伽利略有哪些杰出贡献

伽利略有哪些杰出贡献
伽利略有哪些杰出贡献

伽利略有哪些杰出贡献
由哥白尼点燃的科学革命烽火,燃遍了整个欧洲,一个近代自然科学全面奠基的时期开始了."新兴自然科学的第一时期－－在无机界的领域内－－是以牛顿告结束的.这是一个处理已有材料的时期,它在数学、力学和天文学、静力学和动力学的领城中获得了伟大的成就,这特别是归功於开普勒（Johannes Kepler,1571~1630）和伽利略,牛顿就是从他们二人那里得出结论的."具体说,从伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)发表他的第一篇成名之作《液体静力秤》的1586年起,至牛顿发现万有引力定律的1685年止,整整经历了一个世纪.在这一个世纪中,自然科学以神奇的速度发展起来,在这时期中,突出的是以力学为中心的实验科学的兴起.经过伽利略、开普勒、牛顿等大批科学家一个世纪的辛勤工作,终於建立了经典力学的理论体系.在这同时,由於天文学和力学的发展,带动了数学的发展,促进了微积分的创立,对化学、物理学、生物学等学科的发展也起了不同程度的推进作用.
1.亚里士多德的力学
最早起源於希腊的力学,被系统地总结在亚里士多德的物理学中.根据这种带有思辩和人性色彩的物理学观点,把常见的运动分成三类.第一类是地面上物体的运动；第二类是物体在空中下落的运动；第三类是天体的运动.亚里士多德对运动的原因作了解释,地面上物体的运动是强制性的运动,推一堆,动一动,不推就不动,所以力是维持物体运动的原因；第二类和第三类运动属於天然运动.地球是宇宙的中心,是一切空中运动物体的天然归宿.物体的重量越大,其趋向天然位置的倾向也越大,所以其下落的速度也越大；天体是由特殊质料构成的,具有特殊性质,天体是神灵们的处所,所以天体的运动是沿著最完美的曲线－－圆周,以最完美的速度－－匀速运动.这种经不起事实检验的解释显然是错误的,但它竟然影响和统治人们的思想达二千年之久,直到伽利略、牛顿时代,才得以彻底纠正.这除了与生产力发展水平低下有关外,还跟当时的社会结构有关.在古希腊时代把从事实验操作工作看作是卑贱的事情,应该由奴隶或仆役去完成,有身份有"知识"的人是不动的,只是滔滔不绝地演讲和论证.传说亚里士多德常在花园中,边散步边给弟子讲课,故亚里士多德学派又称为逍遥派.因此,古希腊物理学的致命弱点是没有充分注意定量实验.甚至一个很简单的实验也可以证实亚里士多德的落体定律是错误的.
经院哲学是西欧中世纪出现的一种思想体系.教会为了愚弄和统治人们的思想,歪曲和阉割亚里士多德学说中的合理和积极的部分,宣扬其消极部分,使"改造"后的亚里士多德的哲学符合宗教教义,他的著作也就成为仅次於宗教教义的权威.列宁曾一针见血地指出："僧侣主义枪杀了亚里士多德学说中活生生的东西,而使其中僵死的东西万古不朽".由於这种被加工和改造过的哲学产生於天主教的学院,故被称之为经院哲学.这种哲学热衷於从抽象的概念出发,用繁琐的推理去论证宗教的教义,主张理性服从信仰.对实验和观测不感兴趣,不相信人类的感觉是认识事物本质的指南.这种哲学,在科学史上,对科学的发展产生深重的影响.这在伽利略与教会的斗争中表现得尤为突出.
