我是伽利略,1564年2月15日生于比萨一个乐师和数学家之家,从小爱好机械、数学、音乐和诗画,喜欢做水磨、风车、船舶模型。17岁时虽遵父命入比萨大学学医,但却不顾教授们反对独自钻研图书馆中的古籍和进行实验。1582年冬,托斯卡纳公爵的年轻数学教师里奇允许我旁听,使我进入了一个全新的世界。里奇擅长的是应用力学与应用数学,他用生动的讲课引导我学习水力学、建筑学和工程技术及进行实验,在此期间我如饥似渴地读了许多古代数学与哲学书籍,阿基米德的数学与实验相结合的方法使我深受感染,因此我常对别人说:“阿基米德是我的老师。”
我对周围世界的多种多样的运动特别感兴趣,但我发现运动的问题这么古老,有意义的研究竟如此可怜。我的学生维维安尼在《伽利略传》中记述了1583年19岁的我在比萨大教堂的情景:“他以特有的好奇心和敏锐性,注视悬挂在教堂最顶端的大吊灯的运动——它的摆动时间在沿大弧、中弧和小弧摆动时是否相同……当大吊灯有规律地摆动时……他利用自己脉搏的跳动和自己擅长并熟练运用的音乐节拍……测算,他清楚地得出结论:时间完全一样。他对此仍不满足,回家以后……用两根同样长的线绳各系上一个铅球做自由摆动……他把两个摆拉到偏离竖直线不同的角度,例如30°和10°,然后同时放手。在同伴的协助下,他看到无论沿长弧和短弧摆动,两个摆在同一时间间隔内的摆动次数准确相等。他又另外做了两个相似的摆,只是摆长不同。他发现短摆摆动300次时,长摆摆动40次(均在大角度情况下),在其他摆动角度(如小角度)下它们各自的摆动次数同一时间间隔内与大角度时完全相同,并且多次重复仍然如此……他由此得出结论,看来无论对于重物体的快摆动还是轻物体的慢摆动,空气的阻力几乎不起作用,摆长一定的单摆周期是相同的,与摆幅大小无关。他还看到,摆球的绝对重量或相对比重的大小都引不起周期的明显改变……只要不专门挑选最轻的材料制作摆球,因为材料太轻摆球会由于空气阻力太大而很快静止下来。”
对于偶然机遇下的发现,我不但做了多次实测,还考虑到振幅、周期、绳长、阻力、重量、材料等因素,我还利用绳长的调节和标度做成了第一件实用仪器——脉搏计。
1585年,因家境贫困我被迫退学并回到佛罗伦萨,在佛罗伦萨我担任了家庭教师,同时努力自学。后来从学习阿基米德《论浮体》及杠杆定律和称金冠的故事中得到启示,我自己用简单的演示证明了一定质量的物体受到的浮力与物体的形状无关,只与比重有关。我利用纯金、银的重量与体积列表后刻在秤上,用待测合金制品去称量时就能快速读出金银的成色,这种“浮力天平”用于金银交易十分方便。1586年我写了第一篇论文《小天平》记述这一小制作。1589年我又结合数学计算和实验写了关于几种固体重心计算法的论文。这些成就使我于1589年被聘为比萨大学教授,1592年起我移居到威尼斯任帕多瓦大学教授,开始了我一生的黄金时代。
在帕多瓦大学,为了帮助医生测定病人的热度,我制作了第一个温度计,这是一种开放式的液体温度计,利用带色的水或酒精作为测温物质,这实际上是温度计与气压计的雏形,利用气体的热胀冷缩性质通过含液玻璃管把温度作为一种客观物理量来测量。
我一直坚信:“神奇的艺术蕴藏在琐细和幼稚的事物中,致力于伟大的发明要从最微贱的开始。”我深深懂得,只要一次实验得到确证,就足以推翻所有可能的理由。
我认真读过亚里士多德的《物理学》等著作,认为其中许多是错误的。我反对屈从于亚里士多德的权威,并且鄙视那些“坚持亚里士多德的一词一句”的书呆子,我认为那些只会背诵别人词句的人不能叫哲学家,而只能叫“记忆学家”或“背诵博士”。我还认为世界乃是一本打开的活书,真正的哲学是写在那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里,这本书是用各种几何图形和数学文字写成的。
