马德堡半球实验

马德堡半球实验

1654年的一天，天空晴朗，万里无云。德国马德堡市的中心广场显得格外引人瞩目。人们议论纷纷，奔走相告，熙熙攘攘的人群涌向中心广场。原来这里正要进行一个有趣的实验，即“马拉铜球”实验。在场的观众数不胜数，不仅有知名的贵族、热心科学研究的学者、平民百姓，而且国王也亲临现场。在他们当中，既有支持实验、希望实验取得成功的人;也有怀疑和反对实验的人。议论、争论、吵吵嚷嚷，这个露天实验场上显得十分热闹。在广场的中央位置站着一位中年男子，正在向观众宣讲:“大气压力是普遍存在的，自然害怕真空，是谬论……”他就是著名的德国物理学家、马德堡市市长奥托·格里克。

实验开始了，格里克和他的助手先在两个精心制作的直径为14英寸(35.7厘米)的半球壳中间垫上橡皮圈，再把两个半球灌满了水合在一起，然后把水全部抽出使球内形成真空，再把气嘴上的龙头拧死，这时周围的大气把两个半球紧紧地压在一起。

马徳堡半球实验

一系列工作做完后，格里克一挥手，4名马夫牵来8匹高头大马，在球的两边各拴上4匹。然后，格里克一声令下，4名马夫用皮鞭猛抽两边的马。无奈马的力量太小，两个半球仍然紧紧地合拢在一起。这时在场的观众无不感到惊奇，广场上肃静起来，一双双带有疑惑的眼睛都注视在这8匹马拉这2个半球上来。格里克见到8匹马没有拉开合拢在一起的2个半球，又命令马夫牵来8匹高头大马，一边增加4匹马。这样，在16匹马的猛拉下，2个半球才勉强被拉开。在两半球分开的一刹那，外面的空气以巨大的力量、极快的速度冲进球内，实验场上发出了震耳的巨响。

在场的人们无不为这科学的力量而惊叹。在大家为市长的实验成功而欢呼时，格里克当众对实验做了解释:大气的压力是普遍存在的，人们之所以感觉不到它的存在，是作用在人体上的大气压力相互抵消的缘故，两个半球不易被马拉开，是因为球内的空气抽出以后，球里就没有空气的压力了，而球外两面的大气压就像两只大手，把两半球紧紧地压在一起。这个压力是相当大的。最后，市长高声说道:“请大家相信吧，大气压力是普遍存在的!”

格里克的马德堡半球实验，是物理学史上的一次著名的实验，它为人们确信大气压力的存在，作出了杰出的贡献，推动了物理学的发展。

这位市长能够成功地完成这重大实验，决不是一时心血来潮，是他长期钻研科学的结果。格里克1602年11月20日生于德国的马德堡市。他从小就喜欢看书，读书的范围也很广泛。他看书有个特点，凡是看到比较重要的地方，就停下来合上书本，想一想，然后再继续看下去，这使他养成了独立思考问题的习惯。他很注重实践，从不迷信书本。他对伽利略的注重实验、尊重事实的科学态度十分赞赏，并自觉地把它作为自己从事科学研究的楷模。

中学毕业后，格里克先在莱比锡大学学习。1621年，他转到耶拿大学攻读法律。1623年，他到莱顿大学学习数学和力学。他博览群书，知识广博，对天文学、物理学、数学、法律学、哲学和工程学等多种学科都有较深的造诣。

1631年，他参军后，在军队中担任军械工程师，工作很出色。离开军队后，他开始投身政界。1646年，他被市民选举为马德堡市市长。不管在军队还是在政界，他都没有停止对科学的探索。

这一时期，抽水机已在工农业生产上得到了广泛的应用。但当时还不知道为什么抽水机只能把水升到大约10米的高度，再深一点它就无能为力了。由于采矿业发展较快，人们急需把较深矿坑中的水抽上来，于是矿主纷纷聘请最好的技师来改进抽水机。但不管技师多么高明，抽水机也始终不能把超过10米深的矿坑中的水抽到地面上来。

为此许多技师都曾集中精力苦心研究设法解决这一难题，但他们大都把注意力集中在改进抽水机装置上，力求在技术上有所突破。经过长时间的努力，问题还没有解决。当他们已到了山穷水尽的地步时，不得不向当时最著名的大物理学家伽利略请教。遗憾的是，这时伽利略已经年迈，双目已经失明，还受着宗教势力的迫害，他已不能深入地研究这一问题。1642年，惨遭罗马教皇迫害的伽利略饮恨身亡后，在科学同神学斗争面前，伽利略的学生托里拆利挺身而出，开始着手研究这个问题，坚决地对宗教神学进行了挑战。

