“现代实验科学之父”——伽利略

花冠之露

伽利略（Galileo Galilei，1564.02.15-1642.01.08）。意大利数学家、物理学家、天文学家，科学革命的先驱。伽利略发明了摆针和温度计，在科学上为人类作出过巨大贡献，是近代实验科学的奠基人之一。 历史上他首先在科学实验的基础上融汇贯通了数学、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。伽利略从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等。从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础，反驳了托勒密的地心体系，有力地支持了哥白尼的日心学说。他以系统的实验和观察推翻了纯属思辨传统的自然观，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。因此被誉为“近代力学之父”、“近代科学之父”。其工作为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。 伽利略倡导数学与实验相结合的研究方法，这种研究方法是他在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。 伽利略认为实验是知识的唯一源泉，主张用实验—数学方法研究自然规律，反对经院哲学的神秘思辨。深信自然之书是用数学语言写的，只有能归结为数量特征的形状、大小和速度才是物体的客观性质。他是利用望远镜观察天体取得大量成果的第一人。 伽利略对17世纪的自然科学和世界观的发展起了重大作用。从伽利略、牛顿开始的实验科学，是近代自然科学的开始。 中文名伽利略·伽利雷出生日期1564年2月15日英文名Galileo Galilei出生地意大利西海岸比萨城国籍意大利 伽利略是意大利著名的数学家、物理学家、天文学家，科学革命的先驱。伽利略发明了摆针和温度计，在科学上为人类作出过巨大贡献，是近代实验科学的奠基人之一。 伽利略倡导数学与实验相结合的研究方法，这种研究方法是他在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。 伽利略认为实验是知识的唯一源泉，主张用实验—数学方法研究自然规律，反对经院哲学的神秘思辨。深信自然之书是用数学语言写的，只有能归结为数量特征的形状、大小和速度才是物体的客观性质。他是利用望远镜观察天体取得大量成果的第一人。 1564年，伽利略出生于意大利比萨的一个没落贵族家庭。他的父亲温琴佐热爱音乐，是个乐理学者。作为长子的伽利略同他的父亲一样，对身边的各种事物都保持着谨慎的态度，就算是许多看似铁定的权威，伽利略的心中依旧保持着怀疑。 伽利略8岁那年，搬家到了佛罗伦萨。随后，他前往几十公里外的卡马多莱斯修道院进行学习，开启了伽利略的传奇一生……伽利略虽然在年少时曾想过当传教士，但在父亲的再三坚持下，作为一位虔诚的天主教徒的他最终选择了去比萨大学学医。由于从小到大的音乐修养，伽利略对身边伴随着韵律的周期格外留心。1581年的一次偶然的机会，当他看到摇摆的吊灯在风的吹动下摇摆时，好奇的他与自己脉搏对比发现，尽管吊灯摆动的幅度有大有小，可它们的周期竟然惊人的接近！伽利略心中充满了疑惑。于是回家后，他架起了两个长度相同的摆，把其中一个摆动的幅度大些、另一个小一些，经过一番仔细的测量，伽利略最终确定他们的周期的确相同。 尽管当时从事医学的收入要比搞数学、物理学等多许多，但当伽利略无意旁听了几节几何课后萌生了一个新的想法——“弃医从数”。尽管父亲的内心是拒绝的，但在伽利略的一再坚持下还是让他如愿转修上了数学与自然哲学。 伽利略设计了一种可以测量温度的仪器，这便是温度计的前身。 1586年他又出版了一本小书，上面记录了他设计发明的液压秤，也正是从那时起，他渐渐开始得到了学术界的关注。 但毕竟人家从小就得到艺术的熏陶，伽利略同样在素描等方面有着很深的研究。 1588年，他开始在佛罗伦萨的素描美术学院担任讲师，主讲透视法和明暗搭配。正是这样的机缘巧合，伽利略也和佛伦丁画家西格里成了好朋友，在西格里的绘画中不乏有伽利略观测月球的情景。 1589年，伽利略被任命为比萨大学的数学主任。1592年到1610年间，伽利略在帕多瓦大学执教几何、机械和天文。在这段期间内，伽利略在运动学、天文学、材料力学等方面都有许多突破。除此之外，他也有许多兴趣爱好，伽利略对占星术别有一番兴致。 