件的真实性受到了质疑.

2 支持者的论据

科学史上存在着相当多的至今仍是悬而未决的疑案，伽利略到底是否在比萨斜塔上做过落体实验就是其中的一例.这一问题自20世纪后期以来就一直在争论着.根据搜集和分析了有关争论的很多资料，有不少证据支持伽利略做过这个实验，理由有四点.

第一，维维安尼的记载是他亲自听伽利略说的，而他是伽利略晚年最信赖的学生和助手，反对伽利略做过这个实验的人至今拿不出维维安尼记载是错误的可靠证据.

伽利略著作手稿的书信已于20世纪晚期由主编伐瓦系统整理，作为意大利国家版本出版.意、英、德、法和美国的许多伽利略传记作者和科学史学家，已经做了大量发掘、整理和分析工作，有些作者如德瑞克等曾特地去意大利查证.关于伽利略的比萨斜塔实验的最早记载，是维维安尼在前述的《伽利略的历史故事》一书中介绍的.因此，维维安尼记载的可靠性就成为搞清这个问题的关键之一.至今，既然史学界还找不到比他的更可靠的直接证据，则他与伽利略的关系和治学态度就成为重要因素.

维维安尼是伽利略晚年(1639～1642)年的得意门生和助手，伽利略去世时他才20岁，正处记忆力强的年纪.在伽利略被监禁的极端困难情况的后期与他同住，帮助伽利略进行研究和做斜面落体实验.伽利略高度评价他说：“几个月来这个青年，我现在的客人和学生，对我的加速度论文中提出的原理，极其认真地进行研究，迫使我不得不追随它，作为一个可接受的真正原理予以考虑.”我们今天知道的关于伽利略的许多事迹，如发现摆的等时性，发明空气温度计和他在比萨时的困难处境等，都是由于维维安尼的介绍才被世人所熟知.他遵照伽利略的遗嘱，保存和整理伽利略的遗稿和书信.维维安尼还曾与托里拆利一起实验发现了真空现象.伽利略晚年曾亲自向他讲了很多自己的生平事迹及经历.这些特殊的情况和关系，才使得维维安尼有可能在伽利略去世12年后，写成《伽利略的历史故事》这本对后世有重要学术价值的著作.这些情况说明，维维安尼确实是一位对待科学严肃而认真的、对伽利略的生平与学术活动有相当了解的学者.他明确提到这个比萨斜塔落体实验是伽利略在晚年亲自向他讲过的，伐瓦罗也确认了这个事实.伐瓦罗写道，为了证明新的真理，他在比萨斜塔的高处做重物落下实验，这是维维安尼所肯定的，他必然是从伽利略口中听到的.他以如此肯定的态度确信，并说那是不成问题的[4].

第二个论据是在伽利略的著作中有多处提到“由高塔上”坠落重物的事，并详细记载了实验用的物品、方法和数据，可见他是做过塔上落体实验.据统计，伽利略在《论运动》以及两本《对话》著作中，共提到塔上落体实验达30余次之多.在伽利略的 《关于力学和位置运动的两种新科学的对话和数学证明》[4](1638年 )一书中有这样的描述：

“萨 ：我十分怀疑亚里士多德确实曾经用实验检验过下面这个论断：如果让两块石块 (其中一块的重量10倍于另一块)同时从比如说100腕尺(注：腕尺为长度单位，约50～56 cm)高处落下，那么这两块石头下落的速率便会不同，那较重的石块落到地上时，另一块石头只不过下落了10腕尺.

辛 ：他的话似乎表明，他已经做过这个实验了，因为他说‘我们看见较重的石块’，“看见”这个词证明他做过实验 .

沙：辛普利邱，可是我进行过检验，我可以肯定地对你说，重量为200磅以上的一枚炮弹到达地面时，重量仅为0.5磅的与之同时下落的步枪子弹并不会落后1拃(注：1拃约23 cm)，倘若两者都是从高度为200腕尺的地方落下来的话. ”[4]

(注：伽利略为了充分地展示其学说的无比说服力，此书是以三个人对话的形式来写的:其中萨尔维阿蒂(Salviati),伽利略自己的发言人;辛普利邱(Simplicio),传统亚里士多德观点的代表;沙格列陀(Sagredo),中立而开朗的旁观者)

这无疑不能是一个假想的实验，这可用他的另一句话来做回答，“沙格列陀：不过我还是相信你，……而如果你没有具体的实验或严格的证据为依据的话，我敢说你是不会这样说的”.

