伽利略对哥白尼学说的支持和宣传

图6.11　伽利略肖像

伽利略（Galileo Galilei，1564－1642）于1564年2月15日生于比萨。1581年进比萨大学学习医学，随后转到了数学，并成为比萨大学的数学教授。1592年起又到帕多瓦大学任数学教授，他一直在那里任教了18年。1610年他凭借新近发明的望远镜所作出的发现，获得了托斯卡纳大公首席数学家和哲学家的职位，拥有这个职位直到1642年1月8日去世。

伽利略在两个层面上展开对哥白尼学说的支持。第一个层面是以通过望远镜作出的天文发现支持哥白尼学说。第二个层面是通过重新评价运动的概念，反驳了对地动说的经典驳难，从物理上支持哥白尼学说。

伽利略在1609年听说了荷兰人发明的一种玩具——望远镜，它用两块透镜的组合可以把很远处的物体“拉近”从而看得更清楚。此时的伽利略正处在创造能力的顶峰，他马上想到可以用望远镜来做天文观测，并且立刻亲自动手制造望远镜。在他于1610年出版的《恒星使者》一书中，伽利略介绍了他制造出第一架用于天文观测的望远镜的经过。据他自述，用这架望远镜观察物体时，“同肉眼所见相比，它们几乎大了一千倍，而距离只有三十分之一。”伽利略制造的望远镜本质上同荷兰望远镜一样，但是伽利略具备精深的光学知识，所以他的望远镜远比荷兰眼镜制造商们的制品好，以致荷兰人首先发明的这种构造的望远镜后来被称作伽利略望远镜。

当用望远镜观看恒星时，伽利略看到了许多肉眼无法看到的恒星。神秘的银河，现在他能解释为是由无数恒星所组成，因此证实了两千年前亚里士多德的思索。

伽利略还发现，尽管行星的视圆面可以按望远镜放大倍数而扩大，但对于恒星就不行了。这对于哥白尼主义者来说是个好消息。第谷已经估计过，为了解释探测恒星周年视差的失败，哥白尼主义者将不得不把恒星放置到700倍于土星距离以外的地方，并且为了在如此远处还呈现视圆面，这些恒星必须是非常巨大的。现在伽利略证明这些恒星的视圆面只不过是一种错觉。

当伽利略在1610年1月7日第一次观测木星时，他发现木星位于三颗小星的中间，而这三颗小星令人惊奇地排成一条直线。木星那时正向西（逆行）运动，因此，伽利略希望在这之后的夜里，木星将运动到这些小星的西面。但事实上它却出现在了东面。第二晚是多云天气，但是到了1月10日，他发现木星到了两颗小星的西面，而第三颗小星不见了。到1月13日，小星变成了四颗，到1月15日，伽利略意识到这些小星实际上是木星的卫星，是绕木星旋转的、像被太阳带动的行星一样、是被行星带动的月亮。

早在《天体运行论》卷一给出的哥白尼体系模型中就有一个严重的不规则现象，即地球一方面是一颗普通的行星，另一方面是唯一一颗带有一个卫星——月亮——而绕太阳旋转的行星。现在，望远镜揭示了还有另外的带着至少四个月亮的行星。木星卫星的发现使得哥白尼构想的太阳系有了一个令人信服的类比，并直接支持了哥白尼提出的宇宙没有唯一的绕转中心的猜想。

图6.12　伽利略发现木星卫星的手稿

图6.13　伽利略在《恒星使者》中描绘的月亮表面

尽管外观并非白璧无瑕，但月亮被列入在亚里士多德的天界之中，并且同属于完美的天体。然而伽利略的望远镜显示，它的表面是不规则的，和在地球上一样也有山峰——这些山峰的真实性连同伽利略对它们实际高度的估算可以让读者想象着试图去攀登它们。

伽利略急于利用他的发现来促进他的事业，他只花了几个星期就完成了《恒星使者》的写作，宣布了他的令人震惊的消息。为了谋求托斯卡纳大公首席数学家的职位，伽利略把新发现的木星的四颗卫星命名为“美第奇星”——而现在这四颗卫星被叫做伽利略卫星。

伽利略还用他的望远镜作出了进一步的重要发现。伽利略发现在传统宇宙理论中作为完美象征的太阳，其表面实际上是“斑斑点点、不洁净的”，这就是太阳黑子的发现。当然这项发现的荣誉还应该与他同时代的另外两三位天文学家分享。开普勒已经知道太阳表面有黑子存在，甚至没有利用望远镜。法布里修斯在伽利略之前已经用自己的望远镜看到了太阳黑子。另一位很早观察到太阳黑子的是沙伊那。但伽利略正确地解释了太阳黑子应该附着在太阳表面，而不是像当时一些学者认为的是漂浮在太阳上空。伽利略晚年双目失明，很可能与他长期用望远镜观察太阳有关。

