11 伽利略——实验科学的先驱
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伽利略是意大利物理学家、天文学家、哲学家、数学家和发明家，近代实验科学的先驱者。其成就包括用改进的望远镜进行天文观测、支持哥白尼的日心说。当时，人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。今天，史蒂芬·霍金说：“自然科学的诞生要归功于伽利略，他这方面的功劳大概无人能及。”
他以系统的实验和观察推翻了亚里士多德的很多观点，因此被称为“近代科学之父”“现代观测天文学之父”“现代物理学之父”“科学之父”及“现代科学之父”。他的工作为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。
伽利略1564年生于比萨，他从小就善于观察和思考。小时候伽利略进了佛伦勃罗萨修道院的学校。在这所学校，他专心学习哲学和宗教，有段时间，他很想将来当一个献身教会的传教士。但是父亲听到这个情况后，立即把儿子带回家，他劝说伽利略去学医，这是他为儿子的未来早已设计好的一条路。
17岁那年，伽利略进了著名的比萨大学，按照父亲的意愿，他选择了医学专业。比萨大学是所古老的大学，学校图书馆藏书丰富，这很合伽利略的心意，他孜孜不倦地学习数学、物理学等自然科学，并且以怀疑的眼光看待那些自古以来被人们奉为经典的学说。伽利略的贡献是多方面的。
意大利比萨教堂
（1）在力学方面
伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。1582年前后，他经过长久的实验观察和数学推算，得到了摆的等时性定律。在1589—1591年间，伽利略对落体运动作了细致的观察，从实验和理论上否定了统治千余年的亚里士多德的“落体运动法则”，确立了正确的“自由落体定律”。伽利略对运动的基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。伽利略曾非正式地提出过惯性定律和外力作用下物体的运动规律，这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上，伽利略可说是牛顿的先驱。伽利略还提出过合力定律、抛射体运动规律，并确立了伽利略相对性原理。
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比萨斜塔实验
自从亚里士多德的学说产生以来，人们一直把它们当成颠扑不破的真理。但伽利略却敢于对亚里士多德的权威学说提出挑战，大胆地提出了质疑。经过深思熟虑，他决定亲自动手做一次实验。
伽利略选择了比萨斜塔作实验场。那天，他带了两个大小一样但重量不等的铁球，一个重10磅（1磅≈0.45kg），是实心的；另一个重1磅，是空心的。伽利略站在比萨斜塔上面，望着塔下。塔下面站满了前来观看的人。
“这个小伙子的神经一定是有病了！亚里士多德的理论不会有错的！”有人讽刺着说。
实验开始了，伽利略两手各拿一个铁球。
“下面的人们，你们看清楚，铁球就要落下去了。”伽利略大声喊道。
说完，他把两手同时张开。人们看到，两个铁球平行下落，几乎同时落到了地面上。在场的所有人都目瞪口呆了。
伽利略的实验揭开了落体运动的秘密，推翻了亚里士多德“落体的速度同它的质量成正比”这一持续了1900年之久的错误结论。这个实验在物理学的发展史上具有划时代的重要意义。
（2）天文学方面
1609年，伽利略创制了天文望远镜（后被称为伽利略望远镜），并用来观测天体。他是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。这些成果包括：发现月球表面凹凸不平，木星有四个卫星（现称伽利略卫星），太阳黑子和太阳的自转，金星、木星的盈亏现象以及银河由无数恒星组成等。他用实验证实了哥白尼的“地动说”，彻底否定了统治千余年的亚里士多德和托勒密的“天动说”。这些发现开辟了天文学的新时代。为了纪念伽利略的功绩，人们把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四命名为伽利略卫星。
伽利略发明的天文望远镜
（3）哲学方面
他一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争，主张用具体的实验来认识自然规律，认为实验是理论知识的源泉。他不承认世界上有绝对真理和掌握真理的绝对权威，反对盲目迷信。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，这些观点对发展唯物主义的哲学具有重要的意义。
（4）热学方面
1593年伽利略发明了最早的温度计。
（5）相对性原理
在发现惯性定律的基础上，伽利略提出了相对性原理：力学规律在所有惯性坐标系中是等价的。这个原理第一次提出惯性参照系的概念，被爱因斯坦称为伽利略相对性原理，是狭义相对论的先导。
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发现摆的运动规律
在大学的一天，伽利略来到比萨大教堂，目光凝视着雕刻精美的祭坛和拱形的廊柱。突然，教堂大厅中央的巨灯晃动起来，原来是修理房屋的工人在那里安装吊灯。
这本来是件很平常的事，吊灯像钟摆一样晃动，在空中划出看不见的圆弧。可是，伽利略却像触了电一样，目不转睛地跟踪着摆动的吊灯，同时，他用右手按着左腕的脉，计算着吊灯摆动一次脉搏跳动的次数，以此计算吊灯摆动的时间。
这样计算的结果，伽利略发现了一个秘密，这就是吊灯摆一次的时间，不管圆弧大小，总是一样的。一开始，吊灯摆得很厉害，渐渐地，它慢了下来，可是，每摆动一次，脉搏跳动的次数是一样的。
伽利略很纳闷：古希腊哲学家亚里士多德说，摆经过一个短弧要比经过长弧快些。这个说法谁也没有怀疑过，难道是自己的眼睛出了毛病，还是怎么回事？
伽利略跑回大学宿舍，关起门来重复做这个实验。他找了不同长度的绳子、铁链，还有不知从哪里搞到的铁球、木球。在房顶上，在窗外的树枝上，着迷地一次又一次重复，用沙漏记下摆动的时间。最后，伽利略不得不大胆地得出这样的结论：亚里士多德的结论是错误的，决定摆动周期的，是绳子的长度，和它末端的物体重量没有关系。而且，相同长度的摆绳，振动的周期是一样的。这就是伽利略发现的摆的运动规律。
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