伽利略与科学的新生

第三节　伽利略与科学的新生

伽利略·伽利雷

一、科学巨人伽利略

伽利略·伽利雷（1564～1642）是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学家、哲学家、物理学家、数学家，也是近代实验物理学的开拓者，被誉为“近代科学之父”。他是为维护真理而进行不屈不挠战斗的战士，恩格斯称他是“不管有何障碍，都能不顾一切而打破旧说，创立新说的巨人之一”。

伽利略于1564年2月15日出生于意大利西部海岸的比萨城，他原籍佛罗伦萨，出身没落的名门贵族家庭。伽利略的父亲是一位不得志的音乐家，精通希腊文和拉丁文，对数学也颇有造诣。因此，伽利略从小受到了良好的家庭教育。

伽利略在12岁时，进入佛罗伦萨附近的瓦洛姆布洛萨修道院，接受古典教育。17岁时，他进入比萨大学学医，同时潜心钻研物理学和数学。由于家庭经济困难，伽利略没有拿到毕业证书，便离开了比萨大学。在艰苦的环境下，他仍坚持科学研究，攻读了欧几里德和阿基米德的许多著作，做了许多实验，并发表了许多有影响的论文，从而受到了当时学术界的高度重视，被誉为“当代的阿基米德”。

比萨教堂和比萨斜塔

伽利略在25岁时由于得到宫廷数学家玛窦·利奇的鼓励，特别是贵族盖特保图侯爵的推荐，终于获得了比萨大学数学和科学教授的职位。2年后，他失去了这份工作，因为他得罪了一个大公爵的亲戚乔范尼。这个乔范尼是个不学无术的人，他声称发明了一台挖泥船，假惺惺地跑来征求伽利略的意见。当伽利略仔细观察了挖泥船的模型后，直言不讳地告诉他，设计不合科学原理，根本不能使用。乔范尼碰了一鼻子灰，不但不接受伽利略的意见，反而固执地坚持下水实验，结果船沉了。事实证明伽利略的判断是完全正确的，但恼羞成怒的乔范尼反而迁怒于伽利略，散布流言蜚语，攻击他是“阴险的人”。那些早就心怀不满的亚里士多德的信徒，趁机对他大肆攻击，一时间闹得满城风雨。在这种气氛中，伽利略无法在比萨大学呆下去了。伽利略离开比萨大学后，于1592年去威尼斯的帕多瓦大学任教，一直呆到1610年。这一段时期是伽利略从事科学研究的黄金时期。在这里，他在力学、天文学等各方面都取得了累累硕果。

1610年，伽利略把他的著作以通俗读物的形式发表出来，取名为《星空信使》，这本书在威尼斯出版，轰动了当时的欧洲，也为伽利略赢得了崇高的荣誉。伽利略被聘为“宫廷哲学家”和“宫廷首席数学家”，从此他又回到了故乡佛罗伦萨。

伽利略在佛罗伦萨的宫廷里继续进行科学研究，但是他的天文学发现以及他的天文学著作明显地体现了哥白尼日心说的观点。因此，伽利略开始受到教会的注意。1616年开始，伽利略开始受到罗马宗教裁判所长达20多年的残酷迫害。

伽利略的晚年生活极其悲惨，照料他的女儿赛丽斯特竟然先于他离开人世。失去爱女的过分悲伤，使伽利略双目失明。即使在这样的条件下，他依然没有放弃自己的科学研究工作。

1642年1月8日凌晨4时，伟大的伽利略——为科学、为真理奋斗一生的战士，一位科学巨人离开了人世，享年78岁。在他离开人世的前夕，他还重复着这样一句话：“追求科学需要特殊的勇气。”

二、研究自然的新方法

伽利略是物理学的奠基人，他从大量精确的实验着手，以严格的实验证明来代替纯粹的思辨，连牛顿都称颂他为“科学上的拓荒者”。通过对落体运动的研究，伽利略开创了研究大自然的新方法——实验。他首先把实验引进物理学并赋予其重要的地位，革除了以往只靠思辨下结论的恶习。

