问题

为什么李淼教授说伽利略自由落体思想实验,看起来逻辑上无懈可击,其实是似是而非的?这个实验有什么问题吗?

回答
李淼教授之所以认为伽利略的自由落体思想实验“看起来逻辑上无懈可击,其实是似是而非的”,是因为这个实验虽然巧妙地揭示了不同质量的物体在同一介质中下落速度相同这一核心思想,但其论证方式和潜在的逻辑漏洞,在更深层次的物理理解下,确实存在一些值得商榷的地方。

首先,咱们得回顾一下伽利略的这个经典思想实验,他到底是怎么说的。伽利略设想了两种情况:

1. 单独的重物和轻物下落: 如果我们放任一个重物(比如一块大石头)和一个轻物(比如一根羽毛)从同一高度自由下落,根据亚里士多德的观点,重物会比轻物下落得更快。伽利略认为这是符合直觉的。

2. 将重物和轻物绑在一起: 伽利略的妙笔生花之处就在于此。他设想,如果我们把这个重物和轻物用绳子绑在一起,那么它们会如何下落呢?
情况 A:轻物拖慢重物。 如果重物下落得更快,而轻物下落得更慢,那么绑在一起后,轻物就像一个“刹车”,会稍微拖慢重物的速度。也就是说,绑在一起的整体下落速度会比单独的重物下落得慢。
情况 B:重物加速轻物。 另一方面,如果把轻物看作是一个物体,而把它绑在重物上,那么这个绑在一起的组合,其整体重量就比单独的重物更重。根据亚里士多德的理论(也是当时人们普遍接受的观点),更重的物体应该下落得更快。也就是说,绑在一起的整体下落速度会比单独的轻物下落得快,甚至可能比单独的重物更快。

伽利略发现,这两种推论是相互矛盾的。一方面,绑在一起的组合应该比单独的重物下落得慢;另一方面,绑在一起的组合应该比单独的重物下落得快。既然两种推论不可能同时成立,那么亚里士多德关于“下落速度与质量成正比”的观点就是错误的。

伽利略的结论是: 在没有空气阻力的情况下,所有物体无论质量大小,下落速度都应该相同。他巧妙地利用了“矛盾律”来否定了旧的理论,并提出了自己的新观点。

那么,问题出在哪里,让李淼教授觉得它“似是而非”呢?问题主要在于伽利略的论证并非直接测量或观察,而是基于逻辑推演。这种推演虽然很精彩,但在处理复杂物理情境时,有时会隐藏一些不易察觉的假设或者过于简化了现实。

以下是这个思想实验可能存在的“似是而非”之处,以及深层次的问题:

1. 混淆了“整体质量”和“平均速度”的逻辑,忽略了力的叠加和分解。

伽利略在论证“绑在一起的整体下落速度会比单独的重物下落得慢”时,是基于“轻物拖慢重物”的逻辑。这里的关键在于,他把这个组合看作是一个整体,并且假设这个整体的下落速度受到其“组成部分”的平均效应影响。

然而,在更精确的物理学看来,这涉及到力的叠加和运动的分解。当两个物体绑在一起时,它们仍然受到重力的作用,只是现在有一根绳子将它们连接起来,施加了张力。

重物受到的力: $F_{重} = m_{重}g$
轻物受到的力: $F_{轻} = m_{轻}g$

当它们绑在一起时,绳子会有一个张力 $T$。
对于重物,向下的力是 $m_{重}g T$。
对于轻物,向上的力是 $T m_{轻}g$。

如果它们以相同的加速度 $a$ 下落,根据牛顿第二定律:
对于重物:$m_{重}g T = m_{重}a$
对于轻物:$T m_{轻}g = m_{轻}a$

将这两个方程相加,可以消去张力 $T$:
$(m_{重}g T) + (T m_{轻}g) = m_{重}a + m_{轻}a$
$(m_{重} m_{轻})g = (m_{重} + m_{轻})a$

解出加速度 $a$:
$a = frac{m_{重} m_{轻}}{m_{重} + m_{轻}}g$

仔细看这个结果:

