近代物理学之父—伽利略

1/6伽利略近代物理学之父在近代科学的开创者行列里，伽利略最为突出，是他创造并示范了新的科学实验传统，以追究事物之量的数学关系为目标的研究纲领，以及将实验与数学相结合的科学方法．正是他的工作将近代物理学乃至近代科学引上了历史的舞台．伽利略·伽利莱1564年2月15日生于意大利的比萨，文艺复兴时期著名的艺术家米开朗其罗是在他出世后三天逝世的，这也许是文艺复兴由艺术转入科学的一种征兆．伽利略是他的名字，据说将姓氏略作变化作为长子的姓名是当地的一个风俗．伽利略的父亲文森西奥·伽利莱是当时一位著名的音乐家和数学家，他的学术研究对伽利略有很大的影响，但他希望儿子学医而不是数学，因为这样会有一个好的收入．1581年，伽利略被送进比萨大学学习医学，1583年，由于听了几次关于欧几里德几何学的演讲，伽利略很快对数学着迷，他执意不学习医学，结果未取得学位就于1585年离开了比萨大学．伽利略倾心研究欧几里德几何学和阿基米德的物理学，很快声名远扬，朋友们都称他为“新时代的阿基米德”．1589年，伽利略获得了比萨大学数学教授的职位，三年后，转到帕多瓦大学，在这里度过了十八年比较稳定的生活，1610年又回到佛罗伦萨，继续从事他的物理学和天文学研究．由于望远镜的使用，使伽利略明确表示赞同哥白尼体系，结果引起麻烦．1624至1630年间，伽利略断断续续地写作他的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，该书出版也颇费周折，最终于1632年问世，但很快就遭到罗马教会的传讯．1633年，教会因该对话判处他终身监禁，此后一直受监视住在佛罗伦萨城外阿切特里的一幢别墅里，在这里，伽利略继续他的力学研究．从1634年开始，他致力于撰写另一部著作——《两门新科学》，书稿于1637年最终完成后，找不到地方出版，因为罗马教廷裁决任何人不得出版伽利略的任何著作．最后，在朋友们的帮助下，该书于1638年在荷兰的莱顿出版．此时的伽利略已经双目失明，一位青年数学家维维安尼来到伽利略的别墅，为他处理日常事务，并记录了伽利略口述的一些生平佚事．1642年1月9日，伽利略在阿切特里的别墅里安然去世．次年牛顿出生．伽利略1610年以前的早期工作主要是有关动力学的．可能是受父亲的影响，伽利略对物理实验十分着迷．传说他还是比萨大学的医科学生的时候，有一次在教堂里做礼拜，一盏吊灯的晃动引起了他的注意，因为有风，吊灯时而摆动幅度2/6大一些，时而小一些，但是他发现，不管摆动幅度是大是小，摆动一次的时间总是相等的．当时还没有钟表之类的计时工具，伽利略用自己的脉博计时验证了自己的发现，回到家后，他又亲自动手做了两个长度一样的摆，让一个摆幅大一些，另一个小一些，结果极为准确地证实了这个发现．这个传说一般来说是靠不住的，已经考证出，比萨教堂的这盏灯是1587年制造的，而此时伽利略已经离开了比萨．但是，在1602年的一封信中，伽利略的确提到过单摆实验．在以后的研究生涯中，伽利略一直保持着对实验的兴趣，他自己设计了不少科学仪器，其中包括测温器（1593年）、比重秤（1586年），望远镜当然是其中最为重要的．还是一个比萨大学学生的时候，伽利略就对亚里士多德的运动理论深表怀疑．亚里士多德认为，在落体运动中，重的物体先于轻的物体落到地面，而且速度与重量成正比．这种看法在经验中确实可以找到证据，比如一根羽毛就比一块石头后落到地面，但是也不难找到反例，比如一个同样大小的铁球和木球从等高处下落，几乎无法区分哪一个先落下．伽利略晚年的学生维维安尼曾经在他写的伽利略传记中提到，伽利略在比萨斜塔上做过落体实验，证实了所有物体均同时下落，这成了这一著名历史传闻的根源．但历史学家考证，没有任何理由表明伽利略做过这一实验，因为伽利略本人从未提起过．但是此前类似的实验已有人做过，1586年，荷兰物理学家斯台文用两个大小不同重量比为1比10的铅球，让它们从高30英尺的高度下落，结果两者几乎同时落在地面上的木板上，围观者可以清晰地听到两个铅球撞击木板时发出的声音．