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历史上尽管并没有这样一个瞬间，科学取代神秘主义成为解释宇宙运行的方式，但是发生在16世纪到17世纪的两个人的人生却（至少对他们来说）巧妙地勾勒出了这一转变。当然，后来还有一些具有神秘主义倾向的科学家，包括（我们已看到的）像开普勒一样的杰出科学人物以及（我们很快将会看到的）炼金术士。在17世纪第一个10年之后，将假说与实验和观察相比较以去芜存菁的科学方法已然在英格兰的威廉·吉伯（William Gilbert）与意大利的伽利略的工作中明显地表现出来，并且成为那些明眼人所仿效的样本。
伽利略是科学上的杰出人物之一，今天每个受过教育的人都知道他的名字；而吉伯被人知晓的程度则不及他本应得到的声望，但他的生辰日期更早些，至少从年代角度而言，他都应该得到“第一位科学家”的名头。威廉·吉伯是他变得有名以后在历史书中的名字，而他的同时代人更愿意用他本人的家族姓氏拼写作吉尔伯德（Gilberd）。他于1544年5月24日出生在埃塞克斯郡的科尔切斯特，是当地一个显赫家族的一员——他的父亲杰尔姆·吉伯（Jerome Gilberd）是区记录员，这是当地政府的重要官员。威廉在一个固定的社团里有一个安逸的职位，开普勒遭过的罪他是一点儿也没受过；他在当地的文法学校学习，后来于1558年前往剑桥。关于他的早年生活，人们所知甚少，但有一些记录显示，他还在牛津学习过，尽管并无关于此事的正式记录。他于1560年完成了他的文学士学位，并成为他所在学院（圣约翰学院）的一名研究人员，继续于1564年获得文学硕士学位，1569年获得医学博士学位。他随后在欧洲大陆旅行数年，之后在伦敦定居，在那里，他于1573年成为皇家医学院的一名研究人员。
吉伯是一名极其成功而杰出的医生，他依次执掌了皇家医学院的每一个部门，其如日中天之时便是在1599年当选为院长。次年，他被任命为女王伊丽莎白一世的私人医生，后被她封为爵士。当女王于1603年5月去世时，他被任命为她的继任者詹姆斯一世的医生。詹姆斯一世也就是苏格兰的詹姆斯六世（James Ⅵ），曾出游丹麦并找到了他的新娘，还在逗留期间遇到了第谷。吉伯于1603年12月10日去世，只不过比伊丽莎白多活了几个月而已。不管他作为一名医学人士名望如何，吉伯在科学上留名都是因其在物理学上通过对磁性的全面研究而实现的。
严格说来，这些研究是一个业余爱好者的成果，而这位业余爱好此道的绅士也是一个足够富有的人，根据当时的记录，他在定居伦敦后的30年中在科学工作上自己掏了约5000英镑
。起初，他对化学感兴趣，但不久（在他确信炼金术的信条，即能将贱金属转变为贵金属是一个幻想之后）便转到了对电学和磁学的研究，这是自希腊哲学家大约2000年前的研究（或者不如说是沉思）以来基本上被忽视的一个地球的特征。在经过18年左右的研究之后，一部重要的著作《论磁性、磁体以及地球大磁石》（
De Magnete Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure
，通常简称为《磁石论》）出版，这个工作于1600年达到顶点。这是英格兰的第一个物理科学领域的重要工作。
吉伯的工作是广泛而全面的。他通过实验反驳了许多旧有的关于磁学的神秘主义的信仰，比如认为天然磁石——一种在自然状态下显示有磁性的矿石——可以治愈头痛的观念，还有认为磁体与大蒜摩擦就会失效的观点；他还发明了用天然磁石使金属片生磁的技巧。他发现了对于今天上过学的我们来说是如此耳熟能详的磁体的吸引与排斥法则，还表明地球本身也像一块巨大的条形磁铁，并将条形磁铁的两极命名为“北磁极”和“南磁极”。他的研究是如此全面而彻底，以至于在吉伯之后的长达两个世纪期间都没有新的东西被添加到关于磁学的科学知识中，直到19世纪20年代电磁学的发现以及法拉第（Michael Faraday）后来的工作。吉伯的兴趣还——必然地以一种更为深思熟虑的方式——延伸到了天空。他是哥白尼宇宙模型的支持者，这部分是因为他认为行星可能因磁力而被保持在它们的轨道上（一个使开普勒深受影响的观点）。但是吉伯的独创性还通过他对哥白尼天文学的讨论而得到彰显，他指出根据旋转的地球所造成的摇摆（就像一个旋转的陀螺的摇摆）来解释二分点进动（太阳在春天和秋天与天赤道相交的点看来似乎随着数世纪时间流逝而向西缓慢移动，二分点进动就是这种移动所造成的一种现象）是多么容易，而在以地球为中心的水晶球体系（它复杂得实在可怕，我们不会在这里谈论它）框架下来解释该现象又是多么困难。他还提出恒星位于与地球距离不同的位置（而不是全部附着在单独一个水晶天球上），而且可能是像太阳一样被它们各自的适于居住的行星绕行着的天体。他的静电——通过用诸如琥珀或玻璃制成的物品与丝绸摩擦而产生——研究并没有他的磁学研究那么全面，但吉伯认识到电与磁之间是有区别的［在这一背景下，他新创了“电的”（electric）一词］，尽管直到18世纪30年代法国物理学家迪费（Charles Du Fay，1698—1739）才发现存在两种电荷，被称作“正电荷”和“负电荷”，它们在某种程度上像磁极一样行事，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
不过，《磁石论》最重要的特征并不是吉伯发现了
什么
，而是他
如何
发现了它，以及他所确立的为他人仿效样本的科学方法。《磁石论》对伽利略产生了直接影响，后者在该书激励下完成了他自己的磁学研究。也是伽利略，将吉伯称为实验科学方法的创始人。就在他的书中序言的开始部分，吉伯明确阐述了他的科学立场：“在隐匿事件的发现以及对隐藏的原因的调查中，有说服力的理由是从无可置疑的实验与经过证实的论证中得到的，而不是来自哲学思辨者大概的推测与信念。”
作为对其所宣扬的主张的实践，吉伯进而极其细致地描述了他的实验，从而在讲清楚这一方法的效力的同时，也让任何一个足够小心细致的人都可以亲自重复这些实验：
正如几何学是从某些微不足道而又易于理解的基础出发，凭借升华至以太之上的天才的头脑，进而成为最高级、最艰深的证明，我们的磁性学说也是如此。并且科学以适当的顺序以司空见惯的确定事实首先呈现；随后，一种颇为奇特的事实继而出现；最终，地球上最隐秘的东西以一种连贯的方式被揭示出来，而古往今来未受注意的、因被忽视而置之不讲的事物的成因则可被确认。
吉伯大力批评那些哲学家“在不清不楚且不能令人信服的实验基础上进行讨论”，又大声疾呼“在可靠的实验缺失的情况下是多么容易出错”，并力劝“任何一个要做同样实验”的读者，“小心、巧妙而熟练地处理实验对象，切勿掉以轻心，把事情搞糟；当实验失败的时候，别因为无知而批判我们的发现，因为这些书中没有一个实验没被研究过，并反复做过，而且是在我们眼皮底下做重复实验”。
当伽利略读到吉伯的文字时，这对他的灵魂而言必定有如音乐一般美妙。因为如果完全抛开他所做出的发现的重要性，伽利略对科学诞生的至关重要的贡献恰恰在于强调了精确、重复的实验对检验假说的必要性，不要依赖于以纯粹逻辑与理性来试图理解世界运行的旧有的“哲学”方法——该方法曾导致人们相信一块较重的石头将会比稍轻的石头落得更快，而没有任何人真正地通过动手投下一对石头，看看发生了什么以检验假说。这个古老的“科学”哲学学派被称为逍遥学派（peripatetic school），因为他们习惯游走在大学校园或城市街道时讨论这样的问题
