偉大的科學(xué)巨星——伽利略

伽利略?shī)W．伽利略（Galileo Galilei,1564 - 1642）是意大利文藝復(fù)興后期偉大的天文學(xué)家、物理學(xué)家、力學(xué)家和哲學(xué)家,也是近代實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的開(kāi)拓者.他是為維護(hù)真理而進(jìn)行不屈不撓的戰(zhàn)士.恩格斯稱他是“不管有何障礙,都能不顧一切而打破舊說(shuō),創(chuàng)立新說(shuō)的巨人之一”.
一．伽利略生平
伽利略于1564年2月15日出生于意大利西部海岸的此薩城,他原籍佛羅倫薩,出身沒(méi)落的名門貴族家庭.伽利略的父親是一位不得志的音樂(lè)家,精通希臘文和拉丁文,對(duì)數(shù)學(xué)也頗有造詣.因此,伽利略從小受到了良好的家庭教育.
伽利略在十二歲時(shí),進(jìn)入佛羅倫薩附近的瓦洛姆布洛薩修道院,接受古典教育.十七歲時(shí),他進(jìn)入比薩大學(xué)學(xué)醫(yī),同時(shí)潛心鉆研物理學(xué)和數(shù)學(xué).由于家庭經(jīng)濟(jì)困難,伽利略沒(méi)有拿到畢業(yè)證書,便離開(kāi)了比薩大學(xué).在艱苦的環(huán)境下,他仍堅(jiān)持科學(xué)研究,攻讀了歐幾里德和阿基米德的許多著作,做了許多實(shí)驗(yàn),并發(fā)表了許多有影響的論文,從而受到了當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界的高度重視,被譽(yù)為“當(dāng)代的阿基米德”.
伽利略在25歲時(shí)被比薩大學(xué)的數(shù)學(xué)教授.兩年后,伽利略因?yàn)橹谋人_斜塔實(shí)驗(yàn),觸怒了教會(huì),失去這份工作.伽利略離開(kāi)比薩大學(xué)后,于1592年去威尼斯的帕多瓦大學(xué)任教,一直到1610年.這一段時(shí)期是伽利略從事科學(xué)研究的黃金時(shí)期.在這里,他在力學(xué)、天文學(xué)等各方面都取得了累累碩果.
1610年,伽利略把他的著作以通俗讀物的形式發(fā)表出來(lái),取名為《星空信使》,這本書在威尼斯出版,轟動(dòng)了當(dāng)時(shí)的歐洲,也為伽利略贏得了崇高的榮譽(yù).伽利略被聘為“宮廷哲學(xué)家”和“宮廷首席數(shù)學(xué)家”,從此他又回到了故鄉(xiāng)佛羅倫薩.
伽利略在佛羅倫薩的宮廷里繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)研究,但是他的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)以及他的天文學(xué)著作明顯的體現(xiàn)出了哥白尼日心說(shuō)的觀點(diǎn).因此,伽利略開(kāi)始受到教會(huì)的注意.1616年開(kāi)始,伽利略開(kāi)始受到羅馬宗教裁判所長(zhǎng)達(dá)二十多年的殘酷迫害.
伽利略的晚年生活極其悲慘,照料他的女兒賽麗斯特竟然先于他離開(kāi)人世.失去愛(ài)女的過(guò)分悲傷,使伽利略雙目失明.即使在這樣的條件下,他依然沒(méi)有放棄自己的科學(xué)研究工作.
1642年1月8日,凌晨4時(shí),偉大的伽利略——為科學(xué)、為真理奮斗一生的戰(zhàn)士,科學(xué)巨人離開(kāi)了人世,享年78歲.在他離開(kāi)人世的前夕,他還重復(fù)著這樣一句話：“追求科學(xué)需要特殊的勇氣.”
二．伽利略和他的科學(xué)發(fā)現(xiàn)
古希臘在物理學(xué)說(shuō)方面有兩大學(xué)派,一派以哲學(xué)家亞里士多德為代表,另一派則以自然科學(xué)家阿基米德為代表.兩人皆是古代希臘蓍名的學(xué)者,但由于兩人的觀點(diǎn)和方法不同,其科學(xué)結(jié)論也就各異,并形成了鮮明的對(duì)立.亞里士多德學(xué)派的觀點(diǎn)基本是唯心的,他是憑主觀思考和純推理方法作結(jié)論的,所以是充斥著謬誤.而阿基米德學(xué)派的觀點(diǎn)基本是唯物的,他完全依靠靠科學(xué)實(shí)踐方法得出結(jié)論.
