伽利略：新時代的開辟者

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2018-03-26? 青野云麓

伽利略（Galileo Galilei，1564-02-15-1642-01-08）。意大利數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家，科學(xué)革命的先驅(qū)。伽利略發(fā)明了擺針和溫度計，在科學(xué)上為人類作出過巨大貢獻(xiàn)，是近代實驗科學(xué)的奠基人之一。

歷史上他首先在科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上融匯貫通了數(shù)學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)三門知識，擴大、加深并改變了人類對物質(zhì)運動和宇宙的認(rèn)識。伽利略從實驗中總結(jié)出自由落體定律、慣性定律和伽利略相對性原理等。從而推翻了亞里士多德物理學(xué)的許多臆斷，奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，反駁了托勒密的地心體系，有力地支持了哥白尼的日心學(xué)說。他以系統(tǒng)的實驗和觀察推翻了純屬思辨?zhèn)鹘y(tǒng)的自然觀，開創(chuàng)了以實驗事實為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系的近代科學(xué)。

伽利略是第一個把實驗引進(jìn)力學(xué)的科學(xué)家，他利用實驗和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法確定了一些重要的力學(xué)定律。1582年前后，他經(jīng)過長久的實驗觀察和數(shù)學(xué)推算，得到了擺的等時性定律，接著在1585年因家庭經(jīng)濟(jì)困難輟學(xué)。離開比薩大學(xué)期間，他深入研究古希臘學(xué)者歐幾里得，阿基米德等人的著作。

他根據(jù)杠桿原理和浮力原理寫出了第一篇題為《天平》的論文。不久又寫了論文《論重力》，第一次揭示了重力和重心的實質(zhì)并給出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，因此聲名大振。與此同時，他對亞里士多德的許多觀點提出質(zhì)疑。

在歷史上伽利略是最早對動力學(xué)作了定量研究的人。1589—1591年，他對物體的自由下落運動作了細(xì)致的觀察，從實驗和理論上否定了統(tǒng)治兩千年的亞里士多德的落體運動觀點（重物比輕物下落快），指出如忽略空氣阻力，重量不同的物體在下落時同時落地，物體下落的速度和它的重量無關(guān)。根據(jù)伽利略晚年的學(xué)生V.維維亞尼的記載，落體實驗是在比薩斜塔上進(jìn)行的，但這件事在伽利略著作中沒有記錄，因而較普遍認(rèn)為此事不可靠。

伽利略對運動基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了詳盡研究并給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式。尤其是加速度概念的提出，在力學(xué)史上是一個里程碑。有了加速度的概念，力學(xué)中的動力學(xué)部分才能建立在科學(xué)基礎(chǔ)之上，而在伽利略之前，只有靜力學(xué)部分有定量的描述。伽利略還對物體在斜面上的運動，拋射體的運動等作過實驗和觀察。在這些研究基礎(chǔ)上他提出了加速度的概念及其數(shù)學(xué)表達(dá)式。?

伽利略是利用望遠(yuǎn)鏡觀測天體取得大量成果的第一位科學(xué)家。1609年，伽利略在知道荷蘭人已有了望遠(yuǎn)鏡后，伽利略創(chuàng)制了天文望遠(yuǎn)鏡（后被稱為伽利略望遠(yuǎn)鏡），并用來觀測天體，發(fā)現(xiàn)許多前所未知的天文現(xiàn)象。1637年在目力很差情況下，他還發(fā)現(xiàn)了月亮的周日和周月天平動。這些發(fā)現(xiàn)開辟了天文學(xué)的新時代。

伽利略第一個用望遠(yuǎn)鏡觀察到土星光環(huán)、太陽黑子、月球山嶺、金星和水星的盈虧現(xiàn)象、木星的衛(wèi)星和金星的周相等現(xiàn)象，并從實驗中總結(jié)出自由落體定律、慣性定律和伽利略相對性原理等。從而推翻了亞里士多德物理學(xué)的許多臆斷，奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，反駁了托勒密的地心體系，有力地支持了哥白尼的日心學(xué)說。

無論在動力學(xué)、梁的彎曲或者是天文學(xué)的研究中，伽利略十分重視觀察和實驗的作用。他又善于在觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上提出假設(shè)，運用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行演繹推理，看是否符合于實驗或觀察結(jié)果。如在自由落體的實驗中，他讓水滴相繼地從同處下落，每兩滴時間間隔相同。他觀察到任何時刻相繼兩滴間的距離成等差級數(shù)。他運用數(shù)學(xué)中的拋物線性質(zhì)，得出下落距離和時間成平方關(guān)系。值得注意的是，他對理論推導(dǎo)也很嚴(yán)謹(jǐn)。盡管拋物線的性質(zhì)早在古希臘那里已有了解，現(xiàn)存的伽利略手稿表明，他把拋物線的公式又從頭推算了一遍。

實驗和觀測要精確，就離不開測量儀器。伽利略往往親自設(shè)計制造儀器。除了上述望遠(yuǎn)鏡外，他設(shè)計和制造的儀器有流體靜力秤、比例規(guī)、溫度計、擺式脈搏計等。?

伽利略一生堅持與教會的經(jīng)院哲學(xué)作斗爭，主張用具體的實驗來認(rèn)識自然規(guī)律，認(rèn)為實驗是理論知識的源泉。他不承認(rèn)世界上有絕對真理和掌握真理的絕對權(quán)威，反對迷信盲從。他承認(rèn)物質(zhì)的客觀性、多樣性和宇宙的無限性，這些觀點對現(xiàn)代哲學(xué)具有重要的意義。但由于歷史的局限性，他強調(diào)只有可歸納為數(shù)量特征的物

質(zhì)屬性才是客觀存在的。伽利略因為支持日心說受到監(jiān)禁后，“放棄”了日心說。他說，“考慮到種種阻礙，兩點之間最短的不一定是直線”，這一觀點非常具有現(xiàn)代性。正是因為有這樣的思想，暫時的放棄換得永遠(yuǎn)的支持，沒有遭到布魯諾的命運，卻可以為科學(xué)繼續(xù)貢獻(xiàn)力量。

伽利略認(rèn)為經(jīng)驗是知識的唯一源泉，深信自然之書是用數(shù)學(xué)語言寫的，只有能歸結(jié)為數(shù)量特征的形狀、大小和速度才是物體的客觀性質(zhì)。伽利略對17世紀(jì)的自然科學(xué)的發(fā)展起了重大作用，改變了人類對物質(zhì)運動和宇宙的認(rèn)識。為了證實和傳播哥白尼的日心說，伽利略獻(xiàn)出了畢生精力。由此受到教會迫害，并被終身監(jiān)禁。他開創(chuàng)了以實驗事實為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系的近代科學(xué)。

伽利略的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，不僅在物理學(xué)史上而且在整個科學(xué)史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誤觀點，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)研究方法時說過，“這是第一次為新的方法打開了大門，這種將帶來大量奇妙成果的新方法，在未來的年代里，會博得許多人的重視?！睈垡蛩固?a name="_GoBack">曾這樣評價：“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)的真正的開端！”