比伽利略早一个世纪的意大利文艺复兴运动的传奇人物达．芬奇(Leonardo da Vinci,1452~l519),是个集科学家和艺术家於一身的多才多艺的人物.他通过解剖研究人体的生理构造,他观察天体,研究天文,他精通绘画和雕刻,又擅长机械和土木建筑,总之,他的兴趣广泛,涉及多种学科和工艺.在他的活动中,有一个显著的特点：重视实践,他说："在研究一个科学问题时,我首先安排几种实验,因为我的目的是根据经验来决定问题,然后指出为什麼物体在什麼原因下会有这样的效应.这是一切从事研究自然界现象所必须遵循的方法…我们必须在各种各样情况和环境下向经验请教,直到我们能从这许多事例中引伸出它们所包含的普遍规律".不仅如此,他还十分重视数学和实验结合在探讨自然规律过程中的重要作用,懂得定量的实验在科学方法上的重要性,他认为科学上没有什麼肯定的事情用不上一门数学科学的.他在研究梁柱的强度和力学问题时采用了这种方法,得出定量的结果.达．芬奇的这些见解和实践,对伽利略建立实验自然科学起了重要的启发作用.
2.伽利略的生平和主要的科学活动
1564年2月15日伽利略出生於意大利古城比萨,父亲是破落的贵族,擅长音乐和数学.童年时代的伽利略就显示非凡的制作和观察能力,自己动手制成会动的玩具和机器.1572年开始接受正规教育,在圣玛丽亚寺院学习.1581年9月考入比萨大学,遵从他父亲的意愿学医.然而他对医学毫无兴趣.一个偶然的机会,把他的兴趣和注意力引向数学和物理.1583年托斯卡纳公国(比萨隶属於此公国)的大公爵来比萨过冬,随行人员中有一位很有才学的宫廷教授里奇(Ostilio Ricci,1540~1603),是伽利略家的朋友.在一次里奇所作的数学演讲中,使旁听的伽利略著迷.从此他对数学的兴趣剧增.由於他对数学表现出非凡的理解能力和过人的逻辑思维能力,被里奇收为门生,并指导他阅读了不少数学著作,特别是阿基米德和欧几里德的著作.这使得伽利略在数学上有相当的造诣,对他以后创立实验自然科学并获得成功起了巨大的作用.
伽利略对数学的热爱,引起了他父亲的反对,加上家境窘迫,1583年他没有取得学位就离开比萨大学,回到佛罗伦斯协助父亲经营店铺.在经营之余,他把一切时间都用於学习数学做实验,从此开始自学和独立进行研究.
传说1583年他在比萨大教堂内从吊灯摆动的现象中,发现了"摆的等时性"规律,并应用於实际.关於这传说,日本的科学史和科学教育研究者板仓圣宣曾表示过异议,理由是比萨大教堂的吊灯是1583年以后制造的.这段传说是伽利略晚年接收的学生维维安尼(Vincenzo Viviani,1622~1703)在《伽利略传》中记述的.但是伽利略根据摆的规律发明的能准确测量脉搏速率的摆式脉搏计是有据可查的,1607年帕多瓦大学的一位医生在他的著作提到过这种脉搏计,并附有图样.
1585~1589年期间,他做过家庭教师,教过数学.1586年发表了他的第一篇论文《液体静力秤》,表现出他在实验方面的才能.这种秤是根据阿基水德的杠杆原理和浮力原理制成的,它能准确而方便地测出金属的比重.在这同时他还写了一篇《论重心》的文章,经里奇介绍给大公爵费迪南德一世(Grand Duke Ferdinand I).为了谋求职业,里奇指点伽利略给一些有影响的贵族和科学家写信,介绍自己的研究成果,以求得支持.在这过程中,他结识了热爱科学和礼贤下士的吉多鲍多侯爵.侯爵很赏识他的学识和才华,表示愿意对他的研究工作予以支持和帮助.