第三个论据是“塔上落体实验”虽未指明是比萨斜塔，但把它“理所当然”地认为是比萨斜塔却是非常合情合理.至于为什么在伽利略著作中未曾出现是“比萨”斜塔字眼的问题，对于长期生活在比萨的伽利略来说，是不言而喻的.物理学家泰勒认为“伽利略的著作时常以典型的辩论和证明的形式论述，很少给出详细的实验过程”，可能是“未想到有必要记录细节”的缘故，这是有道理的.

1589至1591年，正值伽利略在比萨大学任教期间，要做自由落体实验可供选择的最可能和最合适的地点非比萨斜塔莫属.比萨斜塔既毗邻比萨大学，又是唯一的高塔,达到实验精度所需要的足够高度.我们知道，一般塔呈上小下大的锥形，难以做自由落体实验.而比萨斜塔塔高54.8 m，2～6层直径相同，相邻的两层又稍微有偏移量，这样的建筑显然是自由落体实验的最佳场所.伽利略要做自由落体实验何必舍近求远和舍简就难呢?他既然可以登钟楼测摆的等时性(1583年)，登威尼斯的St.Mark塔观测天象(1609年)，为什么连自由落体这么简单却极其重要的实验而不做呢？这似乎是不可思议的.到过意大利做过物理考察的美国著名物理学家霍尔通教授也认为伽利略要做落体实验，只能在比萨斜塔上.[5]

第四个论据是伽利略在1590年之后，在比萨大学受到攻击和被迫辞职而离开了比萨大学.而1590年左右又无证据说明他曾做过足以激起全校师生极大反感的其他离经叛道的事，那么他就不至于遭到群起攻之而被解职的严重困境.激起如此大的群愤，必然是因为他做了当时被普遍认为大逆不道的事.伽利略在比萨斜塔当众表演落体实验，从根本上反对了此前奉为权威和经典的亚里士多德的运动观.因此极有可能是因这一实验使伽利略遭到攻击被迫辞职.这种解释可以将伽利略著作中提到的30余次“塔上落体实验”与维维安尼的记载统一起来.进一步认为维维安尼介绍的那次实验应该是做过，而且只是伽利略在比萨斜塔上做的多次实验中公开当众表演的一次.

3 质疑者的声音

首先对维维安尼说法提出质疑的是德国科学史学家沃尔维尔(E.Wohlwill).他在1909年发表的《伽利略及其为哥白尼学说而斗争》一书中，指出“伽利略从未在比萨时的著作中写过这件事，在后来的著作中一点也未提到.同样，也不可能相信公开证明的事实”.

1935年美国库珀(Cooper)的《亚里士多德、伽利略和比萨塔实验》一书追随沃尔维尔的看法，提出伽利略在比萨教书时从未在比萨塔上做过所谓的斜塔落体实验，并把该事说成是“虚构”和“谎言”.

1952年11月法国科学史学家考义莱在美国哲学学会上发表“计量的实验讲演”，从伽利略落体实验用的粗陋计时和计量工具，得出“迈尔森纳甚至怀疑大科学家们所说的伽利略的一些实验是否实际做过”的结论.后来他又发表不少论文，影响甚广.

到了20世纪70年代，争论更加激烈，支持、拥护者与反对、怀疑者势均力敌，各抒己见，相持不下.

质疑者认为,伽利略的比萨斜塔落体实验的故事最早出现在1654年他的弟子维维安尼所编写的传记中，那时伽利略已经逝世12年，如此轰动性的实验为何会在主人翁死后12年才流传出来？此外，伽利略的著作、比萨大学的文献以及同时代的其他人，都从未明确提到过如此有名的“判决性实验”.按它重大的科学意义来说，这是不可思议的.有专家推断，维维安尼“编造”比萨斜塔实验这一传奇故事，很可能受当时传记写作喜欢夸大其词编造故事吸引读者的风气所影响，纯属是为了渲染传记的主人翁——伽利略更富有传奇色彩的一生. 当代著名科学家霍金认为，这个故事“几乎可以肯定并非真事”，并写道: “他(伽利略)已经在倾斜的平面上做过实验，为什么还要在没有准确计时方式的情况下爬到高塔上去验证呢？真是活见鬼！”

又有专家认为，怀疑维维安尼张冠李戴，落体实验确有人做，但此人并非伽利略.比如说伽利略为否定亚里土多德的论点，曾用两个重物，其中一个比另一个重10倍，同时从高处落下等等.这个说法与荷兰物理学家斯台文在伽利略之前所进行的落体实验情形雷同.斯台文在他的 《论力学》中记载了这一次实验：“两个大小不同重量比为1∶10的铅球从高30英尺的高度落下，结果两者几乎同时落在地面的木板上，围观者可以听到两个铅球撞击木板时发出的——只有一声‘嘭！’”[6]

英国自然科学史专家斯蒂芬·F·梅森断言，正是斯台文的这一项实验，否定了亚里士多德的重物体比轻物体坠落得快的见解，而这一实验曾经被人错误地说成是伽利略做的. 在梅森之前，美国康乃尔大学库珀的《亚里士多德、伽利略和比萨塔实验》一书中也持有这样的观点.

