呂增建 陳凱鋒

（焦作大學基礎科學系，河南 焦作 454003）

伽利略是一位劃時代的人物，他用《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（以下簡稱《對話》）非常成功地宣傳與捍衛(wèi)了哥白尼學說，在科學史上影響甚大。而真正樹立他在科學史上豐碑的是他的另一篇科學杰作：《關于兩門新科學的對話》（以下簡稱 《兩門新科學》）。伽利略在科學史上的重要地位，不僅由于他通過對天空的觀察發(fā)現(xiàn)了一系列天文現(xiàn)象，而且還突出表現(xiàn)在他非凡的唯實、求真、創(chuàng)新的科學精神有力地促進了當時的思想解放運動；他偉大的實驗思想和方法實現(xiàn)了探尋自然知識的革命性變革；他在力學研究上的杰出成就奠定了力學發(fā)展的基礎，同時也拉開了近代科學的序幕。

1.伽利略的生平

伽利略，1564年2月15日出生于意大利比薩一個沒落的貴族家庭，比薩是意大利中部的一座城市，在那時是托斯卡納公爵封地的一座重要城市。這塊封地的首府佛羅倫薩是意大利文藝復興的中心，并由于梅迪奇家族而聞名于世。伽利略的父親是一位多才多藝的紳士，他酷愛音樂和數(shù)學，反對慣常的訴諸權威，繞有趣味的是，父親的愛好和脾性都在兒子身上重現(xiàn)。

伽利略是七個孩子中的老大，他們一家最初住在比薩，在伽利略十歲的時候，移居到佛羅倫薩。孩提時代的伽利略，活潑矯健，聰明好學，在他父親的影響下，從小就對詩歌、音樂和古典文學發(fā)生了濃厚的興趣。他好奇心強，喜歡與人爭辯，從不滿足別人告訴他的道理，而要自己去探索、研究與證明。靈活的大腦與精巧的手指總是使他忙個不停，不是彈琴、繪畫，就是為弟妹們制造玩具和“機器”。在這些活動中，他都表現(xiàn)出非凡的才能。

1581年，快滿十八歲的伽利略考入比薩大學學習醫(yī)學，后來被歐幾里德及阿基米德著作所吸引，對數(shù)理科學產(chǎn)生了更大的興趣，從而激勵他致力于研究數(shù)學和力學，并于1585年放棄了醫(yī)學的學習和研究，離開大學，回到他雙親的居住地佛羅倫薩，從事更感興趣的科學研究和學習。這段時間他寫過幾篇關于流體靜力學的論文，發(fā)表過一些關于固體質量中心的定理。這些論文使他在專家們中間獲得一定的聲譽，這些專家中有厄比諾的蒙特，他在當時和以后一直是伽利略的重要保護人。[1]蒙特對阿基米德學說有較深的研究，而且在意大利數(shù)學界的地位相當高，他對伽利略的支持很起作用，因此伽利略在1589年就被任命為比薩大學的數(shù)學教授[2]，任期三年（1589—1592）。 這樣，他回到了過去沒有畢業(yè)的學校，對于一位年僅25歲，在4年前從大學輟學的年輕人來說可是一個太好的機會了，這些年中，他開始了哥白尼體系和關于落體實驗的研究。從1592年至1610年期間，他擔任帕多瓦大學的教授，他講課引人入勝，每次講演聽眾都很多，他作為一個教師的名聲很快傳遍了歐州。照他晚年寫給一位友人的信中的說法，這是他一生中最美好的時期，正是在那里他制造了望遠鏡、顯微鏡和空氣溫度計，他用望遠鏡做了重要的天文觀測，熱情地宣傳與捍衛(wèi)哥白尼學說，完成了自由落體、斜面的研究，可以說伽利略在力學上的大多數(shù)發(fā)現(xiàn)都是在帕多瓦成熟的。

由于他勇敢地宣講哥白尼學說，因此，在1616年他被傳喚到羅馬的宗教裁判所，地動學說受到宗教裁判所的譴責，伽利略受令要保持沉默，他保持了沉默，幾年內(nèi)總是在寫作。伽利略是一位對近代科學發(fā)展有突出貢獻的成功者，而在他一生的最后時期，卻由于他的成功而幾乎丟掉了性命，不過他仍是一位必然的幸存者。作為一位深孚眾望的科學家，很少人能與他相比。最初他是順應潮流的，而且知道自己占盡天時地利。[2]56在烏爾班被推舉為教皇之前，作為巴貝里尼紅衣主教的他與伽利略是好朋友，也是伽利略感到可以與之討論科學問題的思想者之一，烏爾班出任教皇初期，曾六次接見到“圣城”訪問的伽利略，而且每次會見都在一個小時以上。這種做法對事務纏身的教皇而言，實屬罕見。[3]因此，伽利略也許覺得，烏爾班擔任教皇后，他便可以放心大膽地寫作和出版他的《對話》了。1632年，伽利略已是功成名就、受人尊敬的科學家了，但他還是違反了1616年的禁令，出版了轟動整個學術界和思想界的《對話》。在這本書里，他非常成功地論證了哥白尼學說的論點，這部充滿新思想的著作引起了教會的震驚，這就招致了他第二次受審。這位70歲的老人被迫當眾跪著表示 “公開放棄、詛咒和痛恨地動說的錯誤和異端”。

