伽利略與望遠(yuǎn)鏡

◆解啟榮

(連云港師范高等?？茖W(xué)校)

現(xiàn)行高中教材和許多文獻(xiàn)中都有“伽利略發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡”這種說(shuō)法。但這種說(shuō)法是不確切的。伽利略本人從未以此自命。他不是第一個(gè)用望遠(yuǎn)鏡觀天的學(xué)者。實(shí)質(zhì)是他首先從原理上入手，鉆研望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)造，特別是設(shè)計(jì)制造了倍率在9以上的天文望遠(yuǎn)鏡。因此，更確切地說(shuō)他是望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)制作方法的發(fā)明人和天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明人。

一、發(fā)明望遠(yuǎn)鏡的社會(huì)背景和伽利略個(gè)人的研究條件

在伽利略研制第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的前一年，即1608年10月2日、13日和17日先后有三個(gè)荷蘭磨制鏡片工人Hans Lipperhey、Jacob Matius和Sacharias Janssen向政府部門(mén)申請(qǐng)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明專利權(quán)。這說(shuō)明伽利略確實(shí)不是望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明者。

四百年來(lái)，世界上有許多書(shū)上寫(xiě)著荷蘭磨鏡片工人利比喜發(fā)明望遠(yuǎn)鏡的傳說(shuō)，這是不確實(shí)的。利比喜只不過(guò)是首先向政府申請(qǐng)專利權(quán)的人，他在1608年制作了多架有軍用價(jià)值的望遠(yuǎn)鏡賣(mài)給荷蘭政府，并要求30年的專利權(quán)，但被專利管理部門(mén)拒絕了，理由是當(dāng)時(shí)已有其他不少人都會(huì)制作望遠(yuǎn)鏡了。真正發(fā)明望遠(yuǎn)鏡的人是誰(shuí)雖然至今還沒(méi)查明，但也無(wú)必要查明，因?yàn)橹灰R片齊備了，發(fā)明望遠(yuǎn)鏡的事遲早會(huì)有人偶然實(shí)現(xiàn)的，無(wú)需此人具有超群的智慧，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明并不是一件需要很高科技水平和智力的事。

西歐早在13世紀(jì)就出現(xiàn)磨制眼鏡片的手工業(yè)。到了16世紀(jì)前半期意大利的眼鏡片制造業(yè)已很發(fā)達(dá)，但當(dāng)時(shí)只流行遠(yuǎn)視眼鏡，而近視眼鏡尚無(wú)社會(huì)需要，所以在市場(chǎng)上凹透鏡片起先是罕見(jiàn)的，而度數(shù)淺焦距大的凸透鏡片由于磨制困難，也極其少見(jiàn)。直到16世紀(jì)晚期，矯正近視的凹鏡片才開(kāi)始在市場(chǎng)出現(xiàn)，這時(shí)在意大利有一位Gualterotti醫(yī)生在1588年和另一位Porta醫(yī)生在1589年先后發(fā)明用凸凹鏡片各一片夾在一起，用來(lái)作為無(wú)距離的組合調(diào)整夾架來(lái)矯正人們的近視和遠(yuǎn)視。到了1604年這種組合調(diào)整夾架和較高的凸凹鏡片磨制技術(shù)才由意大利人傳入荷蘭一帶。那時(shí)焦距大于20英寸的凸鏡片和焦距小于7英寸的凹鏡片的磨制技術(shù)己逐漸被不少磨制工人掌握，而將組合調(diào)整夾架里的凸凹鏡片拆開(kāi)，保持一點(diǎn)距離，對(duì)著凹鏡片觀察遠(yuǎn)方的活動(dòng)遲早會(huì)有人偶然作出的，這便是倍率為3以上的簡(jiǎn)單望遠(yuǎn)鏡的“發(fā)明”了。可見(jiàn)，只有這時(shí)的社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)才提供發(fā)明望遠(yuǎn)鏡的客觀條件。

