下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
伽利略（1564～1642）生于意大利比萨，从小聪明好学，有时他仰望星空，若有所思，又好像在同星星作无言的交谈。1590年他写了《论重力》，对亚里士多德的落体观念提出了质疑，相传他还在比萨斜塔做了自由落体的实验。后在帕多瓦大学任教，完成了自由落体、斜面的研究，并开始用望远镜观察天体，热情地宣传与捍卫哥白尼学说。1632年出版《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。这一部部充满新思想的著作引起了教会的震惊。1615年教会把哥白尼的著作列为禁书，并向伽利略发出了警告。1633年他又受到教会的审讯，但他一直拒绝认罪。从6月21日开始，教会对他连续审讯了50个小时，进行了残酷拷打。最后伽利略被迫在认罪书上签了名。次日，教会在圣玛利亚教堂前面宣读了判词：“太阳是世界中心而且是静止的原理在哲学上是荒谬的、虚伪的而且形式上是异端的，因为它和《圣经》上所说的相矛盾。”
伽利略是近代实验科学的奠基人，他的科学思想是文艺复兴运动的产物。要了解伽利略的科学成就，首先要了解他的科学精神，这就是：不迷信亚里士多德著作的词句，继承和发扬了阿基米德的实验传统与意大利思想解放运动的传统。这种精神是近代自然科学的灵魂。
当近代科学开始诞生的时候，被教会和阿奎那重新打扮过的亚里士多德已成为束缚人们思想的最大障碍。如果还把亚里士多德的字句当作永世不能怀疑的金科玉律，那就不可能有近代的科学。历史要求人们必须解决一个问题：应当怎样正确对待亚里士多德？早在比萨大学读书时，伽利略就指出：亚里士多德生活在近2000年前，现在世界已发生了很大的变化。亚里士多德没离开过地中海流域，而现在人们已完成了环球旅行。亚里士多德只了解世界上的一个小角落，他不可能永远正确、不犯错误。
他在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中又系统地回答了这个问题。他说有些人很胆怯，不敢超出亚里士多德一步。当亚里士多德的一些说法同事实不符时，他们宁愿随便地否定他们亲眼看见的天上的那些变化，而不肯动亚里士多德天界的一根毫毛。这些人是亚里士多德思想的奴隶，不管亚里士多德讲什么他们都盲目地赞成，并且把他的话一律当作丝毫不能违抗的圣旨，好像宇宙始终像亚里士多德所说的那样，而不是自然界要它成为的那样。在公开辩论时，当某人在讲述自己的某个观点时，他的话却常常被反对者打断了，因为反对者引用了一段亚里士多德的原话堵住了他的嘴，而这段话往往是为了不同的目的而写的。伽利略气愤地说：别人提出相反意见，他们都一律加以轻蔑，火冒三丈。试问，还有比这种做法更令人反感的吗？
他指出，这些人这样做反而损坏了亚里士多德的声誉。“我时常弄不懂，那些坚持亚里士多德的一词一句的人，怎么会看不出他们对于亚里士多德的声望是多大的妨碍；他们越是想抬高他的权威地位，实际上就越是贬低他的权威性。”“我赞成看亚里士多德的著作，并精心进行研究，我只是责备那些使自己完全沦为亚里士多德奴隶的人。”
他反对教会的思想统治，认为理解世界不要从研究《圣经》开始，而要从研究上帝所创造的事物开始。如果《圣经》与事实不一致，则事实第一位，《圣经》第二位。为何我们一谈起太阳或地球时，就坚持认为《圣经》是绝对不会有错误呢？
