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第3章 伽利略(1)

伽利略(1564—1642),意大利著名物理学家、天文学家。

伽利略出生于意大利西海岸比萨城的一个破落的贵族之家。据说在佛罗伦萨,他的祖先是很有名望的医生,但是到了他的父亲伽利略·凡山杜这一代,家境日渐败落。凡山杜是个很有才华的作曲家,生前出版过几本牧歌和器乐作品,他的数学也很好,精通希腊文和拉丁文,但是美妙的音乐不能填饱一家人的肚皮,他的数学才能也不能给他谋到一个好职位。大约在小伽利略出生不久,凡山杜在离比萨城不远的佛罗伦萨开了一间卖毛织品的小铺子,这完全是不得已的办法。但是为了维持一家人的生活,凡山杜只好违背自己的意愿去经商。

小伽利略是凡山杜的长子,父亲对儿子寄予很大希望。他发现,小伽利略非常聪明,从小对什么事物都充满强烈的好奇心,不仅如此,这个孩子心灵手巧,他似乎永远闲不住,不是画图画,就是弹琴,而且时常给弟弟妹妹做许多灵巧的机动玩具,玩得十分开心。

凡山杜一直想要把伽利略培养成一个杰出的医生,就像他的祖辈那样,受人的尊敬,并且有优厚的收入,能给他的家庭带来荣誉、地位和金钱……

小伽利略最初进了佛伦勃罗萨修道院的学校。在这所学校,他专心学习哲学和宗教,有段时间,小伽利略很想将来当一个献身教会的传教士。但是凡山杜听到这个情况后,立即把儿子带回家,他劝说伽利略去学医,这是他为儿子的未来早已设计好的一条路。

17岁进入比萨大学学习,对欧几里得几何学和阿基米德静力学产生浓厚兴趣。

1586年发明了浮力天平,1589年发表了关于几种固体重心计算方法的论文。由于这些成就,比萨大学聘请伽利略任教,讲授几何学与天文学。

当时比萨大学的教材都是亚里士多德学派的学者撰写的,书中充满了神学和形而上学的教条。伽利略经常发表反对意见,因此受到歧视和排挤。1592年,伽利略转到位于威尼斯的帕多瓦大学任教。

帕多瓦大学的学术思想比较自由。伽利略经常参加校内外的学术文化活动,与具有各种思想观点的同事讨论问题,还经常考察工厂、作坊、矿井和各项民用工程,帮助解决技术难题。伽利略在帕多瓦大学执教18年,是他一生中心情最舒畅、学术成就最多的时期。在此期间,伽利略深入系统地研究了落体运动、抛射体运动、静力学和水力学等,发现了惯性原理,研制了温度计和望远镜。

(一)伽利略的求学经历

7岁那年,伽利略进了著名的比萨大学,按照父亲的意愿,他当了医科学生。比萨大学是所古老的大学,学校图书馆藏书丰富,这很合伽利略的心意,但是伽利略对医学并没有多大兴趣,他很少上课,一上课就对教授们教课的内容提出这样那样的疑问,使教授们难于回答,在教授们的眼里,伽利略是个很不招人喜欢的坏学生。不过,伽利略只是兴趣不在医学,他孜孜不倦地学习数学、物理学等自然科学,并且以怀疑的眼光看待那些自古以来被人们奉为经典的学说。

要知道,伽利略生活的时代,正是欧洲历史上著名的文艺复兴时代,而意大利又是文艺复兴的发源地。当时,意大利的许多大城市,如佛罗伦萨、热那亚和威尼斯,发展成东西方贸易的中心,建起了商号、手工作坊和最早的银行,出现了资本主义生产关系的萌芽。加上贸易往来的发达,印刷术的发明,新思想的传播比以往任何时候都更加迅速。于是,人们对千百年来束缚思想的宗教神学和传统教条开始产生了动摇。

一个偶然的机会,伽利略听了宫廷数学家玛窦·利奇的讲课。这位青年数学家渊博的学识,严密的逻辑性,特别是他在证明数学难题时的求证方法,使伽利略深深着迷。他眼睛亮了,仿佛发现了一个神奇无比的世界,这就是他梦寐以求的数学王国!他兴奋极了,立即找到宫廷数学家玛窦·利奇,向他提出了许多百思不得其解的问题。

玛窦·利奇原是跟随托斯坎尼大公爵从佛罗伦萨来到比萨的,他给宫廷里的侍童讲数学,没有想到会有一个热心的听众,而且他提出的问题非常有趣,充分显示出超群的智慧和深厚的学识功底。

当玛窦·利奇听说伽利略是比萨大学医科学生时,不禁脱口而出:“啊,伽利略,你有天才,你会成为一个杰出的数学家的。”

伽利略的脸红了,他谈到自己对医学的厌倦,谈到父亲对他的期望,也倾诉了自己因为不能按照自己的意愿学习的苦恼。

“别泄气。”玛窦·利奇和蔼地说:“你努力自学吧,有什么困难,任何时候我都是你忠诚的朋友。”