1638年，伽利略另一篇科學杰作《兩門新科學》在荷蘭萊頓出版。起先他一直和他的親人以及朋友相隔離，但在他雙目完全失明并病得十分瘦弱以后，他才被準許有稍多一點的自由。[4]1642年1月8日，伽利略這位杰出的科學家在阿塞特里逝世。

2.伽利略的科學精神

伽利略是力學科學的奠基人，要了解伽利略的科學成就，首先要了解他的科學精神?？茖W精神是人類與科學工作相聯(lián)系的一種精神，它是體現(xiàn)在人們身上，形成于科學活動之中并適應科學發(fā)展內(nèi)在要求的一種精神狀態(tài)。從本質上講，科學精神是一種勇于探索和唯實、求真、創(chuàng)新的精神，它具體體現(xiàn)在不迷信權威、不盲從傳統(tǒng)，對已有的理論、觀念及其代表人物的言論敢于進行懷疑和批判、敢于打破思想上的僵化，用求實、求真、創(chuàng)新的意識和觀念指導自身的行為。從伽利略科學研究的一生中我們能夠洞悉和領悟他的科學精神,他不迷信亞里士多德著作的詞句，繼承和發(fā)揚了意大利思想解放運動的傳統(tǒng)，而這種精神正是近代自然科學的靈魂。

古希臘是科學思想的搖籃，亞里士多德等人創(chuàng)造了輝煌的成就，但他們也因之曾被“神化”，作為古希臘的智者,人們對他奉若神明,不敢越雷池一步,力學在這一千年間幾乎處于停滯狀態(tài)。在近代力學開始誕生的時候，亞里士多德實際上已成為束縛人們思想的最大障礙。歷史要求人們必須解決一個問題：應當怎樣對待亞里士多德？[5]

早在比薩大學讀書時，伽利略就對盲目迷信亞里士多德的現(xiàn)象進行了尖銳抨擊，后來在他的《對話》中又系統(tǒng)地回答了這個問題。他說：“我贊成看亞里士多德的著作，并精心進行研究；我只是責備那些使自己完全淪為亞里士多德奴隸的人，變得不管他講什么都盲目地贊成，并且把他的話一律當作絲毫不能違抗的神旨一樣，而不探究其他任何依據(jù)。 ”[6]伽利略還指出：“他們變得非常膽怯，不敢超出亞里士多德一步。他們寧愿隨便地否定他們親眼看見的天上的那些變化，而不肯動亞里士多德的天界一根毫毛。”[6]78伽利略不崇尚書本，不迷信權威，通過對力學現(xiàn)象的獨立研究，使他相信，那作為亞里士多德力學講授的、被奉為權威的東西包含許多嚴重錯誤。他毫不隱瞞自己的觀點，相反，他堅持不懈地公開抨擊亞里士多德的力學觀點。在他最早寫的關于運動的論文中明確指出，只要他的觀點同經(jīng)驗和理性相調(diào)和，他一點不在乎它是否和旁人的觀點一致。[7]對于伽利略敢于向權威挑戰(zhàn)的科學精神，愛因斯坦曾說道：“我在伽利略的工作中認識到的主題是向任何以權威為基礎的教條展開熱烈的戰(zhàn)斗。他只把經(jīng)驗和仔細思考當作真理的標準來接受。今天我們難于理解在伽利略的時代這樣一種態(tài)度顯得如何不祥和革命，那時只要對除了權威沒有別的基礎的意見的真理性表示懷疑就被當作大罪，因而要受到懲罰?！盵1]32

伽利略的這種科學精神和努力促進了當時的思想解放運動。他不僅向亞里士多德提出了挑戰(zhàn)，而且敢于反對教會的思想統(tǒng)治，他認為理解世界不要從研究《圣經(jīng)》開始，而要從研究上帝所創(chuàng)造的事物開始，如果《圣經(jīng)》與事實不一致，則事實第一位，《圣經(jīng)》第二位。為何我們一談起太陽或地球時，就堅持認為《圣經(jīng)》是絕對不會有錯誤呢？[8]帶著這些疑問和思考，帶著對客觀事物求實、求真的創(chuàng)新精神，伽利略走上了一條與眾不同的路，而正是這條道路開創(chuàng)了近代科學。

