第6章 重的轻的谁先落地

  孟川站在讲台前，将手中的物理课本和实验器材——一根长约一米、两端封闭的透明玻璃管，以及一小片薄铁片和一小簇羽毛。

  “同学们，上节课我们说到，物理学旨在探究万物运行的规律。”他翻开课本到新的一页，“今天，我们就从一个最古老、也最直观的问题开始。”

  他在黑板上写下问题，粉笔笃笃作响：

  “重的物体和轻的物体，谁下落得更快？”

  问题简单到近乎幼稚。教室里立刻响起几声轻笑和低语。

  “当然是重的快！”一个坐在后排的男生脱口而出。

  “没错吧？铁球肯定比羽毛先落地。”

  “感觉应该是……”

  孟川没有立刻评判，只是微微一笑：“凭感觉，大家似乎都得出了相近的结论。这很正常，因为我们日常观察似乎就是这样——石头比树叶落得快，铁块比纸片先着地。”

  他顿了顿，目光扫过教室：“但是，感觉一定可靠吗？物理学，恰恰始于对习以为常现象的怀疑和追问。”

  他转身，在黑板上写下两个名字：

  亚里士多德

  伽利略

  “在很久以前的西方，有一位名叫亚里士多德的伟大思想家，”孟川的声音平缓，将学生们的注意力重新拉回，“他基于观察和哲学思辨，提出：物体下落的快慢与其重量成正比。也就是说，物体越重，下落得越快。这个观点统治了人们的思想近两千年。”

  近两千年？教室里安静了一些，学生们脸上露出惊讶的神色。一个听起来如此“合理”的观点，竟然错了那么久？

  “那么，是谁挑战了这个统治千年的观点呢？”孟川指向第二个名字，“就是这位，伽利略。他不仅是一位天文学家，更被称为‘近代物理学之父’。他通过严谨的逻辑推理和实验，对亚里士多德的观点提出了质疑。”

  孟川走到玻璃管旁边：“伽利略设想，如果重的物体比轻的物体下落得快，那么，当我们把一个重球和一个轻球绑在一起下落，会发生什么？”

  他略作停顿，让学生们思考。

  “按照亚里士多德的观点，重球下落快，轻球下落慢，绑在一起后，快的会被慢的拖慢，慢的会被快的拉快，所以整体下落速度应该介于两者之间。但另一方面，绑在一起后，总重量变大了，岂不是应该下落得更快？这里就出现了逻辑上的矛盾。”

  几个思维活跃的学生已经皱起了眉头，显然被这个悖论吸引了。

  “所以，伽利略推测，”孟川的声音清晰而肯定，“真空中，所有物体下落的快慢应该是一样的，与重量无关。 下落快慢的不同，主要是由于空气阻力的影响。”

  “真空？”有学生小声问。

  “对，就是没有空气的空间。”孟川解释道，“在我们周围充满空气的环境里，空气阻力对羽毛、纸张这种轻而面积大的物体影响巨大，所以它们下落很慢；而对铁球、石头这种密度大、相对流线型的物体，影响就小得多。”

  他拿起那根玻璃管。玻璃管的一端有一个气阀接口，此刻连接着一个小巧的抽气装置。

  “为了验证这个猜想，我们今天就来重现一个经典的思想实验的实体版。”孟川将那片小铁片和那簇羽毛，分别从玻璃管两端的开口放入管内，铁片和羽毛分别落在管底两端。“大家看，现在管子里有空气。我把它竖起来，让它们同时从顶部下落，猜猜会怎样？”

  “铁片先到底！”学生们异口同声。

  孟川将玻璃管缓缓竖直，果然，铁片“啪”一声迅速落到底部，羽毛则晃晃悠悠，飘摇了好一会儿才慢吞吞落下。

  “看，符合我们的日常经验，对吧？”孟川将玻璃管放平，重新将铁片和羽毛放到两端，“现在，我要用这个抽气装置，把玻璃管里的空气，尽可能抽走，制造一个接近真空的环境。”

  他开始动手操作手动真空泵。活塞抽动的轻微“嗤嗤”声在安静的教室里格外清晰。学生们伸长脖子，好奇地看着。

  抽了十几下后，孟川示意差不多了。他再次将玻璃管缓缓竖直，并举高，让所有学生都能看清。

  “注意看，”他的声音带着一丝演示实验特有的、引人入胜的张力，“现在，管子里空气已经非常稀薄。我数三下，同时放开对它们的固定。一、二、三！”

  他的手指松开了某个机关。

  下一刻——

  在全体学生，以及跨越时空、无数双古代眼睛的注视下，玻璃管中那片小小的铁片，和那簇轻飘飘的羽毛，竟然并驾齐驱，以完全相同的速度，并肩穿过透明的管壁空间，几乎同时触及了玻璃管的底部！

  “嘶——”

  教室里响起一片整齐的倒抽冷气声，随即爆发出更大的惊呼和议论！

  “真的同时！”

  “天啊！羽毛……羽毛和铁片一起掉下来了！”

  “真空……真空里真的没有空气阻力！”

  “亚里士多德真的错了？”

  学生们瞪大了眼睛，脸上写满了惊奇、兴奋和恍然大悟。那个看似理所当然的“常识”，在简洁而有力的实验面前，轰然倒塌。一种通过亲手验证而获得真理的奇妙感觉，在年轻的心里荡漾开来。

  孟川脸上露出笑容，他喜欢看到学生这种发现新大陆般的表情。他将玻璃管放平，打开气阀，让空气重新进入。随着“嘶”的一声进气响，管内的铁片和羽毛恢复了原状。

  “看，空气一进去，魔法就消失了。”他幽默地说，“所以，我们今天通过这个实验，验证了伽利略的推论：在忽略空气阻力的情况下，所有物体下落的加速度是相同的。 这个加速度，我们称之为重力加速度，用字母 g 表示，它的大小约等于9.8米每二次方秒，方向竖直向下。这是我们今后会频繁用到的一个重要常数。”

  他在黑板上写下 g = 9.8 m/s2。

  “而物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，我们就称之为自由落体运动。”他写下这个标题，“它的规律，可以用几个简洁的公式来描述”

  孟川开始讲解自由落体的位移、速度公式，并画出示意图。学生们听得格外认真，刚刚那个颠覆性的实验，仿佛一把钥匙，打开了他们理性思考与探究的大门。