第3章 伽利略
- 大科學家的發明故事(古今中外英雄傳人故事系列)
- 于泓主編
- 7496字
- 2021-05-31 09:43:58
伽利略·伽利萊(1564~1642),意大利物理學家和天文學家,近代實驗科學的奠基人之一。17歲入比薩大學攻讀醫學,后來轉攻數學,畢業后任大學教授。1590年在比薩斜塔上做了著名的“自由落體實驗”,后來制作了第一架天文望遠鏡,用來觀察天象,證明了哥白尼的“太陽中心說”。被羅馬宗教裁判所迫害、監禁后,仍為捍衛真理進行不屈不撓的斗爭。
伽利略是意大利物理學家、天文學家。從他開始,物理學才逐步從哲學中分離出來,成為一門獨立的學科。他最早提出慣性原理、力與加速度等概念,是經典力學和實驗物理學的先驅。他最早利用望遠鏡觀察天體,并取得大量成果,有力地證明了哥白尼日心說。平生多有著述,最著名的有《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》以及《關于兩門新科學(力學和彈性學)的討論和數學證明》。
天才的成長
伽利略于1564年2月15日,出生在意大利北部城市比薩。在父母的疼愛和呵護下,伽利略一天天長大了。雖然才四歲,可他卻常常像個小大人似的,纏著媽媽問這問那,對所有的東西都感興趣。
在小伽利略眼里,爸爸是最了不起的人。常常在傍晚時分,全家人圍坐在客廳里,聽爸爸演奏小提琴。隨著音樂的節拍,小伽利略總是不由自主地晃動著腦袋,兩只眼睛一眨不眨的,無限崇拜地盯著父親。
很快,伽利略的音樂天賦顯露出來。他對音樂的悟(wù)性之高,令文森西奧也不得不佩服。沒多久,他已經能夠像父親一樣,演奏許多復雜的樂章,而且絲毫不比父親遜色。連傍晚時分全家人的聚會,也常常是父子二人輪流演奏了。
學會了拉小提琴,伽利略并不滿足。他又發現了新的興趣目標——數學。
伽利略5歲時,文森西奧因為生意上的事到佛羅倫薩,順便帶他去參觀了那兒的一些博物館。結果,達·芬奇、米開朗基羅等大師的繪畫、雕塑作品,強烈地震撼(hàn)了伽利略幼小的心靈。
回到比薩,他開始學習繪畫。為了讓伽利略更好地掌握基本的繪畫技法,文森西奧找來許多幾何圖形的物體。沒想到伽利略不僅繪畫技藝突飛猛進,對這些幾何圖形的迷戀也是日甚一日。
他問文森西奧:“爸爸,這些幾何圖形到底有什么用呢?”
“為什么這樣問呢,伽利略?”文森西奧一時弄不清伽利略又在想什么。
“爸爸,我覺得挺奇怪的。畫畫的時候,我發現好多東西,比如房子、馬車、書桌……什么的,好像都與幾何圖形有關。”
“有關?怎么有關?”“嗯,就是說,它們都是各種幾何圖形組成的。可似乎沒這么簡單。只是我想來想去也想不明白,除了這個,它們還能有什么復雜的關系呢?”
文森西奧看著緊皺雙眉的伽利略,內心十分欣慰。兒子比一般的孩子更加善于觀察,善于思考,而且對學習有著濃厚的興趣,將來一定會有出息的。
打那以后,文森西奧正式開始教伽利略學習數學,這本來也是文森西奧的特長。
雖然在一般人看來,數學本身是枯燥無味的,可伽利略的興趣卻明顯高漲。他常常為了尋求一道數學題的解法而絞盡腦汁,廢寢忘食[12]。他似乎隨時都在思考,隨時都準備思考,逐漸養成了習慣。而這種習慣,無疑對他以后的科學研究工作大有裨益[13]。
轉眼間,伽利略7歲了。在音樂、繪畫、數學方面,他都已經小有造詣[14]。因為他做任何事情,都不只是簡單的模仿,而總要問個為什么,常常能夠舉一反三。
一天晚飯后,文森西奧帶著全家人到比薩廣場散步。伽利略和妹妹們高興地在廣場上奔跑、跳躍,就像撒歡的羊群。
突然,伽利略跑到文森西奧身邊,指著比薩斜塔,好奇地問:“爸爸,那座塔怎么是斜的?”