。像吉伯一样，伽利略对他所宣扬的东西身体力行，亚里士多德的方法也因为伽利略16世纪晚期与17世纪初在意大利的工作而分崩离析。
伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）1564年2月15日生于比萨，莎士比亚也在同一年出生，而米开朗琪罗（Michelangelo）则在同月去世。这个重复的姓和名来自伽利略的一位15世纪的先祖，此人名叫伽利略·博纳尤蒂（Galileo Bonaiuti），他以一名杰出物理学家与地方行政官的身份而成为社会中举足轻重的人物，于是这个家族为了纪念他而改其姓为伽利雷（Galilei）。“我们的”伽利略也被授予了这位先祖的教名，而且被提到时几乎总是单独以这个教名唤之，而稍有点儿讽刺意味的是，这位一度知名的伽利略·博纳尤蒂如今被记住的身份只是伽利略·伽利雷的先祖。在伽利略出生的年代，他的家族在社会中有着良好的社会关系与受人尊敬的地位，但是要赚钱来维持这个地位一直都是个问题。伽利略的父亲温琴佐（Vincenzio）于1520年出生在佛罗伦萨，是一位很有造诣的职业音乐家，对数学与音乐理论有着浓厚的兴趣。他在1562年娶了一位名叫朱莉娅（Giulia）的年轻姑娘，他们的7个孩子中好像有3个早夭，而伽利略是7个孩子中最大的一个。他幸存的兄弟姐妹是维尔吉尼娅（Virginia，生于1573年）、米凯兰杰洛（Michelangelo，生于1575年）和利维娅（Livia，生于1587年），伽利略作为幸存者中最年长的，在他父亲去世后成为这个家庭的家长，而这给他带来了相当大的烦恼。
但是所有这些都发生在1572年温琴佐决定返回佛罗伦萨之前很久，当温琴佐在故乡重整旗鼓的时候，他带上了朱莉娅而把伽利略留在比萨的亲戚家达两年。在文艺复兴时期，整个托斯卡纳，特别是佛罗伦萨和比萨一度非常繁荣。这一地区由佛罗伦萨大公科西莫·德·美第奇（Cosimo de' Medici）管辖，他还曾因在对摩尔人的一次成功的军事行动而被教皇授予托斯卡纳大公的头衔。在托斯卡纳大区的首府佛罗伦萨，温琴佐成了一名宫廷乐师，而他的家庭则在这一复兴的欧洲艺术与智力中心周旋于君主和贵族们中间。
直到11岁时，伽利略都是在家中接受教育，主要是由他父亲，但有临时家庭教师相助。伽利略凭他自己的能力成了一名出色的乐手，但他从未子承父业，并且终其一生都只是为了娱乐才演奏（主要是鲁特琴）。以那时的标准来看，温琴佐在某种程度上有点像一个自由思想家，而且对教堂的宗教仪式没有什么兴趣。但到了1575年要把伽利略送走以接受更为正规的学校教育之时，纯粹出于教育方面的考虑，显然合适的地方就是修道院（温琴佐在瓦隆布罗萨选了一座，位于佛罗伦萨以东约30千米）。就像在他之前（以及之后）的许多年轻人一样，伽利略爱上了修道院式的生活方式，并且在15岁的时候以新信徒的身份加入了兄弟会。他的父亲惊骇不已，而当这个男孩罹患一种眼疾之时，父亲将他带离修道院送到佛罗伦萨看医生。眼睛康复了，但伽利略没再返回修道院，而且不再说要成为一个修道士。尽管他在佛罗伦萨的教育在与瓦隆布罗萨一样的兄弟会的修道士们监督下又继续了数年，但是他住在家里，受到父亲的仔细看护。在瓦隆布罗萨修道院的记录中，伽利略被正式列为免去圣职的神父。
尽管温琴佐曾设法以一名乐师的身份勉强度日，但他也意识到这一行不太保险的前景，并且打算为他最大的儿子谋划一个受人尊敬且薪水不错的职业生涯。有什么能比将他培养成为一名医生——就像他那位杰出的同名前辈一样——更好呢？1581年，伽利略在17岁的时候被招收成为比萨大学的一名学医的学生，在那里，他与母亲的亲戚住在一起，他们曾在16世纪70年代早期照顾过他。作为一个学生，伽利略很喜欢争论，而且不惧怕质疑当时被多数人接受的（主要是亚里士多德的）古训。由于酷爱争论，他成了其他学生所共知的“争论者”。当他晚年回顾这段岁月时，他详细讲述了他是如何马上想到方法驳倒在逍遥学派教义中被奉为圭臬的亚里士多德学派的观点，即不同重量的物体以不同速度下落。冰雹大小不一，但它们都一起落到地上。如果亚里士多德是对的，重的冰雹在云中生成的位置就得比稍轻的冰雹生成的位置更高，高出来的距离正好可以使较重的冰雹以较大的速度下落，而与在海拔较低处形成的较轻的冰雹一起到达地面。这在伽利略看来似乎相当不可能，而他乐于向他在大学里的同学和老师指出一种更为简单的解释：所有的冰雹都在一片云中相同的位置生成，这样它们都以相同的速度一起落下，无论重量如何。
这种争论的确使伽利略从他的医学学习中分了心，尽管无论如何他都并未以多大的热情去追求这些学业。不过在1583年年初，医学职业的所有前景都消失不见了。当时，每到冬天的那几个月份，托斯卡纳大公宫廷成员都会住到比萨，从圣诞节住到复活节。通过他父亲在宫廷的关系，伽利略在社交场合结识了宫廷数学家里奇（Ostilio Ricci）。1583年年初，就在里奇为某些学生进行一个数学讲演之时，伽利略去拜访了他的这位新朋友。伽利略不是先走开稍后再回来，而是去旁听了讲演并且被这个题目迷住了——他第一次与严格意义上的数学，而不是算术不期而遇了。他成了里奇非正式的学生，并且开始学习欧几里得而不再读他的医学教科书。里奇意识到伽利略在这方面很有天分，而且在伽利略向温琴佐询问是否可以从医学转向数学的学习时对他给予了支持。温琴佐拒绝了，其所依据的看似合理的理由是医生职位非常多，而数学家的职位则少之又少。无论如何，伽利略坚持学习数学，而很大程度上忽略了他的医学课程，结果他在1585年没有拿到任何学位就离开了比萨，回到佛罗伦萨试图以担任数学和自然哲学的家庭教师来勉强维持生计。
另一个值得注意的事件发生在伽利略还是比萨大学的一名学医的学生时，不过这个故事几个世纪以来曾被极大地误传和渲染。几乎确定无疑的是，就是在这个时候，伽利略在一次相当枯燥乏味的布道期间被大教堂里的枝形吊灯缓慢而有规律的摆动吸引住了，因为没有什么更好的事可做，他就用自己的脉搏来记录了钟摆的摆动随枝形吊灯移动的弧度逐渐减小的时间。这促使他发现了摆总是用相同的时间完成一次摆动，无论它摆动的弧度是大还是小。据说伽利略急忙跑回家，用不同长度的摆进行了一些实验，并且立刻发明了有摆的落地座钟。［像其他有关伽利略的传说一样，这个故事很大程度上归功于维维亚尼（Vincenzo Viviani）的著作。这个年轻人在伽利略眼盲以后成为这位老人的抄写员，后来更成为他的信徒，而他常常被他所记述的其主人一生中那些重要时刻深深吸引。］事实上，这个想法在伽利略的头脑中一直保持到1602年，当时他小心地完成了实验，证据表明摆的周期仅仅取决于它的长度，而与摆的重量无关，跟它摆动的弧长也没有关系。但这个想法的种子的确是1584年或1585年在比萨的那个大教堂里播下的。
尽管伽利略开始建立了他作为一名自然哲学家的声誉，完成了一些实验并且开始做笔记，这些笔记后来成为他关于科学的重要著作的一部分，但接下来的4年时间里，他在佛罗伦萨几乎无力维持生计。由于没有独立财产，他能够保障其科学工作的唯一方法就是去找到一位有影响力的资助人，伽利略的救星就是加里波第·德蒙特侯爵（Marquis Guidobaldo del Monte），一位曾撰写过一部重要的力学著作，并且对科学有着浓厚兴趣的贵族。部分归功于德蒙特的影响，1589年，就在没有获得学位而离开比萨大学4年后，伽利略带着一纸为期3年的合约，回到同一所大学任数学教授。
