伽利略(GalileoGalilei,1564~1642)是伟大的意大利物理学

伽利略（Galileo Galilei，1564～1642）是伟大的意大利物理学家和天文学家，科学革命的先驱。历史上他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了证实和传播哥白尼的日心说，伽利略献出了毕生精力。由此，他晚年受到教会迫害，并為终身监禁。他以系统的实验和观察推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。因此，他被称为“近代科学之父”。他的工作为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。

伽利略1564年2月15日生于比萨，自幼受父亲的影响，对音乐、诗歌、绘画以及机械兴趣极浓，也像他父亲一样，不迷信权威。17岁时遵从父命进比萨大学学医，可是对医学他感到枯燥无味，而在课外听世交、著名学者O·里奇讲欧几里得几何学和阿基米德静力学，感到浓厚兴趣。

1587年他带着关于固体重心计算法的论文到罗马大学求见著名数学家和历法家C·克拉维乌斯教授，大受称赞和鼓励。克拉维乌斯回赠他罗马大学教授P·瓦拉的逻辑学讲义与自然哲学讲义，这对于他以后的工作大有帮助。

1588年他在佛罗伦萨研究院做了关于A·但丁《神曲》中炼狱图形构想的学术演讲，其文学与数学才华大受人们赞扬。次年发表了关于几种固体重心计算法的论文，其中包括若干静力学新定理。由于有这些成就，当年比萨大学便聘请他任教，讲授几何学与天文学。第二年他发现了摆线。

1592年伽利略转到帕多瓦大学任教，他经常参加校内外各种学术文化活动，与具有各种思想观点的同事论辩。此时他一面吸取前辈如N·F·塔尔塔利亚、G·B·贝内代蒂、F·科门迪诺等人的数学与力学研究成果，一面经常考察工厂、作坊、矿井和各项军用民用工程，广泛结交各行各业的技术员工，帮他们解决技术难题，从中吸取生产技术知识和各种新经验，并得到启发。

十六、十七世纪力学上发生一场革命，即近代力学的创立。这主要是由工程世纪问题引起的。马克思说：“机器在十七世纪的间或应用是极重要的，因为它为当时的大数学家创立现代力学提供了实际的支点和刺激。”到了16世纪，随着枪炮武器的发展，抛射体问题变得越来越突出了。伽利略是为了工程技术上迫切需要解决的抛射体运动问题而去研究落体运动的。

正是在此时期，他深入而系统地研究了落体运动、抛射体运动、静力学、水力学以及一些土木建筑和军事建筑等，发现了惯性原理，研制了温度计和望远镜。

1597年，伽利略收到开普勒赠阅的《神秘的宇宙》一书，开始相信日心说，承认地球有公转和自转两种运动。但这时他对柏拉图的圆运动最自然最完善的思想印象太深，以致对开普勒的行星椭圆轨道理论不感兴趣。

1604年天空出现超新星，亮光持续18个月之久。他便趁机在威尼斯作几次科普演讲，宣传哥白尼学说。由于讲得精彩动听，听众逐次增多，最后达千余人。

1609年，伽利略自己制作了一个倍率为9的的望远镜，邀请威尼斯参议员到塔楼顶层用望远镜观看远景，观者无不惊喜万分。参议院最后决定他为帕多瓦大学的终身教授。1610年初，他又将望远镜放大率提高到33，用来观察日月星辰，新发现甚多，如月球表面高低不平，月球与其他行星所发的光都是太阳的反射光，水星有4颗卫星，银河原是无数发光体的总汇，土星有多变的椭圆等等，开辟了天文学的新天地。是年3月，出版了他的《星空信使》一书，震撼全欧。随后又发现金星盈亏与大小变化，这对日心说是一强有力的支持。

伽利略日后回顾在帕多瓦的18年时，认为这时他一生中工作最开展、精神最舒畅的时期。事实上，这也是他一生中学术成就最多的时期。

在伽利略时代，经院哲学的观点和方法占统治地位。经院哲学盲目崇拜权威，将圣经和

亚里士多德抬高到“学问之神”的地位。凡是亚里士多德和圣经上说过的话，就是真理，凡是那里没有说过的话，即使是实践、经验、观察证实了的东西，也是不能相信的。这样，他们所谓“探求真理”的唯一方法就是引经据典，对问题进行咬文嚼字的“论证”。

伽利略认为，知识来自观察，来自实验，来自自然界。“自然界是经常展示在我们面前的伟大的书。”

