历史上最有影响的100人,伽利略及科学成就

2019-11-02 07:00 来源:未知

  13.伽俐留·伽俐略
[美]迈克尔·H·哈特 著 苏世军 周宇 译

主要贡献 伽利略的主要贡献可分下列三个方面:

亚里士多德在西方被称为“最博学的人”。他的很多观点被西方人奉若神明,他本人也被奉为绝对权威,他凭着“自信的直觉”,做出了“重物体比轻物体下落速度要快些”的观点,这种观点统治了西方学术界将近2000年。

公元 1564~公元1642

①力学

1590年的一天,年轻的比萨大学数学教授伽利略,邀请比萨的一些学者和大学生来到斜塔下面,他和他的助手登上斜塔,让一个重一百磅和一个重一磅的铁球,同时由塔上自由下落,轻的和重的几乎同时落地。伽利略把实验重复一次,结果仍然相同。伽利略的实验,动摇了亚里士多德在物理学中长期占统治地位的臆断,在观众中引起了极大的震动。伽利略发现了真理,但却触怒了比萨大学里亚里士多德学派的信徒,他们攻击伽利略胆敢怀疑亚里士多德,必定是圣教的叛徒。伽利略被赶出了比萨大学,但他由于这个实验发现了自由落体定律,当时他刚26岁,是他当教授的第二年。伽利略,1564年,出生于意大利比萨市一个没落贵族的家庭,1581年考入比萨大学,遵从父命学医。在大学里,伽利略深深地爱上了数学,在宫廷数学家里奇的悉心辅导下,他把阿基米德的浮力原理和杠杆原理结合起来,获得了精密的测量方法,发明了用以测定合金成分的“液体静力天平”,引起了学术界的注意。1589年夏天,他受聘为比萨大学数学教授,年仅25岁。

伟大的意大利科学家伽俐留·伽俐略对科学方法论的创立也许比任何其他个人所做出的贡献都大。他1564年生于意大利比萨市,年轻时就读比萨大学,但由于经济拮据,中途辍学。1589年他在该校找到了一个教书的职业。几年后他正式在帕尤尔大学任教,一直到1610年。他的大多数科学发现就是在此期间做出的。

伽利略是第一个把实验引进力学的科学家,他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。1582年前后,他经过长久的实验观察和数学推算,得到了摆的等时性定律。接着在1585年因家庭经济困难辍学。离开比萨大学期间,他深入研究古希腊学者欧几里得、阿基米德等人的著作。他根据杠杆原理和浮力原理写出了第一篇题为《天平》的论文。不久又写了论文《论重力》,第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式,因此声名大振。与此同时,他对亚里士多德的许多观点提出质疑。

离开比萨大学后,伽利略来到学术空气自由的帕图拉大学。每逢他上课时,大厅里挤得水泄不通。远至瑞典和苏格兰的学生也慕名远道而来,他们中间的许多人,后来都成了著名的学者。

伽俐略最初的重大贡献是在力学领域内做出的。亚里士多德教导说,重物体比轻物体下落的速度要快些。由于这位希腊哲学家的绝对权威,世世代代的学者都接受了他的论断。但是伽俐略却决定对它加以验证,通过一系列的实验,他很快发现亚里士多德错了。事实上若没有空气的摩擦阻力,重物体和轻物体下落的速度相同(顺便说一句,有关伽俐略在比萨斜塔上所做的物体下落实验的传说似乎是毫无根据的)。发现这一规律后,伽俐略又采取了下一步骤,他仔细测量了下落的物体在给定时间内所通过的距离后,发现一个下落的物体经过的距离与它下落所用的时间秒数的平方成正比。这一发现本身意味着一个恒定的加速度,具有重要的意义,但更重要的是伽俐略能用一个数学公式概括出一系列实验的结果。广泛使用数学公式和数学方法是现代科学的一个重要特征。

