第6章 伽利略

恩师的鼓励

1564年2月15日,伽利略出生在意大利西海岸比萨城一个破落的贵族之家。17岁那年,伽利略进了著名的比萨大学,按照父亲的意愿,他当了医科学生。比萨大学是所古老的大学,学校图书馆藏书丰富,这很合伽利略的心意,但是伽利略对医学并没有多大兴趣,他很少上课,一上课就对教授们教课的内容提出这样那样的疑问,使教授们难于回答,在教授们的眼里,伽利略是个很不招人喜欢的坏学生。不过,伽利略只是兴趣不在医学,他孜孜不倦地学习数学、物理学等自然科学,并且以怀疑的眼光看待那些自古以来被人们奉为经典的学说。一个偶然的机会,伽利略听了宫廷数学家玛窦·利奇的讲课。这位青年数学家渊博的学识和严密的逻辑性,特别是他在证明数学难题时的求证方法,使伽利略深深着迷。伽利略找到宫廷数学家玛窦·利奇,向他提出了许多百思不解的问题。

“你努力自学吧,有什么困难,任何时候我都是你忠诚的朋友。”听了玛窦·利奇的鼓励,伽利略越发刻苦钻研数学和物理学,他把从宫廷数学家那里借来的每一本书,都用心地阅读,像海绵吸水一样地吸收进来。但是,他并不是那种迷信书本的人,那些人们认为是真理的权威结论,在伽利略的脑子里常常带来意想不到的疑问,他常常为此而感到苦恼,陷入深深的思索之中。

1589年夏天,在佛罗伦萨的店铺里度过了4年自学生活的伽利略,由于得到宫廷数学家玛窦·利奇的鼓励,特别是贵族盖特保图侯爵的推荐,他终于获得了比萨大学数学和科学教授的职位。1592年,28岁的伽利略被任命为帕多瓦大学的数学、科学和天文学教授。在他离开人世的前夕,他还重复着这样一句话:“追求科学需要特殊的勇气。”

摆钟的雏形

比萨是意大利的名城,伽利略喜欢到比萨大教堂去,因为那里的环境十分安静,十分有利于他思考问题。教堂里有一盏长明灯,挂在从高高的屋顶上垂下的一根长绳的末端,教堂里的点灯人定时来加油、剪灯芯。

这一天,伽利略又来到了比萨大教堂,他坐在一张长凳上,目光凝视着那雕刻精美的祭坛和拱形的廊柱。正巧点灯人在给灯加油。他干完活后顺手将灯一推,那灯就晃动起来。挂在绳子上的灯来回摆动,这是司空见惯的事情,可是,伽利略却看得出神。

经过仔细地观察,他不禁心里嘀咕起来:“真奇怪!为什么灯每次摆动一个来回的时间都差不多?”于是,好奇的伽利略又去推了一下灯,再仔细观察。开始,灯的摆动幅度很大,后来逐渐变小,然而,不论摆动幅度大小,所需时间都相同。为了肯定这个论断,伽利略决定要测定长明灯每次摆动所需的精确时间。但是教堂里没有钟,伽利略的身上也没有任何可以计时的东西。他挠着头皮想了一会儿,忽然眼前一亮:“对了,可以用脉搏跳动来计时!”

对于学过医的伽利略来说,他当然知道人的脉搏的跳动,比当时的钟计时还要准确。于是伽利略一面摸着自己的脉搏,一面注视着灯的摆动。千真万确,每次摆动所需时间完全相同!这一发现着实使他兴奋不已。

回到家里,伽利略找了一根绳子和一块大铁片。他把铁片绑在绳子的末端,再把绳子的上端挂在屋子的横梁上,让它摆动。然后,他计数着铁片摆动的次数,发现它的摆动比自己脉搏的跳动慢。他自言自语道:“我的脉搏每分钟跳72次,怎样才能使铁片的摆动也达到这个数目呢?也许绳子短一些,它就会摆动得快一些。”于是他缩短了绳子的长度。果然,铁片摆动得快起来了。他反反复复做了好多回实验,终于使铁片每分钟也刚好摆动72次,不多也不少。于是,伽利略就想到利用这个发现制作一架测脉搏的仪器。他反复地实验,不断地改进。几天之后,测脉搏的小仪器便做成了。伽利略拿着这个小仪器去给医学院的老师看。

