【物理原理】伽利略的“时间”

故事要从亚里士多德说起。

这位古希腊先哲曾经断言，一个物体从高处坠落的速度，由这个物体本身的重量所决定。也就是说，亚里士多德认为，物体越重，下落的速度越快，反之，物体越轻，下落得也就越慢。

他的这个思想在之后影响了人类两千多年，直到伽利略提出另一种观点。

伽利略（1564-1642）

1636年，伽利略在一篇论著里认为，做自由落体运动的物体，其下落速度应该是匀速变化的，相传他还为此在意大利的比萨斜塔上做了实验——用大小两个不同质量的铁球，同时从比萨斜塔上同一高度抛下，结果果然证明，两个铁球是同时着地的。

著名的比萨斜塔实验

事实上，伽利略并未做过比萨斜塔实验，这就是我们通常认识的伽利略大牛。然而伽利略的伟大之处也不仅于此，在天文学，数学和物理上均有重大的贡献，这篇文章想从另一个侧面来介绍伽利略的伟大贡献。

伽利略认为经验是知识的唯一源泉，这位老先生也是无奈啊！从经验中厘定出规则标准来，为后续的实验科学奠定了基础。其倡导的数学与实验相结合的研究方法，这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉，那他是怎么做到的呢？就要对当时的背景做一些介绍了。

从公元前5世纪开始，也许更早一些，直到17世纪，大约持续了两千年。这个时期逐渐形成了初等数学的主要分支：算数、几何、代数。

古代计时工具

日晷：古人通过观察地球的自传而发明了日晷。它可利用太阳的投影方向来测定并划分时刻，属于比较精确的计时工具了。

漏刻：利用的是滴漏的原理，滴漏, 也叫“水钟”, 是古代利用滴水多寡来计量时间的一种仪器。

西方在机械钟发明之前使用的像什么沙漏啦，古希腊水钟啦，英格兰蜡烛钟啦等等。当然也有日晷。

总之古人为了准确的确定时间，想尽了办法，在有限的技术条件下发挥着无穷的想象力，但这些工具要么不准，要么太大。对于想搞清楚一个运动需要多少时间这件事就是非常大的挑战了，我想伽利略，牛顿的一些著作里用几何类比来说明运动的问题可能就是一个佐证。

伽利略的物理时间

伽利略在观察摆动的吊灯

单摆想必大家都不会太陌生，一些老式的钟表都是利用的这一原理。这个发现，是伽利略在做礼拜，无聊时看到教堂顶部吊着的精致吊灯在晃动，被其摆动的节奏性所吸引。由于当时没有精确的计时工具，伽利略通过把握自己脉搏的方法，来对吊灯的摆动进行了观察，发现不管吊灯摆动的距离是长是短，它往返所需的时间总是一样的！即便是吊灯摇摆得很缓慢，它在短弧线上来回一次，仍然需要那样长的时间。通过这一发现，他就可以发明一种更加精确的计时器，从而将时间的测量纳入自己的试验中。

精准的摆钟的发明，一方面可以使得实验可以随时进行，并且更加准确，这样用数学对实验进行解释就更加的准确，使得数学和实验可以紧密的结合起来。另一方面，准确的测量可以使得实验进行过程除了进行有效的分析外，还可以对不同的物质运动进行实验，从而可以抽象出在数学上有用的物理量，让物理学从经验科学变成了实验科学。这种方法沿用至今。

对物理研究而言，什么时刻不重要，两个时间点之间有多长才是重要的，所以对时间不断的提升其精度。起初，人们把一昼夜划分为24 h,1 h为60 min,1 min为60 s.但一昼夜的周期，即太阳日是变动的，所以定义1 s等于平均太阳日.后来又发现，地球公转周期也是变动的，于是又需确定另外的定义。随着科学技术的发展，科学家们发现，原子能级跃迁时，吸收或发射一定频率的电磁波，其频率非常稳定。

注：秒：铯—133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间为1 s。

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本期编辑|七彩石头

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