人物生平
伽利略(Galileo Galilei,1564年2月15日—1642年1月8日)。義大利
數學家、
物理學家和
天文學家,近代實驗科學的奠基者之一。生於
比薩(義大利中西部城市),卒於阿切特里(義大利一城市)。伽利略家族姓伽利萊(Galilei),他的全名是
Galileo Galilei,但現已通行稱呼他的名“伽利略”(Galileo),而不稱呼他的姓。
伽利略出身於沒落的貴族家庭。他父親芬琴齊奧·伽利萊(Vincenzio Galilei 1520—1591)精通
音樂理論和
聲學,著有《音樂對話》一書。
伽利略1572年開始上學。
1581年伽利略17歲時,在
比薩大學學醫,但他感興趣的是
數學、
物理和
儀器製造。以數學和物理見長,因善於辯論而聞名全校。
1585年因家貧退學,擔任家庭教師,仍奮力自學,專心研究古代希臘人的科學著作。他發明了測定
合金成分的
流體靜力學天平。
1586年寫出論文《天平》。這項成就引起全國
學術界的注意,人們稱他為“當代的
阿基米德”。
1589年寫了一篇論固體的
重心的論文,獲得新的榮譽。比薩大學因此聘他擔任數學教授,時年僅25歲。講授
幾何學和
天文學。
此後,他的生活經歷了三個時期:在比薩大學任教三年(1589—1591年);在
帕多瓦大學任教十八年(1592—1610年);自1610年起,至1642年去世為止,移居佛羅倫斯,任托斯康大公爵的首席
哲學家和數學家。1591年父親病逝,1592—1610因家庭經濟負擔到
威尼斯的帕多瓦大學任教。1609年回佛羅倫斯。1610年起移居佛羅倫斯,中間曾兩次去羅馬:1611年去表演他的
望遠鏡;1633年去宗教法庭受審。他在
力學上的貢獻主要在前兩個時期,而天文學上的發現和對
哥白尼學說的宣傳和發展則在第三時期。
1633年以“反對教皇、宣揚邪學”被
羅馬宗教裁判所判處終生監禁。被宗教法庭定罪以後,早年的
力學研究再次成為他的主要工作。
1638年以後,雙目逐漸失明,晚景淒涼。
1642年1月8日伽利略去世。三百多年後,1979年11月10日,羅馬教皇不得不在公開集會上宣布:1633年對伽利略的宣判是不公正的。1980年10月又提出重審這一案件,並在羅馬組成一個包括不同
宗教信仰的世界著名
科學家委員會來研究伽利略案件的始末,研究科學同宗教的關係,研究伽利略學說的科學價值及其對現代科學思想的貢獻。
早年活動
伽利略自幼受父親的影響,對音樂、
詩歌、
繪畫以及
機械興趣極濃;也像他父親一樣,不迷信
權威。17歲時遵從父命進比薩大學學醫,可是對
醫學他感到枯燥無味,而在課外聽著名
學者O.
里奇講
歐幾里得幾何學和阿基米德
靜力學,感到濃厚興趣。伽利略孜孜不倦地學習數學、
物理學等
自然科學,並且以懷疑的眼光看待那些自古以來被人們奉為經典的學說。
1587年他帶著關於
固體重心計算法的論文到羅馬大學求見著名數學家和曆法家C.
克拉維烏斯教授,大受稱讚和鼓勵。克拉維烏斯回贈他羅馬大學教授P.
瓦拉的
邏輯學講義與
自然哲學講義,這對於他以後的工作大有幫助。
1588年他在佛羅倫斯研究院做了關於
但丁《
神曲》中
煉獄圖形構想的
學術演講,其
文學與數學才華大受人們讚揚。次年發表了關於幾種固體
重心計算法的論文,其中包括若干靜力學新
定理。由於有這些成就,當年比薩大學便聘請他任教,第二年發現了
擺線。
帕多瓦時期
1592年伽利略轉到
帕多瓦大學任教。帕多瓦屬於威尼斯
公國,遠離
羅馬,不受教廷直接控制,學術思想比較自由。在此良好氣氛中,他經常參加校內外各種
學術文化活動,與具有各種思想觀點的同事論辯。此時他一面吸取前輩如N.
