伽利略的青少年时代

一、父亲对少年伽利略的影响

1564年2月15日，伽利略出生在意大利西北部的古老的比萨城，城中有许多名胜古迹，其中最有名的是比萨大教堂旁的一座钟塔，至今已有800多年历史，由于奠基不慎，塔身倾斜，人们称之为比萨“斜塔”。伽利略的父亲文森西奥是一位很出色的作曲家和音乐理论家，兼数学家，在音乐方面有许多革命性观念，在意大利有一定声望。他曾写过一本音乐理论方面的书，反对思想僵化，反对盲目地接受前人遗留下来的知识，与其音乐老师公开挑战，以致书的出版遭到阻止。但文森西奥锲而不舍，3年后此书在佛罗伦萨出版发行。

图1－1　比萨斜塔与比萨大教堂，传说伽利略曾在此塔上做过著名的落体实验

文森西奥非常重视用实验来为理论举证。他认为：“想要完全依靠权威的影响来证明任何主张，而不是举出理由来予以论证，这种行为是十分可笑的。”（［1］，p23）他在一个房间里摆满了各种不同长短、不同粗细和不同绞紧程度的琴弦，以试音和检验有关和声的设想。父亲这种意志坚定、不迷信权威和敢于挑战权威的精神，以及重视实验论证的研究方法给少年伽利略留下深刻的印象。

伽利略是文森西奥的长子，自小聪明好学，对周围的一切都充满好奇，对艺术同样有非凡的领悟力，他能弹得一手好琴，画得一手好画。当伽利略10岁时，由于生活所迫，全家搬迁到了佛罗伦萨（托斯卡纳公国的首府）近郊。其父除了从事教师和有关音乐方面工作外，为了生计，还从事一些经商工作。他希望伽利略将来当名医生，这是一个赚钱的职业，能够帮助父母一起抚养他的4个妹妹和两个弟弟，于是考入比萨大学学习医学是文森西奥为伽利略定下的奋斗目标。

二、放弃医学，喜欢数理和动手实验

1581年9月伽利略顺利考入了比萨大学。4年中他主要把精力花在了学习医学课程和医学论文写作上。但是他对医学并不感兴趣，所以他常利用课余时间去听一些其他学科的讲座。1583年，在他听了宫廷数学家斯蒂洛·里奇受邀到比萨大学所作的几次有关欧几里得几何学的演讲后，他开始对数学产生了兴趣，并且他经常会在里奇讲座结束后提出一些问题向里奇请教。在这以后，他逐渐对数学着了迷，并发现他自己的真正爱好在数学，于是放弃医学职业的决心越来越大。伽利略极强的领悟力和非凡的才智引起了这位数学家的注意。由于里奇也是文森西奥的朋友，所以在里奇的一再说服下，文森西奥同意伽利略跟他学习数学。在比萨大学期间，求知欲强烈的伽利略还学习了亚里士多德的哲学和物理学，并发现亚里士多德的一些观点难以理解，尤其是对于亚里士多德的运动理论深表怀疑。这也激起了他对物理学研究的兴趣和欲望。

可惜，在毕业前不久，由于家庭经济情况不允许他继续上学，伽利略无可奈何于1585年在没有拿到大学文凭的情况下就离开了比萨大学，回到了佛罗伦萨老家。坏事变好事，从此以后，他就在里奇指导下，有更多时间致力于数学学习和研究，撰写几何学的证明和论文，偶尔也作一些公开演讲。正是凭着他的数学专长，谋得了教一些私人学生的工作，以帮助维持全家生活。工作之余，他仍不忘继续学习和研究亚里士多德的著作、阿基米德的物理学以及一些批判亚里士多德观点的论文。1586年在阿基米德原理基础上，他深入研究了液体静力学的平衡问题，并发挥了动手实验的能力，发明了有用的“比重秤”，可测量金属制品的比重，并写出了论文“小天平”。（［3］，p116）1587年又撰写了测量固体重心方法的论文“论固体的重心”。

要从事科学研究，首先要有科学兴趣，再加上穷追不舍的好奇心。

美籍华裔物理学家丁肇中（1936—　）（［8］，p79）

心语　兴趣是最好的老师，兴趣是成功的开始。兴趣可以培养，但无法强制。

在做私人教师的4年中，伽利略通过奋发学习、刻苦钻研，已在数理方面做出了不少有价值的科研成果，引起了学术界的关注。出色的数理方面的才能，使这位年仅25岁的年轻人在比萨大学获得了一个数学教授的职位。虽然年薪不高，但是给他的科学研究提供了较好的条件，因此伽利略还是很高兴。

