伽利略•伽利莱(Galileo Galilei,1564~1642)是意大利著名的物理学家、天文学家和哲学家。他1564年2月15日出生在比萨,就是有著名的比萨斜塔的那个小城市,1642年1月8日死在自己的故乡。
1572年,伽利略开始上学时,就是一个勤奋好学、充满求知欲的好学生。1575年,小伽利略随全家迁居到了佛罗伦萨,进了一座修道院继续学习。在学习过程中,他逐渐成长为一个重要的物理学家,正是他第一个把实验引进力学研究。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,经过长久的实验观察和数学推算,伽利略得到了摆的等时性定律,以至于后来的挂摆时钟都称为“伽利略钟”。这时候,他还只是修道院的一个普通学生!
1585年,伽利略因为家庭经济困难,被迫辍学在家。但他并没有放弃学习,没钱上学,他就自学。他系统、深入地研究了古希腊学者欧几里得、阿基米得等人的著作,根据杠杆原理和浮力原理,写出了第一篇论文——《天平》,不久又写出了一篇更重要的、可以算做他“成名作”的论文《论重力》,《论重力》第一次揭示了重力和重心的实质,并给出了准确的数学表达式,一时间,伽利略作为一个青年科学家,声名大振。
也正是在研究古希腊学问的过程中,伽利略对于以亚里士多德为主的很多主流科学家的观点产生了质疑。正是这种勇于探索和质疑的精神,成就了伽利略的伟大贡献,也为他之后悲惨的人生埋下了伏笔。
因为在力学方面的突出影响,1589年,比萨大学决定聘请伽利略为数学教授。在此期间,伽利略继续着力学方面的研究,主要是对落体运动进行细致观察和深入分析。
在伽利略之前,科学界通行的落体运动理论是亚里士多德的“落体运动法则”,亚里士多德认为,物体的下落速度和重量成正比,轻的东西(比如羽毛)下落慢,重的东西(比如石头)下落快。这个理论符合人们的日常感觉,亚里士多德又是统治学术界一千多年的权威,所以从来没有人怀疑过这个理论。
伽利略想到,按照亚里士多德的理论,如果一块大石头下落快,而一块小石头下落慢。那么,如果把两块石头捆在一起下落,结果会怎么样呢?两块石头的重量比一块大石头重,那么应该下落更快。可是,小石头下落慢,不是会拉扯着大石头下落更慢一些吗?这岂不是矛盾?
作为近代实验物理学的开拓者,伽利略非常重视实验。他的落体实验闻名世界,从比萨斜塔上往下扔大小不同的两个铁球,结果两个球几乎同时落地。伽利略从实验和理论两方面证明了超级权威亚里士多德的错误,确立了正确的“自由落体定律”:在忽略空气阻力等条件下,重量不同的物体下落速度相同,下落的速度与重量无关。当然,关于在比萨斜塔上公开作实验,从而引起轰动这一点,近年来存在争议,因为这个轰动一时的实验,根据的是伽利略晚年的学生V.维维亚尼的记载,而在伽利略本人的著作中,并未明确说明实验是在比萨斜塔上进行的。但是这一点并不重要,重要的是,伽利略完成了自由落体实验并发现了“自由落体定律”,从而改写了力学上的几个基本观念。
但自由落体实验带给伽利略最直接的后果,不是功成名就、名声大噪,而是丢掉了比萨大学教授的职位,他被迫于1591年转到威尼斯的帕多瓦大学教书,1609年又回到佛罗伦萨。1611年到罗马并担任林嗣科学院的院士。
但无论身在何处,伽利略从来没有停止他对大自然秘密的探索。伽利略对运动的很多基本概念(如重心、速度、加速度等)都作了详尽的研究,并给出了严格的数学表达式。尤其是“加速度”这个概念的提出,是力学史上的一个里程碑。在此之前,物理学的力学只有定量描述的静力学,有了“加速度”的概念后,力学才发展出动力学部分。伽利略还曾经提出过惯性定律和外力作用下物体的运动规律,为后来牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上,伽利略是牛顿的先驱。
