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伽利略簡史

伽利略(Galileo Galilei,1564年2月15日-1642年1月8日,水瓶座)。文藝復興後期意大利著名物理學傢、數學傢和天文學傢,歐洲近代自然科學的創始人之一,

伽利略(Galileo Galilei,1564年2月15日-1642年1月8日,水瓶座)。文藝復興後期意大利著名物理學傢、數學傢和天文學傢,歐洲近代自然科學的創始人之一,開創瞭具有嚴密邏輯體系的近代科學。

1564年2月15日,伽利略生於意大利北部近海處的比薩。父親是一個貧困的貴族,喜好音樂,對數學也有一定的造詣。伽利略小時候在比薩求學,他和父親一樣愛好音樂,幼年的伽利略還喜歡繪畫,愛做各種機械小玩具。後來伽利略全傢移居佛羅倫薩。12歲時,伽利略進入佛羅倫薩附近的瓦洛姆佈洛薩修道院,在那他拜讀瞭一些希臘和拉丁作傢的作品,這為他的古典文學素養打下瞭良好基礎。伽利略極其勤奮,中學時他在一定程度上已表現出區別於其他同學的獨立思想。

伽利略17歲時,完成瞭修道院的初級教育,隨後進入比薩大學醫學院。然而,醫學並沒有激起青年伽利略的興趣,精密的科學反而更加吸引他。據說,他經常站在教室門口聽數學課,並想在學生離開教室時,從他們那裡獲得點滴的知識。數學講師得知後,便想辦法幫助伽利略從學習醫學轉為學習數學和物理學。最後,伽利略終於得到瞭學習這些課程的機會。他在數學和物理學的學習上進步很快,而且十分熱衷於研究古代數學傢歐幾裡得和阿基米德的著作。

1585年,伽利略實在無法對當時那種混亂不清、模棱兩可的醫學發生興趣,他將自己全部的精力和時間都用到瞭嚴謹、精密的數學和物理學上瞭。由於對主修專業的輕視和忽略讓他付出瞭沉重的代價。伽利略中途輟學離開瞭比薩,結束瞭他4年的大學生涯。回到佛羅倫薩後,伽利略仍潛心研究數學。 1586年,他的論文《比重秤》使得他在意大利數學界名氣大增。1589年,伽利略受聘於比薩大學,任數學教授。

當時亞裡士多德的思想深入人心,被奉為權威,他的著作均被視為經典,每一句話人們都認為是顛撲不破的真理。伽利略對於物理現象的獨立研究,使他確信,那些作為亞裡士多德物理學講授的、被奉為權威的東西,同樣不可避免地包含許多嚴重錯誤。伽利略毫不隱瞞自己的觀點。相反,他堅持不懈地公開抨擊亞裡士多德的物理學觀點,結果導致他不受同事歡迎,同事認為他太愛尋釁,太“狂妄”。例如,伽利略就當眾證明亞裡士多德的觀點至少有一個是荒謬的,即落體的速度隨物體重量而變的觀點。他把3個重量相差很大的物體同時從比薩斜塔頂上拋下,結果證明它們同時抵達地面。但是,伽利略並沒有得到預想中的掌聲和歡呼,人們不喜歡這個挑戰大師的年輕人,也不認同他的實驗,完全不承認亞裡士多德理論的重大錯誤。認為實驗可以說明一切的伽利略多少有些失望,但是他並沒有與那些人有過多的糾纏,他的目光又註視到下一個課題上。

1590年,伽利略提出自由落體定律。他再次公開證實亞裡士多德關於落體速度隨其重量而變的觀點是錯誤的。但這個論證沒有正面說明物體墜落的定律,所以同樣沒被人們認可。1591年,由於樹敵太多,而且不受歡迎,伽利略結束瞭比薩大學的執教生涯,回到瞭佛羅倫薩。同年,他的父親去世,伽利略承擔起瞭傢庭的重擔。

1592年,伽利略接受瞭帕多瓦大學聘請,擔任該校的數學和天文學教授。並在那裡任教18年。伽利略在帕多瓦大學執教期間,他的科學研究工作達到瞭成熟階段。他根據物體熱脹冷縮的特性,制造瞭最初的體溫計。

1609年,伽利略制造出自己的第一個望遠鏡,並把這個倍率較低的望遠鏡提高到放大32倍。伽利略從望遠鏡中第一次觀察到月球表面覆蓋著蒼茫逶迤的“大山”和浩瀚無際的 “海洋”以及火山的裂痕。伽利略的發現用事實否定瞭亞裡士多德關於“天體是完美無缺”的理論。

