伽利略的科技成果

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-11-01

可以这样说,伽利略在天文学上取得的巨大成功与天文望远镜的发明是分不开的。

从1609年开始,他就在佛罗伦萨利用自制的天文望远镜对月亮、银河、木星、土星和金星等天体进行观测和研究,获得了一系列的重大发现,在17世纪的欧洲引起了巨大的轰动。

首先,他对月亮进行观察,根据自己的观察写道: “我确信,月亮的表面并不像大多数哲学家所想的那样,是完全光滑、没有高低不平、完美的球体……月亮上的坑坑洼洼……之大,似乎在大小和规模上都超过了地球表面的崎岖不平。”他还发现月球的表面布满了斑点,上面有高山和暗色的区域,他称之为“月海”(尽管我们现在知道月球上实际不存在水,但这个名称仍在用。

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后来,他又转而观察木星,他发现木星一共有四颗未知的星体伴随,他称之为“新星”,这些“新星”很小,肉眼看不到,这是人类第一次凭借仪器看到它们。木星的伴随星体的发现极大地冲击了托勒密的“地心说”,随后金星的特点更加支持了哥白尼(Mikolaj Kopernik,1473—1543)的观念。伽利略发现金星和月亮一样,有盈亏过程,由此得出结论,金星和月亮一样,不会自己发光,而是反射太阳光。伽利略还对海王星、银河系与恒星进行观察,定位了许多肉眼看不见的恒星。

1610年,伽利略把他的科学发现发表在《星际使者》(也有说法为《星空信使》)上,这为他赢得了巨大的名声,后来他还观察到太阳有黑子,发表《关于太阳黑子的通信》一书,从此,世界知道了这颗欧洲科学界的巨星。1632年他出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》,对各种观点进行了系统的分析。

伽利略在天文学上的发现有力地支持了哥白尼的“日心说”,他逐步揭开了浩瀚宇宙的层层面纱。他不仅在天文学方面做出了巨大贡献,在力学、物理学等方面也功绩卓著。

在物理学上,伽利略最为著名的发现就是他对亚里士多德自由落体理论的驳斥。亚里士多德曾经断言,物体从高空下落的运动“快慢与质量成正比”,就是说重的要比轻的下落得快些。他用我们生活中常见的现象,如羽毛和石头同时下落,石头下落得快来支持自己的观念。这个错误的论断一直持续了1800年,直到伽利略才得到纠正。伽利略用一个简单的推理来进行反驳,主要用到了演绎方法和归谬法(反证法)。他假设A与B两个物体,A比B重得多,按照亚里士多德的说法A应比B先落地。现在他假设把A与B捆绑在一起成为一个物体A+B,一方面A+B比A重,应该比A先落地;另一方面,由于A比B落得快,B应该会减慢A的下落速度,所以A+B又应该比A后落地。按照亚里士多德的观点进行分析,却得到了自相矛盾的结论。于是伽利略判定亚里士多德论断是错误的。他运用理想化的方法做出假设,认为在真空中(当时的水平还制造不出真空环境),轻重物体应当同时落地。

传说,伽利略为了证明他自己的观点,亲自做了一个实验,这就是著名的“比萨斜塔实验”。伽利略在比萨斜塔上扔下了两个同种材质、不同质量的球,以证明物体下落时长与它们的质量无关。1800年以来,人们一直把这个违背自然规律的学说当成不可怀疑的真理,其他的一切都是谬论。伽利略决定在比萨斜塔决定亲自动手做一次实验,用事实来说话。这一天,他带了两个大小一样、材质相同,但重量不等的铁球,一个重10磅(约4.5kg),是实心的;另一个重1磅(约0.45kg),是空心的。伽利略站在比萨斜塔上面,望着塔下。塔下面站满了前来观看的人,大家议论纷纷,似乎是在看这个“疯子”的笑话。实验开始了,伽利略两手各拿一个铁球,大声喊道: “下面的人们,你们看清楚,铁球就要落下去了。”说完,他把两手同时张开。人们看到,两个铁球平行下落,几乎同时落到了地面上。所有的人都目瞪口呆了。伽利略则笑着离开了现场,他用实际行动证明了究竟什么才是谬论。但是,有的版本也说,实际上,比拉斜塔实验并不是伽利略做的,而是他的学生为了表示对老师的尊敬和敬重才把这个实验归功于伽利略。但不管怎么样,伽利略的实验精神是毋庸置疑的。

伽利略为了更进一步研究自由落体实验,还做了“斜面实验”。他在长约8m的木板上,刻着一条光滑的槽,并放置成一斜面,斜面的夹角可以随意调控。他使重量不同的小球在同一高度沿斜面同时滚下。伽利略惊奇地发现,重量不同的球在相同的斜面上滚动的速度是相同的,当他将斜面夹角增大时,虽然小球滚动的速度增大,但是在相同的时间内落下的垂直距离与斜面角度较小时是一样的。他发现当斜面夹角为90°时,小球的滚动就成了自由下落。于是他得出结论: 物体自由下落的速度同其重量无关。伽利略在斜面实验的基础上,利用数学的方法,确定了路程与时间的数量关系为路程与时间的平方成正比。伽利略证明沿斜面下滑的物体正在做匀加速运动,从而也证明了自由落体运动是匀加速直线运动。他还发现: 当把两个斜面连接,如果中间凹槽光滑,在一定高度落下的小球会到达另一侧凹槽的同等高度再次落下,由此伽利略发现了惯性定理,驳斥了亚里士多德关于力是维持物体运动的观点。

在发现惯性定律的基础上,伽利略提出了相对性原理: 力学规律在所有惯性坐标系中是等价的。力学过程对于静止的惯性系和运动的惯性系是完全相同的。伽利略在描述他的相对性原理时,在《对话》中用了如下一段经典话语: “……使船以任何速度前进,主要运动是匀速的,也不忽左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫没有变化,你也无法从其中任何一个现象来确定,船是运动还是停着不动,即使船运动得相当快,在跳跃时,你将和以前一样,在船底板上跳过相同的距离,你跳向船尾也不会比跳向船头来得远,虽然你跳到空中时,脚下的船底板向着你跳的相反方向移动……鱼在水中游向水碗前部所用的力,不比游向水碗后部来得大;它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵……所有这些一致的现象,其原因在于船的运动是船上一切事物所共有的,也是空气所共有的。”这段话用现在的术语来概括,可表述为: 一个对于惯性系做匀速直线运动的其他参考系,其内部所发生的一切物理过程都不受系统作为整体的匀速直线运动的影响。或者说,不可能在惯性系内部进行任何物理实验来确定该系统做匀速直线运动的速度。相对性原理是伽利略为了答复地心说对哥白尼体系的责难而提出的。这个原理的意义远不止此,它第一次提出惯性参照系的概念,这一原理被爱因斯坦称为伽利略相对性原理,是狭义相对论的先导。

伽利略除了在天文学、物理学、力学方面的贡献外,在其他很多方面也取得了突出的成果。在技术方面,他除了制造出世界上第一台天文望远镜外,还制造出了世界上第一个温度表。他根据热胀冷缩的原理,经过多次改进,在1593年终于制成温度表。其做法是: 把一根很细的试管装上水,排出管内的空气,然后把试管封住,并在试管上刻上刻度,以便从水上升的刻度上知道人的体温。此外,他还发明了地理军事两用圆规,为炮兵和勘探员提供方便;发明了摆针,用来测量时间。伽利略还推演出45°射角的最大射程,并进行了实验。在哲学上,他反对唯心主义,反对盲目迷信,主张用具体的实验来认识自然规律。

摘自《科技史与方法论》清华出版社授权登载

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