然而從11世紀(jì)起,在基督教會(huì)的扶持下,亞里士多德的著作得到了經(jīng)院哲學(xué)家的重視,他們排斥阿基米德的物理學(xué),把亞里士多德的物理學(xué)奉為經(jīng)典,凡違反亞里士多德物理學(xué)的學(xué)者均被視為“異端邪說(shuō)”.但伽利略卻對(duì)亞里士多德的物理學(xué)抱懷疑態(tài)度,相反他特別重視對(duì)阿基米德物理學(xué)的研究,他重視理論聯(lián)系實(shí)際,注意觀察各種自然現(xiàn)象,思考各種問(wèn)題.在伽俐略十八歲那年,一次到比薩教堂去做禮拜,他注意到教堂里懸掛的那些長(zhǎng)明燈被風(fēng)吹得一左一右有規(guī)律地?cái)[動(dòng),他按自己脈博的跳動(dòng)來(lái)計(jì)時(shí),發(fā)現(xiàn)它們往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間總是相等的.就這樣他發(fā)現(xiàn)了擺的等時(shí)性,后來(lái)荷蘭物理學(xué)家惠更斯根據(jù)這個(gè)原理制成掛擺時(shí)鐘,人們稱之為"伽利略鐘".
伽利略根據(jù)阿基米德的學(xué)說(shuō),作了迅速確定合金成分的流體靜力天平的研究,發(fā)明了可以測(cè)定物質(zhì)密度的"小天平",寫出了名為《小天平》的論文.后來(lái)他又潛心研究了物體重心的幾何學(xué),于1588年發(fā)表了《固體的重心》的論文,引起學(xué)術(shù)界的注意.第二年,在友人的推薦下,被比薩大學(xué)聘任為數(shù)學(xué)教授.
亞里士多德認(rèn)為兩個(gè)物體以同一高度落下,重的比輕的先著地.但伽利略經(jīng)過(guò)反復(fù)的研究與實(shí)驗(yàn)后,得出了與之截然相反的結(jié)論：物體下落的快慢與重量無(wú)關(guān).1590年,伽利略在比薩斜塔公開(kāi)作了落體實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了亞里士多德的說(shuō)法是錯(cuò)誤的,使統(tǒng)治人們思想長(zhǎng)達(dá)2000多年的亞里士多德的學(xué)說(shuō)第一次發(fā)生動(dòng)搖.而應(yīng)邀前來(lái)觀看的一些著名學(xué)者卻否認(rèn)自己親眼見(jiàn)到的一切,他們?nèi)浩鸸糍だ?1591年,伽利略被比薩解聘.
從科學(xué)史上看,伽利略并不是落體實(shí)驗(yàn)的首創(chuàng)者,其首創(chuàng)者是比利時(shí)的斯臺(tái)文.但伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)所造成的影響卻是更為深遠(yuǎn)的.
1592年,伽利略來(lái)到威尼斯的帕多瓦大學(xué)任教,開(kāi)始了他科學(xué)活動(dòng)的黃金時(shí)期.在這一時(shí)期,他研究了大量的物理學(xué)問(wèn)題,如斜面運(yùn)動(dòng)、力的合成、拋射體運(yùn)動(dòng)等.他還對(duì)液體與熱學(xué)作了研究,發(fā)明了溫度計(jì).1609年,伽利略制成了天文望遠(yuǎn)鏡,并用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡去探索宇宙的奧秘,他發(fā)現(xiàn)月球的表面凹凸不平,有高山深谷；木星有四顆衛(wèi)星圍繞它旋轉(zhuǎn),金星和月亮一樣有盈有虧；土星有光環(huán)；太陽(yáng)有黑子,能自轉(zhuǎn).銀河是由于千千萬(wàn)萬(wàn)顆暗淡的星星所組成.這些發(fā)現(xiàn)為哥白尼、布魯諾的觀點(diǎn)提供了有力的證據(jù).對(duì)教會(huì)的信條進(jìn)行了嚴(yán)厲的打擊.
第二年,他出版了《星際使者》,通俗地向讀者介紹他觀察到的天空現(xiàn)象,宣傳了他的觀點(diǎn).這部著作在歐洲引起了極大的轟動(dòng),伽利略因此被稱為“天空的哥倫布”.1613年,他在羅馬發(fā)表了《論太陽(yáng)黑子》.該書以書信形式明確指出了哥白尼學(xué)說(shuō)是正確的,托勒密學(xué)說(shuō)是錯(cuò)誤的.由此伽利略觸怒了教會(huì),開(kāi)始受到宗教裁制所的審訊.