我从小好问,好与师友争辩。我主张“不要靠老师的威望而是靠争辩”来满足自己理智的要求。我反对一切不合理的传统,例如我在比萨大学任教时就坚决反对教授必须穿长袍的旧规,并在学生中传播反对穿长袍的讽刺诗。我深信哥白尼学说的正确,对于那些认为天体不变的人,那些大捧特捧不灭不变等等的人,我认为只是由于他们渴望永远活下去和害怕死亡。
我依靠工匠们的实践经验与数学理论的结合以及自己敏锐的观察和大量的实验成果,通过雄辩和事实粉碎了教会支持的亚里士多德和托勒密思想体系2000多年来对科学的禁锢,在运动理论方面奠立了科学力学的基石(如速度、加速度的引入,相对性原理、惯性定律、落体定律、摆的等时性、运动叠加原理等),而且闯出了一条实验、逻辑思维与数学理论相结合的新路。
我在帕多瓦自己的家中开办了一个仪器作坊,成批生产各种科学仪器与工具,并利用它们亲自进行实验。1609年7月,听说荷兰有人发明了供人玩赏的望远镜后,8月,我就根据传闻及折射现象,找到铅管和平凸及平凹透镜,制成第一台3倍望远镜,20天后改进为9倍,并在威尼斯的圣马克广场最高塔楼顶层展出数日,轰动一时。11月,我又制成20倍望远镜并用来观察天象,看到“月明如镜”的月球上竟是凸凹不平,山峦迭起。我还系统观察木星的4颗卫星。1610年我将望远镜放大倍数提高到33,同年3月发表《星空信使》一书,总结了我的观察成果并用来有力地驳斥地心说。
我通过望远镜测得太阳黑子的周期性变化与金星的盈亏变化,并看到银河中有无数恒星,这有力地宣传了日心说。
1615年,我受到敌对势力的控告,虽几经努力,力图挽回局面,但1616年教皇还是下了禁令,禁止我以口头或文字的形式传授或宣传日心说。以后我表面上在禁令下生活,实际上写出了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书来为哥白尼辩护。该书于1632年出版,当年秋我就遭到严刑下的审讯。1633年6月22日我被迫在悔过书上签字,随后被终身软禁。在软禁期间我又写了《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》一书,该书于1638年在荷兰莱顿出版。
16世纪下半叶,欧洲开始由封建社会向资本主义社会转变。在思想领域,亚里士多德的传统学说被视若神明,继续统治着人类。在科学与神学斗争的关键时刻,意大利物理学家、天文学家伽利里奥·伽利略第一个站出来反对亚里士多德的传统思想、保卫哥白尼日心说、向神学挑战。
1564年2月15日,伽利略出生在意大利的比萨城。他的父亲是一个没落贵族,有很高的文化修养并且通晓数学。受家庭的熏陶,伽利略从小就聪明好学,多才多艺。1581年,父亲把他送进比萨大学医学系,希望他长大后当一名医生,然而伽利略并不喜欢医学,他偏爱数学和物理学,对所学的医学课程一点也不感兴趣。
进入比萨大学不久,伽利略因为爱提各种刁钻古怪的问题而闻名。有些老师不喜欢他,因为对他们来说,伽利略太聪明了,提出的很多问题令他们也无言以对。对于书本上和老师们传授的亚里士多德的学说,伽利略就持有自己的见解:“有些老师讲的话不对,他们说亚里士多德永远是正确的,可是亚里士多德生活在2000年以前。从那时起,许多事物已经发生了变化。”
他常这样和老师们辩论,并希望有一天能用实验来证明自己的观点。
比萨城里有座教堂,每当他迈进这座神圣的教堂的时候,就会不自觉地被那镶嵌在四周墙壁上的雕刻和绘画所吸引。这些珍贵的艺术品都是当初建造教堂的时候从古希腊和古罗马运来的。虽然伽利略不是一个虔诚的艺术家,但他却非常喜欢这些雕刻和绘画。教堂里也很安静,便于他思考问题。
一天,伽利略来到教堂,他坐在一条长凳上静静地思考着,突然一阵风从敞开的窗户吹了进来,他注意到屋顶的吊灯被吹得左右摆动起来,吊灯的晃动是那么的和谐,伽利略抬头都看得入迷了。
“真奇怪!怎么每次摆动的时间好像都一样?”
