原文標題：《為什么蘋果往下落，熱氣球卻往天上飛？》
世間萬物都在運動
宇宙萬物都在運動和變化之中，物理學就是要研究它們的運動變化規(guī)律，研究它們?yōu)槭裁磿\動、怎樣運動。
我們能看見物體，是因為光子跑到眼睛里來了；我們能聽見聲音，是因為聲波通過空氣傳入了耳朵；我們能接聽電話，是因為有電磁波在給我們傳遞信息；至于蘋果熟了會下落，推一下椅子，椅子會動就更不用說了。
如果沒有運動，世界將是一片死寂，那也沒物理學啥事了。
運動是如此普遍和顯然，可物體為什么會運動呢？乍一看，這個問題好像很好笑，但仔細一想，你會發(fā)現它遠沒有想象的那么簡單和理所當然。
為什么蘋果往下落，熱氣球卻往天上飛？我推一下椅子，椅子就往前走，一松手椅子就停了，難道有外力物體才會動？一個鐵球比一根羽毛落得更快，是因為鐵球更重一些嗎？這些問題是如此平常，但回答起來卻異常困難。古希臘時期很多自然哲學家都思考過這些問題，但答案都不太令人滿意。
比如，你看，我推椅子，椅子就動了。這個好理解 —— 通過接觸傳遞力，也很容易接受。但是，蘋果下落時，并沒有東西跟它接觸啊，為什么它還會運動呢？熱氣球上升時，也沒有東西跟它接觸，為什么它也運動呢？而且，為什么蘋果往下運動，熱氣球卻往上運動呢？難道說重物都往下落，輕物都往天上飛？
看到這里，有些同學肯定想說：蘋果下落是因為受到了向下的引力，熱氣球上浮是因為受到了向上的浮力。很多家長在回答孩子的問題時，也喜歡直接這樣甩答案。
這答案雖然沒錯，但它過于從天而降。孩子們通過這種答案只能獲得一個零碎的知識點，無法了解背后的知識體系，也無法體會科學是如何建立起來的。古希臘人對自然界進行了細致的分析和深入的哲學思考，最后形成了一套自洽的自然哲學體系。
在這個過程中，出力最多、處于核心地位的是亞里士多德，我們姑且把這一整套看待世界的觀點稱為“亞里士多德世界觀”。
這套觀點認為：地球是宇宙的中心，日月星辰都圍著地球轉。地球上的物質由水、火、土、氣四種基本元素組成。土元素天然會向宇宙中心運動（所以石頭會掉下來）；水元素也天然向宇宙中心運動，但這一趨勢比土元素弱（所以水也會往下運動，但在土的上面）；氣元素天然向水和土以上運動（所以水里的氣泡會往上面冒）；火元素有一種天然遠離宇宙中心的趨勢（所以火在空氣中向上燃燒）。
一個物體如果趨于靜止，要么是組成這個物體的元素已經達到了它在宇宙中的自然位置（比如水和土到了地球中心），要么是被其他東西（如地球表面）擋住了。一個靜止的物體會一直保持靜止，除非它有其他的運動來源（要么是自己趨于宇宙自然位置的運動，要么是外界給了力，比如我推桌子）。
其他觀點我就不一一列舉了，大家看了之后有什么感想？你有沒有感覺，雖然這些觀點在今天看起來很“幼稚”，但它卻是一套自洽的體系。它能把自己的話圓回來，不會自相矛盾；它也能解釋為什么物體會運動，能比較好地解釋古人看到的各種現象。甚至，對小孩子來說，這一套理論更符合“常識”，更容易被理解和接受。但是，這并不是科學，而是自然哲學，真正的科學當時還沒有誕生。亞里士多德世界觀還要統(tǒng)治歐洲近 2000 年，一直到伽利略的出現。
伽利略的發(fā)現
伽利略認為，不能只對運動做定性的分析，還要做定量的計算。應該用數學定量地描述物體的運動，再用實驗去驗證，而不是僅僅討論諸如物體的目的、本性這種形而上學、無法量化的東西。
這就意味著，伽利略放棄了古希臘以來的自然哲學傳統(tǒng)，正式創(chuàng)立了以數學和實驗為根基、以“描述自然現象”為任務，而不是嘗試去“解釋自然現象本質”的現代科學。重物會下落，那就看看它是怎么下落的，第 1 秒下落了多少，第 2 秒下落了多少，找找規(guī)律。
人們說物體越重下落得越快，那就來做實驗，看看一個重鐵球和一個輕鐵球比是不是如此。人們說所有的物體達到它的自然位置之后就會趨于靜止，那就來做實驗看看到底是不是這么回事。
做了一堆實驗之后，伽利略大驚失色，他發(fā)現事情根本不是原來想的那樣。感覺靠不住，得用實驗說話。
首先，伽利略從一系列斜坡實驗中發(fā)現：一個物體是否運動，跟它有沒有受力沒有直接關系，運動不需要外力來維持。他設計了一個光滑的斜坡，發(fā)現不管從左邊多高的地方放下小球，小球基本上都能達到右邊相同高度的地方。
接下來，減小右邊的坡度，讓右邊越來越平。那么，為了達到同樣的高度，小球就得運動更遠的距離。
最后，把右邊的斜坡完全放平，那右邊就變成了一個平面，高度永遠不變了。這樣，無論小球運動多久，運動多遠，都不可能再達到與左邊相同的高度。永遠達不到左邊相同高度的意思是：小球會一直勻速直線運動下去（假設地面絕對光滑）。這就像在溜冰場，地面越光滑，人就能一次性滑得越遠。如果地面絕對光滑，人就會永遠停不下來，直到碰到其他障礙物。
通過這個實驗，伽利略發(fā)現運動本身并不需要力來維持，物體不受任何外力作用時也能保持勻速直線運動的狀態(tài)。那么，力的作用到底是什么呢？用力推椅子，椅子的狀態(tài)確實改變了，也確實好像是用的力氣越大，椅子運動的速度就越大。
伽利略針對這些問題做了進一步研究，最后發(fā)現：力不是維持物體運動的原因，而是改變物體運動狀態(tài)的原因。也就是說，維持物體的運動不需要力，但改變物體的運動就需要力了，力還是非常有用的。小鋼球在絕對光滑的地面上能一直做勻速直線運動，速度的大小和方向都不變。但如果用力推小球，小球的速度就會改變。伽利略的工作非常重要，他不僅開創(chuàng)了現代意義上的科學，指明了科學研究的基本方法，還身體力行，發(fā)現了大量物體運動的基本規(guī)律，給后人指明了方向。
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本文來自微信公眾號：原點閱讀 （ID：tupydread），作者：長尾君，張潤昕
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