近代实验物理学开拓者：伽利略

    伽利略•伽利莱（Galileo Galilei，1564～1642）是意大利著名的物理学家、天文学家和哲学家。他1564年2月15日出生在比萨，就是有著名的比萨斜塔的那个小城市，1642年1月8日死在自己的故乡。     1572年，伽利略开始上学时，就是一个勤奋好学、充满求知欲的好学生。1575年，小伽利略随全家迁居到了佛罗伦萨，进了一座修道院继续学习。在学习过程中，他逐渐成长为一个重要的物理学家，正是他第一个把实验引进力学研究。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，经过长久的实验观察和数学推算，伽利略得到了摆的等时性定律，以至于后来的挂摆时钟都称为“伽利略钟”。这时候，他还只是修道院的一个普通学生！       1585年，伽利略因为家庭经济困难，被迫辍学在家。但他并没有放弃学习，没钱上学，他就自学。他系统、深入地研究了古希腊学者欧几里得、阿基米得等人的著作，根据杠杆原理和浮力原理，写出了第一篇论文——《天平》，不久又写出了一篇更重要的、可以算做他“成名作”的论文《论重力》，《论重力》第一次揭示了重力和重心的实质，并给出了准确的数学表达式，一时间，伽利略作为一个青年科学家，声名大振。       也正是在研究古希腊学问的过程中，伽利略对于以亚里士多德为主的很多主流科学家的观点产生了质疑。正是这种勇于探索和质疑的精神，成就了伽利略的伟大贡献，也为他之后悲惨的人生埋下了伏笔。       因为在力学方面的突出影响，1589年，比萨大学决定聘请伽利略为数学教授。在此期间，伽利略继续着力学方面的研究，主要是对落体运动进行细致观察和深入分析。       在伽利略之前，科学界通行的落体运动理论是亚里士多德的“落体运动法则”，亚里士多德认为，物体的下落速度和重量成正比，轻的东西（比如羽毛）下落慢，重的东西（比如石头）下落快。这个理论符合人们的日常感觉，亚里士多德又是统治学术界一千多年的权威，所以从来没有人怀疑过这个理论。       伽利略想到，按照亚里士多德的理论，如果一块大石头下落快，而一块小石头下落慢。那么，如果把两块石头捆在一起下落，结果会怎么样呢？两块石头的重量比一块大石头重，那么应该下落更快。可是，小石头下落慢，不是会拉扯着大石头下落更慢一些吗？这岂不是矛盾？       作为近代实验物理学的开拓者，伽利略非常重视实验。他的落体实验闻名世界，从比萨斜塔上往下扔大小不同的两个铁球，结果两个球几乎同时落地。伽利略从实验和理论两方面证明了超级权威亚里士多德的错误，确立了正确的“自由落体定律”：在忽略空气阻力等条件下，重量不同的物体下落速度相同，下落的速度与重量无关。当然，关于在比萨斜塔上公开作实验，从而引起轰动这一点，近年来存在争议，因为这个轰动一时的实验，根据的是伽利略晚年的学生V.维维亚尼的记载，而在伽利略本人的著作中，并未明确说明实验是在比萨斜塔上进行的。但是这一点并不重要，重要的是，伽利略完成了自由落体实验并发现了“自由落体定律”，从而改写了力学上的几个基本观念。       但自由落体实验带给伽利略最直接的后果，不是功成名就、名声大噪，而是丢掉了比萨大学教授的职位，他被迫于1591年转到威尼斯的帕多瓦大学教书，1609年又回到佛罗伦萨。1611年到罗马并担任林嗣科学院的院士。       但无论身在何处，伽利略从来没有停止他对大自然秘密的探索。伽利略对运动的很多基本概念（如重心、速度、加速度等）都作了详尽的研究，并给出了严格的数学表达式。尤其是“加速度”这个概念的提出，是力学史上的一个里程碑。在此之前，物理学的力学只有定量描述的静力学，有了“加速度”的概念后，力学才发展出动力学部分。伽利略还曾经提出过惯性定律和外力作用下物体的运动规律，为后来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，伽利略是牛顿的先驱。       