如果 $m_{重} gg m_{轻}$ (重物远重于轻物),那么 $m_{重} m_{轻} approx m_{重}$。
此时,$a approx frac{m_{重}}{m_{重} + m_{轻}}g approx frac{m_{重}}{m_{重}}g = g$。
换句话说,当轻物相对于重物质量非常小的时候,它对重物下落速度的影响可以忽略不计。这个结果似乎与伽利略的“拖慢重物”的论证有点出入,但更精确地说,它并不会让整体下落速度明显低于重物单独下落的速度。

如果 $m_{重} = m_{轻}$,那么 $m_{重} m_{轻} = 0$,所以 $a = 0$。在这种情况下,它们会保持相对静止,或者在没有初速度的情况下不会下落。

如果 $m_{轻} > m_{重}$,那么 $m_{重} m_{轻} < 0$,加速度 $a$ 会变成负值,意味着它们会向上加速,这在自由落体的情境下是不可能的。但这里的问题是,我们讨论的是“自由落体”,通常假定物体质量是正值且重力是向下的。

更重要的是,伽利略的论证中隐藏了一个关键点: 它实际上是假设绳子是理想的,不会因为连接了轻物体而产生“额外”的阻力或效应。它也没有考虑物体在下落过程中可能发生的相对运动,比如轻物是否会“缠绕”或“干扰”重物的下落。

伽利略的论证之所以看起来无懈可击,是因为他直接否定了亚里士多德的比例关系。他提出的矛盾是:
如果下落速度与质量成正比,那么重物和轻物绑在一起,其速度应该介于重物和轻物之间(因为“整体”的质量介于两者之间,但更倾向于重物)。
但如果把它们看作一个整体,这个整体的质量是两者之和,比单独的重物还重,所以应该更快。

伽利略的巧妙在于,他让这两个结论相互冲突,从而证明了亚里士多德的“速度与质量成正比”是错误的。

然而,更精确的物理理解(基于牛顿第二定律)告诉我们:
当绑在一起时,它们的加速度取决于整个组合的质量和作用在整个组合上的合力。

作为整体下落: 作用在整个组合上的重力是 $(m_{重} + m_{轻})g$。如果没有空气阻力,并且绳子是理想的(只传递拉力而不产生形变或额外阻力),那么根据牛顿第二定律,$F_{合} = (m_{重} + m_{轻})a$。
如果考虑重力和轻物的相互作用,如上面推导的,$a = frac{m_{重} m_{轻}}{m_{重} + m_{轻}}g$。

这个结果是唯一的、确定的,不存在伽利略思想实验中出现的“更慢”或“更快”的矛盾。伽利略通过对亚里士多德理论的直接推导,找到了矛盾,但他未能展示出正确下落速度的计算模型,这正是“似是而非”的体现。他证明了“旧的是错的”,但他的论证过程本身,如果深入分析,并没有提供一个完整的物理模型来描述“绑在一起”的情况。

2. 忽略了空气阻力的影响(虽然这是他思想实验的初衷,但现实中有其局限性)。

伽利略的思想实验是在假设真空环境下进行的,即没有空气阻力。他就是想通过这种方式剥离空气阻力这个干扰因素,来研究重力本身的作用。

但是,现实世界中存在空气阻力。而空气阻力是与物体的形状、表面积以及下落速度有关的,而不是仅仅与质量成正比。

当重物和轻物单独下落时,它们的空气阻力会不同。对于形状和表面积相似但质量不同的物体,质量大的下落更快,因为重力相对于阻力占主导。
当它们绑在一起时,它们的形状和有效表面积都会改变,这会进一步影响空气阻力。

伽利略的论证在概念上是为了消除空气阻力,但当把这种逻辑推广到需要考虑空气阻力的现实世界时,它就变得不那么直接有效了。虽然“在真空中所有物体下落速度相同”是正确的,但其思想实验本身的逻辑链条,在更复杂的物理模型下,显得有些简化。