1615年,教會人士聯合攻擊伽利略為哥白尼學說辯護,控告他違反基督教教義。聞訊後,伽利略為挽回自己的聲譽,力圖企求教廷不因自己保持哥白尼觀點而受懲處,也不公開壓制他宣傳哥白尼學說,教廷默認瞭前一要求,但拒絕瞭後者。教皇保羅五世在1616年下達瞭著名的“1616年禁令”,禁止伽利略以口頭或文字的形式保持、傳授或捍衛哥白尼“日心說”。

1624年,伽利略第四次去羅馬,希望故友、新任教皇烏爾班八世能支持他完成自己的心願,以此來維護新興科學的生機。伽利略拜訪新教皇,表明“日心說”可以於基督教教義相協調,但烏爾班八世堅持“1616年禁令”不變,隻允許他寫一部同時介紹“日心說”和“地心說”的書,但對兩種學說的態度不得有所偏倚,而且都要寫成數學假設性的。在這一年,伽利略研制成瞭一臺顯微鏡,據說可以將蒼蠅放大成母雞一般。

此後6年間,伽利略撰寫瞭《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系對話》一書,1630年他第五次到羅馬,取得瞭此書的“出版許可證”。

後有人在教皇烏爾班八世面前挑撥說伽利略在《對話》中,發表瞭一些違反教義的言論。6個月後,羅馬教廷便勒令停止出售《對話》,認為作者公然違背 “1616年禁令”。教皇集團激烈地主張要嚴懲伽利略,羅馬帝國和西班牙王國都認為:伽利略會對各國國內的異端思想產生重大影響。在內外壓力下,教皇宣佈伽利略到羅馬宗教裁判所受審。年近七旬的伽利略被迫抱病前往羅馬,在根本不容申辯的情況下,被嚴刑審訊3次。1633年6月22日,在聖瑪利亞修女院的大廳上,10名主教聯席宣判,主要罪名是違背“1616年禁令”和《聖經》教義,伽利略被迫在教廷寫好的“悔過書”上簽瞭字。主審官宣佈:判處伽利略終身監禁;《對話》必須焚絕,並且禁止出版或重印他的其他著作。此判決書立即通報整個天主教世界,在各個城市聚眾宣讀。在被監禁的歲月裡,伽利略全面總結瞭自己在力學上的成就,完成瞭一部巨作《關於力學和位置運動的兩種新科學的對話和數學證明》。

1637年,伽利略雙目失明。1638年,教皇批準伽利略住在其子傢中。伽利略於1642年1月8日病逝。

現在,誰也不會否認,伽利略的名字已經跟“近代實驗科學的先驅者”這一光榮的稱號緊緊聯系在瞭一起。1583年,伽利略做的單擺實驗就是近代實驗物理學史上的開山傑作。

據說,伽利略在醫學院讀書時,經常在比薩大教堂裡做禱告。有一次,他正在欣賞大教堂內富麗堂皇的陳設的時候,突然發現眼前有什麼東西正在晃動,定睛一看,原來教堂天花板中央的那盞巨大的吊燈正在晃來晃去—這時正好有幾個工人在為教堂裝修,他們施工時無意中碰瞭一下吊燈。不知是什麼驅使,伽利略站起身來細細觀察。 1下,2下,3下……奇怪,真是太奇怪瞭!原來這盞晃動的吊燈一開始晃動的弧度很大,速度也很快,可是隨著晃動的弧度逐漸變小,速度也減慢瞭。

難道吊燈每次往返擺動所用的時間是一樣長的?伽利略不敢相信自己的直覺,便用上瞭自己在醫學院學到的一個小小的本領:他將右手手指按在左手手腕上,用脈搏的跳動來計算吊燈每一次擺動所需要的時間。

果然不出所料,吊燈每次擺動所需要的時間完全相等。正因為這樣,在吊燈晃過一個較大的弧度所用的同樣時間裡,晃過一個較小的弧度,它就必然晃動的慢些。

伽利略心跳加快瞭。當他意識到自己是在教堂裡的時候,趕緊抑制住自己激動的心情,靜靜地等待禱告結束。禱告一結束,他就迫不及待一路小跑回到瞭住處。他馬上找來兩根相同長度的繩索,各墜上一塊重量相同的鉛塊,做瞭第一個關於擺的實驗。

從此伽利略對實驗的興趣與日俱增。此後的一段時間裡,伽利略沒有去上醫學院的課程,他從早忙到晚,跑遍瞭比薩的雜貨鋪、木匠鋪、五金店、舊貨店,找來各種質料的“繩子”:麻繩、鐵絲、舊鏈條;又設法搞到瞭成對的鐵球、木球、鉛塊……一鼓作氣,他做瞭許許多多擺的實驗。他在室內做,也到戶外做,當需要把擺懸在一些較高的地方的時候,他就爬到瞭校園裡的大樹上,在高處的樹枝上綁上一塊木板。這樣,擺懸掛得高,實驗就能做得更精確瞭。終於,在反復的實驗後,伽利略確認擺的等時性定律。

