伽利略之船

伽利略之船是物理学家和天文学家伽利略·伽利莱在16世纪至17世纪进行的两个物理实验，其中包括一个思想實驗和一个实际实验。这些实验的目的是为了反驳地心说，支持地球自转的观点，反驳太阳、行星和恒星围绕地球运转。

当时常用的论据是，如果地球确实在自转，那么拋體或自由落体的轨迹应该会受到可检测的影响。

 船桅实验 
在1616年，伽利略因对宗教裁判所的怀疑而感到忧虑，此时他收到了一封来自教士弗朗切斯科·因戈利（Francesco Ingoli）的信，信中列出了反对哥白尼日心说的科学和神学论据。作为1624年长篇回复的一部分，伽利略描述了一个实验：他提出从一艘平稳行驶的船的桅杆上掉下一块石头，观察石头是落在桅杆基部，还是落在其后方。此实验曾在理论上被许多人讨论过，有些人声称自己曾做过实验，但关于结果的报告却不一致。类似的实际或思想实验之前也曾由让·布里丹Questions on Aristotle’s On the Heavens. Cambridge (Mass.), Medieval Academy of America (English translation by E.A. Moody of the c. 1340 Latin original)、尼科爾·奧雷姆Le livre du Ciel et du Monde. Book II, Chapter 25 (manuscript). Paris, National Library.、库萨的尼各老On Learned Ignorance. Minneapolis, The Arthur J. Banning Press (English translation by J. Hopkins of the 1440 Latin original).、克里斯托佛·克拉乌In sphaeram ioannis de sacro bosco commentarius, p. 196, "Neque enim valet responsio quorundam..."和焦爾達諾·布魯諾La Cena delle Ceneri, III, 5.等人讨论。

伽利略告诉因戈利：Stillman Drake. 我作为哲学家，做得比其他人好两倍，因为他们在否定这一效果时，也谎称自己通过实验观察到了这一点；而我亲自做了这个实验——在此之前，物理推理就已经让我相信，结果一定如实验所示。伽利略还在他的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（第二天）中讨论了这一实验Galileo Galilei.，但并没有明确指出他曾实际进行过此实验。与此类似的实验还曾由伽利略和其他学者（如奧雷姆、克拉乌和布魯諾等）讨论过，实验内容是在地球表面垂直向上发射一个投射物。传统的亚里士多德-经院派论点认为，如果地球表面朝东运动，那么在这一实验中，投射物会落在发射点的西侧，与观察结果相悖。

 1632思想实验 
在伽利略的1632年著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（第二天）中，他讨论了当时普遍流行的反对地球运动的论据。其中一种论点是，如果地球在转动，那么我们每个人都会以每小时几千公里的速度朝东运动，因此从塔楼上垂直落下的球会落在塔楼的西侧，因为塔楼已经在此过程中朝东移动了一段距离。类似的论点认为，朝东发射的炮弹会比朝西发射的炮弹落得更靠近炮口，因为朝东运动的炮口会部分赶上炮弹。为反驳这些论点，伽利略在书中指出，站在均匀运动的船上的人并不会感觉到任何运动，因此从船桅顶部掉下的炮弹会直接落到船底。为了证明这一点，伽利略的虚构辩护人萨尔维阿蒂（Salviati）提出了以下实验，展示经典的相对性原理：即没有内部观察（如“向窗外看”）能够区分一个均匀运动的系统和一个静止的系统。因此，任何两个无加速度的系统都是等效的，非加速运动是相对的。三百多年后，这一概念被阿尔伯特·爱因斯坦应用于电磁学的馬克士威方程組，最终形成了狭义相对论的理论框架，将伽利略的论点与当时已知的引力和电磁学定律结合在一起。

 实验提案 
萨尔维阿蒂的实验如下：Galileo Galilei. 把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫。舱内放一只大水碗，其中放几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方面飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情后（虽然当船停止时，事情无疑一定是这样发生的），再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动。你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将像先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾，虽然水滴在空中时，船已行驶了许多拃。鱼在水中游向水碗前部所用的力，不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇将继续随便地到处飞行，它们也决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离了船的运动，为赶上船的运动显出累的样子。如果点香冒烟，则将看到烟像一朵云一样向上升起，不向任何一边移动。所有这些一致的现象，其原因在于船的运动是船上一切事物所共有的，也是空气所共有的。这正是为什么我说，你应该在甲板下面的缘故；因为如果这实验是在露天进行，就不会跟上船的运动，那样上述某些现象就会发现或多或少的显著差别。

 参考 

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