伽利略和他的科学贡献

王渝生

中国科学院自然科学史研究所 研究员

(一)

伽利略(Galileo Galilei,1564—1642),意大利物理学家和天文学家。他开创了以观察和实验的事实为基础,并具有严密逻辑推理和数学表述形式的近代科学,因此被誉称为“近代科学之父”。

1564年2月15日,伽利略诞生于比萨一个布商的家里。他的父亲喜欢音乐,而他从小就酷爱机械、数学、诗画,喜欢做水磨、风车、船舶模型。然而父亲还是把他送到修道院学习哲学和宗教。

1581年,17岁的伽利略遵父命考入比萨大学学习医学,但他的兴趣还是在物理学和数学方面。他特别崇拜古希腊哲学家阿基米德。阿基米德的物理实验和数学推理相结合的方法使他深受感染,他深情地说: “阿基米德是我的老师。”

伽利略善于观察客观世界,发现事物运动的规律。他认为“运动的问题非常古老,而有意义的研究竟如此可怜”。所以,当他在比萨大教堂做礼拜时,看到悬挂在教室顶端的大吊灯在摆动,有时摆弧大一些,有时摆弧小一些,他就思考摆弧的大小与时间长短是否有关。在大吊灯有规律地摆动时,他利用自己脉搏的跳动,以及唱诗班音乐的节拍,计算不同摆弧摆动的时间,结果发现它们的时间是完全一样的。

伽利略并不满足于观察所得到的结论,他还要回到家里去做实验验证。

第一个实验: 他用两根同样长的线绳各系一个铅球做自由摆动,他把两个摆拉到偏离铅垂线不同的角度,例如30°和10°,然后同时放手。他看到这两个摆在同一时间间隔内摆动次数准确相等。第二个实验:他用两根长度不同的线绳各系上一个铅球做自由摆动,他把两个摆拉到偏离铅垂线相同的角度,然后放开,发现在同一时间间隔内短摆摆动的次数比长摆摆动的次数多,而且无论在大角度和小角度的情况下,多出的次数都相同。

通过以上两个实验,伽利略得出单摆的周期只与摆长有关而与振幅无关的结论。这年是1583年,伽利略只有19岁。他还利用单摆绳长的调节和标度自己做了第一件实用仪器——脉搏计。

1585年,21岁的伽利略因家庭生活困难不得不退学回家。他在佛罗伦萨担任家庭教师并努力自学。他从学习阿基米德《论浮体》和杠杆定律以及称金冠的故事中受到启发,把纯金、银的重量与体积列表后刻在秤上,利用它们比重的不同,在合金制品的称量时能快速读出金银的成色。这种“浮力天平”用于金银交易十分方便。1586年他的第一篇论文《天平》记述了这一杰作,这在当时引起轰动,伽利略被誉为“当代的阿基米德”,其时他年仅22岁。

(二)

1589年,25岁的伽利略又写了一篇论文《论固体的重心》,这使他获得了新的荣誉。他被母校比萨大学聘请为数学教授,在那里,他执教了3年。

比萨是意大利西部的古城,在阿尔诺河河口西岸,距利古里亚海仅10千米。比萨城有许多中世纪的古迹。著名的比萨斜塔始建于1174年,但直到1350年才最后完成。这是一座由白色大理石砌成、外观呈圆柱形的钟塔,直径约16米,高约55米,分为8层。因奠基不慎,致使塔身倾斜,成为斜塔。比萨斜塔和比萨大教堂及洗礼堂组成的建筑群,是意大利中世纪最重要的建筑群之一。比萨大学建于1343年,在伽利略时代,它同比萨斜塔一起已经经历了200多年的历史沧桑。

比萨斜塔的著名,不仅在于它的“斜”,还在于它建成240年后,身为比萨大学数学教授的伽利略,传说在它上面进行了一项亘古未有的自由落体实验。

事情源于年轻的伽利略对古希腊哲学家亚里士多德关于下落物体运动学说的怀疑。一向被奉为权威的亚里士多德认为,下落物体在下落过程中其速度保持不变,而且下落的速度同物体的重量成正比。

按照亚里士多德的学说,从同一高度上下落,重的物体将比轻的物体先落地。尽管这个结论看上去似乎合乎逻辑,并且上千年以来已经被人们所接受,但是如不进行实验,伽利略就不会接受亚里士多德的学说。伽利略说: “一个真理要成为真理,除非我们对可以测量的真理进行了测量,并使不能测量的真理能够测量。”

带着这样的信念,伽利略爬上比萨斜塔的塔顶。他把一个轻的木球和一个重得多的铁球,在塔顶同一高度水平处同时放手,发现它们几乎同时落地。他又把同样的木球和铁球用绳子拴在一起,同单个的木球和单个的铁球一起放手,发现三者也几乎同时落地。而按照亚里士多德的观点,它们应该是有明显的先后差别的——例如,5千克重的木球、10千克重的铁球,以及15千克重的木球和铁球,后者的速度分别是前者和中者的3倍和1.5倍,但事实并非如此。

