《人類科學技術史-195》伽利略的發(fā)現(xiàn)

伽利略的發(fā)現(xiàn)

當開普勒正在孜孜以求地計算行星軌道、進行天文學理論的改造之時，在意大利，另一位偉大的科學家伽利略(1564-1642年）也在從事天文研究。

1.望遠鏡中的星空

在用望遠鏡觀察天體并宣布一系列重大發(fā)現(xiàn)之前，伽利略已是享有盛譽的物理學家和數(shù)學家。

1564年2月15日，伽利略出生于意大利的比薩。他的父親是個破落貴族，酷愛音樂和數(shù)學。伽利略幼年時期就已表現(xiàn)出對周圍事物的強烈興趣，而且喜歡探尋究竟。父親希望他學醫(yī)，認為這樣既能發(fā)揮他的才能，也可找到收入豐厚的職業(yè)。18歲時，伽利略尊從父命進入比薩大學攻讀醫(yī)學，但數(shù)學和物理更使他著迷。在數(shù)學教師的幫助下，他從學醫(yī)改為學數(shù)理。

在天文學方面，伽利略很旱就接受了哥白尼的學說。他在1597年給開普勒的信中寫道："我許多年來已經(jīng)是哥白尼理論的信徒。這個理論給我解釋了許多現(xiàn)象的道理，而若按照那些公認的觀點，則它們根本無法理解。我已搜集了許多論據(jù)來駁斥這些觀點，但我不敢公布這些論據(jù)。"伽利略在信中提到，偉大的哥白尼成為人們嘲笑的對象，這使他擔心公開發(fā)表自己的見解會造成麻煩。很顯然，這種擔憂并非是多余的，布魯諾就是由于信奉包括哥白尼學說在內(nèi)的"異端邪說"而在三年后被宗教法庭燒死的。

然而，作為一個科學家，伽利略不能不同他已證實的謬誤作斗爭。1604年，一顆新星的出現(xiàn)和對它的觀測，使他同開普勒緊密合作，同亞里士多德派進行了論戰(zhàn)。根據(jù)亞里士多德派的觀點，這顆新星是不可能存在的。

1608年誕生的一項發(fā)明，為天文學開辟了一條新的道路。這一年，有個名叫漢斯.利帕希的荷蘭制鏡工匠制成了一種奇妙的"眼鏡"即后來所稱的望遠鏡，用它看遠處的物體就象近在眼前一樣。伽利略聽到這個消息后受到啟發(fā)，立即動手自己制造這種儀器。最初制成的望遠鏡結構比較簡單，即把透鏡安置在銅管的兩端，用它進行觀察，比用肉眼觀察可以近3倍、放大9倍。后來經(jīng)過改進，觀察距離可近30倍，形狀放大可達1000倍。

當伽利略把他的望遠鏡對準天空時，他獲得了前所未有的重大發(fā)現(xiàn)。1610年3月，他出版了一本名為《星的使者》的小冊子，報道了自己從望遠鏡中看到的一切。望遠鏡清楚地把無數(shù)前所未見的恒星展現(xiàn)在他眼前，這些恒星的數(shù)量比已知的要多10余倍。望遠鏡中的月球表面，并不象人們原來認為的那樣平滑和光亮，而是粗糙不平，就象地球表面一樣到處是巨大的突起物、深深的峽谷和蜿蜒彎曲的東西。望遠鏡使有關銀河系或銀河的爭論有了結果，因為銀河系只不過是無數(shù)聚集在一起的星星而已。伽利略還宣布了一個他認為是最重要的發(fā)現(xiàn)，即有4顆星圍繞著木星按自己的軌道運行。伽利略指出，這是最令他驚奇并促使他提醒所有天文學家注意的現(xiàn)象，因為它證明地球不是宇宙中唯一有自己衛(wèi)星的行星，也證明一個像地球那樣的星體可以在別的星體圍繞其運行的同時，自己又圍繞另一個星體運行。他認為，這是支持哥白尼體系的顯著而又極好的證據(jù)。

