伽利略

伽利略(Galileo Galilei,1564年2月15日-1642年1月8日,水瓶座)。文艺复兴后期意大利著名物理学家、数学家和天文学家,欧洲近代自然科学的创始人之一,开创了具有严密逻辑体系的近代科学。

人物档案

姓名:伽利略·伽利莱

生卒年:1564年2月15日-1642年1月8日

出生地:比萨

国籍:意大利

身份:科学家

生平纪事

1564年2月15日,伽利略生于意大利北部近海处的比萨。父亲是一个贫困的贵族,喜好音乐,对数学也有一定的造诣。伽利略小时候在比萨求学,他和父亲一样爱好音乐,幼年的伽利略还喜欢绘画,爱做各种机械小玩具。后来伽利略全家移居佛罗伦萨。12岁时,伽利略进入佛罗伦萨附近的瓦洛姆布洛萨修道院,在那他拜读了一些希腊和拉丁作家的作品,这为他的古典文学素养打下了良好基础。伽利略极其勤奋,中学时他在一定程度上已表现出区别于其他同学的独立思想。

伽利略17岁时,完成了修道院的初级教育,随后进入比萨大学医学院。然而,医学并没有激起青年伽利略的兴趣,精密的科学反而更加吸引他。据说,他经常站在教室门口听数学课,并想在学生离开教室时,从他们那里获得点滴的知识。数学讲师得知后,便想办法帮助伽利略从学习医学转为学习数学和物理学。最后,伽利略终于得到了学习这些课程的机会。他在数学和物理学的学习上进步很快,而且十分热衷于研究古代数学家欧几里得和阿基米德的著作。

1585年,伽利略实在无法对当时那种混乱不清、模棱两可的医学发生兴趣,他将自己全部的精力和时间都用到了严谨、精密的数学和物理学上了。由于对主修专业的轻视和忽略让他付出了沉重的代价。伽利略中途辍学离开了比萨,结束了他4年的大学生涯。回到佛罗伦萨后,伽利略仍潜心研究数学。 1586年,他的论文《比重秤》使得他在意大利数学界名气大增。1589年,伽利略受聘于比萨大学,任数学教授。

当时亚里士多德的思想深入人心,被奉为权威,他的著作均被视为经典,每一句话人们都认为是颠扑不破的真理。伽利略对于物理现象的独立研究,使他确信,那些作为亚里士多德物理学讲授的、被奉为权威的东西,同样不可避免地包含许多严重错误。伽利略毫不隐瞒自己的观点。相反,他坚持不懈地公开抨击亚里士多德的物理学观点,结果导致他不受同事欢迎,同事认为他太爱寻衅,太“狂妄”。例如,伽利略就当众证明亚里士多德的观点至少有一个是荒谬的,即落体的速度随物体重量而变的观点。他把3个重量相差很大的物体同时从比萨斜塔顶上抛下,结果证明它们同时抵达地面。但是,伽利略并没有得到预想中的掌声和欢呼,人们不喜欢这个挑战大师的年轻人,也不认同他的实验,完全不承认亚里士多德理论的重大错误。认为实验可以说明一切的伽利略多少有些失望,但是他并没有与那些人有过多的纠缠,他的目光又注视到下一个课题上。

1 5 9 0年,伽利略提出自由落体定律。他再次公开证实亚里士多德关于落体速度随其重量而变的观点是错误的。但这个论证没有正面说明物体坠落的定律,所以同样没被人们认可。1591年,由于树敌太多,而且不受欢迎,伽利略结束了比萨大学的执教生涯,回到了佛罗伦萨。同年,他的父亲去世,伽利略承担起了家庭的重担。

1592年,伽利略接受了帕多瓦大学聘请,担任该校的数学和天文学教授。并在那里任教18年。伽利略在帕多瓦大学执教期间,他的科学研究工作达到了成熟阶段。他根据物体热胀冷缩的特性,制造了最初的体温计。

1609年,伽利略制造出自己的第一个望远镜,并把这个倍率较低的望远镜提高到放大32倍。伽利略从望远镜中第一次观察到月球表面覆盖着苍茫逶迤的“大山”和浩瀚无际的 “海洋”以及火山的裂痕。伽利略的发现用事实否定了亚里士多德关于“天体是完美无缺”的理论。

