gaoguanzhong的个人博客分享 http://www.blog.sciencetimes.com.cn/u/gaoguanzhong

博文

寻访伽利略的踪迹

已有 2039 次阅读 2021-9-16 03:11 |个人分类:外国人物|系统分类:海外观察

0500伽利略画像

0498比萨斜塔和大教堂

0499伽利略观察天文

0501伽利略在佛罗伦萨的故居

0502失明的伽利略讲科学,儿子做记录


作者 高关中(德国汉堡)2021/9/12

晚上德法联营的电视台Arte播放了一部介绍伟大科学家伽利略的科教片,名为《伽利略:近代物理学的先声》(Galileo Galilei-Urknall der Modernen Physik)。我曾多次到意大利,寻访过伽利略的踪迹,这里就结合在一起,对他的生平和成就加以介绍。

伽利略·伽利莱(Galileo Galilei,1564-1642)是伟大的意大利物理学家、天文学家,为文艺复兴时期的代表人物之一,被誉为“近代物理学之父”和“观测天文学之父”。他从实验中总结出自由落体定律、惯性定律,奠定了经典力学的基础。他最早用望远镜观察天体,做出多个重大的天文学发现,有力地支持了哥白尼的日心学说。伽利略最大的贡献则在于新的科学思想和科学研究方法。历史上他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学和物理学,扩大、加深并改变了人们对物质运动和宇宙的认识。被尊为“科学革命的先驱”“近代科学之父”。他的工作为牛顿的经典物理学理论体系的建立奠定了基础。如果要选“影响世界历史100名人”,一定少不了伽利略的一席之地。

 

在比萨斜塔做试验

这位科学家1564年2月15日诞生于比萨(Pisa)。其父音乐家乐理学者。伽利略从小就有广泛的兴趣。

比萨只有10万人口,在意大利名城之中并不算大,却有过历史上的辉煌。中世纪时,这里曾是繁荣的海港,建立起强大的城邦共和国,在地中海一带举足轻重,与威尼斯和热那亚分庭抗礼。比萨还派出舰队,参加第一次十字军东征,为夺取耶路撒冷立下功劳。作为回报,比萨人的商业足迹拓展到了东方,成为东西方文明的交汇点,经济空前繁荣。正是在这样的盛期,比萨利用其雄厚的财力,兴建起宏伟的比萨斜塔及大理石建筑群,为后人留下一份丰富的文化遗产。伽利略在世时,比萨是佛罗伦萨公国的一部分,受到文艺复兴之风的沐浴。创办于1343年的比萨大学,是意大利最古老、最负盛名的大学之一。伽利略17岁进入比萨大学学医,但他更热衷于学习研究数学和物理,24岁写出关于固体重心的论文,25岁就在该校任数学教授。

从文艺复兴名城佛罗伦萨坐火车西去,大约一个小时就到了80公里开外的比萨城(Pisa)。离开车站北去二三里,穿过几条不太宽的老街,来到古城西北角。一出街口,眼前豁然开朗,出现一大片绿油油的草坪广场,一组洁白精美的大理石建筑巍然屹立,令人眼明心爽,最抢眼的就是那座久已扬名天下的比萨斜塔(Torre Pendente)。它像一支粗壮的玉笔,斜插在绿茵之中,古拙而又秀美。逐渐走近它,仰观高耸在流云之间的塔顶,又觉得它好像一座摇摇欲倒的山峰,以雷霆万钧之势向你逼来,使你心跳加速,产生一种岌岌可危的感觉。比萨斜塔正是以这种斜而不倒的奇特造型,吸引来全世界的万千游客。

斜塔原来是作为教堂的钟楼而建的,与旁边的大教堂、洗礼堂等构成一个和谐统一的大理石建筑群。塔身呈圆柱形,直径约16米,连顶部共8层。除底层外围是厚实的墙壁外,从第二层开始,外面一圈有回廊,每层回廊周围用30根大理石柱环绕,显得玲珑剔透,造型十分美观。每根石柱的上端都饰以很考究的兽头石雕。顶层尤其经过匠心雕琢,像全塔的一顶王冠。