在16世纪八九十年代之前，亚里士多德学说是权威学说。在物理学上，亚里士多德的运动法则亦是统治了上千年之久。其中一条运动法则，即“落体运动法则”认为，较重物体的下坠速度要比较轻物体的下坠速度快。可是伽利略从平时的观察中发现，这一观点与实际情况并不相符。

（一）比萨斜塔实验

在1589～1591年间，伽利略对落体运动做了细致的观察，从实验和理论上否定了亚里士多德关于落体运动的法则，纠正了持续了1900多年的错误结论。他确立了正确的“自由落体定律”，即在忽略空气阻力条件下，重量不同的球在下落时同时落地，下落的速度与重量无关。根据伽利略晚年的学生V·维维亚尼的记载，落体实验是在比萨斜塔上公开进行的。

比萨斜塔

1590年的一天清晨，比萨大学的教授们穿着紫色丝绒长袍，整队走到塔前，洋洋得意地准备看伽利略出丑；学生们和镇上的市民们，也熙熙攘攘地聚集在比萨斜塔下面，想看个究竟。伽利略和他的助手不慌不忙，神色自如，在众人一阵阵嘘声中，登上了比萨斜塔。伽利略一只手拿一个10磅（1磅=0.45359千克）重的铅球，另一只手拿着一个1磅重的铅球。他大声说道：“下面的人看清，铅球下来了！”说完，两手同时松开，让两只铅球同时从塔上落下。围观的群众先是一阵嘲弄的哄笑，但是奇迹出现了，由塔上同时自然下落的两只铅球，轻的和重的几乎同时落在地上。众人吃惊地窃窃私语：“这难道是真的吗？”顽固的亚里士多德的信徒们，仍不愿相信他们的崇拜者——亚里士多德会有错误，愚蠢地认为伽利略在铅球里施了魔术。为了使所有的人信服，伽利略又重复了一次实验，结果相同。伽利略以雄辩的事实证明“物体下落的速度与物体的重量无关”，从而击败了亚里士多德的信徒们。

描述伽利略铅球实验的画作

根据后人的考证，维维亚尼的记载可能与事实存在出入，但自由落体定律经过无数次实验验证，其正确性毋庸置疑。

亚里士多德是西方古代知识集大成者，他的很多著作成了有关古希腊的百科全书，对后来西方哲学和科学都有很大的影响，恩格斯称他是最博学的人。

亚里士多德的有些理论是错误的，但由于历史的局限性，直到16世纪，仍被人们敬为圣贤之言，不可触犯。正因为如此，批驳亚里士多德关于落体运动的错误理论，不仅是一个具体的运动学问题，也是涉及自然哲学的基础问题，更是从亚里士多德的精神枷锁下解脱的一场思想革命的重要组成部分。伽利略在这场斗争中作出了非常重要的贡献。他认识到通过自由落体的研究打开的缺口，会导致一门广博的新科学出现。请读读他在《两门新科学》中核心的一章，即“第三天的谈话”，开头讲的一段话：

“我的目的，是要阐述一门崭新的科学，它研究的却是非常古老的课题。也许，在自然界中最古老的课题莫过于运动了。哲学家们写的关于这方面的书不少，但是我从实验发现了某些值得注意的性质，到现在为止还未有人观察或演示过。我也做过一些表面的观察，例如观察到下落重物的自然运动是连续加速的，但还从未有人宣布过，这一加速达到什么程度；据我所知，还没有一个人指出，一个从静止状态下落的物体在相等的时间间隔里，保持按从1开始的奇数的比数……

“我考虑更重要的是，一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到各个遥远的角落。”

