第141章 近代物理学之父——伽利略

  第141章 近代物理学之父——伽利略天空动力学与地上物理学相结合后,有别于亚里士多德的新物理学在伽利略和牛顿手中诞生了。 在列奥纳多·达·芬奇的天才思想里已经蕴含了科学精神。哥白尼在思想界发起了一场革命。吉尔伯特说明了实验方法怎样可以增加知识。到了伽利略,新的科学精神大大发展。 伽利略把吉尔伯特的实验方法和归纳方法与数学的演绎方法结合起来,建立了近代物理科学的真正方法。 1623年,伽利略发表《试金者》一书,对当时学术界的治学态度和方法作了深刻而尖锐的批评。他认为,人们一贯以权威的迷信结论为判断标准,以权威的观点来证明一切,而不敢面对事实,这是错误的研究态度。他发表了近代自然数学化运动的宣言,阐述了近代机械自然观的基本立场:“哲学被写在宇宙这部永远在我们眼前打开着的大书上,我们只有学会并熟悉它的书写语言和符号以后,才能读懂这本书。它是用数学语言写成的,字母是三角形、圆以及其他几何图形,没有这些,人类连一个字也读不懂。” 基于此,伽利略被称为近代物理学之父。伽利略·伽利莱于1564年2月15日生于意大利的比萨,他出世后3天,正是米开朗基罗逝世。伽利略的父亲文森西奥·伽利莱是著名的音乐家和数学家,他对长子伽利略的影响很大。但伽利略的父亲希望伽利略学医,因为这样可以获得丰厚的收入。1585年,不愿意学医的伽利略离开了比萨大学。在那里他没有取得医学学位,但是却对数学发生了极大兴趣。 1589年,伽利略依靠自学的几何学与物理学知识和自己出众的才华,成为比萨大学的数学教授。3年之后到了帕多亚大学,在那里度过了18年比较稳定的生活。 有关伽利略的传说很多,最有名的是“两个铁球同时落地”。据说在16世纪末,伽利略与信奉亚里士多德学说的教授发生争执,于是在比萨斜塔同时释放两个铁球,结果两个重量不等的铁球同时落地。这样他证明了在忽略空气阻力的情况下,物体下落速度与重量无关,从而推翻了亚里士多德的想当然理论。 伽利略晚年的学生在伽利略传记中提到过这件事。但是历史资料表明,伽利略可能并没有做过这个实验,而且这个实验已经有人做过。 1586年,荷兰物理学家斯台文普做过类似实验。他用1比10的重量比,选择了两个铅球,从高30英尺的高度同时下落,结果几乎同时落在木板地面上,发出“啪”的一声。由于空气阻力的存在,声音略有先后,但是已经与亚里士多德的观念不同了,因为差距十分渺小,而按照亚里士多德的观点,应该相差甚远。 据记载,当时为了反对伽利略的理论,有一位亚里士多德派的物理学家真的在比萨斜塔做了铁球实验。1612年的实验证明了两个铁球并不是同时着地,这是为什么呢?原因在于空气阻力。大家由此认为伽利略是错的,然而按照伽利略的解释,他认为他已经胜利了,情况同荷兰物理学家相似,虽然不是同时落地,但相差极微小,而亚里士多德认为,如果重球是轻球的10倍,那么应该以10倍的速度到达地面。 具体的实验并不重要,伽利略从实验中抽象出的理论是正确的,他打破了人们迷信权威的思想习惯。 伽利略是第一位用望远镜观测星空的人,也正是他的发明,结束了肉眼观测星空的时代。伽利略首先发明了温度计。它是一根玻璃管,顶端有一个空气泡,开口端则浸没于水内。 1608年,荷兰的眼镜匠利帕希制造了第一架望远镜。他的一个学徒极为偶然地拿两个凸透镜片叠放在一起观看远处的景物,结果发现远处的景物变得近了,而且还很清晰。于是学徒把这件事告诉了利帕希。通过实验,利帕希成功制作了人类历史上第一架望远镜。他将这架望远镜卖给了政府,政府认为在军事上有很大用处,因此下令保守秘密。 但消息还是传了开来。伽利略根据这个原理,制作了3架天文望远镜,放大倍数是33。 通过望远镜的观察,伽利略首先发现了月亮上有山脉和火山口。原来的哲学家认为月球的表面是完全平滑没有瑕疵的,现在看来有许多大大小小的坑穴和“海”似的东西,后来我们得知是平原。伽利略的观测动摇了教会的宇宙观,否认了“地上事物与天上事物完全不一样”的观念,引起天文界震动。 伽利略还发现金星也环绕太阳运转而且有阴晴圆缺现象,而土星在伽利略的望远镜下呈橄榄状。最令人吃惊的是银河系,茫茫银河竟然是无数独立的星星组成的,密密麻麻,这个伟大发现推翻了托勒密关于恒星天球的假设,证明了布鲁诺“宇宙无限观”的正确性。 1612年,伽利略发现,就连完美的太阳也有污点——太阳黑子。 伽利略接连写了《星界的报告》、《关于太阳黑子的信札》等书,发表了革命性的发现,动摇了神学的许多观点。人们争相传诵,“哥伦布发现了新大陆,伽利略发现了新宇宙”,哥白尼的学说深入人心。 很多传统的哲学家不相信伽利略,嘲笑他的发现。宗教神学家敌视他,教会仇恨他。只有开普勒支持伽利略,伽利略发现木星也有卫星,开普勒写信支持他。 伽利略与传统守旧派论战,而教会也开始迫害他,让主教贝拉明警告伽利略,教会将公开做出裁决,宣布他有罪。 为了不使自己受到非人的迫害,加上教皇乌尔班八世的劝阻,伽利略写了一本对话体的书,名为《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。书中借很多历史上学者之口,讨论了有争论的天体运动、潮汐形成和月球表面等问题。虽然如此,伽利略还是受到了审判,在1632年6月22日,教会法庭判处他终生监禁。伽利略在监禁中继续研究力学。 伽利略主要的和最具独创性的工作是为动力学奠定了基础。他提出了匀速运动和匀加速运动,意味着力是改变运动状态的原因。在他以前抛射体的路径,人们认为是沿直线运动,等到推力耗尽才垂直下落。而伽利略看出抛射体的运动可以分析为两个成份:一个在水平向,速度恒定不变,一个在垂直向,遵循落体的定律。这个分析导出了意大利数学家塔尔塔利亚早期的一个发现:抛物体的仰角为45度时,射程最远。 伽利略在数学的动力学方面迈出了最初的也是最难的一步。他的思想从研究为什么到怎么样,开始对物理现象进行描述,这是重大的方法变化。 伽利略还发现如果摩擦力小到可以忽略时,球滚下一个斜面之后,可以滚上另一个斜面直到和出发点一样高的地方,而与斜面的倾斜度无关。如果第二面是水平的,这个球将以恒速在这面上不断地向前跑去。 有一个传说是,伽利略在比萨教堂做礼拜,看到灯吊在空中随风摆动而触发灵感,发现摆的周期时间总是相等。这个传说已经被证明是不可靠的,因为伽利略在比萨教堂时,那盏灯还没制造出来。不过伽利略确实做实验研究了摆,并提出了落体定律。 1980年,教皇正式宣布教会当年压制伽利略是错误的。科学最终胜利了。虽然1642年伽利略就逝世了,离昭雪已经是300多年,但真理随历史存在。爱因斯坦说,伽利略标志着物理学的真正开端。

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