“这是什么?”老师问道。

“这是一架帮您测定病人脉搏的仪器。”伽利略一边回答一边做示范,“你把这根绳绕在仪器的顶端,把铁片固定在绳的下端,把它拉过来,然后放手让它摆动。绳子上有个标记,当它时针贴在仪器刻盘上的某个数字时,就表示绳子每分钟摆动的次数。比如,当标记对准数字72时,绳子就每分钟摆动72次;如果想让绳子摆动得快一些,就让它缩短些,这只要把绳子在顶端多绕几圈就行了;相反,你想让绳子摆动得慢一些,就把它放长些,这只要把绕在顶端的绳子放出几圈就行了。不过,绳子不碰到它背后那个刻盘以及其他东西,否则就不准了。”

听了伽利略的一番介绍,老师感到很惊喜,利用这种仪器,医生就能迅速、准确地测定病人的脉搏。当然,这架仪器虽然能测脉搏却不能计时,尽管如此,伽利略发明的这架仪器还是有重大的科学意义的,因为在地球引力作用下,摆的这种来回往复的运动具有等时性,是制造精密的摆钟的基础。

比萨斜塔实验

古希腊哲学家亚里士多德认为,重的物体比轻的物体下落的速度快。这个观点很符合人们的生活常识,因此被很多人接受。然而,伽利略对此却持有不同的观点:设想一个重物,比如铁球,与一个轻物,比如木球进行比较,两者同时下落。按照亚里士多德的理论,应该是铁球落得快,木球落得慢。如果把铁球和木球绑在一起,同时抛出,会发生什么样的事情呢?一方面,铁球和木球组成了一个比铁球更重的物体,应当下落的比铁球还要快;而另一方面,铁球下落的速度被木球拖住,其速度应该介于铁球和木球之间。这样,我们就从同一个理论中推出了互相矛盾的两个结论。因此,伽利略认为正确的结论应该是:物体下落的速度与重量无关。而亚里士多德的理论是错误的。

为了证明自己推理的正确性,伽利略来到比萨斜塔上进行实验。这次实验引来了很多人的围观,他们坚信亚里士多德的观点是正确的,不容置疑的,对伽利略的想法充满冷嘲热讽,都等着看他出丑的样子。伽利略站在比萨斜塔上,一只手里拿着4.5千克重的铁球,另一只手里拿着0.45千克重的铁球,两只手伸出斜塔窗外,做好了松手的准备。就在大家都紧张万分的时刻,伽利略终于松手了,两个铁球笔直地坠入地面,结果,奇迹发生了,两个球竟然同时落地。众人惊住了,这样的结果是大家万万都没想到的。

为了增强自己的设想的可信度,伽利略在比萨斜塔上继续选用不同材料的物体进行试验,结果发现各种物体都几乎是同时落地。伽利略以雄辩的事实证明了“物体下落的速度与物体的重量无关”,从而击败了亚里士多德的信徒们。正是这次闻名史册的比萨斜塔实验,第一次动摇了亚里士多德在物理学中长期占统治地位的现象,打破了亚里士多德的神话。后来,伽利略通过反复的实验,认为如果不计空气阻力,轻重物体的自由下落速度是相同的,即重力加速度的大小都是相同的,并最终得出了自由落体定律。

朋友们,从伽利略的故事和事迹中,我们不难知道,其实,科学并不只是创造新的事物,更有对本来已存在的自然规律的发现。这些规律已经存在了几千年,有些已经被探索出来,还有一些正等待着我们用聪慧的头脑和敏锐的双眼去发现。