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第11章 、地动抛物问题与伽利略的相对性原理

哥白尼经过多年的观察和研究,提出了“日心说”,这个学说最主要的一个观点是,地球并不是固定不动的,而是在不断地绕太阳作公转运动。这个观点会引起一个相当难答的问题:既然地球是绕太阳运动的,为什么我们向天空抛高一个物体,这个物体不会落在我们的后面而会落在我们把物体向上抛的那一个位置上呢?这就是科学史上有名的地动抛物问题。

地动抛物问题虽然难答,但哥白尼思考之后,仍然作出了解释,他认为地球的运动分给了被抛高的物体,从而使得这些物体能够跟随地球一起运动,并以“人在船上同样是跟随着船向前运动”为例子来作出说明。这样的解释尚算合理,但由于当时的科学技术受到历史条件的限制,哥白尼的解释没能令多少人信服,因此间接影响了“日心说”的传播和人们对此学说的认同。

后来,晚哥白尼将近一个世纪出生的另一个科学巨人伽利略,又再根据自己的理论对地动抛物问题作了相似的解释。

1564年,伽利略出生于比萨,他不仅是物理学家,还是数学家、天文学家、哲学家、艺术家和文学家。

伽利略是惯性原理的发现者,他指出:若没有外力阻止正在运动的物体时,这个物体的运动状态仍会保持。

伽利略还发现地球上物体的自由落体现象是一种等加速现象,除了纸张、木片等极轻的物体之外,一般物体的重量是不影响这种等加速现象的。

他还提出了“相对性原理”。他认为,任何物体的等速运动,都不影响这个物体内部所产生的机械过程。例如地球上的船若以等速运动前进,那么船上物体将由于惯性也会保持与船速相同的速度前进。

伽利略做了一个实验来验证上面的理论。他把石子从行使中船舶的船桅顶上松手,让其自由落下。结果是船虽然早已离开了原来抛下石子时的位置,但石子并没有落在船的后面而是落在了船桅的脚下。对于这样的实验结果,伽利略认为与他的相对性原理是相符的,他指出,这是因为原来跟随船运动的石子这一物体没有受到外力的阻止,因而石子的运动状态仍会保持。即石子的运动状态会保持与船的运动状态一样。所以把石子从行使中船舶的船桅顶上松手让其自由落下,石子不会落在船的后面而会落在船桅的脚下。但伽利略强调,上结果出现的条件是船必须在没有摇晃的情况下作匀速直线运动。

解释了石子跟随船运动的现象之后,伽利略又再用他的相对性原理如此解释地动抛物问题:把石子抛上天空,石子会有惯性,会保持与地球一样的运动速度前进,所以石子在天空的时间如果不太长的话,由于惯性的缘故,石子仍会落在我们手上。

其实上面的现象以力的作用来解释也可以十分轻易就得到解决。以地动抛物为例,物体之所以不会落在地球后面的原因就在于地球的引力场。由于引力发出的速度太快,引力的运动就会是有限而接近于无限地连续,从而地球的位置到达哪一处,引力就跟随地球的运动到达哪一处。换另一个说法就是离地球表面不远的每一个点由于引力的关系都可以看作与地球有一样的运动速度。受引力的作用,地球上物体的运动就会保持与地球的运动一样。因而把物体向天空抛高,物体会在原地落下。

根据离开地球表面越远引力场越弱的理论,我们可以做一个实验来证明上面的现象是由于地球的引力场引起的。在飞机上把石子从高空抛下,记住相对位置和落地位置,看是否相同?可以较为肯定地相信,只要高度足够,相对位置和石子的落地位置应会有所不同,假如不同的话,就可以认为是由于地球高空引力减弱,以致不能令石子保持与地球一样的速度前进。

根据越近地球表面引力场越强的理论,我们还可以解释地球上物体的自由落体现象为什么是以每秒九米八的加速度来进行而不是以一种等速度来进行。这是因为地球表面引力场不仅越近就越强,而且是与距离的平方成反比地变动的,受到这种与距离的平方成反比地变动的吸引作用的影响,就造成了自由落体以每秒九米八的加速度来进行。

现在我再根据上面理论,去说明石子从船桅上落下为什么会落在船桅脚下而不会落在船桅后面:人在船上,石子在船桅上落下,整个过程是作为一个整体“船”去运动的,这是因为凡是物质体都肯定有引力,因而船也会有引力场,由于船的引力场对石子作用,就会导致类似于人在地球引力场上抛高物体而产生的现象。

这里也可以再设计一个实验,只要船桅足够高,石子就应该不会落在船桅脚下,这是由于物体离开船的表面越高船的引力场越加变弱而引致的。

为了证明这些理论,还可以再做一个简单的实验来验证。

一列火车在桥下经过,我们在桥上抛下石子,记住抛下石子那一刻石子与火车的相对位置,然后再记下石子落在火车上的位置,若二者不是同一位置就可以说明上面的理论:石子不是与火车为一体,而是与桥为一体的,由于石子受到火车引力场的影响较小,而受到桥的引力场的影响较大,所以石子真实落下的位置,与把石子抛向火车那一时间相对于火车的位置会有所不同。

凡是宇宙中的物质体,都一定存在引力和斥力,即存在其引力场。在此物质体引力场范围内的物体的运动也就与此物质体的引力场息息相关。我把引力场内物体的运动规律总结为下面的理论:等速运动着的物体引力场越大,在这个物体引力场范围内的物体受引力的影响就会越大,从而跟随原物体一起向前运动的状态与原物体的运动状态就会越接近。

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