伽利略与比萨斜塔

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恩格斯称伽利略是:“不管有何障碍,都能不顾一切而打破旧说,创立新说的巨人之一。”
伽利略出生在意大利的比萨城,他是近代实验科学的先驱者,是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学家、哲学家、物理学家、数学家。伽利略是近代实验物理学的开拓者,被誉为“近代科学之父”,他以系统的实验和观察推翻了亚里士多德在科学领域统治了近两千年的错误理论,为牛顿理论体系的建立奠定了坚实的实验基础。伽利略的一生为维护真理进行了不屈不挠的斗争,晚年受到教会的迫害,并被终身监禁。
1700多年前以来,人们一直把亚里士多德的学说当成颠扑不破的真理。但年轻的伽利略却根据自己的经验推断,对亚里士多德的权威学说提出挑战,大胆地提出了质疑。经过深思熟虑,他决定亲自动手做一次实验。
传说在1590年,伽利略选择了比萨斜塔作实验场。那天,他带了两个大小一样但重量不等的铁球,一个重10磅,是实心的;另一个重1磅,是空心的。伽利略站在比萨斜塔上面,望着塔下。塔下面站满了前来观看的人,大家议论纷纷。
“这个小伙子的神经一定是有病了!亚里士多德的理论不会有错的!”有人讽刺着说。
实验开始了,伽利略两手各拿一个铁球。
“下面的人们,你们看清楚,铁球就要落下去了。”伽利略大声喊道。
说完,他把两手同时张开。人们看到,两个铁球平行下落,几乎同时落到了地面上。在场的所有人均目瞪口呆。伽利略的实验,揭开了落体运动的秘密,推翻了亚里士多德“落体的速度同它的质量成正比”——这一持续了1900年之久的错误结论。这个实验在物理学的发展史上具有划时代的重要意义。
对伽利略是否在比萨斜塔做过自由落体实验?历史上一直存在着严重的分歧和争议。后来,这一说法被严谨的考证否定了。尽管如此,这位科学先驱者的丰功伟绩在世界人们的心中早已树起了一座永不倾倒的丰碑。来自世界各地的人们依然络绎不绝地前往比萨斜塔参观浏览,将这座古塔看做伽利略的纪念碑。
其实,伽利略实验中的两个球体并非像传说中的那样一起落地。因为两个球体在空气中下落,都受到了空气阻力的影响,各自的加速度并不相等,两个球体不能看作自由落体,是不会一起落地的。但是,如果没有空气的阻力影响,物体在真空中的相同高度处自由落下,无论物体重力是否相等,也无论物体的形状如何,均会同时落地,都会严格地遵循伽利略的自由落体定律。所以,伽利略的实验理论是正确的。
中学物理教学中,自由落体的演示实验是在两个托里拆利实验管中进行的,其中一个管子抽成真空。在两管中分别都装有白色的羽毛和小铁片,两者的重力并不相等。实验时,将管子竖直立起,羽毛和铁片同时从管顶自由落下,只有真空管中的羽毛和铁片同时落到管底。说明了物体只在重力作用下,由相同高度自由下落,落体的时间相同,验证了伽利略自由落体定律的正确性。在物理实验中,此实验叫托里拆利试验,管子叫托里拆利管,那段真空叫托里拆利真空。正是这位著名的科学家“托里拆利”,伙同伽利略的关门弟子——维维安尼,共同陪伴双目失明的伽利略走完最后的科学研究历程。
比萨斜塔就矗立在意大利比萨城北的奇迹广场上,那里大片草坪上散布着一组罗马式古典建筑风格的宗教建筑:比萨大教堂、洗礼堂、独立式钟楼和墓园。其中,那座倾斜的钟楼就是著名的比萨斜塔。
钟楼的建造开始于1173年8月,钟楼的初始设计为垂直建造,但由于地基不均匀和土层松软,工程开始五年发生倾斜。于是,工程曾间断了两次很长的时间,历经约二百年后,才于1372年完工,塔身向东南方向倾斜。
钟楼为何会倾斜?专家们曾为此一直争论不休。
经考证,比萨斜塔倾斜的原因,是由它地基下面土层的特殊性所致。比萨斜塔下有好几层不同材质的土层,各种软质粉土的沉淀物和极其松软的粘土相间分布,而在深约一米的地下则是地下水层。钟楼恰恰就建造在了古代的海岸边缘上,因此土质在建造时便已经沙化和下沉。
“塞翁失马,焉知非福。”
有时,许多事情都是歪打正凿。比萨斜塔在建筑的过程中就已经出现倾斜,原本是建筑上的一个败笔,却因祸得福成为世界建筑史上的一大奇观。
几个世纪以来,钟楼的倾斜始终吸引着好奇的游客、艺术家和学者。伽利略的自由落体实验更使斜塔蜚声世界,使之成为世界著名旅游观光圣地,每天都吸引着成千上万的游客,因而它也是比萨市的经济支柱,也是意大利比萨人的骄傲。
但随着时间的推移,斜塔倾斜角度的逐渐加大,到上个世纪九十年代,已濒于倒塌。
1990年1月7日意大利政府关闭对游人的开放,1992年成立比萨斜塔拯救委员会,向全球征集解决方案。于1999年10月开始比萨斜塔拯救工程,从斜塔北侧的地基下缓慢向外抽取土壤,使北侧地基高度下降,斜塔重心在重力的作用下逐渐向北侧移动。2001年6月,倾斜角度回到安全范围之内,关闭了十年的比萨斜塔又重新开放。
我有幸在比萨斜塔恢复安全状态后瞻仰到它的尊容,领略到这座古塔举世无双的奇异风采,亲自拍摄下了它各个观望角度的照片。比萨斜塔的奇观和风采令我流连忘返,久久不肯离去。
这座古塔以世界上独树一帜的倾斜姿态屹立在比萨大教堂的一侧,这期间凝聚了无数建筑师和科学家们800多年的心血。在比萨斜塔的拯救过程中,我们中国建筑专家也多次提出合理化建议。比萨斜塔是世界建筑史上的奇观,是世界科学发展史的里程碑,也是世界人类文明史的见证。