在1589~1591年间,伽利略对落体运动作了细致的观察。从实验和理论上否定了统治千余年的亚里士多德关于“落体运动法则”确立了正确的“自由落体定律”,即在忽略空气阻力条件下,重量不同的球在下落时同时落地,下落的速度与重量无关。根据伽利略晚年的学生V.维维亚尼的记载,落体实验是在比萨斜塔上公开进行的:1589年某一天,伽利略将一个重 10磅,一个重1磅的铁球同时抛下,几乎同时落地,在场的竞争者个个目瞪口呆,在大笑中耸耸肩走了。但在伽利略的著作中并未明确说明实验是在比萨斜塔上进行的。因此近年来对此存在争议。

伽利略给学生们讲宇宙,并告诉他们,宇宙中没有任何东西是一成不变的,这与亚里士多德的学说正好相反。他还告诉学生,所有东西、所有原子、所有星球都在运动。

伽俐略的另一个主要贡献是他发现了惯性定律。在此以前人们认为在没有外力的作用下,一个正在运动的物体必然要逐渐减速,最后停下来。但是伽俐略的实验表明这个普遍的认识是错误的。如果没有阻力,如摩擦力的作用,一个物体会无限地继续运动下去。牛顿明确地重申了这一重要原理,并把它作为第一运动定律并入自己的体系中,它是物理学中的重要定律之一。

伽利略对运动基本概念,包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出,在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念,力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上,而在伽利略之前,只有静力学部分有定量的描述。

1609年,伽利略听说荷兰人发明了望远镜,他通过别人的一点描述,凭着自己独特的天赋,经过刻苦钻研和实验,成功地研制了世界上第一架放大倍数为33倍的天文望远镜。在这架天文望远镜的帮助下,伽利略探索了深邃神秘的天空,在一年之内他就做出了一系列重大的发现:

伽俐略最著名的发现是在天文学领域中做出的。在17世纪初期天文学说处于十分混乱的状态,哥白尼的日心说的追随者和古老的地心说的拥护者之间进行着一场激烈的论战。早在1604年伽俐略就宣布他认为哥白尼是正确的,但是当时无法证明。1609年伽俐略听到荷兰发明了望远镜的情况,虽然他对这种装置只能做出蜻蜓点水的描述,但是他凭借自己独特的天赋,很快就亲手制成一台特别高级的望远镜。有了这台望远镜,他就可以利用自己的观察天才来探索太空,仅在一年之内就做出了一连串的重大发现。

伽利略曾非正式地提出过惯性定律和外力作用下物体的运动规律,这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上,伽利略可说是牛顿的先驱。

月球表面并不象亚里士多德所说的那样平滑,而是呈现不规则的凹凸起伏。

通过观察,他看到月亮不是一个光滑的球体,它的表面矗立着无数座火山口和高山。于是他得出结论说从总体来看,天体不是平滑完美的,而是和地球同样,具有凸凹不平的表面。通过观察,他看到从整体来讲银河并不是一片银色的云体,而是由众多的个体星星组成的,这些星星距离我们如此遥远以致用肉眼看上去就成了模糊的一片。通过对行星的观察,他发现有些环带包围着土星,有四个卫星绕着木星运行。这显然说明了地球以外的行星周围也可能会有运行的天体。通过观察他发现了太阳黑子(事实上在他以前就有人观察到了太阳黑子,但是他公布的观察结果更有说服力,因而引起了科学界的重视)。他发现金星这颗行星的盈亏和月亮的盈亏十分相似。这对于说明地球和所有其他行星都绕太阳运行的哥白尼学说是一项重要的证据。