在教廷的壓制下,伽利略仍繼續(xù)科學(xué)研究,在長(zhǎng)期觀察和研究天體運(yùn)動(dòng)的實(shí)踐中,他更加堅(jiān)信哥白尼學(xué)說(shuō)的正確性.1632年1月,伽利略在佛羅倫薩出版了《關(guān)于托勒密和哥白尼的兩大世界體系的對(duì)話》.他在書中用三位學(xué)者對(duì)話的形式,作了四天的談話.討論了三個(gè)問(wèn)題：1、證明地球在運(yùn)動(dòng)；2、充實(shí)哥白尼學(xué)說(shuō)；3、地球的潮汐.《對(duì)話》總結(jié)了伽利略長(zhǎng)期科研實(shí)踐中的各種科學(xué)發(fā)現(xiàn),宣告了托勒密地心說(shuō)理論的破產(chǎn),從根本上動(dòng)搖了教會(huì)的最高權(quán)威,從而推動(dòng)了唯物論思想的發(fā)展.這部著作一經(jīng)出版便受到廣大讀者的歡迎.但卻遭到了羅馬教會(huì)的反對(duì).伽利略因此而受到了長(zhǎng)期的監(jiān)禁.
1636年,伽利略在監(jiān)禁中偷偷地完成了他一生中另一部偉大的著作《關(guān)于兩種新科學(xué)的對(duì)話》.該書于1638年在荷蘭出版.這部偉大著作同樣是以三人對(duì)話形式寫的.“第一天”是關(guān)于固體材料強(qiáng)度的問(wèn)題,反駁了亞里士多德關(guān)于落體的速度依賴于其重量的觀點(diǎn)；“第二天”是關(guān)于內(nèi)聚作用的原因,討論了杠桿原理的證明及梁的強(qiáng)度問(wèn)題；“第三天”討論了勻速運(yùn)動(dòng)和自然加速運(yùn)動(dòng)；"第四天"是關(guān)于拋射體運(yùn)動(dòng)的討論.這一巨著從根本上否定的亞里士多德的運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō).
三．伽利略的科學(xué)研究方法
伽利略對(duì)物理規(guī)律的論證非常嚴(yán)格.他創(chuàng)立了對(duì)物理理象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究并把實(shí)驗(yàn)的方法與數(shù)學(xué)方法、邏輯論證相結(jié)合的科學(xué)研究方法.例如,為了說(shuō)明慣性,他曾設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)摩擦的理想實(shí)驗(yàn)：在一定點(diǎn)O懸掛一單擺,將擺球拉到離豎直位置一定距離的左側(cè)A點(diǎn),釋放小球,小球?qū)[到豎直位置的右側(cè)B點(diǎn),此時(shí)A點(diǎn)與B點(diǎn)處于同一高度.若在O的正下方C用釘子改變單擺的運(yùn)動(dòng)路線,小球?qū)[到與A、B兩點(diǎn)同樣高度的D.伽利略指出,對(duì)于斜面會(huì)得出同樣的結(jié)論.他將兩個(gè)斜面對(duì)接起來(lái),讓小球沿一個(gè)斜面從靜止?jié)L下,小球?qū)L上另一斜面.如果無(wú)摩擦,小球?qū)⑸仙皆瓉?lái)的高度.他推論說(shuō),如果減小第二個(gè)斜面的傾角,小球在這個(gè)斜面達(dá)到原來(lái)的高度就要通過(guò)更長(zhǎng)的距離.繼續(xù)使第二個(gè)斜面的傾角越來(lái)越小,小球?qū)⒑蠞L得越來(lái)越遠(yuǎn).如果第二個(gè)斜面改成水平面,小球就永遠(yuǎn)達(dá)不到原來(lái)的高度,而要沿水平面以恒定速度持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去.伽利略設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)雖是想象中的,但卻是建立在可靠的事實(shí)的基礎(chǔ)上.把研究的事物理想化,就可以更加突出事物的主要特征,化繁為簡(jiǎn),易于認(rèn)識(shí)其規(guī)律.伽利略的這一自然科學(xué)新方法,有力地促進(jìn)物理學(xué)的發(fā)展,他因此被譽(yù)為是“經(jīng)典物理學(xué)的奠基人”.
四．伽利略在科學(xué)史上的地位
伽利略的科學(xué)發(fā)現(xiàn),不僅在物理學(xué)史上而且在整個(gè)科學(xué)中上都占有極其重要的地位.他不僅糾正了統(tǒng)治歐洲近兩千年的亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn),更創(chuàng)立了研究自然科學(xué)的新方法.
伽利略在總結(jié)自己的科學(xué)研究方法時(shí)說(shuō)過(guò),“這是第一次為新的方法打開(kāi)了大門,這種將帶來(lái)大量奇妙成果的新方法,在未來(lái)的年代里,會(huì)博得許多人的重視.”后來(lái),惠更斯繼續(xù)了伽利略的研究工作,他導(dǎo)出了單擺的周期公式和向心加速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式.牛頓在系統(tǒng)地總結(jié)了伽利略、惠更斯等人的工作后,得到了萬(wàn)有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)三定律.伽利略留給后人的精神財(cái)富是寶貴的.愛(ài)因斯坦曾這樣評(píng)價(jià)：“伽利略的發(fā)現(xiàn),以及他所用的科學(xué)推理方法,是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正的開(kāi)端!”.