来到塔下,可以看到塔基一侧已下陷约两米多深,整个塔身向南严重倾斜。据测量,塔顶偏离中心已达5.2米。但是顶层比较端正,看得出来,当初的建筑师有意作了矫正。尽管如此,这座平顶圆塔从北边测高达56.7米,从南边测只有55.8米,相差近1米,看上去实在令人担忧。

为什么会造这样一座斜塔呢?有人说,当初建造者故弄玄虚,有意将钟楼建成倾斜状,以显示其绝妙的技巧和吸引游客。对这种说法,我们一笑置之。这种传说固然浪漫且富戏剧性,却未免过于离奇。事实上,塔身倾斜是地基沉陷不均匀的结果。12世纪初比萨大教堂落成。1173年,作为大教堂配套工程的钟楼开始动工兴建。由于比萨位于阿尔诺河下游的冲积平原,土质疏松,承受不住石塔的重压,结果塔身出现倾斜。塔的倾斜违反了建筑师们的意愿,但结果却使它别具风格,成为引人入胜的世界名塔。

使比萨斜塔声名远播的最重要原因,是意大利伟大科学家伽利略曾在塔上做过有名的自由落体运动实验。他在研究物理学时,对希腊先哲亚里士多德著作中“物体下落速度与重量成正比”的理论产生怀疑。他想:如果用一根绳子把大小两块石头绑在一起,那么它们将会以什么样的速度下落呢?按亚里士多德的理论,大石头应该比小石头落地的速度快,那么用绳子绑在一起两块石头应该比其中任何一个都落得更快。但是按照亚里士多德的法则,慢落的小石头会牵制住快落的大石头,那么绳子绑在一起两块石头的落速应该介于大小石头的落速之间。这两条结论显然是矛盾的!伽利略用逻辑判断,亚里士多德的法则肯定有误。为了让事实说话,伽利略登上斜塔,让两个重量相差10倍的铁球从塔顶同时落下,结果同时落地。这一实验一举推翻了禁锢人们思想近2000年的亚里士多德学说,确定了自由落体定律(在忽略空气阻力的条件下,落下的速度与重量无关),开创了实验物理的新时代。从此,比萨斜塔更加名噪全球,连每个中学生都知道它的大名。可惜,现在斜塔四周已围上铁栅栏,游人再不能登上294级盘旋而上的石阶到塔顶,亲历伽利略当年的境况。

来到塔前,却不能登塔,难免使人产生几许遗憾,但不妨到斜塔旁的大教堂(Duomo)里面去参观一番。这座教堂也与伽利略的科学生涯有关。堂内那份精雕细琢的高贵叫人看得发呆,坐着,怎么也不愿走开。实在不得不佩服伽利略,他当时就是在这里做礼拜时,观察到青铜吊灯的来回摆动,他就数自己脉搏跳动的次数,来计量吊灯来回摆动的周期,发现吊钟来回摆动一周的时间是一样的,这个规律叫做摆的等时性。在这么浓厚的宗教气氛中,他想到的仍然只是科学。随后他用线悬铜球作模拟实验,确证了摆动(在幅度不大的情况下)的等时性以及摆长对周期(时间)的影响,也就是说单摆可以作为计时的工具。由于这一发现,伽利略提出了摆动原理,引导后人发明了钟摆,造出可以精确到秒的时钟。为了纪念这位大科学家,人们把至今仍高悬在教堂中央的青铜大吊灯称为“伽利略吊灯”。

 

在帕多瓦用望远镜观察天文

游历过水城威尼斯的人,大多会顺道赴帕多瓦(Padova)一游,一方面因为二者距离不远,只有半小时的火车,另一方面因帕多瓦是一座古老的文化艺术名城,若趁机下去看看,一定会另有一番心得。

