早期的望远镜天文学

同时，基于观察的天文学并没有停滞不前，在开普勒发表《新天文学》和行星运动第一、第二定律的同一年，伽利略发明了第一台望远镜。

最初的望远镜　望远镜的最初起源仍然不得所知。培根曾模糊地提出了此类仪器得以构建的原则，但我们从没有听说他试图制造一个。一位英国数学家，牛津的伦纳德·迪格斯据称曾经进行过尝试，其儿子对此做出了记载，但之后没有任何天文发现或更进一步的活动，而且望眼镜的实际发明和显微镜一样，一般归于荷兰的眼镜制造者。在17世纪早期，他们只制作观剧眼镜之类望远镜设备，但仅仅作为玩具。海牙的官方记录显示，制作此类仪器的专利首先在1608年10月2日颁给了米德堡的汉斯·利伯希，而一位詹姆斯·梅迪思的类似应用在10月17日也进入了专利考虑范围。笛卡儿将望远镜的发明归于梅迪思，但是利伯希据说更有资格，和詹森发明了显微镜一样，利伯希的发明据说很大程度上是偶然的：一天他碰巧将透镜组合望向风标，却吃惊地发现物体被相当程度地放大了。

当伽利略听到这个消息后，立即意识到了其科学价值，于是着手制造一个自己的类似光学镜。“经过诸多麻烦和花费了大量金钱”后，他很快建造了一个“优秀的仪器”，可以将物体的面积放大约1000倍，将距离缩短至三十分之一。接下来的一年，开普勒建议对透镜进行更好的组合，于是一个体现改进的仪器由耶稣会教士希奈尔制造出来。几年以后，惠更斯又做了更进一步的改进，使望远镜基本具有了今天的形式。

伽利略　直至这时，伽利略还没有在天文学上过多投入工作，但他似乎基本上同意哥白尼的观点，被曾经改变了开普勒的马斯特林说服，确信其真实性。但是，一旦他手上有了望远镜，他便以惊人的速度做出了一个接一个的新发现。将望远镜指向月球，他发现一些印记，并将之解释为表面不规则物体的投影：“我们在地球上的日出时也有类似的镜像，山谷还没有布满阳光，而周围的山脉虽然背对着太阳，却已经开始闪耀着光芒，正如同地球上的空地的阴影伴随着太阳的升高不断缩小，月球上的这些黑点也随着照明的不断增加而渐渐失色。”月球是一个和我们类似的世界，而亚里士多德派声称它是一个完美的球形，这显然是错的。

然后他将望远镜投向天空中熟知的部分，看到了大量的新星体：“在第六等星之外（根据希帕克的分类，这些是肉眼所能看到的最暗星体，因而也是望远镜产生之前可以看到的最暗星体），你会通过望远镜看到大量其他的星体，数量之多几乎超出想象。”例如，猎户座的腰带和剑区域所包含的星体数目不再是仅仅9个，而是超出了80，而昴宿星团的著名6个星体增加到了36或更多。银河的情况更加明显：“无论你将望远镜指向它的哪个部分，都会有大量的星辰出现，其中很多个头硕大且极其明亮，而小一点的数量则难以统计。”“银河不过是众多星体成组的联在一起”，正如阿那克萨戈拉和德谟克利特2000年前所说，布鲁诺也正确或几乎正确。星体的数量无法统计，甚至无限。伽利略接下来将望远镜投向木星，看到了四个卫星围绕在周围，正像哥白尼所想象的，行星围绕着更大的太阳运行一样。大概这里也可以证明哥白尼的正确，因为这正像一个他所想象的太阳系的复制体。对金星的研究显示，金星如同月球一样经历不同的相——新、半圆、满、半圆、新，并不断重复没有尽头，这证明了金星不是自己发光，而是通过反射太阳的光来发光。但还不止这些。托勒密的假说指出，金星不可能向地球展示被照亮的部分的一半，而哥白尼假说则指出这是看到的相的交替，这样，伽利略的观察通过实际看到的证据打破了托勒密的假说而确证了哥白尼的理论。在1610年1月30日，伽利略写道：“我对自己感到兴奋，对上帝感到无比感谢，因为他允许我发现如此大的奇迹。”

