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伽利略(Galileo Galilei,伽利略·伽利萊,1564年2月15日 --- 1642年1月8日),義大利物理學家、天文學家和哲學家,近代實驗科學的先驅者。伽利略對現代科學思想的發展作出重大貢獻。他是最早(1609年11月30日)用望遠鏡觀察天體的天文學家,曾用大量事實證明地球環繞太陽旋轉,否定地心學說。由於他最先把科學實驗和數學分析方法相結合併用來研究慣性運動和落體運動規律,為牛頓對第一和第二運動定律的研究鋪平道路,所以常被認為是現代力學和實驗物理的創始人。1992年10月31日,伽利略蒙冤360年後,終於獲得梵蒂岡教皇的平反。

1 伽利略 -人物簡介

伽利略伽利略

 伽利略(Galileo Galilei,1564-1642),義大利物理學家、天文學家和哲學家,近代實驗科學的先驅者。

1590年,伽利略在比薩斜塔上做了「兩個鐵球同時落地」的著名實驗,從此推翻了亞里斯多德「物體下落速度和重量成比例」的學說,糾正了這個持續了1900年之久的錯誤結論。

1609年,伽利略創製了天文望遠鏡(后被稱為伽利略望遠鏡),並用來觀測天體,他發現了月球表面的凹凸不平,並親手繪製了第一幅月面圖。

1610年1月7日,伽利略發現了木星的四顆衛星,為哥白尼學說找到了確鑿的證據,標誌著哥白尼學說開始走向勝利。藉助於望遠鏡,伽利略還先後發現了土星光環、太陽黑子、太陽的自轉、金星和水星的盈虧現象、月球的周日和周月天平動,以及銀河是由無數恆星組成等等。這些發現開闢了天文學的新時代。

伽利略著有《星際使者》、《關於太陽黑子的書信》、《關於托勒玫和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關於兩門新科學的談話和數學證明》。

為了紀念伽利略的功績,人們把木衛一、木衛二、木衛三和木衛四命名為伽利略衛星。 人們爭相傳頌:「哥倫布發現了新大陸,伽利略發現了新宇宙」。

2 伽利略 -職業生涯

(圖)伽利略伽利略
1.早年活動時期
1583年,伽利略在比薩教堂里注意到一盞懸燈的擺動,隨後用線懸銅球作模擬實驗,確證了微小擺動的等時性以及擺長對周期的影響,由此創製出脈博計用來測量短時間間隔。1585年因家貧退學,擔任家庭教師,但仍奮力自學。1586年,他發明了浮力天平,並寫出論文《小天平》。

1587年他帶著關於固體重心計演算法的論文到羅馬大學求見著名數學家和曆法家C.克拉維烏斯教授,大受稱讚和鼓勵。克拉維烏斯回贈他羅馬大學教授P.瓦拉的邏輯學講義與自然哲學講義,這對於他以後的工作大有幫助。

1588年他在佛羅倫薩研究院做了關於但丁《神曲》中煉獄圖形構想的學術演講,其文學與數學才華大受人們讚揚。次年發表了關於幾種固體重心計演算法的論文,其中包括若干靜力學新定理。由於這些成就,當年比薩大學便聘請他任教,講授幾何學與天文學。第二年他發現了擺線。當時比薩大學教材均為亞里士多德學派的學者所撰,書中充斥著神學與形而上學的教條。伽利略經常發表辛辣的反對意見,由此受到校內該學派的歧視和排擠。1591年其父病逝,家庭負擔加重,他便決定離開比薩。

2.帕多瓦時期
1592年伽利略轉到帕多瓦大學任教。帕多瓦屬於威尼斯公國,遠離羅馬,不受教廷直接控制,學術思想比較自由。在此良好氣氛中,他經常參加校內外各種學術文化活動,與具有各種思想觀點的同事論辯。此時他一面吸取前輩如N.F.塔爾塔利亞、G.B.貝內代蒂、F.科門迪諾等人的數學與力學研究成果,一面經常考察工廠、作坊、、礦井和各項軍用民用工程,廣泛結交各行業的技術員工,幫他們解決技術難題,從中吸取生產技術知識和各種新經驗,並得到啟發。在此時期,他深入而系統地研究了落體運動、拋射體運動、靜力學、水力學以及一些土木建築和軍事建築等;發現了慣性原理,研製了溫度計和望遠鏡。