伽利略后来听说了这一实验，可能也亲自动手做过，但这种实验由于有空气阻力不太准确，而且真的做起来，结果不一定对伽利略有利．事实是，一位亚里士多德派的物理学家为了反驳伽利略，真的于1612年在比萨斜塔做了一个实验，结果表明，相同材料但重量不同的物体并不是在同一时刻到达地面的，伽利略在《两门新科学》中对此有一个辨护，意思是说，重量1比10的两个物体下落时只差很小的距离，可是亚里士多德却说差10倍，为什么忽视亚里士多德如此重大的失误却盯住我小小的误差不放呢？这就表明伽利略并没有在比萨斜塔上做过传说的那个著名的判决性实验．解释摆的等时性是伽利略设计斜面实验的一个主要的动机，为什么不论摆幅多大，摆动一个周期的时间总是相等的，是什么使得它自动调节自己的速度？这真是一个令人着迷的问题．伽利略敏锐地感觉到单摆问题与自由落体问题有内在的联系，它们都是由于物体的重量造成的．他首先想到将单摆问题化为斜面问题，3/6这相当于将摆弧的曲线化为斜面的直线来处理，斜面的倾角越大相当于摆幅越大，而斜面的倾角达到90度时，物体就成了自由落体．从1602年开始，伽利略着手研究这些相关的运动问题．1604年，伽利略设计了斜面实验，经过许多次努力之后，终于探清了在斜面上滚动的铜球的运动情况．他所面临的困难主要是没有准确的计时装置，先是用脉搏，再是用音乐节拍，最后用水钟．他先发现球滚过全程四分之一所花的时间，正是滚过全程所花时间的一半，最后更为精确地知道，在斜面上下落物体的下落距离同所用时间的平方成正比，这就是著名的落体定律．这个定律表明，落体下落的时间与物体重量无关．伽利略面临的另一个更为主要的困难是概念上的，当时人们连速度的定量定义都没有．起初，伽利略虽然发现了落体定律但还是错误地以为速度与距离成正比，直到后来才认识到速度与时间成正比．因此，对伽利略来说，必须首先建立匀速运动和匀加速运动的定量概念．在《两门新科学》中，这样的概念终于以公理的形式被创造出来了：“匀速运动是指运动质点在任何相等的时间间隔里经过的距离也相等．”“匀加速运动是指运动质点在相等的时间间隔里获得相等的速率增量”．有了这两个新的概念，从斜面实验中可以获得更多的教益．当铜球从斜面上滚下后继续延着桌面滚动，这时斜度为零重力的作用为零，不再有加速度，球就会永远保持它的匀速运动．这意味着，外力并不是维持运动状态的原因，而只是改变运动状态的原因，这是对亚里士多德运动观念的重大变革．牛顿后来将之概括为运动第一和第二定律．有了匀速运动和匀加速运动的概念，解释抛物体的运动就变得极为容易．此前人们都相信，抛射体在发射后沿直线运动，等到推力耗尽才垂直下落．伽利略引入了合成速度的概念，将抛物运动分解为水平的匀速运动和垂直方向的匀加速运动，证明了意大利数学家塔尔塔利亚（1499�1557年）早期的一个发现：抛物体的仰角为45度时，射程最远．伽利略在力学上的一系列开创性工作，使他在捍卫哥白尼学说方面处于一个十分优越的位置．实际上，伽利略早期并不是一个哥白尼学说的信奉者（据他与开普勒的通信讲，他直到1597年才相信哥白尼理论，但即使从这时起他也对哥白尼体系保持很久的沉默），但他一直是亚里士多德自然哲学理论包括宇宙理论的怀疑和反对者．1604年10月，天空出现了一颗超新星，亚里士多德派的自然哲学家们还是辩解说，这颗新星是某种静止的、没有彗尾的彗星，而彗星只是月4/6下天的大气现象，而不是天界的变化，因为按照亚里士多德的理论，天界是纯净、没有变化的．实际上，早在1572年第谷就已经证明当时出现的一颗新星是一颗恒星．这一次，伽利略又以精确的测量证明它不是月下天的物体，而确实是一颗恒星，结果引起了与哲学家们的争论．1608年，荷兰的眼镜匠利帕希（1570�1619年）造出了第一架望远镜．事情是极为偶然的，他的一个学徒没事干时拿两个透镜片在眼前对着看，结果发现远处的物体变得近在眼前而且清晰，学徒将这件怪事告诉了利帕希，利帕希经试验证明确实有这种效果，他就将两个透镜片装在筒里，制成了人类历史上第一架望远镜．