伽利略是一位理論知識(shí)和生產(chǎn)技術(shù)知識(shí)都很豐富而又勤于動(dòng)手的實(shí)驗(yàn)物理大師。他在帕多亞的住宅內(nèi)早己開(kāi)辦一個(gè)儀器工廠，雇傭了一名熟練老技工，生產(chǎn)多種科學(xué)儀器出售。由此可見(jiàn)，他研制和成批生產(chǎn)望遠(yuǎn)鏡是有優(yōu)越條件的。他在不斷提高望遠(yuǎn)鏡的倍率和質(zhì)量的能力方面遠(yuǎn)非一般眼鏡商和手工作坊所及。例如，他發(fā)明了一套測(cè)量鏡片的球半徑的球徑儀，保證了他設(shè)計(jì)制作望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量需求。

二、伽利略研制望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)過(guò)和成就

伽利略在研制望遠(yuǎn)鏡全部過(guò)程中具體時(shí)間經(jīng)Stillman Drake考證后得出如下日期:

1609年7月19日，伽利略從帕多亞到威尼斯去訪友，聽(tīng)到了在荷蘭有人發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡的傳說(shuō)。

7月26日，伽利略再次到威尼斯訪問(wèn)了威尼斯國(guó)的科學(xué)顧問(wèn)Paolo Sarpi，看到了許多關(guān)于望遠(yuǎn)鏡的外表敘述的信件。

8月3日，伽利略回到帕多亞，他從光線通過(guò)凸凹透鏡的折射原理思索，當(dāng)晚就把問(wèn)題想通了。

8月4日就制成第一架倍率為3的粗糙望遠(yuǎn)鏡。

他并不滿足第一架倍率為3的望遠(yuǎn)鏡，他必須設(shè)計(jì)出超過(guò)荷蘭人的望遠(yuǎn)鏡，這關(guān)系到他個(gè)人的學(xué)術(shù)聲望、社會(huì)地位和經(jīng)濟(jì)收入的提高以及個(gè)人科研條件的改善，他加緊研制，終于在8月20曰研制成了倍率為9的一架望遠(yuǎn)鏡。

8月21日，伽利略在威尼斯的圣·瑪克廣場(chǎng)最高塔樓頂層，將望遠(yuǎn)鏡對(duì)威尼斯國(guó)政府官員和聞名的紳士們展出，讓他們都以驚奇喜悅的心情觀察海上和陸上遠(yuǎn)處的景物。

8月24～25日，伽利略又給政府檢察官和參議員們展覽了望遠(yuǎn)鏡，最后趁閣員們開(kāi)會(huì)時(shí)贈(zèng)送一架給共和國(guó)政府，檢察官兼帕多亞大學(xué)校長(zhǎng)普銳烏里代表政府接受了這項(xiàng)贈(zèng)品，次日召開(kāi)了校辦公會(huì)議，決定重新聘他為終身教授，年薪從510元銀幣提升為1000元。

1609年11月末，他宣布制成了一臺(tái)倍率為20的望遠(yuǎn)鏡，用來(lái)觀察月球表面和木衛(wèi)星。

1610年3月12日，他在威尼斯正式出版了拉丁文本的《星空信使》前幾天，己制成了書(shū)中所述的倍率為30的望遠(yuǎn)鏡了。

1610年8月，他在寫(xiě)給開(kāi)普勒的一封信中說(shuō)他己將望遠(yuǎn)鏡的倍率提高到32了。據(jù)《大英百科全書(shū)》所載，伽利略望遠(yuǎn)鏡的最后紀(jì)錄是口經(jīng)4．4厘米倍率達(dá)到33。