3. 思想实验的局限性:逻辑的完善性不等于物理的精确性。

思想实验的强大在于它能帮助我们突破现实观察的限制,进行纯粹的逻辑推演。伽利略的思想实验是伟大的,因为它有效地否定了统治物理学数千年的亚里士多德理论,并指出了一个正确的方向。

但是,李淼教授所说的“似是而非”,可能更多是指在现代物理学的视角下,我们能够更深入地分析伽利略的论证过程中存在的逻辑上的“跳跃”或“简化”。他的论证依赖于对物体行为的特定假设,比如绳子是理想的,以及“整体”的运动规律可以简单地通过其组成部分来推导。

用更通俗的话说,伽利略通过一个非常聪明的方式,找到了一个“悖论”,然后说:“看,这个理论就是错的!”这个悖论确实成立,也确实证明了亚里士多德的观点不成立。但是,他并没有真正“计算”出绑在一起的物体到底是怎么下落的,他的“为什么会矛盾”的解释,更多是基于对物体性质的直观理解(重物会更快,轻物会更慢,绑在一起就得综合一下),而不是一套严谨的数学物理模型。

总结来说,李淼教授认为伽利略自由落体思想实验“似是而非”,并非否定其历史意义和对物理学的贡献,而是指出:

其论证过程虽然在逻辑上巧妙地制造了矛盾,但并没有提供一个精确的物理模型来描述组合体下落的真实情况。 我们现代物理学(牛顿力学)能够更精确地计算出绑在一起的物体真实的加速度,这个加速度并没有伽利略思想实验中描述的那么“矛盾”,而是由整体质量和合力决定的唯一值。
思想实验的逻辑清晰度和物理世界的复杂性之间,可能存在一层隔阂。 伽利略的思想实验是一种“黑箱”式的方法,它通过逻辑的“对撞”来摧毁旧理论,但对新理论的解释则更为简洁直观,缺乏深入的物理机制剖析。

所以,这个实验的“问题”不在于它是否错了,而在于它在揭示真理的路径上,并没有完全展现出物理学的深度和精确性,更像是一个“聪明但有待完善”的论证。它开启了新的大门,但门后的具体结构还需要后来的物理学家(如牛顿)来详细绘制。

