实验物理学大师伽利略

实验物理学大师伽利略

6世纪下半叶，是欧洲由封建社会向资本主义社会过渡的时期。被视若神明的亚里士多德的传统学说继续统治着人类。但在1609年，意大利物理学家、天文学家伽利里奥·伽利略创制了天文望远镜，并用来观测天体，他发现了月球表面的凹凸不平，并亲手绘制了第一幅月面图。1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利。他是第一个站出来反对亚里士多德的传统思想、保卫哥白尼日心说并向神学挑战的，这是科学与神学斗争的关键时刻。

1564年2月15日，在意大利的比萨城一个著名的物理学家诞生了，他就是伽利略。虽然他的父亲是一个没落贵族，但是却有很高的文化修养，通晓数学。伽利略从小就聪明好学，在这样的家庭的熏陶下，他更显得才华横溢。在他满17岁那年，父亲希望他长大后做一名医生，便把他送进比萨大学医学系。但伽利略并没有按父亲的意愿去学医学，他偏爱数学和物理学，对所学的医学课程一点也不感兴趣。

伽利略

由于他的聪明好学，对什么事物都会产生浓厚的兴趣，所以在他入学不久，就因爱提各种稀奇的问题而闻名。这就引起了许多老师的反感，因为在他的眼里，伽利略太聪明了，很多问题他们也无言以对。对于书本上和老师们传授的亚里士多德的学说，他就持有自己的见解：“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，并希望有一天能亲自证明自己的观点。

有一天，伽利略信步来到教堂，在一条长凳子上坐了下来，不一会就进入了思考状态。这时一阵风从敞开的窗户吹了进来，吹到了他身上使他打了个寒颤。忽然他注意到屋顶的吊灯被吹得轻轻地左右摆动起来，这对于平常人来说是一件再平常不过的事了，可是伽利略却抬头看得入了迷。

“真奇怪！怎么每次摆动的时间好像都一样。”

伽利略用他制作的天文望远镜，发现了木星的卫星和卫星食现象。

他站起来，又去推了一下灯，再仔细观察。刚开始灯的弧度摆动还是很大，但是，弧度变得小些的时候，摆动的速度却变得慢些。他联想起老师说的“脉搏跳动的次数是稳定均匀的”这句话，他便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。结果吃惊地发现，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，发现了摆的等时性。

但是伽利略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。亚里士多德说过：摆经过一个短弧要比经过长弧快些。”

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

他立即回家，迅速地找来了各种不同重量的物体，在不同长度的绳子上做起了试验，想通过这种试验找到正确的答案。于是，他投入大量的精力到一个又一个摆的实验中去，没有心思再去上什么医学课了。

为了进一步研究摆的规律性，他将不同长度的线悬挂在天花板上，下端挂上小球，并测量它们摆动的周期。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。

在医学院的几年里，尽管他竭力强制自己去实现父亲的愿望，成为一名医生，但最后他承认自己失败了。他想：“要我假装对学医感兴趣是办不到的了。”不久，他没有取得医学学位就离开了比萨大学，开始钻研起数学和物理学来了。

重量相同的东西挂在一根杆子的两端时就能保持平衡

古希腊数学家阿基米德关于杠杆和浮体比重的原理，早在大学一年级的时候，伽利略就自学过。据说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，青蛙都不在乎。原来，青蛙懂得保持木板两边的均衡。

伽利略终于得到了灵感：重量相同的东西，挂在一根杆子的两端时，就能保持平衡。若将其中的一方浸入水中时，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，他又发表了以数学计算见长的论文“固体的重心”，轰动了当时的学术界。凭借这篇论文，比萨大学聘请他担任数学讲师。

可是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。当时人们都信以为真，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颗石头均同时到达地面。于是他知道亚里士多德的这些理论是不对的。当他把这项实验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，就是亚里士多德是对的。他们嘲笑伽利略：“一个小小的讲师，竟敢评论亚里士多德的学说是错的，简直荒唐可笑！”

尽管如此，伽利略仍然坚持自己的实验结果，不肯附和“权威性”的说法。

为了让学校里的教授和学生相信他的理论，伽利略计划利用比萨斜塔来公开他的实验。因为这座塔有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。

