科學家成長故事

第二十三章 科學革命的先驅伽利略

　　伽利略是偉大的意大利物理學家和天文學家，科學革命的先驅。曆史上他首先在科學實驗的基礎上融會貫通了數學、物理學和天文學三門知識，擴大、加深並改變了人類對物質運動和宇宙的認識。為了證實和傳播N。哥白尼的日心說，伽利略獻出了畢生精力。由此，他晚年受到教會迫害，並被終身監禁。他以係統的實驗和觀察推翻了以亞裏士多德為代表的、純屬思辨的傳統的自然觀，開創了以實驗事實為根據並具有嚴密邏輯體係的近代科學。因此，他被稱為“近代科學之父”。他的工作，為牛頓的理論體係的建立奠定了基礎。

　　伽利略1564年2月15日生於比薩，父親芬琴齊奧·伽利萊精通音樂理論和聲學，著有《音樂對話》一書。1574年全家遷往佛羅倫薩。伽利略自幼受父親的影響，對音樂、詩歌、繪畫以及機械興趣極濃；也像他父親一樣，不迷信權威。

　　1581年，伽利略17歲時，考入了比薩大學，比薩是伽利略出生的地方。他的父親堅持要他學醫，因為醫學在16世紀的意大利被認為是大學生通往成功和最終致富這條路的最有效的第一步。

　　按照父親的意願，伽利略當了醫科學生。比薩大學是所古老的大學，學校圖書館藏書豐富，這很合伽利略的心意，但是伽利略對醫學並沒有多大興趣，他很少上課，一上課就對教授們教課的內容提出這樣那樣的疑問，使教授們難於回答，在教授們的眼裏，伽利略是個很不招人喜歡的壞學生。不過，伽利略隻是興趣不在醫學，他孜孜不倦地學習數學、物理學等自然科學，並且以懷疑的眼光看待那些自古以來被人們奉為經典的學說。

　　要知道，伽利略生活的時代，正是歐洲曆史上著名的文藝複興時代，而意大利又是文藝複興的發源地。當時，意大利的許多大城市，如佛羅倫薩、熱那亞和威尼斯，發展成東西方貿易的中心，建起了商號、手工作坊和最早的銀行，出現了資本主義生產關係的萌芽。加上貿易往來的發達，印刷術的發明，新思想的傳播比以往任何時候都更加迅速。於是，人們對千百年來束縛思想的宗教神學和傳統教條開始產生了動搖。

　　一個偶然的機會，伽利略聽了宮廷數學家瑪竇·利奇的講課。這位青年數學家淵博的學識，嚴密的邏輯性，特別是他在證明數學難題時的求證方法，使伽利略深深著迷。他眼睛亮了，仿佛發現了一個神奇無比的世界，這就是他夢寐以求的數學王國！他興奮極了，立即找到宮廷數學家瑪竇·利奇，向他提出了許多百思不得其解的問題。

　　瑪竇·利奇原是跟隨托斯坎尼大公爵從佛羅倫薩來到比薩的，他給宮廷裏的侍童講數學，沒有想到會有一個熱心的聽眾，而且他提出的問題非常有趣，充分顯示出超群的智慧和深厚的學識功底。

　　當瑪竇·利奇聽說伽利略是比薩大學醫科學生時，不禁脫口而出：“啊，伽利略，你有天才，你會成為一個傑出的數學家的。”

　　伽利略的臉紅了，他談到自己對醫學的厭倦，談到父親對他的期望，也傾訴了自己因為不能按照自己的意願學習的苦惱。

　　“別泄氣。”瑪竇·利奇和藹地說：“你努力自學吧，有什麽困難，任何時候我都是你忠誠的朋友。”

　　聽了瑪竇·利奇的鼓勵，伽利略越發刻苦鑽研數學和物理學，他把從宮廷數學家那裏借來的每一本書，都用心地閱讀，像海綿吸水一樣地吸收下來。但是，他並不是那種迷信書本的人，那些人們認為是真理的權威結論，在伽利略的腦子裏常常帶來意想不到的疑問，他常常為此而感到苦惱，陷入深深的思索之中。

　　有一次，伽利略信步來到他熟悉的比薩大教堂，他坐在一張長凳上，目光凝視著那雕刻精美的祭壇和拱形的廊柱，驀地，教堂大廳中央的巨燈晃動起來，是修理房屋的工人在那裏安裝吊燈。

　　這本來是件很平常的事，吊燈像鍾擺一樣晃動，在空中劃出看不見的圓弧。可是，伽利略卻像觸了電一樣，目不轉睛地跟蹤著擺動的吊燈，同時，他用右手按著左腕的脈，計算著吊燈擺動一次脈搏跳動的次數，以此計算吊燈擺動的時間。

