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  • 1 # 使用者3662674715739

    在關於科學發現的奇聞趣事中,有很多真偽不明的傳說。如伽利略的仰望教堂掉燈後發現“擺的等時性”,牛頓觀察蘋果從樹上掉落後想到萬有引力定律等。關於引力還有一個有名的軼事,那就是伽利略的“比薩斜塔實驗”,在該實驗中,伽利略同時從斜塔上釋放大小相同的鐵球和木球,與大多數人預想“重的鐵球會先落地”的結果相反,兩球以相同的速度落下。據權威考證稱,這個實驗其實未曾出現過。

    但是,其實驗結果是準確無誤的。1971年,阿波羅15號指令長斯科特在月球表面向我們展示了同樣的實驗。在沒有空氣阻力的月球表面同時釋放鐵錘和羽毛,他們以完全相同的速度落下。

    這可以說是與我們的直覺相反的現象吧。亞里士多德也認為,越是含土元素多的(也就是重的)物質,下落的速度越快。在伽利略的時代到來之前,任何人都堅信這一點。想鳥的羽毛和紙片那樣輕的物體受到空氣阻力的影響較大,這也干擾了人們對於這方面的理解。

    不過,考慮到引力的性質,重的物體和輕的物體同時落地的現象依然令人不可思議。雖然桌子上的鉛筆和橡皮並沒有黏在一起,但是如果將地球上所有物體看成是黏在一起的話就會發現,質量越大,引力的作用就越強。因此,物體越重,受到“被地球吸引的力”越強。如果在同一高度同時釋放蘋果和西瓜,由於質量更大的西瓜被地球強有力的吸引著,所以會認為它將先到達地面。

    然而實際上並非如此。在沒有空氣阻力的環境中,物體下落速度是一樣的,跟質量並不相關。這是為什麼呢?

    我們容易忽視的是“物體越重,是它動起來越難”。本來質量就僅僅指使物體“動起來的難易程度”。只要想象一下拉拽斗車和兩輪拖車,就能明白質量越大動起來越難。

    拉拽地面上的物體時,因為物體越重需要克服的摩擦力越大,所以是其動起來就越難。不過即使沒有摩擦力,也存在使物體動起來難易程度的差異。例如在失重的宇宙飛船中,假設體重200公斤的相撲手和20公斤的孩子相互衝撞。因為雙方都輕飄飄的地浮著,所以完全沒有摩擦力。由於作用力和反作用力等,因此他們彼此受到的力大小是相同。

    但是他們遠離相互衝撞的地點時速度是不同的。體重的孩子會飛得更遠。如果你不同意這一點,請嘗試思考下相撲手右手指把小跳蚤譚飛的情景。

    相撲手和跳蚤不會以相同的速度飛出去,因為質量大的相撲手“動起來更難”。另外這一現象跟引力,摩擦力完全沒有關係。

    那麼,我們再思考一下蘋果和西瓜下落的現象。地球用引力這條無形的繩索拴著兩者,彷彿在互相拉拽。與剛才的例子中相撲手比孩子和跳蚤更難動起來一樣,重的西瓜也要比輕的蘋果更難動起來吧?如果是的話,那麼似乎要與我們“重的物體先落下”的直覺相反,輕的蘋果會先落下。

    引力是什麼:支配宇宙萬物的神秘之力

    但是另一方面,地球吸引西瓜的力更強。所以“難動起來”的物體受到的引力更強。也就是說,質量大的物體具有“難動起來”和“被引力強烈吸引”的兩個性質,之所以蘋果和西瓜同時落下,我們只能認為是因為這兩個性質正好互相抵消。因此,儘管質量越大的物體受到的引力越強,但引力對運動的影響與質量無關。

    讀到這裡,會有很多人想去在學校學的“質量與重量的區別”吧?在學校的課堂上,老師告訴我們,質量表示改變物體運動狀態的難易程度,而重量表示引力的強度,要區別對待這兩個概念。其實我們可以認為他們沒有任何關係,不論哪個量大,蘋果或西瓜中的哪一個先落地都不足為奇。

    不過現實是他們正好相互抵消,因此同時落地。關於這一點,透過精密的實驗我們已經發現,目前在100億分之一的精度下“質量”和“重量”是一致的。也就是說,“質量”和“重量”實質上是一樣的,沒有必要將他們區分開來考慮。

    那麼,為什麼“動起來的難易程度”與“引力的強度”正好相互抵消彼此的效果呢?關於這個問題,牛頓理論也無法解釋清楚。牛頓回答說“自然就是這樣”,他給出的答案不是“WHY”,只是“HOW”而已。後來愛因斯坦對“WHY”做了解答。

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