第六回 宇宙的新发现

与开普勒同时期，文艺复兴的发源地意大利也出现了一位天才天文学家和物理学家。

伽利略·伽利雷（1564—1642）比开普勒大7岁，出生于一个没落的贵族家庭。1581年，17岁的伽利略来到比萨大学主修医学。他可能会是一个不称职的医生，因为他对副业物理学和数学的兴趣远远超过了主业，而且他时常有些小发现和小发明，这些小发明和小发现往往在不经意间改变了历史进程。

1583年，伽利略在祈祷时看到吊灯在左右晃动。他掐了掐脉搏，发现了物体摆动的等时性原理。几十年后，英国人惠更斯（1629—1695）根据该原理发明了摆钟。人类从上古时代开始就一直为计时努力着，也发明了很多计时工具（如日晷等），但摆钟无疑是最有意义的计时工具之一。

1596年，为了测量病人的体温，作为医生的伽利略发明了人类历史上第一支温度计。从此人类对热和温度有了新的认识，开启了热力学的篇章，此是后话。

更让伽利略声名鹊起的是他根据古希腊阿基米德（公元前287—前212）的浮力原理发明了一种比重秤，从此被誉为“当代的阿基米德”。阿基米德是古希腊时期伟大的哲学家、百科式科学家，他在数学上的成就是最高的。曾有学者评价说：将人类有史以来最伟大的数学家排个座次，如果前三名中没有阿基米德，那一定是不科学的。我们了解阿基米德是因为中学课本中的浮力，据说当时制作皇冠的金匠经常偷工减料，皇帝为检测皇冠中的黄金比例伤透了脑筋，所以请阿基米德给出一个合适的方案。阿基米德苦思冥想，始终不得其法。有次洗澡时，他一屁股坐到水池里，水对身体的浮力给了他灵感。于是，他激动地穿过广场和人群，跑到宫殿里告诉皇帝他的新发现。皇帝也很激动，听完之后对仆从说：“给他一件袍子……”此时阿基米德才意识到原来自己还光着腚呢！此外，他有一句回响了几千年的名言：“给我一个支点，我就能撬起整个地球。”阿基米德的传奇本就是一部书。

言归正传。话说1585年伽利略的父亲去世，他的家庭收入捉襟见肘，伽利略辍学干起家教营生。好在他的学生是一位王子，所以他很快又进入上流社会并成了大学教授。在空闲时，他专心研究各方面的科学著作，其中少不了统治人类思想达1300年之久的亚里士多德的《物理学》和《天体》。伽利略对亚里士多德的理论进行了深刻的思考，也写了很多论文，最终推动了物理学的发展。

1587年，伽利略收到开普勒赠送的《宇宙的神秘》一书，他很快就被哥白尼的日心说所吸引，并认为在天文学上的成就才会让自己扬名立万，其他的科学都是小巫见大巫。他以无比的热诚投入到了天文学研究当中。

1609年，即开普勒发表椭圆定律一年后，在帕多瓦教书的伽利略在街上溜达，无意间看到了凹透镜。他觉得很好玩，便买了带回家。此时的凹透镜已经不仅仅是个在太阳底下能烧死蚂蚁的玩物了。早在一年前荷兰人就用凹透镜发明了望远镜，只是伽利略还不知道。有一次伽利略到威尼斯去拜望好友，得知威尼斯政府打算购买荷兰人的新发明以进行军备竞赛。伽利略通过好友告诉威尼斯政府不要着急。果不其然，在一个多月后，他将自己研制的新望远镜送给了威尼斯政府，为此他获得了一份终身教授的职位，薪水也翻了3倍。更为关键的是，伽利略发明的望远镜着实比荷兰人的清晰9倍，比肉眼清晰33倍，这足以让伽利略清楚地看到月球表面。于是他写信告诉好友开普勒这一好消息：“月球的表面并不是完美的，那些阴影就像地球上的大山河流一样，只是没有水而已，圆圆的是陨石坑；月亮不发光，只是反射太阳光，所以才能看到月亮的‘圆缺盈亏’。”

