比薩斜塔? ???影像記錄16
2023年7月13日，我們來到了意大利的比薩，見到了從小就知道的斜塔。還是和想象的有點(diǎn)不一樣。
拍了幾張照片。
一、比薩
比薩（Pisa）城，位于佛羅倫薩西北方向，是意大利托斯卡納省的一個(gè)城市，歷史上是個(gè)海濱城市。隨著陸地的擴(kuò)展，比薩距海越來越遠(yuǎn)了，但這并不能使人遺忘，比薩曾作為海上共和國威鎮(zhèn)八方的歷史和它作為聯(lián)結(jié)東西方紐帶曾起的重要作用。而且，正因?yàn)樗臍v史，它的建筑藝術(shù)，今日，比薩已成為著名的旅游城市。
二、比薩斜塔
比薩的名氣，很大程度上是受惠于比薩斜塔。
比薩斜塔（Torre pendente di Pisa，Torre di Pisa），比薩城北面的奇跡廣場比薩大教堂的后面，是意大利比薩城大教堂的獨(dú)立式鐘樓。
該塔竣工于1350年，但是工程早于1173年8月就開始了。當(dāng)年，工程進(jìn)行到第三層時(shí)，人們就發(fā)現(xiàn)，由于地基、建筑結(jié)構(gòu)等原因，塔身出現(xiàn)了傾斜，于是工程中斷了。后來，當(dāng)政者變了，又延請了新建筑師繼續(xù)了此工程。
比薩斜塔外墻面均為乳白色大理石砌成，各自相對獨(dú)立但又形成統(tǒng)一羅馬式建筑風(fēng)格。
比薩斜塔從地基到塔頂高58.36米，從地面到塔頂高55米，鐘樓墻體在地面上的寬度是4.09米，在塔頂寬2.48米，總重約14453噸，重心在地基上方22.6米處。圓形地基面積為285平方米，對地面的平均壓強(qiáng)為497千帕。傾斜角度3.99度，偏離地基外沿2.5米，頂層突出4.5米。1174年首次發(fā)現(xiàn)傾斜。
三、伽利略的實(shí)驗(yàn)
1589年的一天清晨，比薩斜塔下面很熱鬧。比薩大學(xué)青年數(shù)學(xué)講師，25歲的伽利略和他的助手，準(zhǔn)備從塔上同時(shí)丟下一個(gè)10磅重和另一個(gè)1磅重的鐵球，看它們是否同時(shí)落地?？纯椭?，有等待年輕人出丑的比薩大學(xué)教授，他們身著紫色絲絨長袍；也有學(xué)生和鎮(zhèn)上的市民，熙熙攘攘地來看熱鬧。
只見伽利略登上塔頂，將一大一小兩個(gè)鐵球同時(shí)拋下。在眾目睽睽之下，兩個(gè)鐵球出人意料地差不多是平行地一齊落到地上。面對這個(gè)無情的實(shí)驗(yàn)，在場觀看的人個(gè)個(gè)目瞪口呆，不知所措。
四、偉大的伽利略
古希臘權(quán)威思想家亞里士多德（公元前384—322年）曾經(jīng)斷言：物體從高空落下的快慢同物體的重量成正比，重者下落快，輕者下落慢。比如說，10磅重的物體落下時(shí)要比1磅重的物體落下快10倍。1800多年來，人們都把這個(gè)錯(cuò)誤論斷當(dāng)作真理而信守不移。
直到16世紀(jì)，伽利略（公元1564—1642年）才發(fā)現(xiàn)了這一理論在邏輯上的矛盾。伽利略說，假如一塊大石頭以某種速度下降，那么，按照亞里士多德的論斷，一塊小些的石頭就會(huì)以相應(yīng)慢些的速度下降。要是我們把這兩塊石頭捆在一起，那這塊重量等于兩塊石頭重量之和的新石頭，將以何種速度下降呢？
如果仍按亞里士多德的論斷，勢必得出截然相反的兩個(gè)結(jié)論。一方面，新石頭的下降速度應(yīng)小于第一塊大石頭的下降速度，因?yàn)榧由狭艘粔K以較慢速度下降的石頭，會(huì)使第一塊大石頭下降的速度減緩；另一方面，新石頭的下降速度又應(yīng)大于第一塊大石頭的下降速度，因?yàn)榘褍蓧K石頭捆在一起，它的重量大于第一塊大石頭。這兩個(gè)互相矛盾的結(jié)論不能同時(shí)成立，可見亞里士多德的論斷是不合邏輯的。
伽利略進(jìn)而假定，物體下降速度與它的重量無關(guān)。如果兩個(gè)物體受到的空氣阻力相同，或?qū)⒖諝庾枇β匀ゲ挥?jì)，那么，兩個(gè)重量不同的物體將以同樣的速度下落，同時(shí)到達(dá)地面。
于是有了上面的實(shí)驗(yàn)。
注意，伽利略做這件事其實(shí)是理論先行的。