（二）斜面实验

在伽利略的自由落体运动定律的形成过程中，斜面实验起了重要作用。他在《两门新科学》中对这个实验描述得十分具体，文中写道：“取长约12库比（1库比=45.7厘米）、宽约半库比，厚约3指的木板，在边缘上刻一条一指多宽的槽，槽非常平直，经过打磨，在直槽上贴羊皮纸，尽可能使之平滑，然后让一个非常圆的、硬的光滑黄铜球沿槽滚下，我们将木板的一头抬高一二库比，使之略呈倾斜，再让铜球滚下，用下述方法记录滚下所需时间。我们不止一次重复这一实验，使两次观测的时间相差不致超过脉搏的1/10。在完成这一步骤并确证其可靠性之后，就让铜球滚下全程的1/4，并测出下降时间，我们发现它刚好是滚下全程所需时间的一半。接着我们对其他距离进行实验，用滚下全程所用时间同滚下一半距离、1/3距离、3/4距离或任何部分距离所用时间进行比较。这样的实验重复了整整100次，我们往往发现，经过的空间距离恒与所用时间的平方成正比例。这对于平面（也即铜球下滚的槽）的各种斜度都成立。我们也观测到，对于不同的斜度，下降的时间相互间的关系正如作者预计并证明过的比例一样。

理想斜面实验

“为了测量时间，我们把一只盛水的大容器置于高处，在容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次下降时由细管流出的水，不管是全程还是全程的一部分，都可收集到。然后用极精密的天平称水的重量；这些水重之差和比值就给出时间之差和比值。精确度如此之高，以至于重复许多遍，结果都没有明显的差别。”

这个实验设计安排得是何等巧妙啊！许多年来，人们都确信伽利略就是按他所述的方案做的。在历史博物馆中甚至还陈列着据说是伽利略当年用过的斜槽和铜球。

单摆实验装置

但是，当人们重复伽利略上述实验时，却发现很难得到如此高的精确度。有人证明，贴了羊皮纸的木槽，实验误差反而更大了。20世纪中叶，科学史专家库依雷提出一种见解，认为伽利略的斜面实验和他在书上描述的其他许多实验一样，都是虚构的，伽利略的运动定律源于逻辑推理和理想实验。这个意见对19世纪传统的看法无疑是一帖清醒剂。因为长期以来形成了一种认识，把实验的作用过于夸大了，好像无论什么基本定律，包括伽利略的运动定律都是从数据的积累中总结出来的。这种机械论的观点到了20世纪理所当然要受到怀疑论者批评。

然而，伽利略究竟有没有亲自做过斜面实验呢？他为什么会想到用斜面来代替落体？他是怎样做的斜面实验？这个实验在他的研究中起了什么作用？

伽利略没有对自己的工作做过更详细的阐述。但是，他留下了大量手稿和许多著作。人们把他的资料编成了20卷文集，这是研究伽利略的宝贵史料。

（三）单摆振荡的等时性

用一根绝对挠性且长度不变、质量可忽略不计的线悬挂一个质点，在重力作用下在铅垂平面内作周期运动，就成为单摆。单摆在摆角小于5°（现在一般认为是小于10°）的条件下振动时，可近似认为是简谐运动。单摆运动的周期公式：T=2π其中L指摆长，g是当地重力加速度。

（挠性，是物体受力变形，作用力消失后仍不能恢复原状的性质。）

单摆振荡的等时性是伽利略发现的。一次他去比萨大教堂做弥撒，无意中看见被碰动的蜡烛台，蜡烛架摆动越来越小。伽利略就以自己的脉搏计时来测量摆动的时间。他发现了一个奇怪的现象：尽管摆动的幅度越来越小，可每次摆动所持续的时间却都相同。这一发现让他激动不已，他立即飞快地跑回自己的房间，做了无数相关的实验，实验结果都证实了上述的发现。

此外，他还发现，在同一个地方，对于给定的绳长，不管他是用重的石头还是轻的石头做实验，摆的周期都相同。这就是现在用钟摆计时的原理。

现在人们公认伽利略发现了摆的等时性原理，尽管在伽利略之前的好几个世纪中，等时性早已为阿拉伯人所熟知，但以严谨的科学态度去研究这一现象的科学家还是首推伽利略。按照等时性原理，如果摆的振幅较小，那么摆动的周期同摆动的振幅无关。他指出摆的周期并不取决于摆线上悬挂物的重量，而只取决于摆线长度的平方根。如果不考虑阻力的影响，悬挂在等长线上的一个软木球和一个铅球的摆动规律是相同的。在这基础上，伽利略还解释了共振和共鸣现象。

