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第3章 第一次科学革命浪潮(1)

伽利略奥·伽利略是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、物理学家、力学家和哲学家,也是近代实验物理学的奠基人。他是为维护真理而进行不屈不挠斗争的战士。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”。

一、伽利略生平

伽利略于1564年2月15日出生在意大利西部海岸的比萨城,原籍佛罗伦萨,出身没落的名门贵族家庭。伽利略的父亲是一位不得志的音乐家,精通希腊文和拉丁文,对数学也颇有造诣。因此,伽利略从小受到良好的家庭教育。

伽利略在12岁时,进入佛罗伦萨附近的瓦洛姆布洛萨修道院,接受古典教育。17岁时,他进入比萨大学学医,同时学习物理和数学。因为家庭经济困难,伽利略没有拿到毕业证书,离开了比萨大学。在艰苦的环境下,他仍坚持科学研究,攻读了欧几里得和阿基米德的许多著作,做了许多实验,并发表了许多有影响的论文,从而受到了当时学术界的高度重视,被誉为“当代的阿基米德”。

伽利略25岁就被聘为比萨大学的数学教授。两年后,伽利略做了著名的比萨斜塔实验,触怒了教会,失去这份工作。伽利略离开比萨大学后,于1592年去威尼斯的帕多瓦大学任教,一直到1610年。这一段时期是伽利略从事科学研究的黄金时期。在这里,他在力学、天文学等各方面都取得了累累硕果。

1610年,伽利略把他的著作以通俗读物的形式发表出来,取名为《星空信使》,这本书在威尼斯出版,在欧洲轰动一时,为伽利略赢得了荣誉。伽利略被聘为“宫廷哲学家”和“宫廷首席数学家”,从此他又回到了故乡佛罗伦萨。

伽利略在佛罗伦萨的宫廷里继续进行科学研究,但是他的天文学发现以及他的天文学著作明显的体现出了哥白尼“日心说”的观点。因此,伽利略开始受到教会的注意。1616年开始,伽利略开始受到罗马宗教裁判所达20多年的残酷迫害。

伽利略的晚年由于照料他的女儿赛丽斯特先于他离开人世,生活极其悲惨。失去爱女的过分悲伤,使伽利略双目失明。即使在这样的条件下,他依然没有放弃自己的科学研究工作。

1642年1月8日,凌晨4时,伟大的伽利略——为科学、为真理奋斗一生的战士,科学巨人离开了人世,享年78岁。在他离开人世的前夕,他还重复着这样一句话:“追求科学需要特殊的勇气。”

二、科学发现

在物理学说方面,古希腊有两大学派,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,但由于两人的观点和方法不同,其科学结论也就各异,并形成了鲜明的对立。亚里士多德学派的观点基本是唯心的,他凭主观思考和纯推理方法得出结论,所以是充斥着谬误。而阿基米德学派的观点基本是唯物的,他完全依靠科学实践方法得出结论。

从11世纪起,由于基督教会的扶持,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,凡是违反亚里士多德物理学的学者均被视为“异端邪说”。但伽利略却对亚里士多德的物理学抱怀疑态度,相反他特别重视对阿基米德物理学的研究,他重视理论联系实际,注意观察各种自然现象,思考各种问题。在伽利略18岁那年,一次到比萨教堂去做礼拜,他发现教堂里悬挂的长明灯被风吹得左右有规律地摆动,他按自己脉搏的跳动来计时,发现它们往复运动的时间总是相等的。就这样他发现了摆的等时性,后来荷兰物理学家惠更斯根据这个原理制成挂摆时钟,人们称之为“伽利略钟”。

伽利略根据阿基米德的学说,作了迅速确定合金成分的流体静力天平的研究,发明了可以测定物质密度的“小天平”,写出了名为《小天平》的论文。后来他又潜心研究了物体重心的几何学,1588年发表了《固体的重心》的论文,引起学术界的注意。第二年,在友人的推荐下,被比萨大学聘任为数学教授。

亚里士多德认为两个物体以同一高度落下,重的比轻的先着地。但伽利略经过反复的研究与实验后,得出了与之截然相反的结论:物体下落的快慢与重量无关。1590年,伽利略在比萨斜塔公开做了落体实验,验证了亚里士多德的说法是错误的,使统治人们思想长达2000多年的亚里士多德的学说第一次发生动摇。而应邀前来观看的一些著名学者却不承认自己亲眼见到的一切,他们群起攻击伽利略。1591年,伽利略被比萨大学解聘。