伽利略的一生为后人做出了许许多多的贡献。在天文学方面，他十分支持哥白尼的日心说，通过改进过后的折射望远镜进行天文观测，从观测上证明了哥白尼日心说的正确性，发现了木星最大的四颗卫星（现今为纪念伽利略将这四颗卫星统称为伽利略卫星）、内行星的相位、太阳黑子、银河是由众多恒星构成的……正是由于这些开创性发现，他被尊称为“现代观测天文学之父”。1989年10月18日，伽利略号探测器发射升空，这艘探测器以伽利略命名，是第一个围绕木星运行的探测器。2009年为纪念伽利略使用望远镜观测星空400周年，联合国将这一年定为国际天文年。 在物理学方面，伽利略通过实验证明，物体只要不受到外力的作用，就会保持其原来的静止状态或匀速运动状态（想必大家至今都难以释怀高中物理的斜坡与小木块吧~）；受引力影响的物体并不是匀速运动，而是加速运动……！他的这些发现对牛顿提出一系列定律产生了深远的影响，被尊称为“现代物理学之父”。为了纪念伽利略，加速度的一个非国际单位制的单位是“伽利略”，简称“伽（Gal）”，1Gal＝1cm/s²。 伽利略为科学献出了毕生精力，开创了实事求是的精神和严密逻辑相结合的现代科学，由于伽利略独到的实验思想，也造就了他在众多领域先河般的存在，难怪有 “现代科学之父”等美称啦！ 2.斜塔上的实验伽利略是一位勇于开拓、敢于挑战权威的科学家。 1590年，对伽利略来说是最不寻常的一年。当时的科学界有接二连三的错误谬论一直萦绕着他，使他陷入深深的痛苦之中。比如，亚里士多德认为物体自身重量越重，下落的倾向就越大，下落的速度也就越快；物体越轻，下落的倾向就越小，下落的速度也就越慢。因此，亚里士多德得出了一个结论：物体下落的快慢与它的重量成正比。多少年来，人们一直把这个违背自然规律的学说当作一个"颠扑不破"的真理，也没有人怀疑它。 年轻的伽利略对亚里士多德的论断提出了怀疑，大胆地对他的学说表示否定。他的观点是"如果两个不同重量的物体同时从空中落下，两者将会同时落地"，这个观点遭受到那些权威们的耻笑，说什么"只有傻子才会这么认为的"。还有的人说："千百年来，先贤们都没有否定的事儿，他要否定，莫非他比我们的先贤还要胜一筹？真是太不自量力了。"各种各样的冷嘲热讽一起向伽利略袭来。 于是，伽利略决定在比萨斜塔上公开做一次实验，让人们亲眼看一看究竟谁对谁错。在一个阳光明媚的早晨，那些权威和教授们穿着紫色的长袍，排着整齐的队伍来到塔前，个个都摆出一副盛气凌人的架势。前来观看的人很多，大家议论纷纷。有不少人是来看伽利略笑话的。太阳渐渐地升高，只见伽利略迎着朝阳，一步一步地登上了比萨斜塔第七层的阳台。当他看见塔下那熙熙攘攘的人群时，他将身子从阳台上探出，大声地喊道："大家看清楚，铁球就要落下去了。" 话音刚落，两只重量分别一百磅（实心的）和一磅（空心的）的铁球从五十多米高的塔上被推了下来。塔下有很多人为伽利略捏了一把汗，他们都目不转睛地注视着那两只铁球，只听"咚"的一声，两只球同时落地。这时，塔下的人一阵骚动。那些权威和教授们刚才的威风一扫而尽，个个目瞪口呆…… 伽利略在真理面前毫不退缩，他的实验终于揭开了自由落体的秘密，推翻了亚里士多德的学说。 伽利略非常爱思考，即使我们平时司空见惯的现象，他也常常思考为什么。有一次，他在教堂里面听神父布道，抬头看到吊灯在上面摇摆。本来是很平常的一件事，他却有了新发现。他用自己的脉搏来数时间，发现吊灯的每一次摇摆的时间都是相等的——这就是单摆的等时性，这个周期是由吊绳的长度决定的。这个规律现在已经被收录进现行高中物理课本了。 比萨斜塔实验：伽利略在比萨大学担任教授期间进行了著名的比萨斜塔实验。他从斜塔上同时释放了两个不同重量的铁球，结果发现它们几乎同时落地。这个实验推翻了亚里士多德关于物体下落速度与重量成比例的观点，引起了学术界和公众的广泛关注。 ·望远镜发明：伽利略在1609年发明了望远镜，这是第一部投入实际应用的望远镜。他利用望远镜进行了许多天文观测，发现了月球表面的凹凸不平、木星的四颗卫星以及土星光环等现象，为天文学的发展奠定了基础。 太阳黑子观测：伽利略通过望远镜发现了太阳黑子，并持续进行了观测。他的观测成果为太阳物理学的发展提供了重要依据。 ·摆锤实验：伽利略发现了摆锤的等时性定律，为机械学的发展做出了贡献。这一定律指出只要摆的长度不变，摆动的时间就只与摆锤的重量有关，而与摆动幅度无关。 ·哥白尼学说支持者：伽利略是哥白尼学说的支持者，他通过自己的观测和理论研究为哥白尼的太阳中心说提供了有力证据，这也使他被视为科学革命的重要人物 望远镜的故事1608年6月的一天，伽利略按照汉斯·李波尔赛的做法，用一段空管子，一头装凸面镜，一头装凹面镜，做成了一个很小的望远镜。