正文 第9章 伽利略對力學的研究(1 / 2)

伽利略其人

伽利略是偉大的意大利物理學家和天文學家,他開創了以實驗事實為基礎並具有嚴密邏輯體係和數學表述形式的近代科學。他為推翻以亞裏士多德為旗號的經院哲學對科學的禁錮、改變與加深人類對物質運動和宇宙的科學認識而奮鬥了一生,因此被譽為“近代科學之父”。

一、動手動腦,孜孜不倦

伽利略1564年2月15日生於比薩一個樂師和數學家之家,從小愛好機械、數學和音樂、詩畫,喜歡做水磨、風車、船舶模型。17歲時雖遵父命入比薩大學學醫,但卻不顧教授們反對,獨自鑽研圖書館中的古籍和進行實驗。1582年冬,托斯卡納公爵的年輕數學教師裏奇允許伽利略旁聽,使他進入一個新世界。裏奇擅長的應用力學與應用數學及生動的講課,引導他學習水力學、建築學和工程技術及實驗,伽利略在此期間如饑似渴地讀了許多古代數學與哲學書籍,阿基米德的數學與實驗相結合的方法使他深受感染,他深情地說:“阿基米德是我的老師。”

二、善於觀察,勤於實驗

伽利略對周圍世界的多種多樣運動特別感興趣,但他發現“運動的問題這麼古老,有意義的研究竟如此可憐。”他的學生維維安尼在《伽利略傳》中記敘了1583年19歲的伽利略在比薩大教堂的情景:“以特有的好奇心和敏銳性,注視懸掛在教堂最頂端的大吊燈的運動——它的擺動時間在沿大弧、中弧和小弧擺動時是否相同。當大吊燈有規律地擺動時,他利用自己脈搏的跳動,和自己擅長並熟練運用的音樂節拍測算,他清楚地得出結論:時間完全一樣。他對此仍不滿足,回家以後,用兩根同樣長的線繩各係上一個鉛球作自由擺動。他把兩個擺拉到偏離豎直線不同的角度,例如30°和10°,然後同時放手。在同伴的協助下,他看到無論沿長弧和短弧擺動,兩個擺在同一時間間隔內的擺動次數準確相等。他又另外做了兩個相似的擺,隻是擺長不同。他發現,短擺擺動300次時,長擺擺動40次(均在大角度情況下),在其他擺動角度(如小角度)下它們各自的擺動次數在同一時間間隔內與大角度時完全相同,並且多次重複仍然如此。他由此得出結論:看來無論對於重物體的快速擺動還是輕物體的慢擺動,空氣的阻力幾乎不起作用,擺長一定的單擺周期是相同的,與擺幅大小無關。他還看到,擺球的絕對重量或相對比重的大小都引不起周期的明顯改變……隻要不專門挑選最輕的材料做擺球,否則它會因空氣阻力太大而很快靜止下來。”

伽利略對偶然機遇下的發現,不但做了多次實測,還考慮到振幅、周期、繩長、阻力、重量、材料等因素,他還利用繩長的調節和標度做成了第一件實用儀器——脈搏計。

1585年因家貧退學,回到佛羅倫薩,擔任了家庭教師並努力自學。他從學習阿基米德《論浮體》及杠杆定律和稱金冠的故事中得到啟示。自己用簡單的演示證明了一定質量的物體受到的浮力與物體的形狀無關,隻與比重有關。他利用純金、銀的重量與體積列表後刻在秤上,用待測合金製品去稱量時就能快速讀出金銀的成色。這種“浮力天平”用於金銀交易十分方便。1586年他寫了第一篇論文《小天平》記述這一小製作。1589年他又結合數學計算和實驗寫了關於幾種固體重心計算法的論文。這些成就使他於1589年被聘為比薩大學教授,1592年起移居到威尼斯任帕多瓦大學教授,開始了他一生的黃金時代。

在帕多瓦大學,他為了幫助醫生測定病人的熱度做成了第一個溫度計,這是一種開放式的液體溫度計,利用帶色的水或酒精作為測溫物質,這實際上是溫度計與氣壓計的雛形,利用氣體的熱脹冷縮性質通過含液玻璃管把溫度作為一種客觀物理量來測量。

伽利略認為:“神奇的藝術蘊藏在瑣細和幼稚的事物中,致力於偉大的發明要從最微賤的開始。”“我深深懂得,隻要一次實驗或確證,就足以推翻所有可能的理由。”伽利略不愧是實驗科學的奠基人。

三、破除迷信,闖出新路

伽利略認真讀過亞裏士多德的《物理學》等著作,認為其中許多是錯誤的。他反對屈從於亞裏士多德的權威,嘲笑那些“堅持亞裏士多德的一詞一句”的書呆子。他認為那些隻會背誦別人詞句的人不能叫哲學家,而隻能叫“記憶學家”或“背誦博士”。他認為,“世界乃是一本打開的活書”,“真正的哲學是寫在那本經常在我們眼前打開著的最偉大的書裏,這本書是用各種幾何圖形和數學文字寫成的。”

他從小好問,好與師友爭辯。他主張“不要靠老師的威望而是靠爭辯”來滿足自己理智的要求。他反對一些不合理的傳統。例如他在比薩大學任教時就堅決反對教授必須穿長袍的舊規,並在學生中傳播反對穿長袍的諷刺詩。他深信哥白尼學說的正確,他一針見血地笑那些認為天體不變的人,“那些大捧特捧不滅不變的人,隻是由於他們渴望永遠活下去和害怕死亡”。