不过,科学史家认为,伽利略从未在比萨斜塔上做过这个实验,这个故事是后人为了提高比萨城的知名度而杜撰的。但伽利略的确多次做过落体实验,又用实验证明物体在下落的过程中,速度一直在增加并具有相同的加速度,从而建立了落体定律,成为经典力学和实验物理学的先驱。

伽利略的一系列成就使他声名大噪。但他年轻气盛,锋芒毕露,因此得罪了保守的权贵们,使他最终在人身攻击和恶意中伤中不得不被迫辞职。

1592年,28岁的伽利略在帕多瓦大学谋到一个教授职位,再次登上讲坛。该校所在地属于威尼斯共和国管辖,学术气氛比较浓厚,思想比较自由。伽利略在这里安心工作达18年之久,进入他在物理学特别是力学研究的黄金时代,同时在天文学研究方面也崭露头角。

伽利略不仅发现了摆振动的等时性、自由落体定律,还发现了物体的惯性定律、抛体运动规律,并确定了力学相对性原理,即一切力学定律在不同惯性参考系中具有相同的形式。这一力学的基本原理后来被称为“伽利略相对性原理”,它是更为普遍的“爱因斯坦相对性原理”的一个特例,反映了人们在认识时间、空间和物质运动性质上的一个阶段,具有里程碑意义。

(三)

1604年10月,当伽利略正在完善他的力学论著时,一颗超新星出现在傍晚的天空,这使40岁的伽利略对天文学产生了兴趣。

伽利略发现,天文学一直依赖于精心细致的测量,而此前的物理学常常只有定性的描述,缺乏实验测量和数学归纳。从此,他更加把观察、实验、测量、数学作为他从事科学研究的基础。

1608年,荷兰一位眼镜匠的儿子在玩耍时偶然发现,透过两块眼镜镜片可以使远处的物体显得很近。眼镜匠根据这一现象,将两块镜片装在一根长管的两头,制成了最初的望远镜。

1609年7月,伽利略访问威尼斯时才得知这个消息。他当即认识到,一架这样的望远镜对于威尼斯的重要性并不亚于一支海军,因为利用它监视海上的入侵船只可以比训练有素的瞭望员用肉眼观察要好。伽利略立即从眼镜铺里买来凸镜片和凹镜片,制成可以放大两三倍的望远镜。1个月后,他制作的第2台望远镜已经可以放大七八倍了。

伽利略把这架望远镜安置在威尼斯最大的教堂,邀请当时的专家学者和贵族前往参观,新奇的科学创造获得人们极大的赞赏,当然也使那些在没有关好窗户的房间里洗浴的贵妇们产生了极大的惊恐。

经过伽利略的继续改进,第3架望远镜可以放大到20倍;到了1609年年底,他完成的第4架望远镜已经可以放大30倍了。从此,人们获得探索星空世界的强有力工具,人类的视线得以深向宇宙。

伽利略首先将望远镜对准月亮。在晴朗的夜空,他发现光亮圆美的月亮上竟然有平原、山脉和火山口。他高兴得难以自持,激动地绘出第一幅月面图。

1610年1月7日,伽利略将望远镜对准木星,发现有4个光点伴随木星运动,他很快便意识到这是木星的卫星。他断言,木卫绕木星运转,而木星又绕太阳公转,就如同月亮绕地球运转,而地球带着月亮又绕太阳公转一样。这一发现震动了整个欧洲,它为哥白尼学说找到了有力的证据,是哥白尼学说胜利的开端。

当伽利略把望远镜对准金星时,观测到金星也有成蛾眉月的形状,这使他感到十分惊讶。后来,他终于弄清这是金星位相的变化。内行星也存在位相变化这一观测事实,再次为哥白尼学说提供了令人信服的证据。

伽利略还观测到土星呈橄榄状,他认为这说明土星有卫星,后来的科学家才知道那是土星的光环。

伽利略斗胆将望远镜对准太阳,竟然发现太阳黑子在太阳圆面上的位置朝着一个方向连续变化,这说明太阳本身也具有类似于地球自转的旋转运动。

当伽利略把望远镜指向更遥远的星空时,发现天上星星的数目比肉眼看到的多得多;而从望远镜里看到的银河也不再是一条光带,是若干独立的小星。

伽利略把他在天文学上的这些发现,写成《星体通报》发表,并于1610年3月汇集成《星际使者》一书,在知识界引起极大反响。虽然当时大多数哲学家和天文学家声称那只是光学幻影,嘲笑他,甚至谴责他在作假。但开普勒等天文学家,通过使用望远镜进行天文观测,最终证实了伽利略的发现,也肯定了伽利略在开辟近代天文学中的重要作用。

(四)

1610年,46岁的伽利略离开他任教达18年之久的帕多瓦大学,移居佛罗伦萨,任托斯康大公爵的首席数学家兼哲学家(即物理学家),一直到1642年他去世时为止,整整32年。

