伽利略(2)〈近代物理学的奠基者〉  江铭辉  五梦网

七、   发现单摆等时性

伽利略在比萨大学念书时，发现了他的第一个物理定律。这个发现还得归功于教会呢!

他在比萨大学时，每个礼拜天都固定到比萨天主教堂望弥撒。公元1583年的一个星期天，像往常一样，他穿上体面的长袍，随着望弥撒的人群到教堂去。

似乎命中注定，这个星期天，礼拜仪式是由一位来访的教士主持，他应邀讲了一篇非常冗长无聊的演说。没多久，伽利略就感到不耐烦了，眼睛开始在教堂的拱形天花板上望来望去。这时，他的目光被头顶上一盏来回摆荡的吊灯所吸引;没有一会儿功夫，他似乎被吊灯来回摆荡的韵律给催眠了。突然间，一个念头闪过脑际。以前他也曾见过许多摆动中的物体，可是从未认真研究其中蕴含的意义。

他发现有时候吊灯摆动的幅度较短，有时候则因为风吹的关系，摆动的幅度变长。然而，无论摆动幅度的大小，吊灯完成一次摆动所花费的时间却是一样的。

他没有任何可计算摆动所需要时间的定时器，便依照他在大学里做实验时用的方法，以自己的脉搏跳动来测量。

当沉闷的讲道结束时，伽利略对这个发现也有了明确的结论:从一端荡到另外一端，每一次摆动来回所花费的时间皆相同;即使因风吹而摆动的幅度加大，结果摆动时间仍是不变。

弥撒结束后，伽利略马上冲回他在学校的住所，开始以住所的吊灯做起实验。将吊灯以不同摆动幅度，测其摆动时间，再以不同长度的线悬挂重物，然后再测摆动时间，当然唯一的测时器是自己的脉搏跳动，这样摆动实验。虽然测量方法不是十分精确，但是可以肯定的是正确的。

八、        第一个准时且实用的钟

伽利略因此发明了钟摆，并公布钟摆的原理:「无论钟摆摆动的幅度如何，完成一次摆动所需的时间皆同。」科学家称此为 「单摆的等时性」。

发现单摆的等时性后，伽利略进一步做深入的研究。他用各种不同的重物或 「摆锤」来制作形形色色的大型钟摆，分别改变绳索的长度、摆锤的形状，或绳索的种类并仔细记录实验结果，然后再从数据中按出其相关性。他发现如果用长度一定的绳索绑着锤，摆动周期，丝毫不受摆锤重量的影响，也就是说，在一定的绳索下，如果改变摆锤的重量，则周期是不变。

 其次，相同的摆锤，但使用不同长度的绳索．伽利略发现这才是影响摆动时间的关键因素。经过多次反复的实验证明，摆动所需的时间与绳索长度的平方根或正比。

伽利略并不能解释为什么会有这样的规则性。事实上，一直到下一个世纪，人们对于作用在物体上的重力与更多的认识之后，才找出答案。而十六世纪的科举家则因还未有足够的数学知识，所以对钟摆的运动、无法给世人满意的解释。

今日用科学方法计算单摆周期的公式是：

T=2π√L/g

T是单摆摆动一次的时间，L是单摆的长度，g是重力加速度。

伽利略很快就想到这个新发现，可以用到许多地方。首先，就是利用摆锤来制造精确的时钟。

 十六世纪以前的科举家对于短时间的测量，都感到十分头痛。

那时候，长时间测时间是以日升和日落，当一天，短短短时间是利用「沙漏」。

伽利略本身也因为机器的计时不准确所造成的误差，感到苦恼，而不得不依赖一些不精确的计时法。令人不可思议的是，他用他自己的脉搏来测量，居然比当时任何的定时器都来得准确。

在伽利略生前应用钟摆制造时钟的想法，终于为人们所采用。不过后来时钟的发明，发明者伽利略本身并未从中获得利益。世界上最古老的时钟是伽利略死后五十年，根据伽利略的构想制造的。

九、        学生生涯的结束

父亲很快知道了伽利略没有把精神放在医科上，一意钻研数学与实验，同时家里经济也出状况，便声明不能供儿子上大学，必须让儿子回到店铺里来帮忙。伽利略悲伤之极，1585年他离开比萨大学回到佛罗伦萨，这时伽利略已经21岁，4年大学生涯，居然没有拿到文凭，但16世纪的意大利，一个人的声誉，并不因为有没有文凭而增损，完全凭个人的实力。