環球科學朝聖

第一節 伽利略由落球開始的科學新時代

　　在曆史上，比薩城曾位於海濱，還是一個威震八方的公國。相傳在10世紀時，比薩王國打了一次勝仗，掠獲了大批財寶，裝上比薩艦隊的戰船，運回比薩城來。為了炫耀王國的戰功，比薩大公決定建築一座大教堂。這個教堂是一組古羅馬式的建築，如今仍屹立在比薩市內的教堂廣場上。按照這個建築群的總體規劃，還需要建造一座配套的鍾塔。於是，這座鍾塔就在距離大教堂20多米的地方破土動工了。

　　鍾塔開建後，建到第三層時就發現它明顯向南傾斜，被迫中斷工程，先後兩次采取加固措施，但毫無效果，隻得停工。大約過了漫長的一個世紀，比薩人建塔之心不死，就請來著名的工程師托馬索·皮薩諾，他經過精心的測量和計算，證明這座塔雖然傾斜但不會倒塌，但他建議把每層南麵的柱子略微加高一點兒，使工程得以按原設計繼續施工，直到最後竣工。

　　這座塔從建成那一天起就是斜的，塔身中心偏離垂直中心線2.1米，而且每年都以1.25毫米的速率不停地傾斜，到了1999年1月，塔頂已偏離中軸線4.8米。從塔下向上望去，斜塔岌岌可危。遊人在塔下歇息，都會自覺地離開南側遠遠的，好像擔心它隨時塌下來砸到腦袋。然而，比薩人卻堅信比薩斜塔絕不會轟然倒塌。比薩城中流行著一句俗語：比薩塔就像比薩人一樣健壯結實，永遠不會倒下去。

　　比薩斜塔的名氣並不僅僅是“斜”出來的，它還與一樁著名的科學公案緊緊地連在一起。1590年的一天，比薩塔下聚集了一大群年輕學生，一位年僅26歲的學者登上了高塔，他就是比薩大學數學教授伽利略。

　　伽利略出生在比薩城，就在比薩斜塔旁邊長大。他的父親是個破產貴族，當伽利略來到人世時，家產已經變賣光了。不過，伽利略的父親精通希臘文和拉丁文，對數學也頗有造詣，使得伽利略從小就受到了良好的家庭教育。伽利略17歲時進入比薩大學學醫，同時潛心鑽研物理學和數學。由於家庭經濟困難，他沒能拿到畢業證書，就離開了比薩大學。失學後，伽利略仍舊在家裏刻苦鑽研數學，攻讀了歐幾裏得和阿基米得的許多著作，做了許多實驗，還發表了許多有影響的論文，從而名聞全國，被譽為“當代的阿基米得”。

　　在他25歲那年，比薩大學破例聘請他擔任數學教授。

　　從11世紀起，在基督教會的扶持下，古希臘哲學家亞裏士多德受到高度推崇，亞裏士多德的物理學被奉為經典，凡是違反亞裏士多德物理學的學者都被視為“異端邪說”。伽利略卻對亞裏士多德的物理學抱懷疑態度，特別重視對阿基米得物理學的研究。

　　亞裏士多德認為，物體下落的速度和它的重量成正比，物體越重，下落的速度越快。比如，一個10千克重的物體，它的下落速度就要比1000克重的物體快10倍。1700多年來，人們一直把這個說法視為金科玉律，不敢有絲毫的懷疑。年輕的伽利略根據自己的經驗和推理，大膽地對亞裏士多德的學說提出了質疑。他要親自試一試，還要眾人來做個見證，於是比薩斜塔就被他選作實驗場。

　　在眾目睽睽之下，伽利略帶著兩個大小一樣但重量不等的鐵球登上斜塔，一個鐵球重100磅，是實心的；另一個鐵球重一磅，是空心的。

　　塔下麵站滿了前來看熱鬧的人，大家議論紛紛。有人諷刺說：“這個小夥子的神經一定是有病了！亞裏士多德的理論不會有錯的！”

