近代科學(xué)之父
——伽利略

浮 遂／文

伽利略是誰

相傳在16 世紀(jì)，有一位科學(xué)家曾帶著兩個鐵球登上比薩斜塔的塔頂，將它們拋下，推翻了亞里士多德“物體下落速度和重量成比例”這一持續(xù)了千年之久的錯誤學(xué)說。這位做了“兩個鐵球同時落地”的著名實驗的科學(xué)家就是伽利略。雖然在比薩斜塔上做鐵球?qū)嶒灥恼f法現(xiàn)在被認(rèn)為是虛構(gòu)的，但“重量與物體下落的速度無關(guān)”這一結(jié)論已深入人心。

伽利略，全名伽利略·伽利雷。他于1564 年2 月15 日在意大利的比薩出生，于1642 年1 月8 日在意大利佛羅倫薩附近的阿爾切特里逝世。伽利略是意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家。他是近代實驗物理學(xué)的開拓者，是近代實驗科學(xué)的奠基者之一，被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。他還有兩項重要的發(fā)明——溫度計和天文望遠(yuǎn)鏡。他與德國天文學(xué)家開普勒幾乎是同一時期的偉大人物。巧合的是，在他去世一年后，英國科學(xué)家牛頓出生了。

了不起的影響力

我們周圍的很多事物都在運(yùn)動，都在發(fā)生著相對位置的變化，但是你有沒有想過，物體運(yùn)動的基本規(guī)律是什么？早在幾千年前，就已經(jīng)有一些哲學(xué)家提出了自己的觀點(diǎn)。最有名的是古希臘的哲學(xué)家亞里士多德，他認(rèn)為地面上各種事物的運(yùn)動都是因為這個世界存在“不完美”，當(dāng)物體不在其“固有位置”的時候，就會自發(fā)朝這個固有位置運(yùn)動。任何有質(zhì)量的物體，其固有位置都在世界的底端。而天上的秩序是完美的，所以天上的東西會一直做著“完美的勻速圓周運(yùn)動”。這種說辭，在現(xiàn)代人看來可能過于可笑，但在當(dāng)時也的確是基于某些規(guī)律而總結(jié)出來的。

這種依靠直觀的觀察，得出看似正確的結(jié)論的現(xiàn)象，在人類科學(xué)探索的歷史上普遍存在。相比于亞里士多德，伽利略更加關(guān)注科學(xué)實驗的重要性。只有通過反復(fù)進(jìn)行物理實驗，不斷分析比較實驗結(jié)果，才能對世界上各類物理現(xiàn)象起到實證作用。他的實驗精神和開普勒的數(shù)據(jù)推測，對后世的牛頓等人構(gòu)建物理科學(xué)理論大廈起到了至關(guān)重要的作用。

人生超級劇場

觀察單擺

在比薩大學(xué)的醫(yī)學(xué)課堂上，我又走神兒了，雖然我的父親非常希望我學(xué)好醫(yī)學(xué)，畢業(yè)后找個得體的工作，但我實在對學(xué)醫(yī)提不起興趣。我的眼睛瞟向窗外，正好能看到高聳的比薩斜塔。比薩斜塔，是我家鄉(xiāng)的地標(biāo)性建筑物，所有人都知道這個地方。

不過，這座斜塔其實只是一個鐘樓而已，它是比薩大教堂的鐘樓。鐘樓每天報送時間，讓全鎮(zhèn)的人知道到底流逝了多少光陰。我們每個人也都依靠時間來判斷周圍事物的運(yùn)動變化。每個日子的消逝仿佛都以教堂發(fā)出的鐘聲為準(zhǔn)。

可是，物體的運(yùn)動規(guī)律到底是怎樣的呢？這真是一個令人費(fèi)解的問題。自從我于1564年在這里出生以來，總對周圍的事物充滿著強(qiáng)烈的好奇。

不過，此時的我還是聽從父親的安排，學(xué)了醫(yī)學(xué)。我的祖輩是佛羅倫薩很有名望的醫(yī)生，只不過到了我父親這一代家境逐漸衰落。我的父親非常有音樂天賦，也對音樂中的一些發(fā)聲現(xiàn)象進(jìn)行過研究，還專門出版過一本名為《音樂對話》的書。但他并沒有因為這個天賦謀到什么職、賺到什么錢。

到了我這一代，父親就打心里希望我不要像他一樣過得窮困潦倒，讓我專心學(xué)醫(yī)，為人解除病痛，掙到錢。我可能要讓他失望了，因為在大學(xué)里，我經(jīng)常逃課泡在圖書館，我醉心于數(shù)學(xué)、物理學(xué)等自然科學(xué)，這些學(xué)科知識是如此令我著迷。