　　這樣計算的結果，伽利略發現了一個秘密，這就是吊燈擺一次的時間，不管圓弧大小，總是一樣的。一開始，吊燈擺得很厲害，漸漸地，它慢了下來，可是，每擺動一次，脈搏跳動的次數是一樣的。

　　伽利略的腦子裏翻騰開了，他想，書本上明明寫著這樣的結論，擺經過一個短弧要比經過長弧快些，這是古希臘哲學家亞裏斯多德的說法，誰也沒有懷疑過。難道是自己的眼睛出了毛病，還是怎麽回事。

　　他像發了狂似的跑回大學宿舍，關起門來重複做這個試驗。他找了不同長度的繩子、鐵鏈，還有不知從哪裏搞到的鐵球、木球。在房頂上，在窗外的樹枝上，著迷地一次又一次重複，用沙漏記下擺動的時間。最後，伽利略不得不大膽地得出這樣的結論：亞裏斯多德的結論是錯誤的，決定擺動周期的，是繩子的長度，和它末端的物體重量沒有關係。而且，相同長度的擺繩，振動的周期是一樣的。這，就是伽利略發現的擺的運動規律。

　　伽利略不用說多麽高興了。可是在當時，有誰會相信一個醫科大學生的科學發現，何況他的結論是否定了大名鼎鼎的亞裏斯多德的權威說法。

　　伽利略灰心極了，他離開了比薩大學回到佛羅倫薩。但是他選擇的道路卻是不可動搖的。

　　還在比薩大學就讀時，伽利略因為看不慣哲學家們對科學的態度，無論在與人爭辯中，還是私下討論中，都直言不諱地表示出自己的這種觀點。在很多時候，他會變得十分激動，提高嗓門、大聲地與他的同行和演講者進行辯論。

　　伽利略確實生性有點兒淘氣，但是從根本上來說他是一個懂禮貌、遵守紀律的學生。他很受一些同學的喜愛，並因他的機智和熱情而博得了很好的名聲。然而，在數學和物理的問題上，他一點不怕把自己的觀點清楚地亮出來。事實是伽利略在大學裏辯論得太多了，以致獲得了“辯論者”的雅號。

　　他爭辯的焦點主要在於：光靠像希臘人那樣坐在那裏冥思苦想，是不能推動科學的進步的。亞裏士多德在他的一生中沒有進行過一次實驗。他隻是簡單地靠運用邏輯的方法來得出結論。而伽利略辯駁說，光靠那樣是不夠的。亞裏士多德的整個哲學體係是相互連接的，一個原理引出另一個原理，一個觀點支撐著另一個觀點。假如他的哲學體係中有某個部分錯了，那就等於宣布他的所有哲學內容都有問題了。

　　伽利略處理問題的方式和亞裏士多德正好相反。在比薩大學，他堅持認為，科學隻能建立在實驗的基礎上。一個想法一開始是可以建立在靈感的基礎上，但它隻有靠實驗來證明並被接受——這是一個在今天被認為理所當然的觀點。

　　伽利略在大學裏的大部分同事都不讚成他的觀點。伽利略了解教會的態度，他非常聰明地把他的觀點僅僅當作許多建議之一提出來爭論，不讓人們更注意到他的那些反亞裏士多德的思想。這至少是伽利略在公開場合中所采用的方式……

　　1586年，他發明了浮力天平，並寫出論文《小天平》。

　　1587年他帶著關於固體重心計算法的論文到羅馬大學學求見著名數學家和曆法家C。克拉維烏斯教授，大受稱讚和鼓勵。克拉維烏斯回贈他羅馬大學教授P。瓦拉的邏輯學講義與自然哲學講義，這對於他以後的工作大有幫助。

　　1588年他在佛羅倫薩研究院做了關於A。但丁《神曲》中煉獄圖形構想的學術演講，其文學與數學才華大受人們讚揚。次年發表了關於幾種固體重心計算法的論文，其中包括若幹靜力學新定理。由於有這些成就，當年比薩大學便聘請他任教，講授幾何學與天文學。第二年他發現了擺線。當時比薩大學教材均為亞裏士多德學派的學者所撰，書中充斥著神學與形而上學的教條。伽利略經常發表辛辣的反對意見，由此受到校內該學派的歧視和排擠。