帕多瓦闻名于世,首先是因为古老的帕多瓦大学设于此地。这所大学创办于1222年,在欧洲仅次于博洛尼亚和巴黎大学,是第三座历史最悠久的学府,校总部至今仍设在市中心建于16世纪的庭院式宫殿(Palazzo del Bo)里。

帕大不仅古老,而且在科学上敢为人先,长夜漫漫的中世纪里,此处是一座令全欧洲学子心仪的灯塔,它远离罗马,不受教廷直接控制,学术思想比较自由。帕大的“解剖实验室”(Teatro Anatomico)。它建于1594年,是世界上最早的人体解剖实验室。1545年,帕大建起植物园(Orto Botanico),这在欧洲历史上是最为古老的一座,现已被列入世界文化遗产名录。而伟大的科学家伽利略从28岁起,曾在此执教和研究18年(1592-1610年),更是该校历史上的辉煌篇章。

伽利略在帕多瓦大学执教几何、机械和天文。他主持的讲座,誉满欧洲。每逢他授课,教室里总是座无虚席,连走道都站满了人。他当年用过的木制讲台(Cattedra di Galileo),代代相传,精心保留了下来,成为一件很有意义的文物。伫立在它的跟前,我们眼前仿佛又浮现出这位刚毅坚强的科学家的魁伟身影,大厅里仿佛又回响起侃侃地阐述科学的真理,大无畏地向中世纪神学挑战的洪钟般声音。

1609年,伽利略听说荷兰眼镜商李普希(Hans Lippershey,1570-1619)发明了供人玩赏的望远镜。他未见实物,亦成功制造了一具放大几倍的望远镜,并献给威尼斯的总督。借助这个仪器,可以比训练有素的用肉眼观察的瞭望员早两个小时发现船只进港。因为望远镜在海军及海事上有重大价值,所以伽利略得到重大的回报:薪金加倍,并终身保有教授这一职衔。出售望远镜也为伽利略带来了不少的额外收入。商人们可以利用它来航海,或是作为商品交换。

接着他研制出世界第一台天文望远镜(放大33倍的望远镜),以此观测天体,发现许多前所未知的天文现象。他发现原被认为是一团云雾的银河是由无数单个的恒星组成的,他用望远镜定位了许多肉眼看不到的恒星。他发现月球并不发光,也不是光滑和完美无缺的,表面有崎岖不平的现象,他还亲手绘制了第一幅月面图。他看到木星有四个卫星(其实是众多木卫中的最大的四个,现称伽利略卫星),这直接驳斥了“所有天体围绕地球转”的地心说。他还发现太阳黑子,并且认为黑子是日面上的现象,太阳也有自转。他在《星际使者》一书中,报告了这些发现,一下子震撼全欧。这些发现开辟了天文学的新时代。人们赞誉说:“哥伦布发现了新大陆,伽利略发现了新宇宙。”

 

在佛罗伦萨留下科学名著

1610年起,伽利略移居佛罗伦萨(Firenze,英语:Florence),这里是文艺复兴的发祥地。他被任命为宫廷首席数学家和哲学家,这使他可以不受教务限制而有更多时间去研究及写作。他住过十多年的故居(Villa dell'Ombrellino,又名Villa SegniVilla di Bellosguardo)至今仍在。

伽利略一系列天文发现轰动了当时的欧洲,在介绍他新发现的两本书《星际使者》(1610)和《关于太阳黑子的书信》(1613)中,他都主张哥白尼的日心说。伽利略以观测到的事实,推动了哥白尼学说的传播。