伽利略还提出过合力定律,抛射体运动规律,并确立了伽利略相对性原理. 伽利略在力学方面的贡献是多方面的。这在他晚年写出的力学著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中有详细的描述。在这本不朽著作中,除动力学外,还有不少关于材料力学的内容。例如,他阐述了关于梁的弯曲试验和理论分析,正确地断定梁的抗弯能力和几何尺寸的力学相似关系。他指出,对长度相似的圆柱形梁,抗弯力矩和半径立方成比例。他还分析过受集中载荷的简支梁,正确指出最大弯矩在载荷下,且与它到两支点的距离之积成比例。伽利略还对梁弯曲理论用于实践所应注意的问题进行了分析,指出工程结构的尺寸不能过大,因为它们会在自身重量作用下发生破坏。他根据实验得出,动物形体尺寸减小时,躯体的强度并不按比例减小。他说:“一只小狗也许可以在它背上驮两三只同样大小的狗,但我相信一匹马也许连一匹和它同样大小的马也驮不起。”

银河也不是人们所说的银白的云彩,而是由千千万万颗暗淡的星星所组成的。

望远镜的发明及由此而做出的一系列发现使伽俐略闻名遐迩。但是他却由于支持哥白尼学说而遭致了有势力的教会的反对,1616年他被下了一道禁令,不准讲授哥白尼学说。这道禁令好儿年未解除,使他不胜烦恼。1623年教皇死了,他的继位人是伽俐略的崇拜者。翌年这位新教皇乌尔班八世暗示说(虽然有点含糊其词),对伽俐略的禁令已告无效。

②天文学

木星旁边有四颗运转着的卫星;地球并不是各个天体旋转的唯一中心。

在随后的六年中伽俐略写出了他的最有名的著作《两个主要世界体系之间的对话》。该书巧妙地说明了支持哥白尼学说的证据,于1632年得到教会监察吏的许可后出版发行。但是教会的权威人士对该书的出版感到愤怒,伽俐略很快就受到罗马宗教审判所的审判,指责他违反了1616年禁令。

他是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。这些成果包括:发现月球表面凹凸不平,木星有四个卫星,太阳黑子和太阳的自转,金星、木星的盈亏现象以及银河由无数恒星组成等。他用实验证实了哥白尼的“地动说”,彻底否定了统治千余年的亚里士多德和托勒密的“天动说”。

太阳上面有黑子;土星周围有光环……所有这些结果,都有力地支持了哥白尼的太阳中心说:即地球和所有行星都围绕太阳运行。

似乎很明显,许多牧师对于迫害这位杰出的科学家的决定表示不满。既使根据当时的教会法,对指控伽俐略的案件也会有争议,对他的判刑是比较轻的,事实上他根本没有坐牢,而只是被软禁在他的阿西特利的舒适的别墅里。按规定不允许他会客,但是实际上这条判决规定并没有加以实施。他所受到另外唯一的惩罚是要求他公开收回他的地球绕太阳运行的观点。这位六十九岁的科学家公开收回了他的这一观点。有一个有名的也许是不可靠的故事说,他收回自己的观点后,俯视地球,喃喃自语:“它仍在运行。”在阿西特利,他继续写力学专著。他于1642年在那里去逝。

③哲学

1610年,伽利略出版了他的《星际使者》,向全世界宣布了他的上述发现。人们惊讶地说:“哥伦布发现了新大陆,伽利略发现了新宇宙。”

伽俐略对科学发展所做出的巨大贡献长期以来就已被确认。他的重要贡献就在于他的科学发现,如惯性定律,望远镜,天文观测及确立哥白尼假说的天赋。更重要的是他在创立科学方法论中所起的作用。在此之前,大多数自然科学家都在受亚里士多德的启迪,先对事物定性观察,再划分类别。然而伽俐略则先对事物加以研究,再做定量观察。这种对仔细做定量测量的强调从那以来就成为科学研究的一个基本特征。

他一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争,主张用具体的实验来认识自然规律,认为经验是理论知识的源泉。他不承认世界上有绝对真理和掌握真理的绝对权威,反对盲目迷信。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性,这些观点对发展唯物主义的哲学具有重要的意义。但由于历史的局限性,他强调只有可归纳为数量特征的物质属性才是客观存在的。

