伽利略天文学家，斗争胜利

生平简介

伽利略(Galileo Galilei),意大利物理学家、天文学家、数学家,近代实验科学的创始人。1564年2月15日生于比萨城的一个没落贵族家庭。父亲温深佐是数学家、音乐家。

1581年伽利略进入比萨大学学医,后对物理学和数学发生兴趣,入学第二年发现了摆的等时性,此后他的主要精力转向数学和物理。

1585年他退学回家,自学4年,主要钻研欧几里得和阿基米德的著作。

1586年他发明了测定合金成分的流体静力学秤,1589年写出一篇关于物体重心的论文,引起了学术界的重视。

1589年伽利略被聘为比萨大学教授。1591年其父去世后,他离开比萨。

1592年被任命为帕杜瓦大学数学教授。他在帕杜瓦工作了18年之久,他的许多力学成就,是在此期间获得的。如1年他发明了空气湿度计等；此外,他还发明了比例仪等许多仪器。

1610年伽利略离开比萨大学,到佛罗伦萨多斯加尼大公爵官邸,担任数学家。此时他又致力于研究天文学。伽利略在天文学上取得了惊人的成就。

1616年由于他宣传地动说,受到了宗教法庭的传讯,并受到警告。这并没有使伽利略放弃自己的观点。

1633年,他再次受到了罗马宗教裁判所的传讯,并被教廷圣职部判处终身监禁。伽利略的科学研究只好又转向了力学方面。

1642年1月8日,伽利略病逝,终年78岁。

伽利略的一生完全献给了科学事业,他所取得的巨大成就,开创了近代物理学的新纪元。历史证明了伽利略在科学事业上的成功。经过300多年的斗争,1979年11月10日罗马教皇不得不正式承认,对伽利略的审判是不公正的。1980年10月又提出了将要重新审理这个案件。

伽利略不屈不挠的努力,奠定了近代实验物理学的基础,他的建立在科学的方法论基础之上的一系列科学活动,以及由此而获得的一系列发现、发明和创造,无疑地证明了他是一位伟大的实验科学家和伟大的思想家。

在方法论的问题上,激烈的斗争持续了一千多年。伽利略继承和发展了阿基米德的方法论——注重科学实践的唯物主义世界观,勇敢地向被奉为权威的亚里士多德的传统观念挑战——仅仅强调观念、注意主观思考和单纯的推理的唯心主义。1638年他所著《论两种新科学》一书,是他所建立的完整的科学的方法论的代表作。伽利略认为数学是人类思维的一种完全可靠的逻辑形式。他把物理学与数学紧密结合起来,以准确的数学证明寻求物质运动的规律,用数学语言表达物理的定律。他是第一个用坐标表示物理量来研究物体运动规律的人。他注重归纳法,也注重演绎法,并且数学证明达到了极其严谨和巧妙的境地。

伽利略的科学活动主要集中在天文学和力学方面。

在天文学方面,伽利略的贡献是极其巨大的。他的宇宙观的核心是维护和坚持、发展了哥白尼学说。他的日心说观点是完全建立在对天文的长期观测所获得的大量新发现的可靠事实基础之上的。

1608年,荷兰眼镜工匠李普塞制成了世界上第一架望远镜。伽利略就着手在1609年到1610年间精心设计制成了放大33倍的天文望远镜,并用它进行了长期大量的天体观测。他发现了月球表面有深谷、高山和平原,发现了太阳黑子活动和太阳自转。他还观测了金星的盈亏和土星的光环(当时他认为是无数的卫星)。

1610年发现了木星的四个卫星,即木卫1至木卫4,通过观测,伽利略认识到,银河系是由无数星宿组成的,同年出版了《星际使者》一书,宣传他的新发现。

1611他又去罗马,邀请很多人观看望远镜,宣传哥白尼学说。

1613年他出版了《关于太阳黑子的通讯后》。

1632年2月出版了近代科学史上具有重大意义的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(《天文对话》)一书,用了他5年时间。