这一天中午，天气格外晴朗，广场上早就挤满了看热闹的人群，他们都互相传告着：

伽利略做落体实验的比萨斜塔

“听说大学里有一位老师，要做一项非常奇怪的实验啊！”“选在斜塔上做实验，倒是新鲜！”

人群中有一大半是比萨大学的学生，也有一些人是想看他当众出丑的亚里士多德派的教授。一会儿，伽利略拿着两个大小不同的铁球登上塔顶。他在塔上大声解释这次实验的目的：“在我左手中有一个小铁球，重量是1磅（约0．45千克）。右手中有一个大铁球，重10磅（约4．5千克）。现在，我将要把两个铁球同时放下去。事实将证明：到底是亚里士多德的理论正确，还是我的理论正确。”

说完，他叫塔下两个学生各拿一具计时用的“滴漏计”，准备记录铁球掉落到地面的时间。

“好，现在，请各位注意看！”伽利略在塔上大声宣布。广场上的喧哗立刻停止，每一个人的眼睛，都紧紧地注视这历史上重要一刻的来临。

“准备，一、二、三！”他向下面的人做了一个手势，随后双手一放，两个铁球便从斜塔上笔直地垂落下来。刹那间，两个铁球同时到达地面，扬起一小撮尘沙。

“成功了！伽利略老师。”学生们冲着塔顶上的伽利略大声地欢呼着。群众也议论纷纷：

“没错，是同时落地。”

“亚里士多德并非神，他的话也有错。”

“伽利略是对的，我们要相信事实。”

但亚里士多德派的教授们在事实面前，仍在狡辩，他们不相信亚里士多德会有错误，竟胡说伽利略在铁球里施行了什么魔术。

伽利略虽然在众人面前，圆满地证明了他的“落体原理”，推翻了亚里士多德的错误说法。但是，他这种违反传统的行为，却得不到比萨大学里头脑守旧的校长和教授们的支持，他已无法在这里继续从事教学和科研活动了。于是他愤然辞去了比萨大学的教职。

幸好，伽利略的名声已经传遍国内外，所以不久以后，他就被欧洲著名的帕多亚大学聘为数学教授。在那里，伽利略可以自由地开展科学研究。

有一天，伽利略偶然得到—本天文学家哥白尼的著作《天体运行论》，他对书中的许多论点十分着迷，连夜捧着书阅读。书上说：“地球不是宇宙的中心，太阳才是中心，月亮、地球和其他的行星，都围绕着太阳运转。”

哥白尼的《日心说》示意图

伽利略深深被这个说法震撼。因为在这以前的学者，像托勒密、亚里士多德等人，都认为“地球是宇宙的中心，太阳围绕着地球运转”。而且圣经上也是这样说的，因此，谁也不怀疑这样的说法。但是，这种说法有许多谜无法解开，一直困扰着伽利略，而哥白尼的说法，却把这些谜团解释得清清楚楚。

当他看完最后一页时，黑夜已悄悄溜走，天空已微微露出鱼肚白。伽利略兴奋得眼睛发亮，不断反问自己：“真是地球在转动吗？这是真的吗？”

哥白尼

此时，德国有位名叫开普勒的天文学家出版了一部《新天文学》。开普勒通过大量的叙述，总结出一个结论，就是哥白尼的太阳中心说是正确的。伽利略读完后，他也越研究越倾向于哥白尼的学说，希望有一天自己能亲自证明哥白尼学说的正确性。

1609年，他收到荷兰一位朋友的来信。信中说一位名叫利珀希的荷兰人有一个奇怪的发现：如果将一块凸镜片和一块凹镜片合在一起，看到远方的景物就好像近在眼前。伽利略对这个发现很感兴趣，他想：如果用这种能放大景物的镜子观察天体，一定会超过肉眼。于是他决定自制这样一个“魔镜”。