　　實驗開始了，伽利略大聲喊道：“下麵的人們，你們看清楚，鐵球就要落下去了。”說完，伽利略同時鬆開握著鐵球的兩隻手，隻聽“嘭”的一聲響，一大一小兩個鐵球同時落地。就是這“嘭”的一聲，擊破了一個曾經被視為萬古不變的真理，從此誕生了“自由落體定律”，實驗物理學的新時代就此拉開序幕。

　　伽利略在比薩斜塔上做過實驗，這一點是毋庸置疑的，但由於缺乏詳細的記載，其中有些細節很可能來自後人的虛構。比如，幾乎所有的人都認為，曆史上著名的比薩斜塔重力實驗是伽利略親自做的，但美國加州斯坦福大學數學係的客座教授凱斯·達維林卻指出，這個實驗隻是伽利略策劃的，登上斜塔往下拋球的是他的一個學生。

　　伽利略為什麽要這樣做呢？凱斯·達維林推測，伽利略是個非常謹慎的人，他非常清楚地知道，當體積相同但重量不同的兩個球同時從高處下落時，由於在下落過程中受到空氣阻力的影響，重量大的物體總是會比重量小的物體先接觸地麵。伽利略擔心實驗會出現這樣的結局，所以就沒有在公眾麵前親自做這樣的科學演示。

　　伽利略臨去世前，他的一個學生又在比薩斜塔上做了相同的重力實驗。結果表明，重量大的物體要比重量小的物體落地時間稍微早一些。這個結果讓亞裏士多德學派的學者歡欣鼓舞，奔走相告，慶祝他們的勝利。事實上，這是空氣阻力作用的結果。如果沒有空氣阻力，兩個物體將同時落地，但伽利略無法消除空氣阻力的影響。

　　1590年以後，伽利略繼續進行重力研究，做了大量實驗。通過這些實驗和精確的觀察，他得出這樣一個結論：重量小的物體在開始下降時，比重量大的物體下降速度快。

　　這個結論與自由落體定律是矛盾的，但是伽利略還是將這一發現忠實地記錄下來。後來的一些學者對此大為迷惑，他們紛紛對伽利略的結論提出質疑，認為他似乎犯了一個愚蠢的錯誤。直到在20世紀80年代，一些科學家再一次重複了那個落球重力實驗。這一次他們不再僅僅局限於肉眼的觀察，而是使用了現代化的高速電影攝影機。攝影機將物體的下降過程用慢鏡頭一幀一幀地播放出來，結果證明，伽利略的結論是完全正確的。

　　一開始，重量小的物體的確比重量大的物體下降速度快，但是由於空氣阻力的影響，後者的下降速度才趕上了前者，最終一起落地。

　　自從伽利略在比薩斜塔上做了那個落球實驗後，他就得罪了亞裏士多德的信徒們，他們與伽利略勢不兩立。在比薩大學呆了一個學期，伽利略又得罪了一個大公爵的親戚喬範尼。這個喬範尼是個不學無術的家夥，他聲稱發明了一艘挖泥船，假惺惺地跑來征求伽利略的意見。伽利略仔細觀察了喬範尼帶來的挖泥船模型，直言不諱地告訴他，設計不合科學原理，根本不能使用。喬範尼拒不接受伽利略的正確意見，固執地堅持進行下水實驗，結果船沉了。

　　事實證明伽利略的判斷是完全正確的，但滿心窩火的喬範尼反而遷怒於伽利略，到處散布流言飛語，說他是個“陰險的小人”。亞裏士多德學派的信徒們乘機對他大肆攻擊，一時間鬧得滿城風雨。

　　伽利略無法在比薩大學呆下去了，隻得向蓋特保圖侯爵求助。這位侯爵珍惜人才，把伽利略推薦給了當時屬於威尼斯共和國管轄的帕多瓦大學。1592年，28歲的伽利略被任命為帕多瓦大學的數學、科學和天文學教授。