“哦,你是說比薩斜塔。當初建造這座塔的時候,由于某種計算上的錯誤,塔還沒建成就已經傾斜了。”文森西奧隨口說。
“那它為什么不會倒呢?”伽利略顯然不滿意父親的回答。
“這個,我也說不好。不過,這座塔已經成為世界建筑史上的奇跡了。”
“等我長大了,一定會揭開這個迷的!”伽利略充滿自信地說著,轉身跑開了。
1575年,伽利略11歲了。最近,文森西奧的生意也比以前稍有發展。看著伽利略一天天長大,依然每天滿腦子琢磨一些亂七八糟的事,文森西奧覺得該讓他接受正規教育了。
12歲時,伽利略終于進了瓦布羅薩的卡馬多斯修道院。
學習拉丁文,伽利略的天賦再次顯露。他對新知識總是有著強烈的渴望,學習起來如饑似渴[15]。沒過多久,他已經能用拉丁語和父親對話了。
算術呢?不用說,伽利略自然是百般地感興趣。他思維敏捷,反應極快。不管老師講什么,他一遍就能理解透徹。
這一天,又是算術課,老師布置大家做書上的習題。同學們陸陸續續都交了作業,只有伽利略仍然皺著眉頭,一言不發地坐在課桌旁。這可真是太奇怪了,要知道,往常第一個交作業的,必定是伽利略呀!
“伽利略,你不舒服嗎?”老師關心地問。
“沒有,老師,我很好。”伽利略回答。
“那你是不是有什么心事?”
“不是,老師。”伽利略咬了咬嘴唇。
“那么,就是你做不出算術題了?”
“是的。”伽利略承認,并且抬起頭。
老師感到有些意外;“可是,今天的題并不難呀!”
伽利略遲疑了一下,漲紅了臉,終于鼓足勇氣站起來,指著一道算術題說:“老師,我覺得書上的答案是錯誤的。”
老師更加意外了,用研究的目光看著伽利略。
當少年伽利略第一次向權威性的知識挑戰的時候,他并沒有武斷地橫加斥(chì)責,而是耐心地傾聽伽利略的分析,并且代表權威性的知識,虛心地承認了錯誤,還夸獎了伽利略的勇氣。
不過,修道院的生活,最吸引伽利略的,還是亞里士多德哲學和以此為基礎的宗教神學。他對這兩門學科的喜愛,以致于他要求當修道士,并且院長已經答應他了。
三個月后,伽利略還沒來得及成為一名修道士,卻因為眼疾而不得不回家休養。
16歲的伽利略整天把自己關在家里,只是借閱大量的書籍,并且,為了家里,他答應母親去店里幫忙。
可是,伽利略的興趣并不在生意上面,他常常不由自主地一邊看著店,一邊又拿起了書;或者一邊接待著顧客,一邊又思考起問題。
結果,雖然有伽利略的幫忙,文森西奧的生意并沒有什么好轉。因為到晚上結賬的時候,文森西奧往往發現,賣出去的貨物與收回來的錢不符。
這一天,文森西奧清點完貨物,發現收的錢又少了。他看了看仍在冥思苦想[16]的伽利略,覺得不能不與他好好地談一次了。
“伽利略,你知道,我并不反對你多看些書。可是,你今天又算錯了賬。這樣下去,咱們店會虧本的。一家人可都靠這個店的收入呢。”
“對不起,爸爸。只是,今天這本書是我好不容易才借來,忍不住在店里就看了。而且它確實是太吸引我了。”
“什么書?能說說嗎?”文森西奧揚揚眉。
“是哥白尼的書。他說太陽才是宇宙的中心,地球是圍繞太陽轉的,而不是像人們認為的那樣,地球是宇宙的中心,太陽圍繞地球轉。”
“噢,那你怎么看呢?”