伽利略十分重视运动学的研究，并努力建立一门新科学。他在《两门新科学的对话》中说：“我的目的，是提出一门新科学来处理一个很古老的课题。在自然界中，最老的课题莫过于运动。尽管哲学家们对此写出了卷帙浩繁、内容庞杂的著作，我却发现运动的某些性质仍是值得探讨的。”
伽利略对亚里士多德运动学的批评，是从落体问题开始的。伊壁鸠鲁（前341～前270）在公元前4世纪就提出：“尽管原子在质量和形式上是那样的不同，然而它们却以同样的速度在虚空的空间中运动。”
在德谟克利特看来，原子有重量是不言而喻的事情，可是伊壁鸠鲁则认为重量只有在不同重量的物体相比较时才存在。原子相对于虚空而言，它们的重量规定性就消失了，所以它们就以相同的速度下落。伊壁鸠鲁是自由落体正确观念的先驱，因为他正确地指出了所有不同重量的物体在真空中将以相同的速度下落。但他的这个结论纯粹是理性思考的结果，而且在他的思考中也包含着矛盾：如果原子的重量消失了，它们又怎么会下落呢？古罗马原子论者卢克莱修把这一思想表述得更清楚：“因此，每样东西虽然重量不相等，却必定以同等的速度冲下，通过寂静的虚空运动。”
从14世纪起，欧洲开始使用炮弹，这就要研究炮弹的射程与轨道问题。当时相信亚里士多德运动学的学者们认为，如果有足够的力量，炮弹就会笔直飞向目标。塔尔塔利亚（1499～1559）不同意这种观点，提出抛物线轨道的观念。实践已要求人们重新研究亚里士多德思辨的运动学，用科学的力学来代替它，而要完成这个任务就要建立新的自由落体运动的理论。塔尔塔利亚的一个学生已从实验中肯定一切物体都以相同的速度降落。1544年佛罗伦萨的瓦尔基也指出：“亚里士多德和其他所有的哲学家都毫不犹疑地相信并确认，物体愈重下落愈快，但实验证明这是不正确的。”
荷兰科学家斯台文（1548～1620）对力学作了系统的研究。他是一位工程师，反对盲目迷信亚里士多德，认为实验是建立工程技术的基础。他研究了斜面，认为物体沿斜面滑下来的力要小于它的重量，它同重量的比等于斜面的高度同长度的比。他也研究了自由落体问题。他在1586年出版的一部著作中说：他用两个重量相差10倍的铅球，同时从30英尺（9.15米）的高度落下来，发现二者下落的速度是相同的。斯台文的著作是用荷兰文写成的，这大约是伽利略不了解斯台文研究成果的一个原因。
伽利略尖锐地指出了亚里士多德自由落体观念中的逻辑矛盾。他说，用一根绳子把两块重量不同的石头联系起来，那它们将以什么速度下落呢？按照亚里士多德的理论，它们的重量是两块石头重量之和，所以它们的下落速度也是两块石头下落速度之和。可是用绳子联系起来的两块石头又毕竟不是一块石头，大石块下落速度快，被小石块拖了后腿，所以速度减慢，而小石块下落的速度则有所增加，很快两块石头都以相同速度下落，这个速度就是两块石头速度的平均值。这两个大有径庭的结论都是从亚里士多德的落体观念中推导出来的，可见亚里士多德的说法不足为信。据说，1589年伽利略登上比萨斜塔，让10磅重和1磅重的两个球同时下落，由于下落速度很快，所以看起来两球是同时落地的。为了取得更精确的结果，他想“冲淡重力”，让物体下落得慢一些。于是他同斯台文一样，对斜面进行了研究。他在长约11米的木板上刻上光滑的槽子，让不同重量的小球在同一高度的斜面上滚下，发现它们滚动的速度是相同的，这与斜面夹角大小无关。他说：“一物体和另一相同物体沿倾角不同但高度相同的二斜面滑下所获得的速率相等。”