在《星的使者》發(fā)表之后，伽利略繼續(xù)用自己的望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一些重要的現(xiàn)象，并為證實哥白尼體系提供了更多的依據(jù)。按照托勒密的學說，金星光亮的一面將始終朝著太陽，而不可能完全朝向地球；而哥白尼曾預言，金星像月亮那樣也會出現(xiàn)相變。約在1610年底，伽利略發(fā)現(xiàn)了金星的周相：當它呈圓形盤狀時，比它呈月牙狀時小得多。這一發(fā)現(xiàn)有助于說明金星也是環(huán)繞太陽運行的。伽利略還注意到了土星的外形。他在1610年7月30日給朋友的信中寫道："我已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，土星由3個球體構成，他們幾乎相觸，從不改變相對位置，并沿著黃道帶排成一行，中間的球3倍于另外兩個。"但他后來又注意到，中間大球兩邊的小球消失了。實際上，他是首次發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)，只是由于其望遠鏡的能力所限，而未能確定，因為從地球上看，土星環(huán)的形狀是變化不定的。1610年10月，伽利略還觀察到了太陽黑子。在此前后，開普勒和法布里修斯以及沙伊納等人也注意到了太陽黑子的存在。伽利略確認了黑子位于太陽本身之上的觀點，并根據(jù)太陽黑子由東向西的移動而確定太陽圍繞自己的軸轉動。

伽利略的成功使他聲名遠播。1611年他前往羅馬，在那里受到教皇保羅五世的接見和耶穌會神父們的歡迎。未來科學協(xié)會的先驅(qū)天貓座學會為他舉行了宴會并向他表示敬意。但是，還有許多教會權威人士和學者或者拒絕用望遠鏡來觀察天體，或者認為通過望遠鏡得到的觀察結果是虛幻的和不真實的，或者不接受伽利略對于望遠鏡中看到的一切所作的解釋。

但伽利略對哥白尼學說的熱情有增無已，因為他的發(fā)現(xiàn)證明了哥白尼關于地球只不過是太陽系中"另一顆行星"的觀點是正確的。1613年，他發(fā)表了《關于太陽黑子的信》，表達了自己對哥白尼學說的信念。此書在歐洲廣為流傳，也引起了教會的不安。雖然伽利略力圖證明《圣經(jīng)》和哥白尼的理論都是正確的，說上帝通過《圣經(jīng)》的語言和自然的語言這兩種形式來溝通真理，他還是在1615年受到警告。次年初，有關太陽位于宇宙中心和地球在運動的觀點，也被宗教法庭宣布為虛妄的異端邪說。

2.《關于兩種世界體系的對話》

在此后的10余年間，伽利略潛心于自己的研究工作而很少發(fā)表言論。但到1632年，他發(fā)表了《關于兩種世界體系的對話》這部新著，再次震動了學術界和思想界。為了使自己的見解能為平民百姓所理解，伽利略此書沒有使用當時學術著作慣用的拉丁語，而使用了意大利語。為了避免過于直接的表態(tài)觸怒教會，他以三個朋友談話的形式表達了支持或反對哥白尼體系的辯論。

《對話》沒有公開為哥白尼的體系辯護，但在實際上為這個體系作了有力的說明。書中以望遠鏡觀察到的月球表面、新星、太陽黑子等無可回避的事實，駁斥了亞里士多德的學說。在談到是所有天體24小時內(nèi)繞地球旋轉一周、還是地球在這個時間內(nèi)繞自己的軸轉動一周而引起星空的視運動問題時，《對話》使人感到，地球轉動的說法更可信服。《對話》解釋了人們觀察到的行星的停止和逆行現(xiàn)象，認為這是由于地球的周年旋轉而引起的。

