伽利略：新时代的开辟者

2018-03-26  青野云麓

伽利略（Galileo Galilei，1564-02-15-1642-01-08）。意大利数学家、物理学家、天文学家，科学革命的先驱。伽利略发明了摆针和温度计，在科学上为人类作出过巨大贡献，是近代实验科学的奠基人之一。

历史上他首先在科学实验的基础上融汇贯通了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。伽利略从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础，反驳了托勒密的地心体系，有力地支持了哥白尼的日心学说。他以系统的实验和观察推翻了纯属思辨传统的自然观，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。

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，接着在1585年因家庭经济困难辍学。离开比萨大学期间，他深入研究古希腊学者欧几里得，阿基米德等人的著作。

他根据杠杆原理和浮力原理写出了第一篇题为《天平》的论文。不久又写了论文《论重力》，第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式，因此声名大振。与此同时，他对亚里士多德的许多观点提出质疑。

在历史上伽利略是最早对动力学作了定量研究的人。1589—1591年，他对物体的自由下落运动作了细致的观察，从实验和理论上否定了统治两千年的亚里士多德的落体运动观点（重物比轻物下落快），指出如忽略空气阻力，重量不同的物体在下落时同时落地，物体下落的速度和它的重量无关。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进行的，但这件事在伽利略著作中没有记录，因而较普遍认为此事不可靠。

伽利略对运动基本概念，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。有了加速度的概念，力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上，而在伽利略之前，只有静力学部分有定量的描述。伽利略还对物体在斜面上的运动，抛射体的运动等作过实验和观察。在这些研究基础上他提出了加速度的概念及其数学表达式。 

伽利略是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。1609年，伽利略在知道荷兰人已有了望远镜后，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，发现许多前所未知的天文现象。1637年在目力很差情况下，他还发现了月亮的周日和周月天平动。这些发现开辟了天文学的新时代。

伽利略第一个用望远镜观察到土星光环、太阳黑子、月球山岭、金星和水星的盈亏现象、木星的卫星和金星的周相等现象，并从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础，反驳了托勒密的地心体系，有力地支持了哥白尼的日心学说。

无论在动力学、梁的弯曲或者是天文学的研究中，伽利略十分重视观察和实验的作用。他又善于在观测结果的基础上提出假设，运用数学工具进行演绎推理，看是否符合于实验或观察结果。如在自由落体的实验中，他让水滴相继地从同处下落，每两滴时间间隔相同。他观察到任何时刻相继两滴间的距离成等差级数。他运用数学中的抛物线性质，得出下落距离和时间成平方关系。值得注意的是，他对理论推导也很严谨。尽管抛物线的性质早在古希腊那里已有了解，现存的伽利略手稿表明，他把抛物线的公式又从头推算了一遍。

实验和观测要精确，就离不开测量仪器。伽利略往往亲自设计制造仪器。除了上述望远镜外，他设计和制造的仪器有流体静力秤、比例规、温度计、摆式脉搏计等。 

伽利略一生坚持与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，反对迷信盲从。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，这些观点对现代哲学具有重要的意义。但由于历史的局限性，他强调只有可归纳为数量特征的物

质属性才是客观存在的。伽利略因为支持日心说受到监禁后，“放弃”了日心说。他说，“考虑到种种阻碍，两点之间最短的不一定是直线”，这一观点非常具有现代性。正是因为有这样的思想，暂时的放弃换得永远的支持，没有遭到布鲁诺的命运，却可以为科学继续贡献力量。

伽利略认为经验是知识的唯一源泉，深信自然之书是用数学语言写的，只有能归结为数量特征的形状、大小和速度才是物体的客观性质。伽利略对17世纪的自然科学的发展起了重大作用，改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了证实和传播哥白尼的日心说，伽利略献出了毕生精力。由此受到教会迫害，并被终身监禁。他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。

伽利略的科学发现，不仅在物理学史上而且在整个科学史上都占有极其重要的地位。他不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点，更创立了研究自然科学的新方法。伽利略在总结自己的科学研究方法时说过，“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。”爱因斯坦曾这样评价：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端！”