　　1591年其父病逝，家庭負擔加重，他便決定離開比薩。帕多瓦時期1592年伽利略轉到帕多瓦大學任教。帕多瓦屬於威尼斯公國，遠離羅馬，不受教廷直接控製，學術思想比較自由。在此良好氣氛中，他經常參加校內外各種學術文化活動，與具有各種思想觀點的同事論辯。此時他一麵吸取前輩如N。F。塔爾塔利亞、G。B。貝內代蒂、F。科門迪諾等人的數學與力學研究成果，一麵經常考察工廠、作坊、礦井和各項軍用民用工程，廣泛結交各行業的技術員工，幫他們解決技術難題，從中吸取生產技術知識和各種新經驗，並得到啟發。

　　在此時期，他深入而係統地研究了落體運動、拋射體運動、靜力學、水力學以及一些土木建築和軍事建築等；發現了慣性原理，研製了溫度計和望遠鏡。

　　1597年，他收到J。開普勒贈閱的《神秘的宇宙》一書，開始相信日心說，承認地球有公轉和自轉兩種運動。但這時他對柏拉圖的圓運動最自然最完善的思想印象太深，以致對開普勒的行星橢圓軌道理論不感興趣。1604年天空出現超新星，亮光持續18個月之久。他便趁機在威尼斯作幾次科普演講，宣傳哥白尼學說。由於講得精采動聽，聽眾逐次增多，最後達千餘人。

　　1609年7月，盛傳一荷蘭眼鏡工人發明了供人玩賞的望遠鏡。他未見到實物，思考竟日後，用風琴管和凸凹透鏡各一片製成一具望遠鏡，倍率為3，後又提高到9.他邀請威尼斯參議員到塔樓頂層用望遠鏡觀看遠景，觀者無不驚喜萬分。參議院隨後決定他為帕多瓦大學的終身教授。1610年初，他又將望遠鏡放大率提高到33，用來觀察日月星辰，新發現甚多，如月球表麵高低不平，月球與其他行星所發的光都是太陽的反射光，水星有4顆衛星，銀河原是無數發光體的總匯，土星有多變的橢圓外形等等，開辟了天文學的新天地。是年3月，出版了他的《星空信使》一書，震撼全歐。隨後又發現金星盈虧與大小變化，這對日心說是一強有力的支持。伽利略日後回顧在帕多瓦的18年時，認為這是他一生中工作最開展、精神最舒暢的時期。事實上，這也是他一生中學術成就最多的時期。

　　托斯卡納時期20年來伽利略在物理學和天文學研究上的豐碩成果，激起了他學術上的更大企求。為了取得充裕時間致力於科學研究，1610年春，他辭去大學教職，接受托斯卡納公國大公聘請，擔任宮廷首席數學家和哲學家的閑職與比薩大學首席數學教授的榮譽職位。

　　為了使科學免受教會幹預，伽利略曾多次去羅馬活動。1611年他第二次去羅馬，目的在於贏得宗教、政治與學術界認可他在天文學上的發現。他在羅馬受到包括教皇保羅五世和若幹高級主教在內的上層人物的熱情接待，並被林賽研究院接納為院士。當時耶穌會的神父們承認他的觀測事實，隻是不同意他的解釋。這年5月，在羅馬大學的大會上，幾個高職位的神父公開宣布了伽利略的天文學成就。

　　同年，他觀察到太陽黑子及其運動，對比黑子的運動規律和圓運動的投影原理，論證了太陽黑子是在太陽表麵上；他還發現了太陽有自轉。1613年他發表了3篇討論太陽黑子問題的通信稿。另外，1612年他又出版了《水中浮體對話集》一書。

　　1615年，一詭詐的教士集團和教會中許多與伽利略敵對的人聯合攻擊伽利略為哥白尼學說辯護的論點，控告他違反基督教義。他聞訊後，於是年冬第三次去羅馬，力圖挽回自己的聲譽，企求教廷不因自己保持哥白尼觀點而受到懲處，也不公開壓製他宣傳哥白尼學說，教廷默認了前一要求，但拒絕了後者。教皇保羅五世在1616年下達了著名的“1616年禁令”，禁止他以口頭的或文字的形式保持、傳授或捍衛日心說。

　　1624年，他第四次去羅馬，希望故友新任教皇烏爾邦八世能夠同情並理解他的意願，以維護新興科學的生機。他先後謁見6次，力圖說明日心說可以與基督教教義相協調，說“聖經是教人如何進天國，而不是教人知道天體是如何運轉的”；並且試圖以此說服一些大主教，但毫無效果。烏爾邦八世堅持“1616年禁令”不變；隻允許他寫一部同時介紹日心說和地心說的書，但對兩種學說的態度不得有所偏倚，而且都要寫成數學假設性的。在這辛勤奔波的一年裏，他研製成了一台顯微鏡，“可將蒼蠅放大成母雞一般。”