但不是匀速地滚动，而是越滚越快。调整斜面夹角为90°时，小球的滚动就成了自由下落，于是他通过斜面实验揭示了自由落体运动之谜。
他还研究了摆，发现若摆的长度相同，尽管摆锤重量不同，摆的速度仍相同，即摆动的速度同摆锤的重量无关。摆锤从一定高度向下摆动，可以近似地看作小球从相同高度的斜面上滚落。所以摆的研究也间接地证明了伽利略落体观念的正确。
斜面实验还使伽利略发现了惯性原理。如果让小球从第一个斜面上滚下，再爬上第二个斜面，则小球在第二个斜面上爬到一定高度，就停止上爬再度滚下。这个高度刚好等于小球在第一个斜面上开始滚下的出发点的高度。而这一切都同两个斜面的夹角无关。他说：“沿任何一个［无摩擦的］斜面下滑的一个物体从这斜面滑下之后，继续沿另一个斜面向上运动，这物体获得动量后向上运动所达到的高度与它由之开始下滑的高度相等。”
于是伽利略想，如果第二个斜面的夹角等于零，也就是说它是一个平面，如果不考虑摩擦与空气阻力的作用，那么小球从第一个斜面上滚下以后，它在第二个斜面（即平面）上就永远达不到它原来出发时的高度，那它将永远滚动下去。这说明力是产生加速度的原因，而不像亚里士多德所说是产生匀速度的原因。
1638年，伽利略在《两门新科学的对话》中把上述的斜面实验的发现概括为如下的话：“物体沿水平面运动，没有受到任何阻力时，那么……它的运动是均匀和永无止境的，只要平面在空间中是无限的话。”“任何物体都不能自己变换运动状态。”
伽利略特别注重对自由落体问题的研究，他认识到自由落体运动是弄清自然界所能观察到的各种运动的关键。他是这样评价自由落体的研究的：“这是第一次为新的方法打开了大门，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里会博得许多人的重视。”“一门博大精深的科学已经出现，我的工作仅仅是一个开端……”
的确，自由落体运动给他带来了一连串的“奇妙成果”。自由落体问题在伽利略力学中的地位，就像火星研究在开普勒天文学中的地位一样。伽利略正是以这个问题为突破口，从根本上动摇了亚里士多德的运动学。
惯性定律告诉我们，静止状态与匀速直线运动状态有某些共同之处，那么我们能否在力学中把这两种状态区分开来呢？由此伽利略提出了相对性原理。他说在一只匀速运动的密封船舱里，一切力学现象都同静止时一样：小瓶里的水照样一滴滴地垂直滴下来，盆中的鱼照样自由游动，小虫子也照样自由飞翔，在船上用同样的力气往各个方向跳，都会跳得同样远。总之，我们找不到任何力学现象能使我们判断出船是处于静止状态，还是处于匀速直线运动状态。这就是说，不可能在一个匀速直线运动的实验里，通过力学实验来判定它是否在做匀速直线运动。
惯性定律说明静止与匀速直线运动都是物体在不受外力作用下能不断维持下去的状态，相对性原理说明在静止与匀速直线运动这两种状态中力学定律是相同的。这两个观念无非是说：在静止或匀速直线运动状态中，物体同样具有维持静止或匀速直线运动状态的能力，这就揭示了力学中的静止状态与匀速直线运动状态的等价性。对一个观察者来说是静止的状态，对另一个观察者来说可以看作是匀速直线运动的状态，这样就提出了参考系的变换问题，伽利略变换就解决了这个问题。
总之，伽利略确立了科学的自由落体定律、惯性定律与相对性原理，指出力是产生加速度的原因，为经典力学奠定了基础。