尽管名头很大，但这在学术阶梯上只是非常谨慎的第一步。正像温琴佐很可能向他的儿子指出的那样，比萨大学的医学教授当时能领一年2000克朗的薪水，而数学教授则不得不用60克朗的薪水勉强度日。伽利略不得不自己带教住宿生以补贴收入，这些学生受益于他那几乎是全职的教学与影响，而不只是家庭教师的那几个小时。这在当时是很正常的出路，但只有有钱有势人家的子弟才能付得起这种学费，结果是当这些年轻人结束课程回家以后，伽利略的声名也就在这些可能对他最有益的圈子里传开了。
对这些被招收到伽利略家中的私塾弟子的教学常常与大学里要求伽利略讲授的正式课程大不相同。尽管是一位时髦的数学教授，但他的课程大纲包括了我们称之为物理学以及后来被称作自然哲学的内容。正式的课程提纲仍然主要以亚里士多德学说为基础，伽利略忠诚但并不狂热地在他的讲演中教授这一学说。在私人场合，他讨论关于宇宙的新的非传统思想，甚至还写了一部讲解这些思想的著作初稿，但决定不出版此书——对于一个还未出名的年轻人来说，这确实是一个明智的决定 [1] 。
维维亚尼言之凿凿的另一个传奇说的是伽利略在比萨大学任数学教授时期发生的故事，但再一次地，它几乎肯定不是真事儿。这个著名的故事说的是伽利略如何让不同重量的物体从斜塔上落下，以展示它们会一起下落至地面。并没有证据表明他曾做过任何这样的事，尽管在1586年一个佛兰芒工程师斯泰芬（Simon Stevin，1548—1620，也称Stevinus）的确进行了这一实验，让铅球从一个约10米高的塔上落下。这些实验的结果已被发表，并可能被伽利略知晓。伽利略与从斜塔上落下重物之间的关系，维维亚尼误以为是伽利略在比萨任数学教授时期，其实可以追溯到1612年，当时一位亚里士多德学派的教授试图以这个著名实验来驳倒伽利略有关不同重量的物体以相同速度下落的言论。重物几乎同时，但并不是在完全相同的瞬间落到地面，这被逍遥学派抓住作为证据表明伽利略是错误的。他将会在他的反应中偃旗息鼓：
亚里士多德说，一个从100肘尺（1肘尺为0.45—0.55米）高处下落的45千克的球，在一个0.45千克的球下落1肘尺之前即落到地面。我说它们同时到达地面。在进行这项测试时，你会发现大球领先小球5厘米。现在，在那5厘米的背后，你想要隐藏亚里士多德的99肘尺，而且对他的巨大错误保持沉默，而只说我的细小失误。
故事的真实版本告诉我们两件事。首先，它显著强调了实验方法的力量——虽然逍遥学派学者想要重物以不同速度下落，并且证明亚里士多德是对的，但他们所完成的实验证明亚里士多德是错的。诚实可靠的实验总是实话实说。其次，上述引文给出了伽利略风格与个性的真正意味。他的著作中完全没有提及这一胜利，因此不可能相信他真的亲自进行了这个著名实验。毫无疑问，他从未做过这个实验。
伽利略在比萨大学从未真正适应，而且不久就开始寻找其他职位。他拒绝穿学术长袍——那是他职位的标志，并且嘲笑他的教授同事们陷于职位虚名更甚于对研究宇宙如何运行的兴趣。他还与学生们在镇上肮脏的小酒馆里结成兄弟般友好的忘年之交，引人侧目（在当时，他是满头红发并留着红色的大胡子）。除了他的反权威观点（这使他越来越不可能在1592年获得续聘），对一份更优厚的薪水的需求也在1591年温琴佐去世时变得更为紧迫。温琴佐非但没有给他的孩子们留下什么物质遗产，而且在他去世前不久，温琴佐还许诺给他的女儿维尔吉尼娅一笔丰厚的嫁妆，从法律上来说，伽利略和他的小弟弟米凯兰杰洛对这笔债务负有责任。实际上这意味着，作为一家之主的伽利略不得不承担起这笔债务。由于米凯兰杰洛不但未能支付他那一部分，而且还成为一个身无分文的巡回乐师，他总是回家向伽利略借钱却从未归还过。所有这些都在很大程度上使伽利略负担沉重，因为他喜欢自己花钱去享受美酒和美食，还喜欢大方招待他的朋友，无论他手上有没有钱。
伽利略着手去获取的职位是帕多瓦大学的数学讲席。这是一个声望更高且收入更丰厚的职位，除此之外，帕多瓦是威尼斯共和国的一部分，威尼斯富足而强大，足以与罗马匹敌，在这里，新的思想会得到积极的鼓励，而不是反对。伽利略为争取这个职位亲自拜访了威尼斯宫廷，在那里，他得到了托斯卡纳大使的帮助。当他想要这么做时，伽利略可能是迷人且社交能力很强的，而且他在威尼斯有着很大影响，在那里，他与皮内利（Gianvincenzio Pinelli）、弗朗切斯科·德蒙特（Francesco del Monte）尤其亲密。皮内利是一位富有的知识分子，拥有一个巨大的收藏图书和手稿的藏书室，而弗朗切斯科·德蒙特是加里波第·德蒙特的弟弟。伽利略得到了这个工作，最初是4年，每年薪水180克朗，还包括一个条款，即威尼斯共和国首脑（即总督）如果希望则可以再延长任命两年。有了托斯卡纳大公的批准，伽利略于1592年10月，也就是28岁的时候得到了这个新职位。［现在的大公是费迪南多（Ferdinando）；科西莫已于1574年去世，并由费迪南多的兄长弗朗切斯科（Francesco）继任，但弗朗切斯科在1587年去世而没有男性继承人，尽管他的女儿玛丽（Marie）成了法兰西皇后。］最初的4年任命最终延长为在帕多瓦的8年逗留，伽利略后来回忆这是他一生中最快乐的几年。
伽利略以非常务实的方式在帕多瓦留下了他的声名，先是用一篇有关军事防御工事（一项对威尼斯共和国相当重要的事务）的论文，然后是以一本以他在大学里的演讲为基础撰写的力学方面的书。除此之外，他还清楚地阐明了滑轮系统的运作方式：尽管乍看起来，一个（比方说）1千克的重物可以被用来举起10千克的重物似乎是不可思议的——一个不劳而获的例子，为了做到这一点，这个1千克的重物就得移动10倍于这个10千克重物的距离，就好像分别举10次来举起10个1千克的重物。因为他的新朋友，比如皮内利，所以伽利略的社会与智力生活也在帕多瓦达到了旺盛时期。在这个新的圈子里，尤其有两个人在伽利略后来的人生中扮演了重要角色，他们是萨尔皮（Friar Paolo Sarpi）和枢机主教贝拉尔米内（Cardinal Roberto Bellarmine）。尽管萨尔皮成了伽利略亲密的朋友，而贝拉尔米内也与伽利略友好地相处（就算不比熟人关系更密切），但他们表现出了大不相同的宗教立场。萨尔皮是一位如此异端的天主教徒，以至于他的一些反对者后来怀疑他是秘密的新教教徒，而贝拉尔米内则是一位重要的权威人物、神学家和知识分子，在对布鲁诺的异端起诉中扮演了重要角色
。
不过尽管伽利略如今受到同行的高度尊敬，并且周旋于有影响的人的圈子，但他还是经常为钱而担心。他试图通过发明某些能使他富有的东西来解决财政问题。他早期的一个设想是最早的温度计，从现代眼光看来，它上下颠倒了。一个玻璃管，一头开口，另一头鼓起成球形，先加热（以排出空气），然后将开口的一端垂直向下放入一碗水中。当管中的空气冷却并收缩时，它就会将水吸上来。一旦温度计装配好，如果受热，球状物里残存的空气就会膨胀，使液体水位下降，而当受冷时，气体就会收缩，将水吸得更高。这项发明并不算成功，因为管中液体的高度还取决于外部气压的变化。但它的确显示了伽利略是多么具有创造性，以及他在实用工作上的才能。