塔爾塔利亞、G.貝內代蒂、F.科門迪諾等人的數學與
力學研究成果,一面經常考察
工廠、
作坊、
礦井和各項軍用民用
工程,廣泛結交各行各業的
技術員工,幫他們解決技術難題,從中吸取生產技術
知識和各種新
經驗,並得到啟發。
1604年天空出現
超新星,亮光持續18個月之久。他便趁機在威尼斯作幾次
科普演講,宣傳哥白尼學說。由於講得精采動聽,聽眾逐次增多,最後達千餘人。
1609年7月,盛傳一
荷蘭眼鏡工人發明了供人玩賞的望遠鏡。他未見到實物,思考竟日後,用風琴管和凸凹透鏡各一片製成一具望遠鏡,
倍率為3,後又提高到9。他邀請威尼斯
參議員到塔樓頂層用望遠鏡觀看遠景,觀者無不驚喜萬分。參議院隨後決定其為帕多瓦大學的
終身教授。1610年初,他又將望遠鏡放大率提高到33,用來觀察
日月星辰,新發現甚多,如
月球表面高低不平,月球與其他行星所發的光都是
太陽的
反射光,
木星有4顆衛星,
銀河原是無數發光體的總匯,
土星有多變的
橢圓外形等等,開闢了
天文學的新天地。是年3月,出版了他的《星空信使》一書,震撼全歐。隨後又發現
金星盈虧與大小變化,這對
日心說是一強有力的支持。
伽利略日後回顧在帕多瓦的18年時,認為這是他一生中工作最開展、精神最舒暢的時期。事實上,這也是他一生中學術成就最多的時期。
托斯卡納時期
20年來伽利略在物理學和天文學研究上的豐碩成果,激起了他學術上的更大企求。為了取得充裕時間致力於
科學研究,1610年春,他辭去大學教職,接受
托斯卡納公國大公聘請,擔任
宮廷首席數學家和哲學家的閒職與比薩大學首席數學教授的榮譽職位。
為了使科學免受教會幹預,伽利略曾多次去羅馬活動。1611年他第二次去羅馬,目的在於贏得
宗教、
政治與
學術界認可他在天文學上的發現。他在羅馬受到包括
教皇保羅五世和若干高級
主教在內的上層人物的熱情接待,並被林賽
研究院接納為院士。當時
耶穌會的
神父們承認他的觀測事實,只是不同意他的
解釋。這年5月,在
羅馬大學的大會上,幾個高職位的神父公開宣布了伽利略的天文學成就。
同年,他觀察到
太陽黑子及其運動,對比黑子的運動
規律和
圓運動的
投影原理,論證了太陽黑子是在太陽表面上;他還發現了太陽有
自轉。1613年他發表了3篇討論太陽黑子問題的通信稿。另外,1612年他又出版了《水中浮體對話集》一書。
1615年,一詭詐的教士集團和教會中許多與伽利略敵對的人聯合攻擊伽利略為哥白尼學說辯護的論點,控告他違反
基督教義。他聞訊後,於是年冬第三次去羅馬,力圖挽回自己的聲譽,企求教廷不因自己保持
哥白尼觀點而受到懲處,也不公開壓制他宣傳哥白尼學說,教廷默認了前一要求,但拒絕了後者。教皇保羅五世在1616年下達了著名的“1616年禁令”,禁止他以口頭的或文字的形式保持、傳授或捍衛日心說。
1624年,他第四次去羅馬,希望故友新任教皇烏爾邦八世能夠同情並理解他的意願,以維護新興科學的生機。他先後謁見6次,力圖說明日心說可以與
基督教教義相協調,說“
聖經是教人如何進
天國,而不是教人知道
天體是如何
運轉的”;並且試圖以此說服一些
大主教,但毫無效果。烏爾邦八世堅持“1616年禁令”不變;只允許他寫一部同時介紹日心說和
地心說的書,但對兩種學說的態度不得有所偏倚,而且都要寫成數學假設性的。在這辛勤奔波的一年裡,他研製成了一台顯微鏡,“可將蒼蠅放大成母雞一般。”