“我不能確定,我想他說的有一定的道理。”伽利略用不太肯定的語氣說,“不過,偉大的亞里士多德說地球是宇宙的中心,難道會錯嗎?近兩千年來人們信奉的東西,難道會錯嗎?唉,我現在還不能分清,究竟是哥白尼說得對,還是亞里士多德說得對。但,哥白尼的論述很有說服力,我真的覺得也許是亞里士多德搞錯了。”
此后,伽利略又費盡周折借到了布魯諾(nuò)的書。看完后,他對亞里士多德的懷疑更大了。
1581年,伽利略輕松地獲得了梅迪奇家族的獎學金,如愿進入了比薩大學。這時候,他并沒有什么明確的志向,所以尊從父親的意愿,選擇了學醫。
然而,大學的生活并不像伽利略想像的那樣豐富多彩,他感到非常的郁悶。
文森西奧把自己最近剛寫的書——《古代音樂和現代音樂的對話》拿給伽利略看。上邊有一段話:“在我看來,他們僅僅是依靠權威的力量來證明什么,而不是引用任何論據來支持自己的證明,這簡直是荒唐可笑。與此相反,我希望允許自由提問和作答,而不需要任何對權威的逢迎,那才是真正追求真理。”
伽利略目前還不能完全體會父親的深意,他帶上父親的新書,搭乘了一位農夫的馬車,回比薩大學去。
回到比薩大學,伽利略越來越難以安心地上醫學課了。他常常當場與老夫子般的老師爭論,提出許多尖銳的問題,總是把他們問得無言以對,氣得他們直喘氣,恨不得把他趕出教室。沒多久,全校的老師都知道了,伽利略是一個不好對付的學生。
伽利略覺得,繼續上這種無聊的課,無疑是浪費自己寶貴的時間。于是他開始逃課,而那些老師呢?也因為少了一個搗(dǎo)亂的學生,課堂秩(zhì)序得以恢復,所以都對他睜一只眼閉一只眼。
不過,伽利略不上醫學課,并不是去睡覺或玩耍,而是去聽數學、物理課。雖然當時的意大利并不注重這些課程,但好在在比薩大學還有那么一兩位教授愿意講授這方面的知識。
伽利略尤其熱衷于歐幾里德的幾何學,還有阿基米德的靜力學。在他看來,與亞里士多德邏輯推理相比,同為古希臘科學巨人的阿基米德,采用實驗的方法要可靠得多。正因如此,他才常常動手做實驗,以證實自己的某些結論。
挑戰與叛逆(nì)
“伽利略,我代表校方正式通知你,今年,你的梅迪奇家族的獎學金被取消了。”比薩大學校長嚴肅地說。因為伽利略不遵守學校制度,不服從學校管理。
1585年,伽利略被迫輟(chuò)學回家。
一天,伽利略看到阿基米德的故事,深受啟發。故事說,古希臘國王請匠人制作了一頂王冠,害怕受騙,讓阿基米德檢驗一下王冠是否是純金的,但申明不能破壞王冠。阿基米德冥思苦想了幾天,終于在澡堂想出了辦法。他找來與王冠同樣重量的金子,把王冠和金子分別放入兩滿盆水中,通過比較二者所排出的水的多少,檢驗出純金王冠的真假。
伽利略想,同樣的道理,不也可以檢驗出別的金屬嗎?每當有什么新的想法,伽利略總是感到很興奮。他立刻找來工具,說干就干,做起了實驗。
過了幾天,伽利略拿到布店一個奇怪的東西。
“這是什么?”文森西奧問。
“爸爸,我管它叫比重秤,是我新發明的。”伽利略回答。
“它有什么用呢?”文森西奧有些不明白,他總是跟不上兒子的思維。
“作用太大啦,你可以用它檢驗出任何你不知道的金屬。”伽利略說起自己的發明,頗有些自豪。
“看起來,這東西不太大。”文森西奧評論說。
“是呀,我這樣設計,是為了讓它便于攜(xié)帶。”伽利略解釋說。
“它真的有你說的那么管用嗎?”文森西奧看看這個不起眼的小東西,有些懷疑。
“咱們現在就可以試試。”伽利略十分自信。
試驗的結果果然如伽利略所說。當時在店里的顧客立刻把這件事當作新聞,告訴了其他的人。就這樣,一傳十,十傳百,越來越多的人找上門來,要求伽利略替他們檢驗金屬,布店的生意也日益興隆(lónɡ)。
這一年是1586年。從此,伽利略名聲大振。
比重秤的發明為他帶來了聲譽,伽利略的生活才有了轉機。他帶上比重秤,拜訪了歐洲許多著名的學者,也因此結識了一些王公貴族。在吉杜巴多侯爵鼎(dǐnɡ)力推薦下,1588年,比薩大學終于聘請伽利略擔任數學教授。盡管數學課在當時不受重視,數學教授的薪水也相當低微,伽利略仍然欣喜萬分。畢竟,他總算是自食其力[17]了。
在教學和研究中,伽利略再次發現,亞里士多德關于落體運動的理論值得商榷[18]。亞里士多德認為,重量不等的物體,從高處落下來的時候,速度也不等:越重的物體,下落的速度也越快,反之則越慢,即落體的速度與落體的重量成正比。
伽利略曾在平時公開批評這個理論是錯誤的。他說:“假如亞里斯多德的這個理論是正確的話,由此推論,那么一百磅重的鐵球的下降速度就應該是一磅鐵球下降速度的一百倍了,可現實生活中并不是這樣的呀!”
