科学家这样做 | 罗会仟：近代物理学之父伽利略

伽利略全名伽利略·伽利雷，1564年出生于意大利的西海岸比萨城。伽利略不盲从先贤的教诲，创立了实验研究科学的基本范式，被誉为“近代物理学之父”。

▲伽利略

在文艺复兴后期，欧洲的科学和文艺气息已十分浓厚，而意大利作为文艺复兴的发源地，科学的新思想、新方法和新技术不断涌现。伽利略出身于一个没落的贵族家庭，在修道院和比萨大学获得了良好的教育。21岁时，伽利略因家境原因退学，但他仍坚持自学数学和物理等自然学科，25岁时，被比萨大学聘为数学教授，后长期在佛罗伦萨从事科学研究。

伽利略在天文学和经典力学领域做出了奠基性的科学贡献，他开创了实验观测的基本方法，并创造性地提出了“思想实验”，从此拉开了近代自然科学的繁荣发展的大幕。

在伽利略生活的年代，也是一个被教会思想统治的时代，人们对于天体运行的基本认识，都来自教会传授的神创知识体系。比如，地球是宇宙中心，太阳等天体都是围绕地球运转的，等等。人们普遍接受这些思想，并且几乎没人敢于质疑。然而，作为历史上第一个把望远镜朝向深邃的太空进行观测的人，伽利略看到了许多宗教知识难以解释的现象。望远镜是1608年由荷兰的一位眼镜商发明的，此后他申请了发明专利，无意之间为伽利略的研究提供了重要的科学基础。1604年，欧洲南部的冬夜突然出现了一颗明亮的星，直到次年秋天才神秘消失（实际上是超新星爆发），这个事件引起了欧洲许多科学家的注意。开普勒依赖他的普通观测设备，确认新星在蛇夫座，但他没有办法看得更加清楚。1609年，在伽利略得知荷兰人发明望远镜后，仅凭有限的信息，他自己动手做出了一架望远镜。伽利略向当地的官员和贵族们展示了他制作的望远镜，并且他在给妹夫的信件里写道：“这仪器的效用，可使50英里以外的物体看起来就像在5英里以内那样。”

伽利略自制的望远镜放大倍数要远远高于荷兰眼镜商的望远镜，但他并不满足于仅仅去看地球上远处的物体，而是把望远镜指向了天空，那里有离我们更加遥远的天体。伽利略通过自己不断改进的望远镜，第一次看清了月球上的环形山、土星环、太阳黑子甚至是星云团。他发现了木星的四个卫星，后来被称为“伽利略卫星”。伽利略把他的天文观测的结果写成了两本书，即《星际使者》（1610年）和《关于太阳黑子的书信》（1613年），轰动了整个欧洲。因为他用客观的观测事实，直接验证了哥白尼的“日心说”，而“地心说”则不攻自破。更重要的是，他的观测说明，我们的地球在宇宙中一点也不特殊，太阳系里的天体有着各种各样的形态，太空中有着无穷无尽的奥秘，等待人类去探索。

▲人类历史上第一架天文望远镜——伽利略望远镜

在伽利略所处的时期，物理学和哲学是不分家的，许多物理学定律都有着哲学的意味。当时，占据统治地位最久的，就是亚里士多德的思想，在他的著作《物理学》里面，他提出“体积相等的两个物体，较重的下落得较快”“凡运动的事物必然都有推动者在推着它运动”“世界由土、水、气、火四大元素组成”“白色是一种再纯不过的光”等思想。两千多年来，人们对此深信不疑，直到有了伽利略的实验检验。亚里士多德的论证很简单，“重物下落是物体的自然属性，物体越重，趋向自然位置的倾向性也就越大，所以下落速度也越大”。即“物体下落速度与物体重量成正比”。伽利略认为，验证这个结论的方法其实很简单，就是在同一高处同时释放一轻一重两个不同的物体，看下落的时间是否一样。这就是传说中的“比萨斜塔实验”。需要指出的是，比萨斜塔的自由落体实验，实际上很可能是后人杜撰出来的，伽利略的实验证据并非来自这个实验，而是他独特设计的“斜面落体实验”。

