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4. 不可思议之四:引力对一切物体的作用都是一样的
2015-11-16 15:52:21     我来说两句 
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在关于科学发现的奇闻趣事中,有很多真伪不明的传说。如伽利略仰望教堂的吊灯后发现“摆的等时性”,牛顿观察苹果从树上掉落后想到万有引力定律等。关于引力还有一个有名的轶事,那就是伽利略的“比萨斜塔实验”。在该实验中,伽利略从塔上同时释放大小相同的铁球和木球,与大多数人预想“重的铁球会先落地”的结果相反,两球以相同的速度落下。据权威考证称,这个实验其实未曾出现过。
 
但是,其实验结果是准确无误的。1971年,阿波罗15号的指令长大卫·斯科特(David Scott)在月球表面向我们展示了同样的实验。在没有空气阻力的月球表面同时释放铁锤和羽毛,它们以完全相同的速度落下。
 
这可以说是与我们直觉相反的现象吧。亚里士多德也认为,越是含土元素多的(也就是重的)物质,下落的速度越快。在伽利略的时代到来之前,任何人都坚信这一点。像鸟的羽毛和纸片那样轻的物体受到空气阻力的影响较大,这也干扰了人们对于这方面的理解。
 
不过,考虑到引力的性质,重的物体和轻的物体同时落地的现象依然令人不可思议。虽然桌子上的铅笔和橡皮并没有黏在一起,但是如果将地球上的所有物体都看成是黏在一起的话就会发现,质量越大,引力的作用就越强。因此,物体越重,受到“被地球吸引的力”越强。如果在同一高度同时释放苹果和西瓜,由于质量更大的西瓜被地球强有力地吸引着,所以会认为它将先到达地面。
 
然而实际上并非如此。在没有空气阻力的环境中,物体的下落速度是一样的,与质量并不相关。这是为什么呢?
 
我们容易忽视的是“物体越重,使它动起来就越难”。本来质量就仅仅指使物体“动起来的难易程度”。只要想象一下拉拽翻斗车和两轮拖车,就能明白质量越大动起来越难。
 
拉拽地面上的物体时,因为物体越重需要克服的摩擦力越大,所以使其动起来就越难。不过即使没有摩擦力,也存在使物体动起来的难易程度差异。例如在失重的宇宙飞船中,假设体重为200公斤的相扑手和20公斤的孩子互相冲撞。因为双方都轻飘飘地浮着,所以完全没有摩擦力。由于作用力与反作用力相等,因此他们彼此受到的力是大小相同的。
 
但是,他们远离互撞地点时的速度是不同的。体重轻的孩子会飞得更远。如果你不同意这一观点,请尝试思考一下相扑手用手指把小跳蚤弹飞的情景(图1-2)。相扑手和跳蚤不会以相同的速度飞出去,因为质量大的相扑手“动起来更难”。另外,这一现象与引力、摩擦力完全没有关系。
 
图1-2 在失重状态下,如果相扑手与跳蚤互撞,谁将被弹飞呢?
 
那么,我们再思考一下苹果和西瓜下落的现象。地球用引力这条无形的绳索拴着二者,仿佛在互相拉拽。与刚才的例子中相扑手比孩子和跳蚤更难动起来一样,重的西瓜也要比轻的苹果更难动起来吧?如果是的话,那么似乎要与我们“重的物体先落下”的直觉相反,轻的苹果会先落下。
 
但是另一方面,地球吸引西瓜的力更强。所以“难动起来”的物体受到的引力更强。也就是说,质量大的物体具有“难动起来”和“被引力强烈吸引”的两个性质,之所以苹果和西瓜同时落下,我们只能认为是因为这两个性质正好互相抵消。因此,尽管质量越大的物体受到的引力越强,但引力对运动的影响与质量无关。
 
读到这里,会有很多人想起在学校学的“质量和重量的区别”吧?在学校的课堂上,老师告诉我们,质量表示改变物体运动状态的难易程度,而重量表示引力的强度,要区别对待这两个概念。其实我们可以认为它们没有任何关系,不论哪个量大,苹果或西瓜中的哪一个先落地都不足为奇。
 
不过现实是它们正好互相抵消,因此同时落地。关于这一点,通过精密的实验我们已经发现,目前在100亿分之一的精度下“质量”和“重量”是一致的。也就是说,“质量”和“重量”实质上是一样的,没有必要将它们区别开来考虑。
 
那么,为什么“动起来的难易程度”与“引力的强度”正好互相抵消彼此的效果呢?关于这个问题,牛顿理论也无法解释清楚。牛顿回答说“自然就是这样”,他给出的答案不是“WHY”,只是“HOW”而已。后来阿尔伯特·爱因斯坦对“WHY”做出了解答。后面的内容会做出详细的解释,敬请期待吧。
 
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