由於吉多鲍多侯爵的推荐,1589年他受聘担任比萨大学新增设的数学讲座教授,主要讲授数学和天文学,课余仍热衷於研究有关运动的问题.他研究的中心问题是在重力作用下落体的运动,对亚里士多德的落体定律和运动原因的理论提出质疑.亚里士多德的落体运动理论可以概括为两点：一是落体的速度与其重量成正比；二是落体的速度与其所通过的介质的密度成反比.伽利略直言不讳地对此提出批评,认为是胡说八道.他非常尊敬阿基米德,深受"浮力原理"的影响,企图以阿基米德的理论来探讨落体运动的规律,提出了物体下落的速度与它的密度成正比；在水中或空气中下落时,则下落速度与物体和介质间的密度差成正比.他的这一假设,反映在1590年他所撰写的长篇论文《论运动》中.与伽利略同时代,并对伽利略有过很大影响的威尼斯的数学家贝尼德蒂(Giovanni Battista Benedetti,1530~1590)是帕多瓦大学著名的冲力说者.他在1585年出版的《力学论》中,批判了亚里士多德的落体运动理论.他提出,在真空中山同一材料组成的大小不同的物体,在同一时间内下落的距离相同,即它们的末速度应相同.这与亚里士多德的落体速度与其重量成正比的结论完全不同.为了论证这一点,他运用逻辑推理的方法驳斥了亚里士多德的论点：一个重的物体与一个轻的物体缚在一起,让它们下落,按亚里士多德的理论,重物下落快,轻物下落慢,重物受轻物牵制,它们一起下落的速度必定介於它们各自下落时的速度之间；另一方面,两物缚在一起的重量应比重物还重,所以它们下落速度比它们任何一个的速度都大.由此可见,亚里士多德的落体运动理论是自相矛盾和经不起推敲的.贝尼德蒂的这个简洁而有说服力的推理,在一些介绍伽利略发现落体定律的文章中,常被错误地说成是伽利略首先提出的理想实验,这实在是一个误传.荷兰的科学史教授E.J·狄克斯特霍伊斯(E.J.Dijksterhuis,1892~)在他与R.J·弗伯斯(R.J·Forbes,l900~)合著的《科学技术史》中郑重提出了这一点.
关於落体运动的传说中,有一个说法,1590年伽利略曾在比萨斜塔上当著所有其他教师、哲学家以及所有的学生重复多次地把两个不同重量的球体同时落下,以两球同时看地的事实来驳斥亚里士多德的落体理论.这个传说虽然富有传奇色彩,流传甚广,甚至於在比萨和佛罗伦斯的某些搏物馆里还陈列著据说是当年伽利略作实验用过的木球,但是可惜的是证据不足.在保存完好的伽利略的笔记和著作中,在与伽利略同时代的科学家的谈话和文章中,都从未提到过此事.这个传说最早是出自於伽利略的学生维维安尼,他在1654年出版的《伽利略传》中描述了这件事.对於这个传说在历史上一宜存在著两种不同的看法：一是认为比萨斜塔实验是可信的,确有此事；另一是认为根本没有此事,仅仅是维维安尼为了扩大他老师的影响而作的传奇描述.当然,还有一种看法是对此事不置可否.
持第一种看法的有以意大利伽利略著作国家版(其二十卷)的编辑法瓦罗(Antonio Favaro)为首的一批物理史学家,其中有著名的英国大哲学家怀特海(A.N.Whitehead),他把比萨斜塔实验和1881年的迈克尔孙-莫雷实验并列为科学史上最著名的两个"判决性"实验.
持第二种看法的有以德国伽利略著作国家版编辑沃威耳为首的一批物理史学家,其中有著名的科学史学家巴特菲尔德(Herbert Butterfield)等.
历史上确有人进行过落体实验,此人是荷兰的工程师和力学家斯台文(Simon Stevin,1548~1620),即斯台维努(Stevinus).他在1586年出版的《静力学》中,介绍他所做的一次落体实验："让我们拿两只铅球,其中一只比另一只重十倍,把它们从三十英尺的高度同时丢下来,落在一块木板或者什麼可以发出清浙响声的东西上面,那麼,我们会看出轻铅球并不需要比重铅球十倍的时间,而是同时落到木板,因此它们发出的声音听上去就像是一个声音一样."