三、力学相对性原理的提出

力学相对性原理是伽利略在运动学的研究中提出来的。在伽利略之前，人们通常选取与地面静止的物体做参照系，伽利略想，如果选取相对于地面做匀速直线运动的一个物体做参照系，那么所观察到的物体运动规律是否会相同呢？

（一）萨尔维阿蒂大船实验

伽利略设计了“萨尔维阿蒂大船实验”：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐中，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速，也不忽左忽右地摆动，你将发现，上述所有现象没有丝毫变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，即使你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动，这一结果也不会改变。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将像先前一样，滴进下面的罐里，一滴也不会滴向船尾。虽然水滴在空中时，船已行驶了许多拃（指距，约23厘米）。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行。它们也决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离开了船的运动，为赶上船的运动而显出累的样子。”这一实验出自《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。

（二）相对性原理

在“萨尔维阿蒂大船实验”中，伽利略描述了做匀速直线运动的封闭船舱里所发生的物理现象，当船做任何速度的匀速运动时，船舱内发生的物理现象与船静止不动时相比没有丝毫改变。人们无法通过其中任何一个现象来确定船是运动着，还是静止不动的。这表明一个处于匀速直线运动的参照系等效于一个处于静止状态的参照系。这就是现在人们所说的伽利略相对性原理。

用现代语言来说，萨尔维阿蒂大船其实就是一种惯性参照系。一切彼此做匀速直线运动的惯性系，对于描写机械运动的力学规律来说是完全等价的，并不存在一个比其他惯性系更为优越的惯性系。在所有惯性系里物体运动遵从同样的物理规律。

伽利略发明的望远镜

四、伽利略天文望远镜

（一）望远镜的发明

1609年伽利略发明了人类历史上第一架用科学原理制造出来的天文望远镜，并用它观测地球之外的星球，人类从此踏上了探索宇宙的新征程。

需要提到的是，在介绍天文望远镜之前，我们应该了解一下望远镜的发明故事。1608年，荷兰眼镜商汉斯·利伯希在制造镜片时，发现凸透镜和凹透镜放在一起往外看时，远处东西就能变近。根据这一发现他制作了一种奇妙的“光管”，把远处物体放大，为此申请了专利，这就是人类第一架望远镜。

1609年，伽利略听说了此事后，思考将其运用到天体观测中。于是他通过数学计算来研究什么样的镜片、怎样组合在一起，效果最佳。

经过反复研究和试验，伽利略用风琴管和凸凹透镜各一片制成了一架望远镜。一根风琴管稍微细一点，正好套在另一根管子里，可自由滑动。

伽利略用他发明的望远镜观察神秘的宇宙

伽利略向公众介绍望远镜

这样，观察时就可自由调节，选择合适的距离。这架望远镜口径4.4厘米，长1.2米，放大率只有32倍，而且视野也较为狭窄。

伽利略发明望远镜后，邀请威尼斯参议员到塔楼顶层观看远景，观者无不惊喜万分。参议院随后决定聘请他为帕多瓦大学的终身教授。

（二）天文现象的观测

1610年初，伽利略将望远镜放大率提高到了33倍，用来观察月亮和星辰。伽利略使用自制望远镜观察到的天文现象，对科学史有很大影响。例如他观测得知，月球表面崎岖不平，不符合当时普遍认定的天体表面平坦的传统观念；银河并非单一天体，而是由无数星体组成；木星拥有4颗卫星等。在反复观测中，伽利略发现宇宙并非像地心说主张的那样，所有天体都围绕地球运行。当年3月，伽利略把他的天文发现通过《星体通报》向世界报道，引起知识界的震动。随后他又观测到金星盈亏与大小变化，这对日心说是一强有力的支持。