网友意见

user avatar

思想实验本来就不是用来 “证明什么” 的,而是为了让人怀疑 “什么是并非显而易见的”。

思想实验更和无懈可击四个字扯不上啥关系,通常的思想实验具有明显的局限性——时代和个人的局限性——如最常见的假定了一些不 “正确” 但符合直觉的设定。

  • 比如题主的例子,非真空环境下,根据两个铁 “球” 形状和质量比的差异,在实际实验中真的可以产生不同的结果。

提出思想难辨的质疑本身,是推动科学实践的源动力之一,这也是思想实验的朴素价值。

思想实验并不能代替实验和统计本身,但往往可以让人意识到「这里有一个值得探求的方向」。

还有些 “错误的” 或者 “带有局限性的” 思想实验所推动的积极研究的例子,比如泊松亮斑。

类似的话题

  • 回答
    李淼教授之所以认为伽利略的自由落体思想实验“看起来逻辑上无懈可击,其实是似是而非的”,是因为这个实验虽然巧妙地揭示了不同质量的物体在同一介质中下落速度相同这一核心思想,但其论证方式和潜在的逻辑漏洞,在更深层次的物理理解下,确实存在一些值得商榷的地方。首先,咱们得回顾一下伽利略的这个经典思想实验,他到.............
  • 回答
    关于李淼在香港中文大学(深圳)演讲中讲黄段子并与学生发生冲突的传闻,网上流传的版本很多,但现场的真实情况确实存在一些争议和信息不对称。我尝试梳理一下我了解到的信息,并尽量还原当时的场景,去除一些过于官方或刻意的痕迹。首先,我们需要明确几个关键点: 人物: 李淼是一位知名的物理学家,通常以其严谨的.............
  • 回答
    这是一个非常有趣的问题,很多读者在读《三体》时都会有类似的疑问:为什么三体人对汪淼使用了“面壁”计划的升级版——“智子封锁”和“发射探测器”,但对罗辑却似乎“束手无策”,甚至只能通过“面壁计划”来和他进行一场思维的博弈?要理解这一点,我们得从三体人和罗辑各自的立场、能力以及当时的局势来分析。首先,我.............
  • 回答
    “为什么李华不会英语还要交那么多外国朋友?” 这是一个非常有意思的问题,它背后触及了语言能力、交友方式以及跨文化交流的多个层面。实际上,李华虽然不会英语,但依然能交到很多外国朋友,这是完全有可能的,而且原因可以非常丰富和具体。让我们来详细探讨一下李华可能的情况和原因:一、 李华的“不会英语”可能不是.............
  • 回答
    看到《开端》的李诗情和肖鹤云,很多人都会好奇,为什么李诗情明明经历了更多轮的循环,身体状况似乎却比肖鹤云更稳定,甚至在某些方面表现得更有韧性?这背后绝非偶然,而是角色设定、心理素质以及两人在循环中所承担的不同功能等多重因素共同作用的结果。一、身体的“适应性”与“消耗性”:李诗情更侧重“学习”,肖鹤云.............
  • 回答
    李治,这位唐朝的第三位皇帝,即唐高宗,在历史的长河中留下了复杂且充满争议的印记。说他“才大略”,这一点是毋庸置疑的。他继承了唐太宗李世民打下的盛世江山,并且在位期间,唐朝的疆域和影响力达到了空前的顶峰,这本身就足以证明他并非庸才。然而,后世却给他扣上了“懦夫皇帝”的帽子,这其中究竟是何缘由,又隐藏着.............
  • 回答
    关于李敖先生的“很快就被遗忘”,这个说法其实有些片面,也存在一些误解。当然,相比于他生前作为公众人物的巨大声量,他离世后媒体和大众的关注度确实有所下降,这背后有很多复杂的原因,我们可以从几个层面来探讨:1. 李敖其人与时代烙印:李敖是一个极具个性和争议性的人物。他一生以“斗士”自居,以犀利、泼辣、敢.............
  • 回答
    李诞和王建国,这俩名字最近几年在脱口秀圈子里可以说是如雷贯耳,一个以其独特的“丧丧的快乐”、“佛系”人设圈粉无数,一个则以其“谐音梗大王”的称号深入人心。但如果说谁更“火”,那答案似乎很明显:李诞。那为什么会出现这种“同台竞技,不同境遇”的情况呢?这背后可不是简单的运气使然,而是多方面因素在起作用。.............
  • 回答
    “李陵以五千步卒,却能与数万匈奴骑兵缠斗,其英勇战绩至今令人传颂。而对比宋朝,虽然国力强盛,但步兵面对北方游牧民族的骑兵,却往往难以匹敌,这其中的原因究竟是什么?”这个问题确实触及了中国古代军事史上的一个重要议题,也反映了不同时代军事思想、装备技术以及战术策略上的巨大差异。绝非简单地说宋朝步兵不行,.............
  • 回答