發(fā)明望遠(yuǎn)鏡是偶然的，伽利略自認(rèn)為和發(fā)明望遠(yuǎn)鏡的那些鏡片工人不同，他不是靠偶然成功的，而是靠理性思維得到的。那么，他是怎樣進(jìn)行理性思維的呢?他在1623年出版的一本著作《試驗(yàn)者》中的自述是:“我的思路是這樣:這種望遠(yuǎn)鏡無(wú)非要用一兩只鏡片，我想不會(huì)只用一只的，因?yàn)殓R片就形狀而言或者是中央比邊緣厚的凸鏡片，或者是中央比邊緣薄的凹鏡片，或者是兩面平行的平片，而平片是不能改變物像的，既不能放大，也不能縮小，凹鏡片是有縮小作用的，而凸鏡片雖有放大作用，但放出來(lái)的物像模糊不清，這樣，就不能采用單鏡片，而只能采用雙鏡片了，既然平片不能改變物像，我想不論它和凹鏡片還是凸鏡片組合都是不會(huì)起作用的。因此，我就想到只能采用將凸鏡片與凹鏡片相組合的辦法了，你從這里就可以見(jiàn)到我是怎樣在探索的了，而這便是我發(fā)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與制作方法的步驟，在我心中根本沒(méi)有想到一定會(huì)成功的。”伽利略開(kāi)創(chuàng)了一套望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與成批生產(chǎn)方法，把望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量和倍率在兩三年內(nèi)就提到一個(gè)高水平，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)他是天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明人，他所創(chuàng)制的高倍率望遠(yuǎn)鏡在17世紀(jì)的天文發(fā)現(xiàn)上起了巨大的作用。在《星空信使》一書(shū)中敘述了望遠(yuǎn)鏡倍率的測(cè)定方法也是一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的成果。

伽利略型望遠(yuǎn)鏡在科學(xué)發(fā)展史上的貢獻(xiàn)和影響是重大的，《大英百科全書(shū)》15版(1980年)給出這樣的評(píng)價(jià):“伽利略的望遠(yuǎn)鏡不但大大促進(jìn)了科學(xué)知識(shí)的進(jìn)步，還因其推翻了傳統(tǒng)的地球中心觀念而在哲學(xué)上和宗教上激起了巨大的浪濤?！?/p>

三、伽利略利用望遠(yuǎn)鏡取得了觀天的新成果

1610年1月7日的晚上，天空中只出現(xiàn)了木星和土星兩顆亮星。土星位置太低了，在日落后一個(gè)半小時(shí)就達(dá)到地平線上幾度的位置，幾乎不可見(jiàn)了，唯有木星高懸于東方的天空，當(dāng)伽利略用剛剛制成的倍率為30的新望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)木星時(shí)，就見(jiàn)到有三顆小星在木星的近旁，第二天夜晚又看到那三顆星了，到了第三天晚上有云未能觀察。10日晚上見(jiàn)到那三顆小星和木星的相對(duì)位置顯然變動(dòng)了。11日晚上等候長(zhǎng)久見(jiàn)不到的三顆小星又出現(xiàn)了?？磥?lái)像是另外三顆了，再過(guò)兩個(gè)晚上，一切都變了，出現(xiàn)了第四顆小星。

伽利略一直擔(dān)心別人搶去他的首先發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)星的名聲及其命名權(quán)。他在寫(xiě)《星空信使》時(shí)就己經(jīng)認(rèn)識(shí)到他還不能把木衛(wèi)星當(dāng)作他個(gè)人專有的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗麤](méi)有測(cè)出每一顆木衛(wèi)星的準(zhǔn)確周期，如果被別人搶先測(cè)出，他就不光彩了。于是他到佛羅倫薩之后不久便繼續(xù)觀測(cè)，他總是以競(jìng)爭(zhēng)的思想狀態(tài)努力觀測(cè)的。他的朋友Cigoli告訴他說(shuō)，他的一位敵對(duì)學(xué)者那布勒斯的Magini己經(jīng)說(shuō)過(guò)了，發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)星沒(méi)啥了不起，測(cè)出它們的周期的人才會(huì)受人稱贊呢。在這一年，開(kāi)普勒宣稱這是一項(xiàng)不可能做得好的工作，同時(shí)這一觀點(diǎn)也得到許多人附和。因此，測(cè)出木衛(wèi)星周期的榮譽(yù)就大大抬高了。這個(gè)課題還有一個(gè)很大的實(shí)用價(jià)值，就是如果每顆木衛(wèi)星的位置測(cè)得足夠精確，能作出每時(shí)每刻各顆木衛(wèi)星的位置表來(lái)，就可給航海員用來(lái)測(cè)算航船所在地點(diǎn)的經(jīng)度了。他更加努力，在每個(gè)睛朗的夜晚都離不開(kāi)用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)木衛(wèi)星的精確位置，到1612年他己經(jīng)精確地測(cè)出四顆木衛(wèi)一星的精確周期，精度都高于0．1%。他一時(shí)沒(méi)機(jī)會(huì)發(fā)表這些數(shù)據(jù)，竟匆匆忙忙地寫(xiě)在與木衛(wèi)星毫不相干的《關(guān)于水中浮沉體性質(zhì)的對(duì)話》一書(shū)正文前兩頁(yè)上，而他對(duì)木衛(wèi)星的勤奮觀測(cè)一直堅(jiān)持到1619年。伽利略在開(kāi)始用望遠(yuǎn)鏡觀察星空時(shí)，尚未想到為證實(shí)哥白尼學(xué)說(shuō)而作系統(tǒng)觀測(cè)的安排。金星的相變對(duì)哥白尼的日心說(shuō)是很能說(shuō)明問(wèn)題的，在望遠(yuǎn)鏡里金星的形狀與大小的變化正符合哥白尼的日心說(shuō)，而與托勒密的地心說(shuō)不相容，這是最直接有力的證據(jù)。然而，伽利略忽視了這個(gè)問(wèn)題的研究，他太專注木衛(wèi)星的觀察了。

