伽利略的证明

公元1609年这一年在天文发现史上具有非凡意义，在欧洲两处相距352公里的城市中，几乎同时各发生了一件意义深远的事：第一件就是我们上章提到的，在奥地利的林茨，38岁的开普勒出版了《新天文学》一书，正式向世人宣布了行星运动第一和第二定律；第二件发生在意大利的威尼斯，45岁的伽利略走进一家眼镜铺子，没错，就是这件事对天文学的发展意义深远。

眼镜店老板认得这位著名的帕杜亚大学的数学教授，热情地招呼：

“教授，您来配眼镜吗？我肯定给您最大的优惠。”

伽利略摇了摇头，说：“抱歉，我不是来配眼镜的，但我确实是来买镜片的。”

老板奇道：“不配眼镜，买镜片干吗？哦，明白了，教授是来买放大镜的，我们这也有，包您满意。”

伽利略一笑，说：“我来买一块凸透镜和一块凹透镜。我听说，荷兰人发明了一种很有趣的东西，可以看清肉眼看不到的很远的东西。我琢磨了一番，认为这事很有可能是真的，只要把两块合适的凹凸透镜组合起来，就能办到。”

老板说：“是吗？有这么神奇吗？我这里的镜子您随便挑，如果没有合适的，本店还可以根据您的要求定制，价格公道，童叟无欺。”

伽利略从眼镜店出来时，带着几块精心挑选的透镜，一回到家，他就开始琢磨怎么把它们组合起来。他找来一根长长的的圆筒，把两块透镜安置在圆筒的两端，然后不断地调换各种镜片，调整两块镜片的间距。经过一番努力，他成功了，现在，利用这根圆筒，可以让300米外的物体看起来就像在100米的地方，原本不可能看清的很多细节，都清晰可见。自此，伽利略制成了世界上第一架放大倍数为3的望远镜，经过一番改进，又制成了8倍的望远镜。伽利略极为聪明地把这架望远镜献给了威尼斯议会，那些议员们爬上楼顶，在伽利略的指导下，果然看到了用肉眼原本看不清的船只，这让议员们大为欣喜，这可不仅仅是个玩具啊！这些议员们敏锐地意识到，伽利略的这个发明有很重要的军事价值，为了表彰他，议会决定升任伽利略为终生教授，薪水翻倍，并且鼓励他继续制作更好的望远镜。伽利略名利双收。

当其他人津津乐道于用望远镜看清了多远的一枚银币的图案，用望远镜看到多远处窗户中的漂亮姑娘时，伽利略把望远镜伸向了夜晚的星空。这是人类历史上一次意义非凡的举动，套用一个著名的句式就是：这是伽利略的一个小动作，却是人类的一个大动作。伽利略的这一伸，很快就要掀起天文学界的轩然大波，教会即将被这根小小的圆筒折腾得瑟瑟发抖。

伽利略把望远镜最先对准的是月亮，这很好理解，因为星空中最大、最亮的天体就是月亮。当月亮的圆面通过镜头在伽利略的眼中首次出现时，他惊呆了：用肉眼看上去光滑无瑕的月亮居然是一个“大麻子”，表面布满了坑坑洼洼的圆形坑洞。

“哦，可怜的亚里士多德”，伽利略一边看一边叹道，“他又错了。显然天体不都是完美无缺的，至少月亮就不是。”在对月亮进行了几周的观测后，伽利略又把望远镜对准了木星，这将是一个重要的时刻。

1610年1月7日晚，伽利略在他的天文日志中写到：木星附近有三颗肉眼看不到的小星星，两颗在东侧，一颗在西侧，三颗星星恰巧在一条直线上，分毫不差。他随手又画下了这样一张图：

1月7日

第二天晚上，他又画了一张图：

1月8日

画完以后，伽利略不免觉得有点儿意思，第二天的这三颗星星是不是第一天的那三颗呢？如果是的话，那可有好戏看了，明天晚上接着看，这事有点不简单啊！谁知道，1月9日天空多云，什么星星也看不到，伽利略胸闷了一晚上。好在1月10日又放晴了。第三幅图是这样的：