此後6年間,他撰寫了《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系對話》一書。1630年他第5次到羅馬,取得了此書的“出版許可證”。此書終於在1632年出版了。此書在表面上保持中立,但實際上卻為
哥白尼體系辯護,並多處對教皇和
主教隱含嘲諷,遠遠超出了僅以數學假設進行討論的範圍。全書筆調詼諧,在義大利
文學史上列為文學名著。
晚年生活
《對話》出版後6個月,
羅馬教廷便勒令停止出售,認為作者公然違背“1616年禁令”,問題嚴重,亟待審查。原來有人在教皇烏爾邦八世面前挑撥說伽利略在《對話》中,借頭腦簡單、思想守舊的辛普利邱之口以教皇慣用辭句,發表了一些可笑的錯誤言論,使他大為震怒。曾支持他當上教皇的
集團激烈地主張要嚴懲伽利略,而
神聖羅馬帝國和
西班牙王國認為如縱容伽利略會對各國國內的異端思想產生重大影響,提出聯合警告。在這些內外壓力和挑撥下,教皇便不顧舊交,於這年秋發出要伽利略到羅馬宗教裁判所受審的
指令。
年近七旬而又體弱多病的伽利略被迫在寒冬季節抱病前往羅馬,在嚴刑威脅下被審訊了三次,根本不容申辯。幾經折磨,終於在 1633年6月22日在
聖瑪麗亞修女院的大廳上由10名
樞機主教聯席宣判,主要罪名是違背“1616年禁令”和
聖經教義。伽利略被迫跪在冰冷的石板地上,在教廷已寫好的“
悔過書”上籤字。主審官宣布:判處伽利略終身監禁;《對話》必須焚絕,並且禁止
出版或
重印他的其他
著作。此判決書立即通報整個
天主教世界,凡是設有大學的
城市均須聚眾宣讀,藉此以一儆百。
伽利略既是勤奮的科學家,又是虔誠的
天主教徒,深信科學家的任務是探索
自然規律,而教會的職能是管理人們的
靈魂,不應互相侵犯。所以他受審之前不想逃脫,受審之時也不公開反抗,而是始終服從教廷的處置。他認為教廷在神學範圍之外行使
權力極不明智,但只能私下有所不滿。顯然,
布魯諾的被處火刑和T.
康帕內拉的被長期打入死牢,這兩位義大利傑出的哲學家的遭遇,給他精神上投下了可怕的陰影。
宗教裁判所的判決隨後又改為在家
軟禁,指定由他的學生和故友A.皮柯羅米尼大主教在
錫耶納的私宅中看管他,規定禁止會客,每天書寫材料均需上繳等。在皮柯羅米尼的精心護理和鼓勵下,伽利略重行振作起來,接受皮柯羅米尼的建議繼續研究無爭議的
物理學問題。於是他仍用《對話》中的三個對話人物,以對話體裁,和較樸素的文筆,將他最成熟的
科學思想和
科研成果撰寫成《關於兩門
新科學的對話與
數學證明對話集》。兩門新科學是指
材料力學(見
彈性力學)和
動力學。這部書稿1636年就已完成,由於教會禁止出版他的任何著作,他只好托一位威尼斯友人秘密攜出國境,1638年在
荷蘭萊頓出版。
伽利略在皮柯羅米尼家中剛過了5個月,便有人寫匿名信向教廷控告皮柯羅米尼厚待伽利略。教廷乃勒令伽利略於當年12月遷往佛羅倫斯附近的阿切特里的故居,由他的大女兒維姬尼亞照料,禁例依舊。她對父親照料妥貼,但4個月後竟先於父親病故。
伽利略多次要求外出治病,均未獲準。1637年雙目失明。次年才獲準住在其子家中。在這期間探望除
托斯卡納大公外,還有
英國著名詩人、
政論家J.
彌爾頓和
法國科學家、
哲學家P.伽桑迪。他的學生和老友B.卡斯泰里還和他討論過利用
木衛星計算地面經度的問題。這時教廷對他的限制和監視已明顯放鬆了。
1639年夏,伽利略獲準接受聰慧好學的18歲青年V.
維維亞尼為他的最後一名學生,並可在他身邊照料,這位青年使他非常滿意。1641年10月卡斯泰里又介紹自己的學生和過去的秘書E.