1597年,他收到J.開普勒贈閱的《神秘的宇宙》一書,開始相信日心說,承認地球有公轉和自轉兩種運動。但這時他對柏拉圖的圓運動最自然最完美的思想印象太深,以致對開普勒的行星橢圓軌道理論不感興趣。

1604年天空出現超新星,亮光持續18個月之久。他便趁機在威尼斯作幾次科普演講,宣傳哥白尼學說。由於講得精采動聽,聽眾逐次增多,最後達千餘人。

1609年7月,盛傳一荷蘭眼鏡工人發明了供人玩賞的望遠鏡。他未見到實物,思考幾日後,用風琴管和凸凹透鏡各一片製成一具望遠鏡,倍率為3,后又提高到9。他邀請威尼斯參議員到塔樓頂層用望遠鏡觀看遠景,觀者無不驚喜萬分。參議院隨後決定他為帕多瓦大學的終身教授。

1610年初,他又將望遠鏡放大率提高到33,用來觀察日月星辰,新發現甚多,如月球表面高低不平,月球與其他行星所發的光都是太陽的反射光,水星有4顆衛星,銀河原是無數發光體的總匯,土星有多變的橢圓外形等等,開闢了天文學的新天地。是年3月,出版了他的《星空信使》一書,震撼全歐。隨後又發現金星盈虧與大小變化,這對日心說是一強有力的支持。伽利略日後回顧在帕多瓦的18年時,認為這是他一生中工作最開展、精神最舒暢的時期。事實上,這也是他一生中學術成就最多的時期。

3.托斯卡納時期
20年來伽利略在物理學和天文學研究上的豐碩成果,激起了他學術上的更大企求。為了取得有充裕時間致力於科學研究,1610年春,他辭去大學教職,接受託斯卡納公國大公聘請,擔任宮廷首席數學家和哲學家的閑職與比薩大學首席數學教授的榮譽職位。

為了使科學免受教會幹預,伽利略曾多次去羅馬活動。1611年他第二次去羅馬,目的在於贏得宗教、政治與學術界認可他在天文學上的發現。他在羅馬受到包括教皇保羅五世和若干高級主教在內的上層人物的熱??的神父們承認他的觀測事實,只是不同意他的解釋。這年5月,在羅馬大學的大會上,幾個高職位的神父公開宣布了伽利略的天文學成就。同年,他觀察到太陽黑子及其運動,對比黑子的運動規律和圓運動的投影原理,論證了太陽黑子是在太陽表面上;他還發現了太陽有自轉。1613年他發表了3篇討論太陽黑子問題的通信稿。另外,1612年他又出版了《水中浮體對話集》一書。

1615年,一詭詐的教士集團和教會中許多與伽利略敵對的人聯合攻擊伽利略為哥白尼學說辯護的論點,控告他違反基督教義。他聞訊后,於是年冬第三次去羅馬,力圖挽回自己的聲譽,企求教廷不因自己保持哥白尼觀點而受到懲處,也不公開壓制他宣傳哥白尼學說,教廷默認了前一要求,但拒絕了後者。教皇保羅五世在1616年下達了著名的「1616年禁令」,禁止他以口頭的或文字的形式保持、傳授或捍衛日心說。

1624年,他第四次去羅馬,希望故友新任教皇烏爾邦八世能夠同情並理解他的意願,以維護新興科學的生機。他先後謁見6次,力圖說明日心說可以與基督教教義相協調,說「聖經是教人如何進天國,而不是教人知道天體是如何運轉的」;並且試圖以此說服一些大主教,但毫無效果。烏爾邦八世堅持「1616年禁令」不變;只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。在這辛勤奔波的一年裡,他研製成了一台顯微鏡,「可將蒼蠅放大成母雞一般」。

此後6年間,他撰寫了《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系對話》一書.1630年他第5次到羅馬,取得了此書的「出版許可證」。此書終於在1632年出版了。此書在表面上保持中立,但實際上卻為哥白尼體系辯護,並多處對教皇和主教隱含嘲諷,遠遠超出了僅以數學假設進行討論的範圍。全書筆調詼諧,在義大利文學史上列為文學名著。