這個定律告訴人們:時間的長短取決於繩子的長度,不管繩子上系的是什麼重物,隻要繩子長度相同,所系的擺晃過統一弧度所需要的時間是相同的。這是伽利略一生中的第一個發現,也是他科學生涯的一個新起點。

擺的等時性定律的發現有著重要的意義。伽利略在晚年時,曾經和他的兒子一起研究,將擺和時鐘機構結合起來,並留下瞭帶有原始司行輪的一隻擺鐘的設計草圖。伽利略逝世之後,荷蘭物理學傢根據他的設想,於1 6 5 6年制成瞭世界上第一座有擺時鐘,轟動一時。當時的人們沒有忘記擺的等時性原理的發現者伽利略,便把這種有擺時鐘稱之為“伽利略鐘”。

伽利略是偉大的意大利物理學傢和天文學傢,是現代科學的奠基者,近代物理學之父。他發明瞭天文望遠鏡,發展瞭天文學,他第一次將實驗方法和數學方法全面引入科學研究。

伽利略的長篇論文《論重力》第一個提出瞭自由落體定律。他提出一個物體一旦運動起來便一直用同樣速度沿同樣方向不斷運動,除非有某個力作用於它。他把這列為慣性原理的一部分。伽利略還認為,當一個力作用於一個物體時,不管該物體是靜止的還是在運動,其效應完全一樣。這些概念能夠正確地描述一個物體自由墜落時所發生的情形。在這種情況下,物體不論大小輕重,在自由下落的過程中,若把空氣阻力產生的影響除外,它們的加速度完全相同,這樣就從正面否認瞭亞裡士多德提出的重的物體落地快,輕的物體落地慢的觀點。物體速度的大小和方向發生改變,也是加速度產生的原因,這對力的性質是一種客觀的認識,而且“慣性”原理的發現也破除瞭力是運動原因的“舊概念”,認為力是改變運動狀態的原因。伽利略應用此“運動獨立性原理”說明:石子從桅桿頂垂直落到桅桿腳下,不會向船尾偏移。得出“做勻速直線運動的船艙中的物體運動規律不變”的著名論述,第一次提出“慣性參照系”的概念。這一原理被愛因斯坦稱為“伽利略相對性原理”,可以說是“狹義相對論”的先導。

伽利略通過觀察到教堂吊燈的擺動,得出“單擺的周期與擺長的平方根成正比,而與振幅大小和擺錘重量無關”。這個規律的發現為此後的振動理論和機械計時器件的設計方案建立瞭基礎。

伽利略在天文學上的成就也是巨大的,隨著他親自制作的小型望遠鏡的問世,使他對天文學的研究提到瞭更高的層面。他觀測到木星有4顆運轉著的衛星,銀河由無數星體組成。伽利略還觀察瞭土星的光環,隻是由於他的望遠鏡倍數還太低,光環還看不清楚。其後他還發現瞭金星的位相的變化,證實瞭哥白尼的日心說,但是迫於當時的宗教壓力,他並沒有公佈自己的證實。後來,伽利略利用自己的望遠鏡觀測太陽,發現太陽上有許多大小不等、形狀各異的黑子,這些黑子讓伽利略很著迷,他每天觀察,甚至推算出太陽自轉一周大約要28天。他的《關於太陽黑子的通信》一文詳細闡述瞭自己的觀點,轟動瞭整個歐洲,也觸怒瞭亞裡士多德的信徒和教會,這使他終究未能逃脫教廷的政治迫害,被終身監禁。在失去人身自由的情況下,這位科學巨匠耗3年心血完成瞭一部奠定瞭近代物理學基礎的巨著—《關於力學和位置運動的兩種新科學的對話和數學證明》。正是這種對事業的執著,成就瞭這位科學巨匠光輝燦爛的一生。

伽利略在人類思想解放和文明發展的過程中做出瞭劃時代的貢獻。在當時的社會條件下,為爭取不受權勢和舊傳統壓制的學術自由,為近代科學的成長,伽利略進行瞭堅持不懈的鬥爭,並向全世界發出瞭振聾發聵的聲音。他的工作,為牛頓力學理論體系的建立奠定瞭基礎。

伽利略的研究為今天科學的繁榮起到瞭關鍵性的作用。人類將永遠紀念這位為科學事業做出卓越貢獻的偉大的科學傢。為瞭證實和傳播哥白尼的日心說,伽利略獻出瞭畢生精力。他以系統的實驗和觀察推翻瞭以亞裡士多德為代表的、純屬思辨的傳統的自然觀,開創瞭以”實驗事實”為根據並具有嚴密邏輯體系的近代科學。因此,他是科學革命的先驅,也可以說是”近代科學之父”。

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