1611年,伽利略在《关于太阳黑子的通信》中,肯定太阳是宇宙的中心,维护哥白尼的“日心说”。他竭力想分清宗教和科学的界限,认为前者属于人们的道德行为范围,后者属于自然界和人的关系的范围。他指出,天体的永恒,只是相信亚里士多德哲学的教士们自己的看法,而不是天主教的教义。

伽俐略对科研的经验方法的创立所做出的贡献也许比任何其他人都大。是他首先坚持做实验的必要性。他摒弃通过信赖权威──不管是教会的布告还是亚里士多德的命题──来解决科学问题的观念,摒弃在没有可靠的实验基础上对进行复杂推理的方法的信赖。中世纪的学者们滔滔不绝地讨论应该发生什么事情及其发生的原因,但是伽俐略却坚持通过实验来确定实际发生了什么。他的科学观显然没有神密色彩,从这方面来看,他甚至比他的一些晚辈人如牛顿更先进些。

伽利略因为支持日心说入狱后,“放弃”了日心说,他说,"考虑到种种阻碍,两点之间最短的不一定是直线",正是因为他有这样的思想,暂时的放弃换得永远的支持,没有像布鲁诺那样去为科学的真理而牺牲,但却可以为科学继续贡献自己的力量。

然而,当时势力强大的教会反对哥白尼的“日心说”。他们认为地球是宇宙的中心,太阳是围绕地球转动,而地球是不动的。因此教会在1616年给伽利略下了一道禁令,不准讲授哥白尼的学说。伽利略为此烦恼不已。

人们也许知道伽俐略是一位笃信宗教的人。尽管他受到了审判和定罪,但是他并没有放弃宗教信仰,也没有脱离教会。后代人羡慕伽俐略,把他看作是反对教条主义和反对权威扼杀思想自由的象征,这是完全正确的。但是,他在创立科学方法中所起的作用则具有更重要的意义。

科学发现

1623年,伽利略冒险开始他最有名的著作——《关于两种世界体系之间的对话》的写作。同时他6次请求教皇乌尔班接见他。他小心翼翼地向教皇介绍哥白尼学说的书籍,教皇同意他把对“日心说”赞成和反对的论点一起写出来,但不允许他得出地球是绕着太阳旋转的结论。

古希腊在物理学说方面有两大学派,一派以哲学家亚里士多德为代表,另一派则以自然科学家阿基米德为代表。两人皆是古代希腊蓍名的学者,但由于两人的观点和方法不同,其科学结论也就各异,并形成了鲜明的对立。亚里士多德学派的观点基本是唯心的,他是凭主观思考和纯推理方法作结论的,所以是充斥着谬误。而阿基米德学派的观点基本是唯物的,他完全依靠靠科学实践方法得出结论。

随后的6年时间里,他完成了他的杰作。在书中他巧妙地阐明了自己支持哥白尼学说的证据,而反对哥白尼“日心说”的人的辩解却愚蠢而无力。

然而从11世纪起,在基督教会的扶持下,亚里士多德的著作得到了经院哲学家的重视,他们排斥阿基米德的物理学,把亚里士多德的物理学奉为经典,凡违反亚里士多德物理学的学者均被视为“异端邪说”。但伽利略却对亚里士多德的物理学抱怀疑态度,相反他特别重视对阿基米德物理学的研究,他重视理论联系实际,注意观察各种自然现象,思考各种问题。在伽俐略十八岁那年,一次到比萨教堂去做礼拜,他注意到教堂里悬挂的那些长明灯被风吹得一左一右有规律地摆动,他按自己脉搏的跳动来计时,发现它们往复运动的时间总是相等的。就这样他发现了摆的等时性,后来荷兰物理学家惠更斯根据这个原理制成挂摆时钟,人们称之为"伽利略钟"。

伽利略把哥白尼的学说当作“一种纯数学假说来叙述”。1632年,这本书得到了教会监察吏的许可后出版发行。但是,教会的权威人士很快就发现了伽利略仍在支持哥白尼的“日心说”,于是便一次又一次地把他押上宗教法庭。