伽利略制作了一架口径4．2厘米，长约1．2米的望远镜。

他首先找来了所有关于透镜的材料，进行仔细的研究。伽利略知道，人们之所以能看见一个物体，是因为光线从这个物体上射到人们的眼睛里。在光线笔直的路线上，透镜能使它折射。凸透镜中间比边上厚，能使光线向里面折射；凹透镜正好相反，中间比边上薄，使光线向外面折射。把凸透镜和凹透镜放在一个适当的距离上，能使物体看起来放大。于是伽利略开始实验。他先花费很长时间来研磨玻璃，一片一片地磨好、擦亮，直到这些玻璃完全符合他的要求为止。他把透镜做成一对一对的，一片凸透镜，一片凹透镜。然后又准备了一个双层的能滑动的管子，一头安装一片大的凸透镜，另一头安装一片小的凹透镜。当他把管子对准窗外的建筑物时，惊讶地发现，那个建筑物似乎近在眼前，建筑物表面上那被风吹雨淋的道道斑痕都看得一清二楚。再看那稍远些的教堂上的钟塔，也是又大又近。成功了，他使物体整整放大了9倍。

伽利略还不满足。1609年的整个夏天，他都在制作这种镜管，进行反复的计算，把透镜研磨得更加精确，放大的倍数也越来越大。1610年他又制成了能放大32倍的透镜。伽利略要给这个仪器取个更好的名字，但一时又想不出合适的字眼，直到两年以后，才给它起名为“望远镜”。

“现在我可以用它来观测天体了。”伽利略这样想着。

1610年1月6日夜晚，是天文学史上一个里程碑日子。这一晚，天鹅绒似的夜空中，繁星密布，伽利略第一次把他的望远镜对准了夜空。那浩瀚壮观的天文奇景令他惊愕、着迷。

他首先把望远镜对准了月亮，美丽的月神顿时变成了麻姑。在望远镜的镜片中，月亮的表面既不光滑，也不平整，既有凸起的高山，也有凹陷的深谷。这一发现，使伽利略兴奋得整整观察了一夜。此后他又连续几夜对月亮进行观察，还发现月亮本身并不发光。因为当月亮只有半边发亮时，只要注意观察就会发现，它的另半边好像不在那里。但如果使用望远镜就能看见，它有一圈很暗淡的光。好像是另外还有一个不太亮的天体，把光照射到月亮的另一面。根据计算伽利略认为，傍晚的时候人们之所以能看见月亮，是因为地球被太阳照到的部分，正好面对着月亮。就像月亮把从太阳得到的光反射给地球那样，地球也把太阳光反射给了月亮，月亮和地球本身都不发光。月亮在不断旋转，而且是环绕着地球……

伽利略发现了木星的四颗卫星

第二年，伽利略把望远镜转向了木星。他发现木星附近有3颗明亮的小星星，就像3个小月亮一样。两颗在木星的东边，一颗在西边。第二天晚上观看时，却发现3颗小星全在木星西边。过了几个晚上，木星附近又出现了第4颗小星。以后他又一连观察了十几个夜晚，这4颗小星每天晚上都在改变自己的位置。伽利略仔细推算这4颗小星运行的情形，终于了解：“这4颗小星不是行星，而是卫星！它们像月亮绕地球旋转一样，绕着木星运行。”

这项发现使伽利略欣喜若狂：“黑夜，你给我们揭示了多少奇迹啊！”伽利略把他所看到的有关月亮、行星及卫星的许多事实，写成了一本书，名为《星球的使者》，书中他已清楚，哥白尼的学说是正确的。

现在伽利略又把望远镜移向了金星和水星，又一奇迹出现了；金星和水星也不是发光的物体。他观察了好多个夜晚，看到他们都有缓慢的变化：晚上或黎明前，常常见到金星和水星离太阳很近。当它们处于太阳的这—边时，其形状不是圆的。为什么呢？因为太阳只照射在这两颗行星的表面，而地球上的人们则处在它们的背面。当这两颗行星绕到太阳对一边时，它们呈圆形，但要显得小一些，因为它们距离地球很远。金星离我们最近，它反射出的光看起来最亮。只有金星和水星运行在地球和太阳之间，所以也只有它们会改变形状。

伽利略很兴奋，他说：“亚里士多德派的学者们说：‘月球绕地球旋转，因此太阳也一定绕地球旋转，是站不住脚的。”

为了进一步证明哥白尼的“太阳中心说”，从1611年开始伽利略开始研究太阳。他通过望远镜观察后发现，太阳表面有些奇异的黑点。这些黑点缓慢地横移过太阳表面。1613年，他在写给其他天文学家的信中谈到了“太阳黑子”。他写道：“太阳黑子可能是太阳表面或者太阳附近的物质，太阳呆在原地慢慢地旋转，太阳黑子跟着它一起转动。”对太阳黑子移动的观察，证实了太阳是在自转。