這個(gè)題目（伽利略比薩斜塔鐵球試驗(yàn)）貌似考察自由落體運(yùn)動(dòng)，實(shí)際考察的是非自由落體運(yùn)動(dòng)。相同的明信片受到重力相同，所以影響明信片的主要是空氣阻力，垂直下落受到阻力小，水平下落時(shí)阻力大，所以垂直下落的先落下,明信片在后,要是都是鐵球,垂直下落受到阻力小,同時(shí)落地。
這個(gè)被科學(xué)界譽(yù)為“比薩斜塔試驗(yàn)”的美談佳話，用事實(shí)證明，輕重不同的物體，從同一高度墜落，加速度一樣，它們將同時(shí)著地，從而推翻了亞里士多德的錯(cuò)誤論斷。這就是被伽利略所證明的，現(xiàn)在已為人們所認(rèn)識的自由落體定律?！氨人_斜塔試驗(yàn)”作為自然科學(xué)實(shí)例，為“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的惟一標(biāo)準(zhǔn)”這一說法提供了一個(gè)生動(dòng)的例證。
五、爭議
在小學(xué)四年級的語文課本上，這個(gè)故事被描述得惟妙惟肖，課文的題目叫《兩個(gè)鐵球同時(shí)落地》。
只是課本并沒有提到，被稱為天才科學(xué)家的霍金，在其1988年出版的《時(shí)間簡史》里，已經(jīng)毫不含糊地寫道，“這故事幾乎不可能是真的”，伽利略只不過做了一個(gè)兩個(gè)小球從斜面滾下的類似實(shí)驗(yàn)。而在1929年出版的《科學(xué)史》里，著名科學(xué)史家丹皮爾也認(rèn)為，伽利略也許做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但“好像不是在比薩斜塔上”。也有人認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)是伽利略的學(xué)生做的；還有人說這個(gè)實(shí)驗(yàn)是伽利略的學(xué)生杜撰的；又有人說這個(gè)實(shí)驗(yàn)在地球上是很難成功的，伽利略只是理想地假設(shè)了這個(gè)是試驗(yàn)；還有人說伽利略從來沒有在其著作中提到過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，事實(shí)上當(dāng)時(shí)也沒有做此實(shí)驗(yàn)的條件?？傊?，有相當(dāng)一部分人認(rèn)為伽利略的“兩個(gè)鐵球同時(shí)落地”的故事只是一個(gè)故事，在伽利略的文章中，也找不到這樣的記載，包括地方的記載中，也沒有這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)。
伽利略在比薩斜塔做自由落體實(shí)驗(yàn)的故事，記載在他的學(xué)生維維安尼（Vincenzo Viviani，1622年—1703年）在1654年寫的《伽利略生平的歷史故事》（1717年出版）一書中，但伽利略、比薩大學(xué)和同時(shí)代的其他人都沒有關(guān)于這次實(shí)驗(yàn)的的記載。對于伽利略是否在比薩斜塔做過自由落體實(shí)驗(yàn)，歷史上一直存在著支持和反對兩種不同的看法。
附錄1.關(guān)于比薩斜塔
（1）建造歷史
意大利比薩斜塔修建于1173年，它由著名建筑師那諾·皮薩諾主持修建。它位于羅馬式大教堂后面右側(cè)，是比薩城的標(biāo)志。
開始時(shí)，塔高設(shè)計(jì)為60米左右，但動(dòng)工五六年后，塔身從三層開始傾斜，直到完工還在持續(xù)傾斜，在其關(guān)閉之前，塔頂已南傾（即塔頂偏離垂直線）3.5米。1990年，意大利政府將其關(guān)閉，開始進(jìn)行整修工作。
在實(shí)際工作中，許多有關(guān)專家對比薩斜塔的全部歷史以及塔的建筑材料、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)、水源等方面進(jìn)行充分的研究，并采用各種先進(jìn)的儀器設(shè)備進(jìn)行測試。
