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伽利略
  中文名稱: 伽利略
  生 卒 年: 1564~1642
  國  別: 意大利

  生平簡介

  伽利略 (1564~1642)

  伽利略是偉大的意大利物理學家和天文學家,科學革命的先驅。歷史上他首先在科學實驗的基礎上融會貫通了數學、物理學和天文學三門知識,擴大、加深并改變了人類對物質運動和宇宙的認識。為了證實和傳播N.哥白尼的日心說,伽利略獻出了畢生精力。由此,他晚年受到教會迫害,并被終身監禁。他以系統的實驗和觀察推翻了以亞里士多德為代表的、純屬思辨的傳統的自然觀,開創了以實驗事實為根據并具有嚴密邏輯體系的近代科學。因此,他被稱為“近代科學之父”。他的工作,為I.牛頓的理論體系的建立奠定了基礎。

  生平和學術生涯

  早年活動 伽利略1564年2月15日生于比薩,父親芬琴齊奧·伽利萊精通音樂理論和聲學,著有《音樂對話》一書。1574年全家遷往佛羅倫薩。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,而在課外聽世交、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。1583年,伽利略在比薩教堂里注意到一盞懸燈的擺動,隨后用線懸銅球作模擬(單擺)實驗,確證了微小擺動的等時性以及擺長對周期的影響,由此創制出脈搏計用來測量短時間間隔。1585年因家貧退學,擔任家庭教師,但仍奮力自學。1586年,他發明了浮力天平,并寫出論文《小天平》。

  1587年他帶著關于固體重心計算法的論文到羅馬大學學求見著名數學家和歷法家C.克拉維烏斯教授,大受稱贊和鼓勵。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,這對于他以后的工作大有幫助。

  1588年他在佛羅倫薩研究院做了關于A.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贊揚。次年發表了關于幾種固體重心計算法的論文,其中包括若干靜力學新定理。由于有這些成就,當年比薩大學便聘請他任教,講授幾何學與天文學。第二年他發現了擺線。當時比薩大學教材均為亞里士多德學派的學者所撰,書中充斥著神學與形而上學的教條。伽利略經常發表辛辣的反對意見,由此受到校內該學派的歧視和排擠。1591年其父病逝,家庭負擔加重,他便決定離開比薩。帕多瓦時期 1592年伽利略轉到帕多瓦大學任教。帕多瓦屬于威尼斯公國,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.F.塔爾塔利亞、G.B.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,并得到啟發。

  在此時期,他深入而系統地研究了落體運動、拋射體運動、靜力學、水力學以及一些土木建筑和軍事建筑等;發現了慣性原理,研制了溫度計和望遠鏡。

  1597年,他收到J.開普勒贈閱的《神秘的宇宙》一書,開始相信日心說,承認地球有公轉和自轉兩種運動。但這時他對柏拉圖的圓運動最自然最完善的思想印象太深,以致對開普勒的行星橢圓軌道理論不感興趣。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。由于講得精采動聽,聽眾逐次增多,最后達千余人。

  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,思考竟日后,用風琴管和凸凹透鏡各一片制成一具望遠鏡,倍率為3,后又提高到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。參議院隨后決定他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,水星有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,開辟了天文學的新天地。是年3月,出版了他的《星空信使》一書,震撼全歐。隨后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。伽利略日后回顧在帕多瓦的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于科學研究,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閑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干預,伽利略曾多次去羅馬活動。1611年他第二次去羅馬,目的在于贏得宗教、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,并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。他聞訊后,于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,但拒絕了后者。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并理解他的意愿,以維護新興科學的生機。他先后謁見6次,力圖說明日心說可以與基督教教義相協調,說“圣經是教人如何進天國,而不是教人知道天體是如何運轉的”;并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里,他研制成了一臺顯微鏡,“可將蒼蠅放大成母雞一般。”

  此后6年間,他撰寫了《關于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”。此書終于在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,并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范圍。全書筆調詼諧,在意大利文學史上列為文學名著。

  教廷的迫害和晚年生活 《對話》出版后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,而神圣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,于這年秋發出了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,終于在 1633年6月22日在圣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”和圣經教義。伽利略被迫跪在冰冷的石板地上,在教廷已寫好的“悔過書”上簽字。主審官宣布:判處伽利略終身監禁;《對話》必須焚絕,并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,借此以一儆百。

  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。他認為教廷在神學范圍之外行使權力極不明智,但只能私下有所不滿。顯然,G.布魯諾的被處火刑和T.康帕內拉的被長期打入死牢,這兩位意大利杰出的哲學家的遭遇,給他精神上投下了可怕的陰影。宗教裁判所的判決隨后又改為在家軟禁,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。于是他仍用《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《關于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,由于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。教廷乃勒令伽利略于當年12月遷往佛羅倫薩附近的阿切特里他自已的故居,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個月后竟先于父親病故。