4.教廷的迫害和晚年生活
《對話》出版后6個月,羅馬教廷便勒令停止出售,認為作者公然違背「1616年禁令」,問題嚴重,亟待審查。原來有人在教皇烏爾邦八世面前挑撥說伽利略在《對話》中,借頭腦簡單、思想守舊的辛普利邱之口以教皇慣用辭句,發表了一些可笑的錯誤言論,使他大為震怒。曾支持他當上教皇的集團激烈地主張要嚴懲伽利略,而神聖羅馬帝國和西班牙王國認為如縱容伽利略會對各國國內的異端思想產生重大影響,提出聯合警告。在這些內外壓力和挑撥下,教皇便不顧舊交,於這年秋髮出要伽利略到羅馬宗教裁判所受審的指令。

年近七旬而又體弱多病的伽利略被迫在寒冬季節抱病前往羅馬,在嚴刑威脅下被審訊了三次,根本不容審辯。幾經折磨,終於在1633年6月22日在聖瑪麗亞修女院的大廳上由10名樞機主教聯席宣判,主要罪名是違背「1616年禁令」和聖經教義。伽利略被迫跪在冰冷的石板地上,在教廷已寫好的「悔過書」上簽字。主審官宣布: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,凡是設有大學的城市均須聚眾宣讀,藉此以一儆百。

伽利略既是勤奮的科學家,又是虔誠的天主教徒,深信科學家的任務是探索自然規律,而教會的職能是管理人們的靈魂,不應互相侵犯。所以他受審之前不想逃脫,受審之時也不公開反抗,而是始終服從教廷的處置。他認為教廷在神學範圍之外行使權力極不明智,但只能私下有所不滿。顯然,G.布魯諾的被處火刑和T.康帕內拉的被長期打入死牢,這兩位義大利傑出的哲學家的遭遇,給他精神上投下了可怕的陰影。

宗教裁判所的判決隨後又改為在家軟禁,指定由他的學生和故友A.皮柯羅米尼大主教在錫耶納的私宅中看管他,規定禁止會客,每天書寫材料均需上繳等。在皮柯羅米尼的精心護理和鼓勵下,伽利略重行振作起來,接受皮柯羅米尼的建議繼續研究無爭議的物理學問題。於是他仍用《對話》中的三個對話人物,以對話體裁,和較樸素的文筆,將他最成熟的科學思想和研究成果撰寫成《關於兩門新科學的對話與數學證明對話集》。兩門新科學是指材料力學(見彈性力學)和動力學。這部書稿1636年就已完成,由於教會禁止出版他的任何著作,他只好托一位威尼斯友人秘密攜出國境,1638年在荷蘭萊頓出版。

伽利略在皮柯羅米尼家中剛過了5個月,便有人寫匿名信向教廷控告皮柯羅米尼厚待伽利略。教廷乃勒令伽利略於當年12月遷往佛羅倫薩附近的阿切特里他自己的故居,由他的大女兒維姬尼亞照料,禁例依舊。她對父親照料妥貼,但4個月後竟先於父親病故。

伽利略多次要求外出治病,均未獲准。1637年雙目失明。次年才獲准住在其子家中。在這期間探望他的除托斯卡納大公外,還有英國著名詩人、政論家J.彌爾頓和法國科學家、哲學家P.伽桑迪。他的學生和老友B.卡斯泰里還和他討論過利用木衛星計算地面經度的問題。這時教廷對他的限制和監視已明顯放鬆了。

1639年夏,伽利略獲准接受聰慧好學的18歲青年V.維維亞尼為他的最後一名學生,並可在他身邊照料,這位青年使他非常滿意。1641年10月卡斯泰里又介紹自己的學生和過去的秘書E.托里拆利前往陪伴。他們和這位雙目失明的老科學家共同討論如何應用擺的等時性設計機械鐘,還討論過碰撞理論、月球的天平動、大氣壓下礦井水柱高度等問題,因此,直到臨終前他仍在從事科學研究。

利略於1642年1月8日病逝,葬儀草率簡陋,直到下一世紀,遺骨才遷到家鄉的大教堂。

科學的不斷發展,迫使羅馬教廷不得不在1757年宣布解除對哥白尼《天體運行論》的禁令;1882年羅馬教皇又無可奈何地承認了日心學說。1979年11月10日,梵蒂岡教皇J.保羅二世代表羅馬教廷為伽利略公開平反昭雪,認為教廷在300多年前迫害他是嚴重的錯誤。這表明朝廷最終承認了伽利略的主張——宗教不應該干預科學。