所谓“斜面落体实验”，就是在一个斜面上放一个铜球，让它从高处滚落下来，通过测量斜面的距离和铜球滚落的时间，可以推算出它的速度。更换大小不同的铜球（质量不同），重复该实验，就可以找到质量和滚落速度的关系。这样一个在今天看似非常简单的实验，在当时却是十分困难的。首先是距离的测量，那时长度的单位标准很不一致，要想精确测量物体的长度并非易事。伽利略的做法非常简单，就是用一根棉线代表斜面总体长度，对折以后就是1/2长度，再对折就是1/4的长度，对折三次就是1/8的长度……，这样即使不知道长度的具体数值，也能依据它的倍数关系来做定量的研究（实际上就是英制长度单位的基本方法）。其次是时间的测量，要知道，伽利略做实验的时候并没有钟表这种计时器！钟表的发明，实际上依赖于后来伽利略对单摆的实验研究。伽利略创造性地发明了漏水计量时间的方法：在一个大水箱戳个小洞，称量该时间段所有漏出的水，它和时间是成正比的，最后得到不同过程的时间之比（和我国汉朝时期发明的漏壶、沙漏等计时器同理）。同样是在不知道绝对值的情形下，仅靠定量测量比值来研究物理规律。伽利略最终发现铜球滚下1/4距离所需要的时间正好是滚下全程时间的一半，也就是说铜球滚下的距离与所用的时间平方成比例，而且和铜球的轻重本身并没有关系。

通过斜面落体实验，伽利略大胆推测，如果斜面的坡度越来越大，最终就可以推广为90°斜面的自由落体。他认为，自由落体过程也是一样的，下落距离与时间平方成固定的正比关系，而和下落物体的质量无关，这就是“自由落体定律”。可以说，它是一个外推出来的结论。为什么伽利略不直接做自由落体的实验呢？原因很简单，采用漏水计时方法的精度是有限的，而自由落体的速度实在太快了，根本无法准确测量下落的时间。要想下落时间长一些，除非到很高的地方释放物体，这就有了后来传说的“比萨斜塔实验”。比萨斜塔的高度是54.5米，即使铜球从塔顶落下，所需的时间也仅为3秒左右。要想实现大小铜球“同时”释放以及判断是否“同时”落地，显然超出了当时的实验测量精度。事实上，该实验还需要考虑物体的形状、材质、空气的阻力等更多复杂的因素，比如一根羽毛和一个铁球，下落速度显然不同。直到后来，美国宇航员在月球表面真空环境下，演示了羽毛和铁球的下落速度基本相同，科学家甚至在原子尺度上，精确测量了单个铷原子和铯原子“下落”的时间，完成了现代版的“比萨斜塔实验”。伽利略这种将观测事实适当合理外推的方法，直到今天仍然是科学界常用的方法，特别是在天文学观测中，科学家要依赖极其有限的数据，去推测极其遥远的宇宙深处发生的事实。

关于自由落体定律，伽利略还提出了著名的“思想实验”的方案，即不用实际开展实验测量，假想某些实验过程，就能发现现有结论中的悖论。让大小两个铜球在同一高度释放，假如小球下落慢、大球下落快，那么把两个球绑在一起的话，必然小球要拖慢大球的下落速率，于是下落速率应介于两者之间。可是问题在于：两个球绑在一起的质量大于其中任何一个球，若看成一个整体，那它们的下落速率应该大于其中任何一个，而不是介于两者之间。这前后两个矛盾，都是基于亚里士多德的思辨模式，却否定了“物体越重，下落越快”的论断。“思想实验”的存在，让后来的物理理论，必须服从基本的原理——自洽性和完备性。也就是说，在理论的基本假设前提下，采取的各种思想实验方案，得出的结论都不能与该理论产生的结论相悖，否则该理论要么是其前提假设有错，要么是其结论有问题。

伽利略不仅创造了近代科学研究的基本方法，而且还奠定了物理学的基本思想——相对性原理。物理学规律究竟在什么环境下才可以成立？不同观测者得到的物理规律是一样的吗？或者说，物理学是不是一种依赖于观测者本身的学说？伽利略在两部“对话”著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于两门新科学的对话》（1638年）中，详细阐述了他的观点。伽利略认为，在河岸上的观测者，和在河中匀速行驶的船上的观测者，他们看到的物理规律并无不同。比如，同样是竖直上抛一个小球，无论是在岸上还是在船上，它必然会落到观测者手中，小球下落速度也是相同的（不考虑空气阻力）。如果把你封闭在一个匀速行驶的物体中，看不到窗外的景色，你无法确定该物体是不是在运动。换言之，匀速运动的物体和静止物体的环境是等效的，判断物体是不是在运动则是相对的，它依赖于观测者和物体。伽利略的思想，明确给出了参照系和惯性的概念，同样对亚里士多德的哲学论断提出了挑战，更是为牛顿力学奠定了基础。事实上，爱因斯坦的狭义相对论正是从相对性原理出发，在假设光速不变的前提下，提出了高速运动物体的基本规律，并且明确了在所有惯性系得出的物理规律（引力除外）都一样。而广义相对论，则在此基础上，更加大胆地提出了等效原理和广义协变原理，即物理规律不随任何参考系而改变。从伽利略的“对话”，到牛顿的经典力学体系，再到爱因斯坦的相对论，是人类逐步深入认识相对性原理的过程，而并非是后者对前者的颠覆。

（作者：罗会仟，中国科学院物理研究所）

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文章节选自《科学 教师教学用书 （五年级上册）》一书，教育科学出版社出版。