力學(xué)科學(xué)的奠基人——伽利略

呂增建 陳凱鋒

（焦作大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)系，河南 焦作 454003）

伽利略是一位劃時(shí)代的人物，他用《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（以下簡稱《對話》）非常成功地宣傳與捍衛(wèi)了哥白尼學(xué)說，在科學(xué)史上影響甚大。而真正樹立他在科學(xué)史上豐碑的是他的另一篇科學(xué)杰作：《關(guān)于兩門新科學(xué)的對話》（以下簡稱 《兩門新科學(xué)》）。伽利略在科學(xué)史上的重要地位，不僅由于他通過對天空的觀察發(fā)現(xiàn)了一系列天文現(xiàn)象，而且還突出表現(xiàn)在他非凡的唯實(shí)、求真、創(chuàng)新的科學(xué)精神有力地促進(jìn)了當(dāng)時(shí)的思想解放運(yùn)動(dòng)；他偉大的實(shí)驗(yàn)思想和方法實(shí)現(xiàn)了探尋自然知識的革命性變革；他在力學(xué)研究上的杰出成就奠定了力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也拉開了近代科學(xué)的序幕。

1.伽利略的生平

伽利略，1564年2月15日出生于意大利比薩一個(gè)沒落的貴族家庭，比薩是意大利中部的一座城市，在那時(shí)是托斯卡納公爵封地的一座重要城市。這塊封地的首府佛羅倫薩是意大利文藝復(fù)興的中心，并由于梅迪奇家族而聞名于世。伽利略的父親是一位多才多藝的紳士，他酷愛音樂和數(shù)學(xué)，反對慣常的訴諸權(quán)威，繞有趣味的是，父親的愛好和脾性都在兒子身上重現(xiàn)。

伽利略是七個(gè)孩子中的老大，他們一家最初住在比薩，在伽利略十歲的時(shí)候，移居到佛羅倫薩。孩提時(shí)代的伽利略，活潑矯健，聰明好學(xué)，在他父親的影響下，從小就對詩歌、音樂和古典文學(xué)發(fā)生了濃厚的興趣。他好奇心強(qiáng)，喜歡與人爭辯，從不滿足別人告訴他的道理，而要自己去探索、研究與證明。靈活的大腦與精巧的手指總是使他忙個(gè)不停，不是彈琴、繪畫，就是為弟妹們制造玩具和“機(jī)器”。在這些活動(dòng)中，他都表現(xiàn)出非凡的才能。

1581年，快滿十八歲的伽利略考入比薩大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，后來被歐幾里德及阿基米德著作所吸引，對數(shù)理科學(xué)產(chǎn)生了更大的興趣，從而激勵(lì)他致力于研究數(shù)學(xué)和力學(xué)，并于1585年放棄了醫(yī)學(xué)的學(xué)習(xí)和研究，離開大學(xué)，回到他雙親的居住地佛羅倫薩，從事更感興趣的科學(xué)研究和學(xué)習(xí)。這段時(shí)間他寫過幾篇關(guān)于流體靜力學(xué)的論文，發(fā)表過一些關(guān)于固體質(zhì)量中心的定理。這些論文使他在專家們中間獲得一定的聲譽(yù)，這些專家中有厄比諾的蒙特，他在當(dāng)時(shí)和以后一直是伽利略的重要保護(hù)人。[1]蒙特對阿基米德學(xué)說有較深的研究，而且在意大利數(shù)學(xué)界的地位相當(dāng)高，他對伽利略的支持很起作用，因此伽利略在1589年就被任命為比薩大學(xué)的數(shù)學(xué)教授[2]，任期三年（1589—1592）。 這樣，他回到了過去沒有畢業(yè)的學(xué)校，對于一位年僅25歲，在4年前從大學(xué)輟學(xué)的年輕人來說可是一個(gè)太好的機(jī)會(huì)了，這些年中，他開始了哥白尼體系和關(guān)于落體實(shí)驗(yàn)的研究。從1592年至1610年期間，他擔(dān)任帕多瓦大學(xué)的教授，他講課引人入勝，每次講演聽眾都很多，他作為一個(gè)教師的名聲很快傳遍了歐州。照他晚年寫給一位友人的信中的說法，這是他一生中最美好的時(shí)期，正是在那里他制造了望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡和空氣溫度計(jì)，他用望遠(yuǎn)鏡做了重要的天文觀測，熱情地宣傳與捍衛(wèi)哥白尼學(xué)說，完成了自由落體、斜面的研究，可以說伽利略在力學(xué)上的大多數(shù)發(fā)現(xiàn)都是在帕多瓦成熟的。