不少科學家、哲學家和物理學家卻責難伽利略,說他“狂妄”,并說“懷疑先哲就是對真理的背叛”等等。
伽利略沒有屈服,因而登上比薩斜塔,要以事實來證明自己的正確。塔下有成千上萬的人來觀看他的實驗。
眾目睽睽[19]下,伽利略作了一次深呼吸,然后用雙手把兩個重量不等的鐵球同時推了下去。這時人們都屏住了呼吸,爭著觀看結果。
“啊!兩個鐵球同時落地了!”
“輕重不同的物體,他們下落的速度是一樣的。”
亞里斯多德的落體結論一下子就被推翻了。
當伽利略走下比薩斜塔時,他被狂熱的學生們舉了起來,他們一起歡呼一個新理論的創建。
他帶著學生們凱旋[20]般回到比薩大學。雖然實驗成功了,但伽利略并不沾沾自喜,他還要把這個問題更深入地研究下去。
正是在這種鍥而不舍[21]的精神的推動下,伽利略發現了著名的慣性理論。即,運動并不像亞里士多德說的那樣,是由于外力的作用才得以持續;相反,假如沒有外力的作用,物體將保持它原有的狀態,或者運動,或者靜止,外力只是改變了物質運動的速度而已。
伽利略的慣性理論是自然科學史上的一次飛躍。后來,牛頓發展了這一理論,把它總結為慣性定律,即第一運動定律。
二百多年后,近代著名的物理學家愛因斯坦評價伽利略說:“伽利略的發現,以及從他開始的科學推理的方法,是人類思想史上最偉大的成就之一,標志著物理學的真正開端。”
1597年,伽利略收到德國天文學家開普勒寄來的《神秘的宇宙》一書,書中詳細介紹了哥白尼的日心說。伽利略想起小時候的事,又找來許多相關書籍,認真研究了哥白尼的觀點。他覺得,與亞里士多德的宇宙觀相比,哥白尼的日心說更為可信,只是還缺乏足夠有力的證據。
1608年,伽利略聽說荷蘭有個叫利珀希的眼鏡匠,發明了一種儀器,可以使遠的物體看起來很近。他馬上意識到,如果能夠研制出這樣一種望遠鏡,無疑可以使對天空的觀測變得更為容易,也更為可靠。那樣,也許就可以證明哥白尼的日心說是否正確了。
伽利略看到了一線希望。他的研究的欲望馬上被充分地調動起來。整整三天三夜,伽利略不眠不休,研制成功了望遠鏡。不過,這種望遠鏡還無法看到太遠地方的物體,伽利略把它獻給了威尼斯公爵。此后,幾經改進,伽利略終于制成了可以觀測天空的望遠鏡。
他親眼看見,月球表面凹凸不平,就象地球上的高山和平原一樣!而且,月亮也不發光,它只是反射太陽光而已。
不久,伽利略又有了新的發現,那就是所謂的銀河,并不是一個整體,而是由無數的星星匯集而成的。
最讓伽利略感到興奮的是,他發現木星也有四顆衛星!這個發現對于地心說來說,無疑是一個致命的打擊,它為徹底地否定地心說,提供了無可辯駁的證據。
從此,伽利略徹底摒(bìnɡ)棄[22]了亞里士多德的宇宙觀,成為哥白尼學說忠實的捍(hàn)衛[23]者。
伽利略不僅發現了金星的位相變化,即金星也和月亮一樣,存在陰明圓缺的變化;而且,他還觀測到太陽黑子的存在。
當時,伽利略已經被林賽學院聘(pìn)為院士。林賽學院是意大利最高學府,只有杰出的科學家才能享受這一殊榮。
伽利略馬上把自己對太陽黑子的觀測情況,寫信報告了林賽學院。因為在他看來,真理只有讓更多的人了解,才能實現其價值。在信中,伽利略第一次,也是惟一一次,詳細地為哥白尼的日心說作了辯護,明確表明了支持哥白尼的立場。
林賽學院很重視伽利略的發現,將他的信公開發表。伽利略萬萬沒有料到,就是這些信,居然會使他大禍臨頭,給他帶來了噩(è)夢般的后半生。
原來,為了維護伽利略的利益,林賽學院在發表這些書信時,沒有征求伽利略的意見,就在前言中替他聲明,對太陽黑子的發現,伽利略擁有優先權。
沒想到,羅馬教廷下屬的耶穌(sū)會中,有一名叫沙伊納的會士,也發現了太陽黑子的存在,他因為優先權的聲明而對伽利略懷恨在心。這時,一名叫卡西尼的修士,希望通過攻擊伽利略來抬高自己的聲望,從而早日登上紅衣主教的寶座。兩個人一拍即合,抓住《關于太陽黑子的信》中有關哥白尼的論述,將伽利略告上了羅馬宗教裁判所。
于是,一道通告公布了,嚴禁任何人談論哥白尼的“異端邪說”,不然就要受到宗教裁判所的嚴厲懲罰。
緊接著,宗教裁判所便傳訊了伽利略,紅衣主教在法庭上威脅伽利略說:
“今后你如果再相信、講授和維護地動學說,被燒死的布魯諾就是你的下場!”