另一个在16世纪90年代中期发展起来的想法，在一定程度上是成功的，但并未让伽利略富有。这是一个被称作“比例规”的装置——一种标有刻度的金属仪器，可以用来做计算器。它最初是一种帮助猎手计算射击不同距离所需高度的装置，但几年后发展成为一种多功能计算工具，它相当于16世纪晚期的便携式计算器，用来处理诸如货币汇率计算、复利计算这样的实用事务。到16世纪90年代末，这种工具卖得如此之好，使得在短时间内，伽利略不得不雇用了一个熟练工来为他制造这种工具。他以相对便宜的价格出售，并且要求所有想要知道如何使用的人支付一笔不菲的学费，这显示了他在生意上的敏锐洞察力。但这未能持久——没有办法阻止其他人复制这种工具，也没有办法防止那些知道使用方法的人传授给别人。
尽管这项发明给伽利略带来的收入增加为时很短暂，但它来得正是时候。16世纪90年代后半期，在他与当地一名来自社会等级较低的帕多瓦女子玛丽娜·甘巴（Marina Gamba）建立起稳定关系之时，他的个人义务也随之增加了。他们俩从未结婚（实际上，他们从未共居一室），但他们的关系人尽皆知，且玛丽娜还给伽利略生了3个孩子——两个女儿（分别生于1600年和1601年）和一个儿子（生于1606年）。儿子以他祖父的名字起名叫作温琴佐，后来被正式确认为伽利略的继承人，并且承袭了他的名字。女儿们命里注定要成为修女，这可能是一种必然的命运，挣钱来为妹妹们支付嫁妆给伽利略带来了持续的麻烦，因此他决定不再为女儿而陷入相同的处境。他的妹妹利维娅于1601年，也就是伽利略第二个女儿出生的同一年结婚，而伽利略和米凯兰杰洛（他到彼时为止都住在德国）许诺给她像维尔吉尼娅一样的一大笔嫁妆。再一次，米凯兰杰洛从未支付他的那一部分。
1603年，伽利略患上一种将会影响他余生的疾病。在与朋友去帕多瓦附近山间别墅期间，他在山中散步（像他经常做的那样），然后吃了一顿大餐，随后和他的两个同伴一起去一个装有冷气装置的房间睡觉，冷气通过一个管道系统从附近的洞穴进入房间。这种早期形式的空调在三个人准备睡觉时被堵住了，但后来被一个仆人打开，从而使得来自洞穴的寒凉潮湿的空气进入了房间。这三名住客都生了大病，其中一个死了。看来似乎远远不止寒气，很可能来自洞穴的某种有毒气体进入了房间。无论确切的原因是什么，伽利略在其余生中都因反复发作的关节炎而遭受痛苦，不时地就会使他不得不卧床数周。他一直认为这种慢性病来自他在1603年这场与死神擦肩而过的经历。
到1604年他40岁的时候，伽利略已经建立起他作为一位自然哲学家和数学家的声望，他为威尼斯提供了实际的好处，并且在帕多瓦过着充实而快乐的生活。正是在那里，他完成了著名的摆实验和斜面滚球实验，他用之研究加速度并且证实（他并没有让什么物体垂直下落）不同重量的物体在重力作用下的确以相同的速率加速。伽利略总是进行实验以检验假设，如果实验结果并不符合预言，便修正或抛弃那些假设，这正是伽利略工作的关键特征。伽利略还研究了流体静力学；追随着吉伯的工作，研究了磁现象；他还与其他自然哲学家通信，其中包括开普勒（在1597年5月写给开普勒的一封信中，伽利略第一次明确阐述了他对哥白尼宇宙模型的热情）。
与此同时，伽利略的私人生活也很充实。他学习了文学和诗歌，定期去剧院，并且一直弹奏鲁特琴，达到了很高的水平。他的演讲很受欢迎（尽管他发现这是一件让他从实验工作与社会生活中分心的令人生厌的事），而他作为反亚里士多德者的日渐增长的声誉仅仅提高了他在自由思考的威尼斯共和国的威望。每当他在大学的职位合约到期，毫无疑问地会得到续约，而且他的薪水已涨到足以让他过得舒舒服服，根本不必未雨绸缪任何事，更何况考虑从职位上退休。
1604年，当开普勒研究过的那颗超新星出现在10月的天空时，伽利略的声望进一步地提高了。运用他借由军事方面的工作而发展起来的细致测量方法，伽利略第一次将自己变身为一名天文学家，并且证实这颗新星在天上并未显示出相对于其他恒星的任何运动。他做了一系列深受欢迎的公众演讲，证明这颗超新星和地球的距离必定与其他恒星和地球的距离相同，反驳了亚里士多德的不变天球的概念，并在一首小诗中概括了他的结论：
其位不比其他恒星更低，
又不以其他方式游来荡去，
大小不变、位置不移。
所有这些都在最纯粹理性基础上证明，
对地球上的我们来说，它没有任何视差，
因为天空的尺度巨大。
但是在伽利略的公众声望日益增长之时，他的私人生活开始出现问题。1605年，他（在佛罗伦萨）的两个妻舅都因为他未支付分期付款的嫁妆而起诉他。伽利略的朋友萨格雷多（Gianfrancesco Sagredo），一位比伽利略年轻7岁的威尼斯贵族，支付了诉讼费并竭尽全力推迟法律程序，但到1605年夏，伽利略不得不造访佛罗伦萨就他的讼案进行辩论。很合时宜的是，恰在此时，托斯卡纳大公夫人克里斯蒂娜（Christina）邀请伽利略去指导她十来岁的儿子科西莫（Cosimo）使用伽利略的军用比例规并辅导他学习数学。这明显标志着伽利略在宫廷的特权地位，而这（可能还要加上来自克里斯蒂娜对法官的某种直接的压力）导致针对伽利略的索赔风波终于平静，至少暂时如此。但这次访问也唤起了伽利略返回托斯卡纳以度余生的愿望，更适宜的做法则是通过宫廷的任命，这会使他免除任何演讲的义务
。这是一件很有可能的事，因为佛罗伦萨的宫廷数学家（里奇，最早向伽利略介绍数学的人）已于1603年去世，这个职位仍然空缺。他开始为这一回归而奔走，并且于1606年在一部题献给科西莫·德·美第奇的限量版图书中发表了他的比例规使用手册。尽管伽利略再度得到了他在帕多瓦的那个职位（薪水也再次增加），但他与托斯卡纳保持着非常畅通的沟通。
正当伽利略思考着他私人生活的重大变化，并且为一本计划中的著作而从数年以来实验工作中收集材料时，意大利的政治形势发生了急剧变化。1605年，保罗五世（Paul Ⅴ）已被选为教皇，并尽其全力扩大教会的权威，加强教皇对天主教国家的控制。不利条件——按照教皇所担心的——是他没有任何自己的强有力的军队，而扩大他的影响意味着既要依靠其他的世俗权力，也要（借助于宗教裁判所来）实现他在精神上的权威。威尼斯尤其是他的眼中钉肉中刺，特别是因为萨尔皮，那时他是总督的神学顾问，公开主张通往天国之路仅仅经由精神活动即可，否认国王与教皇以上帝名义行使政治权力时所谓的“君权神授”。在争论的另一方，这一君权神授观念的主要智力支持来自贝拉尔米内，他如今是罗马教皇的主要幕后力量，这尤其是因为保罗五世知道他的教皇地位要多亏贝拉尔米内决定不将自己的名字列入决议。争论还有其他一些方面，我们在此将不会涉及，因为他们与伽利略的人生没什么直接关系。结果，1606年，教皇将威尼斯总督及其所有官员逐出了教会，包括萨尔皮。尽管在威尼斯的神父们中有一些真挚的自我反省，但总体而言，威尼斯共和国对被驱逐忽视不顾，并且像平常一样处理它的事务（包括宗教事务）。作为报复，所有耶稣会士都被驱逐出了威尼斯共和国。在这种情况下，宗教势力，甚至地狱之火的威胁，明显都未能扩大教皇的权威。由于天主教西班牙组织起来支持教皇，而法国（此时主要是新教教徒）则为威尼斯提供援助，因此唯一的选择，即战争一度显得极有可能。
不过，这场危机在几个月后过去。随着紧张形势得到缓解，萨尔皮便受到邀请赴罗马与贝拉尔米内讨论他的神学观点，并被告知在那里“他将受到亲切友好的接待”。在告知其朋友他很清楚地知道这场争论很可能被梵蒂冈利用，而后者会将他抓捕并烧死后，萨尔皮拒绝了邀请，说他正忙于威尼斯的国家事务。为了支持他，威尼斯参议院正式禁止他离开共和国。梵蒂冈无法烧死萨尔皮，便烧了他的书；威尼斯参议院迅速将他的薪水涨了一倍。威尼斯赢得了这场与罗马的政治斗争，而萨尔皮在共和国的影响达到了前所未有的程度。但在1607年10月7日夜晚，萨尔皮在街上遭到5个人的野蛮袭击，他们刺了他15刀，并且将头部被刺入一柄小匕首的萨尔皮弃之不顾，这柄小匕首从他的右太阳穴刺入，从右脸颊穿出。令人惊异的是，萨尔皮幸免一死（自称刺客的人逃去了罗马，与他一样幸免一死）。