比薩中古史學(xué)家皮洛迪教授研究后認(rèn)為，建造塔身的每一塊石磚都是一塊石雕佳品，石磚與石磚間的粘合極為巧妙，有效地防止了塔身傾斜引起的斷裂，成為斜塔斜而不倒的一個(gè)因素。但他仍強(qiáng)調(diào)指出，當(dāng)務(wù)之急是弄清比薩斜塔斜而不倒的奧妙。
從事觀測該塔的專家蓋里教授根據(jù)比薩斜塔近幾年來傾斜的速度推測出，斜塔將于250年后因塔身的重心超出塔基外緣而傾倒。但是公共事務(wù)部比薩斜塔服務(wù)局的有關(guān)人員，針對蓋里教授的看法提出了反駁，認(rèn)為只按數(shù)學(xué)方式推算是不可靠的，比薩斜塔是“一個(gè)由多種事實(shí)交織成的綜合性問題”。
另一些研究者調(diào)查發(fā)現(xiàn)比薩斜塔塔身曾一度向東傾斜，爾后又轉(zhuǎn)向南傾斜，他們同樣認(rèn)為該塔在過去幾百年間斜而不倒，250年后倒與不倒恐怕不能局限于簡單的假設(shè)和預(yù)測。
當(dāng)然，最關(guān)心斜塔命運(yùn)的自然是比薩人，盡管他們也對斜塔的傾斜感到擔(dān)憂，但更多的是驕傲和自豪，為自己的故鄉(xiāng)擁有一個(gè)自認(rèn)為可與世界上著名建筑媲美的斜塔而感到自豪。他們堅(jiān)信它不會(huì)倒下，他們有這樣一句俗語，比薩塔像比薩人一樣健壯結(jié)實(shí)，永遠(yuǎn)不會(huì)倒下去。
他們對那些把斜塔重新糾正豎直的建議最為深惡痛絕。如1934年，在地基及四周噴入90噸水泥，實(shí)施基礎(chǔ)防水工程，塔身反而更加不穩(wěn)，向周圍移動(dòng)，傾斜得更快。
比薩大教堂鐘樓的建造開始于1173年8月，設(shè)計(jì)為垂直建造，但是在工程開始后不久（1178），便由于地基不均勻和土層松軟而傾斜，1372年完工，塔身傾斜向東南。
工程曾間斷了兩次很長的時(shí)間，歷經(jīng)約二百年才完工。它的設(shè)計(jì)者是那諾·皮薩諾。
在鐘樓入口右側(cè)墻上發(fā)現(xiàn)的碑銘記錄了鐘樓開始建造的年代：“A.D. MCLXXIV. CAMPANILE HOC FUIT FUNDATUM MENSE AUGUSTI”，譯為“此鐘樓奠基于公元1173年8月”。
（2）傾斜原因
過去人們曾一度認(rèn)為鐘樓是故意被設(shè)計(jì)成傾斜的，但是事實(shí)并非如此。
作為比薩大教堂的鐘樓，1173年8月9日開始建造時(shí)的設(shè)計(jì)是垂直豎立的，原設(shè)計(jì)為8層，高54.8米，它獨(dú)特的白色閃光的中世紀(jì)風(fēng)格建筑物，即使后來沒有傾斜，也將會(huì)是歐洲最值得注意的鐘樓之一。
比薩斜塔為什么會(huì)傾斜，專家們曾為此爭論不休。尤其是在14世紀(jì)，人們在兩種論調(diào)中徘徊，比薩斜塔究竟是建造過程中無法預(yù)料和避免的地面下沉累積效應(yīng)的結(jié)果，還是建筑師有意而為之。
進(jìn)入20世紀(jì)，隨著對比薩斜塔越來越精確的測量、使用各種先進(jìn)設(shè)備對地基土層進(jìn)行的深入勘測，以及對歷史檔案的研究，一些事實(shí)逐漸浮出水面：比薩斜塔在最初的設(shè)計(jì)中本應(yīng)是垂直的建筑，但是在建造初期就開始偏離了正確位置。
在1178年，當(dāng)鐘樓興建到第4層時(shí)發(fā)現(xiàn)由于地基不均勻和土層松軟，導(dǎo)致鐘樓已經(jīng)傾斜偏向東南方，工程因此暫停。
期間的1198年，記載了鐘樓內(nèi)撞鐘的存在，這標(biāo)志著鐘樓雖然傾斜，但至少懸掛了一個(gè)撞鐘，實(shí)現(xiàn)了它作為鐘樓的初衷。
1231年，工程繼續(xù)，第一次有記載鐘樓使用了大理石。建造者采取各種措施修正傾斜，刻意將鐘樓上層搭建成反方向的傾斜，以便補(bǔ)償已經(jīng)發(fā)生的重心偏離。
1278年進(jìn)展到第7層的時(shí)候，塔身不再呈直線，而是為凹形。工程再次暫停。
1292年，Giovanni Pisano用鉛垂線測量了鐘樓的傾斜度。
根據(jù)現(xiàn)有的文字記載，比薩斜塔在幾個(gè)世紀(jì)以來的傾斜是緩慢的，它和它地基下方的土層實(shí)際上達(dá)到了某種程度上的平衡。
在建造的第一階段第3層結(jié)束時(shí)，鐘塔向北傾斜約1/4°。