3.伽利略的科學方法

伽利略是科學史上公認的近代實驗科學的創(chuàng)始人。他認為真正的科學就在經(jīng)常展示在我們眼前的這部最偉大的書中，即宇宙、自然界中。人們必須通過實驗去閱讀這部“自然之書”，為此他進行了大量的實驗工作，得出許多嶄新的結論，是他將力學建立在實驗的基礎之上，使力學走上了真正科學的道路。

在伽利略對科學的貢獻中，有一件更為寶貴的東西，那就是他創(chuàng)立的實驗和數(shù)學相結合的科學研究方法，這對近代科學的發(fā)展影響深遠。這套方法由以下環(huán)節(jié)構成：對現(xiàn)象的一般觀察——提出假設——運用數(shù)學和邏輯的手段得出推論——通過實驗或思想實驗對推論進行檢驗——對假設進行修正和推廣等。他本人也認識到這方法的價值，他在《兩門新科學》中寫道：“我們可以說，科學之門已第一次向一種已得到大量奇妙結果的新方法敞開，未來的若干年里，該方法會博得許多人的關注。 ”[9]

伽利略所開創(chuàng)的實驗——數(shù)學（理性思維）方法是近代自然科學研究問題的一般程序和經(jīng)典方法，這個方法有力地推進了人類科學活動的進展。在伽利略之前，實驗的方法和數(shù)學的方法已經(jīng)分別在不同程度上被作為研究自然現(xiàn)象的兩種方法加以使用，但是把二者結合起來形成一種統(tǒng)一的近代的科學研究方法則是在伽利略手中成熟起來的。[10]在他的著作中，既援引了豐富的實驗材料，又充滿了數(shù)學證明。他說過，大自然這本書是用數(shù)學的語言寫成的，它的符號就是三角形、圓和其它幾何圖形，沒有這些符號的幫助，我們簡直無法理解它的片言只語；沒有這些符號，我們只能在黑夜的迷宮中徒勞地摸索。[11]就是說，不懂得數(shù)學的語言，就不能揭示自然界的奧秘，只有數(shù)學證明的東西才是科學的、可靠的結論。數(shù)學證明是解開世界之謎的鑰匙，他對自然事件遵循幾何原理的奇妙方式，無不感到驚奇。有人反對說，數(shù)學證明是抽象的，不是必然地可應用于物理世界；面對這一異議，伽利略偏愛的回答是：“繼續(xù)進行進一步的幾何論證，最終我們能夠看到，對于一切不受偏見影響的心靈來說，這些論證將自己證明它們自己。”[11]57

他特別重視對定量實驗的研究，注重采用抽象的方法來彌補實驗條件的限制，創(chuàng)造一些可以測量的條件，從實驗結果中概括出數(shù)量關系式，從而把數(shù)學引進了力學。正是對世界的數(shù)學結構的自信，把他從對實驗的那種必然的密切依賴中解放出來，他在實驗的基礎上，進行理論的演繹或邏輯的推理，得出了超過實驗本身的更好的、更為普遍的結論。他強調(diào)說，我們能夠從一些實驗中引出某些超越了經(jīng)驗的有效結論，因為“通過發(fā)現(xiàn)一個單一事實的原因，我們所獲得的關于它的知識，便為心靈理解和確定其他事實提供了準備，而勿需求助于實驗。”在他對拋射體的研究中，他闡明了這個原則的意義：一旦我們知道它們的路徑是拋物線，通過純粹的數(shù)學，而勿需求助于實驗，我們就能證明它們的最大射程是45度。[11]57他的每一項研究工作都是實驗方法與數(shù)學證明結合起來的典范。

伽利略開創(chuàng)了近代自然科學中經(jīng)驗與理性相結合的傳統(tǒng)。這一結合，不僅對力學、對物理學而且對整個近代自然科學都產(chǎn)生了深遠的影響，甚至某種程度上，近代自然科學就是基于實驗——數(shù)學方法上建立起來的。對于伽利略的發(fā)現(xiàn)和在科學研究方法上所做出的重要貢獻，愛因斯坦和英費爾德在《物理學的進化》中評價說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。 ”[12]