　　在帕多瓦大學工作期間，伽利略最初把主要精力放在他一直感興趣的力學研究上，他發現了物理上重要的現象——物體運動的慣性；做過有名的斜麵實驗，總結出了物體下落的距離與所經過的時間之間的數量關係；他還研究了炮彈的運動，奠定了拋物線理論的基礎；加速度這個概念，也是他第一個明確提出來的。就在伽利略不斷有所發現有所創造的時候，一個偶然事件改變了他的研究方向，從地麵轉向廣漠無垠的太空。

　　那是1604年冬天，在南方的天空中突然出現了一顆異常明亮的星星，就在人們對它加強觀測的時候，它卻在第二年秋天神秘地消失了。就在這個星星出現的那段時間裏，隻要天氣晴朗，伽利略每天晚上都對它進行觀察，腦海中不斷地浮現出許許多多的疑問：這是一顆什麽樣的星？它是從哪裏來的？又要到哪裏去？夜空中的點點繁星究竟是按照怎樣的規律在運動的？要想回答這些問題，光憑肉眼觀察解決不了什麽問題，而當時還沒有發明望遠鏡，人們無法看清遙遠的星星。

　　1609年6月，伽利略聽到一個令人振奮的好消息，說是荷蘭眼鏡商人李帕西發現了一種東西，能夠看見遠處用肉眼看不見的東西。不久，伽利略的一個學生從巴黎來信，進一步證實這個消息。這位學生在信中說，他還不知道李帕西是怎樣做的，但可以肯定他製造了一個鏡管，物體就是通過它放大的。

　　伽利略把來信翻來覆去地看了好幾遍，目光落在了“鏡管”這兩個字上。也許秘密就在這裏！他急忙跑進實驗室，找來紙和鵝管筆，畫出一張又一張透鏡成像的示意圖。

　　他又找來有關透鏡的資料，不停地進行計算，一直忙到曙光透過窗戶照射進來的時候，伽利略終於弄明白，把凸透鏡和凹透鏡放在一個適當的距離上，就能像那個荷蘭人一樣，看見遠處的物體。

　　弄清了它的原理，伽利略興奮得顧不上休息，立即動手磨製鏡片。他一連幹了好幾天，終於磨製出了一對凸透鏡和凹透鏡，又製作了一個精巧的可以滑動的雙層金屬管。他小心翼翼地把那片大一點的凸透鏡安裝在管子的一端，那片小一點的凹透鏡安裝在管子的另一端，然後舉起管子對向窗外。當他從凹透鏡的一端望出去時，奇跡出現了！遠處的教堂仿佛一下子被拉到了眼前，鍾樓上的十字架、在十字架上落腳的鴿子，都看得一清二楚。他帶著這個望遠鏡跑到海邊，茫茫的大海上波濤翻滾，看不見一條船。當他拿起望遠鏡往遠處看時，一條船正遠遠地向岸邊駛來。

　　伽利略製成望遠鏡的消息馬上就傳開了，當地的議長和議員們都想先睹為快。於是，伽利略就把他製作的望遠鏡安放在威尼斯最高的鍾樓上，他們依次登上鍾樓，用它眺望遠在港外的船隻。這些人年紀都比較大，眼神都不大好使，但是靠著望遠鏡幫忙，竟能看到50英裏以外的物體，不禁嘖嘖稱奇。有了望遠鏡，就等於給伽利略安上了一雙神話中的千裏眼。每當星光燦爛或是皓月當空的夜晚，他總是要把他的望遠鏡瞄準深邃遙遠的蒼穹，夜複一夜地觀察著。

　　過去人們一直以為，月亮是個光滑的天體，像太陽一樣自身能發光。但是伽利略透過望遠鏡發現，月亮和地球一樣，有高峻的山脈，也有低凹的窪地（伽利略稱它為“海”）。根據月亮上亮的部分和暗的部分的移動，伽利略發現月亮自身並不能發光，月亮的光來自太陽……過去人們一直以為，銀河是地球上的水蒸氣凝成的白霧，亞裏士多德就是這樣認為的。伽利略從望遠鏡中看到，橫貫天穹的銀河根本不是雲霧，而是千千萬萬顆星星聚集在一起形成的。伽利略還觀察了天空中的星團，發現它們也是由很多星體聚集在一起形成的，如獵戶座星團、金牛座的昴星團、蜂巢星團等。