托里拆利前往陪伴。他們和這位雙目失明的老科學家共同討論如何套用擺的
等時性設計
機械鐘,還討論過
碰撞理論、
月球的
天平動、
大氣壓下礦井水柱高度等問題,因此,直到臨終前他仍在從事
科學研究。
伽利略於1642年1月8日病逝,葬儀草率簡陋,直到下一
世紀,遺骨才遷到家鄉的大教堂。為了紀念伽利略發明
折射式望遠鏡400周年,
聯合國將2009年定為
國際天文年。
主要貢獻
力學
伽利略是第一個把實驗引進力學的科學家,他利用實驗和數學相結合的方法確定了一些重要的力學定律。1582年前後,他經過長久的實驗觀察和數學推算,得到了擺的等時性定律,接著在1585年因家庭經濟困難輟學。離開比薩大學期間,他深入研究古希臘學者歐幾里得,阿基米德等人的著作。他根據槓桿原理和浮力原理寫出了第一篇題為《天平》的論文。不久又寫了論文《論重力》,第一次揭示了重力和重心的實質並給出準確的數學表達式,因此聲名大振。與此同時,他對亞里士多德的許多觀點提出質疑。
在
歷史上伽利略是最早對
動力學作了
定量研究的人。1589—1591年,他對物體的
自由下落運動作了細緻的
觀察,從實驗和
理論上否定了統治兩千年的亞里士多德的落體運動觀點(重物比輕物下落快),指出如忽略
空氣阻力,
重量不同的物體在下落時同時落地,物體下落的速度和它的重量無關。根據伽利略晚年的學生V.
維維亞尼的記載,
落體實驗是在
比薩斜塔上進行的,但這件事在伽利略著作中沒有記錄,因而較普遍認為此事不可靠。有歷史記載的第一個完成這類試驗的人是
斯台文,在《
自然科學史》中記載,
荷蘭人斯台文在1586年使用2個重量不同的鉛球完成了這個試驗,並證明了亞里士多德的理論是錯誤的。在斯台文試驗的幾個
世紀以後,
阿波羅15號的
太空人大衛·斯科特1971年8月2日在無空氣月球
表面上使用一把錘子和一根羽毛重複了這個試驗,證明且讓地球上的
電視觀眾親眼看到了兩個物體同時掉落在月球表面上。
伽利略對運動基本
概念,包括
重心、速度、加速度等都作了詳盡研究並給出了嚴格的數學表達式。尤其是加速度概念的提出,在
力學史上是一個
里程碑。有了加速度的概念,力學中的動力學部分才能建立在
科學基礎之上,而在伽利略之前,只有靜力學部分有定量的描述。伽利略還對物體在斜面上的運動,拋射體的運動等作過實驗和觀察。在這些研究基礎上他提出了加速度的概念及其數學表達式。他曾非正式地提出
慣性定律和物體在外力作用下
運動的
規律,提出運動
相對性原理(現稱伽利略相對性)。相對性原理是為答覆對
哥白尼體系的責難而提出的,但原理的意義遠不止於此,它第一次提出
慣性參考系(
慣性系)的概念,被愛因斯坦稱為伽利略相對性原理,是
狹義相對論的先導。這些為牛頓正式提出運動第一、
第二定律奠定了基礎。伽利略還提出過
合力定律,
拋射體運動規律。在
經典力學的建立上伽利略可以說是牛頓的先驅。
伽利略對擺的運動作過長期的觀察和研究。在後來的研究中指出單擺的周期和擺長度的平方根成正比。這一
規律為後來
計時機構(
擺鐘)的設計提供了根據。1641年,已失明的他,讓兒子為他繪製了擺鐘
設計圖。
伽利略在力學方面的貢獻是多方面的。這在他晚年寫出的力學著作《關於兩門新科學的談話和數學證明》中有詳細的描述。在這本不朽著作中,除動力學外,還有不少關於材料力學的內容。例如,他闡述了關於
梁的
彎曲試驗和理論
分析,正確地斷定梁的抗彎能力和幾何尺寸的力學相似關係。他指出,對長度相似的圓柱形梁,抗彎力矩和
半徑立方成
比例。他還分析過受集中
載荷的
簡支梁,正確指出最大
彎矩在
載荷下,且與它到兩
支點的
距離之積成比例。伽利略還對梁彎曲理論用於實踐所應注意的問題進行了分析,指出
工程結構的尺寸不能過大,因為它們會在自身重量作用下發生破壞。他根據實驗得出,動物形體尺寸減小時,軀體的
強度並不按比例減小。他還把這種關係用來說明為什麼體格大的動物在負擔自身重量方面不如體格小的動物,寫道:“一隻小狗也許可以在它的背上馱兩三隻小狗,但我相信一匹馬也許連一匹和它同樣大小的馬也馱不起。”