伽利略最为重要的发现是金星有着与月相一样的位相变化，它有时呈现满月那样的圆面，有时则如一弯新月那样。这一现象完全不能与托勒密关于金星的几何学相容。

图6.14　哥白尼体系（上左）与托勒密体系（上右）对金星相位变化的解释

伽利略对哥白尼学说的热情支持和宣传，最终导致罗马的宗教法庭采取措施。1616年宗教法庭宣布，《天体运行论》将被停止传播，直到它被修正为止。红衣主教罗伯特·贝拉明（Robert Bellarmine，1542－1621）口头警告伽利略不可以再相信哥白尼体系是真实的，或为其辩护。

1623年伽利略的朋友红衣主教马费奥·巴尔贝里尼成为教皇乌尔班八世，伽利略以为事情出现了转机。1624年伽利略到罗马晋见了教皇。1630年伽利略再到罗马谋取他的一部新作的出版许可证。在通过了教皇指定的审查班子对书稿的审查之后，1632年伽利略的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（简称《对话》）获得正式出版。

图6.15　《对话》封面和扉页

《对话》用意大利方言写成，对哥白尼宇宙学的优点给出了精彩的陈述，并且有望远镜的证据支持。该书采用三个朋友之间对话的形式。萨尔维阿蒂（Sakviati）代表伽利略；沙格列陀（Sagredo）是个很有理性的人，他赞同萨尔维阿蒂的观点；辛普利丘（Simplicio）是公元6世纪时亚里士多德著作的注释者，在书中扮演了传统和权威的捍卫者。这三个人在四天里作了四次内容广泛的谈话。第一天论证了地球和行星一样，是一个运动的天体；第二天讨论了周日运动；第三天讨论了周年运动；第四天讨论了潮汐问题。

哥白尼的地动学说曾经面临这样的驳难：如果说地球在自转的同时还在绕日公转，为什么我们完全感觉不到这种运动？一支箭垂直射向空中，为什么又落回到原地？因为按照亚里士多德的论证，地面上的物体除了寻找其固有位置的自然运动之外，别的运动都需要外力。如果地面从西往东在移动，那么垂直落下的箭因为没有横向的作用力，势必要落在偏向西面的地方。然而事实并非如此，所以地球在箭飞行的时间内是没有移动的。

面对这种驳难，伽利略在《对话》中采取了一种釜底抽薪的策略，也就是重新评价运动的概念。对亚里士多德来说，非自然运动的强迫运动需要一个原因，因此要求一个解释；而静止是不需要原因的。伽利略则对运动给出了一个不同的观点。他说，并不是运动本身需要原因，而是运动的变化需要原因。稳定的运动包括静止这个特例是一种状态，保持这种状态会感觉不到运动。这就是为什么地球上的人在地球绕太阳旋转的时候感觉不到自己的运动速度的原因。

伽利略在《对话》中提出了一个能够证明所有试图证明地球不动的实验都无效的思想实验：

设想把你和你的朋友关在一只大船的舱板下最大的房间里，里面招来一些蚊子、苍蝇以及诸如此类有翅膀的小动物。再拿一只盛满水的大桶，里面放一些鱼；再把瓶子挂起来，让它可以一滴一滴地把水滴出来，滴入下面放着的另一只窄颈瓶子中。于是，船在静止不动时，我们看到这些有翅膀的小动物如何以同样的速度飞向房间各处；看到鱼如何毫无差别地向各个方向游动；又看到滴水如何全部落到下面所放的瓶子中。而当你把什么东西扔向你的朋友时，只要他和你的距离保持一定，你向某个方向扔时不必比向另一个方向要用更大的力。如果你在跳远，你向各个方向会跳得同样远。尽管看到这一切细节，但是没有人怀疑，如果船上情况不变，当船以任意速度运动时这一切应当照样发生。只要这运动是均匀的，不在任何方向发生摇摆，你不能辨别得出上述这一切结果有丝毫变化，也不能靠其中任何一个结果来推断船是在运动还是静止不动。

在封闭的船舱中做任何力学实验都不可能发现一只船是停泊在港口还是行驶在海上。这个说法现在称之为“伽利略相对性原理”。此后几乎花了三百年时间，这个原理才由爱因斯坦推广到在任何作匀速运动的封闭系统中观测到的光学和电磁现象都是一样的。

伽利略在《对话》中表现出的支持哥白尼学说的鲜明立场最终导致了教皇不悦，不久他便被召唤到罗马，并指控他违反了1616年的法令。最后，伽利略以将危害天主教会今后的名誉为理由公开放弃了哥白尼学说，宗教法庭感到满意而判处他终身监禁，并命令他三年里每星期都要背诵《诗篇》中的七首忏悔诗。他的“牢房”是很舒适的，一开始他被监禁在锡耶纳大主教家里，后来被监视居住在佛罗伦萨附近他自己的家中。每周象征性的忏悔圣歌也由他女儿代替。《对话》在1835年被从天主教的禁书录中去掉。