《人類科學(xué)技術(shù)史-195》伽利略的發(fā)現(xiàn)

伽利略的發(fā)現(xiàn)

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

1.望遠(yuǎn)鏡中的星空

在用望遠(yuǎn)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(yù)的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)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(xué)。伽利略幼年時期就已表現(xiàn)出對周圍事物的強(qiáng)烈興趣，而且喜歡探尋究竟。父親希望他學(xué)醫(yī)，認(rèn)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(jìn)入比薩大學(xué)攻讀醫(yī)學(xué)，但數(shù)學(xué)和物理更使他著迷。在數(shù)學(xué)教師的幫助下，他從學(xué)醫(yī)改為學(xué)數(shù)理。

在天文學(xué)方面，伽利略很旱就接受了哥白尼的學(xué)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(rèn)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(dān)心公開發(fā)表自己的見解會造成麻煩。很顯然，這種擔(dān)憂并非是多余的，布魯諾就是由于信奉包括哥白尼學(xué)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(xué)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(jìn)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(xué)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(yuǎn)鏡，用它看遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)比較簡單，即把透鏡安置在銅管的兩端，用它進(jìn)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(jìn)，觀察距離可近30倍，形狀放大可達(dá)1000倍。

當(dāng)伽利略把他的望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)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(yuǎn)鏡中看到的一切。望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡中的月球表面，并不象人們原來認(rèn)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(yuǎn)鏡使有關(guān)銀河系或銀河的爭論有了結(jié)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(rèn)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(yùn)行。伽利略指出，這是最令他驚奇并促使他提醒所有天文學(xué)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(yùn)行的同時，自己又圍繞另一個星體運(yùn)行。他認(rèn)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(yuǎn)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(xué)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(yù)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(dāng)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(yùn)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(gòu)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(yuǎn)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(rèn)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(zhuǎn)動。

伽利略的成功使他聲名遠(yuǎn)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(xué)協(xié)會的先驅(qū)天貓座學(xué)會為他舉行了宴會并向他表示敬意。但是，還有許多教會權(quán)威人士和學(xué)者或者拒絕用望遠(yuǎn)鏡來觀察天體，或者認(rèn)為通過望遠(yuǎn)鏡得到的觀察結(jié)果是虛幻的和不真實的，或者不接受伽利略對于望遠(yuǎn)鏡中看到的一切所作的解釋。

但伽利略對哥白尼學(xué)說的熱情有增無已，因為他的發(fā)現(xiàn)證明了哥白尼關(guān)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(guān)于太陽黑子的信》，表達(dá)了自己對哥白尼學(xué)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(guān)太陽位于宇宙中心和地球在運(yùn)動的觀點，也被宗教法庭宣布為虛妄的異端邪說。

2.《關(guān)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(guān)于兩種世界體系的對話》這部新著，再次震動了學(xué)術(shù)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(dāng)時學(xué)術(shù)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(dá)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(hù)，但在實際上為這個體系作了有力的說明。書中以望遠(yuǎn)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(xué)說。在談到是所有天體24小時內(nèi)繞地球旋轉(zhuǎn)一周、還是地球在這個時間內(nèi)繞自己的軸轉(zhuǎn)動一周而引起星空的視運(yùn)動問題時，《對話》使人感到，地球轉(zhuǎn)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(rèn)為這是由于地球的周年旋轉(zhuǎn)而引起的。

當(dāng)時，被奉為權(quán)威的亞里士多德學(xué)說，阻礙人們接受太陽居于中心和地球運(yùn)動的新體系。亞里士多德認(rèn)為，如果地球沿著繞太陽的軌道運(yùn)行，那么恒星的視在位置就應(yīng)發(fā)生變化；如果地球是轉(zhuǎn)動的，那么一個垂直上拋的物體不應(yīng)落到把它拋出的那個位置而應(yīng)稍為偏西，因為該物體在空中時地球已朝東轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(rèn)為，由于恒星與地球的距離極為遙遠(yuǎn)——至少是太陽與地球距離的1萬倍，所以地球繞太陽運(yùn)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(zhuǎn)運(yùn)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?fàn)顟B(tài)。至于離心力的問題，《對話》認(rèn)為，由于地球繞自己的軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的影響而留在其表面。

《對話》是繼哥白尼的《天體運(yùn)行論》和開普勒的《新天文學(xué)》之后又一部偉大的天文學(xué)著作，它明白無誤地傳遞了關(guān)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(xué)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(yáng)他用簡潔的語言表達(dá)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(rèn)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(yīng)，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(jī)指責(zé)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(dǎo)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(rèn)錯后，伽利略曾頓足道："但是，地球確實在運(yùn)動呀！"雖然有的學(xué)者認(rèn)為這句話純屬傳奇，但伽利略確實依然執(zhí)著地追求科學(xué)。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(xué)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(jìn)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(guān)于兩種新科學(xué)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(xué)生的幫助下，他依然不斷工作，直到逝世。

伽利略是用望遠(yuǎn)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(xué)說，為天文學(xué)革命作出了具有永久意義的貢獻(xiàn)。

從哥白尼開始，經(jīng)過第谷、開普勒，再到伽利略，天文學(xué)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(xué)家牛頓對物理世界的偉大綜合奠定了基礎(chǔ)。