三、追求真理，敢于挑战亚里士多德

“对运动无知就是对自然界无知”。亚里士多德曾这样说过，（［1］，p36）可是根据他的运动理论，他认为在落体运动中，物体的下落速度与其重量成正比，所以重的物体先于轻的物体落到地面。这种看法在经验中确实可找到证据，如一根羽毛或一张纸片显然比一块石头要后落到地面。但是也不难找到反例，两个大小相差很多的铁球从相同高度下落时，应该就难以区分哪一个先落下。所以早在大学念书期间，伽利略就对亚里士多德的这一观点深表怀疑。

晚年陪伴在伽利略身边的一位年轻的助手维维亚尼（见本书§1．4，三）后来根据伽利略的谈话所写的传记中写到了这样两个故事。第一个是“伽利略吊灯”的故事：当伽利略还是一个学医的学生时，在1583年的一天，他去比萨大教堂做弥撒时，一盏悬挂着的吊灯，在空中有节奏地来回摆动，引起了他的注意。在风的吹动下，吊灯摆动的幅度时而大些、时而小些，但他发现来回摆动一次的时间竟然几乎相等，与摆幅大小无关。当时还没有钟表之类的计时工具，他是用自己的脉搏来计时的。直到今天，比萨的导游还会把那盏“伽利略吊灯”指给游客看。但是一些传记作家认为这可能是传说，其中一个理由是因为那盏灯是1587年制造的。（［1］，p356；［2］，p292）但是不管怎样，伽利略进行过多年的单摆实验，发现了单摆摆动的等时性，即在摆动不大时（摆幅大约小于30°），来回摆动一次的时间与摆幅大小和摆的重量无关，仅仅决定于摆长。在晚年时，他打算利用摆锤的摆动设计制造一台机械钟，并由他儿子画出了草图，可惜没能付诸实施。

第二个是“比萨斜塔实验”的故事。据维维亚尼所写，伽利略是带着很重的炮弹和很轻的火枪弹通过八层螺旋式楼梯，登上了比萨斜塔顶层，然后当着下面一群教授和学生的面让它们向下坠落，以此来证明它们将同时着地。事实上经一些科学史家考证表明，不仅比萨大学没有关于此实验的记载，而且伽利略本人也没有关于这次实验的任何记载，可能仅是晚年伽利略才向这个青年助手口头提到的故事。（［1］，p25，p356）因此一些传记作家都把这个故事称为“传说”。

事实上，确实早在比萨大学时，伽利略已从怀疑发展到开始参加到批评亚里士多德观念的批评者的行列。他首先抓住的正是对自由落体运动的研究。当时伽利略确实已直观意识到亚里士多德关于落体速度与重量成正比的观点是错误的。他认为：若按亚里士多德的观点“100磅的球从100个臂长的高处落下来，它击中地面时，从同样高处落下的1磅重的球才落下1个臂长”，这简直不可能，它们是同时落地的。（［1］，p26）后来在他所写的巨著《对话》（见本书§1．3，三）一书中，更是以风趣的语言规劝亚里士多德的信徒说：“一个100磅重的球和一个1磅重的球，同时从100码高度落下来时，大球落地，小球只落下1码远。现在请你（如果你能够的话）在脑子里试行想象一下当大球落地时小球离塔顶还不到1码的情况。”（［4］，p156）更有意思的是，他还用逻辑推理法，直接指出了亚里士多德观点的内在矛盾。伽利略设想如果把一块重物和一块轻物捆在一起，让它们自由下落，则按亚里士多德的观点，由于重物下落快，轻物下落慢，所以两物捆在一起后的速度应比重物慢，但要比轻物快，介于两者之间。但是，从另一角度看，两物捆在一起后，则总重量比重物还要重，所以下落时速度比重物还要快。可见都是按照亚里士多德的观点，却得到了两个矛盾的结论！这一逻辑推理，被写入了晚年伽利略的著作《关于两门新科学的对话》中。（［5］，p90）

1591年，伽利略70岁的父亲去世，伽利略毅然挑起了赡养母亲和3个弟妹（已有3个弟妹已经过世）的经济重担。

由于在比萨的教授们中，不少是亚里士多德的信徒，他们对伽利略反对亚里士多德的言论很反感。因此，在比萨的3年中他很孤独，成为一个不受欢迎的人。在3年聘期届满时，伽利略没得到续聘，便于1592年夏季回到了佛罗伦萨。由于他的卓越的创造才能，使他不久便找到了新的职位——隶属威尼斯公国的帕多瓦大学数学教授职位。统治威尼斯的一位大公思想开明，人们可在这里享受到思想和言论上的自由。在帕多瓦大学学术气氛也较为自由，允许学术上有不同观点。伽利略所得的年薪也比在比萨时要高很多，他感到心满意足。