基于这样的新的科学思想，伽利略倡导了数学与实验相结合的研究方法。这种研究方法是他的科学上取得伟大成就的源泉，也是他对近代科学的最重要贡献。用数学的方法研究物理问题，原非伽利略首倡，可以追溯到公元前3世纪的阿基米德，14世纪的牛津学派和巴黎学派以及15、16世纪的意大利学术界，在这方面都有一定成就，但他们并未将实验方法放在首位，因而在思想上未能有所突破。伽利略重视实验的思想可见于1615年他写给克利斯廷娜公爵夫人的一封信上的话：“我要请求这些聪明细心的神父们认真考虑一下臆测性的原理和由实验证实了的原理二者之间的区别。要知道，做实验工作的教授们的主张并不是只凭主观愿望来决定的。”

伽利略在《对话》中说：“考察问题的方法……首先是通过感觉、实验和观察所得的结果，尽可能地弄清自己的那些结论无误；以后他才设法加以证明。在实验科学里，大部分都是这样做的；所以如此，是因为当结论是真实时，人们就可以使用分析方法探索出一些已经证实的命题，或者找到某种自明的公理；但如果结论是错误时，人们就可以永远探索下去而找不到任何已知的真理——即使不弄到碰壁或者碰上某种明显谬误的话。而且你可以相信，毕达哥拉斯远在他以百牛祭庆祝他发现一条几何证明之前，早就肯定直角三角形对直角一边（斜边）的平方等于另外两边的平方之和了。结论肯定后，在发现它的证明上是帮助不小的——这里总是指经验科学。”也就是说，不是先臆测事物发生的原因，【亚里士多德却集中力量研究这个问题，臆想出物体为了寻找自然天然位置而下落。】而是先观察自然现象，由此发现自然规律。他摈弃神学的宇宙观，认为世界是一个有秩序的服从简单规律的整体，要了解大自然，就必须进行系统的实验定量观测，找出它的精确的数量关系。这样做在方法论上是一个伟大的进步。

亚里士多德和中世纪经院哲学的方法是先验的。不管他们是否承认观察和实验，他们总是先有一个先入为主的命题。具体的结论则从这些先验的命题演绎出来。例如亚里士多德的力学，是从“宇宙所有物体都有天然的位置”、“地上物体与天上物体迥然不同”这些先验命题演绎出来的。这种先天基本原理，在哥白尼那里也还没有完全消除，哥白尼还保留着圆的运动是最完全的运动这个先验观念。在开普勒那里，还认为宇宙具有前定的和谐。只有到了伽利略，才比较彻底地摆脱先入为主的方法，肯定科学的基本原理、结论都应从实验、观察中来，按实验、观察的本来面目加以接受，一切与经验不符的判断都应抛弃。

伽利略在强调实验、经验、归纳的同时，并没有陷入狭隘经验论。他还十分强调数学和演绎方法的重要性。他说：“哲学[自然]是写在那本永远在我们眼前的伟大书本里的——我指的是宇宙——但是，我们如果不先学会书里所用的语言，掌握书里的符号，就不能了解它。这书是用数学语言写出的，符号是三角形、圆形和别的几何图象。没有它们的帮助，是连一个字也不会认识的；没有它们，人就在一个黑暗的迷宫里劳而无功地游荡着。”[M·克莱因《古今数学思想》Ⅱ，第33页。]这就是说，必须用数学演绎的方法来揭示自然规律。他认为在科学工作中，数学演绎部分对揭示自然规律的作用决不亚于实验所起的作用。他认为，应该从实验所确立的原理中，尽可能运用数学演绎出大量的定理来，如同几何学所干的那样。爱因斯坦说：“常听人说，伽利略之所以成为近代科学之父，是由于他以经验的、实验的方法来代替思辨的、演绎的方法。但我认为，这种理解是经不起严格审查的。任何一种经验方法都有其思辨概念和思辨体系；而任何一种思辨思维，它的概念经过比较仔细的考察之后，都会显露出它们所由产生的经验材料。把经验的态度同演绎的态度截然对立起来，那

是错误的，而且也不代表伽利略的思想。”[《爱因斯坦文集》第585页。]

从数学演绎的观点出发，伽利略十分重视对实验、观察的结果进行定量的计算和分析。亚里士多德对运动的研究方法是从“质”的方面进行研究的。例如，他研究了落体的动力因，认为“球的降落是因为它有重量”；他又研究了落体运动的目的因，认为“球的降落是因为它要寻找自己的天然位置”。这些都是属于质的。而伽利略却认为“落体运动的加速度原因何在，不是研究工作的必要部分”，必须抛弃那些动力因、目的因、天然位置这些含糊概念，着重研究落体按什么数量关系下落。于是他抛弃了亚里士多德的天然运动、强迫运动、自然位置、刚性、元素以及潜势等一整套概念，而代之以距离、时间、速度、加速度、力、重量等一组可以测量的概念。这是科学研究方法的一个彻底的革命。爱因斯坦说：“现代物理学的最重要的特征之一是：从最初的线索所推出来的结论，不仅是定性的而且是定量的。”[《物理学的进化》第20页。]