伽利略用自制的望远镜观察到的月球表面

伽利略的望远镜由凸透物镜和凹透目镜组成，这种望远镜称为伽利略式望远镜。1611年，德国天文学家开普勒出版了《天文光学》，阐述了望远镜原理，还把伽利略望远镜的凹透目镜改成凸透目镜，并为后来的天文学家所广泛采用，被称为开普勒式望远镜。从此人类开始了对宇宙更清晰的观测和认识。

五、“伽利略号”木星探测器

伽利略在许多方面都取得了杰出的成就。他探索自然的方法和精神最值得称道。他探索自然的显著特点是观测细心、推理分明，对各种自然现象非常好奇，而且他的科学洞察力、想象力以及分析能力都达到了极高的水平。后人将木星的4颗卫星都命名为“伽利略卫星”。

“伽利略号”木星探测器

为纪念伽利略这位科学上的拓荒者，美国国家航空航天局1989年10月发射的木星探测器被命名为“伽利略号”，它执行了木星探测计划。

“伽利略号”飞船造价近10亿美元，是美国制造的最精密的星际飞行器之一，整个发射计划耗资约15亿美元。飞船总重2550千克，具备核动力装置，内装22.7千克放射性铀238。飞船配备着摄像机、近红外勘测分光仪、磁强仪、测云仪、大气结构仪等17种科学仪器，用于对木星大气层构成、云层结构、温度、磁场等方面的勘测和研究。“伽利略号”发射后，不停地朝向太阳轨道飞行了2年，于1990年2月通过金星，于1990年12月以时速1.429万千米首次通过地球轨道，再以时速12.71万千米于1992年12月第二次通过地球轨道和地—月交会轨道，并“顺便”对它们都进行了红外观测。最后它以时速14.03万千米于1995年12月7日到达木星。它的轨道器在释放出探测器后，就成为木星的人造卫星，探测器则下降到木星表面，并及时地向地球连续地发回了各种宝贵的探测数据。使人类对这个距离地球非常遥远的星球第一次有了了解。

2003年，“伽利略号”撞击木星，结束了它的使命。

六、伽利略在科学史上的贡献与影响

伽利略除了发现单摆的等时性，提出相对性原理与自由落体运动定律外，还对固体材料的强度、空气的重量、潮汐现象、太阳黑子、月亮表面的隆起与凹陷等等问题进行了研究与分析。在研究方法上，这位科学大师提出了研究自然的新方法，为近代物理学的发展开辟了道路。伽利略在总结自己的科学研究方法时说：“这是第一次为新的方法打开了大门，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里，会博得许多人的重视。”他同时也注意严格的推理与数学的应用。

科学实验和数学工具的利用是伽利略开创的新的研究方法的两个主要方面，而实验验证是这种方法的核心。这是人类从观察到实验的历史性转变，从此物理学的发展也从定性阶段过渡到定量阶段，从而打开了进入科学殿堂尤其是经典物理学领域的大门。

伽利略一生和传统的错误观念进行了不屈不挠的斗争，他对待权威的态度也很值得我们学习，是留给后人的十分宝贵的精神财富。他说过：“老实说，我赞成亚里士多德的著作，并精心地加以研究。我只是责备那些使自己完全沦为他的奴隶的人，变得不管他讲什么都盲目地赞成，并把他的话一律当作毫不能违抗的圣旨一样，而不深究其他任何依据。”

实践馆：

1.在这一章节中，我们看到了文艺复兴时期科学的发展轨迹，了解了哥白尼、伽利略等伟大人物及他们的伟大事迹。同学们如若感兴趣，还可以到网上搜索文艺复兴时期的建筑、绘画，了解列奥纳多·达·芬奇、米开朗基罗和拉斐尔等该时期的伟大艺术家以及文艺复兴运动的影响等等，看看历史的足迹，感悟先辈们的智慧，开阔自己的知识面。

2.同学们也可以进入学校的实验室，亲自做个单摆的实验，体会伽利略发现单摆的等时性原理的过程。