第一讲 伽利略

近代物理学的奠基者——伽利略
他失明了，因为在自然界已经没有剩下什么他没有看见过的东西了。

——伽利略给自己的墓志铭
第一回一声啼哭天下惊，细探钟摆初次鸣
公元1564年2月15日，一声清脆的啼哭划破比萨城的天幕，一个将要推动人类历史进程的婴儿诞生在文森西奥・伽利莱（音乐家兼数学家）的家庭，这个婴儿的名字叫做伽利略・伽利莱。

同年，米开朗基罗去世，莎士比亚诞生，中国的明朝正进行着抗倭的战争。

此时的意大利，教会势力空前强大，科学与教会的斗争你死我活，如火如荼。

童年的伽利略聪明好学，对周围的一切充满好奇。

在父亲为他请的一个又一个家庭教师帮助下，伽利略画得一手好画，弹得一手好琴，对艺术有着非凡的领悟力。

眼界一天天开阔起来的伽利略性格叛逆（1），对人对事很有主见，当然，也让父亲头痛不已。

15岁时，为了挽救家族日益衰败的的颓势，父亲把伽利略送到一所教会学校学医，伽利略却喜欢上了宗教和哲学，并且加入了修道会，准备献身于宗教，直到希望他学医的父亲强迫他离开这所学校。

17岁时，伽利略进入比萨大学，他依旧没有遵从父愿专心医学（2），而是狂热地喜欢上了数学。

历史不能假设，如果不是伽利略的叛逆，科学的历史将会重新改写。

1583年的一个星期天，伽利略在比萨大教堂参加布道活动。

突然，伽利略的眼球被教堂顶上摆动的吊灯吸引住了。

他好像觉得有个秘密等着他去揭开，那就是吊灯的摆动幅度越来越小，但每一次摆动的时间似乎相等。

他立即决定探个究竟。

伽利略根据脉搏跳动（3）的规律性，按着自己的脉搏注视着灯的摆动，发现吊灯每一次往返摆动的时间都相同。

“呀，太神奇了。

”兴奋的伽利略又冒出一个疑问：假如吊灯受到强风吹动，摆得高了一些，每一次摆动的时间还相等吗？在强烈的好奇心（4）驱使下，伽利略进一步做了细致的实验研究，发现摆的周期只跟摆的长度有关，跟摆的质量和摆动幅度都无关，这就是“摆的等时性原理”。

后来，伽利略提议可以用摆的等时性来制造一台精确的时钟，但他的建议一直没有被采纳。

尽管如此，年轻的伽利略已经推开了科学研究的一扇新大门——实验探究法，通过这扇大门，伽利略昂首走向了历史的舞台，他的视野和思想也开始向远方、向未来延伸。

第二回斜塔底下露锋芒，光明反被黑暗藏
中世纪的意大利，两个“上帝”同时统治着人们的思想和心灵。

一个是《圣经》中的上帝，另一个是古希腊最伟大的哲学家——亚里土多德。

亚里士多德认为：物体自高处自由落下的速度和重量成正比。

按照这种说法，一个10公斤重的物体，下落的速度会比1公斤重的物体快10倍。

因为亚里士多德和宗教的权威，人们虽然有所怀疑，却也不敢公开挑战它的权威。

有一次下冰雹，伽利略亲眼目睹大小不同的冰雹在同一时间一起落在地上。

根据常识判断，它们是从同一高度一起下落的，显然和亚里士多德的观点不符，伽利略开始对亚里士多
德的自由落体理论产生怀疑（5）。

此后伽利略做了许多实
验，证明了亚里士多德的学说是错误的，于是他决心指
出这项错误。

1591年的某一天，—张通知醒目地出现在比萨大学
的校园里。

通知告诉人们：年轻的伽利略在他学生的协
助下将于第二天中午在比萨斜塔（6）上做一个新奇而有趣
的实验，邀请全体师生前往观看。

第二天中午，比萨斜塔脚下围了—群好奇的人们。

伽利略拿出两个铁球，重量分别为1磅和10磅，他问在
场的学生和教授：“假如这两个铁球同时自塔顶自由落
下，结果如何?”教授们议论纷纷，按照亚里士多德学说，
毫无疑问，当然是重的先于轻的落地。