伽利略非常清楚旧的方法的严重缺陷，从而自觉地阐明了他的实验——数学方法，并运用这种方法取得辉煌的成果。实验——数学方法对自然科学发展的影响是非常巨大的，任何一门科学只有真正使用了这种方法的时候，才能成为真正的科学。

伽利略的数学与实验相结合的研究方法，一般来说，分三个步骤：①先提取出从现象中获得的直观认识的主要部分，用最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；②再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系；③然后通过实验来证实这种数量关系。他对落体匀加速运动规律的研究便是最好的说明。

从落体的加速运动所能做出的最简单设想，可能是其瞬时速度v与路程s成正比，此v也可能与下落时间t成正比。这就是研究方法的步骤①。通过数学论证，不难发现第一种假设对于匀加速运动是不能成立的。于是采取或的假设，这里a是加速度。由于v值无法直接测量，所以将此式转换为可测量路程的形式：

。如此则落体在1，2，3，……秒末所通过的路程依次为，，

，……，由此得知每隔1秒落体下落的一段距离依次为，，

，……依等差级数递增。如此便完成了步骤②。最后的步骤是用实验验证：由于自由落体的加速度a值大，即使在短时间内下落的路程也会很大，难于测量。为了“冲淡”加速度，使其减小，伽利略设计了斜面滾球实验，测量从斜面上的光滑小槽内往下滾的青铜小球的行程与时间的关系。他采用精密的漏壶，反复实验100次。所得结果与步骤②中所设想的s-t数量关系符合，且重复性良好，肯定了落体作匀加速运动设想的正确性。

由此可见，伽利略进行科学实验的目的主要是为了检验一个科学假设是否正确，而不是盲目地收集资料，归纳事实。这种研究方法是实验—数学方法，这就为自然科学的发展，为科学方法论开出一个新生面。同时这个研究，构成了他的巨著《两种新科学的对话》的中心，为新力学奠定理论基础。牛顿正是在这个基础上阐明了他的天体力学。

伽利略在斜面实验中，观察到一个沿着光滑斜面向上滑动的物体，因斜面的斜角不同而受到不同程度的减速，斜角越小，减速越小。如在无阻力的水平面上滑动，则应保持原速度永远滑动，因而得出这样的结论：“一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部原因，便会始终保持这种速度——这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速的起因，而朝上的斜面提供了减速的起因；由此可知，只有在水平面上运动才是不变的。”[《两门新科学的对话》，第三天，问题9，假设23注]这样，伽利略便第一次提出了惯性概念，并第一次把外力和“引起加速或减速的外部原因”即运动的改变联系起来。与前述的匀加速运动实验结合在一起，伽利略提

出了惯性和加速度这个全新的概念，以及在重力作用下物体作匀加速运动的全新的运动规律，为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础。这种新的惯性概念，推翻了1000多年以来亚里士多德学派认为物体运动靠精灵或外界迂回空气推动的说法，也澄清了中世纪含糊的“冲力”说。这是人类长期以来研究机械运动的理论成果，并且得到了当时地动说支持者们的拥护。伽利略虽然没有明确地写出惯性原理，可是表明了这是属于物体的本性的客观规律，在研究其他物理问题时，他熟练地运用了它。然而他未能摆脱柏拉图关于行星作圆运动的观点，相信“圆惯性”的存在，因此未能将惯性运动概念推广到一切物体运动上。完整的惯性原理是在伽利略逝世后两年由笛卡尔表述的。

伽利略的惯性原理，来源于他进行了两种实验。第一种实验是现实的科学实验，即尽可能排除干扰，在最纯粹的状态下（例如，将摩擦力减少到最大限度）做实验，以暴露出自然规律；第二种实验，是设想在没有任何阻力的绝对光滑的平面上做的实验，叫做“理想实验”，或“想象中的实验”，这个实验虽然是在想象中做的，但它是建立在可靠的事实基础上的，是抽象的思维与精确的事实的高度结合。这两种实验结合起来就是实验——抽象——推理的方法。爱因斯坦高度评价伽利略的方法。他说：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。这个发现告诉我们，根据直接观察所得出的直觉的结论不是常常可靠的，因为它们有时会引到错误的线索上去。”[《物理学的进化》第4页。]