伽利略為了能夠繼續他的天文學研究,表面上表示服從,在《否認書》上簽了字,但實際上并不屈服,一離開宗教裁判所,他就在暗地里拿起他的望遠鏡,不知疲倦地觀察起天體運動來。
幾年后,教皇保羅五世死了。伽利略對新教皇抱著一線希望,以為他會以寬容的態度對待科學,結果還是落了空。于是,伽利略把自己關在屋子里,用多年的心血寫成了一部書,這就是他生平最偉大的著作《對話》,它的全名叫《關于兩大世界體系的對話》,又叫《關于托勒密和哥白尼兩種宗教體系的對話》。
《對話》經過多次周折之后,終于在1632年問世。這時,伽利略已經是68歲的老人了。《對話》不但堅持了地球在運動的觀點,還補充了哥白尼的學說,宣告了托勒密“地心說”的徹底破產,從根本上動搖了教會的最高權威。
對伽利略的迫害隨即開始了。
1633年4月,伽利略在宗教裁判所接受審判,他堅持自己的觀點,不低頭認罪,使審判持續了幾個月。
惱羞成怒[24]的法官采用“不準睡眠”的疲勞“戰術”來折磨伽利略,連續50多個小時的審訊過后,這位重病在身的古稀老人已經奄奄一息了。
在死去活來的折磨下,伽利略被迫在事先準備好的《悔過書》上簽了字。但是,當他簽完字,顫顫(zhàn)巍巍地從跪著的地方站起來時,卻喃(nán)喃地說道:
“無論如何,地球仍然在轉動!”
伽利略被宗教裁判所整整監禁了9年。先是軟禁在羅馬,后來允許他隱居在佛羅倫薩。
他晚年的生活本來已經非常悲慘,但更不幸的是,惟一照顧他的女兒竟然在他之前去世了。思念愛女的過度悲傷,使他的雙眼失明了。
但是,貧病交加、無依無靠的困境,以及失去愛女、雙目失明的打擊,都不能摧垮伽利略的意志。他不能用筆寫了,就用口說,把自己的科學見解講出來,一位心甘情愿給伽利略當助手的學生記下了這些見解,整理成《對話》的附篇。
1634年秋天,伽利略開始著手寫一部新書。“這將是我一生中最有價值的著作,因為它凝聚了我一生的心血,又是我痛苦斗爭的結果。”
經過兩年艱苦的努力,72歲高齡的伽利略,終于完成了他一生中的最后一本書——《關于兩門新科學(力學和彈性學)的討論和數學證明》。
在麥肯齊歐的努力下,1638年,《兩門新科學》一書終于在荷蘭萊頓出版發行,再一次引起科學界的轟動。
但是,伽利略卻再也無法親眼看見了。一年前,伽利略已經雙目失明,多年的眼疾終于發展到極點,奪去了他對光明的權利,他只能靠雙手去撫摸新書、靠嗅覺去感受新書的芳香。
在最后的歲月里,盡管行動受到教廷的限制,身體受到失明、疝(shàn)氣、寒熱病等病痛的折磨,但伽利略的思想卻仍然是自由的。他不肯浪費一分一秒的時間,常常不顧疲勞,日夜與朋友、學生們在客廳里討論問題。
1642年1月8日,78歲的伽利略走完了他偉大的人生歷程,安詳地離開了人世。人們對他的去世深感悲痛,紛紛以各種形式進行悼(dào)念。伽利略的一生,是探索、奮斗、抗爭的一生,他開啟了人們追求科學的大門,確立了近代科學研究的基本方法,即觀察和實驗的方法,被稱為“近代科學之父”。
1642年,就在伽利略逝世的這一年,牛頓誕生。
1979年,代表羅馬教廷,教皇·保羅二世公開承認:伽利略主張宗教不應干預科學是正確的,300多年前對伽利略的審判,是教廷(tínɡ)犯下的一個嚴重錯誤,并贊揚了伽利略敢于追求真理的奮斗精神。