在这期间,伽利略的研究重点从物理学转向天文学。他进行天文观测、编制星表,研究太阳黑子现象和潮汐理论,还在各种场合对各种学术团体宣讲哥白尼的日心学说,反对亚里士多德和托勒密的地心学说。

1616年,宗教法庭把哥白尼的《天体运行论》列为禁书,并警告伽利略必须放弃哥白尼学说,不得为它辩护,否则将被监禁。但是,伽利略并没有被吓倒,他用很长时间思考、分析、研究,最终写成著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》,于1632年正式出版发行。这是近代天文学三部最伟大的文献之一。另外两部是此前哥白尼的《天体运行论》(1543)和此后牛顿的《自然哲学之数学原理》(1687)。

《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》采用对话的形式,由两位分别代表托勒密地心说和哥白尼日心说的学者去争取无偏见的第三种力量。对话分四天进行。第一天以讨论亚里士多德对天上物质和元素物质的分类,以及它们相关的运动拉开序幕,讨论新的天文发现——主要是月球表面的地貌以及山脉和火山口光照的连续变化。第二天主要证明地球自转的假说,伽利略以运动的相对性和守恒性为依据。第三天谈到地球绕太阳公转,伽利略在这里做了动力学解释。第四天讨论潮汐,如果没有地球运动,除祈求发生奇迹外,再也没有别的办法可以解释大海周而复始的潮汐运动。

《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》于1632年3月出版,该年8月就被罗马宗教法庭下令停售,伽利略也被传受审。其实,这个结果伽利略早就预料到了,他在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中说:

“请各位神学家注意,在你们企图把关于太阳不动或地球不动的命题看成是关系到信仰的问题时,就存在着一种危险,即总有一天你们会把那些声称地球不动而太阳在改变位置的人判为异端。但是,终究有一天会被物理学或逻辑学证明:地球在运动,而太阳是静止的。”

(五)

伽利略于1633年2月到达罗马,3月12日开始接受审判。

请看审判者是怎样驳斥伽利略的观点的,这是当时的记录:

伽利略: “太阳是宇宙的中心。”

驳: “大家一致认为,根据《圣经》经文和神父、神学博士的解释,这个命题在哲学上是愚蠢的和荒谬的,它与《圣经》所表达的意见相抵触,因此在形式上是异端。”

伽利略: “地球既不是宇宙的中心,也不是不动的,而是做整体和周日运动。”

驳: “大家一致认为,这个命题在哲学上也是愚蠢的和荒谬的,考虑到神学的真实性,它在信仰上是错误的。”

天文学的问题不是从科学上,而是从哲学、宗教和信仰上受到责难,真是奇怪! 但也不奇怪,因为中世纪欧洲的神学统治,使科学成为神学的奴婢。1633年6月22日,年近七旬的伽利略在严刑审讯下被迫在“悔过书”上签字,他一边用颤抖的右手签字,一边喃喃地嘟囔道:“但是,地球仍然在转动。”

伽利略被判终身监禁。后来他被软禁在指定的住所。他的精神受到了很大的打击,但他的女儿鼓励他,写信对他说:

“不要说你的名字已从世人中消失,因为事实并非如此。你的名字无论是在你的祖国,还是在世界其他各国都是不可磨灭的。而且在我看来,如果你的名誉和声望一时受到损害,那么不久你就会享有更高的声誉。”

这使伽利略受到很大鼓舞。他在软禁中又开始进行科学写作,这次不是天文学,而是回到他早年感兴趣的物理学领域。

1638年,伽利略出版了《关于两门新科学的对话》,讨论了材料强度和运动定律这两个物理学的基本问题,并奠定了物质运动的数学基础。

当《关于两门新科学的对话》在荷兰出版时,伽利略已完全失明。对他而言,丧失视力是一种特殊的折磨,因为他不仅再不能读书或写作,而且再也不能观察宇宙和世界。他感伤地自述道:

“我再也看不到光明了,以致这天空、这大地、这由于我的惊人发现和清晰证明之后比以前智者所相信的世界扩大了千百倍的宇宙,对我来说,这时已变得如此狭小,只能留在我的感觉中了。”

1642年1月8日,78岁的伽利略因热病逝世。

几天以后,当年曾拒绝在伽利略判决书上签字的红衣主教巴贝里尼的管家霍尔斯特,在一封写给朋友的信中说:

“今天传来了伽利略去世的噩耗,这噩耗不仅会传遍佛罗伦萨,而且会传遍全世界。这位天才人物给我们这个世纪增添了光彩,这是几乎所有平凡的哲学家都无法比拟的。现在,嫉妒平息了,这位智者的伟大开始为人们所知,他的精神将引导子孙后代去追求真理。”

300多年后的1979年,罗马教皇约翰·保罗二世提出为伽利略恢复名誉,1980年由他任命的一个委员会承认当时宗教裁判对伽利略的判决是错误的。今天,为伽利略“平反”似乎是荒唐之举,但它表明了人类对于自身的反省。人们会从伽利略的命运中得到有益的启示。