當時，被奉為權威的亞里士多德學說，阻礙人們接受太陽居于中心和地球運動的新體系。亞里士多德認為，如果地球沿著繞太陽的軌道運行，那么恒星的視在位置就應發(fā)生變化；如果地球是轉動的，那么一個垂直上拋的物體不應落到把它拋出的那個位置而應稍為偏西，因為該物體在空中時地球已朝東轉過了一點，但在事實上物體一般都落到原來的位置；如果地球是轉動的，那么地球表面不很靠近兩極的物體將被離心力甩出地球表面。《對話》一一反駁了這些觀點。該書認為，由于恒星與地球的距離極為遙遠——至少是太陽與地球距離的1萬倍，所以地球繞太陽運行時的恒星視差不易被覺察。該書引用慣性定律解釋了上拋物體落回原地的問題。例如，從一艘靜止的或正在航行的船只的桅桿頂部落下的石頭，都是落在桅桿腳下。在船只靜止的情況下，桅桿、石頭和空氣同等地共有地球的自轉運動，因此石頭墜落時通過的空氣將不影響其墜落的方向。如果在船只航行時石頭的墜落有微小的偏離，那就是由空氣的阻力所引起的，因為相對于航船來說，空氣處于靜止狀態(tài)。至于離心力的問題，《對話》認為，由于地球繞自己的軸轉動的速度較慢，所以離心力比引力要小得多，地球表面的物體因此而不受地球自轉的影響而留在其表面。

《對話》是繼哥白尼的《天體運行論》和開普勒的《新天文學》之后又一部偉大的天文學著作，它明白無誤地傳遞了關于日心說宇宙的信息。特別是由于它通俗易懂，使得哥白尼的學說得到了空前的傳播。伽利略收到了不少對他和他的著作表示支持和肯定的信件。有人贊揚他用簡潔的語言表達了新的理論和新的觀測成果，使普通人也能懂得其中的一部分。有人祝賀他在公眾中取得了成功，給了哥白尼體系以生命力，并且揭示了自然的奧秘。還有人則認為，他的論據(jù)比哥白尼的論據(jù)更加有力，他的新提法和新發(fā)現(xiàn)意味著新時代的開端。

3.宗教法庭的審判

教會方面對于伽利略和他的著作，有著另外的看法。

在天主教受到新教猛烈攻擊的情況下，教皇烏爾班八世希望通過對伽利略的《對話》作出反應，以表示羅馬教廷對于保持基督教義純潔性的決心。某些敵視伽利略的教會人士，也趁機指責伽利略在《對話》中影射教皇是愚蠢的地心說捍衛(wèi)者。于是，伽利略在1633年2月被宗教法庭傳到羅馬接受審訊。

那時伽利略年已70，且身患重病。6月16日，根據(jù)教皇烏爾班八世的裁決，《對話》被徹底禁止，伽利略必須公開宣布放棄自己的見解，并且要受到無限期軟禁。6月22日的早晨，伽利略跪在宗教法庭面前，手摸福音書宣布：他相信教會主張和教導的一切都是真理，放棄并詛咒已遭指控的謬誤和邪說，永不再以書面或口頭形式發(fā)表任何可能使自己受到懷疑的見解。然而，伽利略完全是在受到巨大壓力甚至被威脅要施以酷刑的情況下，無可奈何地被迫屈從的。據(jù)說，在公開認錯后，伽利略曾頓足道："但是，地球確實在運動呀！"雖然有的學者認為這句話純屬傳奇，但伽利略確實依然執(zhí)著地追求科學。作為虔誠的基督徒，他不能想象同教會對抗。但作為杰出的科學家，他不能放棄對自然的探索。

伽利略被隔離居住于佛羅倫薩城外的一所房子。在這里，他繼續(xù)進行研究，只是回避了可能同教會沖突的問題。1636年，他完成了《關于兩種新科學的談話》一書。由于意大利已經(jīng)禁止出版他的著作，此書于1638年在荷蘭出版。在生命的最后4年，伽利略雙目失明，但在自己學生的幫助下，他依然不斷工作，直到逝世。

伽利略是用望遠鏡觀察天體的第一人，他的發(fā)現(xiàn)，證實和發(fā)展了哥白尼的學說，為天文學革命作出了具有永久意義的貢獻。

從哥白尼開始，經(jīng)過第谷、開普勒，再到伽利略，天文學經(jīng)歷了革命性的變革。這個過程逐漸揭示了宇宙的奧秘，并為稍后英國科學家牛頓對物理世界的偉大綜合奠定了基礎。