3 伽利略 -主要貢獻

伽利略在比薩斜塔演示自由落體實驗伽利略在比薩斜塔演示自由落體實驗
力學  

伽利略是第一個把實驗引進力學的科學家,他利用實驗和數學相結合的方法確定了一些重要的力學定律。1582年前後,他經過長久的實驗觀察和數學推算,得到了擺的等時性定律。接著在1585年因家庭經濟困難輟學。離開比薩大學期間,他深入研究古希臘學者歐幾里得、阿基米德等人的著作。他根據槓桿原理和浮力原理寫出了第一篇題為《天平》的論文。不久又寫了論文《論重力》,第一次揭示了重力和重心的實質並給出準確的數學表達式,因此聲名大振。與此同時,他對亞里士多德的許多觀點提出質疑。   

在1589~1591年間,伽利略對落體運動作了細緻的觀察。從實驗和理論上否定了統治千餘年的亞里士多德關於「落體運動法則」確立了正確的「自由落體定律」,即在忽略空氣阻力條件下,重量不同的球在下落時同時落地,下落的速度與重量無關。根據伽利略晚年的學生V.維維亞尼的記載,落體實驗是在比薩斜塔上公開進行的:1589年某一天,伽利略將一個重10磅,一個重1磅的鐵球同時拋下,幾乎同時落地,在場的競爭者個個目瞪口呆,在大笑中聳聳肩走了。但在伽利略的著作中並未明確說明實驗是在比薩斜塔上進行的。因此近年來對此存在爭議。  

伽利略對運動基本概念,包括重心、速度、加速度等都作了詳盡研究並給出了嚴格的數學表達式。他在做球滾下的實驗中得出力和加速度的關係,證明在重力作用下,不論物體質量的大小,所得到的加速度都是相同的。這在力學史上是一個里程碑。有了伽利略的重力和加速度的關係,牛頓後來才能把重力推廣到所有的力,這個關係都適用;再加上力和受力作用物體質量的關係,就成為牛頓的第二運動定律。這樣。力學中的動力學部分才能建立在科學的基礎之上。而在伽利略之前,只有靜力學部分有定量的描述。

伽利略曾正式地提出過慣性定律;他在1553年在斜面上做球滾下實驗得出這樣的結論;運動的物體在不受外力作用下(一般為摩擦力)總保留原來的速度。他稱為慣性原理:「一個沿水平方向運動的物體會沿相同方向和速度繼續運動,除非受到外力的干憂」。牛頓後來把伽利略的這個慣性原理稱為他的第一運動定律。

伽利略還發展了相對論的基本原理;物理定律在任何作直線恆速運動的系統內都是相同的,因此沒絕對的運動或靜止。這個原理為牛頓運動定律的構架,也是愛恩斯坦的,當速度接近光速時相對論的構架。可見。伽利略是牛頓運動定律和愛恩斯坦的相對論先驅。  

伽利略還提出過合力定律,拋射體運動規律,並確立了伽利略相對性原理. 伽利略在力學方面的貢獻是多方面的。這在他晚年寫出的力學著作《關於兩門新科學的談話和數學證明》中有詳細的描述。在這本不朽著作中,除動力學外,還有不少關於材料力學的內容。例如,他闡述了關於梁的彎曲試驗和理論分析,正確地斷定梁的抗彎能力和幾何尺寸的力學相似關係。他指出,對長度相似的圓柱形梁,抗彎力矩和半徑立方成比例。他還分析過受集中載荷的簡支梁,正確指出最大彎矩在載荷下,且與它到兩支點的距離之積成比例。伽利略還對梁彎曲理論用於實踐所應注意的問題進行了分析,指出工程結構的尺寸不能過大,因為它們會在自身重量作用下發生破壞。他根據實驗得出,動物形體尺寸減小時,軀體的強度並不按比例減小。他說:「一隻小狗也許可以在它背上馱兩三隻同樣大小的狗,但我相信一匹馬也許連一匹和它同樣大小的馬也馱不起。」   

天文學

他是利用望遠鏡觀測天體取得大量成果的第一位科學家。這些成果包括:發現月球表面凹凸不平,木星有四個衛星(現稱伽利略衛星),太陽黑子和太陽的自轉,金星、木星的盈虧現象以及銀河由無數恆星組成等。他用實驗證實了哥白尼的「地動說」,徹底否定了統治千餘年的亞里士多德和托勒密的「天動說」。