　　過去人們一直以為，太陽是懸掛在天上不動的，它還是宇宙中最完美無瑕的天體。而伽利略透過望遠鏡卻觀察到，太陽上有黑子；他通過黑子的移動現象又推斷，太陽也是在轉動的。伽利略還發現金星如同月球一樣，也有著盈虧的變化；他又發現木星周圍環繞著四顆衛星，並計算出了它們的運行周期（現在人們知道，木星一共有14顆衛星）。

　　伽利略借助望遠鏡發現一個又一個振奮人心的天文現象。1610年3月，他把這些發現都寫進《星際使者》一書中。這本書一出版，立即在歐洲引起轟動。人們都佩服地說：“哥倫布發現了新大陸，伽利略發現了新宇宙。”

　　就在這一年，伽利略告別了帕多瓦大學，回到佛羅倫薩，擔任托斯坎尼公國的宮廷數學家和哲學家，兼任比薩大學的數學教授。

　　也在這一年，他前往羅馬訪問，受到規格很高的禮遇，羅馬教皇保羅五世對他很重視，羅馬的貴族和科學家們都以能結識他而感到榮耀。

　　就在伽利略被鮮花和榮譽包圍起來的時候，一場可怕的厄運正在向這位傑出的科學家襲來。中世紀的歐洲處在神權的統治下，在神學家麵前，科學家根本沒有地位。

　　神學家們推崇古希臘天文學家托勒密的“地球中心說”，認為靜止不動的地球處於宇宙的中心，太陽是圍繞著地球運轉的，因為上帝創造太陽的目的，就是要用它照亮地球，施恩於人類。為了維護這個荒謬的理論，天主教會的宗教裁判所不惜動用恐怖手段，對付一切敢於提出異議的人們。

　　伽利略讀過波蘭天文學家哥白尼的著作，對他提出的太陽中心說很感興趣，他通過自己的觀測和研究，逐漸認識到哥白尼的學說是正確的，就通過書信毫不掩飾地支持哥白尼的學說，甚至把信件的副本直接寄給羅馬教會。

　　伽利略的這些書信引起了羅馬教廷的恐慌和不安，他們對伽利略發出措辭嚴厲的警告，卻沒有嚇住伽利略，在他看來，科學家的良心就是追隨真理。羅馬教廷見這招不管用，就在1615年把他召到羅馬，押進宗教裁判所進行審訊，威逼他放棄對哥白尼學說的宣傳，以後無論是講課還是寫作，都不得再把哥白尼學說說成是真理。

　　在教會的淫威下，伽利略被迫屈從，但他的內心深處並沒有放棄哥白尼學說。回到佛羅倫薩後，他住郊外的錫尼別墅裏，過著與世隔絕的生活，他的身體也大不如前，病魔在殘酷地折磨著他，但他繼續堅持進行天體觀測和研究，更加堅信哥白尼的學說是完全正確的科學理論。經過長久的醞釀構思後，一部偉大的著作《關於兩種世界體係的對話》終於誕生了。

　　這部著作采用三個人對話的形式，來討論托勒密的“地心說”與哥白尼的“日心說”，從表麵上看隻是客觀的記錄，沒有什麽傾向性，可是細心的讀者不難看出，伽利略在這部著作中以充分的論據和大量無可爭辯的事實，科學地論證了哥白尼的學說，有力地批判了亞裏士多德和托勒密的錯誤理論，宣告了宗教神學的徹底破產。