1月10日

接下去三天是这样

1月11日

1月12日

1月13日

1月13日这张图一画出来，伽利略就开始怀疑木星的周围有四颗小星星而不是三颗。他又孜孜不倦地追踪观测了好多天，最终确信，有四颗小星星围绕着木星转动。

伽利略把他的天文观测成果以及望远镜的原理写成了一本书——《星迹信使》，很快就出版了，结果在整个欧洲引起了巨大轰动。眼镜商们瞅准了商机，纷纷卖起望远镜，但想买望远镜的人却更多，一时间一镜难求，无数业余天文爱好者和专家学者都拿起望远镜对准月亮和木星进行观测。科学的伟大力量在于，它是可以被重复检验的，而不像那些玄学，宣扬“心诚则灵”，不灵就是心不诚。当伽利略的观测发现被全欧洲的无数天文爱好者证实后，教会开始坐不住了，为什么？因为教会一直以来支持的托勒密学说首次遭遇到了反证的尴尬。不是说地球是宇宙的中心，日月星辰都绕着地球转吗？现在，铁证如山，有星星是在绕着木星转，而不是地球，教会该如何面对这个天文发现呢？

伽利略的发现还让另外一个我们熟悉的人激动不已，他就是开普勒。反对日心说的人经常抛出的一个质疑是：地球如果绕着太阳转动，那月亮怎么办？月亮岂不是会被地球抛在后面了吗？开普勒对此的解释是地球有一种拉住月亮的力量，可以让月亮在绕地转动的同时也参与地球绕日公转，反对者就嘲笑开普勒是异想天开。现在，伽利略的发现让开普勒扬眉吐气了，他把月亮和木星周围的四颗小星都称为“卫星”，既然木星有能力拉住四个小兄弟绕着太阳转，那么地球当然也就可以拉住月亮了。自己关于行星力量的猜想被伽利略的发现证实，开普勒实在是太高兴了。

木星四颗卫星的发现，让教会很受伤，也埋下了对伽利略仇恨的种子，只是暂时还未向伽利略动手而已。此时的伽利略又把他的望远镜对准了金星，很快，他的发现给托勒密的地心说带去了最后的致命一击。

在伽利略的望远镜中，金星不再是一个圆点，而是一个月牙状的形状，并且它真的像月亮一样，会出现盈亏变化。这个发现又轰动了整个天文学界，大家纷纷又把望远镜对准了金星。很快，金星的盈亏变化被公认。那么，这种盈亏变化说明了什么问题呢？它能证明什么呢？让我们看一幅图，先了解一下月亮盈亏的原理：

图7-1　月亮的盈亏原理

现在我们拿出托勒密的地心说模型：

图7-2　托勒密的地心说模型

从这个模型中我们可以看到，因为金星的本轮中心始终在日地连线上。换句话说，金星与太阳和地球总是大致位于一条直线上，所以无法解释金星的盈亏现象。

我们再拿出哥白尼的日心说模型：

图7-3　哥白尼的日心说模型

这幅图就很容易解释金星的盈亏变化，因此，金星的盈亏变化就成了日心说最好的佐证。

伽利略用他的望远镜无可争议地证实了托勒密的地心说是错误的，而哥白尼的日心说是对的。伽利略作为一个理性的科学家，他当然相信逻辑和证据的力量，于是，他毫不忌讳地四处宣传哥白尼的日心说。此时的伽利略，已经是非常知名的大学教授了，因此他的影响力很大，越来越多的人站到了哥白尼的阵营。罗马教廷终于坐不住了，如果任由事态继续发展下去，教会对人们的精神统治将发生动摇，《圣经》是绝对不可以有一字半句的错误的。1616年2月，一个寒冷的冬天，宗教再次压制了科学。罗马教廷宣布：哥白尼的《天体运行论》为禁书，日心说的观点统统都是荒谬的，是异端邪说，不许任何人再加以宣扬，否则将被推向宗教裁判所。伽利略首当其冲，成了教会打压的重点对象。在教会的高压下，伽利略不得不退让，他声明停止宣传哥白尼的理论，教会还煞有介事地给伽利略签发了一张证书，证明此人已经放弃异端邪说。罗马教廷的这项禁令一直到300多年后的1992年才取消，那时人类登上月球都23年了。

伽利略被教会压制了七年，到了1623年，老教皇驾崩，新教皇上位。这位新教皇乌尔本八世是一个相对开明的人，并且还是伽利略的朋友。伽利略抓了个机会试探性地建议教皇取消禁令，教皇虽然没答应，但是他也不反对伽利略写一本讨论托勒密和哥白尼主要观点的书，当然，教皇要求伽利略要客观，不得贬低托勒密，吹捧哥白尼，尤其不能在书中做出地球在运动的结论。