在1610年9月以前，伽利略對(duì)哥白尼的日心說(shuō)雖己有些基本認(rèn)識(shí)，但那時(shí)他還不像布魯諾那樣對(duì)哥白尼學(xué)說(shuō)的堅(jiān)信，成為熱心的支持者和捍衛(wèi)者，所以他對(duì)于利用望遠(yuǎn)鏡觀天以尋找日心學(xué)說(shuō)的決定性證據(jù)尚無(wú)思想準(zhǔn)備。那一年8月在帕多亞每天清晨，金星都高掛在他的住宅的西方上空，要觀看金星是很容易的，但他棄之不顧。

1610年12月11日，他收到了過(guò)去的學(xué)生卡斯太里從布里西亞寄來(lái)的一封信，建議他抓緊觀測(cè)金星，信中寫(xiě)道:“如果哥白尼的主張確實(shí)不錯(cuò)，正如我所相信的那樣，金星繞日運(yùn)動(dòng)的，那么我們就一定會(huì)看到它的盈缺了，即使它和太陽(yáng)的相對(duì)位置維持不變也會(huì)這樣的……現(xiàn)在我就想從您這里得到您憑著那神奇的望遠(yuǎn)鏡所看到金星盈缺的消息，這樣做無(wú)疑會(huì)說(shuō)服那些最頑固的人的?！?/p>

伽利略接讀此信后，便從12月中旬開(kāi)始直到月末的兩周半時(shí)間內(nèi)，抓緊了對(duì)金星相變的認(rèn)真觀察，看到金星不但有和月亮一樣地由凸月到峨眉月的形狀上的逐漸變化，而且外圓半經(jīng)也逐漸變大，而外表變得光滑些。回憶他在當(dāng)年年初偶然觀察過(guò)一下金星，那時(shí)恰好是滿圓的，接近上合位置，半徑就小得多了，結(jié)合現(xiàn)在的觀察情況一起考慮，這正好與哥白尼的日心說(shuō)完全符合，而與托勒密的地心體系說(shuō)極不相容。因此，這是哥白尼學(xué)說(shuō)最有力的證據(jù)。

四、結(jié)語(yǔ)

伽利略創(chuàng)造了高倍率簡(jiǎn)單望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)制造方法，為早期天文望遠(yuǎn)鏡的迅速發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。他用這種望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了許多主要的天文學(xué)上的基本現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是幾千年以來(lái)人類(lèi)單憑肉眼所不能察知的，這些新知識(shí)為科學(xué)界和思想界開(kāi)拓了新天地，他是天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明人和第一個(gè)用望遠(yuǎn)鏡觀天取得巨大成果的人。

［1］《物理》必修(2)．人民教育出版社．

［2］Albert Van Helden．The Historica1 Problem of the InVention of the Telescope．History of Science，1975，(13):251-263．

［3］StillmanDrake．Galileo Gleanings V1:Galileo＇s First Telescope at Padua and Venice．ISIS，1959，(50):251．

［4］Galileo Galilei．Discourse on Bodies in water．Thomas Salusburg，1960．

［5］Richard S．Westfall．Scientific Patronage:Galileo and the Telescope．ISIS，1985．