伽利略在天文学上的贡献主要在两方面：其一是用望远镜观察天体，获得了一系列重大的发现；其二是用他的力学思想与天文学中的新发现进一步捍卫和丰富了哥白尼学说。
他发现月亮也同地球一样，有高低不平的山谷。“月亮的表面（以及其他天体）不像许多哲学家所相信的那样，是平坦的、一律相同的，是准确的球形，而是不平坦的、粗糙的，充满了凹坑和突丘，与具有高山和深谷的地球表面并没有两样。”
这雄辩地说明天体并不像亚里士多德所说的那样完美无缺。他发现了木星的4颗卫星，观察到了金星和水星的周相，为哥白尼的太阳中心说提供了新的证据。他观察到了太阳黑子，估计黑子的面积比地球上亚非两洲的面积还要大，并发现黑子在有规则地移动，周期约27天。他用望远镜发现了许多肉眼看不到的天体，大大扩大了人们的视野。这些发现都记述在《星际使者》和《关于太阳黑子的通信》中。他的这些著作在社会上引起了轰动。人们抢着阅读他的书，并希望能得到一台望远镜。他也到处演讲，让人们用望远镜观察天空。可是教会却说望远镜是“魔鬼的发明”，根据是《马太福音》中有这样一句话：“魔鬼带他上了一座高山，将世上的万国都指给他看。”
甚至到了1661年，有个叫塞杰的天文学家居然还否认木星会有卫星。他说：“头上有七窍，两个鼻孔、两个耳朵、两只眼睛和一张嘴，所以天空有两颗吉星、两颗凶星、两颗亮星和唯一的一颗不明不暗、不吉不凶的木星。根据这些以及其他许多类似的自然现象，如七种金属等，这类现象多不胜举，我们推断行星的数目必然是七颗（包括太阳和月亮）……现在假若我们增加了行星的数目，整个体系就要土崩瓦解，……尤其是这些卫星，它们用肉眼是看不见的，所以它们不能对地球有影响，所以它们是无用的，所以它们不存在。”
伽利略驳斥了亚里士多德的天体不变论。亚里士多德认为生灭、变化只有在对立中才能存在，而天体的圆周运动是不包含对立的，所以天体不生不灭不变化。伽利略反驳说，圆周运动并非只有天体才有，地球也有圆周运动；对立也并非只有地球才有，天体也有轻与重、密与稀的对立，所以地变天亦变。逍遥学派认为地球的变化是我们天天都看到的，可是我们却从未看到天体的变化，所以天体没有变化。伽利略指出，我们不能把未看到的东西说成是不存在的。难道太阳黑子过去一直没有变化，只有在我们看到它变化时它才变化吗？
他还驳斥了亚里士多德的天贵地贱和天地是两重世界的观点。他指出地球也是天体，同月亮有许多相同之处。月亮上也有山谷，太阳上也有黑子，它们并不比地球高贵。正因为地球在不断变化，它才可亲可贵。生灭变化对不生不灭不变来说，是更大的完善。长期以来，天地有别的看法妨碍人们承认地球是个普通行星。要推广日心说，就要驳倒天地迥然不同的观念。当初哥白尼并未做这件工作，反而过分渲染了太阳的特殊地位。伽利略则用新的观测事实来论证天地的一致，这是对哥白尼学说的一个贡献。
伽利略还用他的力学知识驳斥了亚里士多德、托勒密的地心说与地静说，这是他的天文学思想的主要内容。
为什么地球在运动，重物还会垂直下落？他的解释是：重物跟随地球一块做圆周运动，重物的下落实际上是圆周运动与直线运动的合成。圆周运动是地球、重物和人所共有的，所以人观察不到重物的圆周运动，而只能看到重物所特有的直线运动。他说船在航行时，从桅杆顶上落下的石头，仍然会落在桅杆脚下。17世纪40年代法国的伽桑第曾做过这个实验，证实了伽利略的这个判断。