1615年,教会人士联合攻击伽利略为哥白尼学说辩护,控告他违反基督教教义。闻讯后,伽利略为挽回自己的声誉,力图企求教廷不因自己保持哥白尼观点而受惩处,也不公开压制他宣传哥白尼学说,教廷默认了前一要求,但拒绝了后者。教皇保罗五世在1616年下达了著名的“1616年禁令”,禁止伽利略以口头或文字的形式保持、传授或捍卫哥白尼“日心说”。

1624年,伽利略第四次去罗马,希望故友、新任教皇乌尔班八世能支持他完成自己的心愿,以此来维护新兴科学的生机。伽利略拜访新教皇,表明“日心说”可以于基督教教义相协调,但乌尔班八世坚持“1616年禁令”不变,只允许他写一部同时介绍“日心说”和“地心说”的书,但对两种学说的态度不得有所偏倚,而且都要写成数学假设性的。在这一年,伽利略研制成了一台显微镜,据说可以将苍蝇放大成母鸡一般。

此后6年间,伽利略撰写了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》一书,1630年他第五次到罗马,取得了此书的“出版许可证”。

后有人在教皇乌尔班八世面前挑拨说伽利略在《对话》中,发表了一些违反教义的言论。6个月后,罗马教廷便勒令停止出售《对话》,认为作者公然违背 “1616年禁令”。教皇集团激烈地主张要严惩伽利略,罗马帝国和西班牙王国都认为:伽利略会对各国国内的异端思想产生重大影响。在内外压力下,教皇宣布伽利略到罗马宗教裁判所受审。年近七旬的伽利略被迫抱病前往罗马,在根本不容申辩的情况下,被严刑审讯3次。1633年6月22日,在圣玛利亚修女院的大厅上,10名主教联席宣判,主要罪名是违背“1616年禁令”和《圣经》教义,伽利略被迫在教廷写好的“悔过书”上签了字。主审官宣布:判处伽利略终身监禁;《对话》必须焚绝,并且禁止出版或重印他的其他著作。此判决书立即通报整个天主教世界,在各个城市聚众宣读。在被监禁的岁月里,伽利略全面总结了自己在力学上的成就,完成了一部巨作《关于力学和位置运动的两种新科学的对话和数学证明》。

1637年,伽利略双目失明。1638年,教皇批准伽利略住在其子家中。伽利略于1642年1月8日病逝。

生活剪影

现在,谁也不会否认,伽利略的名字已经跟“近代实验科学的先驱者”这一光荣的称号紧紧联系在了一起。1583年,伽利略做的单摆实验就是近代实验物理学史上的开山杰作。

吊灯的感悟

据说,伽利略在医学院读书时,经常在比萨大教堂里做祷告。有一次,他正在欣赏大教堂内富丽堂皇的陈设的时候,突然发现眼前有什么东西正在晃动,定睛一看,原来教堂天花板中央的那盏巨大的吊灯正在晃来晃去—这时正好有几个工人在为教堂装修,他们施工时无意中碰了一下吊灯。不知是什么驱使,伽利略站起身来细细观察。 1下,2下,3下……奇怪,真是太奇怪了!原来这盏晃动的吊灯一开始晃动的弧度很大,速度也很快,可是随着晃动的弧度逐渐变小,速度也减慢了。

难道吊灯每次往返摆动所用的时间是一样长的?伽利略不敢相信自己的直觉,便用上了自己在医学院学到的一个小小的本领:他将右手手指按在左手手腕上,用脉搏的跳动来计算吊灯每一次摆动所需要的时间。

果然不出所料,吊灯每次摆动所需要的时间完全相等。正因为这样,在吊灯晃过一个较大的弧度所用的同样时间里,晃过一个较小的弧度,它就必然晃动的慢些。

伽利略心跳加快了。当他意识到自己是在教堂里的时候,赶紧抑制住自己激动的心情,静静地等待祷告结束。祷告一结束,他就迫不及待一路小跑回到了住处。他马上找来两根相同长度的绳索,各坠上一块重量相同的铅块,做了第一个关于摆的实验。

从此伽利略对实验的兴趣与日俱增。此后的一段时间里,伽利略没有去上医学院的课程,他从早忙到晚,跑遍了比萨的杂货铺、木匠铺、五金店、旧货店,找来各种质料的“绳子”:麻绳、铁丝、旧链条;又设法搞到了成对的铁球、木球、铅块……一鼓作气,他做了许许多多摆的实验。他在室内做,也到户外做,当需要把摆悬在一些较高的地方的时候,他就爬到了校园里的大树上,在高处的树枝上绑上一块木板。这样,摆悬挂得高,实验就能做得更精确了。终于,在反复的实验后,伽利略确认摆的等时性定律。