伽利略在被監禁期間把他在力學方面的成就用三人談話的形式寫成《兩門新科學的談話》一書(1638年出版)。
天文學
伽利略是利用望遠鏡觀測
天體取得大量成果的第一位
科學家。1609年,伽利略在知道荷蘭人已有了
望遠鏡後,伽利略創製了
天文望遠鏡(後被稱為
伽利略望遠鏡),並用來觀測
天體,發現許多前所未知的
天文現象。他發現所見
恆星的數目隨著望遠鏡
倍率的增大而增加;
銀河是由無數單個的
恆星組成的;
月球表面有崎嶇不平的現象(親手繪製了第一幅
月面圖),
金星的盈虧現象;
木星有四個
衛星(其實是眾多木衛中的最大的四個,現稱
伽利略衛星)。他還發現
太陽黑子,並且認為黑子是日面上的現象。由黑子在日面上的
自轉周期,他得出太陽的自轉周期為28天(實際上是27.35天)。1637年在目力很差情況下,他還發現了
月亮的周日和周月
天平動。這些發現開闢了天文學的新時代。
伽利略第一個用望遠鏡觀察到
土星光環、太陽黑子、月球山嶺、
金星和
水星的盈虧現象、
木星的
衛星和金星的
周相等現象,並從實驗中總結出
自由落體定律、慣性定律和伽利略相對性原理等。從而推翻了亞里士多德物理學的許多臆斷,奠定了經典力學的基礎,反駁了
托勒密的
地心體系,有力地支持了哥白尼的日心學說。
這一系列
天文發現轟動了當時的
歐洲,伽利略在介紹他新發現的兩本書《
星際使者》(1610)和《關於太陽黑子的書信》(1613)中,都主張哥白尼的
日心說。伽利略以觀測到的事實,推動了哥白尼學說的傳播。當時的義大利仍處於教會的嚴酷統治之下,許多人不肯承認同《聖經》和亞里士多德著作相違背的新思想、
新事物。1613年,哥白尼的《
天體運行論》被宗教法庭列為禁書,伽利略也受到警告,要他放棄哥白尼學說。伽利略沒有接受警告,繼續寫作,1632年他的《兩大世界體系的對話》出版,激怒了
教會。宗教法庭把伽利略傳到
法庭,並宣判他有罪,並責令他懺悔,放棄自己
證明了的學說,禁止《對話》流傳。1633年被判處終生監禁,指定居住於佛羅倫斯效區。他在生命的最後幾年裡仍努力研究。1634年寫成一本力學著作——《關於兩門新科學的談話和數學證明》。
實驗科學
無論在動力學、梁的彎曲或者是天文學的研究中,伽利略十分重視
觀察和實驗的作用。他又善於在觀測結果的基礎上提出
假設,運用
數學工具進行
演繹推理,看是否符合於實驗或觀察結果。如在
自由落體的實驗中,他讓水滴相繼地從同處下落,每兩滴時間間隔相同。他觀察到任何時刻相繼兩滴間的距離成
等差級數。他運用數學中的
拋物線性質,得出下落距離和時間成平方關係。值得注意的是,他對理論
推導也很
嚴謹。儘管拋物線的性質早在
古希臘那裡已有了解,現存的伽利略手稿表明,他把拋物線的
公式又從頭推算了一遍。
實驗和觀測要
精確,就離不開
測量儀器。伽利略往往親自設計製造儀器。除了上述望遠鏡外,他設計和製造的儀器有流體靜力秤、
比例規、溫度計、擺式脈搏計等。
從伽利略開始的
科學研究中,首先在力學的研究中,
科學實驗被放到重要的地位。從伽利略開始的實驗科學,是
近代自然科學的開始。伽利略的主要著作有:《關於兩大世界體系的對話》(1632)和《關於兩門新科學的對話》(1638)。
哲學
伽利略一生堅持與教會的
經院哲學作鬥爭,主張用
具體的實驗來認識
自然規律,認為實驗是理論知識的源泉。他不承認世界上有
絕對真理和掌握
真理的絕對權威,反對迷信盲從。他承認物質的
客觀性、
多樣性和
宇宙的無限性,這些觀點對
現代哲學具有重要的意義。但由於歷史的局限性,他強調只有可歸納為數量特徵的物質屬性才是
客觀存在的。伽利略因為支持日心說受到監禁後,“放棄”了日心說。他說,“考慮到種種阻礙,
兩點之間最短的不一定是
直線”,這一觀點非常具有
現代性。正是因為有這樣的思想,暫時的放棄換得永遠的支持,沒有遭到布魯諾的命運,卻可以為科學繼續貢獻力量。
新思想和方法
數學—實驗方法