1638年又完成了一巨著《关于力学以及地上运动的两个新学科中的对话和数学证明》(《力学对话》),为物理学的发展作出了卓越的贡献。由于他的著作在意大利被禁止,此书于1638年在荷兰阿姆斯特丹出版。

伽利略对于力学的研究,在他的科学活动中占有极为重要的地位。他的理论奠定了经典力学的基础。以后经牛顿(出生恰与伽利略逝世同年)发展完善,建立了近代经典力学的系统理论。伽利略所建立的摆的定律、惯性定律、落体运动定律,以及对抛体运动的研究和他提出的相对性原理,建立了动力学的主要基础。

关于落体问题,传说伽利略曾在比萨斜塔上当众做落体实验,其实并无此事。这个实验是著名力学家布鲁日的西蒙·斯台文早于1587年从二楼窗台上所作的。伽利略当时并不知道此事。伽利略的学生韦韦亚尼于1654年出版了他写的《伽利略传》,把这项功绩记到伽利略头上,并流传至今。

落体运动定律和惯性定律是《力学对话》的重要内容。伽利略的实验主要是应用小球沿斜坡滚动的方法,证实了落体定律,也推出了不完整、不彻底的惯性定律——他只承认圆惯性运动,而不承认直线惯性运动。

伽利略的一生,贡献是巨大的。特别是他坚持真理不畏强权的科学态度,更是后人学习的榜样。尽管在教会的干预下,他曾作过妥协,但他始终没有放弃他的科学研究直到逝世。当然他也不正确的观念,如否定色、香、味等物质属性的客观性等,但这些都无损于一个伟大的科学家的光辉形象。(www.xing528.com)

主要贡献

力学

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。

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,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。

伽利略对运动基本概念,包括重心、速度、加速度等都做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。

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。

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。”

哲学

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。

天文学

在天文学方面,伽利略的贡献是极其巨大的。在早年他曾给学生们开设天文学课程,讲解托勒密的行星理论。但是,他最根本的宇宙观核心是维护和坚持、发展哥白尼学说。

伽利略的日心说观点完全建立在对天文进行长期观测所获得的大量新发现的可靠事实基础之上。1608年,荷兰眼镜工匠李普塞制成了世界上第一架望远镜。伽利略得知后,立即着手从事望远镜的设计和制作,经过多次实验,终于在1609年到1610年间设计并制造了放大33倍的天文望远镜。这一望远镜是用凸透镜作为物镜,以凹透镜作为目镜构成的。利用自己制作的望远镜,伽利略进行了长期、大量的天体观测。

伽利略首先对月球进行了观测,他发现了月球表面有深谷、高山和平原。他甚至根据测出的影子确定了月球上山脉的高度。伽利略将望远镜指向天空的任何部分都可以看到无数的星体；肉眼看来是一条连续的光带的银河,原来也是由数不清的暗淡的星星组成的。

伽利略还观察到了金星像月亮一样发生周相的变化,而且在不同位相时其视大小也互不相同。这表明,正如哥白尼所说的一样,金星是围绕太阳运转的。他还发现,太阳也不是光洁无瑕的,它的表面上有黑子。从黑子在太阳表面上有规律的运动,他断定太阳以二十七天左右的周期进行转动。伽利略观测到了土星的光环,当时他认为这些光环是由无数的卫星所组成的。伽利略自己认为他最重要的天文观测成果是土星卫星的发现。1610年1月17日,伽利略观测到木星有三颗卫星。经过连续几周的跟踪观察,他发现了木星有四颗卫星,即木卫1～木卫4。

早在青年时期,伽利略便怀疑亚里士多德的学说和托勒密的地心说。他的上述发现更坚定了相信哥白尼日心说的信心。1610年伽利略出版了《星际使者》一书,宣传他的新发现。《星际使者》的出版轰动一时,使伽利略获得了极高的荣誉。由于不愿在大学里讲授陈旧的教条,摆脱教学活动对他的研究工作的妨碍以及渴望重回故里,他写信给托斯坎纳公国的大公爵,希望到他的宫廷里服务。1610年7月,他被邀请到佛罗伦萨任宫廷数学家和哲学家。他的一些朋友认为这是不明智的决定,因为佛罗伦萨的教会势力很强,对伽利略的研究工作是不利的,后来的事态发展果然证明了这一点。