　　神學家們從這本書的字裏行間嗅出了異樣的味道，感到極大的恐慌。而那些早就對伽利略心懷不滿的學術騙子們則趁機造謠生事，羅織罪名，為迫害伽利略大造輿論。

　　1632年8月，羅馬宗教裁判所下令禁止這本書出售，羅馬教皇親自指名成立了一個專門委員會，對這本書進行審查。兩個月後，宗教裁判所的一紙公文送到佛羅倫薩，要伽利略親自前往羅馬接受審訊。

　　這時候的伽利略已是69歲的老人，病魔纏身，行動不便，不少人為他說情，羅馬教皇卻惱怒地說：“除非證明他不能行動，否則在必要時就給他戴上手銬，押到羅馬來！”

　　1633年初，年老多病的伽利略來到羅馬，立刻被投進宗教裁判所的牢獄，而且斷絕了他與任何人的聯係，使他完全失去了人身自由。在宗教裁判所彌漫著血腥氣味的法庭上，身穿黑袍的法官們，赤裸裸地威脅伽利略放棄自己的信仰，否則就用火刑燒死他。在審訊和刑法的折磨下，伽利略被迫表示懺悔，同意放棄哥白尼學說，並且在判決書上簽了字。

　　教會的主審法官在法庭上當眾宣讀了對伽利略的判決書：“為了處分伽利略這樣嚴重而有害的錯誤與罪過，以及為了他今後更加審慎和給他人做個榜樣和警告，”“我們宣布用公開的命令禁止伽利略的《關於兩種世界體係的對話》一書；判處暫時正式把他關入監獄內，根據我們的意見，以及使他得救的懺悔，在三年內每周讀七個懺悔的聖歌……”

　　當法官宣讀判決書時，伽利略在口中喃喃自語道：“不管怎樣，地球仍在轉動。”

　　伽利略的晚年生活非常悲慘。1637年，他的雙目完全失明，陷入了無邊的黑暗之中。隨後，他唯一的親人小女兒瑪利亞離他而去，告別人世，給他的心靈造成了極大的打擊。後來，宗教裁判所對他的監視有所放寬，他的幾個學生來到老人身邊，一邊照料他，一邊向他求教，這才給他孤寂的生活帶來一絲光明和溫暖。

　　伽利略去世後，曾讓神學家們如釋重負，當時他們絕對想不到，300多年後會出現一件具有諷刺意味的事情。1979年11月，在世界主教會議上，羅馬教皇提出重新審理“伽利略案件”。於是，由教會出麵，邀請來一些世界著名科學家組成了一個審查委員會，重新審理當年的那個冤案。當然，這不過是走個過場而已，因為曆史早就給伽利略平反了，他的名字早已成為人類科學史上一個閃閃發光的坐標。

　　科學家逸聞

　　伽利略與鍾擺

　　伽利略是一名虔誠的天主教徒，但這並不影響他對科學問題的認真思考。他18歲那年，有一天到比薩教堂去做禮拜。當時，修理房屋的工人正在安裝吊燈，教堂大廳中央的巨燈不斷地晃動著。伽利略目不轉睛地跟蹤著擺動的吊燈，同時用右手按著左腕的脈搏，他想借助脈搏跳動的次數來計算吊燈擺動一次所需要的時間。

　　通過計算伽利略發現，吊燈擺動一次的時間總是一樣的。隨著吊燈的擺動力量越來越弱，擺動的距離漸漸縮短，但是每擺動一次，他脈搏跳動的次數還是一樣的。

　　根據亞裏士多德的說法，擺經過一個短弧要比經過長弧快些，對此沒有人產生過懷疑。難道是自己的眼睛出了毛病？伽利略決心弄個明白。他跑回比薩大學宿舍，找來不同長度的繩子、鐵鏈，還有鐵球、木球，在房頂上，窗外的樹枝上，一次又一次地做試驗，用沙漏記下擺動的時間。最後，伽利略得出一個結論：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。相同長度的擺繩，振動的周期是一樣的。就這樣，伽利略發現了擺的等時性。根據這個原理，荷蘭物理學家惠更斯製成了掛擺時鍾，人們將它稱為“伽利略鍾”。