古希臘在物理學說方面有兩大
學派,一派以
哲學家亞里士多德為代表,另一派則以
自然科學家阿基米德為代表。兩人皆是古代希臘著名的學者,由於兩人的
觀點和
方法不同,科學
結論各異,形成了鮮明的對立。亞里士多德學派的觀點是憑主觀臆斷的推理方法作結論,充斥著
謬誤。
阿基米德學派的觀點完全依靠科學實踐
方法得出結論。
從11世紀起,在
基督教會的扶持下,亞里士多德的著作得到了
經院哲學家的重視,他們排斥阿基米德的物理學,把亞里士多德的物理學奉為
經典,凡違反亞里士多德物理學的學者均被視為“異端邪說”。伽利略對亞里士多德的物理學持懷疑態度,相反地特別重視阿基米德對物理學的研究,重視數學和
實驗的結合。
在伽利略的研究成果得到公認之前,物理學以至整個
自然科學只不過是
哲學的一個分支,沒有取得自己的獨立地位。當時,
哲學家們被束縛在
神學和亞里士多德教條的框框裡,他們苦思巧辯,得不出符合實際的
客觀規律。伽利略敢於向
傳統的
權威思想挑戰,不是先臆測
事物發生的
原因,而是先觀察
自然現象,由此發現
自然規律。基於這樣的新的
科學思想,伽利略倡導了數學與實驗相結合的
研究方法。這種研究方法是他在科學上取得偉大成就的源泉,也是他對
近代科學的最重要貢獻。
基於新的思想,伽利略倡導了新的方法(數學-實驗方法)。用
數學方法研究物理問題,原非伽利略首倡,可以追溯到公元前3世紀的阿基米德,
14世紀的
牛津學派和
巴黎學派以及15、16世紀的義大利
學術界,在這方面都有一定成就,但他們並未將
實驗方法放在首位,因而在
思想上未能有所突破。伽利略重視實驗的思想可見於1615年他寫給克利斯廷娜
公爵夫人的一封信上的話:“我要請求這些聰明細心的
神父們認真考慮一下臆測性的
原理和由實驗證實了的原理二者之間的區別。要知道,做實驗工作的教授們的主張並不是只憑主觀願望來決定的。”
伽利略的數學與實驗相結合的研究方法,一般來說,分三個步驟:①先提取出從
現象中獲得的
直觀認識的主要部分,用最簡單的數學
形式表示出來,以建立
量的
概念;②再由此式用
數學方法導出另一易於實驗
證實的數量關係;③然後通過實驗來證實這種數量關係。他對落體
勻加速運動規律的研究便是最好的說明。
從
落體的
加速運動所能作出的最簡單構想,可能是其
瞬時速度v與
路程s成
正比,此
v也可能與下落
時間t成正比。這就是研究方法的步驟①。通過數學
論證,不難發現第一種假設對於勻加速運動是不能成立的。於是採取
v∝
t或
v=
at的
假設,這裡
a是
加速度。由於
v值無法
直接測量,所以將此式轉換為可測量路程的形式。
最後的步驟是用實驗
驗證:由於
自由落體的
加速度a值大,即使在短時間內下落的路程也會很大,難於測量。為了“沖淡”加速度,使其減小,伽利略設計了斜面滾球實驗,測量從斜面上的光滑小槽內往下滾的青銅小球的行程與時間的關係。他採用精密的漏壺,反覆實驗100次。所得結果與步驟②中所構想的
s-
t數量關係符合,且
重複性良好,肯定了
落體作
勻加速運動構想的正確性。
概念和原理創新
慣性原理和力與加速度的新概念。推動
重物時需要的
力大,而推動輕物時需要的力小,是人們的
直覺經驗。亞里士多德據此得出普遍性的結論:一切物體均有保持靜止或所謂尋找其“天然去處”的本性,認為“任何運動著的事物都必然有推動者”,並用比例定律把
動力與
速度聯繫起來。伽利略則得出新的概念,他觀察到一個沿著光滑斜面向上滑動的物體,因斜面的斜角不同而受到不同程度的減速,斜角越小,減速越小。如在無阻力的水平面上滑動,則應保持原速度永遠滑動。因而得出這樣的結論:“一個運動的
物體,假如有了某種速度以後,只要沒有增加或減小速度的外部
原因,便會始終保持這種速度——這個條件只有在
水平的
平面上才有可能,因為在斜面的情況下,朝下的斜面提供了加速的起因,而朝上的斜面提供了減速的起因;由此可知,只有在水平面上運動才是不變的”(《
兩門新科學的對話》,第三天,問題9,假設23)。這樣,伽利略便第一次提出了