伽利略根据阿基米德的学说,作了迅速确定合金成分的流体静力天平的研究,发明了可以测定物质

当时的伽利略已年近七旬,身患重病,体质虚弱。在宗教法庭上,他的精神和肉体受尽了折磨。1633年6月22日,他被迫双膝跪地发誓,哥白尼的理论纯粹是一派胡言乱语。他要“放弃、诅咒、痛恨”过去的种种错误,并保证以后永不宣传和谈到它,违犯了甘愿受死。

密度的"小天平",写出了名为《小天平》的论文。后来他又潜心研究了物体重心的几何学,于1588年发表了《固体的重心》的论文,引起学术界的注意。第二年,在友人的推荐下,被比萨大学聘任为数学教授。

伽利略刚宣布完他的誓言,就大声喊道:“不管怎么说,地球毕竟是在运动着的”。这说明伽利略并没有放弃自己所坚持的学说。

亚里士多德认为两个物体以同一高度落下,重的比轻的先着地,但伽利略经过反复的研究与实验后,改写了这一结论:物体下落的快慢与重量无关。传说1590年,伽利略在比萨斜塔公开做了落体实验,验证了亚里士多德的说法是错误的,使统治人们思想长达2000多年的亚里士多德的学说第一次发生动摇。而应邀前来观看的一些著名学者却否认自己亲眼见到的一切,他们群起攻击伽利略。后来此传说被证明是不存在的。不过因为其进步思想有违神学之论,1591年,伽利略被比萨解聘。

伽利略被判处终身监禁,监外执行。但他没有放弃科学,经过3年的顽强拼博,他又完成了一部巨著《关于力学和位置运动的两种新科学的对话和数学证明》。在书中,他大胆叙述了物体的各种运动和动力学有关的一些问题,为近代实验科学的发展,开辟了广阔的道路。这部书被偷运到荷兰出版时,伽利略已双目失明。

从科学史上看,伽利略并不是落体实验的首创者,其首创者是比利时的斯台文。但伽利略的比萨斜塔实验所造成的影响却是更为深远的。

伽利略的晚年境遇极为凄凉,只有他的女儿在他身边照料他。

1592年,伽利略来到威尼斯的帕多瓦大学任教,开始了他科学活动的黄金时期。在这一时期,他研究了大量的物理学问题,如斜面运动、力的合成、抛射体运动等。他还对液体与热学作了研究,发明了温度计。1609年,伽利略制成了天文望远镜,并用这台望远镜去探索宇宙的奥秘,他发现月球的表面凹凸不平,有高山深谷;木星有四颗卫星围绕它旋转,金星和月亮一样有盈有亏;土星有光环;太阳有黑子,能自转。银河是由于千千万万颗暗淡的星星所组成。这些发现为哥白尼、布鲁诺的观点提供了有力的证据。对教会的信条进行了严厉的打击。

1634年他的女儿先他而死,他更加孤独和痛苦。1642年1月8日这位终身为科学真理而斗争的伟大巨人含冤离开了人世。

第二年,他出版了《星际使者》,通俗地向读者介绍他观察到的天空现象,宣传了他的观点。这部著作在欧洲引起了极大的轰动,伽利略因此被称为“天空的哥伦布”。1613年,他在罗马发表了《论太阳黑子》。该书以书信形式明确指出了哥白尼学说是正确的,托勒密学说是错误的。由此伽利略触怒了教会,开始受到宗教裁制所的审讯。

1683年,罗马教会终于为伽利略冤案公开平反,为此在罗马成立了一个由不同宗教信仰的著名科学家组成的委员会,它的宗旨是:“研究科学同宗教信仰的关系,伽利略案件的科学方面以及伽利略学说对现代科学的贡献。”