由于他勇敢地宣講哥白尼學(xué)說，因此，在1616年他被傳喚到羅馬的宗教裁判所，地動(dòng)學(xué)說受到宗教裁判所的譴責(zé)，伽利略受令要保持沉默，他保持了沉默，幾年內(nèi)總是在寫作。伽利略是一位對近代科學(xué)發(fā)展有突出貢獻(xiàn)的成功者，而在他一生的最后時(shí)期，卻由于他的成功而幾乎丟掉了性命，不過他仍是一位必然的幸存者。作為一位深孚眾望的科學(xué)家，很少人能與他相比。最初他是順應(yīng)潮流的，而且知道自己占盡天時(shí)地利。[2]56在烏爾班被推舉為教皇之前，作為巴貝里尼紅衣主教的他與伽利略是好朋友，也是伽利略感到可以與之討論科學(xué)問題的思想者之一，烏爾班出任教皇初期，曾六次接見到“圣城”訪問的伽利略，而且每次會(huì)見都在一個(gè)小時(shí)以上。這種做法對事務(wù)纏身的教皇而言，實(shí)屬罕見。[3]因此，伽利略也許覺得，烏爾班擔(dān)任教皇后，他便可以放心大膽地寫作和出版他的《對話》了。1632年，伽利略已是功成名就、受人尊敬的科學(xué)家了，但他還是違反了1616年的禁令，出版了轟動(dòng)整個(gè)學(xué)術(shù)界和思想界的《對話》。在這本書里，他非常成功地論證了哥白尼學(xué)說的論點(diǎn)，這部充滿新思想的著作引起了教會(huì)的震驚，這就招致了他第二次受審。這位70歲的老人被迫當(dāng)眾跪著表示 “公開放棄、詛咒和痛恨地動(dòng)說的錯(cuò)誤和異端”。

1638年，伽利略另一篇科學(xué)杰作《兩門新科學(xué)》在荷蘭萊頓出版。起先他一直和他的親人以及朋友相隔離，但在他雙目完全失明并病得十分瘦弱以后，他才被準(zhǔn)許有稍多一點(diǎn)的自由。[4]1642年1月8日，伽利略這位杰出的科學(xué)家在阿塞特里逝世。

2.伽利略的科學(xué)精神

伽利略是力學(xué)科學(xué)的奠基人，要了解伽利略的科學(xué)成就，首先要了解他的科學(xué)精神?？茖W(xué)精神是人類與科學(xué)工作相聯(lián)系的一種精神，它是體現(xiàn)在人們身上，形成于科學(xué)活動(dòng)之中并適應(yīng)科學(xué)發(fā)展內(nèi)在要求的一種精神狀態(tài)。從本質(zhì)上講，科學(xué)精神是一種勇于探索和唯實(shí)、求真、創(chuàng)新的精神，它具體體現(xiàn)在不迷信權(quán)威、不盲從傳統(tǒng)，對已有的理論、觀念及其代表人物的言論敢于進(jìn)行懷疑和批判、敢于打破思想上的僵化，用求實(shí)、求真、創(chuàng)新的意識和觀念指導(dǎo)自身的行為。從伽利略科學(xué)研究的一生中我們能夠洞悉和領(lǐng)悟他的科學(xué)精神,他不迷信亞里士多德著作的詞句，繼承和發(fā)揚(yáng)了意大利思想解放運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)，而這種精神正是近代自然科學(xué)的靈魂。