一些取材严谨,内容广泛,叙述准确的物理学史著作和传记辞典,如《科学传记辞典》(C.C. Gillispie(主编),Dictionary of Scientific Biography, Charles Scribner’s Sons,New York,1970~1980)：在提及伽利略的比萨斜塔实验时,都冠以"据传说"的字样.
伽利略科学研究的黄金时期是在1592~1610年.伽利略在吉多鲍多侯爵的全力帮助下,1592年前往威尼斯共和国,受聘担任帕多瓦大学数学教授.威尼斯位於亚德里亚海之滨,远离罗马教庭,受教会的控制较少,学术空气比较自由.由於航海业、贸易和手工业发达,威尼斯经济富裕,是地中海当时的强国之一.帕多瓦属威尼斯共和国,帕多瓦大学是当时欧洲著名的大学之一,素以提倡自由研究和自由思想驰誉欧洲,欢迎具有各种信仰的人和新思想的人前来讲学.这种环境和气氛对伽利略的科学研究活动十分有利,对他卓越才能是个充分发展的好机会.这段时期是他科学生涯中的黄金时期,是最出成果的时期,也是他一生中最幸福的时期.他的科学宇宙观在这里形成了.
这段时期伽利略研究了大量问题,特别是力学问题.如落体运动,摆和斜面上的运动,抛射体的运动,力的合成等.此外对流体、热学问题也进行了研究,伽利略温度计就是在1592~1593年期间发明的.1609年他被荷兰人利珀希(Hans Leppershey, 约1570~约1619)发明望远镜的消息所吸引,从而把他的兴趣和注意力从力学转向光学和天文学,直到1633年被教会判为终身监禁后重又研究力学.他对力学的大部分研究工作和发现都是在这时期完成的,而发表则在晚年.
伽利略在帕多瓦主要讲授欧几里德的数学、托勒密的天文学和亚里士多德的力学.业余讲授筑城学、军事工程学,把数学知识、力学实验和防御工程相结合,很受学生中贵族子弟的欢迎.
1597年设计了具有军事用途的比例规和罗盘,并开设工厂生产和出售这些仪器.在这之前,他根据气体的热胀冷缩的性质,发明了空气温度计.使用中发现测温不准,由於当时忙於其他工作,没能进一步改进,直到晚年才与学生托里切利(Evangelista Torricelli,1608~1647)讨论改进.托里切利在他的指点下,於1643年发明了水银气压计.
在研究落体运动问题时,他发现物体在空气中下落,它的速度不仅与它的重量和密度有关,还与它的大小和形状有关,他意识到空气对落体的阻力作用,认识到以前提出的"物体下落速度与物体的密度和空气的密度差成正比的假设是错误的,错在没有考虑空气阻力.他想,假如没有空气,在真空中物体的下落速度也许与重量和密度无关,所有的物体会下落得一样快.他观察到物体从静止状态开始下落的过程中,它的速度是不断地增加的.他确信这种速度增加是以一种极其简单和十分显而易见的方式进行的,因为他认为大自然是以本质上最简单的方式行事的.随著下落时间的增大,物体下落的距离也急剧地增大,他设想下落距离s与下落时间t的平方成正比.那麼速度以什麼样方式增大才能满足上述关系呢?从1604年他给友人的信中可以看到,他提出了速度与通过的距离成正比的假设,重复了两个多世纪前萨克森的艾伯特(Albert,约1316~1390)所犯的错误.从这个假设出发,经过数学计算,得不到「下落距离s与下落时间t的平方成正比」的结论,而且矛盾百出.直到1609年前后,才从他的笔记和文章中看到了他提出的正确的速度与下落时间成正比的关系,而且用图解法证明了,从这种速度变化关系出发,可以得到「下落距离s与下落时间t的平方成正比」的结论.所以,伽利略不像传说中的那样,是在1590年的比萨斜塔上得到了正确的落体定律,而是经过一个曲折和反复的过程.