听了玛窦·利奇的鼓励,伽利略越发刻苦钻研数学和物理学,他把从宫廷数学家那里借来的每一本书,都用心地阅读,像海绵吸水一样地吸收下来。但是,他并不是那种迷信书本的人,那些人们认为是真理的权威结论,在伽利略的脑子里常常带来意想不到的疑问,他常常为此而感到苦恼,陷入深深的思索之中。

正当他如饥似渴的学习知识的时候,凡山杜的铺子里越来越不景气,听说伽利略并没有按照自己的意愿学习医学,而是成天迷恋着不相干的实验,于是,严厉的父亲决定停止伽利略继续上大学,让他回家去当一个店员。

在佛罗伦萨一条不太热闹的街道,有一个门面不大、生意清淡的铺子,这就是凡山杜开的毛织品商店。每天,当匆匆过往的行人经过这里时,总是可以看见红头发的伽利略呆呆地坐在柜台前出神,或者旁若无人的在那里摆弄着一些莫名其妙的东西,像秤盘呀,铁块呀,盘子呀;而更多的时候,他是埋头在书本里,他看得那样专心,就连他的父亲大声叫唤都听不见。

自从回到家里,伽利略不得不违背自己的意愿在父亲的铺子里当一名店员,但是他的心里一时一刻也没有忘记数学和物理学。没有起码的学习条件,也没有老师可以求教,他就想方设法找到一些自然科学的书籍,以顽强的毅力刻苦自学。他最喜欢的书是欧几里得的《几何原理》和阿基米德的著作。《几何原理》是世界上流传下来最早的几何学著作,而希腊科学家阿基米德的著作,包含了丰富的数学与力学知识,特别是其中的一些物理实验,对伽利略有很大的吸引力。

谈起实验,伽利略的兴趣最浓。还在比萨大学时,他就动手制作了一种“脉搏计”,这是他根据摆的运动规律设计的,可以用来测量病人的脉搏跳动的情况,很受医生的欢迎。现在,在父亲的铺子里,谈不上实验的条件,但他仍然用一些日常的器具来做实验,尽管这样做免不了又要挨父亲的骂,他还是照干不误。

他从阿基米德检验国王皇冠的实验中受到启发,一面重复这个实验,一面想到这种方法的用途。当时欧洲各国的航海事业正在兴起,航海业带动了造船业和机械制造,采矿、冶金的发展,反过来又向科学技术提出许多新的问题。伽利略于是把他的注意力转向合金的物理和力学性质的研究,不久,他通过测定物体在水中的重量发现,物体投入水中减轻的重量,刚好等于它排开的水的重量。在这个重大发现的基础上,伽利略发明了一种比重秤,可以很方便地测定各种合金的比重。他还写了一篇论文,详细地介绍了比重秤的构造原理和使用方法。这件事,很快就在佛罗伦萨和其他城市传开了。

1589年夏天,在佛罗伦萨的店铺里度过了4年自学生活的伽利略,由于得到宫廷数学家玛窦·利奇的鼓励,特别是贵族盖特保图侯爵的推荐,他终于获得了比萨大学数学和科学教授的职位。这时,他只有25岁。

现在,伽利略可以不必为生活发愁了,虽然工资不高,但是他可以在完成日常教学之外,专心从事他向往的科学研究。

但是后来由于伽利略的正直和追求科学真理的性格,使他得罪了一位贵族,以致无法在比萨大学再呆下去,于是他又一次失业了。

伽利略再一次求助于盖特保图侯爵。这位珍惜人才的贵族再一次伸出友谊的手,他运用自己的影响,把伽利略推荐给帕多瓦大学,帕多瓦是意大利北部一个学术空气浓厚的小城,距离美丽的海滨城市威尼斯不远,属于威尼斯共和国管辖。

1592年,28岁的伽利略被任命为帕多瓦大学的数学、科学和天文学教授。

从此,伽利略迎来了一生中的黄金时代。

(二)伽利略与斜面实验

亚里士多德认为,“落体运动的速度与其重量成正比”,因而越重的物体下落得越快。两千多年来,人们一直认为这一论点是正确的。伽利略经过认真思考后认为这一论点是不对的。伽利略先用逻辑推理的方法。一个重球和一个轻球做落体运动,按亚里士多德的观点,重球下落得快,轻球下落得慢。但是,假如将重球和轻球合在一起,作为一个物体下落,结果将如何呢?

斜面实验

由于轻球下落得慢,将对重球下落起阻碍作用,所以重球和轻球合在一起后,其下落的快慢程度应比原来的轻球快,但比原来的重球慢,即是说,整体的下落快慢程度应介于原来的轻球和重球之间;然而从另一方面来看,轻球和重球合在一起之后比原来的重球的重量还要大,因而比原来的重球下落得还要快。这样就得出了两个相互矛盾的结论,因而证明亚里士多德的观点是站不住脚的。正确的结论只能是“落体运动的速度错误的。据说伽利略曾在比萨斜塔上当众做过轻球和重球同时下落的实验,结果轻球和重球下落的快慢程度是相同的。

为了进一步探讨物体自由下落时所遵循的运动规律,伽利略做了著名的斜面实验。因为自由落体运动比较快,加速度较大,不易测量。