古希臘是科學(xué)思想的搖籃，亞里士多德等人創(chuàng)造了輝煌的成就，但他們也因之曾被“神化”，作為古希臘的智者,人們對他奉若神明,不敢越雷池一步,力學(xué)在這一千年間幾乎處于停滯狀態(tài)。在近代力學(xué)開始誕生的時(shí)候，亞里士多德實(shí)際上已成為束縛人們思想的最大障礙。歷史要求人們必須解決一個(gè)問題：應(yīng)當(dāng)怎樣對待亞里士多德？[5]

早在比薩大學(xué)讀書時(shí)，伽利略就對盲目迷信亞里士多德的現(xiàn)象進(jìn)行了尖銳抨擊，后來在他的《對話》中又系統(tǒng)地回答了這個(gè)問題。他說：“我贊成看亞里士多德的著作，并精心進(jìn)行研究；我只是責(zé)備那些使自己完全淪為亞里士多德奴隸的人，變得不管他講什么都盲目地贊成，并且把他的話一律當(dāng)作絲毫不能違抗的神旨一樣，而不探究其他任何依據(jù)。 ”[6]伽利略還指出：“他們變得非常膽怯，不敢超出亞里士多德一步。他們寧愿隨便地否定他們親眼看見的天上的那些變化，而不肯動(dòng)亞里士多德的天界一根毫毛?！盵6]78伽利略不崇尚書本，不迷信權(quán)威，通過對力學(xué)現(xiàn)象的獨(dú)立研究，使他相信，那作為亞里士多德力學(xué)講授的、被奉為權(quán)威的東西包含許多嚴(yán)重錯(cuò)誤。他毫不隱瞞自己的觀點(diǎn)，相反，他堅(jiān)持不懈地公開抨擊亞里士多德的力學(xué)觀點(diǎn)。在他最早寫的關(guān)于運(yùn)動(dòng)的論文中明確指出，只要他的觀點(diǎn)同經(jīng)驗(yàn)和理性相調(diào)和，他一點(diǎn)不在乎它是否和旁人的觀點(diǎn)一致。[7]對于伽利略敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)的科學(xué)精神，愛因斯坦曾說道：“我在伽利略的工作中認(rèn)識到的主題是向任何以權(quán)威為基礎(chǔ)的教條展開熱烈的戰(zhàn)斗。他只把經(jīng)驗(yàn)和仔細(xì)思考當(dāng)作真理的標(biāo)準(zhǔn)來接受。今天我們難于理解在伽利略的時(shí)代這樣一種態(tài)度顯得如何不祥和革命，那時(shí)只要對除了權(quán)威沒有別的基礎(chǔ)的意見的真理性表示懷疑就被當(dāng)作大罪，因而要受到懲罰?！盵1]32

伽利略的這種科學(xué)精神和努力促進(jìn)了當(dāng)時(shí)的思想解放運(yùn)動(dòng)。他不僅向亞里士多德提出了挑戰(zhàn)，而且敢于反對教會(huì)的思想統(tǒng)治，他認(rèn)為理解世界不要從研究《圣經(jīng)》開始，而要從研究上帝所創(chuàng)造的事物開始，如果《圣經(jīng)》與事實(shí)不一致，則事實(shí)第一位，《圣經(jīng)》第二位。為何我們一談起太陽或地球時(shí)，就堅(jiān)持認(rèn)為《圣經(jīng)》是絕對不會(huì)有錯(cuò)誤呢？[8]帶著這些疑問和思考，帶著對客觀事物求實(shí)、求真的創(chuàng)新精神，伽利略走上了一條與眾不同的路，而正是這條道路開創(chuàng)了近代科學(xué)。