在威尼斯的圣马克广场的钟楼上，他请来了议长和一些议员，让他们依次登上钟楼，用他的望远镜观看大海，不仅看到了用肉眼无法看见的轮船，还看到了体积更小、速度更快的海鸥…… 这次成功，给伽利略极大的鼓舞。从此，他全身心地投入到望远镜的研制中，并借助望远镜来研究天文现象。此后，他制作望远镜的倍数不断提高，5倍，8倍，12倍，16倍，20倍……直至做成了可以放大32倍的望远镜。 伽利略用望远镜发现了天体的许多奥秘："月亮并不是皎洁光滑的，上面有高山、深谷，还有曲曲折折的火山裂痕……而且其自身不发光，像地球一样。" 伽利略拿着望远镜的手激动得直颤抖。他的这一发现，与当时所有天文学家认为月亮是一个发光体的观点正好相反。 "银河里有许多小星星。太阳里面还有黑点。太阳本身在自转。"伽利略沉浸在望远镜带来的喜悦中，沉醉在探索宇宙奥秘的兴奋中。 他借助望远镜还发现木星有4个较大的卫星，还发现许多恒星都像太阳那样巨大，而且都在运动中，从而有力地证明了哥白尼学说的正确性。可是，伴随着一系列重大发现，灾难也在悄悄地逼近他.... 实验科学 无论在动力学、梁的弯曲或者是天文学的研究中，伽利略十分重视观察和实验的作用。他又善于在观测结果的基础上提出假设，运用数学工具进行演绎推理，看是否符合于实验或观察结果。如在自由落体的实验中，他让水滴相继地从同处下落，每两滴时间间隔相同。他观察到任何时刻相继两滴间的距离成等差级数。他运用数学中的抛物线性质，得出下落距离和时间成平方关系。值得注意的是，他对理论推导也很严谨。尽管抛物线的性质早在古希腊那里已有了解，现存的伽利略手稿表明，他把抛物线的公式又从头推算了一遍。 实验和观测要精确，就离不开测量仪器。伽利略往往亲自设计制造仪器。除了上述望远镜外，他设计和制造的仪器有流体静力秤、比例规、温度计、摆式脉搏计等。 从伽利略开始的科学研究中，首先在力学的研究中，科学实验被放到重要的地位。从伽利略开始的实验科学，是近代自然科学的开始。伽利略的主要著作有：《关于两大世界体系的对话》（1632）和《关于两门新科学的对话》（1638）。 哲学 伽利略·伽利雷 伽利略一生坚持与教会的经院哲学作斗争，主张用具体的实验来认识自然规律，认为实验是理论知识的源泉。他不承认世界上有绝对真理和掌握真理的绝对权威，反对迷信盲从。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，这些观点对现代哲学具有重要的意义。但由于历史的局限性，他强调只有可归纳为数量特征的物质属性才是客观存在的。伽利略因为支持日心说受到监禁后，“放弃”了日心说。他说，“考虑到种种阻碍，两点之间最短的不一定是直线”，这一观点非常具有现代性。正是因为有这样的思想，暂时的放弃换得永远的支持，没有遭到布鲁诺的命运，却可以为科学继续贡献力量。 新思想和方法 数学—实验方法 各种望远镜图 古希腊在物理学说方面有两大学派，一派以哲学家亚里士多德为代表，另一派则以自然科学家阿基米德为代表。两人皆是古代希腊著名的学者，由于两人的观点和方法不同，科学结论各异，形成了鲜明的对立。亚里士多德学派的观点是凭主观臆断的推理方法作结论，充斥着谬误。阿基米德学派的观点完全依靠科学实践方法得出结论。 从11世纪起，在基督教会的扶持下，亚里士多德的著作得到了经院哲学家的重视，他们排斥阿基米德的物理学，把亚里士多德的物理学奉为经典，凡违反亚里士多德物理学的学者均被视为“异端邪说”。伽利略对亚里士多德的物理学持怀疑态度，相反地特别重视阿基米德对物理学的研究，重视数学和实验的结合。 评价"研究自然，实验是获得真知最可靠的依据。"伽利略深信实验是自然科学的基础，并使这一哲学论断成为可以操作的科学方法，如在比萨斜塔上的实验揭示了自由落体运动规律、用望远镜观察天象来证明日心说等，为人类追求真理开辟了一条崭新的道路，这是他独辟蹊径的成功之路。 伽利略是为维护真理而进行不屈不挠的科学战士。当时，人们争相传颂："哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙"。恩格斯称他是"不管有何障碍，都能不顾一切而打破旧说，创立新说的巨人之一"。史蒂芬·霍金说，"自然科学的诞生要归功于伽利略，他这方面的功劳大概无人能及。 伽利略的科学研究告诉我们，要时刻保持一颗前行的心，勇于质疑、勇于探索、勇于创新，这样才能为科学不断注入新鲜血液！