伽利略在力学方面的贡献是多方面的，他先后发明了浮力天平和温度计，还提出过合力定律、抛射体运动规律、伽利略相对性原理等，这些在他晚年的力学著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中都有详细的描述。       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。被认为标志着材料力学的开端。例如，伽利略阐述了关于梁的弯曲试验和理论分析，断定梁的抗弯能力和几何尺寸的力学相似。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。伽利略曾经参观威尼斯一家兵工厂，观察一些几何相似的结构物，经分析研究，认为：如果将物体做成几何形状，则尺寸愈大者，其强度愈弱。这是自重所起作用的结果。伽利略分析了梁弯曲理论用于实践时应该注意的问题，他指出，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，动物的形体和尺寸减小时，躯体的强度并不是按比例减小的。他说：“一只小狗也许可以驮两三只同样大小的狗，但一匹马也许连一匹和自己同样大小的马也驮不起。”       除了力学研究，伽利略还是重要的天文学家。他是第一个利用望远镜观测天体，并取得大量研究成果的科学家，正是他发明的望远镜，帮助人类有史以来第一次“亲眼”看到了星星们的真相，知道了月球表面是凹凸不平的，看到了月亮上的环形山，以及太阳黑子、金星、木星的盈亏现象，以及银河是由无数颗恒星组成的……伽利略还用望远镜发现了木星的四个卫星，这四颗星星被称为“伽利略卫星”。正是伽利略的观测实验，证实了太阳的自转和哥白尼的“日心说”和“地动说”，彻底否定了亚里士多德和托勒密的“地球中心论”和“天动说”。       因为这一伟大的天文学发现，伽利略遭到了教会的残酷迫害。1633年2月，伽利略被罗马的宗教裁判所以“反对教皇，宣扬邪学”的罪名，判处“终身监禁”。1638年以后，伽利略的双目逐渐失明，晚景凄凉。       其实，伽利略对教会的态度，并不像一般人想象的那么激烈反对，他与宗教的关系也远比一般人想象的要密切得多。伽利略出生在天主教的大本营意大利，他的全部学习经历都是在修道院完成的。伽利略本人还是一个虔诚的教徒，并不反对基督教。作为基督教教徒兼科学家、哲学家，伽利略对教会的意见仅仅是，基督教应该给自己的权限和领域划出界限，从而给科学足够的空间。反之，在神学领域外行使权力是不明智的。因为，宗教和教会的职能是安抚人的灵魂，而科学的任务是探索自然的规律，两者不应互相侵犯。伽利略坚持的，仅仅是他在临终时的那句话“地球仍在转动”，而不是要对教廷进行攻击和诋毁。       伽利略一生都在跟唯心论和教会的经院哲学作斗争，他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，认为经验才是理论知识的源泉，主张用具体的实验来认识自然规律。他不承认世界上有超验的绝对真理存在，更不承认有永远掌握真理的绝对权威，所以他反对盲目迷信权威。       事实证明，真理就是真理，真理有时候可能会被蒙蔽，但错误永远不能变成真理。在伽利略之前，意大利教会可以把布鲁诺处以火刑、将康帕内拉长期打入死牢，但是三百多年后的1979年11月10日，罗马教皇不得不在公开集会上承认，伽俐略受到的审判是不公正的。1980年10月，在世界主教会议上又提出重审这一案件。教会在罗马组成了一个由不同宗教信仰的科学家、历史学家构成的重审委员会，研究伽利略案件的始末、伽利略学说的科学价值及其对现代科学思想的贡献，以及研究科学与宗教的关系。重审的结果是，罗马教皇代表基督教，正式为科学巨人伽俐略沉冤昭雪。