3.伽利略的科學(xué)方法

伽利略是科學(xué)史上公認(rèn)的近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的創(chuàng)始人。他認(rèn)為真正的科學(xué)就在經(jīng)常展示在我們眼前的這部最偉大的書中，即宇宙、自然界中。人們必須通過實(shí)驗(yàn)去閱讀這部“自然之書”，為此他進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)工作，得出許多嶄新的結(jié)論，是他將力學(xué)建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，使力學(xué)走上了真正科學(xué)的道路。

在伽利略對科學(xué)的貢獻(xiàn)中，有一件更為寶貴的東西，那就是他創(chuàng)立的實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的科學(xué)研究方法，這對近代科學(xué)的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。這套方法由以下環(huán)節(jié)構(gòu)成：對現(xiàn)象的一般觀察——提出假設(shè)——運(yùn)用數(shù)學(xué)和邏輯的手段得出推論——通過實(shí)驗(yàn)或思想實(shí)驗(yàn)對推論進(jìn)行檢驗(yàn)——對假設(shè)進(jìn)行修正和推廣等。他本人也認(rèn)識到這方法的價(jià)值，他在《兩門新科學(xué)》中寫道：“我們可以說，科學(xué)之門已第一次向一種已得到大量奇妙結(jié)果的新方法敞開，未來的若干年里，該方法會(huì)博得許多人的關(guān)注。 ”[9]

伽利略所開創(chuàng)的實(shí)驗(yàn)——數(shù)學(xué)（理性思維）方法是近代自然科學(xué)研究問題的一般程序和經(jīng)典方法，這個(gè)方法有力地推進(jìn)了人類科學(xué)活動(dòng)的進(jìn)展。在伽利略之前，實(shí)驗(yàn)的方法和數(shù)學(xué)的方法已經(jīng)分別在不同程度上被作為研究自然現(xiàn)象的兩種方法加以使用，但是把二者結(jié)合起來形成一種統(tǒng)一的近代的科學(xué)研究方法則是在伽利略手中成熟起來的。[10]在他的著作中，既援引了豐富的實(shí)驗(yàn)材料，又充滿了數(shù)學(xué)證明。他說過，大自然這本書是用數(shù)學(xué)的語言寫成的，它的符號就是三角形、圓和其它幾何圖形，沒有這些符號的幫助，我們簡直無法理解它的片言只語；沒有這些符號，我們只能在黑夜的迷宮中徒勞地摸索。[11]就是說，不懂得數(shù)學(xué)的語言，就不能揭示自然界的奧秘，只有數(shù)學(xué)證明的東西才是科學(xué)的、可靠的結(jié)論。數(shù)學(xué)證明是解開世界之謎的鑰匙，他對自然事件遵循幾何原理的奇妙方式，無不感到驚奇。有人反對說，數(shù)學(xué)證明是抽象的，不是必然地可應(yīng)用于物理世界；面對這一異議，伽利略偏愛的回答是：“繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步的幾何論證，最終我們能夠看到，對于一切不受偏見影響的心靈來說，這些論證將自己證明它們自己?！盵11]57

他特別重視對定量實(shí)驗(yàn)的研究，注重采用抽象的方法來彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件的限制，創(chuàng)造一些可以測量的條件，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中概括出數(shù)量關(guān)系式，從而把數(shù)學(xué)引進(jìn)了力學(xué)。正是對世界的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的自信，把他從對實(shí)驗(yàn)的那種必然的密切依賴中解放出來，他在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行理論的演繹或邏輯的推理，得出了超過實(shí)驗(yàn)本身的更好的、更為普遍的結(jié)論。他強(qiáng)調(diào)說，我們能夠從一些實(shí)驗(yàn)中引出某些超越了經(jīng)驗(yàn)的有效結(jié)論，因?yàn)椤巴ㄟ^發(fā)現(xiàn)一個(gè)單一事實(shí)的原因，我們所獲得的關(guān)于它的知識，便為心靈理解和確定其他事實(shí)提供了準(zhǔn)備，而勿需求助于實(shí)驗(yàn)?！痹谒麑伾潴w的研究中，他闡明了這個(gè)原則的意義：一旦我們知道它們的路徑是拋物線，通過純粹的數(shù)學(xué)，而勿需求助于實(shí)驗(yàn)，我們就能證明它們的最大射程是45度。[11]57他的每一項(xiàng)研究工作都是實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)學(xué)證明結(jié)合起來的典范。

