科学家的故事:与自然科学结下不解之缘的伽利略

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适合年龄:6岁以上

难易程度:中级

伽利略1564年生于意大利的比萨城。其父是一位音乐家,多才多艺,还精通数学和文学。伽利略12岁进洛姆博罗莎经院学校读书,17岁进比萨大学学医。他从小聪明好学,才智过人,具有极强的独立精神,遇事好寻根同底,并养成观察、思考和亲自实验操作的习惯,从不迷信权威和盲从他人。他才华横溢,能言善辩,锋芒毕露,在比萨大学获“辩论家”绰号。这些品质,为他以后取得卓越科学成果创造了条件,同时也为他遭受经院派教授的憎恨、教廷的迫害埋下了祸根。

伽利略去比萨学医是父亲的意愿。因为当时一位医生的工资是一位数学家的30倍。可是命运却自有安排。一次偶然的机会,伽利略听了一堂几何课,几何学的逻辑性深深地吸引了这位年轻人。从此一发不可收,使他走上了数理科学研究的荆棘之道,既创造了伟大,也带来了灾难,使他一生不仅与自然科学结下了不解之缘,同时也与社会的保守势力斗争不息。

大学期间,由于对数学、物理学感兴趣,他名为医学生,实为数理迷,经常在医学课堂上暗读欧几里得的《几何学原本》和阿基米德的著作,回到家中就独自摆弄图形和物块等玩意做实验。他的这种“不轨行为”引起了教授们的不满,结果他学医3年,在教授们的反对下没有得到文凭而被迫退学。就在这3年中,他领悟了欧、阿两氏的思想方法之精髓,重复了阿基米德的研究,进行了实验验证,并在1583年从观察教堂吊灯摆动到亲自进一步实验研究,发现了“摆的等时性",1586年,他发表了关于测定固体比重的论文《液体比重秤》,引起了数理学术界的注意。由于比萨大学数学教授空缺,他被推荐为数学教授,但收入十分微薄。

伽利略这位年轻的教授,常常我行我素,不理睬校方教授要穿长袍礼服的规定,经常穿便服出人校园,还写诗批评穿长袍礼服的规定,结果经常被罚款,成为同行反对和议论的对象。不仅如此,他还冒天下之大不走,散布批判亚里士多德论点的言论,声言:发现真理的道路不是靠背诵亚里士多德的著作,而要通过学习大自然这本宝书。他公然发表与亚里士多德论点相反的言论:轻重物体从同一高度下落,其下落速度是相同的,并同时落地;力所引起的“不是物体的运动,而是运动的改变"。这便引起了亚里士多德的崇拜者的反对,连他的学生们由于受到蒙蔽也起哄反对他。在这种情况下,据说(无历史考证)1590年,他做了一个轰动比萨城的实验:将分别为10磅和1磅的铅球从比萨斜塔的顶部同时抛下,“砰”的一声,两只铅球同时落地。结果震惊了看热闹的人群,也使准备看他笑话并反对他的经院派教授们目瞪口呆。尽管事实胜于雄辩,但这更激怒了那些吃亚里士多德理论饭的人。1592年,伽利略被赶出了比萨大学,被迫去了帕多瓦,在朋友的帮助下,当上了帕多瓦大学的教授。

伽利略在比萨大学任教时写下了《运动的对话》一文,并做了出色的实验,提出了新的观点,发现了“落体定律”,被具有新思想的科学家们誉为“当代的亚里士多德”。这是他在科学研究道路上的青年期。