伽利略对日心说的支持,引起了教会的恐惧和迫害。天主教会根据《圣经》和古希腊天文学家托勒密(Claudius Ptolemaeus,约100-170,又译托勒玫)的说法,一贯宣称地心说,即地球是宇宙的中心,所有天体都围绕地球旋转。哥白尼(1473-1543提出“日心说”,1540年出版《天体运行论》。后来被宗教法庭列为禁书,伽利略也受到警告,要他放弃哥白尼学说。但伽利略继续写作。

1632年他的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》出版,这更加激怒了教会。教皇乌尔班八世把年近七旬的伽利略传到罗马审讯,宗教法庭宣判他有罪,伽利略被迫跪在冰冷的石板地上,在教廷已写好的“悔过书”上签字。伽利略被迫放弃关于地球绕太阳运动的理论之时,喃喃地说了反叛的短语但是,地球的确是在运动啊!”。他的暂时放弃使他避免了布鲁诺那样的悲惨命运(被火刑烧死),赢得了时间为科学继续贡献力量。

1633年他被判处终生软禁。次年返回他在佛罗伦萨南郊2公里的阿切特里(Arcetri)所租的焦耶洛别墅(Gioiello,也称Villa Galileo)。在那里他由大女儿(他有一子两女)照顾,度过软禁时光。焦耶洛别墅处于阿切特里的小山上,周围都是农人的葡萄园,景色优美,所以被称为“焦耶洛”意为“宝石”。 别墅建筑现呈"U"形,建筑围绕着中庭的空地,建筑和街区之间有墙隔开。中庭中有凉廊,由无拱托斯卡尼柱支撑。面向街区的一面十分朴素,只有一些石头框的正方形窗户,在墙上有伽利略的胸像。今日属于佛罗伦萨大学天文系管理。

伽利略利用软禁的时间,完成了他最好的作品之一,《关于两门新科学的谈话和数学证明》。在这里,他总结了他在物理学领域所做的研究工作,涉及两类现在称为动力学和材料力学的科学,书稿1638年偷运到荷兰出版,以避免教会的干涉。这本书得到了爱因斯坦的高度赞扬。由于这项工作,伽利略经常被称为“近代物理学之父”。伽利略对运动基本概念,包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出,在力学史上是一个里程碑。伽利略做实验证明,感受到引力的物体并不是呈等速运动而是呈加速度运动。有了加速度的概念,力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上,而在伽利略之前,只有静力学部分有定量的描述。他发现了惯性定律也是一个重要贡献。此前人们相信,一个运动的物体如果没有力作用在它上面,就会减慢运动并最终停止运动。但伽利略的实验指出,这是错的。如果去掉摩擦力这类的阻力,运动着的物体将会永无休止地运动下去。这是物理学的最基本的原理之一。牛顿后来对它重新做了清楚的说明并把它作为第一运动定律结合到他自己的体系中。也许是一种巧合,牛顿(1642-1727)诞生于伽利略逝世的同年,科学探索的火炬就像接力棒一样传了下去。

1638年,伽利略完全失明,患有疾病。1641年,已失明的他,让儿子为他绘制了摆钟设计图。1656年,荷兰科学家惠更斯(Christiaan Huygens)完成了伽利略的遗愿,应用摆的等时性,造出了一座带摆的时钟。摆的均匀摆动是人类继滴漏之后发现的一种真正的人造周期运动。摆钟的出现大大提高了时钟的精确度,直至今天部分人仍在使用。计时的准确性对当时的航海导航也是一个巨大的推动,因为经度是要靠两地时间的差别来确定的。

1641年伽利略邀请物理学新秀托里拆利(Evangelista Torricelli,又译托里切利,气压计发明者,1608-1647)担任他的秘书和助手,一起讨论科学问题。直到临终前伽利略仍在从事科学研究。