  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。在這期間探望他的除托斯卡納大公外,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松了。

  1639年夏,伽利略獲準接受聰慧好學的18歲青年V.維維亞尼為他的最后一名學生,并可在他身邊照料,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應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。

  伽利略于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。

  學術成就

  新的科學思想和科學研究方法 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,哲學家們束縛在神學和亞里士多德教條的框框里,他們苦思巧辯,得不出符合實際的客觀規律。伽利略敢于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。他摒棄神學的宇宙觀,認為世界是一個有秩序地服從簡單規律的整體,要了解大自然,就必須進行系統的實驗定量觀測,找出它的精確的數量關系。

  基于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。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世紀的意大利學術界,在這方面都有一定成就,但他們并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于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并不是只憑主觀愿望來決定的。”

  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于實驗證實的數量關系;③然后通過實驗證實這種數量關系。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設想,可能是其瞬時速度□與路程□成正正,此□□也可能與下落時間□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于勻加速運動是不能成立的。于是采取□□□或□=□□的假設,這里□是加速度。

  由于□值無法直接測量,所以將此式轉換為可測量路程的形式:□□如此則落體在□1,2,3,……□秒末所通過的路程依次為□由此得知每隔1秒落體下落的一段距離依次為□□ □依等差級數遞增。如此便完成了步驟②。

  最后的步驟是用實驗驗證:由于自由落體的加速度□值大,即使在短時間內下落的路程也會很大,難于測量。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系。他采用精密的漏壺,反覆實驗100次。所得結果與步驟②中所設想的□-□數量關系符合,且重復性良好,肯定了落體作勻加速運動設想的正確性。

  由此可見,伽利略進行科學實驗的目的主要是為了檢驗一個科學假設是否正確,而不是盲目地收集資料,歸納事實。

  物理學概念和原理的創新 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”,并用比例定律把動力與速度聯系起來。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后,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注)。這樣,伽利略便第一次提出了慣性概念,并第一次把外力和“引起加速或減速的外部原因”即運動的改變聯系起來。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回空氣推動的說法,也澄清了中世紀含糊的“沖力”說。這是人類長期以來研究機械運動的理論成果,并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,可是表明了這是屬于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于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后兩年由R.笛卡兒表述的。

  伽利略把物體速度的大小和方向的改變或加速度的產生歸諸力的作用,這是對力的性質的客觀認識,也是牛頓第二定律的雛形。慣性原理的發現破除了力是運動原因的舊概念,而認為力是改變運動狀態的原因。牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中高度評價伽利略對第一、第二兩運動定律所作的開創性工作(見牛頓運動定律)。

  運動獨立性原理和運動的合成、分解定律 在彈道的研究中,伽利略發現水平與垂直兩方向的運動各具有獨立性,互不干涉,但通過平行四邊形法則又可合成實際的運動徑跡。他從垂直于地面的勻加速運動和水平方向的勻速運動,完整地解釋了彈道的拋物線性質,這是運動的合成研究的重大收獲,并具有實用意義。

  慣性參照系概念 伽利略用物理學原理為哥白尼地動學說進行辯解時,應用運動獨立性原理通俗地說明了石子從桅桿頂上掉落到桅桿腳下而不向船尾偏移的道路。他又進一步以作勻速直線運動的船艙中物體運動規律不變的著名論述,第一次提出慣性參照系的概念。這一原理被A.愛因斯坦稱為伽利略相對性原理,是狹義相對論的先導。

  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后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 前人對于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,并設計了測量光速的掩燈方案。但限于當時的實驗條件,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,后來木衛星食法、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鑒于掩燈方案。

  幾種基本物理實驗儀器的研制 伽利略不但親自設計和演示過許多實驗,而且親自研制出不少實驗儀器。他的工藝知識豐富,制作技術精湛,他所創制的許多實驗儀器在當時及對后世都很有影響,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。這種儀器當時已用于金銀首飾器皿的交易中。

  溫度計 伽利略首創的溫度計是一種開放式的液體溫度計,玻璃管內盛有著色的水和酒精,液面與大氣相通(見彩圖伽利略的溫度計)。這實際上是溫度計與大氣壓力計的混合體,這是由于當時他對大氣壓力的變化還沒有明確的認識。盡管如此,其學術價值仍很大,溫度從此成為客觀的物理量,不再是不確定的主觀感覺。

  望遠鏡 伽利略制成的望遠鏡,可以觀察到物體的正像。經過改進后,其倍率由3逐步增大到33;不但指向星空,還可應用于船艦要塞,取得空前豐碩的發現成果。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,都是丑陋、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、永恒的物體。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洼地,高低不平,并不是完美無缺,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借主觀臆測的物質觀,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斗爭,并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”。雖然他晚年終于被剝奪了人身自由,但他開創新科學的意志并未動搖。他的追求科學真理的精神和成果,永遠為后代所景仰。

  1799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。


 

 

 

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