伽利略得了这个口谕后如获至宝，立即回家开始动笔写书，他已经憋了有七年之久了。然后他用整整五年时间写了一本书，叫《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（以下简称为《对话》），把自己半辈子的研究成果在这本书中集中发表出来。这本书在物理学史上非常重要，因为伽利略首次解答了那个困扰了学界两千年的问题：地球如果转动，为什么人们体会不到？从古希腊的先贤一直到哥白尼，都被这个问题折磨得不行。

让我花点时间来讲一下《对话》这本书吧。当我看到北京大学出版社2006年版的《对话》中译本时，不由得大吃一惊，实在没想到这本书这么厚，居然有42万字之多，我用了整整一周的时间才读完。伽利略真是一位出色的科普作家，对于300多年前出现这样的书，我很吃惊，原来我自鸣得意的种种科普写作手法，比如讲讲俏皮话，打个有趣的比方，编个故事自问自答，调侃等等，伽利略早就运用得无比娴熟了。如果把伽利略搁到今天，也在网络电台当个主播，开个节目叫《伽利略聊科学》，我打赌他能火。如果把《对话》这本书稍作改编，增加一些时髦的名词，改换一些地名人名，你绝不会想到这是300年前的古人写的书。难怪《对话》这本书一出版，就卖到脱销，人们争相传阅。

整本书设计了三个人物的四天对话，这三个人物分别象征伽利略自己、托勒密的拥趸和一个中立的小白。这三个人你来我往，谈了四天的话，相当于分成了四个章节。第一天他们讨论天上的星星是不是永恒不变的；第二天讨论地球到底是不是在自转；第三天讨论地球有没有绕着太阳公转；第四天讨论潮汐是怎么形成的。用现在的眼光来看，除了第四天的观点是错误的以外，其他三天的内容即使到了今天也不过时，依然可以作为正经的科普读物来读。其中最为经典的就是第二天的对话内容，伽利略在这里完美地解答了人们对地球自转的所有质疑，他正式描述了著名的伽利略相对性原理：力学规律在惯性系中保持不变。在整个四天的对话中，那个代表托勒密拥趸的家伙显得特别的无知可笑，常常被代表伽利略的那个人物讽刺得如跳梁小丑一般，明明已经理屈词穷了，还非要无理搅三分。

在今天，任何一个有中学文化程度的人都可以理解为啥人们感觉不到大地的转动，那是因为地球上的一切都参与了地球的转动，整个地球就是一个巨大的惯性系，就好像在封闭的船舱中，人们无法知道船是在匀速航行还是静止一样。但是这个道理在当时的人们听来，无疑是振聋发聩的。伽利略的逻辑是如此无懈可击，他为地球自转建立了一个牢固的理论基础，从此，哥白尼的学说站稳了脚跟。

不过，教皇看完了伽利略的《对话》后，龙颜大怒：好个伽利略，把我的忠告都当成了耳边风，还用我的口谕作挡箭牌，骗过了审查，出版了这么一本大逆不道的彻头彻尾宣扬日心说的书！更要命的是教皇受人挑拨，说伽利略书中那个显得特别无知愚蠢的中立的小白影射的是自己，他简直快要气疯了。于是，教皇下令查禁《对话》，把伽利略押解到罗马受审。可见当时的罗马教廷比今天的国际刑警还牛，可以随便地跨国抓人。伽利略在罗马宗教裁判法庭受到宣扬异端邪说的指控，如果不认罪就会被判死刑，伽利略的骨头没有布鲁诺硬，他屈服了。我个人非常赞同伽利略的选择，在这种情况下，生命更重要，有了生命，就还能创造更多的知识财富，至于真理，可以交由时间去裁判。结果伽利略被判终生软禁在家里，一直要到300多年后的1980年，罗马教廷才替伽利略翻了案，宣布他无罪。

伽利略虽然“认罪伏法”了，但是他建立的理论学说却像病毒一样，在欧洲的大地上扩散、传播，哥白尼的学说终于成了无冕之王。但我们依然在等待另一个天才的出现，是他解开了开普勒心中最后的谜团。