对萨尔皮的袭击给伽利略留下了深刻的印象。他意识到，即使威尼斯共和国能与罗马对抗，但未能与天主教站在一条阵线上的个人在意大利任何地方都会处于危险之中。除此之外，1607年到1608年的冬天天气恶劣得不同寻常，帕多瓦下了很大的雪，而在1608年3月至4月，伽利略因为他的关节炎而饱受痛苦。不管这些困难如何，他都坚持为他有关力学、惯性以及运动的巨著而做着准备。就在这一时期，伽利略意识到并证明了当一颗子弹被枪射出或是一个物体被抛出，其所依循的路线是抛物线，这是一种一端开口的椭圆曲线。甚至在17世纪初，很多人仍然认为如果炮弹被从大炮水平射出，它会以直线飞出一定距离，然后垂直落向地面；更为敏锐的人已经注意到（或是猜测）炮弹实际的射程呈弯曲轨道，但直到伽利略的工作之前，还没有人知道曲线的形状，甚或它是否总是相同一种曲线，无论炮弹的速度和重量如何。他还证明，如果炮弹击中与炮处于相同海拔高度的目标，那么（如果空气阻力忽略不计）它击中目标时的速度与离开大炮时的速度相同。
1608年夏，伽利略对金钱以及他糟糕的健康状况感到担心，这使他从工作中分了心。此时他被克里斯蒂娜召到佛罗伦萨，去监督阿尔诺河上的一座木制大舞台的建造，它将用来给她的儿子——1609年在费迪南多去世后成为科西莫大公二世——举行订婚仪式。无论他正在进行的研究计划如何重要，伽利略都无法拒绝克里斯蒂娜的召唤
，这是一个令人愉快的迹象，表明他在佛罗伦萨仍然受到支持，此地宫廷数学家的职位仍然空缺。但当他在1609年年初回到帕多瓦时，45岁的伽利略仍然受到那些财政问题的困扰，担心他作为一个知名的哥白尼主义者以及萨尔皮的朋友而可能成为梵蒂冈的靶子，而且仍然渴望他能够求助于他在实用方面的优势来保障他余生的财政状况。正是在这一时期，关于伽利略科学贡献的大部分故事开始了。
1609年7月，伽利略在一次造访威尼斯时最早听到了望远镜之发明的传闻［严格来说这其实是一个再发明，但伦纳德·迪格斯发明望远镜的消息在16世纪从未传播开来］。自从一位来自荷兰的眼镜制造商利伯希（Hans Lippershey）于上一年秋天偶然想出这项发明，1609年春，拥有3倍放大率的望远镜在巴黎作为玩具出售。在这种情形下，消息相当缓慢地传到了意大利。当伽利略听到关于这种令人震惊的仪器的传闻时，他向他的老朋友萨尔皮征求意见，并且很吃惊地得知萨尔皮已在数月前听说此事并与巴多维尔（Jacques Badovere）通信讨论过。巴多维尔是一位来自巴黎的法国贵族，曾是伽利略的学生。但萨尔皮并未将这个消息告知伽利略——他们的通信已然终止，这部分要归因于萨尔皮作为参议院顾问的职责要花费大量时间，还有一部分则是由于他从遇刺事件复原后感到疲倦。萨尔皮可能过了很长时间才意识到它的重要性，但伽利略马上就认识到一个能够让遥远物体明显可见的仪器可能对威尼斯的军事和贸易意义极其重大，在这里，成功常常依赖于第一个确定哪艘船即将抵达口岸。当他思考如何最大限度地利用这个消息转化成利益时，他必定想象到自己的小船终于来了。
但他几乎还是太迟了。8月初，伽利略还在威尼斯时，他听说一个荷兰人带着一种新仪器已抵达帕多瓦。伽利略迅速赶回了帕多瓦，却很遗憾地发现他还是错过了这个异乡人，后者此时正在威尼斯准备向总督出售这种仪器。想到他可能输掉了这场赛跑，伽利略心烦意乱，他发疯一样地着手制造一架自己的望远镜，他只知道这种仪器包括装在一个管里的两个镜片，除此之外便一无所知。伽利略一生中给人印象最为深刻的事件之一便是在24小时之内制作了一架当时所知最好的望远镜。荷兰望远镜使用了两个凹透镜，只显示出一个上下颠倒的图像，而伽利略使用了一个凸透镜和一个凹透镜，从而得到了正的图像。8月4日，他发送了一个加密的消息给威尼斯的萨尔皮，告知他这个成功。作为参议院顾问的萨尔皮推迟了所有跟荷兰来访者有关的决定，从而给了伽利略时间来制造一架拥有10倍放大率的望远镜，并放置在一个皮革封套里。他在8月底之前回到威尼斯，他向参议院所做的望远镜演示在那里引起了轰动。作为一个精明的政治家，伽利略随后将望远镜作为礼物送给了总督。开心的总督和参议院提议给伽利略提供在比萨大学的终身职位，而薪水则加到了每年1000克朗。
伽利略接受了，尽管薪水的增长只能从次年开始生效，尽管他还得承担繁重的教学任务。但他随后便离开前往佛罗伦萨，向科西莫二世演示了另一架望远镜。到1609年12月时，他已经制作了一架放大率为20倍的望远镜（而且到1610年3月时制作了至少9架类似的望远镜；他将其中一架呈送科隆选帝侯，而开普勒是唯一享此殊荣使用这架望远镜检验伽利略之发现的天文学家）。利用他最好的望远镜，伽利略于1610年早期发现了木星的4颗最亮（且最大）的卫星。这些卫星被他命名为“美第奇星”，以向科西莫表达敬意，但它们被今天的天文学家称作木星的伽利略卫星。利用同一架仪器，伽利略发现银河是由无数单个的恒星组成，月球表面并不是完美平滑的（亚里士多德主义者是这样认为的），而是布满了坑，并有数千米高的山脉（他根据山脉在月球表面的阴影长度估计出了山的高度）。所有这些发现都在1610年3月的一本小书《星际信使》（ The Starry Messenger ，拉丁文译名为S iderius Nuncius ）中得到呈现。该书是题献给一个人的——还能有谁呢？——大公科西莫二世·德·美第奇。
《星际信使》的作者伽利略在整个知识界出了名（该书在出版5年内即被译为中文
），而且无疑给他所供职的国家，尤其是他出生的国家带来了荣耀。1610年5月，伽利略被提名并接受了比萨大学首席数学家和托斯卡纳大公的哲学家与数学家的终身职位，薪水为每年1000克朗。终于，他没有了教学职责。还有一个甜头是，他被免除了将弟弟米凯兰杰洛所要为那两份嫁妆承担的部分扛上身的义务，因为他已经支付了比他所要承担的部分更多的款额。
伽利略并不认为他对威尼斯共和国有任何义务，他认为，既然他尚未开始拿到许诺的上涨的薪水，那么新的待遇也就还没实现。他在10月间返回佛罗伦萨就任新职，恰在此时，开普勒观测到4颗木星卫星的消息也传到了他这里。这一变动给伽利略的个人生活带来了很大的改变。玛丽娜·甘巴决定留在她一直生活的帕多瓦，这一对儿看来是友好地分了手。伽利略的两个女儿去佛罗伦萨与伽利略的母亲一起生活，而他的儿子则暂时留在玛丽娜身边，直到他年纪大到足以同他的父亲一起生活。但这些私人生活上的巨变，与不久之后伽利略在科学上的新发现所引起的纷乱相比，只是小巫见大巫。
天文观测是证实哥白尼模型正确的直接证据。比如说，逍遥学派此前用过的一个反驳是，既然月球绕地球转动，那么地球就不可能同时绕太阳运行，因为地球和月球会相互分离。伽利略发现了木星轨道的4颗卫星，而木星本身无疑也在围绕某物的轨道上运行（无论其所绕之运行的是地球还是太阳，都不影响此论证），通过这一发现，伽利略表明，即使地球在运动，地球的卫星月球停留在地球轨道也是可能的。在伽利略离开帕多瓦之前不久，他还注意到土星的外形有些古怪，尽管得等到惠更斯（Christiaan Huygens）才对此做出了解释，但这一古怪无疑表明土星并不是完美的球体。抵达佛罗伦萨不久后，伽利略发现了金星的相位变化，也就是它形状上的变化与月球的相位变化相似，这些变化只有在金星绕太阳运行的情况下才能得到解释。但这个故事远未结束，因为伽利略收到以前的一名学生卡斯泰利（Benedetto Castelli）的信，信中指出，如果哥白尼模型是正确的，那么金星必定会表现出相位变化！尽管伽利略在收到此信时已经开始观察金星，而且不久便回信给卡斯泰利说他的预言是正确的，但这是一个关于科学假说的真正实例，即科学假说被用来做出一个预言，而这个预言被观测所检验并被发现能够支持该假说——这是真正的科学方法最有效的应用。