从科学史上看,伽利略并不是落体实验的首创者,其首创者是比利时的斯台文。但伽利略的比萨斜塔实验所造成的影响却是更为深远的。

1592年,伽利略来到威尼斯的帕多瓦大学任教,开始了他科学活动的黄金时期。在这一时期,他研究了大量的物理学问题,如斜面运动、力的合成、抛射体运动等。他还对液体与热学进行研究,发明了温度计。1609年,伽利略制成了天文望远镜,并用这台望远镜去探索宇宙的奥秘,他发现月球的表面凹凸不平,有高山深谷;木星有四颗卫星围绕它旋转;金星和月亮一样有盈有亏;土星有光环;太阳有黑子,能自转。银河是由于千千万万颗暗淡的星星组成。这些发现为哥白尼、布鲁诺的观点提供了有力的证据。对教会的信条进行了严厉的打击。

第二年,他出版了《星际使者》,通俗地向读者介绍他观察到的天空现象,宣传了他的观点。这部著作在欧洲引起了极大的轰动,伽利略因此被称为“天空的哥伦布”。1613年,他在罗马发表了《论太阳黑子》。该书以书信形式明确指出了哥白尼学说是正确的,托勒密学说是错误的。由此伽利略触怒了教会,开始受到宗教裁制所的审讯。

伽利略在教廷的压制下,仍继续科学研究,在长期观察和研究天体运动的实践中,他更加坚信哥白尼学说的正确性。1632年1月,伽利略在佛罗伦萨出版了《关于托勒密和哥白尼的两大世界体系的对话》。他在书中用三位学者对话的形式,作了四天的谈话。讨论了三个问题:一是证明地球在运动;二是充实哥白尼学说;三是地球的潮汐。《对话》总结了伽利略长期科研实践中的各种科学发现,宣告了托勒密“地心说”理论的破灭,从根本上动摇了教会的最高权威,从而推动了唯物论思想的发展。这部著作一经出版便受到广大读者的欢迎。但却遭到了罗马教会的反对。伽利略因此而受到了长期的监禁。

1636年,伽利略在监禁中写完了《关于两种新科学的对话》,这是他一生中另一部伟大的著作。此书1638年在荷兰出版。这部伟大的著作也是以三人对话形式写的。“第一天”是关于固体材料强度的问题,反驳了亚里士多德关于落体的速度依赖于其重量的观点;“第二天”是关于内聚作用的原因,讨论了杠杆原理的证明及梁的强度问题;“第三天”讨论了匀速运动和自然加速运动;“第四天”是关于抛射体运动的讨论。这一巨著从根本上否定了亚里士多德的运动学说。

托里拆利

一、托里拆利生平

托里拆利是17世纪西方的一位颇负盛名的科学家。他在39岁生日之际,突然病倒,与世长辞。可他在短短的一生中,取得了多方面杰出的成就,赢得了很高的声誉。

托里拆利出生在意大利华耶查城,家里很富裕。他从小就受到了良好的数学教育。十七八岁时,他的数学才能已初露锋芒。于是在他20岁时,伯父将他带到罗马,受教于伽利略的学生卡斯德利。卡斯德利是当时远近闻名的数学家和水利工程师,他在数学领域的很多方面都卓有成就,还为水力学创立了科学的基础。卡斯德利见托里拆利年轻聪慧,十分喜爱,便指派他为自己的私人秘书,在学术上给予他指导。

托里拆利对伽利略的《关于两种新科学的对话》一书进行了深刻的研究。从中获得了关于力学原理的发展的很多启发。1641年,托里拆利出版了《论重物的运动》一书,企图对伽利略的动力学定律作出新的自己的结论。卡斯德利在一次拜访伽利略时,将托里拆利的论著给伽利略看了,还热情推荐了托里拆利。伽利略看完托里拆利论著之后,表示非常欣赏他的卓越见解,便邀请他前来充当助手。1614年,托里拆利来到佛罗伦萨,会见了伽利略,此时伽利略已双目失明,终日卧在病床上。在他生命的最后三个月中,托里拆利和他的学生维维安尼担任了伽利略口述的笔记者,成了伽利略的最后的学生。

1642年伽利略逝世后,托里拆利接替伽利略任佛罗伦萨科学院的物理学和数学教授,并被任命为宫廷首席数学家。从此他有钱可以做一些实验研究,不再像以往那样只能从事理论探索。后来,托里拆利大大充实了伽利略的《关于两种新科学的对话》“第五、六两天”的内容。

托里拆利在佛罗伦萨生活了五年,直至去世。在此期间,他进行了大量的科学研究,还结识了画家罗莎,古希腊文明学者达狄和水利工程师阿里盖提,并受到了上层人物们的普遍敬重。他还应邀在秕糠学会作了12次学术演讲,演讲题材广泛,其中有6次是关于物理学方面的。这些讲稿在语词方面均无瑕疵可挑,为常人所不及,是典型的意大利文学作品。他的演讲中还充满着文艺复兴时代的那股斗争精神,抨击了那种尽全力维护顽固守旧势力的天主教思想,多次欢呼伽利略的成就,捍卫伽利略的学说。

二、纠正卡斯德利的错误

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