此外，伽利略虽然有在其著作中多次提到过高塔做落体实验，但是没有一处明确说是他本人(即书中人物萨尔维阿蒂)做的实验，更没有明确指出在比萨斜塔当众做过实验.肯定伽利略做过比萨斜塔落体实验的论点，似乎缺乏充分的证据.

譬如伽利略在比萨大学任教期间，写的一部没有出版的手稿 《论运动》(写于约1590年)，其中5处提到在“高塔”或“塔”上做的落体实验.这5处，只有1处是为了反驳亚里士多德理论，是以反诘语气提出的(“如果两块石头从一座高塔同时扔出，一块的大小是另一块的两倍，那么谁会相信，在大石头已落地时，小石头只下落了一半路程？”)，显然只是假设，而不是对真实实验的描述.剩下的4处是在描述实验，其中1处更是明确地说他本人经常在高塔上做试验，但不是为了否定亚里士多德理论，而是为了验证他提出的一个新的落体定律：落体的速度和物体的密度成正比.原来，此时伽利略并不完全否定亚里士多德理论.他认为，在真空中，如果是相同材料做的物体，那么它们的下落速度和重量无关；但是如果是不同材料做的物体，那么下落速度和它们的比重成正比.假如扔下一个金球和一个银球，由于金的比重大约是银的两倍，伽利略认为金球应领先银球一半的距离先落地[7].

伽利略说他经常做的实验是同时抛木球和铅球的实验.他报告一个奇怪的现象：一开始木球的下降速度比铅球还快，之后铅球逐渐赶上木球，领先木球落地.根据现在的物理学知识，如果考虑到空气阻力，铅球领先落地是预料中的；但是木球一开始领先铅球，则似乎是荒唐的.有人据此怀疑伽利略不是真的做了实验.

4 结论

伽利略是否公开地在比萨斜塔做过这一著名的落体实验，其真实性一直以来颇受争议，以致各权威学者的意见存在分歧，甚至对这一事件真实性予以回避.如1975年和1978年出版的《美国百科全书》和1978年出版的《国际百科全书》，肯定了这个实验；但《大英百科全书》则否定这一实验的存在，认为“他从比萨斜塔上落下重物的传说并无事实根据”；《世界百科全书》则对此事件予以回避.

尽管如此，推翻亚里士多德观点，建立了落体运动学新理论的伟大人物是伽利略，这是千真万确、毋庸置疑的.伽利略不仅巧妙地通过假想实验，用逻辑推理的方法轻而易举地推翻了亚里士多德的关于重的物体下落得快的这一错误观点；而且通过著名的“斜面实验”，证明了在阻力可忽略情况下，落体速度与物体重量无关，定量地证明了自由落体运动是一种速度不断增大的匀加速直线运动，下落的距离正比于时间的平方，系统彻底地解决了落体运动的问题.现存于佛罗伦萨地方博物馆中的斜面木板、小青铜球和罗马式水漏等全套原有实验器件，以及详细记录于《关于力学和位置运动的两种新科学的对话和数学证明》中的实验过程，至今仍向世人展示着他是如何将实验测量方法、归纳方法与数学的演绎方法完美结合起来.伽利略在研究自由落体的过程中，所建立的系统科学的物理研究方法，仍延续至今.伽利略为近代力学的发展奠定了基础，不愧为现代物理学的伟大奠基者.后人把比萨斜塔当作他的纪念之塔，把在比萨斜塔作落体实验的荣耀归之于伽利略，尽在情理之中.

参考文献

1 人民教育出版社课程教材研究所编写组.高中新课标历史(必修3).北京:人民教育出版社,2008.53

2 张大昌，等.高中新课标物理(必修1).北京:人民教育出版社,2009.48

3 W.Drake.Galileo at Work,His Scientific Biography,Chiago.1861.19

4 申先甲,张锡鑫,祁有龙． 物理学史简编 .济南：山东教育出版社．1985

5 阎康年. 关于“比萨斜塔实验”争论的发展和看法. 科学技术与辩证法，1988(1):10

6 (英)斯蒂芬·F·梅森著.周煦良,全增嘏,等译.自然科学史.上海：上海译文出版社，1980

7 方舟子.爱因斯坦信上帝吗？(方舟子解读科学史著名谜团)广西:广西科学技术出版社,2009