在同一年的晚些时候，他发现土星的圆环，但是做出了错误的解释，将其写成“有三个几乎互相触碰的球体”，他还对太阳耀斑进行了观察。1607年开普勒在没有望远镜辅助的情况下观察到一个太阳黑点，但以为是水星掠过太阳的表面。法布里修斯也在伽利略之前看到了黑点，耶稣会教士希奈尔在1611年4月同样看到一些。起初他以为是光学幻影，但后来他确信是确实存在的实体，并由此进一步认为这证明了太阳一定在旋转，并提供了计算旋转周期的方法。

1613年，伽利略发表了《关于太阳斑点的信函》，公开表明了自己的哥白尼立场，随即遭到异端指控。他尽力通过引述圣经来自我辩护，但是教廷警告他必须放弃神学争论，将自己限制在物理推理的范围内。到1616年早期，事件交给宗教法庭，并在2月19日召开神学的顾问会议中，得到对信中两项推论提出的建议：

（1）太阳是世界的中心，完全静止；

（2）地球不是世界的中心，而是进行每日运动。

会议毫无异议地宣布第一个推论“在哲学上错误荒谬并完全异端”，并裁定第二个推论“哲学上类似第一个，神学上信仰错误”。在2月25日，教宗指派法庭领导成员红字主教贝拉明传唤伽利略，并告诫他放弃会议所谴责的观点。如果伽利略拒绝，他将收到正式的法令，对其进行监禁，从而“不得教授或辩护此类学说和观点，并不得进行探讨”。伽利略第二天得到传讯并会见了贝拉明——其结果我们并不知道，但一个星期之后出现了一个法令，要求撤销对哥白尼学说的流传直至获得改正。这本书四年后重新出现，奥希亚德以前做出的文字被进行了修改，即建议说地球的运动不是绝对的事实，仅仅是方便计算的假设。

经过一段时间的沉静后，伽利略在1623年出版了《分析者》，并将它奉寄给教宗乌尔班八世，后者对于天文学具有足够的认同，并写了一首诗给伽利略，恭贺他发现木星的卫星，他显然乐于对书中的诸多非正统倾向视而不见。宗教和科学之间的纷争，至少伽利略和教宗为代表的，似乎可以弥合，只要伽利略不自添烦恼。但这不是伽利略的本性，在1632年1月，他发表了《关于两个主要世界体系，托勒密和哥白尼体系的对话》，于是闪电击中了他。

在书中，三位角色见面讨论两个系统的优点。其中一个当然是坚定的哥白尼派，另一位是激烈的反哥白尼派，浸渍在亚里士多德的学说中，而第三个声称是公正的旁观者和评论者。公正的评论绝对不是伽利略的面目，至少在这里，因为他所看到的是，在哥白尼学说之外没有可以评论的对象，他将反哥白尼派刻画成极端愚蠢，他们无法看到最简单的讨论。

伽利略的这部书无疑是对教宗1616年2月25日关于放弃哥白尼观点的诫令和2月26日禁令的公开藐视，如果该禁令曾经送到他的手里（一些权威人士认为禁令没有送给伽利略，甚至整个事件都是杜撰，是后来为了1633年的诉讼的借口。伽利略个人的陈述是：“后来一些年在罗马发表了一个有益的法令，即为了避免一些对于本时代有危险的丑闻，对于毕达哥拉斯的地球运动的观点要强制一段时间的沉默……我当时在罗马，不仅在教廷的杰出高级教士中获得了听众，也获得了掌声，法令在没有事先通知的情况下没有送达给我”）。但是，伽利略成功地从教会办公室的审查人员那里获得了出版许可，但有两个前提：第一，传统的条件，地球运动不是事实，只是假设；第二，书中应包含一定的讨论，由教宗提供，为正统观点辩护。伽利略不仅没有遵从第一个条件，还因为同意第二个条件而使自己无故地被放在更多的麻烦之下：他将教宗的讨论设定在了非常愚蠢的反哥白尼派的观点中。