　　科學小常識

　　比薩斜塔為什麽會傾斜？

　　按照比薩人的說法，比薩斜塔是古代的意大利建築師為了顯示技藝高超，故意建成這個樣子的。這種說法並非沒有道理，從1982年開始，這座塔幾乎停止了向南傾斜，而改向西南方向。在一次大地震中，它大幅度地搖晃了22分鍾，最終居然安然無恙。在對比薩斜塔的建塔材料、結構、地質、水源等方麵進行了充分的研究後，也有不少學者認為，這座塔每一塊石磚之間的粘合極為巧妙，有效地防止了塔身傾斜引起的斷裂，這很可能是斜塔斜而不倒的一個重要因素。

　　幾個世紀以來，探索比薩斜塔傾斜的奧秘成了一個熱門話題。有人說傾斜是由於施工過程中偏離了設計方案造成的，有人認為這是設計本身出了問題。還有人認為，在比薩塔下麵可能有好幾條地下水脈，當地居民長期從這裏汲取生活用水，造成地下水位下降，進而引起了塔身的傾斜。

　　進入20世紀後，“地基原因”說逐漸占了上風。這種解釋認為，這一帶的土層是由黏土和沙子組成的，強度很差，而塔基的基礎深度不夠，隻有三米多深，大理石砌築的塔身又太重，地基難以平衡地承受沉重的塔身，從而導致了傾斜。不過，這種解釋並非定論。1934年，比薩市在斜塔地基及四周灌進90噸水泥，以保護它的基礎不被水浸，結果卻是塔身更加不穩，向周圍移動、傾斜得更快。如果問題真的出在地基上，這樣的結果恐怕就不會發生了。

　　至今，比薩斜塔傾斜的原因還沒有徹底查清，而另一個更為現實的問題又在困擾著關心它的人們。據有關專家估計，這座斜塔至多還能堅持250年，最終將因塔身的重心超出塔基外緣而傾倒。另有專家認為，這座塔隻是圍繞著中心線來回搖晃，並不會倒塌。

　　科學小常識

　　溫度計發明小史

　　為了測量病人發燒時體溫的升高，伽利略在1593年發明了世界上第一支溫度計。它的主要部分是一個管子，管子裏裝著紅色液體，管子的一端連著一個玻璃球，倒放在水裏。使用時，將玻璃球與不同溫度的物體相接觸，利用管內空氣的熱脹冷縮測出物體溫度的變化。這種溫度計的準確性比較差。後來，伽利略的學生對它進行了改進，把管子的另一端也密封起來，並用帶紅色的酒精來代替空氣，這樣一來準確性就大大提高了。

　　科學小常識

　　望遠鏡的發明

　　08年秋天，荷蘭密德爾堡市的一家眼鏡店的主人李帕西一時心血來潮，把一塊磨製好的凸透鏡和一塊凹鏡一前一後放在同一水平線上。

　　透過這兩塊玻璃向外望去，李帕西驚奇地發現，遠處的教堂塔尖好像變大了，其實應該是拉近了距離。

　　於是，他就用一張羊皮紙卷成一個筒，將這兩塊鏡片固定下來，世界上第一個望遠鏡就這樣誕生了。

　　據說有幾十個眼鏡匠都聲稱發明了望遠鏡，不過一般人都認為李帕西是望遠鏡的發明者。

　　李帕西把他發明的望遠鏡稱為“明晰鏡”，並立刻向密德爾堡市議會遞交了一份報告，申請30年的專利。

　　市議會組織了一個委員會對“明晰鏡”進行審查，委員們輪流用“明晰鏡”來望遠，一致認為它大有用處，卻沒有給他專利。原因是法國大使得知這一消息，想讓荷蘭人製作一具“明晰鏡”。

　　送給法國國王，這樣就不可能保守住專利的秘密了。於是，市議會給了李帕西一份豐厚的酬金，讓他製作一具雙筒“明晰鏡”。