惯性定律的发现是很不简单的，因为它不仅要推翻两千年来一直妨碍物理学进步的亚里士多德的理论，而且要推翻日常经验在人们心中造成的顽固观念。因为日常的经验告诉我们，推动某一物体向前运动时，一旦不再施加推力，物体便趋于静止。如一驾马车，当马匹不再拉它时，它就静止在地面上。因此，用直觉——推理的方法（或现象——推理的方法）来研究它，就会得出结论，要维持物体的匀速运动，必须保持一个力的作用。亚里士多德就是用这种就现象论现象，按现象的表面形态来认识现象的方法得出这个结论的。但是伽利略的研究方法与此不同，他认识到问题的复杂性，认识到现象是由各种因素交织而成的。因此不依靠对事物的表面现象进行推理，而是通过实验来寻求结论。

伽利略把物体速度的大小和方向的改变或加速度的产生归诸力的作用，这是对力的性质的客观认识，也是牛顿第二定律的雏形。惯性原理的发现破除了力是运动原因的旧概念，而认为力是改变运动状态的原因。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中高度评价伽利略对第一、第二两运动定律所作的开创性工作。

在弹道的研究中，伽利略发现水平与垂直两方向的运动各具有独立性，互不干涉，但通过平行四边形法则又可合成实际的运动径迹。他从垂直于地面的匀加速运动和水平方向的匀加速运动，完整地解释了弹道的抛物线性质，这是运动的合成研究的重大收获，并具有实用意义。

在发现惯性定律的基础上，伽利略提出了相对性原理：力学规律在所有惯性坐标系中是等价的。力学过程对于静止的惯性系和运动的惯性系是完全相同的。换句话说，在一系统内部所作任何力学的实验都不能够决定一惯性系统是在静止状态还是在作等速直线运动。伽利略在《对话》中写道：当你在密闭的运动着的船舱里观察力学过程时，“只要运动是匀速的，决不忽左忽右摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将象先前一样，垂直滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾，虽然水滴在空中时，船已行使了许多拃。鱼在水中游向水碗前部所用的力，不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地

方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇将继续随便地到处飞行，它们也决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离了船的运动，为赶上船的运动显出累的样子。如果点香冒烟，则将看到烟象一朵云一样向上升起，不向任何一边移动。所有这些一致的现象，其原因在于船的运动是船上一切事物所共有的，也是空气所共有的。”相对性原理是伽利略为了答复地心说对哥白尼体系的责难而提出的。这个原理的意义远不止此，它第一次提出惯性参照系的概念，这一原理被爱因斯坦称为伽利略相对性原理，是狭义相对论的先导。

伽利略由于彻底研究了落体运动和惯性运动。于是就推翻了亚里士多德关于运动分为天然运动和被迫运动，以及地上运动和天上运动的运动分类。而将运动区分为匀速运动和加速运动（即变速运动）两种。在人类历史上首次建立了速度和加速度的明确概念。同样他由于研究平水方向的惯性运动和垂直方向的落体运动，因而也就解决了这两种运动的合成运动——抛射体的抛物线运动问题。并由于研究了曲线运动，又将速度的概念和速率的概念区分开来。

伽利略还有一个重要贡献，就是他引进了动量的概念。他说：“显然，推动者或阻挡者的力（动量）并不是一个简单的概念，它是由两个共同决定运动量度的观念所决定。其一是重量（质量），其二是速度。”[Max

jammer：《Concepts of force》Havvord university

press，P126.]

伽利略由观察到教堂悬灯的摆动对摆进行实验研究，发现单摆的周期与摆长的平方根成正比，而与振幅大小和摆锤重量无关。这个规律为此后的振动理论和机械计时器件的设计方案建立了基础。

前人对于光速是否有限从来没有明确的认识。伽利略观察了闪电现象，认为光速是有限的，并设计了测量光速的掩灯方案。但限于当时的实验条件，用这种测量方法实际测到的主要只是实验者的反应和人手的动作时间，而不是光的行进时间。然而，如果有了明暗变化有规律的光源或高速机械控制的器件代替人手动作，是可以测量到真正的光速，后来木卫星食法、转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光灯法等光速测量方法都借鉴于掩灯方案。

伽利略不但亲自设计和演示过许多实验，而且亲自研制出不少实验仪器。他的工艺知识丰富，制作技术精湛，他所创制的许多实验仪器在当时及对后世都很有影响，如浮力天平、温度计、望远镜

20年来伽利略在物理学和天文学研究上的丰硕成果，激起了他学术上的更大企求。为了取得充裕实践致力于科学研究，1610年春，他辞去大学教职，接受托斯卡纳公国大公聘请，担任宫廷首席数学家和哲学家的闲职与比萨大学首席数学教授的荣誉职位。