在第二階段由于糾偏過度，1278年第7層完成時(shí)反而向南傾斜約0.6°。
1360年建造頂層鐘房時(shí)增加到1.6°。
1817年，兩位英國學(xué)者Cresy和Taylor用鉛垂線測量傾斜，那時(shí)的結(jié)果是5°。
1550年Giorgio Vasari的勘測與1817年Cresy和Taylor的勘測之間相隔267年，傾斜僅增加了5厘米。因此人們也沒有對斜塔進(jìn)行特意的維修。
1360年，在停滯了差不多一個(gè)世紀(jì)后鐘樓向完工開始最后一個(gè)沖刺，并作了最后一次重要的修正。
1372年擺放鐘的頂層完工。54米高的8層鐘樓共有7口鐘，但是由于鐘樓時(shí)刻都有倒塌的危險(xiǎn)而沒有撞響過。而且一直不斷地向下傾斜。
比薩斜塔之所以會(huì)傾斜，是由于它地基下面土層的特殊性造成的。比薩斜塔下有好幾層不同材質(zhì)的土層，各種軟質(zhì)粉土的沉淀物和非常軟的粘土相間形成，而在深約一米的地方則是地下水層。這個(gè)結(jié)論是在對地基土層成份進(jìn)行觀測后得出的。最新的挖掘表明，鐘樓建造在了古代的海岸邊緣，因此土質(zhì)在建造時(shí)便已經(jīng)沙化和下沉。
然而1838年的一次工程導(dǎo)致了比薩斜塔突然加速傾斜，人們不得不采取緊急維護(hù)措施。當(dāng)時(shí)建筑師Alessandro della Gherardesca在原本密封的斜塔地基周圍進(jìn)行了挖掘，以探究地基的形態(tài)，揭示圓柱柱礎(chǔ)和地基臺階是否與設(shè)想的相同。這一行為使得斜塔失去了原有的平衡，地基開始開裂，最嚴(yán)重的是發(fā)生了地下水涌入的現(xiàn)象。這次工程后的勘測結(jié)果表明傾斜加劇了20厘米，而此前267年的傾斜總和不過5厘米。
1838年的工程結(jié)束以后，比薩斜塔的加速傾斜又持續(xù)了幾年，然后又趨于平穩(wěn)，減少到每年傾斜約0.1厘米，塔身偏離“自然姿勢”已有5米多。
（3）建筑特色
比薩斜塔是意大利比薩城大教堂的獨(dú)立式鐘樓，為羅馬式建筑風(fēng)格。
比薩斜塔下層是實(shí)墻，用壁柱做裝飾，中間六層外面 用連續(xù)券做裝飾，最上一層內(nèi)收結(jié)束。
比薩斜塔塔身的每一塊石磚都是一塊石雕佳品，石磚與石磚間的粘合巧妙，有效地防止了塔身傾斜引起的斷裂，成為斜塔斜而不倒的一個(gè)因素。
比薩斜塔的裝飾格調(diào)繼承了大教堂和洗禮堂的經(jīng)典之作，墻面用大理石或石灰石砌成深淺兩種白色帶，半露方柱的拱門，拱廊中的雕刻大門，長菱形的花格平頂，拱廊上方的墻面對陽光的照射形成光亮面和遮蔭面的強(qiáng)烈反差，給人以鐘樓內(nèi)的圓柱相當(dāng)沉重的假象。
附錄2.伽利略
伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564年2月15日－1642年1月8日），意大利物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家及哲學(xué)家，科學(xué)革命中的重要人物。其成就包括改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡和其所帶來的天文觀測，以及支持哥白尼的日心說。
伽利略做實(shí)驗(yàn)證明，感受到引力的物體并不是呈勻速運(yùn)動(dòng)，而是呈加速度運(yùn)動(dòng)；物體只要不受到外力的作用，就會(huì)保持其原來的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。他的工作，為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎(chǔ)。
1609年8月21日，伽利略展示了人類歷史上第一架按照科學(xué)原理制造出來的望遠(yuǎn)鏡。
伽利略1642年1月8日卒于比薩。
他被譽(yù)為“現(xiàn)代觀測天文學(xué)之父”、“現(xiàn)代物理學(xué)之父”、“科學(xué)之父”及“現(xiàn)代科學(xué)之父”。