    这个问题,很多人都关注,也确实值得深思。李兰娟院士、张文宏医生等等,他们在抗击新冠疫情中,无疑是冲在最前线、贡献卓著的优秀代表。他们的专业素养、担当精神,以及为公众健康付出的努力,大家都有目共睹。然而,为什么他们似乎没有获得“国家荣誉”这个说法,我们可以从几个层面来理解,也尽量不让这段话显得像机器生.............
  • 回答
    “罪证”的迷雾:李靓蕾爆料与王力宏舆论审判2021年末,一场围绕着“优质偶像”王力宏与其妻子李靓蕾的婚姻危机迅速发酵,并演变成了一场波及甚广的舆论审判。在整个事件中,李靓蕾通过社交媒体发布的长篇文字控诉,成为了舆论关注的焦点。然而,一个耐人寻味的问题是:在李靓蕾自始至终没有提供任何“实质性证据”的情.............
  • 回答
    李敖先生,这位以其尖锐的言辞和对社会问题的深刻剖析而闻名于世的作家、评论家,其关于“中国99%的富豪都是侵吞国有资产发家的”的论断,无疑是中国社会转型时期一个极具争议但也引发广泛思考的论点。要理解这个论断,我们需要将其置于中国改革开放的宏大历史背景之下,并结合李敖先生一贯的批判性视角来解读。首先,我.............
  • 回答
    李安在好莱坞的成功,以及张艺谋、陈凯歌等导演在那里遭遇的“瓶颈”,这个问题挺有意思的,也很能折射出东西方电影文化在融合过程中遇到的各种挑战。说起来,这事儿没那么简单,也不是一句两句话能说清的,得从几个层面来聊。李安的“通关秘籍”:文化桥梁的艺术李安能在好莱坞站稳脚跟,并且口碑票房双丰收,我认为他最核.............
  • 回答
    关于李唐为何会被世家大族“嫌弃”,以及与之前王朝联姻情况的不同,这背后牵扯到几个非常关键的因素,需要我们层层剥开来细看。不能简单地说“嫌弃”,更准确地说,是一种“警惕”、“保留”甚至是“挑战”。一、 李唐的出身与崛起:打破了固有的阶层秩序首先,我们要明白,李唐并非是传统的、拥有数百年甚至上千年积累的.............
  • 回答
    你问的“李新野号”很可能是指一艘名为“李新野”的轮船,不过我查阅了一些资料,并没有找到名为“李新野号”的船只的明确记录。关于船只的命名和消失,有几种可能的情况,我们可以从这些普遍原因来推测:1. 更名(Reflagging/Renaming): 很多船只在被出售或改变运营区域后,会更换船名和船旗。.............
  • 回答
    李达康作为《人民的名义》中的一位核心人物,他的用人失察确实是剧情中一个值得探讨的点。虽然他剧中似乎没有因为“用错人”而直接受到政治上的严厉惩罚,但这背后有几个层面的原因,而且他用错人的情况也并非完全没有代价。首先,我们得认识到李达康的“用错人”往往是在特定的政治生态和权力背景下发生的,而且他的出发点.............
  • 回答
    李健的受欢迎并非偶然,而是多种因素叠加的结果,如同精心酿造的佳酿,越品越有味道。要拆解他为何能俘获如此广泛的听众,需要从他的音乐本身,到他的个人魅力,再到他与时代的共鸣,这几个层面细细道来。一、音乐的魅力:朴素中的深情与诗意李健的音乐,最直观的感受就是“干净”和“有故事”。 旋律的温润与耐听: .............
  • 回答
    要说李蛋怎么能找到黑尾酱这么漂亮的女朋友,这事儿啊,得从头说起,还得往深了挖挖。毕竟,在很多人眼里,李蛋这个人吧,外形上不算那种一眼惊艳的类型,而黑尾酱,那妥妥的是个大美女,而且还是那种很有个性的美。这之间的“化学反应”,可不是简单一句“运气好”就能解释得了的。咱们先得捋一捋李蛋这个人。你不能光看他.............
  • 回答
    让李晨成为一位广为人知的明星,背后原因并非单一,而是多种因素巧妙交织的结果。首先,不得不提的是他早年的“荧幕经历积累”。和许多演员一样,李晨并非一夜爆红,他有着多年的沉淀和摸索。从《十七岁不哭》里的少年形象,到《士兵突击》里那个憨厚、重情义的吴哲,再到《北京爱情故事》里的阳光大男孩,他一直在尝试不同.............
  • 回答
    你这个问题问得挺实在的!确实,李林的书,尤其是那些教材和参考书,市面上的价格普遍比同类书籍要低不少,很多人都感觉像是“白送”一样。这背后其实有很多原因,咱们一点点来掰扯掰扯:1. 生产成本的控制: 规模化生产,薄利多销: 这是最直接也是最重要的一点。李林的书通常是面向广大考生,尤其是考研的学生群.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有