为了使科学免受教会干预，伽利略曾多次去罗马活动。1611年他第二次去罗马，目的在于赢得宗教、政治与学术界认可他在天文学上的发现。他在罗马受到包括教皇保罗五世和若干高级主教在内的上层人物的热情接待，并被林赛研究院接纳为院士。当时耶稣会的神父们承认他的观测事实，只是不同意他的解释。这年5月，在罗马大学的大会上，几个高职位的神父公开宣布了伽利略的天文学成就。

1615年，一诡诈的教士集团和教会中许多与伽利略敌对的人联合攻击伽利略为哥白尼学说辩护的论点，控告他违反基督教义。他闻讯后，于是年冬第三次去罗马，力图挽回自己的声誉，企求教廷不因自己保持哥白尼观点而受到惩处，也不公开压制他宣传哥白尼学说，教廷默认了前一要求，但拒绝了后者。教皇保罗五世在1616年下达著名的“1616年禁令”，禁止他以口头的或文字的形式保持、传授或捍卫日心说。

1624年，他第四次去罗马，希望故友信任教皇乌尔邦八世能够同情并理解他的意愿，以维护新兴科学的生机。他先后谒见6次，力图说明日心说可以与基督教教义相协调，说“圣经是教人如何进天国，而不是教人知道天体是如何运转的”；并且试图以此说服一些大主教，

但毫无效果。乌尔邦八世坚持“1616年禁令”不变；只允许他写一部同时介绍日心说和地心说的书，但对两种学说的态度不得有所偏倚，而且都要写成数学假设性的。

此后6年间，他撰写了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》一书。1630年他第五次到罗马，取得了此书的“出版许可证”，终于在1632年出版了。此书在表面上保持中立，但实际上却为哥白尼体系辩护，并多出对教皇和主教隐含嘲讽，远远超出了仅以数学假设进行讨论的范围。全书笔调诙谐，在意大利文学史上列为文学名著。

《对话》出版后6个月，罗马教廷便勒令停止出售，认为作者公然违背“1616年禁令”，问题严重，亟待审查。原来有人在教皇乌尔邦八世面前调拨说伽利略在《对话》中，借头脑简单、思想守旧的辛普利邱之口以教皇惯用辞句，发表了一些可笑的错误言论，使他大为震怒。曾支持他当上教皇的集团激烈地主张要严惩伽利略，而神圣罗马帝国和西班牙王国认为如果纵容伽利略会对各国国内的异端思想产生重大影响，提出联合警告。在这些内外压力和调拨下，教皇便不顾旧交，于这年秋发出要伽利略到罗马宗教裁判所受审的指令。

1633年6月22日在圣玛丽亚修女院由10名枢机主教联席宣判，罪名是违背“1616年禁令”和圣经教义，判决伽利略终身监禁，《对话》必须焚绝，并且禁止出版或重印他的其他著作。此判决书立即通报整个天主教世界，凡是设有大学的城市均须聚众宣读，借此以一儆百。

宗教裁判所的判决随后又改为在家软禁，指定由他的学生和故友A·皮柯罗米尼大主教在锡耶纳的私宅中看管他，规定禁止会客，每天书写材料均需上缴等。在皮柯罗米尼的精心护理和鼓励下，伽利略重行振作起来，接受皮柯罗米尼的建议继续研究无争议的物理学问题。于是他仍用《对话》中的三个对话人物，以对话体裁，和较朴素的文笔，将他最成熟的科学思想和科研成果撰写成《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》。两门新科学是指材料力学和动力学。这部书稿1636年就已完成，由于教会禁止出版他的任何著作，他只好托一位威尼斯友人秘密携出国境，1638年在荷兰莱顿出版。伽利略于1642年1月8日病逝。

伽利略在人类思想解放和文明发展的过程中作出了划时代的贡献。在当时的社会条件下，为争取不受权势和旧传统压制的学术自由，为近代科学的生长，他进行了坚持不懈的斗争，并向全世界发出了振聋发聩的声音。因此，他是科学革命的先驱，也可以说是“近代科学之父”。虽然他晚年终于被剥夺了人身自由，但他开创新科学的意志并未动摇。他的追求科学真理的精神和成果，永远为后代所景仰。

1979年，梵蒂冈教皇J·保罗二世代表罗马教廷为伽利略公开平反昭雪，认为教廷在300多年前迫害他是严重的错误。这表明教廷最终承认了伽利略的主张——宗教不应该干预科学。