伽利略用力推了一下灯,再仔细观察。一开始灯以一个很大的弧度摆动,慢慢地弧度变得小些了,摆动的速度也越来越慢。他联想起老师说的“脉搏跳动的次数是稳定均匀的”这句话,用右手按住左手的脉搏,心中默数吊灯摆动和脉搏跳动的次数。结果发现,不论吊灯摆动的弧度多大,每次摆动的时间总是相等。就这样,伽利略从教堂摇晃的吊灯上得到了灵感,钟摆具有等时性,但是他并没有轻易地下结论。他想:“如果不是自己的感觉欺骗了自己,就是亚里士多德的记述错了。亚里士多德曾经说过摆经过一个短弧要比经过长弧快些。”
从教堂出来回家后,伽利略找来了各种不同重量的物体在不同长度的绳子上做试验,他想通过这种试验找到正确的答案。他狂热地投入到了一个又一个摆的实验中去,根本没想再去上什么医学课了。
为了进一步掌握摆的规律性,他用不同长度的线拴上小球悬挂在天花板上,测量这些不同长度的摆摆动的周期。经过多次实验,他得出结论:摆的周期跟摆锤的质量及材料无关,而只跟摆长的平方根成正比。这是物理学上一项重大的发现,伽利略第一次用无可辩驳的事实驳倒了亚里士多德关于摆的观点。
在医学院的学习期间,伽利略竭力强制自己去实现父亲的愿望,成为一名优秀的医生,但最后他失败了。他想:“要我假装对学医感兴趣是办不到的了。”不久,他放弃了医学学业离开了比萨大学,开始钻研起数学和物理学来了。
早在大学一年级时伽利略就学习过古希腊数学家阿基米德关于杠杆和浮体比重的原理。这项理论是阿基米德在洗澡时想出来的,当时他进入浴缸,看见浴缸中的水被排出来,因此联想到,将物体放入装满水的容器中,会有和物体相同体积的水排出来。伽利略认为用这种方法来测量物体的体积太麻烦了。一天,他偶然看到一个小孩拿石头击打水面木板上的青蛙。木板被打中向右倾时,青蛙就向左跳;向前倾时,它便向后跳。不管木板怎么摇晃,青蛙都能保持平衡。原来,青蛙懂得通过移动位置来保持木板两边的均衡。
伽利略从青蛙那里得到了灵感:重量相同的东西挂在一根杆子的两端时,杆子能保持平衡。若将其中的一方浸入水中,就无法再保持平衡了。
利用这个原理,伽利略发明了测量物体的重量和体积的仪器——水秤。而后,他又发表了数学论文《固体的重心》,这篇论文轰动了当时的学术界。凭借这篇论文,伽利略得以进入比萨大学担任数学讲师,但伽利略在比萨大学并不受欢迎,因为他竟然公开站出来向亚里士多德的学说提出挑战。
亚里士多德认为,不同重量的物体从高处下落的时候速度是不一样的,当时的人们也认同亚里士多德的观点,但是伽利略对此表示怀疑。他私下做了实验:把3颗大小不同的石头,从二楼的窗口抛下去,结果3颗石头同时到达地面,他用实践证明了亚里士多德的这些理论是不对的。当他把自己做这项实验得出的结果告诉其他教授的时候,大家都不相信。在当时的学者眼里,除了上帝,亚里士多德是绝对权威的。他们嘲笑伽利略:“一个小小的讲师,竟敢说亚里士多德的学说是错的,简直荒唐可笑!”
尽管流言纷纷,伽利略仍然坚持自己的实验结果,不肯附和“权威”的说法。
为了让自己的理论得到学校的教授和学生的认同,伽利略计划用比萨斜塔来公开他的实验。比萨斜塔有60米高,而且是倾斜的,从塔上放下东西,可以清楚地看到物体掉落的情形,这是再理想不过的实验场所了。