慣性概念,並第一次把
外力和“引起加速或減速的外部原因”即運動的改變聯繫起來。與前述的勻加速運動實驗結合在一起,伽利略提出了慣性和加速度這個全新的概念,以及在
重力作用下物體作
勻加速運動的全新的運動規律,為
牛頓力學理論體系的建立奠定了基礎。這種新的慣性概念,推翻了1000多年以來亞里士多德學派認為物體運動靠
精靈或
外界迂迴空氣推動的說法,也澄清了中世紀含糊的“
衝力”說。這是人類長期以來研究
機械運動的理論成果,並且得到了當時地動說支持者們的擁護。伽利略雖然沒有明確地寫出
慣性原理,可是表明了這是屬於物體的本性的
客觀規律,在研究其他物理問題時,他熟練地運用了它。然而他未能擺脫柏拉圖關於
行星作圓運動的觀點,相信“圓慣性”的存在,因此未能將慣性運動概念推廣到一切物體運動上。完整的
慣性原理是在伽利略逝世後兩年由R.
笛卡爾表述的。
單擺周期性質的發現。伽利略由觀察到教堂懸燈的擺動對擺進行實驗研究,發現
單擺的
周期與擺長的
平方根成正比,而與
振幅大小和擺錘
重量無關。這個規律的發現為此後的振動理論和機械
計時器件的
設計方案建立了基礎。
光速有限及其測量。前人對於
光速是否有限從來沒有明確的認識。伽利略觀察了
閃電現象,認為光速是有限的,並設計了測量光速的掩燈方案。但限於當時的實驗條件,用這種測量方法實際測到的主要只是實驗者的反應和人手的動作時間,而不是光的行進時間。然而,如果有了明暗變化有
規律的
光源或高速
機械控制的
器件代替人手動作,是可以測量到真正的光速的,後來
木衛星食法、
轉動齒輪法、轉鏡法、克爾盒法、變頻閃光法等光速
測量方法都借鑑於掩燈
方案。
幾種基本物理實驗儀器的研製。伽利略不但親自
設計和
演示過許多實驗,而且親自
研製出不少
實驗儀器。他的
工藝知識豐富,製作技術精湛,他所創製的許多實驗儀器在當時及對後世都很有影響,下面舉出幾項:
浮力天平。這是利用浮力原理快速測定金銀器皿首飾中金銀含量比例的直讀
儀器。這種儀器當時已用於金銀首飾器皿的
交易中。
望遠鏡。伽利略製成的望遠鏡,可以觀察到物體的
正像。經過改進後,其倍率由3逐步增大到33;不但指向
星空,還可套用於
船艦要塞,取得空前豐碩的發現
成果(見右圖)。這種望遠鏡結構簡單,而其倍率和
分辨本領受
球差和
色差的限制較大。
徹底推翻亞里士多德的物質觀。歐洲中世紀占絕對統治地位的
自然觀,是經過
神學改裝了的亞里士多德的自然觀,它成為封建
神權統治者
統制民眾
思想的
工具。亞里士多德認為,
地球和地上萬物都由氣、火、水、土四種
元素所組成,都是醜陋、不潔、不完美的,有變化和有生滅的。
火和
氣組成向上流動的輕物,
水和
土組成向下掉落的重物。而
天體則是由“
以太”所組成的純潔、完美、永恆的
物體。又因為“上帝厭惡真空”,所以真空不可能存在。然而伽利略從望遠鏡發現月亮表面有山峰和窪地,高低不平,並不是完美無缺,金星也有盈虧變化;太陽表面還有活動不已的黑子;肉眼就能直接看到
超新星的
爆發及其漸漸暗淡和消失,這些都打破了亞里士多德
天尊地卑,天體和地上
物質的
性質懸殊的思想。伽利略通過
流體靜力學對
浮體的研究,得知所有物體都是重物,沒有絕對的輕物。天體和地球以及地上萬物在
物質結構上是統一的。
真空也可能存在和產生,而且只有在真空中才能研究物體運動的真正性質,這就徹底推翻了亞里士多德憑藉主觀臆測的
物質觀,從而也根本動搖了封建神權的思想統治。
科學革命的先驅。伽利略在
人類思想解放和
文明發展的過程中作出了劃時代的貢獻。在當時的社會條件下,為爭取不受權勢和舊傳統壓制的
學術自由,為近代科學的生長,他進行了堅持不懈的鬥爭,並向全世界發出了振聾發聵的聲音。因此,他是
科學革命的先驅,也可以說是“
近代科學之父”。雖然他晚年終於被剝奪了
人身自由,但他開創
新科學的意志並未動搖。他的追求科學
真理的精神和成果,永遠為後代所景仰。
1979年,
梵蒂岡教皇J.
