在自由落體實驗中,許多人會提到的一個經典歷史故事,就是伽利略與比薩斜塔實驗。這個故事是說:伽利略在眾目睽睽下爬上了比薩斜塔,丟了兩樣東西下來,證明了輕重不同物體的掉落速度是一樣的,贏得滿場的驚嘆與掌聲。一舉打破了二千年來,亞里斯多德認為越重的東西掉落越快的錯誤想法。可是,兩千年實在是個有點長的時間,難道都沒有任何人發現或質疑或這件事情是怪怪的嗎?本集教育電台「微型點子對撞機」,邀請中華科技史學會理事長、長庚大學通識中心的邱韻如教授。邱老師遍查歷史文獻,走訪義大利古城,揭露了一個錯了兩千年的故事,自由落體的故事。
要瞭解人們對自由落體的辯證,要先從古希臘哲學家亞里斯多德開始談起。亞里斯多德認為,落地速度和物體「重量」息息相關,重的會先到達地面。事實上,如果我們去問問看尚未學過也從未接觸過類似實驗的小朋友,也多會得到越重的東西掉落速度越快的直覺答案。亞里斯多德也推出了一套「自然厭惡真空」的理論,他觀察到物體會經過一段短暫的速度增加,然後以一個正比於它的重量的速度等速落下。他推測兩個重量相差十倍物體,落地所需的時間也會有十倍之差,若物體在真空中運動,它的速度可能會非常非常大。不過這個理論,其實早就有人質疑了。比伽利略早一千多年前,菲羅波納斯(John Philoponus)就曾質疑亞里斯多德的論點,之後也還有好幾位中世紀哲學家也強烈質疑。此外,在伽利略以前,也有眾多學者提出實驗來支持或捍衛亞里斯多德的理論,例如1576年,帕多瓦大學數學教授莫勒提從一個高塔上丟下20磅和1磅的鉛球,結果同時落地。不過伽利略特別的地方,是他在所出版的《論運動》與《兩門新科學對話》書中質疑亞里斯多德「自然厭惡真空」的運動論點,並從討論物體在水中的運動出發,探討提出兩個相同材質但輕重不同的落體,在空氣中會「幾乎」同時到地,落地所需時間不會像亞里斯多德說的相差那麼多。他推測,若是在真空中,伽利略預測應該會同時落地。更重要的是,伽利略關注的不只是「同時」這個答案,他更積極推算落體運動的數學定律,他在《兩門新科學對話》詳細描述的單擺及帶鈴斜面實驗,設計出「沖淡」加速度的方式,來展現加速度運動的特性,來讓讀者理解「等加速度」的特性。這充分體現了在科學研究中,找答案的過程比答案還重要。這也是伽利略之於自由落體實驗中,最重要關鍵之處。
不過另外還一個有趣的現象,是邱老師為了瞭解對自由落體的認知,曾詢問過她在大一理工科系的學生,「伽利略從比薩斜塔上丟了什麼東西下來?」,經調查,101位大一理工科系學生中,有68位以為是「鐵球和棉花」 ,其中的42位(62%)甚至認為鐵球和棉花會同時落地。邱老師認為,這個天大的誤會,因是來自近代一些真空中羽毛與鐵球的掉落實驗,因不符合直觀的震撼畫面太過震懾人心,而讓基礎知識不足的觀眾,把兩個完全不同時空的實驗給混為一談了。
從自由落體這個古老的實驗到今天人們的認知,我們可以看出許多學習上的錯誤迷思或學習成果的低落,很多時候,是來自於教育的過程並沒有能將每一個名詞、理論的脈絡演進,完整地呈現傳授給學生。而讓學生藉由片段得到的資訊來建構知識建構對世界的認知。