这个定律告诉人们:时间的长短取决于绳子的长度,不管绳子上系的是什么重物,只要绳子长度相同,所系的摆晃过统一弧度所需要的时间是相同的。这是伽利略一生中的第一个发现,也是他科学生涯的一个新起点。

摆的等时性定律的发现有着重要的意义。伽利略在晚年时,曾经和他的儿子一起研究,将摆和时钟机构结合起来,并留下了带有原始司行轮的一只摆钟的设计草图。伽利略逝世之后,荷兰物理学家根据他的设想,于1 6 5 6年制成了世界上第一座有摆时钟,轰动一时。当时的人们没有忘记摆的等时性原理的发现者伽利略,便把这种有摆时钟称之为“伽利略钟”。

科研成果

伽利略是伟大的意大利物理学家和天文学家,是现代科学的奠基者,近代物理学之父。他发明了天文望远镜,发展了天文学,他第一次将实验方法和数学方法全面引入科学研究。

伽利略的长篇论文《论重力》第一个提出了自由落体定律。他提出一个物体一旦运动起来便一直用同样速度沿同样方向不断运动,除非有某个力作用于它。他把这列为惯性原理的一部分。伽利略还认为,当一个力作用于一个物体时,不管该物体是静止的还是在运动,其效应完全一样。这些概念能够正确地描述一个物体自由坠落时所发生的情形。在这种情况下,物体不论大小轻重,在自由下落的过程中,若把空气阻力产生的影响除外,它们的加速度完全相同,这样就从正面否认了亚里士多德提出的重的物体落地快,轻的物体落地慢的观点。物体速度的大小和方向发生改变,也是加速度产生的原因,这对力的性质是一种客观的认识,而且“惯性”原理的发现也破除了力是运动原因的“旧概念”,认为力是改变运动状态的原因。伽利略应用此“运动独立性原理”说明:石子从桅杆顶垂直落到桅杆脚下,不会向船尾偏移。得出“做匀速直线运动的船舱中的物体运动规律不变”的著名论述,第一次提出“惯性参照系”的概念。这一原理被爱因斯坦称为“伽利略相对性原理”,可以说是“狭义相对论”的先导。

伽利略通过观察到教堂吊灯的摆动,得出“单摆的周期与摆长的平方根成正比,而与振幅大小和摆锤重量无关”。这个规律的发现为此后的振动理论和机械计时器件的设计方案建立了基础。

伽利略在天文学上的成就也是巨大的,随着他亲自制作的小型望远镜的问世,使他对天文学的研究提到了更高的层面。他观测到木星有4颗运转着的卫星,银河由无数星体组成。伽利略还观察了土星的光环,只是由于他的望远镜倍数还太低,光环还看不清楚。其后他还发现了金星的位相的变化,证实了哥白尼的日心说,但是迫于当时的宗教压力,他并没有公布自己的证实。后来,伽利略利用自己的望远镜观测太阳,发现太阳上有许多大小不等、形状各异的黑子,这些黑子让伽利略很着迷,他每天观察,甚至推算出太阳自转一周大约要28天。他的《关于太阳黑子的通信》一文详细阐述了自己的观点,轰动了整个欧洲,也触怒了亚里士多德的信徒和教会,这使他终究未能逃脱教廷的政治迫害,被终身监禁。在失去人身自由的情况下,这位科学巨匠耗3年心血完成了一部奠定了近代物理学基础的巨著—《关于力学和位置运动的两种新科学的对话和数学证明》。正是这种对事业的执着,成就了这位科学巨匠光辉灿烂的一生。

影响评述

伽利略在人类思想解放和文明发展的过程中做出了划时代的贡献。在当时的社会条件下,为争取不受权势和旧传统压制的学术自由,为近代科学的成长,伽利略进行了坚持不懈的斗争,并向全世界发出了振聋发聩的声音。他的工作,为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础。

伽利略的研究为今天科学的繁荣起到了关键性的作用。人类将永远纪念这位为科学事业做出卓越贡献的伟大的科学家。为了证实和传播哥白尼的日心说,伽利略献出了毕生精力。他以系统的实验和观察推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观,开创了以”实验事实”为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此,他是科学革命的先驱,也可以说是”近代科学之父”。