伽利略在帕多瓦的18年(1592-1610)是他科学生涯的形成期。在这一时期,他进一步完善了有关动力学和运动学的研究,提出了“斜面定律”、“惯性定律”、“抛拋射定律",以及相关的概念;还研究了光学问题,如光的颜色、光的本性,提出了光速恒定的观点,设计了光速测定的实验;此外他还研究了材料强度等问题。在仪器设备上,1593年他制造出了气体温度计。1608年,他得知荷兰眼镜商人制造了望远镜,对此发生了极大兴趣,经过多方学习研究,于1609年制造出了放大率为1000倍、缩短距离为30倍的,由凸、凹透镜组成的伽利略望远镜。这为他进行天文观测增添了一件有力的武器,使他成果累累。同时也使他进入了历史的是非之地,引出了与罗马教会的论战和抗争。伽利略坚信哥白尼的太阳中心说是正确的,在给开普勒的信中,他自称是“哥白尼的信徒",1604年,他观察到巨蛇星座新星出现并在1年后消失,从而驳斥了亚里士多德学派“天体永远不变”的谬论。他利用他的望远镜观察到月球表面凸凹不平,太阳有黑子,木星有4颗卫星,银河系由无数的恒星组成,金星、水星也有盈亏现象等。1610年,他发表了《星际使者》一书,公布了上述新发现,并宣告了天上的星星“绕太阳运行”以及地球自转的观察结果。1613年又出版了他的《关于太阳黑子通信集》的专著,直接批判了经院派学者所宣扬的“太阳完美无缺”、“地球是字宙中心”的托勒玫和亚里士多德的错误观点,结果使罗马教廷震怒。1615年,他受到宗教裁判所的传讯和警告,裁判所宣布哥白尼学说为异端邪说,并命令伽利略停止宣传哥白尼的学说。1623年,喜欢数理的马伯利尼红衣主教登上了新教皇的宝座。伽利略对其抱有幻想,于1630年发表《试验者》论文又宣布了原来的观点;1632年进一步发表警世之作《关于两大世界体系的对话》,即托勒玫和哥白尼体系的对话,直接生动而有力地宣扬了哥白尼的学说,批判了托勒玫的学说,被世人誉为近代天文学三大杰作之一(另两大杰作为哥白尼的《天体运行论》和牛顿的《自然哲学的数学原理》)。伽利略的著作直接动摇了罗马教廷赖以支撑的教义,引起教廷的惊恐。教皇下令没收这本书,立即逮捕伽利略。1633年2月伽利略开始被审讯,此时他已69岁,病魔缠身。历经严刑拷打,已生命垂危的他,被迫在事先写好的“认罪书”上签了字,并于同年4月12日被判为终身监禁。据说,伽利略听了宣判后嘲喃地说:"无论如何,地球确实在运动啊!"

罗马教廷对伽利略的摧残和对真理的压制,使意大利科学发展走人低谷,200余年中很少出现大物理学家。

伽利略生命的最后9年被囚禁于阿尔契特里郊外的一所别墅里,不准再进行科学研究活动。此时他双目失明,百病缠身,只有他的学生托里拆利和维维安尼陪伴他。就在这样的困境下,他口述和总结了他的物理学的科研成果《关于两门新科学(动力学和局部运动学)的谈话与数学证明》。此书不仅总结了他以前的研究成果,而且形成了严密的科学体系,表达严谨,论证严密,数学表述准确,使实验结果、逻辑表达和数学推证浑然一体。这本书为近代物理学的发展开创了新纪元。此书1636年完成,被秘密送往荷兰发表,于1638年面世。伽利略在1610年离开帕多瓦后所完成的《关于两大世界体系的对话》和《两门新科学的谈话》两本书标志着他的科学思想和科学研究走向了成熟阶段。他为后人留下了宝贵的遗产,而这位科学史上的“巨人”却在满目凄凉、贫病交加中于1642年1月8日默默地与世长辞,终年78岁。临终时,他怀抱着《两门新科学的谈话》这本饱含自己生心血的书,用模糊不清的声音说:“我认为这是我一切著作中最有价值的,因为它是我极端痛苦的果实。”

爱因斯坦和英费尔德在《物理学进化》中评论说:“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一,而且是标志着物理学的真正开端。”如果说,开普勒发现了天上行星运行的三定律的话,那么伽利略发现了地上物体运动的三定律:自由落体定律、惯性定律和抛体运动定律。与这三定律相联系的还有匀速运动、匀加速运动、瞬时速度、加速度等概念和运动独立性原理、相对性原理、叠加性原理,以及运动的分解、合成和平行四边形法则等。

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