把地球上的重物趋向地心这个事实当作地心说的证据也是不能成立的。他说：重物趋向地球中心，就是趋向它们的共同母体，而不是趋向宇宙的中心。那么宇宙是否有中心呢？他说：“我们并不知道宇宙中心在哪里，或者究竟存在不存在。即使存在，它也不过是一个想象的点；一个空洞的，没有任何性质的东西。”
为什么地球自转时，我们没有感到一股东风呢？为什么飞鸟仍然能够自由地飞翔呢？他回答说，因为地面上的空气也随着地球一块运动，所以对空气来说地球的运动是不存在的，一切都跟地球处在静止状态中一样。
地球在自转时为什么不会把地面上的物体抛向太空呢？因为地球运转的速度很缓慢，还不能产生那么大的力量。他反问：如果地球不动，整个宇宙围绕地球运动，那地球又怎能抵挡得住这股强大的力量呢？他说，自然界不会让庞大的宇宙围绕小小的地球旋转。这就像后来罗蒙诺索夫指出的，即使不懂得天文学的厨师也会明白：只有烤肉围着炉子转，没有炉子围绕烤肉转的道理。自然界最经济节约，这本是亚里士多德提出的观点，现在却被当作批评亚里士多德地心说的武器。
伽利略在天文学上的贡献是卓越的，但同他的力学相比，提出的新思想却不太多。他有那么丰富的力学知识，是完全可以用它来揭示天体运动的力学原因的，但他没有这样做。他认识到落体是以加速度下落的，但是却不愿意探讨产生加速度的原因。他说：“目前还不是恰当的时候去研究物体在自然运动中产生加速度的原因。关于这个问题，哲学家们提出各种不同的意见，有些人解释为由于地心的吸引，另一些人则认为是由于物体各部分相互排斥的结果，还有一些人归因于四周介质的某种应力，认为紧靠在落体后面的应力驱使它从一个位置移到另一个位置。所有这些及其他的一些奇妙的幻想都应该一一检验。但是实际上并不值得这样做。在现阶段，我们的作者的目的只是考察和论证加速度运动的某些性质，而不管产生这种加速度的原因是什么。”
他又说：“我们既不知道使石块落地是由于什么力量，也不知道使抛射体向上飞去的是什么力量，更不知道使月亮在它的轨道上运行是由于什么力量。”
他如果把自由落体、抛射体和天体三者联系起来，就会接近万有引力理论，但他没这样做。
他知道开普勒关于如果没有地球对海水的吸引，那海水将在月亮的吸引下奔向月亮的那些话，但他不同意这种说法。他说：“我对开普勒比对其他任何人都更加感到惊讶。尽管他思想开阔而且敏锐，尽管他已经掌握到地球的那些运动，他却仍然对月球支配海水，对这种神秘的属性和幼稚的说法听得进，而且加以肯定。”
伽利略与开普勒是朋友，虽未见过面，却有书信来往。在捍卫哥白尼学说方面，他们的心是相通的。可是这两位科学伟人却没有真正地相互合作过。开普勒不知道惯性定律，还认为要维持运动就要有力的不断作用；伽利略仍然保持匀速和正圆轨道的观念，一点也不理解开普勒的三定律。他们的科学思想有时显得那么亲近，有时又显得这样隔阂，这实在令人惋惜和费解。
伽利略以实验方法为中心，广泛地采用了各种研究方法，并在希腊化时代重视经验传统的基础上，创立了科学的实验方法，在自然科学的研究方法上开辟了一个新的历史时期。
他的认识论思想是唯物主义的。他认为我们应当从自然界中，而不是从书本中去寻找真理。建筑图样应当适应建筑学法则，目的应当适应事实。科学的结论要经受实验的检验，经过实验证明的科学结论就是不以人的意志为转移的。任何博览群书、知识渊博的人，都不能不理会自然界的实况。一个平凡的人只要找到了真理，他也会使1000个大演说家德摩斯梯尼和1000个亚里士多德陷于困境。