托里拆利在研究这个问题时，用玻璃管代替不透明的金属圆管;用水银代替水做了许多实验。他发现，水银在玻璃管内上升的高度仅是水上升高度的1/14左右，而玻璃管内水银的上方就是真空。1643年，托里拆利通过实验终于解决了这一难题。抽水机只能把水吸到大约10米的高度而不能再升高的根本原因，是普遍存在着的大气压力。

托里拆利虽然发现了存在着大气压力，但由于2000多年来，亚里士多德“自然害怕真空”的谬论在当时的科学技术界影响很大，因而许多人都不肯相信大气压的存在。这样，“大气压力是否存在?”在当时引起了激烈的争论。有的人认为有，有的人认为没有。针锋相对，互不相让，由于争论的双方都没有充分的证据，因而谁也不肯相信对方。

科学的新发现在其诞生之时就是这样争论不休，哥白尼的“日心说”，如果没有后人的一些科学发现去证明，神幻的“地心说”就不会破灭，科学就很难从神学中解放出来。因此说，托里拆利发现大气压力为科学的发展树起了一块丰碑，同样格里克证明了大气压力的普遍存在，在科学的发展中也起到了极为重要的作用。

格里克认真地研究了托里拆利的实验，确信大气压力是普遍存在的。在做马德堡半球实验之前，他曾做过一些有关的实验。例如:他曾将密封好的木桶中的空气抽走，结果木桶被大气“炸”碎(实际是压碎)。后来，他用薄铜片做了一个球壳，也将其中的空气抽走，结果这个薄球壳同样被大气压扁了。这些实验为马德堡半球实验做了准备，使他对实验的成功充满了信心。

为了消除人们对“大气压力普遍存在”的怀疑，作为马德堡市市长的格里克经过精心设计，私人破费4000英镑，在马德堡市进行了这次著名的“马拉铜球”实验，以令人信服的实验证明了大气压力的存在。这个实验由于是在马德堡市进行的，所以被称为“马德堡半球实验”。

此外，格里克在物理学的其他领域也取得了许多杰出的成就。例如，在1650年，他发明了空气泵，成功地产生了部分真空。他还从实验中得出光能通过真空而声音不能通过真空的结论。

格里克在任马德堡市市长和勃兰登堡地方官期间，很重视科学研究工作。他除身体力行，自己积极从事科研外，还大力支持和资助其他人从事这方面的工作，大大地推动了这两个地区的科学事业。作为一位市长，能在科学上取得如此辉煌的成就，确实是难能可贵的。(https://www.daowen.com)

1686年5月，格里克在汉堡去世。但是，他的科学实验却永远在马德堡，在勃兰登堡，在德国，在全世界被传为佳话。他对科学的贡献将永远载入科学史册。

自由落体定律的发现

人类认识自然规律必须经过反复观察、实验和理性思维，只有把观察到的实验事实和理性思维相结合，才能透过自然现象的表面，达到对本质的真正把握。自由落体运动定律的发现就充分说明了这一点。

亚里士多德的权威

亚里士多德是古希腊一位伟大的思想家、哲学家和科学家，他对物体下落运动的规律曾经提出一种独特的学说。

重物坠地、烟气升腾是日常生活中司空见惯的自然现象，亚里士多德从表面现象的观察出发，认为重物竖直下落和轻物竖直上升的运动都是自然运动。那么，为什么会发生这种运动呢?亚里士多德认为:重物的天然位置在地心，轻物的天然位置在天空，所有的物体都有向着天然位置运动的倾向，所以，重物下坠，烟气升腾。亚里士多德根据他的这个理论指出，物体越重，下坠的倾向越大，下落得也就越快;物体越轻，下坠的倾向性越小，下落得也就越慢。物体下落的快慢和它的重量成正比。

显然，亚里士多德的这个论断是不正确的。然而在古代，由于亚里士多德的巨大声望，大家都把他看作是绝对权威，谁也不敢怀疑亚里士多德的话是错误的。所以在将近两千年的漫长岁月里，人们一直把亚里士多德的论断当作真理。直至16世纪，这个论断才被意大利物理学家伽利略推翻，这才有了比萨斜塔实验的故事。

比萨斜塔的落体实验

比萨斜塔是举世闻名的奇观之一，它坐落于意大利比萨城大教堂前面的广场上，塔高约55米，为八层罗马式建筑，全部用白色大理石砌成，外部还饰以美丽的彩色大理石。比萨斜塔从1174年建造开始一直在不断倾斜，至今斜塔的塔顶已超出基边线5.3米左右。伽利略做落体实验时就把比萨斜塔选作理想的实验场地。