　　此後6年間，他撰寫了《關於托勒密和哥白尼兩大世界體係對話》一書，1630年他第5次到羅馬，取得了此書的“出版許可證”。此書終於在1632年出版了。此書在表麵上保持中立，但實際上卻為哥白尼體係辯護，並多處對教皇和主教隱含嘲諷，遠遠超出了僅以數學假設進行討論的範圍。全書筆調詼諧，在意大利文學史上列為文學名著。

　　教廷的迫害和晚年生活

　　《對話》出版後6個月，羅馬教廷便勒令停止出售，認為作者公然違背“1616年禁令”，問題嚴重，亟待審查。原來有人在教皇烏爾邦八世麵前挑撥說伽利略在《對話》中，借頭腦簡單、思想守舊的辛普利邱之口以教皇慣用辭句，發表了一些可笑的錯誤言論，使他大為震怒。曾支持他當上教皇的集團激烈地主張要嚴懲伽利略，而神聖羅馬帝國和西班牙王國認為如縱容伽利略會對各國國內的異端思想產生重大影響，提出聯合警告。在這些內外壓力和挑撥下，教皇便不顧舊交，於這年秋發出了伽利略到羅馬宗教裁判所受審的指令。

　　年近七旬而又體弱多病的伽利略被迫在寒冬季節抱病前往羅馬，在嚴刑威脅下被審訊了三次，根本不容申辯。幾經折磨，終於在1633年6月22日在聖瑪麗亞修女院的大廳上由10名樞機主教聯席宣判，主要罪名是違背“1616年禁令”和聖經教義。伽利略被迫跪在冰冷的石板地上，在教廷已寫好的“悔過書”上簽字。主審官宣布：判處伽利略終身監禁；《對話》必須焚絕，並且禁止出版或重印他的其他著作。此判決書立即通報整個天主教世界，凡是設有大學的城市均須聚眾宣讀，借此以一儆百。

　　伽利略既是勤奮的科學家，又是虔誠的天主教徒，深信科學家的任務是探索自然規律，而教會的職能是管理人們的靈魂，不應互相侵犯。所以他受審之前不想逃脫，受審之時也不公開反抗，而是始終服從教廷的處置。他認為教廷在神學範圍之外行使權力極不明智，但隻能私下有所不滿。顯然，G。布魯諾的被處火刑和T。康帕內拉的被長期打入死牢，這兩位意大利傑出的哲學家的遭遇，給他精神上投下了可怕的陰影。宗教裁判所的判決隨後又改為在家軟禁，指定由他的學生和故友A。皮柯羅米尼大主教在錫耶納的私宅中看管他，規定禁止會客，每天書寫材料均需上繳等。在皮柯羅米尼的精心護理和鼓勵下，伽利略重行振作起來，接受皮柯羅米尼的建議繼續研究無爭議的物理學問題。於是他仍用《對話》中的三個對話人物，以對話體裁，和較樸素的文筆，將他最成熟的科學思想和科研成果撰寫成《關於兩門新科學的對話與數學證明對話集》。兩門新科學是指材料力學（見彈性力學）和動力學。這部書稿1636年就已完成，由於教會禁止出版他的任何著作，他隻好托一位威尼斯友人秘密攜出國境，1638年在荷蘭萊頓出版。

　　伽利略在皮柯羅米尼家中剛過了5個月，便有人寫匿名信向教廷控告皮柯羅米尼厚待伽利略。教廷乃勒令伽利略於當年12月遷往佛羅倫薩附近的阿切特裏他自已的故居，由他的大女兒維姬尼亞照料，禁例依舊。她對父親照料妥貼，但4個月後竟先於父親病故。

　　伽利略多次要求外出治病，均未獲準。1637年雙目失明。次年才獲準住在其子家中。在這期間探望他的除托斯卡納大公外，還有英國著名詩人、政論家J。彌爾頓和法國科學家、哲學家P。伽桑迪。他的學生和老友B。卡斯泰裏還和他討論過利用木衛星計算地麵經度的問題。這時教廷對他的限製和監視已明顯放鬆了。

　　1639年夏，伽利略獲準接受聰慧好學的18歲青年V。維維亞尼為他的最後一名學生，並可在他身邊照料，這位青年使他非常滿意。1641年10月卡斯泰裏又介紹自己的學生和過去的秘書E。托裏拆利前往陪伴。他們和這位雙目失明的老科學家共同討論如何應用擺的等時性設計機械鍾，還討論過碰撞理論、月球的天平動、大氣壓下礦井水柱高度等問題，因此，直到臨終前他仍在從事科學研究。

　　伽利略於1642年1月8日病逝，葬儀草率簡陋，直到下一世紀，遺骨才遷到家鄉的大教堂。