伽利略希望通过实验来检验这些关系是否正确,从而进一步验证他的假设.然而自由落体的运动过程太快,在当时的条件下,无法进行实际测量.为了"冲淡重力",充分放慢运动,他通过对单摆运动和精心设计的斜面实验的研究,验证了「下落距离s与下落时间t的平方成正比」的关系,找到了正确的落体运动的规律.在1638年出版的《两种新科学的对话》中第一次详细地叙述了落体定律,指出从静止状态开始自由下落的物体,其经过的距离同下落的时间平方成正比,实际上这个比值就是重力加速度.但是伽利略没有给出过一个重力加速度的近似值.第一个最先得出这个近似值是9.8米/秒2的是荷兰物理学家、数学家和天文学家惠更斯(Christiaan Huygens,1629~1695).
伽利略的斜面实验,是最后证实他的自由落体通过的距离与下落时间平方成正比的假设是正确的一个关键性的实验.这完全不像有些流行的说法那样,伽利略是通过斜面实验,由测得的距离和所用的时间,得出距离与时间平方成正比的结论,从而发现落体定律.这既违背历史事实,也不符合伽利略当时所运用的研究方法.他所运用的方法是：根据经验进行推理,提出最初的假设,运用数学工具进行演绎,得出结论,然后通过实验来验证假设.这种方法就是现在所谓的演绎法.在这种方法中,实验的地位和作用,不是为了发现规律,而是为了证明演绎所得的结论,从而证明最初的假设是正确的、有效的.这种方法对以后的许多科学家、对物理学的发展起了重大的作用.
伽利略在帕多瓦期间,除了在力学方面作出了重大的贡献外,对天文学和哥白尼的日心说的发展,也取得了重大的成就.
1594年,伽利略患关节炎在家养病期间,阅读了有关介绍哥白尼日心说的书籍.哥白尼所描绘的宇宙结构图象,引起了他强烈的兴趣,开始研究天文学.在1597年5月写给比萨友人的信中,他第一次表明赞成哥白尼的日心说.同年8月收到开普勒寄来的他的处女作《宇宙的神秘》一书抄本.在给开普勒的回信中,伽利略再次公开声称他是哥白尼的信徒,并宣称发现了一些有利於证实地动的物理论据.他对哥白尼学说的兴趣不是建立在力学而是建立在天文学的基础上.1604年起新星的出现,导致对亚里士多德关於天空的紧固性论述的争论.在这场争论中伽利略公开支持哥白尼的理论,发表了三篇内容充实的演讲,并准备发表有关天文学的著作.然而他的这些计划被一件偶然发生的事情打乱了,没能实现.1606年,在帕多瓦的一位德国人梅耶和他的学生卡普拉剽窃了伽利略发明的比例规,把他写的意大利文的说明书译成拉丁文,谎称是他们自己发明的,并且反诬伽利略是剽窃者.伽利略为捍卫自己的发明权,向学校当局控告他们两人,当时迈尔已回到德国,而卡普拉则被学校开除.1607年他用辩论文体发表了《对卡普拉诽谤与欺骗的自辩》,从此开始了以辩论文体为斗争武器的写作方式,取得了极大的成功.
1609年7月,他从友人处听到荷兰的利泊希发明了望远镜,於同年的8月根据传闻制成了第一架放大率为3倍的望远镜.他用风琴管作镜筒,两端分别嵌入一片直径为5.6厘米的平凸透镜和一片平凹透镜.他前往威尼斯,把它献给了大公爵.望远镜很快在军事上和航海上显示出它的实用价值.为了表彰他的功绩,威尼斯大公爵封他为帕多瓦大学的终身教授,并给予加位薪俸.他不满足於已制成的第一架望远镜所取得的成功,经过继续努力和改进,到1609年底,他把放大倍数提到32倍,这是伽利略型望远镜的极限值.具有重要意义的不是他制出了第一架高倍率望远镜,而是他首先把望远镜对准了浩瀚的星空,开创了用望远镜研究天体运动的新纪元,创立了望远镜天文学.
