这是很多课本、课外书中都讲述过的一个科学故事：古希腊哲学家亚里士多德认为，物体的下落速度和重量成正比，物体越重，下落的速度越快。千百年来，这被当成是不可怀疑的真理。但是年轻的科学家伽利略不信这个邪。他在比萨斜塔上当众实验，扔下了一重一轻两个球。在众人的惊呼声中，两个球同时落地。于是，流传千年的教条被推翻了，一条新的科学定律——自由落体运动定律——被发现了。
这个故事最早出现在伽利略的秘书为他写的传记中。这本传记写于1654年，此时伽利略已去世12年。按作者的说法，伽利略是在比萨大学任教期间，当着其他教授和全体学生的面在比萨斜塔做的实验。但奇怪的是，伽利略本人的著作中从来没有提到过自己的这次实验，而比萨大学也没有记录过这件事。另外，如果真像书中所说，这件事在当时轰动一时，那么很多围观者也会对自己的家人、朋友讲起，但当时留下的历史资料中，完全没有留下有关这个实验的记载。
这是怎么回事呢？于是，有人怀疑，这个故事应该是伽利略的秘书虚构出来的。有点类似于今天的“名人轶事”。实际上，伽利略并没有真的做这个实验。
但是，伽利略确实深入地研究过这个问题。他曾在自己的一本书里，提到了一个可以驳倒亚里士多德理论的实验：如果从大约100米高处扔下一个100～200磅的炮弹和一颗只有半磅重的步枪子弹，前者只比后者领先一掌距（越等于23厘米）落地。不过，伽利略并没有说他本人做过这个实验。而且，这个实验也不可能在比萨斜塔做，因为那座塔只有50多米高。
后来，人们发现伽利略在比萨大学当教师期间，曾写了一部没有出版的手稿，里面提到，他确实曾经在一座高塔上做过一个实验，但不是为了否定亚里士多德的理论，而是为了验证他的一个想法：落体的速度和物体的密度成正比。原来在那时，伽利略还不认为亚里士多德是错误的。他设想，在真空中，如果是相同材料做的物体，那么它们的下落速度和重量无关；但如果是不同材料做的物体，那么下落速度和它们的比重成正比。比如说，假如人们同时从塔上扔下一个金球和一个银球，由于金子的比重大约是银的两倍，那么金球肯定会比银球先落地。
不止如此，伽利略说他做实验时用的是木球和铅球，结果发现了一个奇怪的现象：刚松手时，木球的下降速度比铅球还快，之后铅球才逐渐赶上了木球，领先木球落地。根据现在的物理学知识，如果考虑到空气阻力，铅球先落地是对的，但是木球一开始会领先铅球则非常奇怪。因此有人怀疑，伽利略记录的这个实验也是假的。
到了20世纪80年代，两名美国科学家米克里奇和塞特尔重复了伽利略的这个实验。他们让51名学生一手握铁球，一手握木球，两手朝下，同时松手让球下落，并把整个过程用高速摄影机拍下来。结果他们发现，在大多数学生松手时，木球的确明显比铁球落得快！原来，这是因为人们在扔球时，会下意识地先松开拿着较轻东西的那只手，而由于要用更大的劲握住重球，因此松开要稍慢一些。所以，伽利略的记录恰恰证明了他的确在高塔上做过实验！
科学家们推测，伽利略通过实验发现，如他事先所预料的，比重大的物体的下落速度会略快于比重小的。但他也注意到，比重小的物体的下落速度一开始会比比重大的快。关于这个奇怪现象的思考，使他最终放弃了原先的假设，得出了正确的结论：在真空中，任何物体，不管其重量、形状和比重，下落速度都是一样的。之后，他的秘书很可能就是以这个实验为素材，虚构出了著名的“比萨斜塔实验”的故事。
其实，在伽利略生活的时代，已经有很多人在他之前研究了这个问题，并得出了相同的结论。
意大利数学家贝尼德蒂在1585年出版的书中，就提到了一个实验：假设两个重量相同的物体被一根线系在一起，同时下落，按亚里士多德的说法，它们的速度将由它们的总重量决定；然而，如果在下落过程中这根线突然断了，这两个物体并不会因此在半空中减速，而是仍然以原来的速度下落。所以说，物体下落的速度和它们的重量无关。
虽然有前人的研究作为基础，但只有伽利略花费了多年的心血，做了很多关于物体运动的系统实验。后来，他还想出了测量落体速度的方法：让球从光滑的斜板上滚下，然后测量在某个时间点上球与起点之间的距离，从而不仅证明了在阻力可忽略时物体的下落速度与重量无关，而且证明了物体在下落时，它们的速度是不断增大的。这就是我们现在说的自由落体运动定律。它为现代物理学的发展奠定了基础。
在1640年的一封信中，伽利略说：“追求真理的可靠途径是把实验放在任何推理的前面。因为推理总会含有谬（miù）误，而一个科学的实验不可能与真理相对立。”在伽利略之前，还没有哪位科学家如此强调实验的重要性。因此，爱因斯坦认为，将伽利略称为现代物理学乃至现代科学之父是当之无愧的。