1642年1月8日伽利略去世,享年78岁。由于伽利略“有强烈异端嫌疑”,受教会干涉,葬仪草率简陋。直到几十年后被改葬在佛罗伦萨圣十字教堂(Basilica di Santa Croce),在那里为他树立一座大理石纪念陵墓。在这座教堂中,安葬着许多位最杰出的意大利人,例如美术家米开朗基罗、“近代政治学之父”马基雅维利、音乐家罗西尼和无线电发明家马可尼,因而被称为“意大利的先贤祠”(Tempio dell'Itale Glorie)。佛罗伦萨圣十字圣殿是世界上最大的方济各会教堂。它最显著的特征就是拥有16个小礼拜堂,其中许多小堂都装饰着文艺复兴大画家乔托及其学生创作的壁画,以及墓穴和纪念碑。

佛罗伦萨人为伽利略而骄傲,在市内设有伽利略博物馆(Museo Galileo),位于朱迪奇广场 (Piazza dei Giudici)的一幢古老建筑中,靠近乌菲齐美术馆。原名科学史学会及博物馆(Istituto e Museo di Storia della Scienza)。2010年该馆装修后以新的名称“伽利略博物馆”重新向公众开放,以纪念1610年伽利略的《星际使者》出版有四百年,那本小册子彻底改变人类对宇宙的观念,促进现代科学的出现。馆内收藏有科学史上宝贵的科学仪器,包括所有的伽利略的独特的仪器,其中有他现存仅有的两只望远镜,以及早期的温度计等等。

 

伽利略的最大贡献

伽利略最大的贡献在于新的科学思想和科学研究方法。此前,科学束缚在神学和亚里士多德教条的框框里。而伽利略敢于向传统的权威思想挑战,并反对神秘性,先观察自然现象,由此发现自然规律。基于新的思想,伽利略倡导了新的方法,即数学-实验方法,坚持“自然科学书籍要用数学来写”。他解决某一问题时,会将它分成一系列简单部分,对这些部分进行实验,然后对实验结果进行分析,直到能用一系列数学表达式来描述他们,最终通过实验来检验这些理论推导。用数学方法研究物理问题,数学公式和数学方法的广泛使用是现代科学的一个重要特征。

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浮力天平、地理军事两用圆规、测温器(温度计的前身)、摆式脉搏计等。他研制的显微镜“可将苍蝇放大成母鸡一般”。

伽利略不仅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。他对落体匀加速运动规律的研究便是最好的说明。

伽利略把实验事实和抽象思维结合起来,运用理想化的模型和数学描述,突出事物的主要特征,化繁为简,总结其规律性,这是留给后人宝贵的精神财富。爱因斯坦评论说:“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法,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。”伽利略首开实验科学的先河,从漫无边际的大讨论转向局部的、简单的、有限的问题研究。这就是近代西方科学成功的道路。

伽利略在人类思想解放和文明发展的过程中做出了划时代的贡献。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。而在人类文化史上,伽利略亦成为了与权威斗争,争取探索真理自由的象征。

1992年,梵蒂冈教皇约翰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。历史证明,科学终将战胜愚昧。

伽利略不仅在意大利,而且在全欧洲乃至全世界受到人们的敬仰。欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统就起名伽利略定位系统(Galileo satellite navigation system),它与美国的GPS,中国的北斗系统,俄罗斯格洛纳斯系统并列为世界四大定位系统。

美国航天局(英语:National Aeronautics and Space Administration,简称NASA)发射过一艘无人航天器,专门用作研究木星及其卫星。它得名伽利略号探测器,以纪念四颗木星卫星的发现者。伽利略号于1989年10月18日升空,1995年12月进入环木星轨道。它绕木星飞行了34圈,观测结果大大增进了人们对木星及其卫星的了解。2003年伽利略号被安排坠落木星大气层,结束它长达14年的任务。




http://www.blog.sciencetimes.com.cn/blog-3032375-1304374.html

上一篇:中德文化交流的桥梁——悼念《华商报》总编修海涛
下一篇:日寇侵华《真相》海外重现记

3 史晓雷 王安良 孙冰

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (4 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-10-18 14:58

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部