伽利略在力学方面的贡献是多方面的,他先后发明了浮力天平和温度计,还提出过合力定律、抛射体运动规律、伽利略相对性原理等,这些在他晚年的力学著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中都有详细的描述。
在这本不朽著作中,除动力学外,还有不少关于材料力学的内容。被认为标志着材料力学的开端。例如,伽利略阐述了关于梁的弯曲试验和理论分析,断定梁的抗弯能力和几何尺寸的力学相似。他指出,对长度相似的圆柱形梁,抗弯力矩和半径立方成比例。伽利略曾经参观威尼斯一家兵工厂,观察一些几何相似的结构物,经分析研究,认为:如果将物体做成几何形状,则尺寸愈大者,其强度愈弱。这是自重所起作用的结果。伽利略分析了梁弯曲理论用于实践时应该注意的问题,他指出,工程结构的尺寸不能过大,因为它们会在自身重量作用下发生破坏。他根据实验得出,动物的形体和尺寸减小时,躯体的强度并不是按比例减小的。他说:“一只小狗也许可以驮两三只同样大小的狗,但一匹马也许连一匹和自己同样大小的马也驮不起。”
除了力学研究,伽利略还是重要的天文学家。他是第一个利用望远镜观测天体,并取得大量研究成果的科学家,正是他发明的望远镜,帮助人类有史以来第一次“亲眼”看到了星星们的真相,知道了月球表面是凹凸不平的,看到了月亮上的环形山,以及太阳黑子、金星、木星的盈亏现象,以及银河是由无数颗恒星组成的……伽利略还用望远镜发现了木星的四个卫星,这四颗星星被称为“伽利略卫星”。正是伽利略的观测实验,证实了太阳的自转和哥白尼的“日心说”和“地动说”,彻底否定了亚里士多德和托勒密的“地球中心论”和“天动说”。
因为这一伟大的天文学发现,伽利略遭到了教会的残酷迫害。1633年2月,伽利略被罗马的宗教裁判所以“反对教皇,宣扬邪学”的罪名,判处“终身监禁”。1638年以后,伽利略的双目逐渐失明,晚景凄凉。
其实,伽利略对教会的态度,并不像一般人想象的那么激烈反对,他与宗教的关系也远比一般人想象的要密切得多。伽利略出生在天主教的大本营意大利,他的全部学习经历都是在修道院完成的。伽利略本人还是一个虔诚的教徒,并不反对基督教。作为基督教教徒兼科学家、哲学家,伽利略对教会的意见仅仅是,基督教应该给自己的权限和领域划出界限,从而给科学足够的空间。反之,在神学领域外行使权力是不明智的。因为,宗教和教会的职能是安抚人的灵魂,而科学的任务是探索自然的规律,两者不应互相侵犯。伽利略坚持的,仅仅是他在临终时的那句话“地球仍在转动”,而不是要对教廷进行攻击和诋毁。
伽利略一生都在跟唯心论和教会的经院哲学作斗争,他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性,认为经验才是理论知识的源泉,主张用具体的实验来认识自然规律。他不承认世界上有超验的绝对真理存在,更不承认有永远掌握真理的绝对权威,所以他反对盲目迷信权威。
事实证明,真理就是真理,真理有时候可能会被蒙蔽,但错误永远不能变成真理。在伽利略之前,意大利教会可以把布鲁诺处以火刑、将康帕内拉长期打入死牢,但是三百多年后的1979年11月10日,罗马教皇不得不在公开集会上承认,伽俐略受到的审判是不公正的。1980年10月,在世界主教会议上又提出重审这一案件。教会在罗马组成了一个由不同宗教信仰的科学家、历史学家构成的重审委员会,研究伽利略案件的始末、伽利略学说的科学价值及其对现代科学思想的贡献,以及研究科学与宗教的关系。重审的结果是,罗马教皇代表基督教,正式为科学巨人伽俐略沉冤昭雪。
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