哲學

他一生堅持與唯心論和教會的經院哲學作鬥爭,主張用具體的實驗來認識自然規律,認為經驗是理論知識的源泉。他不承認世界上有絕對真理和掌握真理的絕對權威,反對盲目迷信。他承認物質的客觀性、多樣性和宇宙的無限性,這些觀點對發展唯物主義的哲學具有重要的意義。但由於歷史的局限性,他強調只有可歸納為數量特徵的物質屬性才是客觀存在的。   

伽利略因為支持日心說入獄后,「放棄」了日心說,他說,"考慮到種種阻礙,兩點之間最短的不一定是直線",正是因為他有這樣的思想,暫時的放棄換得永遠的支持,沒有像布魯諾那樣去壯烈,但卻可以為科學繼續貢獻自己的力量。

物理實驗儀器研製
伽利略不但親自設計和演示過許多實驗,而且親自研製出不少實驗儀器。他的工藝知識豐富,製作技術精湛,他所創製的許多實驗儀器在當時及對後世都很有影響,下面舉出幾項:

(1)浮力天平,這是利用浮力原理快速測定金銀器皿首飾中金銀含量比例的直讀儀器。這種儀器當時已用於金銀首飾器皿的交易中。

(2)溫度計,伽利略首創的溫度計是一種開放式的液體溫度計,玻璃管內盛有著色的水和酒精,液面與大氣相通。這實際上是溫度計與大氣壓力計的混合體,這是由於當時他對大氣壓力的變化還沒有明確的認識。儘管如此,其學術價值仍很大,溫度從此成為客觀的物理量,不再是不確定的主觀感覺。

(3)望遠鏡,伽利略製成的望遠鏡,可以觀察到物體的正像。經過改進后,其倍率由3逐漸增大到33;不但指向星空,還可應用於船艦要塞,取得空前豐碩的發現成果。這種望遠鏡結構簡單,而其倍率和分辨本領受球差和色差的限制較大。

4 伽利略 -著名實驗

伽利略伽利略

傳說1590年,出生在比薩城的義大利物理學家伽利略,曾在比薩斜塔上做自由落體實驗,將兩個重量不同的球體從相同的高度同時扔下,結果兩個鉛球同時落地,由此發現了自由落體定律,推翻了此前亞里士多德認為的重的物體會先到達地面,落體的速度同它的質量成正比的觀點。

伽利略在比薩斜塔做自由落體實驗的故事,記載在他的學生維維安尼(Vincenzo Viviani,1622年—1703年)在1654年寫的《伽利略生平的歷史故事》(1717年出版)一書中,但伽利略、比薩大學和同時代的其他人都沒有關於這次實驗的的記載。對於伽利略是否在比薩斜塔做過自由落體實驗,歷史上一直存在著支持和反對兩種不同的看法。

5 伽利略 -人物軼事

眼睛盯著天花板  

有一次,他站在比薩的天主教堂里,眼睛盯著天花板,一動也不動。他在幹什麼呢?原來,他用右手按左手的脈搏,看著天花板上來回搖擺的燈。他發現,這燈的擺動雖然是越來越弱,以至每一次擺動的距離漸漸縮短,但是,每一次搖擺需要的時間卻是一樣的。於是,伽利略做了一個適當長度的擺錘,測量了脈搏的速度和均勻度。從這裡,他找到了擺的規律。鍾就是根據他發現的這個規律製造出來的。   

失學了就努力自學  

家庭生活的貧困,使伽利略不得不提前離開大學。失學后,伽利略仍舊在家裡刻苦鑽研數學。由於他的不斷努力,在數學的研究中取得了優異的成績。同時,他還發明了一種比重秤,寫了一篇論文,題目為《固體的重心》。此時,21歲的伽利略已經名聞全國,人們稱他為「當代的阿基米德」。在他25歲那年,比薩大學破例聘他當了數學教授。   

6 伽利略 -個人名言

「追求科學,需要有特殊的勇敢,思考是人類最大的快樂。」   

「生命猶如鐵砧,愈被敲打,愈能發出火花。」   

「你無法教別人任何東西,你只能幫助別人發現一些東西。」   

「科學不是一個人的事業」   

「真理不在蒙滿灰塵的權威著作中,而是在宇宙、自然界這部偉大的無字書中。」   

「世界是一本以數學語言寫成的書。」   

「一切推理都必須從觀察與實驗中得來。」——伽利略

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