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  • 1 # 陳徵博士

    我個人最欣賞的是真空管中羽毛和球同時落地(自由落體)的實驗。

    這是一個向經典物理實驗致敬的專案,致敬的物件是2002年被票選進入世界十大經典物理實驗(刊登於當年的《物理世界》雜誌)之一的伽利略自由落體實驗。這也是中國電視史上第一次用實驗室級的大型裝置現場復現經典物理實驗。

    伽利略當眾在比薩斜塔上釋放兩個不同大小的鐵球,讓大家看到它們同時落地,從而推翻了千百年來亞里士多德物體下落速度和物體的輕重成正比的觀點,這是我們從小就耳熟能詳的故事。這個實驗是否真實發生過,其實是一個懸案。曾做過這個實驗的說法,來自於他的學生維維安尼在《伽利略傳》提到的“據說”。不過我們知道伽利略也在1591年寫的《論運動》中,確實提到了球從塔上落地的實驗,只是他是做的思想實驗還是真實實驗並不清楚。

    是否真的在比薩斜塔上扔過鐵球並不影響伽利略的偉大,他一方面在邏輯上指出了亞里士多德觀點的邏輯問題:如果輕的物體落得慢重的物體落得快,那麼把兩個物體連線在一起時,會獲得一個更重的物體,此時是輕物體把重物體拖慢呢?還是兩個物體構成的整體更重的物體落得更快?另一方面伽利略還用傑出的數學思想,把自由落體問題轉化成了斜面實驗進行了詳細的實驗驗證。這些為現代物理學的建立奠定了基礎。

    此外這個實驗的意義不僅是方法論上的,它的物理意義也非常深刻。牛頓運動定律告訴我們物體有慣性,表現物體慣性大小的量我們稱之為“慣性質量”,“慣性質量”越大的物體越不容易改變運動狀態;萬有引力定律告訴我們,任何物體都具有吸引其他物體的性質,引力質量是物體這種性質的量度,引力質量大的物體受到的地球引力越大。自由落體實驗告訴我們,引力質量和慣性質量竟然如此精確的成正比!只要我們選擇適當的單位,比如國際單位制,它們就完全相等。慣性和引力是兩個完全不同的物理屬性,他們為什麼會存在如此普遍精確的相等(在適當單位下)關係呢?這背後有著和時空本質相關的更深層次的內容。

    愛因斯坦以慣性質量和引力質量的相等(在適當單位下)關係為基礎建立了廣義相對論,並提出物體的慣性和引力性質產生於同一來源。廣義相對論中一些參量一方面表現為物體的慣性,另一方面又表現為引力場的源泉。這個結論成功地經受了考驗,從伽利略以來,類似實驗進行了300多年,而且還一直在繼續,目前已經達到10的負12次方以上的精度,依然成立!

    最後,這個裝置是我帶著團隊親手設計製作的,我很驕傲這件事!

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