在教廷的压制下,伽利略仍继续科学研究,在长期观察和研究天体运动的实践中,他更加坚信哥白尼学说的正确性。1632年1月,伽利略在佛罗伦萨出版了《关于托勒密和哥白尼的两大世界体系的对话》。他在书中用三位学者对话的形式,作了四天的谈话。讨论了三个问题:1、证明地球在运动;2、充实哥白尼学说;3、地球的潮汐。《对话》总结了伽利略长期科研实践中的各种科学发现,宣告了托勒密地心说理论的破产,从根本上动摇了教会的最高权威,从而推动了唯物论思想的发展。这部著作一经出版便受到广大读者的欢迎。但却遭到了罗马教会的反对。伽利略因此而受到了长期的监禁。

1636年,伽利略在监禁中偷偷地完成了他一生中另一部伟大的著作《关于两种新科学的对话》。该书于1638年在荷兰出版。这部伟大著作同样是以三人对话形式写的。“第一天”是关于固体材料强度的问题,反驳了亚里士多德关于落体的速度依赖于其重量的观点;“第二天”是关于内聚作用的原因,讨论了杠杆原理的证明及梁的强度问题;“第三天”讨论了匀速运动和自然加速运动;"第四天"是关于抛射体运动的讨论。这一巨著从根本上否定的亚里士多德的运动学说。

科学研究方法

伽利略对物理规律的论证非常严格。他创立了对物理理象进行实验研究并把实验的方法与数学方法、逻辑论证相结合的科学研究方法。例如,为了说明惯性,他曾设计一个无摩擦的理想实验:在一定点O悬挂一单摆,将摆球拉到离竖直位置一定距离的左侧A点,释放小球,小球将摆到竖直位置的右侧B点,此时A点与B点处于同一高度。若在O的正下方C用钉子改变单摆的运动路线,小球将摆到与A、B两点同样高度的D。伽利略指出,对于斜面会得出同样的结论。他将两个斜面对接起来,让小球沿一个斜面从静止滚下,小球将滚上另一斜面。如果无摩擦,小球将上升到原来的高度。他推论说,如果减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面达到原来的高度就要通过更长的距离。然后使第二个斜面的倾角越来越小,小球将合滚得越来越远。如果第二个斜面改成水平面,小球就永远达不到原来的高度,而要沿水平面以恒定速度持续运动下去。伽利略设计的实验虽是想象中的,但却是建立在可靠的事实的基础上。把研究的事物理想化,就可以更加突出事物的主要特征,化繁为简,容易于认识其规律。伽利略的这一自然科学新方法,有力地促进物理学的发展,他因此被誉为是“经典物理学的奠基人”。

科学史上的地位

伽利略的科学发现,不仅在物理学史上而且在整个科学中上都占有极其重要的地位。他不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点,更创立了研究自然科学的新方法。

伽利略·伽利雷

伽利略在总结自己的科学研究方法时说过,“这是第一次为新的方法打开了大门,这种将带来大量奇妙成果的新方法,在未来的年代里,会博得许多人的重视。”后来,惠更斯继续了伽利略的研究工作,他导出了单摆的周期公式和向心加速度的数学表达式。牛顿在系统地总结了伽利略、惠更斯等人的工作后,得到了万有引力定律和牛顿运动三定律。伽利略留给后人的精神财富是宝贵的。爱因斯坦曾这样评价:“伽利略的发现,以及他所用的科学推理方法,是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正的开端!”

著名实验

传说1590年,出生在比萨城的意大利物理学家伽利略,曾在比萨斜塔上做自由落体实验,将两个重量不同的球体从相同的高度同时扔下,结果两个铅球同时落地,由此发现了自由落体定律,推翻了此前亚里士多德认为的重的物体会先到达地面,落体的速度同它的质量成正比的观点。

伽利略在比萨斜塔做自由落体实验的故事,记载在他的学生维维安尼(Vincenzo Viviani,1622—1703)在1654年写的《伽利略生平的历史故事》一书中,但伽利略、比萨大学和同时代的其他人都没有关于这次实验的的记载。对于伽利略是否在比萨斜塔做过自由落体实验,历史上一直存在着支持和反对两种不同的看法。

为了纪念伽利略的功绩,人们把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四命名为伽利略卫星。

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