他将这架望远镜卖给了荷兰政府，荷兰政府意识到这种新玩意儿在战争中可能会有用途，故而保密，但消息还是传出去了．第二年（1609年），伽利略就从荷兰的朋友那里知道了这种新仪器，他立即动手制作了一架，并且不断改进，于12月造出一架放大20倍的望远镜．用这架望远镜，伽利略首先发现了月亮上的山脉和火山口，次年（1610年）1月，又发现了木星的四颗卫星．这一发现对于支持哥白尼学说具有重大的意义．托勒密学说的维护者们有一个很强的理由，他们说只有地球才可能有天体绕着转动，因为这些天体是地球的仆从．3月，伽利略将他的新发现写成了《星界的报告》一书，在书中报告了他用望远镜观察到的新天象：月亮并不像亚里士多德所说的那样完美无缺；木星有四颗卫星，它们绕木星而不是绕地球转动；银河是由大量恒星组成的．《星界的报告》在知识界引起了巨大的反响，人们争相传诵：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙．”哥白尼学说一下子深入人心．但大多数传统的哲学家和天文学家对望远镜里的看到的现象持嘲笑的态度，认为那是伽利略弄虚作假，许多顽固的学者甚至拒绝用望远镜看天空．只有开普勒例外，他当时是德国皇家天文学家，公开撰文承认伽利略的发现是真实的．此后，他使用伽利略送来的望远镜亲自进行了观察，再一次写文章证实木星卫星的存在．当时伽利略与开普勒一直有友好的通信关系，在一封信中，伽利略这样写道：“哦，我亲爱的开普勒，我多么希望我们能在一起开怀大笑！在帕多瓦这地方，有一位重要的哲学教授，我一再急切地请求他用我的望远镜看看月亮和行星，他固执地拒绝了．为什么你不在这里？对这种极顶的傻事我们将笑痛肚子！要是听听比萨的这个哲学教授在大众面前所作的逻辑论证，似乎是魔术的符咒变出了天空中的新行星．”5/61612年，伽利略用望远镜观察太阳，发现了太阳黑子，并且从黑子的缓慢移动推断太阳是在自转，周期为25天．次年，他将这些发现写在《关于太阳黑子的信札》一书中，书中还谈到了木星卫星的食问题．由于这些新的天文发现，使伽利略陷入长期的论战之中，教会的介入使他面临更大的压力．1616年，伽利略一本依据地球运动论述潮汐成因的书被教会谴责．书中，他明确主张太阳是宇宙的中心，而地球作周日和周年运动．宗教法庭委托的一个委员会裁决说：“大家一致认为，根据《圣经》经文和神父、神学博士的一般解释，‘太阳是宇宙的中心’这个命题在哲学上是愚蠢和荒谬的，它在许多地方与《圣经》所表达的意见相抵触，因此在形式上是异端；大家一致认为：‘地球既非宇宙中心也非不动，而是作周日和周年运动．’这个命题在哲学上也是愚蠢和荒谬的，考虑到神学的真实性，它至少在信仰上是错误的．”教会让贝拉明主教转告伽利略不得再坚持、辩护或讲授这些观点，否则，教会将公开勒令他不得如此．1623年，伽利略发表《试金者》一书，对当时学术界的治学态度和方法作了入木三分的评论，他批评了以权威而不是事实作为最终论据的作法．此外，他更发表了近代自然数学化运动的宣言，阐述了近代机械自然观的基本立场：“哲学被写在宇宙这部永远在我们眼前打开着的大书上，我们只有学会并熟悉它的书写语言和符号以后，才能读懂这本书．它是用数学语言写成的，字母是三角形、圆以及其它几何图形，没有这些，人类连一个字也读不懂．”1624年，乌尔班八世当上了教皇，由于他是佛罗伦萨人而且对伽利略比较赞赏，所以伽利略拜访了他．乌尔班八世表示，只要说明地球运动只是一个资用假设，并无物理根据，运用它来解释一些现象还是可以的．听信了新教皇的话，伽利略开始撰写他的新著，历时六年直到1630年终于完成．伽利略原来准备将之命名为“关于潮汐的对话”，但教会反对，因为这强调了对地球运动进行物理学论证，所以最后改名为《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》．这部科学史上伟大的著作采用对话体，因为当时对话体被广泛用于对普通民众进行教育的书籍中．此外，如果其中的观点受到谴责，作者也可以为自己开脱．书是用生动的意大利文写的，为的是使更多的意大利人读懂而不只是为拉丁学者而写