这些都并不能说服最顽固的亚里士多德学派的追随者，后者只是简单地拒绝接受通过望远镜所看到的东西是真实的，而将它想象为某种由透镜本身制造出来的人为幻觉。伽利略本人用望远镜对数百个物体进行观察，然后再关掉望远镜来看看是否该仪器除了放大之外还做了什么，以此检验这一可能性，他得出结论称他通过望远镜看到的东西真实不虚。但是尽管亚里士多德学派的追随者不情愿相信该证据的做法在今天看来似乎很可笑，但他们的确有点道理，这与现代科学大有关系。现代天文学家探查宇宙深处，粒子物理学家深入研究原子以及更小物质实体的内部结构，而我们完全依赖于仪器所告诉我们的结果，依赖于我们解释其结果时所使用的方式。不过，就伽利略而言，他所看到的东西在日常意义上来说是真实的，这是确定无疑的。伽利略在这一时期用望远镜观察到的还有太阳表面的黑色区域——太阳黑子。这些已经被其他天文学家看到过，但伽利略并不知道。太阳表面肉眼可见的瑕疵，似乎为亚里士多德学派追随者的天界完美主张敲上了棺木上的又一枚钉子。
尽管所有的证据都肯定是反对亚里士多德学派主张的，而且可以被用来支持哥白尼的模型，但由于深谙布鲁诺的下场，伽利略还是小心翼翼地不去公开支持哥白尼的模型。他宁愿提出他的证据，并让这些观测自己说话，他确信甚至罗马教会早晚也会接受这一暗示。作为这一进程的第一步，1611年3月，伽利略作为托斯卡纳大公国官方科学大使启程造访罗马。这次一直持续到6月的访问从表面来看是成功的。伽利略不仅被教皇（仍然是保罗五世）接见，而且还被准许站着而非跪着与教皇陛下交谈。枢机主教贝拉尔米内亲自使用伽利略的望远镜观看，并且委派一个由饱学的神父组成的小组——我们现在谓之科学委员会——来调查伽利略有关该仪器的说明。该小组委员会中的耶稣会士成员得出的结论包括：
（1）银河的确是由无数恒星组成的；
（2）土星呈现出奇怪的椭圆形状，它的两边各有一个凸起；
（3）月球表面并不规则；
（4）金星表现出相位变化；
（5）木星有4颗卫星。
这是正式的结论。但对这些观测的意义却只字未提。
在罗马期间，伽利略还成为一个名叫猞猁学会（Lyncean Academy）的组织的成员，该学会被认为是世界上第一个科学团体，由4位年轻贵族创立于1603年。正是在由猞猁学会为祝贺伽利略而举行的宴会上，“望远镜”这个名字被首次提出用来命名他的具有放大功能的装置。在罗马期间，伽利略还用望远镜将太阳图像投影到一个白色屏幕上展示了太阳黑子。但是他似乎并不认为这些瑕疵的发现在当时有特别重要的意义。他于6月胜利返回佛罗伦萨，他在罗马所受到的接待给托斯卡纳大公国带来了荣耀，而且正如他所认为的，他的工作得到了某种官方认可。
有关伽利略余下人生的所有简要记述，都必然会有主要的篇幅谈及他随后与罗马的权威人士的冲突。但是这与他一生的完整故事相去甚远，而他在1611年夏天完成的一件工作值得详尽阐述，它凸显了伽利略的兴趣之广以及他应用科学方法的方式。在比萨大学教授们中间进行的一次关于冷凝的讨论中，伽利略的一位同事认为，冰应当被看作是水的一种凝结形式，因为它是固体而水是液体。另一方面，伽利略认为既然冰漂浮在水上，它必定比水更轻（密度更小），并且因此是水的一种稀薄形式
。并非如此，另一位教授如是说。冰漂浮在水上，这是因为它的底部既宽且平，无法被推到水下。伽利略做出了反驳，他指出如果冰被按到水下然后松开，它的宽大平坦的形状并不会阻止它向上浮出水面。紧随其后的是一场辩论：由相同物质构成（并因此具有相同的密度）的固体是否可以仅仅通过被制成不同的形状，就能使得它在水中沉下去或浮上来。结果是，伽利略在辩论（当时，这场辩论已在比萨引起了广泛的兴趣）中向他的对手挑战，要其以实验表明有着相同成分但形状不同的物体（最初浸在水中），会浮上来还是保持浸没状态取决于它们的形状。在公开实验进行之日，伽利略的对手并未现身。
问题并不在于伽利略的论证是正确的（尽管它是）。问题在于他愿意通过显然经过深思熟虑的实验去公开检验论断，并且坚持实验结果——而在1611年，实验还是一件新奇的事。正是这一点使他——在许多人看来——成为第一位科学家，而这也是使他最终与教会发生冲突的原因，尽管他在那年早些时候在罗马受到了看似热情的接待。
尽管对付诸出版的东西仍然非常小心，但伽利略在他于罗马获得成功之后开始更为公开地谈论哥白尼学说。但是无论他在这一主题上的公开表达的言论如何，伽利略在此时对于哥白尼学说的内心感受都清楚无疑地记录在他写给克里斯蒂娜大公夫人的信中（它实际上写于1614年）：“我坚持认为，太阳处于转动的天球的中心，并且是固定不动的。地球本身也在转动，并且绕太阳运行。”真是再简洁不过。但克里斯蒂娜对这会公然违背《圣经》教义的担心何来呢？“在关于自然现象的争论中，”伽利略写道，“我们不必从《圣经》条文的引证开始，而应开始于感官经验以及必要的证明。”
1613年，当他撰写一部关于太阳黑子的小书（该书实际上是由猞猁学会出版的）时，他在公共场合的小心谨慎仅此一次失控了。这在两方面是不幸的。首先，在一篇序言中，猞猁学会因太阳黑子的发现而对伽利略不吝笔墨地大加赞扬。这导致了一场与耶稣会士、天文学家沙伊纳（Christopher Scheiner）的激烈争执，后者声称在伽利略之前就看到了黑子［可能的确如此。事实上，英国人哈里奥特（Thomas Harriott）和荷兰人法布里修斯（Johann Fabricius）都先于他们取得这项发现］。其次，在这本关于黑子的书的一篇附录中，伽利略为哥白尼学说提供了他唯一的清晰而毫不含糊的支持论证，他运用木星卫星的例子来支持哥白尼的个案。这一篇以及他未发表的支持哥白尼学说的评论开始为伽利略引来了批评之词。由于对他的状况很自信，并且确信他在罗马有朋友，1615年，已经52岁的伽利略在遭受了一场病痛折磨之后，获准于年底造访罗马，以消除误解，以正视听。这与托斯卡纳驻罗马大使的建议背道而驰，后者认为自从1611年那次看似成功（在其对手看来也是成功的）的访问以来，罗马对伽利略在某些方面有一些不满，并且认为再一次访问会使事情变得更糟。伽利略不顾这些警告，1615年12月11日，他作为托斯卡纳常驻罗马大使的正式客人访问罗马。
伽利略在罗马的出现以一种他未曾预料到的方式将事态引向了严重关头。按照贝拉尔米内（此人如今已经73岁，但仍是圣彼得的幕后力量）的建议，保罗五世组建了一个教皇调查团以决定哥白尼学说是否为异端，他们的正式结论是，太阳位于宇宙中心的观点是“愚蠢且荒谬的……从官方立场而言，是异端邪说”。他们还说，认为地球在空间中运行的观点“至少的确是错的”。