伽利略通过一系列的观察，终于证明了哥白尼的理论是千真万确的：太阳是太阳系的中心，月亮绕着地球，木星的4颗卫星绕着木星，地球、木星和其他行星绕着太阳转。

这一下，可激怒了亚里士多德派的信徒们，他们联合起来向罗马宗教法庭控告伽利略。

太阳系

“伽利略这个人太危险了，他公开支持哥白尼的学说，竟说地球中心说是错误的，可是教会一直是承认地心说的。如果对他听之任之，人们就都会相信他的胡言乱语，教会的威信和地位就要动摇了。”

伽利略被传唤到罗马，宗教法庭最后给他下了一道命令：“今后你无论在讲课或写作中，不许再讲授哥白尼的学说，更不许把它说成是绝对事实。”

伽利略很清楚，如果不顾教会的警告，继续公开宣传地动说，定会被抓进监狱，这样就再也没有办法从事研究了。他想暂时不再发表著述，先埋头于研究，他要为自己的学说找到更充分的科学根据。

有好几年的光景，他默默地忙碌着。白天做实验，晚上观察星星，几乎每天晚上他都把行星和月亮的情况记录在书本上。经过几年的科学积累，一部伟大的著作正在他的脑海中酝酿。

他把书定名为《关于两种世界体系的对话》，以三个人巧妙而幽默的对话形式，反映出当时天文学界存在的两种主要学说，他要把它写成一篇公正和诚实的报告，让每一位受过教育的人自己去辨别谁是对的，谁是错的。

他写得很慢，好多次因为生病不得不搁下笔，躺到床上。5年的时间过去了，这部凝聚着伽利略晚年心血和汗水的科学著作终于脱稿了，老人那疲倦不堪的脸上露出了欣慰的笑容。但他没有想到两年后当这部伟大的著作问世时，他又一次被传唤到罗马宗教法庭。

伽利略于罗马教廷受审

已年近70的伽利略，此时正在病中，宗教法庭不顾老人长途跋涉后的疲惫和病弱，对他进行了连续不断的审讯，企图迫使伽利略抛弃自己的“邪说”，不再相信和宣传哥白尼的地动说。精神和身体都受到严重摧残的伽利略已神志恍惚，他强撑着发抖的身体去接受法庭对他的最后判决：“伽利略，现年70岁……违背教义，宣传地球运动的邪说……判处伽利略终身监禁……从此不得以任何语言或著作，去支持、维护或宣扬地动邪说。”接着强迫已无力抗争的伽利略在判决书上签了字。当他的朋友们搀扶着这位精疲力竭的老人离开宗教法庭时，他还喃喃自语地说：“但是地球确实在运动啊！”

被囚禁后的伽利略并没有被征服，他在74岁高龄时又写下了另一部更有代表性的著作《关于两种新科学的对话》，阐述了物理学上运动的基本概念和规律，矛头直指亚里士多德的物理学偏见。

这部书完稿后的第二年，由于长期使用望远镜进行观察，伽利略双目失明了。面对着眼前的一片黑暗，他没有停止他的研究和斗争。他将自己已经研究和尚未研究的科学内容口述给他的学生，希望这些更年轻的一代人去完成他未完成的事业，传播他已发现的科学真理，揭示他未能揭示的宇宙之谜。

1642年1月8日，这位伟大的学者离开了人世，但他那为发现真理和宣传真理进行不懈斗争的精神，直至今天仍为后人传诵着。

随着时间的流逝，历史终于对伽利略这位伟大的科学家做出了公正的裁判。1979年，罗马教廷宣布重新审查对伽利略的判决书。1980年，专门成立了一个调查这一案件的委员会。

1983年，这个委员会在一本名为《伽利略·伽利莱伊》文集中公布了审查结果。该书的主编保罗一普帕尔主教写道：“给伽利略定罪的法官犯了错误。”至此伽利略的这一沉冤终于得到昭雪。

心灵纯洁的人，生活充满甜蜜和喜悦。

——列夫·托尔斯泰