Говорят , что между 1589 и 1592 годами [1] итальянский учёный Галилео Галилей (тогда профессор математики в Пизанском университете ) сбросил «неравные гири одного и того же материала» с Пизанской башни, чтобы продемонстрировать, что время их падения не зависела от их массы, согласно биографии ученика Галилея Винченцо Вивиани , составленной в 1654 году и опубликованной в 1717 году. [2] [3] : 19–21 [4] [5] Основная предпосылка была уже продемонстрирована итальянскими экспериментаторами. несколькими десятилетиями ранее.
Согласно этой истории, Галилей в ходе этого эксперимента обнаружил, что объекты падали с одинаковым ускорением, доказав, что его предсказание верно, и в то же время опроверг теорию гравитации Аристотеля (которая утверждает, что объекты падают со скоростью, пропорциональной их массе) . Большинство историков считают, что это был мысленный эксперимент , а не физическое испытание. [6]
Византийский греческий философ VI века и комментатор Аристотеля Иоанн Филопон утверждал, что утверждение Аристотеля о том, что предметы падают пропорционально их весу, неверно. [7] К 1544 году, согласно Бенедетто Варки , предпосылка Аристотеля была опровергнута экспериментально по крайней мере двумя итальянцами. [8] В 1551 году Доминго де Сото предположил, что объекты в свободном падении ускоряются равномерно. [8] Два года спустя математик Джамбаттиста Бенедетти задался вопросом, почему два шара, один из железа, а другой из дерева, падают с одинаковой скоростью. [8] Все это предшествовало рождению Галилео Галилея в 1564 году .
Похожий эксперимент был проведен в Делфте в Нидерландах математиком и физиком Саймоном Стевином и Яном Корнетсом де Гроотом (отцом Хьюго де Гроота ). Эксперимент описан в книге Стевина 1586 года De Beghinselen der Weeghconst ( «Принципы статики »), знаковой книге по статике :
Возьмем (как это сделали высокообразованный Ян Корне де Гроот, усердный исследователь тайн Природы и я) два свинцовых шарика, один в десять раз больше и тяжелее другого, и позволим им упасть вместе с высоты 30 футов высотой, и оно покажет, что самый легкий шар не движется в десять раз дольше, чем самый тяжелый, но они одновременно падают на землю. ... Это доказывает, что Аристотель неправ. [9] [10] [11]
В то время, когда Вивиани утверждает, что эксперимент имел место, Галилей еще не сформулировал окончательный вариант своего закона падения тел . Однако он сформулировал более раннюю версию, которая предсказывала, что тела из одного и того же материала, проходящие через одну и ту же среду, будут падать с одинаковой скоростью. [3] : 20 Это противоречило тому, чему учил Аристотель: тяжелые предметы падают быстрее, чем более легкие, и прямо пропорционально их весу. [3] : 9 [12] Хотя эта история была пересказана в популярных источниках, самого Галилея нет описания такого эксперимента, и многие историки полагают, что это был мысленный эксперимент . [13] Исключением является Стиллман Дрейк , который утверждает, что это произошло, более или менее, как описал Вивиани, как демонстрация для студентов. [3] : 19–21, 414–416.
Свои представления о падении людей и о снарядах вообще Галилей изложил в книге «Две новые науки» (1638). Двумя науками были наука о движении, ставшая краеугольным камнем физики, и наука о материалах и конструкции, внесшая важный вклад в инженерное дело. Галилей пришел к своей гипотезе с помощью знаменитого мысленного эксперимента, описанного в его книге « О движении» . [14] Он пишет:
Сальвиати . Если же мы возьмем два тела, у которых естественные скорости различны, то ясно, что при соединении обоих более быстрое будет отчасти заторможено более медленным, а более медленное будет несколько ускорено более быстрым. Вы не согласны со мной в этом мнении?
Симпличио . Вы, несомненно, правы.
Сальвиати . Но если это правда и если большой камень движется со скоростью, скажем, восьми, а меньший — со скоростью четыре, то при их соединении система будет двигаться со скоростью меньше восьми; но два камня, соединенные вместе, образуют камень больше, чем тот, который раньше двигался со скоростью восемь. Следовательно, более тяжелое тело движется с меньшей скоростью, чем более легкое; эффект, который противоречит вашему предположению. Таким образом, вы видите, как из вашего предположения, что более тяжелое тело движется быстрее, чем более легкое, я делаю вывод, что более тяжелое тело движется медленнее. [15]
Его аргумент заключается в том, что если мы предположим, что более тяжелые объекты действительно падают быстрее, чем более легкие (и наоборот, более легкие объекты падают медленнее), веревка вскоре натянется, поскольку более легкий объект замедляет падение более тяжелого объекта. Но рассматриваемая система в целом тяжелее , чем тяжелый объект в отдельности, и поэтому должна падать быстрее . Это противоречие приводит к выводу, что предположение неверно.
Астронавт Дэвид Скотт провел версию эксперимента на Луне во время миссии «Аполлон-15» в 1971 году, выронив из рук перо и молот. Из-за незначительной лунной атмосферы не было никакого сопротивления перу, которое достигло лунной поверхности одновременно с молотом. [16]
Основная предпосылка этих экспериментов теперь известна как (слабый) принцип эквивалентности . Гипотеза Галилея о том, что инертная масса (сопротивление ускорению) равна гравитационной массе (весу), была расширена Альбертом Эйнштейном , включив в нее специальную теорию относительности , и эта комбинация стала ключевой концепцией, ведущей к развитию современной теории гравитации, общей теории относительности . Физические эксперименты, проведенные Галилеем, увеличили точность эквивалентности до одной триллионной части. [17]