伽利略强调感觉、经验在科学认识中的地位。他认为自然科学本质上是实验科学，而实验科学的出发点是感觉和经验。但他也没有忽视理性的作用，因为感觉和经验是有局限性的。他说：“在阿里斯塔克和哥白尼身上，理性和论证克服了感觉的证据。”“哥白尼信赖理性，而不信赖感觉经验。”
在演绎与归纳的问题上，他认为在实际的认识过程中，是归纳先于演绎。他指出演绎的方法只是亚里士多德著书立说的方法，而不是他考察问题的方法。
他在逻辑上发现了亚里士多德落体观念的错误，促使人们不得不对亚里士多德的观念提出怀疑。但是正如他说的：在自然科学上，雄辩术是不起作用的。自然科学上的是非问题不能单凭逻辑上的辩论来解决，于是他就在比萨斜塔上让轻重物体同时落下，邀请人们来亲眼看看物体自由下落的实际情形。
人们通常称这次活动是一次实验，实际上它是一次观察。这种观察活动虽提供了生动的感性认识，但立刻显出了它的局限性：物体下落得太快，塔又不太高，所以难以得出明确的结论。于是他另辟蹊径，开始了斜面的研究。这种实验活动具有明显的优点：可以由人工控制斜面的长度和夹角，从而得以控制小球滚动的速度和所经历的时间。为了使实验结果精确，他尽量排除其他因素的干扰。比如为了减少摩擦，就把小球做得尽量的圆，在木槽上铺上了羊皮纸。
他特别重视定量实验的研究，创造一些可以测量的条件，从实验结果中概括出数量关系式，从而把数学引进了力学。他说过，大自然这本书是用数学的语言写成的。就是说，不懂得数学的语言，就不能揭开自然界的奥秘。他也许是第一个用横坐标和纵坐标来表示时间和速度的人。他说吉尔伯特要能有更多一点数学家的气息就好了。伽利略自己正是一位具有浓厚数学家气息的物理学家。
实验总是在一定的场合下，应用一定的物质手段进行的，而这些物质条件都不会是完全理想的。他当时也不可能排除空气的阻力。在从斜面实验得出惯性原理的研究中，他不可能真的做一个无限长的斜面。这时，伽利略就采用了抽象的方法，弥补了实验条件的限制。动手与动脑，这是科学研究中不可缺少的两个方面。古希腊的学者忽视了前者，古罗马的学者忽视了后者，而在伽利略这里，两者达到了一定程度上的结合。不少人说伽利略并没有真的登上比萨斜塔，那只是历史上的一种传说。其实伽利略不一定非要登上斜塔，他只要让他的几个小球在他的书桌上登上一定高度的斜面就可以了。在斜塔上不能解决的问题，在斜面上可以解决。
在伽利略的研究活动中，还有一个宝贵的特点，就是善于在人们熟视无睹的平凡事件中，挖掘出不平凡的道理。船在平稳航行时，船内的一切力学现象同船静止时一样，这是很多坐过船的人都体验过的现象，但极少有人思索过它的道理。可是伽利略对此却兴味盎然，像个小孩一样要问个“为什么”。他观察当船匀速直线前进时，船舱中的小虫子翅膀抖动得是否更快一些，是否会显得更加疲劳一些；人往不同方向上跳跃，是否会跳得一样远……这在常人看来似乎有点可笑，但发现相对性原理的毕竟是伽利略。他说得好：“致力于伟大的发明，从最微贱的开头开始，并且认识到神奇的艺术就蕴藏在琐细的和幼稚的事物之中，这不是平凡的人能做的事；这些概念和思想只有出类拔萃的人才会想得出来。”
1979年11月10日，罗马教皇公开承认过去对伽利略的审判是不公正的。次年，一个由杨振宁、丁肇中等著名科学家组成的委员会重新审理了“伽利略案件”，为伽利略平反昭雪。科学又一次战胜了神学。
当开普勒的行星运动定律和伽利略的力学相结合时，历史便产生了牛顿。在叙述牛顿以前，应当先谈及笛卡儿的科学思想，因为牛顿若不抛弃笛卡儿的旋涡学说，就不可能建立他的万有引力理论。