这时，伽利略跑
上塔顶，大喊：“请大家看清楚！”接着两个铁球同时
从他的手心脱落，迅速下落。

下落中，小球始终和大球
并行，只听“啪”的一声，人们惊奇地看到，两个铁球竟
同时落地。

然而，面对实验结果，保守的教授们并没有接
受事实，他们无论如何也不愿意承认亚里士多德的学说是
错误的，更荒缪的是他们反而怀疑伽利略在铁球内隐藏了“魔术”。

虽然伽利略据理力争，并严厉地批评那些迷信亚里士多德学说的人们，但未能改变他们的想法，反而遭到教授、学生的攻击和报复，最终被迫离开比萨大学。

这正是：千年禁锢难消除，一阵清风来吹拂。

勇者无惧惊上帝，矢志不渝把真求。

第三回 万物运行本有常，慧心拨雾见阳光
塞翁失马，焉知祸福？伽利略被迫离开比萨后，来到了威尼斯。

在威尼斯，伽利略邂逅了生命中的最重要的女神——玛丽莲·甘巴。

伽利略的才华和气质、玛丽莲的美丽和朴实深深地相互吸引，两人很快坠入了爱河。

在威尼斯生活的几年里，伽利略收获了爱情，收获了友谊（包括红衣主教贝拉明），更收获了难得的清静和对科学不懈的思考
（7）。

1600年，伽利略大女儿——维吉尼亚的出生，给伽利略的家庭生活（8）增添了许多的欢乐。

同年，同为哥白尼日心说捍卫者的布鲁诺被宗教裁判所在繁花广场烧死，伽利略追求真理的天空从此多了一片吹不散的乌云。

亚里士多德凭他的直觉认为：要改变一个静止物体的位置，必须推它、提它或拉它，运动是与推、拉、提等动作相联系的。

生活中的现象和直觉（9）使得人们坚定不移地相信亚里士多德的观点：“要使一个物体运动地更快，必须用更大的力推它。

当推动物体的力不再作用时，原来运动的物体便静止下来。

”
比萨斜塔实验（合成图片）。

严谨的物理学史上
然而伽利略注意到，当一个球沿斜面向下滚时，其速度增大，向上滚时速度减小。

由此推论，当球沿水平面滚动时，其速度应不增不减。

实际上球越滚越慢，最后停下来，应该是摩擦力的缘故。

于是伽利略推论，若没有摩擦力，球将永远滚下去。

经过有效的观察和思考，伽利略决定再次挑战亚里士多德。

为此，伽利略精心设计了一个理想实验（10）（双斜面实验，如图所示）：彼此相对地安置两个斜面，当球从一个斜面的顶端滚下后，即沿对面的斜面向上滚，达到与原来差不多的高度。

他推论，只是因为摩擦力，球才没能严格地达
到原来的高度。

然后，他减少后一斜面的斜率，球仍
达到同一高度，但这时它要滚得远些。

斜率愈小，球
达到同一高度需要滚得愈远。

伽利略掩饰不住内心的
狂喜：若将后一斜面放平，球会滚多远? 结论显然是球要永远滚下去。

机会总是青睐善思考的头脑，擅长推理的伽利略找出了惯性定律（11）（后由牛顿总结而成）：任何物体，只要没有外力改变它的状态，便会永远保持它初始的状态：静止或匀速直线运动状态。

