經典再現!真空自由落體實驗
2021-01-19 中科院物理所▲點擊圖片了解「科學三分鐘」大賽詳情
經典之所以為經典，某種程度上也代表著它難以重現。有句話說得好：總是被模仿，從未被超越。但有這麼一群人，卻因為「經典」難以重現，開始懷疑起人生來。
上周日《加油！向未來》在全國唯一的6米高透明真空管裡，將一根羽毛與一個不鏽鋼球從同樣的高度同時釋放，兩者在高速攝像機和無數雙觀眾眼睛的見證下，同時落地。曾經美國太空人在月球上同一高度釋放了一根羽毛和一把鐵榔頭，也是幾乎同時落地。這一清晰明白又神秘的景象在電視上用儀器呈現出來，固然讓人激動，但鮮有人知道實驗準備過程的艱辛和「自由落體實驗」的意義。
撒貝寧（右）和尼格買提（左）
節目中總高6.8米的真空落塔，大部件達到了兩三百公斤。而組裝的誤差限制是以毫米計的。如果管上各種接口處有一個比頭髮絲還細的縫隙，所有的辛苦都將付之東流。組裝完成後，實驗驗證團隊都帶著輕鬆的心態去測試，結果卻傻眼了。
實驗儀器
「經典」重現不出來了。
這個經典，指的正是伽利略具有奠基現代物理學意義的「落體實驗」。他的卓越之處不止在實驗本身，而是實驗所使用的獨特的方法：在實驗的基礎上，進行理想化推理。
他讓一個銅球從阻力很小的斜面上滾下，做了上百次的實驗，由此證明了小球沿光滑斜面向下的運動是勻變速直線運動。換用不同質量的小球重複上述實驗，位移跟所用時間的平方的比值仍不變，這說明不同質量的小球沿同一傾角的斜面所做的勻變速直線運動的情況是相同的。
伽利略將上述結果做了合理的外推，把結論外推到斜面傾角增大到90°的情況，這時小球將自由下落，成為自由落體伽利略認為，這時小球仍然會保持勻變速運動的性質。
不過，用外推法得出的結論，並不一定都是正確的。現代物理研究中也常用外推法，但用這種方法得到的結論都要經過實驗的驗證才能得到承認。
回到節目中的真空落塔實驗驗證階段。讓各位懷疑人生的事情就是：真空管中的羽毛和不鏽鋼球下落不一樣快。
而且是肉眼可見的明顯不同步。實驗驗證團隊最終找到原因，原來為了把不鏽鋼球和羽毛吸在電磁鐵上，我們需要把羽毛和不鏽鋼球分別掛在一個小銜鐵上，然後把銜鐵吸在電磁鐵上。考慮到羽毛質量很小，為了減小影響，固定羽毛用的小銜鐵比固定鐵球用的小得多。可這個銜鐵是普通的鐵（鐵磁質）而不是純鐵（順磁質），在電磁鐵斷電，磁性消失時，鐵塊內的剩磁小的吸力，不鏽鋼球較重能夠迅速脫離電磁鐵，而羽毛很輕，脫離的就要慢一點。
反覆研究實驗，最終還是換回了響應最快的電磁鐵方案，在此基礎上把銜鐵統一改成較重的純鐵塊。為了避免銜鐵下墜對羽毛的幹擾，不再把羽毛和鐵球固定在銜鐵上，而是把銜鐵用繩子吊在電磁鐵架子上，拴著羽毛和球的線掛在銜鐵上，而懸掛的位置則選在距離銜鐵邊緣1毫米左右的地方，最終才實現了幾乎同步釋放的完美呈現。
當然，在實驗中總會存在誤差，所以不存在絕對的「同時」。現場科學顧問提出的另外一個難以控制的因素就是羽毛。羽毛的形狀讓它很難被垂直釋放。但是這個實驗證明了在同樣的重力場中，不同重量的物體，是用相同方式下落的；慣性質量和引力質量是同源的、是統一的。
中科院物理所 曹則賢研究員
而物體是加速下落這一規律，正是通過生活中的觀察得來的。曾經有人觀察屋簷下的滴水，他發現屋簷下的滴水在一開始是連續的，快到底下的時候，分成一滴一滴的雨，而且是越往下雨滴之間的距離越遠。這時候一個重要的概念被提出了：下落過程中是一個加速過程。
而重現這個經典實驗的另一意義所在，便是致敬伽利略開創的研究自然規律的科學方法——將抽象思維、數學推導和科學實驗相結合，這種方法對於後來的科學研究具有重大的啟蒙作用，至今仍不失為重要的科學方法之一。《加油！向未來》的現場選手也得到了友情提示：真正的科學實驗不能脫離理論存在。
編輯：山寺小沙彌
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