伽利略開創(chuàng)了近代自然科學(xué)中經(jīng)驗(yàn)與理性相結(jié)合的傳統(tǒng)。這一結(jié)合，不僅對力學(xué)、對物理學(xué)而且對整個(gè)近代自然科學(xué)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，甚至某種程度上，近代自然科學(xué)就是基于實(shí)驗(yàn)——數(shù)學(xué)方法上建立起來的。對于伽利略的發(fā)現(xiàn)和在科學(xué)研究方法上所做出的重要貢獻(xiàn)，愛因斯坦和英費(fèi)爾德在《物理學(xué)的進(jìn)化》中評價(jià)說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。 ”[12]

4.伽利略的力學(xué)貢獻(xiàn)

關(guān)于伽利略對科學(xué)的貢獻(xiàn)，無疑他在天文學(xué)上的發(fā)現(xiàn)是卓越的，甚至給科學(xué)界以外的有識之士也留下了深刻印象。然而，從純科學(xué)的觀點(diǎn)來看，伽利略對力學(xué)的貢獻(xiàn)甚至更為重要，這些貢獻(xiàn)是具有劃時(shí)代意義的。拉格朗日在評價(jià)伽利略的貢獻(xiàn)時(shí)說過：“動(dòng)力學(xué)全然是由于近代人的工作才成為一門科學(xué)的，伽利略奠定了它的基礎(chǔ)。在伽利略以前，哲學(xué)家們只是在平衡狀態(tài)下考察作用在物體上的力，雖然他們也曾經(jīng)含糊地把落體運(yùn)動(dòng)和拋物體的曲線運(yùn)動(dòng)歸因于不變的力的作用，然而還沒有一個(gè)成功地確定這些現(xiàn)象的法則，伽利略邁出了重要一步，因而為推動(dòng)力學(xué)成為一門科學(xué)開辟了新的、無限廣闊的道路。 ”[10]30

在力學(xué)上，亞里士多德主要關(guān)注的是“終極原因”，所以主要借助于質(zhì)料、形式、目的、自然位置等模糊概念對運(yùn)動(dòng)作因果的和定性的描述，而且把運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)。如果根據(jù)“自然歸宿”說，必然會(huì)得出這樣的推論：某一物體返回其“天然位置”的速率，完全取決于組成物體的各元素所占的比列，同占優(yōu)勢地位的元素的數(shù)量成正比。在《論天》這部著作中，亞里士多德明確寫道：“一定的重量在一定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)一定的距離；一較重的重量在較短的時(shí)間內(nèi)走過同樣的距離，即時(shí)間同重量成反比。比如，如果一物體的重量為另一物體重量的二倍，則它走過一給定距離只需一半的時(shí)間。 ”[13]