此后发生在伽利略身上的事，在历史学家中已成为一段公案，因为在保存下来的记录中有一些含糊其词的文字。但多伦多大学的德雷克（Stillman Drake）根据后来发生的事，已经提出有关1616年2月底的事件看来是最有可能的记述。2月24日，保罗五世命令贝拉尔米内作为教皇的私人代表去告知伽利略，不许“坚持或捍卫”调查团已做出裁决的两项主张中的任何一项。换言之，对于伽利略来说， 相信 哥白尼学说是一件错误的事情，他不可以支持它，甚至从故意唱反调的角度也不行。但教皇的指令更严厉。如果（仅仅是如果）伽利略违反这一不得“坚持、捍卫或讲授”哥白尼学说的指令，那他就会在公证人和目击证人在场的情况下正式受到宗教裁判所（教皇辖下负责打击异端的臭名昭著的司法机构）的警告。至关重要的差别是，如果没有正式警告，伽利略还是会被准许向其学生讲授哥白尼学说，甚至写作，只要他小心谨慎地解释这是异端邪说，而他伽利略本人并不同意此学说。
2月26日，贝拉尔米内接见伽利略以传达教皇的决定。不幸的是，宗教裁判所的代表、证人以及所有人也出现在同一个房间，准备在伽利略表现出任何不情愿赞同贝拉尔米内所言的迹象时介入此事。贝拉尔米内在门口遇到伽利略，并对他咕哝说无论接下来发生什么，他都必须赞同而不提出任何反对意见。伽利略很清楚房间里还有些什么人，他认真聆听教皇的警告，并且明显未予反对。正在此时，宗教裁判所介入，决定抓住这个人并发布至关重要的、用于指导其教学的第二次警告。贝拉尔米内异常暴怒（或者至少是给人一种愤怒的印象以掩饰他的行为），在没有签署任何要签名做实的文件之前，就将伽利略从房间里带走。但这并未阻止宗教裁判所将一组未签署、未经鉴证也无证人签字的会议“记录”放入官方卷宗。流言四起，说伽利略以某种方式受到宗教裁判所的惩罚，并且（至少是）因为某种形式行为不端而获罪，流言还说伽利略被迫发誓放弃他从前的信仰，并在宗教裁判所面前忏悔。
显然，贝拉尔米内向保罗五世说明了自伽利略于3月11日与教皇进行了长时间的友好接见以来的真实情况，当时教皇明确说只要保罗五世活着，伽利略就无须担心其处境。仍然担心的伽利略再次向贝拉尔米内请教咨询，后者写了一份公开宣誓书，说明伽利略既未宣誓放弃其观点，也未因其观点而忏悔或受到惩罚，而只是被告知一项适用于所有天主教徒的新的通令。由于确信自己是安全的，至少暂时如此，伽利略返回了托斯卡纳。
尽管伽利略后来的生活因疾病而备受折磨（除了他的关节炎之外，他还患有严重的疝气，这经常使他丧失行为能力），而且他的鸿篇伟著的写作进展缓慢，但他在五六十岁时仍然继续进行他的科学工作，包括尝试利用有规律且可预言的木卫运动作为一种宇宙时钟，航海者在海上时可借以得出真实的时间并因此确定他们所在的经度（从原理上来说这是一个不错的主意，但其所要求的精确观测在航行于海中的起伏的船舶甲板上是做不到的），还有他有关磁学的重要工作。但是这与伽利略个人生活的变化这一背景相冲突了。在某种程度上是因为意识到了岁月的流逝，伽利略于1617年迁入了一座名叫贝罗斯伽多的精致别墅——几乎是一座宫殿，它位于佛罗伦萨以西的一座小山上。这次搬家与他的女儿进入修道院有关：16岁的维尔吉尼娅和15岁的利维娅进入阿切特里附近的女修道院，成为贫穷修女会的修女。这并不是因为某种特别深厚的宗教情结，而是伽利略将搬家作为让他的非婚生女儿拥有一个有保障的未来的唯一方式，因为如果没有一笔丰厚的嫁妆就没有一个体面的男人会娶她们，而他并不打算再次陷入嫁妆的麻烦事务中。在加入修女会时，维尔吉尼娅取了新的名字切莱斯特（Maria Celeste），利维娅则改名为阿尔坎杰拉（Arcangela）。伽利略无论是在地理距离还是情感上都与女儿们保持着密切的联系，并且经常造访修道院。伽利略与切莱斯特之间的书信被保存了下来，让人们对他的晚年生活有了深入的了解。
在科学方面，伽利略几乎还未在贝罗斯伽多安顿好，便又卷入一场新的争论。3颗彗星在1618年被观察到，而且当一群耶稣会士（包括沙伊纳）发表了一篇有关它们的重要意义的奇谈怪论时，伽利略以一种毁灭性的方式做出回应，他讽刺说他们似乎认为“哲学是由某些作家虚构的书，就像《伊利亚特》（ The Iliad ）一样”，他接下来写到，宇宙这本书：
不可能被理解，除非我们首先学习领会其借以写成的语言，理解其符号系统。它是用数学的语言写就的，它的文字是三角形、圆形以及其他几何形状。没有它们，人们就不可能理解它任何一个字；没有它们，我们就会在黑暗的迷宫中迷失方向。
他所言有理，这的确是真正的科学得以被辨识出来的特征。不幸的是，这一次，伽利略对彗星的解释是错误的，而且在这里叙述争论的细节毫无意义。但是由于声称耶稣会士讲的是神话而他所讲的则是事实，伽利略为他自己在罗马惹来了更多的麻烦。
17世纪20年代初，正值“三十年战争”对天主教一方暂时有利，意大利的政治形势以一种将会对伽利略产生急剧影响的方式发生了变化。1621年，曾深度卷入他与罗马之间冲突的3个人去世了——他在托斯卡纳的保护人科西莫二世（30岁出头）、教皇保罗五世本人以及伽利略在罗马最重要的熟人枢机主教贝拉尔米内（79岁生日几周前）。科西莫二世的去世令托斯卡纳的事务交到了他的妻子和母亲手中，由她们充当11岁的费迪南多二世的摄政者。尽管伽利略在宫廷中仍然得宠，但年少的继承人坐上宝座削弱了托斯卡纳在意大利政治中的影响，也减弱了托斯卡纳大公国保护任何失宠于罗马的人的能力。贝拉尔米内的去世使得伽利略在1616年的重大事件中没有一个友好的见证人，尽管他还有贝拉尔米内所写的声明。但保罗五世的去世乍看起来对于科学像是一个好消息。格里高利十五世（Gregory ⅩⅤ）继任，这位年长的临时替代者于1623年去世，彼时事情看来似乎终于对伽利略有了转机。
就在格里高利十五世去世前夕，伽利略收到了来自罗马的正式许可证，准予出版一部新书《试金者》（
The Assayer
），该书是根据他对彗星的研究而写出的，但最终却涵盖了更广泛的内容，并清楚地指出了科学的事实——前述引用的那段关于宇宙是“用数学的语言写就的”著名引文就出自这本书。伽利略还在高层结交了新的朋友——其中一位名叫弗朗切斯科·巴贝里尼（Francesco Barberini），此人是罗马最有权势的家族之一的成员
，于1623年从比萨大学获得了博士学位。那年6月，伽利略收到一封来自弗朗切斯科的叔父（或伯父）、枢机主教马费奥·巴贝里尼（Cardinal Maffeo Barberini）的信，感谢他给予其侄子的帮助。这位枢机主教此前曾因伽利略的科学成就而在发表的作品中对他大加赞赏。该信的措辞极为友好。这位枢机主教说，巴贝里尼家族“在任何情况下都准备为您效劳”。写下此信的两周后，格里高利十五世去世了。被选中成为他的继任者的是枢机主教马费奥·巴贝里尼，他被称作乌尔班八世（Urban Ⅷ），并且除此之外，他不久还任命他的侄子弗朗切斯科为枢机主教。凭着迅疾的速度与政治的敏锐，猞猁学会赶在《试金者》付印之前将其题献给教皇乌尔班八世，并用巴贝里尼家族的纹章，即3只蜜蜂来装饰该书标题。教皇很高兴，并且要人将书朗读给他听，在该书挖苦耶稣会士时放声大笑。
1624年春，伽利略来到罗马拜访这两位巴贝里尼。他被获准6次拜访教皇，并获颁一枚金质奖章以及其他荣誉（包括给他儿子的一份终身养老金），教皇还致信费迪南多二世对伽利略表示赞赏。但最大的奖赏是教皇准许他撰写一本有关两种宇宙模型（或者按当时的说法叫作世界体系）——托勒玫模型与哥白尼模型——的书。唯一的要求是他必须不偏不倚地描述两种模型，而不能做出有利于哥白尼体系的论证，而且仅限于对两种模型做出天文学和数学的论证。他被准许 讲授 哥白尼学说，但不准为之 辩护 。