亚里士多德的神像再一次倒在了伽利略的面前，阳光又一次冲破了雾霾的笼罩。

正如世纪哲人冯友兰先生说的那样：宗教(权威)和科学向来有冲突。

科学前进一步，宗教(权威)就后退一步；在科学进展的面前，宗教的权威降低了。

第四回匠心独具知气温上帝之手显真形
伽利略的一系列科学发现，虽然在教会统治的黑暗中划出了一丝丝亮光，却没有从根本上动摇教会的统治现状——假以上帝，欺瞒人民。

当时，人们对空气是否有重量和真空是否存在的问题还不清楚。

受亚里士多德（12）的影响，认为“世间万物之中除了火和空气以外均有各自的重量”。

对人们常见的吸管吸饮料、抽水泵抽水等现象，教会的解释是“上帝之手带给你一切。

”伽利略对此表示怀疑，他虽然也是教会人士，但心中真正的上帝只有科学。

他认为所有的物体都有其各自的重量，只不过各有重量大小和质地疏密而已。

1606年，伽利略凭借其精巧的手工，制作成功了一个能显示温度变化
的仪器——气温计。

它的主要装置是一个长颈玻璃容器，颈大约11厘米高，
下部连着一个球形玻璃容器。

使用时先用手将玻璃球捂热，然后倒插入一
个装有水的小瓶中（如图），移开手，水就会沿着玻璃管上升到某一位置
而保持静止。

当气温升高时，玻璃球里的空气会膨胀，玻璃管里的水面就
会下降。

反之，气温下降时，水面会升高。

千百年来，天气的冷暖变化第
一次如此直观、生动地展现在人们面前，人们奔走相告，一睹神奇，佛罗伦萨的空气都快要沸腾了。

伽利略一鼓作气地指出，正是因为空气重量的变化，才有了气温计中水面的变化。

日常的吸管吸饮料，抽水泵抽水等均如此。

“上帝”终于露出了他真正的面容。

不久，伽利略发现，抽水机在工作
时，不能把水抽到10米以上的高度。

他
和他的学生托里拆利对此现象做了深入
的探讨。

可惜，伽利略没能解决这个问
题，带着遗憾离开了他热爱的科学。

伽利略去世后的第二年，托里拆利
就用一根长度为1米的玻璃管和水银巧妙地得到了真空，测出了大气压强（13）。

给了亚里士多德的力学以致命一击，告慰了伽利略在天之灵。

这正是：真空难以觅踪影，大气压力很多情。

托氏巧把气压测，真空就在管中藏。

第五回艰苦卓绝往前行，长夜漫漫待黎明
伽利略不仅具有智慧无比的大脑，而且拥有一双巧夺天工的巧手。

1609年11月，伽利略用自制的20倍折射式天文望远镜认真地观测了月球许多天，发现月球并不像亚里士多德所宣称的那样：表面光洁且自己发光的星星。

月球是一颗本身不会发光，只会反射太阳光的绕着地球旋转的一颗卫星。

此后的十多年，他又将望远镜对准了木星、土星、金星和彗星，研究了木星4颗卫星的轨道周期，出版了支持哥白尼学说的著作《星星的使者》。

这部书的出版给伽利略带来了极大的荣誉，同时也引来了教会的关注，在教会的眼中，他已然变成了一个非常危险的人物。

从1624年到1632年，伽利略用深入浅出、通俗易懂、诙谐活泼的语言完成了毕生巨著《关于两大世界体系的对话》，书中三个主人公分别代表伽利略本人、亚里士多德学派和中立派，深入探讨了新旧天文学之间的矛盾。

此书一出版，立刻畅销佛罗伦萨，再次惹恼了教会。

1632年8月，恼羞成怒的罗
马宗教法庭下令禁止《对话》
的销售，并且传令伽利略到罗
马受审。

1633年，年老、疲惫、
多病的伽利略来到了罗马，在
教会强大淫威的威胁之下，伽
利略被迫放弃哥白尼的思想，
承认托勒密的地心说（14）。

即使
如此，声名卓著的伽利略还是
被教会判为终身监禁。

不幸中
的大幸，在同情、欣赏伽利略的大主教皮可罗米尼努力下，伽利略回到佛罗伦萨自己的别墅里过着被监禁的生活,直到1642年1月去世（15）。

这位身心疲惫却拥有伟大心灵的老人，没有在漫漫黑夜中迷失自己，而是全身心地将毕生实验、观察、理论和发现全部写进了1638年出
版的《两种新科学的论述》。

书中涉及的材料强度、落体、杠杆、匀速和加速运动、抛物体运动等各方面问题为其后几代物理学家的研究开辟了道路，尤其是牛顿，受益最大。

由于教会的干预，曾是文艺复兴起源地和中心的意大利在此后的200多年间，再未出现过像伽利略这样的科学巨人。

时间是公正的法官，真理永远不可战胜。

1979年，罗马教皇公开为伽利略平反，漫漫黑夜终于迎来了清新的黎明。

爱因斯坦这样评价伽利略：“他的发现和他所运用的科学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始。

”
【附】一. 伽利略大事年表
1564年2月15日，伽利略在比萨诞生。

2月18日，米开朗基罗去世。

4月23日，莎士比亚诞生
1579年，就读于瓦隆布罗萨的一所教会学校，在那儿，他想成为一名修士。

1581年9月，进入比萨大学学习医学。

1583年，在教堂里观察吊灯，发现摆的等时性。

1585年，在没有拿到比萨大学文凭的情况下离开大学，开始做私人教师。

1586年，第一本物理学小册子《小天平》出版，发明了比重秤。

1589年，成为比萨大学的数学教授。

1591年，在比萨斜塔上做了著名的落体实验，父亲文森西奥去世。

1593年，发明抽水泵。

1595年，首次接触哥白尼的日心说。

1604年，研究抛体运动时，发现平抛物体的运动轨迹是条抛物线，观察超新星。

1606年，发明气温计。

1609年，制造望远镜并开始天文观测。

1610年1月，观测到木星的四颗卫星。

3月，出版《星星的使者》一书。

1613年，发表《关于太阳黑子及它们的现象的论证和发展过程》一文。

1623年，出版《试金者》一书。

1632年，《关于两大世界体系的对话》一书出版。

8月，教皇乌尔班八世下令禁止此书发行。

1633年2月，被传讯到罗马。

6月，被判终身监禁。

12月回到阿圣翠。

1637年，《两种新科学的论述》完成，右眼失明，左眼受到感染。

1638年，《两种新科学的论述》在荷兰莱顿出版，双目失明。

1642年1月8日，在阿圣翠去世。

同年圣诞节牛顿诞生。

二．伽利略的部分名言警句
1. 你无法教别人任何东西，你只能帮助别人发现一些东西。

2. 真理不在蒙满灰尘的权威著作中，而是在宇宙、自然界这部伟大的无字书中。

3. 追求科学，需要有特殊的勇敢，思考是人类最大的快乐。

4. 生命犹如铁砧，愈被敲打，愈能发出火花。