1611年伽利略又去了罗马,邀请很多人观看望远镜,宣传哥白尼学说。1613年他又出版了《关于太阳黑子的通讯》。伽利略的实验活动为哥白尼的日心说提供了有力的证据。由于伽利略的观点触犯了教会的教规,1616年2月,他受到警告,并且不准他在讲课和著作中再宣传日心说。伽利略坚持科学真理,不顾教会的警告,又用5年时间,于1632年写出了近代科学史上具有重大意义的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书,并于1632年2月出版。被激怒了的教会,对伽利略进行了严厉审判,并判以终身监禁。从此,伽利略失去了继续研究天文学的条件,转而致力于对力学的研究。

趣闻轶事

自由落体

伽利略凡事不但喜欢多想一想,还要去试一试。他在比萨母校任数学教授时,并不像其他人那样照宣亚里士多德的教条,而是大力提倡观察和实验。这在当时看来,简直是不知天高地厚。

1590年,25岁的伽利略对亚里士多德的一个经典理论：如果把两件东西从空中扔下,必定是重的先落地,轻的后落地提出了怀疑。伽利略认为不管是轻的还是重的,他们从高空落下时,都同时落地。当时亚里士多德的思想被奉为金科玉律,自然没有人相信伽利略的话,于是伽利略决心搞一次实验,让人们亲眼看看。

这天,年轻的伽利略宣布要在比萨斜塔上进行一次试验,一些教授大为不满,便一起到校长面前告状。校长听了也很生气,但转念一想,这样也好,让他当众出出丑,也好杀杀他的傲气。当伽利略左手拿一个铁球,右手拿要重十倍的另一个铁球爬上斜塔七层的阳台时,塔下已是人头攒动,比萨大学的校长、教授、学生,还有许许多多看热闹的市民。就在这时,还是没有一个人相信伽利略会是对的。

伽利略将身子从阳台上探出,当他两手同时撒开时,只见两只球从空中落下,齐头并进,眨眼之间,“咣当”一声,同时落地。塔下的人,一下子都懵了。先是寂静了片刻,接着便嗡嗡地嚷作一团。

这时,伽利略从塔上走下来。校长和几个老教授立即将他围住说：“你一定是施了什么魔术,让两个球同时落地,亚里士多德是绝对不会错的。”伽利略说：“不信,我还可以上去重做一遍,这回你们可要注重看着。”校长说：“不必做了,亚里士多德是靠道理服人的。重东西当然比轻东西落得快。这是公认的道理。就算你的实验是真的,但它不符合道理,也是不能承认的。”伽利略说：“好吧,既然你们不相信事实,一定要讲道理,我也可以来讲一讲。就算重物下落比轻物快吧,我现在把两个球绑在一起,从空中扔下,按照亚里士多德的道理,你们说说看,它落下时比重球快呢还是比重球慢?”

校长不屑一答地说道：“当然比重球要快!因为它是重球加轻球,自然更重了。”这时一个老教授忙将校长的衣袖扯了一下,挤上前来说：“当然比重球要慢。它是重球加轻球,轻球接拉它,所以下落速度应是两球的平均值,介乎重球和轻球之间。”伽利略不慌不忙地说道：“可是世上只有一个亚里士多德啊,按照他的理论,怎么会得出两个不同的结果呢?”

校长和教授们面面相觑,半天说不出话来。一会儿才突然醒悟到,他们本是一起来对付伽利略的,怎么能在伽利略面前互相对立起来呢?校长的脸一下红到脖根,气急败坏地喊道：“你这是强辩,放肆!”这时围观的学生轰地一声大笑起来。伽利略还是不动火,慢条斯理地说：“看来还是亚里士多德错了!物体从空中自由落下时不管轻重,都是同时落地。”听了伽利略的这几句话,校长和那些教授再想不出一句反驳的话来,于是亚里士多德的理论就这样轻易地被这个初生牛犊推翻了。