今天，我來到了比薩教堂，坐在長凳上凝視著精美雕刻的廊柱。突然，我猛地發(fā)現(xiàn)頭頂?shù)牡鯚粽诨蝿?，而且每晃動一次的時間幾乎都是相同的。我興奮極了，目不轉(zhuǎn)睛地盯著擺動的吊燈，一邊摸著自己的脈搏，一邊用脈搏跳動的次數(shù)來估算吊燈每次擺動的時間長短。我發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，吊燈擺動的距離越來越小，但無論擺動距離如何，每次擺動的時間都不會發(fā)生變化。我迫不及待地飛奔回大學(xué)宿舍，立馬找來鐵球、木塊等不同材質(zhì)的物件和繩子連接，制作了幾個擺錘。通過多次試驗觀察，我終于發(fā)現(xiàn)了單擺的等時性，即不管繩子下面掛著什么材質(zhì)的東西，只要繩子的長度不變，擺動一次的時間幾乎是相同的。

斜面實驗

1585 年，我剛剛在比薩大學(xué)念了幾年書，但是家里沒能力繼續(xù)支持我讀下去了，我只好輟學(xué)回家?？晌覜]有放棄對科學(xué)的熱愛、對自然界的觀察，因此我走上了自學(xué)的道路。數(shù)學(xué)、文學(xué)、藝術(shù)，這些內(nèi)容我都在自學(xué)的時候先后掌握了。我尤其喜歡詩人但丁寫的《神曲》，還為它作了插圖。

同時，我也寫了許多論文。功夫不負(fù)有心人，25 歲那年，我被比薩大學(xué)聘為教授。

然而，比薩大學(xué)信奉古希臘哲學(xué)家亞里士多德的思想。這位古代的哲學(xué)家，雖然也根據(jù)一些現(xiàn)象觀察總結(jié)了一些物體運(yùn)動的規(guī)律，但是這些教條的結(jié)論，有些因為觀察不仔細(xì)，有些因為缺乏邏輯推理，往往漏洞百出。

最典型的莫過于“自然界中，重的物體自由降落速度比輕的物體更快”，而我偏偏對他的理論有許多懷疑，希望大家認(rèn)識到自然界物體運(yùn)動的真相。

于是，我經(jīng)常會帶著小球等物體到高塔上做實驗。經(jīng)過無數(shù)次的實驗，我確信，亞里士多德的理論是錯誤的，我得出了新的結(jié)論——在空氣阻力忽略不計的情況下，物體自由落體的速度是一樣的，與物體的重量無關(guān)。

除了登上高塔，我還設(shè)計了一個實驗來驗證物體下落的奧秘。我想到了一個和自由落體有些相似的物理場景——物體在斜面上自由向下滑落到坡底的場景。為此，我讓金屬球從斜面頂端滑到底端，然后在斜面的旁側(cè)觀察在相同時間內(nèi)小球所走過的距離。我發(fā)現(xiàn)，小球所走過的距離按照1，3，5，7 這樣的奇數(shù)比例不斷增大。為了方便觀察，我按照1，3，5，7 的比例的距離位置在斜面上安裝鈴鐺，小球一經(jīng)過就會碰到這些鈴鐺，發(fā)出悅耳的金屬碰撞聲，提醒我小球經(jīng)過了這些特殊的位置。我驚奇地發(fā)現(xiàn)，這些鈴鐺鳴響的時間間隔，竟然幾乎是一致的。這說明，這些小球的確在相同時間內(nèi)陸續(xù)走過了比例為1，3，5，7 等奇數(shù)的距離。后來我發(fā)現(xiàn)，改變小球的質(zhì)量和斜面的斜率，這樣的“相同時間陸續(xù)通過奇數(shù)比例距離”的規(guī)律并沒有變化。我根據(jù)數(shù)學(xué)公式，最終推導(dǎo)出來，這樣的實驗現(xiàn)象說明小球下落距離和時間的平方成正比。我還發(fā)現(xiàn)，如果坡底這條軌道完全變成直線，小球會朝著前方一直滾過去。這就是我認(rèn)為的“物體只要不受到外力的作用，就會保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速狀態(tài)”。

通過反復(fù)進(jìn)行這些細(xì)致的實驗，我終于用實際行動證明了自己猜想的正確。這種精神最終影響了我在日后反抗羅馬教會的頑固不化，以及對于哥白尼的“日心說”這一真理的堅持和傳播。