正当人们争相谈论伽利略的神奇工具时，他又发现了木星的4颗卫星，也发现发光的银河原来是由无数颗恒星组成的。他把这些新发现都写信告诉开普勒，并骄傲地说：“我想我已经观测到了土星运动的轨道。”当时正忙于研究土星的开普勒兴奋不已，他在回信中问能不能得到伽利略的望远镜。伽利略回答说，他的望远镜都已经送给了贵族们，并打算以后做一些清晰度更高的望远镜，再送给一些朋友。

现在我们已经无法肯定伽利略是否真的打算研制新的望远镜，就算他研制了，也无法肯定他说的“一些朋友”中包括开普勒，但是我们仿佛看到了一个噘着嘴卖萌的小女孩对别人说：“看，我有糖，就是不给你。”

事情总有好的一面，开普勒自然不会认为伽利略的托词是真的，所以他不会傻傻地一直等下去。于是，另外一种望远镜（见图6-1）诞生了。

天文学因此进入了望远镜时代，也开启了新篇章。当时的人都称：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”

此后一到两年里，伽利略利用他的望远镜发现金星和月亮一样有盈亏。伽利略知道这是由金星、地球和太阳的位置关系引起的，他通过大量的观测数据推测金星、地球都是绕着太阳运动的，为哥白尼的日心说提供了坚实的观测基础。

此外，伽利略发现太阳上黑色的小点点不是别的行星的“影子”（即某行星的行星日食），原因很简单：如果是行星的影子，那么影子的速度会很快，而实际上黑点移动的速度慢得多，所以它们只能来自太阳自身的“缺陷”——后来它们被称为“太阳黑子”。这些“缺陷”让人们不禁觉得原来“上帝制造”也有“劣质”产品，而地球也不过是这些产品中的一个，显然这完全不符合亚里士多德的那套地球不动、上天完美的学说。再经过长期的观察，伽利略发现太阳黑子的转动也有周期性，于是他得出太阳也在自转的理论。假设哥白尼的日心说成立，地球则绕着太阳转，如果太阳都自转了，人类又有什么理由相信地球不能自转呢？

伽利略用几块玻璃片发现“天外有天”激发了当时人们对日心说更大的兴趣。当越来越多的人谈论哥白尼的日心说时，教会再一次出手了（1600年，教会曾烧死宣传日心说的布鲁诺），1616年他们禁止发行哥白尼的《天体运行论》，严禁任何人在公开场合大谈特谈日心说。这便是“1616禁令”。

相对于他人，伽利略的处境其实要好得多，尤其是在1623年他的一位好友从红衣主教的位置坐上了教皇的位置（乌尔班八世）之后，伽利略觉得机会来了，他跑到罗马为自己的新发现进行游说。教皇本人对伽利略以及他的新发现持欢迎态度，但是负责宣传教育的神父们不干了。但面对如此高深的理论和铁一般的事实，神父们也无可奈何，只好对伽利略的推测和结论下手。他们让伽利略放弃哥白尼的日心说，如果他做不到这一点，至少对地心说不要存在偏见；如果对于日心说非提不可，那么一定要有地心说，而且不能带有主观意见，只能当成历史去阐述。

伽利略与神父们的冲突在于，伽利略认为自然界中运行的天体与《圣经》里的天堂是两码事，而教会则认为是一码事。除了维护自己的地位，我想教会可能是怕信徒们在这样浩渺的宇宙中找不到天堂的位置吧。实际上随着科学的不断发展，教徒们一直都在忧心忡忡地想给上帝安排一个合适的住所。

伽利略是倔强的，也是聪明的。在被禁言的岁月中，他毕全生所学，于1630年完成了一本名叫《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（以下简称《对话》）的书。他在《对话》中将自己撇开，虚设三位人物，即沙格列陀、萨尔维阿蒂和辛普利邱。沙、萨二人皆是日心说的支持者，而辛却坚持凡是亚里士多德说的话都是正确的，凡是后人对亚里士多德理论的补充都是有意义的。

《对话》仿照古希腊的很多著作（比如《理想国》）以三人对话的形式展开，分为四天，每天一个主题，就像本书第一回中小明和祖师爷的对话一样。该书洋洋洒洒几百页表达了对亚里士多德体系的思考和批判以及对哥白尼体系的辩护。