伽利略十分重視對運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究，他反對把運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)的分類研究方法，如果是這樣的話，他認(rèn)為就是把運(yùn)動(dòng)的研究引入絕境。他提出了勻速運(yùn)動(dòng)和變速運(yùn)動(dòng)的新的分類方法，從而使運(yùn)動(dòng)理論的研究取得了重大進(jìn)展。對自由落體的研究是伽利略最富有創(chuàng)造性的成就，為了反駁亞里士多德的觀點(diǎn)，相傳伽利略曾經(jīng)在比薩斜塔上做過落體實(shí)驗(yàn)，這就是人們經(jīng)常講述的比薩斜塔的故事。這個(gè)故事最早出自伽利略的學(xué)生維維安尼在1654年出版的 《伽利略傳》一書，盡管現(xiàn)在很多科普書籍中都寫著這個(gè)比薩斜塔上的實(shí)驗(yàn)，但在科學(xué)史上它基本上沒有什么太大的意義，科學(xué)史家大多否認(rèn)這一傳說。早在伽利略之前荷蘭工程師斯蒂文就已經(jīng)從落體實(shí)驗(yàn)中否定了亞里士多德的理論，伽利略實(shí)際上是通過思想實(shí)驗(yàn)的方法，尖銳地指出亞里士多德自由落體觀念中的邏輯矛盾。伽利略的理想實(shí)驗(yàn)是這樣的，有兩個(gè)材質(zhì)相同的物體，一個(gè)重，一個(gè)輕，假定亞里士多德的學(xué)說是正確的，即物體的下落速度與重量成正比，重的物體的下落速度比輕的快，就可以設(shè)想出一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)：把兩個(gè)物體捆在一起下落，是快還是慢呢？用亞里士多德的觀點(diǎn)分析，必然會(huì)得出兩種自相矛盾的答案：一種是比原來慢了，因?yàn)檩p的東西下落慢，會(huì)拉著重的東西慢慢下落；另一種是比原來快了，因?yàn)槔υ谝黄鸬奈矬w更重了，因此會(huì)下落的更快，這就是著名的“落體佯謬”。伽利略正是以這個(gè)問題為突破口，揭示出亞里士多德落體理論的破綻和邏輯混亂，從根本上動(dòng)搖了亞里士多德的運(yùn)動(dòng)學(xué)。不用爬上高高的比薩斜塔，僅用思想實(shí)驗(yàn)就打敗了亞里士多德。那么，自由落體運(yùn)動(dòng)是否符合伽利略所提出的勻加速度的定義呢？他認(rèn)為應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)做出檢驗(yàn)，為了“減緩”下落運(yùn)動(dòng)得出準(zhǔn)確的測量結(jié)果，他設(shè)計(jì)了“沖淡重力”的實(shí)驗(yàn)，即大約在1609年伽利略進(jìn)行的科學(xué)史上那個(gè)著名的“斜面實(shí)驗(yàn)”。為了把斜面的結(jié)論推廣到豎直情況下的自由落體運(yùn)動(dòng)，伽利略提出了“等末速度假設(shè)”，并用單擺檢驗(yàn)了這個(gè)假設(shè)，從而得出了自由落體是勻加速運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。“等末速度假設(shè)”和“單擺擺球的等高性”實(shí)驗(yàn)，把伽利略引向另一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：伽利略關(guān)于慣性研究的“思想斜面”實(shí)驗(yàn)，得出了：物體在不受外力作用時(shí)，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的慣性定律的思想。這個(gè)結(jié)論打破了自亞里士多德以來一千多年間受力運(yùn)動(dòng)的物體當(dāng)外力停止作用時(shí)便歸于靜止的陳舊觀念。在《對話》中，伽利略用了一個(gè)十分精彩的“船艙”實(shí)驗(yàn)說明了“在相對做勻速直線運(yùn)動(dòng)的所有慣性系中，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相同的”著名的相對性原理，這個(gè)原理的發(fā)現(xiàn)非常重要，它是人類在科學(xué)認(rèn)識史上的一次重大飛躍，也是二十世紀(jì)愛因斯坦創(chuàng)立相對論的理論基礎(chǔ)?？傊?，在力學(xué)的研究上，伽利略確立了科學(xué)的自由落體定律、相對性原理，提出了慣性定律的思想等，為力學(xué)科學(xué)的發(fā)展做出了奠基性的貢獻(xiàn)，他是當(dāng)之無愧的力學(xué)科學(xué)的奠基人。

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