据说1590年的一天，26岁的伽利略来到比萨斜塔的七层阳台上，将一个约4.5千克重的石块和约0.45千克重的小石块同时放下，结果两石块同时落地。

在场的数以百计的学者和观众，亲眼目睹了这一精彩的场面，伽利略用活生生的事实向人们展示了轻重相差悬殊的两个物体同时落地的现象，从而推翻了亚里士多德的错误理论，发现了物体下落的真正运动规律——自由落体定律。这个故事是伽利略的学生维维安尼在《伽利略传》中首先讲到的，它流传十分广泛，今天几乎是人人皆知的了。

现在的科学史研究表明，伽利略实际上没有在比萨斜塔做落体实验。无论是当时的文献资料记录，还是伽利略的著作，在任何地方都没有这个实验的记载。况且在伽利略时代，连一般的计时钟都没有，更谈不上有准确的计时装置，这个实验当时根本就没有办法做出来，从所有的证据材料考察，这仅仅是一个传说而已。伽利略虽然没有在比萨斜塔做实验。但是，他发现了自由落体定律的确是千真万确的事实。

自由落体定律的发现

既然比萨斜塔落体实验只是一个美丽的传说。那么，伽利略又是怎样发现自由落体定律的呢?原来，伽利略是利用斜面实验，并把实验和科学思维相结合，通过严密的数学推理才完成这一发现的。

伽利略首先运用理想实验的方式进行逻辑推理，从推理中发现物体下落的快慢和它的重量无关。伽利略设想，如果亚里士多德的观点是正确的，那么，让轻重不同的两个物体下落时，重的物体下落快，轻的物体下落慢。可是，把它们绑在一起让其下落会出现什么情形呢?按照亚里士多德的观点，绑在一起后的物体会比原来重的物体更重，所以它们就比重的物体下落得更快。可是，从另一方面分析，绑在一起后，由于重的物体要带动轻的物体运动，它们应该比重的物体下降得慢一些。这显然是两个互相矛盾的结论。无论如何，绑在一起的两个物体只能以一个速度下落，而推理的过程又是完全正确的，因此推理的前提必然是错误的。伽利略由这个推理得出结论:物体下落的快慢与重量无关，所有物体下落快慢都是相同的。

伽利略的论断后来得到了实验证实。当抽气机发明之后，人们就用一根长玻璃管，在管中装入羽毛和铅块，将玻璃管密封，抽出其中的空气，使内部形成真空。此时如果让羽毛和铅块在管中下落，就会看到它们下落的快慢是相同的。

伽利略并不满足于得到的定性结论，他又继续研究物体下落运动的定量规律，探索下落距离和所用时间的关系。前面已说过，伽利略那个时代还没有计时的钟，那么伽利略是怎样测量时间的呢?

为了测量时间，伽利略在一个大的盛水桶底部钻一个小孔，并安上龙头，在龙头下面放上接水容器。打开龙头水就会流入接水容器，称量容器中所接水的质量就可以确定经历的时间。

物体下落时运动很快，经历时间也极短。用伽利略的计时装置对落体运动进行精确研究是办不到的。怎么办呢?伽利略又想出了一个“冲淡重力”的方法。他仔细观察小球在斜面上的运动时发现，斜面越陡，小球运动得越快。伽利略想，如果斜面是垂直的，那么，它的运动就是小球的下落运动。因此，小球下落运动可以看作是小球斜面运动的一种特殊情况。因此用斜面做实验就可以研究物体下落的规律。做斜面实验时，斜面的倾斜度可以任意调节，调节到较小的倾斜度时，小球在斜面上运动就比较缓慢，此时用他的计时装置就可以进行较为精确的研究。伽利略反复进行斜面实验，测量出小球在斜面上运动的距离和所用的时间，通过推导距离、时间、速率和加速度之间的关系，伽利略得到小球沿斜面滚下或自由下落的运动都是匀加速运动的结论，又进一步发现了物体下落运动的规律——自由落体定律，即物体从静止状态开始下落运动，物体运动的距离同下落的时间的平方成正比。

自由落体定律的发现是伽利略把科学实验和理性思维相结合解决物理学问题的典范。它不仅发现了物体下落运动的客观规律，而且为人类认识自然找到了一条正确的途径和方法。因此，现在人们称伽利略为物理学之父。正是由于伽利略创立的科学方法，物理学研究才走上正确的道路。