要为哥白尼体系辩护，就绕不开一个话题：地球自转为什么没有产生东风或者向上抛起的物体为什么没有落在抛出点的西边？哥白尼含糊其辞的解释多少不能成为地球可以动的理由，但是伽利略用一个现实中常见的例子让人们心服口服。他说，在一艘正在匀速前行的船上，人们向上抛起一块小石头，小石头依然落在抛出点的下方，而不是落在抛出点的后面。为什么会这样呢？伽利略认为小石头和船在水平方向上是相对静止的。

比如一艘船（A）的速度是60米/分，对面划来另一艘船（B），速度是70米/分，那么对于A船上的人来说，A船的速度是0米/分，而B船的速度是130米/分；对于B船上的人而言，B船的速度是0米/分，而A船的速度也是130米/分，不过方向相反而已。

假设A船和B船向同一个方向前进，对于A船上的人来说B船以10米/分的速度前进，而对于B船上的人来说，A船以10米/分的速度倒退。这便是“伽利略速度变换原理”。从另一方面说，如果没有参照物，提起速度是没有意义的，因为速度是相对的，而不是绝对的。

伽利略聪明地将小石头的运动看成复合运动：一个是水平方向上的运动，另一个是垂直方向上的运动。在水平方向上，小石头离开船体后依然保持原有的速度；而在垂直方向上，小石头做自由落体运动（此处为了简化，只考虑小石头落下的过程，见图6-2）。既然是自由落体，小石头肯定会落在桅杆的正下方了。

因为重力，垂直方向的自由落体运动很容易理解。但是在水平方向上，小石头的速度从何而来呢？难道正如亚里士多德所说的空气迂回或者精灵推动？伽利略自然不会让历史倒退，为此，他创造性地提出了“惯性”这个概念。惯者，一贯而之也，可以简单理解为：物体（无论运动还是静止）始终想要维持原来的样子，直到外力改变它。小石头在水平方向上本就具有初始速度，这个速度和船速一样。由于水平方向上没有外力（不考虑空气的摩擦力），故而小石头依旧以船速前进。

那么问题来了，运动到底是由惯性维持的还是由外力维持的呢？力和运动之间到底有什么关系？伽利略认为物体运动由惯性维持，外力只能改变运动状态。比如人推桌子动时，外力改变了桌子的运动状态，当人松开手后，桌子依照惯性继续前进，摩擦力会改变桌子的运动状态直至静止。同样，重力已不再是物体的固有属性，惯性才是。惯性是维持物体运动的原因，在没有外力作用（或者外力平衡）的情况下，一个运动的物体将以恒定的速度朝同一个方向运动下去。如果不出什么意外的话，它会永远持续运动到无限时间和无限距离。

1632年，在伽利略5次到罗马乞求后，《对话》终于获得教会的出版许可。由于此书以对话的形式书写，一改以往枯燥的科学讲解，普通人都可以愉快流畅地阅读，所以《对话》风靡一时。

那时欧洲“三十年战争”仍在继续，这是一场宗教战争，许多诸侯公国借着宗教分别站队，神圣罗马帝国日渐衰微。罗马教皇也渐渐感到自己的权威在很多国家丧失殆尽，可下面的人告诉他“即使在罗马，您老人家的余额也有待充值”。一句话惊醒了梦中人。

伽利略的处境可想而知，教会改口称伽利略违反了1616年的禁令，并对伽利略进行严厉的审判，最终以问题严重、亟待审查为由禁止了《对话》的再版再售，顺带一劳永逸地把伽利略给判了个终身监禁。颇为讽刺的是，当人们知道了审判结果后，《对话》早就被抢购一空。防民之口甚于防川，这个道理其实大家都懂，只是在既得利益面前，谁都显得那么脆弱。就像刚穿上新装的皇帝，他明知自己光着腚，也要杀掉敢说真话的小孩。

就这样，伽利略被软禁在家里。他的晚年非常凄苦，多病缠身的他脑海里依然做着完美的科学实验。由于年轻时观察太阳，强烈的阳光灼伤了他的双眼，最后导致失明。即便如此，他依然坚持完成了另外一本对话体著作《关于两门新科学的对话》。这部书稿在1636年就已完成，由于教会禁止出版他的任何著作，他只好托一位威尼斯的友人将其秘密带出境。这本书的出版彻底改变了物理学，也一举将伽利略推到了“近代物理学之父”的高度。