伽利略“斜面”

孙敦福 庆贺

我们知道，力的作用效果之一是力能改变物体的运动状态。假如物体不受力作用时，物体将怎样运动？可能你会想：物体不受力，物体当然要保持静止。比如，“用力推车，车子才前进；停止用力，车子就要停下来”。这种观点对吗？

在物体运动原因的研究中，长期以来人们的经验是，要改变一个静止物体的位置，必须推它、提它或拉它。因此人们直觉地认为，物体的运动是与推、提、拉等动作相联系的，深信要使一个物体运动得更快，必须用更大的力推它、提它或拉它，当推、拉物体的力不再作用时，原来运动的物体便静止下来。根据这类经验事实，亚里士多德得出结论：静止是水平地面上物体的“自然状态”或“自然本性”，必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止下来。然而，亚里士多德的这个结论是错误的，并且由于亚里士多德的权威，这种错误认识被维持了近两千年。直至三百多年前，伽利略才创造了有效的方法和技术，揭示了现象的本质。

伽利略认识到，将人们引入歧途的是摩擦阻力，而这又是人们在日常观察物体运动时难以完全避免的。伽利略注意到，当一个球沿斜面向下滚时，它的速度增大，而向上滚时，它的速度减小。由此他推论，当球沿水平面滚动时，它的速度应不增不减。实际上他也发现，球越来越慢，最后停下来。伽利略认为，这并非是它的“自然本性”，而是由于摩擦阻力的缘故，因为他同样还观察到，表面愈光滑，球便会滚的越远。于是他推论，若没有摩擦阻力，球将永远滚下去。1632年伽利略的实验如图1所示，让小球沿一个斜面从静止状态开始下滚，小球将滚上另一个斜面，达到与原来差不多的高度然后再下滚。他推论，只是因为摩擦力，球才没能达到原来的高度。然后，他减小后一斜面的倾角，小球在这个斜面上仍达到同一高度，但这时它要滚得远些。继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度就会滚得更远。于是他设想：若将后一斜面放平，球会滚多远？结论显然是球将永远滚下去。这就是说，力不是维持物体运动（即维持物体的速度）的原因，而恰恰是改变物体运动状态（即改变物体速度）的原因。这一结论，打破了自亚里士多德以来二千多年间关于“受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止”这一类陈旧观念。这只是一个理想实验，因为摩擦是永远无法消除的。后来这个结论被牛顿总结为牛顿第一定律，为近代力学的建立奠定了基础。

伽利略把实验观察和抽象思维结合起来，找到了深入理解运动问题的真正线索，是他研究工作的卓越之处。爱因斯坦称赞道：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”