保羅二世代表
羅馬教廷為伽利略公開平反昭雪,認為教廷在300多年前迫害他是嚴重的錯誤,這表明教廷最終承認了伽利略的主張——
宗教不應該干預科學。
科學地位
伽利略認為實驗是知識的唯一源泉,深信
自然之書是用
數學語言寫的,只有能歸結為數量特徵的
形狀、大小和速度才是物體的客觀
性質。伽利略對17世紀的
自然科學的發展起了重大作用,改變了
人類對
物質運動和
宇宙的認識。為了證實和傳播哥白尼的日心說,伽利略獻出了畢生精力。由此受到教會迫害,並被終身監禁。他開創了以實驗事實為根據並具有嚴密
邏輯體系的
近代科學。
伽利略的
科學發現,不僅在
物理學史上而且在整個
科學史上都占有極其重要的地位。他不僅糾正了統治歐洲近兩千年的亞里士多德的錯誤觀點,更創立了研究自然科學的新方法。伽利略在總結自己的科學研究方法時說過,“這是第一次為新的方法打開了大門,這種將帶來大量奇妙成果的新方法,在未來的年代裡,會博得許多人的重視。” 後來,
惠更斯繼續了伽利略的研究工作,他導出了單擺的周期公式和
向心加速度的數學表達式。牛頓在系統地總結了伽利略、惠更斯等人的工作後,得到了
萬有引力定律和牛頓運動三定律。伽利略留給後人的精神財富是寶貴的。愛因斯坦曾這樣評價:“伽利略的發現,以及他所用的科學推理方法,是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標誌著
物理學的真正的開端!”
人物爭議
伽利略、克卜勒與潮汐理論。
紅衣主教貝拉明1615年發表聲明,稱哥白尼學說不成立,除非“有物理證據證明太陽不是圍繞地球,而是地球圍繞著太陽運行”。伽利略認為他的
潮汐理論足可證明
地球運動。這個理論十分重要,以至於他最開始將著作命名為《關於海洋潮汐與流動的兩大世界體系的對話》。關於
潮汐的字眼最終因為宗教法庭的指令而被刪除。
伽利略認為,由於地球圍繞
軸心自轉並圍繞太陽
公轉,導致地球表面運動的加速減速引發海水潮汐式前後涌動。1616年,他將第一份有關潮汐的
文獻整理出來,交給了紅衣主教
奧斯尼。他的理論第一次涉及了海底
大陸架的形狀尺度,以及潮汐的
時刻等。例如,他正確地推算出
亞德里亞海中途的波浪相對於到達海岸的最後一波來說可以忽略不計。但是,從潮汐形成的總體角度來看,伽利略的理論並不成立。
如果理論成立了,那么每天只能出現一次
漲潮。伽利略與他的同事們注意到該理論的不足之處,因為在威尼斯每天會漲潮兩次,時間間隔為12小時。伽利略認為這種反常現象不過是因為海洋形狀,深度及其它的問題導致的,不值得一提。對於他這種觀點是不靠譜的
論斷,愛因斯坦則表示伽利略只是急於給出
地球運動的物理證明,
構造出了這種“引人入勝的觀點”並自己全盤接受了。伽利略否定了當時
克卜勒的觀點,即
月球導致潮汐運動,而後者的觀點襲承了托勒密法之書中占星傳統。他也拒絕接受克卜勒關於
行星沿
橢圓軌道運行的觀點,認為
圓形軌道才是“完美”的。