观测到太阳斑点的耶稣会教士希奈尔已经与伽利略在谁首先发现了太阳斑点上产生争执，因此交恶，并利用这个机会制造不公，他声称书中的那个愚蠢形象是对教宗的素描。1632年8月，伽利略的书遭到禁售，同时一个调查团受命进行调查，他们的报告做出了负面结论，伽利略被传唤接受宗教法庭质询。

他在1633年到达，并立即被拘留，尽管看上去他受到了周到和礼遇的对待。两个月后，他被质询并据说被威胁将受到酷刑，尽管有说法认为并没有将威胁付诸实施的真实动机。宣判在6月做出——伽利略须做3年苦行并用赎罪的语调声明放弃一切哥白尼的学说，而且该声明不仅要表明现在的信仰，还要保证余生的信仰：“我……就此保证，我相信并永远相信教会教授和确认的内容是真实的。”没有理由接受常说的故事，即伽利略在生命的最后嘟囔着说出了“但它还在运行”这样的字眼，这是伽利略会说的话，但那不是可以说这种话的场合。

在度过另一段时间的拘禁后，他被允许迁往佛罗伦萨之外的阿切特里，并继续进行他的科学研究，当然是无争议的项目。1637年他在这里发现了“月球的解放”——月球出现小的震动，并导致在连续的月球月中将稍微不同的表面显示出来。

他还找出方法使船只在看不到陆地的情况下辨别方向，这个问题对于古代和中世纪的航行者来说并不是问题，因为这包含一点“拥抱海岸”之外的东西，但是发现新大陆之后，新的方法成为必须的要求。一艘船可以非常容易地通过太阳能达到的高度确定出自己的纬度，但很难发现自己的经度。1598年，西班牙的菲利普三世提出100000克朗奖赏给能够在看不到海岸的情况下确定船只位置的方法，其后荷兰也提出类似的奖励。

原则上有一个非常简单的解法。当我们说，一艘船的位置是格林尼治以西60°，意味着那里的正午出现在格林尼治之后4个小时（60°是六分之一圆，4小时是一天的六分之一，该位置就是从格林尼治出发绕地球六分之一的距离）。所以，如果船上有显示格林尼治时间的钟，该船的纬度就可以通过该钟在本地正午显示的时间得出，例如，当太阳在最高点时。当代的船只一定带有精密计时器在全程显示格林尼治时间，并通过无线电接收格林尼治时间，但17世纪的航行者没有这样的条件，他们经常在估计位置的200～300英里外，因而自然会出现失踪状况。

伽利略指出，木星卫星的运动和日食、月食的时间表可以预先准备，如果航员有这样一份表，木星系统可以提供一个钟表，显示出标准时间并确定船的经度位置。这个方法几乎没有被使用过，因为人们很快发现，月球的运行提供了一个更好的钟表，航行者可以通过月亮和最近星体之间的位置来确定每一时刻的标准时间——原则上说，简单如看手表。

伽利略在1637年失明——一些人认为是由于长期观测太阳而没有适当的保护措施，他一生的工作走到了终点。他于1642年去世，即牛顿出生的那一年，后者将他的事业扩展并赋予了更大的意义。

正如伽利略早期在力学方面的工作推翻了亚里士多德的物理学，他晚期的工作推翻了亚里士多德的宇宙学。在1610年开始时，他发现到了金星的相、木星卫星的轨道运行，以及银河上的不可计数的星体，而开普勒也明确了他的第一、第二定律。宇宙的主体框架现在已经明显确立，毫无疑问，最后的胜利将属于哥白尼、布鲁诺和伽利略。