他首先观察了月球,发现月球表面并不像经院哲学们所描述的那样光滑、完美而没有瑕疵,而是像地球表面那样,高低不平,有高山有深谷,也在绕轴自转.他把月球上两条主要山脉分别以"阿尔卑斯"和"阿平宁"来命名,并绘出世界上第一幅月面图.他根据月面上明暗斑纹的变化,推测出月球自身是不发光的,它的亮光是反射太阳光的结果.他接著观察行星,发现在望远镜中看到的行星要比肉眼看到的大得多,两恒星则差别不大,推断出恒星离地面极远.银河是由无数颗恒星所组成,证明了布鲁诺关於宇宙是无限的论断是正确的.1610年1月7日这一天是伽利略一生中最伟大的一天,也是天文学史上重要的一天,他从望远镜中发现了木星有卫星,经过几天的观察,发现卫星共有四颗,并在绕木星缓慢旋转,这多像是一幅哥白尼体系中小太阳系的画面.
这对哥白尼学说来说是个重要的支持.说明亚里士多德的天界是不变的,行星只有七个,一个不多一个不少的说法是完全站不住脚的.1610年3月他把上述的观察结果和对哥白尼学说的阐述写成《星界信使》一书在威尼斯公开发表,引起轰动.开普勒对此书给予高度评价,在伽利略的同意之下,开普勒同年在德国的法兰克福重印.为了对伽利略的支持,开普勒写了《同星界信使的对话》一文,指出伽利略的发现与他的行星理论是完全一致的.
伽利略身在帕多瓦,心里一直想念著家乡佛罗伦斯.为了能回到家乡,他把《星界信使》和一架望远镜献给佛罗伦萨托斯干纳大公爵科西莫．德．梅迪西二世(Cosimo del Medici II),并把木星的卫星命名为"梅迪西星".1610年7月他被托斯干纳大公爵任命为宫庭数学和哲学教授,并任比萨大学名誉教授.在这同一个月里,伽利略发现土星呈橄榄型的"三重星",误认为土星有两颗极近的卫星.直到46年后,惠更斯才正确提出这是土星光环所致.
伽利略於1610年9月回到阔别18年的佛罗伦斯,继续从事天文观察.就在这个月的月末发现了金星的盈亏现象,后来发现水星也有相似的现象.从金星和水星的周相变化不同於月球,推断出金星和水星是在太阳与地球之间的轨道上绕太阳旋转.这对哥白尼学说无疑是个有力的证据.
1611年他访问罗马,受到教皇保罗五世的接见,并结识了1603年创建俐学会的塞西(Federico Cesi,1585~1630)侯爵.猞俐学会(猞俐是一种山猫,行动敏捷凶猛,目光锐利,以此命名,比喻科学力量之深刻有力.)是由当时意大利第一流科学家组成的学术团体,是科学发展史上第一个有影响的科学组织.由於伽利略的学术成就和声望,被选入该学会,成为第六名会员.
1612年伽利略发表了有关流体静力学的论文《关於浮体的讲文中阐述了他对阿基米德原理的发展和对亚里士多德的物理原理的抨击.得罪了经院哲学家和亚里士多德的信徒们.1613年发表了《关於太阳黑子的信札》的小册子,叙述了从1610年以来他对太阳黑子活动和形状变化的观察,书中第一次明确地阐述了哥白尼的学说,提出了角动量守桓和惯性的初步概念.他的观点招致教会中反对它的人和亚里士多德追随者的恶意攻击和中伤,指责他宣传邪说,背叛《圣经》.1616年2月26日宗教法庭对伽利略进行了审判,并颁布了如下的法令："认为太阳处於宇宙中心静止不动的观点是愚蠢的,在哲学上是虚妄的,纯属邪说,因为它违反《圣经》",正式宣布哥白尼的《天体运行论》为禁书,同时警告伽利略不准用语言和文字维护哥白尼的学说.
从此伽利略隐居於佛罗伦斯郊外的别墅里,进行一些不违背教会警告的研究工作.由於1609年望远镜的出现而中断了的力学研究工作,现在又继续进行了.他研究了加速运动,正确地定义了匀加速运动.