4.伽利略的力學貢獻

關于伽利略對科學的貢獻，無疑他在天文學上的發(fā)現(xiàn)是卓越的，甚至給科學界以外的有識之士也留下了深刻印象。然而，從純科學的觀點來看，伽利略對力學的貢獻甚至更為重要，這些貢獻是具有劃時代意義的。拉格朗日在評價伽利略的貢獻時說過：“動力學全然是由于近代人的工作才成為一門科學的，伽利略奠定了它的基礎。在伽利略以前，哲學家們只是在平衡狀態(tài)下考察作用在物體上的力，雖然他們也曾經(jīng)含糊地把落體運動和拋物體的曲線運動歸因于不變的力的作用，然而還沒有一個成功地確定這些現(xiàn)象的法則，伽利略邁出了重要一步，因而為推動力學成為一門科學開辟了新的、無限廣闊的道路。 ”[10]30

在力學上，亞里士多德主要關注的是“終極原因”，所以主要借助于質料、形式、目的、自然位置等模糊概念對運動作因果的和定性的描述，而且把運動分為自然運動和強迫運動。如果根據(jù)“自然歸宿”說，必然會得出這樣的推論：某一物體返回其“天然位置”的速率，完全取決于組成物體的各元素所占的比列，同占優(yōu)勢地位的元素的數(shù)量成正比。在《論天》這部著作中，亞里士多德明確寫道：“一定的重量在一定的時間內(nèi)運動一定的距離；一較重的重量在較短的時間內(nèi)走過同樣的距離，即時間同重量成反比。比如，如果一物體的重量為另一物體重量的二倍，則它走過一給定距離只需一半的時間。 ”[13]

伽利略十分重視對運動學的研究，他反對把運動分為自然運動和強迫運動的分類研究方法，如果是這樣的話，他認為就是把運動的研究引入絕境。他提出了勻速運動和變速運動的新的分類方法，從而使運動理論的研究取得了重大進展。對自由落體的研究是伽利略最富有創(chuàng)造性的成就，為了反駁亞里士多德的觀點，相傳伽利略曾經(jīng)在比薩斜塔上做過落體實驗，這就是人們經(jīng)常講述的比薩斜塔的故事。這個故事最早出自伽利略的學生維維安尼在1654年出版的 《伽利略傳》一書，盡管現(xiàn)在很多科普書籍中都寫著這個比薩斜塔上的實驗，但在科學史上它基本上沒有什么太大的意義，科學史家大多否認這一傳說。早在伽利略之前荷蘭工程師斯蒂文就已經(jīng)從落體實驗中否定了亞里士多德的理論，伽利略實際上是通過思想實驗的方法，尖銳地指出亞里士多德自由落體觀念中的邏輯矛盾。伽利略的理想實驗是這樣的，有兩個材質相同的物體，一個重，一個輕，假定亞里士多德的學說是正確的，即物體的下落速度與重量成正比，重的物體的下落速度比輕的快，就可以設想出一個簡單的實驗：把兩個物體捆在一起下落，是快還是慢呢？用亞里士多德的觀點分析，必然會得出兩種自相矛盾的答案：一種是比原來慢了，因為輕的東西下落慢，會拉著重的東西慢慢下落；另一種是比原來快了，因為捆在一起的物體更重了，因此會下落的更快，這就是著名的“落體佯謬”。伽利略正是以這個問題為突破口，揭示出亞里士多德落體理論的破綻和邏輯混亂，從根本上動搖了亞里士多德的運動學。不用爬上高高的比薩斜塔，僅用思想實驗就打敗了亞里士多德。那么，自由落體運動是否符合伽利略所提出的勻加速度的定義呢？他認為應該通過實驗做出檢驗，為了“減緩”下落運動得出準確的測量結果，他設計了“沖淡重力”的實驗，即大約在1609年伽利略進行的科學史上那個著名的“斜面實驗”。為了把斜面的結論推廣到豎直情況下的自由落體運動，伽利略提出了“等末速度假設”，并用單擺檢驗了這個假設，從而得出了自由落體是勻加速運動的結論?！暗饶┧俣燃僭O”和“單擺擺球的等高性”實驗，把伽利略引向另一個思想實驗：伽利略關于慣性研究的“思想斜面”實驗，得出了：物體在不受外力作用時，總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的慣性定律的思想。這個結論打破了自亞里士多德以來一千多年間受力運動的物體當外力停止作用時便歸于靜止的陳舊觀念。在《對話》中，伽利略用了一個十分精彩的“船艙”實驗說明了“在相對做勻速直線運動的所有慣性系中，物體的運動規(guī)律是相同的”著名的相對性原理，這個原理的發(fā)現(xiàn)非常重要，它是人類在科學認識史上的一次重大飛躍，也是二十世紀愛因斯坦創(chuàng)立相對論的理論基礎。總之，在力學的研究上，伽利略確立了科學的自由落體定律、相對性原理，提出了慣性定律的思想等，為力學科學的發(fā)展做出了奠基性的貢獻，他是當之無愧的力學科學的奠基人。

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