尽管伽利略很长时间以来一直梦想写这样一本书（而且已经偷偷草拟了一部分），但他写作的时间几乎和他梦想的时间一样长。除了伽利略一直不佳的健康状况与日益虚弱的身体之外，他未能集中精力的重要原因是：在这段时期，他是第一批研制出有效复合显微镜的人之一，这台显微镜由两个双面凸起的透镜组成（现代意义上的真正的“透镜形状”是一面平，而另一面凸起）。磨制透镜之难延迟了显微镜的发明，没有什么比他在显微镜方面的领先工作能更好表明伽利略在这项工艺上的技能了（出于同样的原因，尽管他经常为很难得到足够好的玻璃来制作透镜而遗憾，但终其一生，伽利略的望远镜一直都在世界最好之列）。伽利略用显微镜观察而绘制出的最早的详细昆虫图于1625年在罗马出版，不过新装置的全部影响用了一些时间才显现出来，而且伽利略在显微镜发明中的作用常常失落于他所有其他成就的光芒里。
伽利略的《关于两大世界体系的对话》（ Dialogue on the Two Chief World Systems ，通常被称为《对话》）一书完成于1629年11月。正如标题所示，它采用了一种讨论的形式，这场想象出来的讨论发生在萨尔维亚蒂（Salviati，主张哥白尼学说者）和辛普利西奥（Simplicio，主张托勒玫学说者）二人之间。这一对话设计是一种古老的方式，可以追溯到古希腊，大体而言，它提供了一种讲授非传统的（或在此事中是异端的）观点而不完全赞同它们的极好方式。但伽利略并未完全依循这个传统。有过一位真实的萨尔维亚蒂（Filippo Salviati），他是伽利略的亲密好友，去世于1614年，伽利略为他的哥白尼主义者选了这个名字是一个危险之举，即表明了自己与哥白尼主义者的世界观相一致。辛普利西奥也真有其人，这是一个古希腊人，曾为亚里士多德的著作撰写过注释，因此可能被认为对于《对话》中的托勒玫（以及亚里士多德）支持者来说是一个合适的名字。人们可能还会认为这个名字意味着只有傻子才会相信托勒玫体系是正确的。书中的第三种“声音”来自萨格雷多，这个名字取自伽利略的另一位老友萨格雷多，此人已于1620年辞世。他被假定为一个公正的评论者，在萨尔维亚蒂与辛普利西奥之间的辩论中倾听，并且为讨论提出问题——但这个角色越来越倾向于支持萨尔维亚蒂而反对辛普利西奥。
尽管如此，但此书初看起来似乎保持着一种公平的立场。为了得到官方正式的出版许可，它必须通过罗马的一项出版审查，被选中来完成这一审查任务的是里卡尔迪（Niccoló Riccardi），一位多明我会神父，他正好就是批准《试金者》一书出版而未要求做任何改动的那位审查官。伽利略于1630年5月在罗马将手稿递交给了里卡尔迪，但是6月的时候，他不得不返回家中，因为一场从南方蔓延至意大利的突如其来的鼠疫威胁到了佛罗伦萨，通信系统因此中断。此书获得了有条件的出版许可，里卡尔迪想要给该书加上一个新的序言与结论，讲清楚哥白尼的立场只是作为一种假设呈现在书中，但他对手稿的主体部分很满意，而且正是在这种情况下允许伽利略返回家中。里卡尔迪和他的同僚会进行这些改动，并将它们送给伽利略以插入到该书中。当这些需要插入的内容送抵佛罗伦萨之时，里卡尔迪随文寄送的信中还有一句话：“只要保持基本内容，作者可以对措辞进行更改或润饰。”伽利略只看到了这句话的表面意思，而这被证明是一个大错误。
除了鼠疫，还有其他困难影响了此书的出版。它本应由猞猁学会在罗马主持出版。但猞猁学会会长切西亲王（Prince Frederico Cesi）于1630年8月去世，令学会所有的事务陷入混乱（非常重要的是，学会活动经费本由切西提供），因而教会另外允许该书在佛罗伦萨印刷。很大程度上因为鼠疫——它蔓延开来并使所有正常活动中断——所导致的困难，《对话》的印刷直到1631年6月才开始，而印刷完成的副本直到1632年3月才开始在佛罗伦萨销售。几册书立即被送到罗马——第一个收到书的人是枢机主教弗朗切斯科·巴贝里尼，也就是教皇的侄子，他致信伽利略说他有多么喜欢这本书。但其他人就没这么满意了。
再一次地，在《对话》中，伽利略提出了对太阳黑子的讨论，而且他再次忍不住地嘲讽了沙伊纳几句，此举让这位年老的耶稣会士及其同僚大为光火。当时还有一些由审查官提供的附加材料。伽利略将序言设成一种与该书其他部分不同的字体，以清楚表明它并不代表自己的观点，而将哥白尼体系仅仅作为一种假设而不加考虑（实际上是教皇的话，经由里卡尔迪神父传达）的结束语，则借辛普利西奥之口说了出来。公道地说，书中没有能说这番话的其他角色了，因为在全书最后萨格雷多站到了萨尔维亚蒂一边。坊间向教皇陛下暗示，伽利略是故意为之，意指乌尔班八世本人是一个傻子，而这激怒了教皇，教皇后来提到伽利略时说“他并不惧怕拿我取笑”
。结果是，一个教皇委员会被组建起来以调查此事。遍查他们所能找到的与伽利略有关的文件，耶稣会士们提出了似乎是确凿的证据——1616年会议的未签名的会议记录，该记录说伽利略被要求不得“坚持、辩护或
讲授
”哥白尼的宇宙观。这是起决定性作用的论据，它导致乌尔班八世传唤伽利略到罗马为其异端邪说而受审——因为他出版了一部已通过官方审查并得到出版许可的书！他还试图停止该书的发行，但是由于该书是在佛罗伦萨印刷，明显为时晚矣。
伽利略像他的老友萨尔皮（去世于1623年）一样深知罗马的邀请意味着什么，因此，他以年事已高以及疾病缠身（他的确再次生病了）为由推迟罗马之行。他还试图取得托斯卡纳大公国的政治援助以躲避审讯，但尽管费迪南多二世已于1629年正式就任，但这位19岁的大公年轻且经验未深，这意味着托斯卡纳不可能像威尼斯一度给予萨尔皮的支持一样给予伽利略支持。
事实上，当伽利略最终于1633年2月13日抵达罗马之时，相比于大多数到宗教裁判所接受审判的人来说，他受到了不错的款待。尽管他在托斯卡纳边境检疫隔离期（这一迹象表明了鼠疫是多么严重地扰乱了往来交流）那累人的3个星期里大部分时间都被扣押，但是当他抵达罗马时，他在最初的时候获准停留在托斯卡纳使馆。甚至在审讯于4月开始之后，他也是被安置在一个舒适的套房（至少，除了关节炎会令他一宿一宿地在睡着时大呼疼痛外，还是很舒适的），而并未被投入阴湿的土牢。审讯本身曾多次被详细描述过，我们没有必要在这里对此加以详述。不过，这些事实表明公诉人进展是多么缓慢：在伽利略所谓的“罪过”中还包括他是用意大利语而非拉丁语撰写此书，这样普通人能够理解他的语言，而且他赞赏了威廉·吉伯，“一个任性的异端，一个好辩而精明的哥白尼体系辩护者”。但是，关键问题是伽利略是否未服从教皇不准以任何方式讲授哥白尼体系的禁制令，在这一问题上，当伽利略拿出枢机主教贝拉尔米内亲笔签名的文件时，耶稣会士未签名的1616年会议记录被当作一张王牌打了出来。那份签名文件清楚说明伽利略不得“坚持或维护”这些观点，除此之外，并无比其他天主教徒更多的限制。尽管如此，但没有人能逃脱宗教裁判所的审讯，而一场完整公开呈现的审判一旦开始，唯一可能的裁决就是找到伽利略的任何有罪之处，并且对他做出惩罚，以作为对其他人的警告。从宗教裁判所的观点来看，问题是进行虚假的异端指控是和异端一样的重罪。假如伽利略无罪，他的控告人就会有罪——而他的控告人都是天主教会的最高权威。伽利略不得不承认些什么。
巴贝里尼自始至终为伽利略的最大利益考虑，他进行了大量劝说，以让这位老人了解，即使他无罪，也不得不承认有罪，否则就会对他用酷刑。最后，伽利略明白了他的真实处境，并且在他的著名的声明中声言他不相信哥白尼体系，承认自己在书中介绍哥白尼主义是大错特错了：“我郑重声明放弃，诅咒并且憎恶我的错误。”他69岁了，深受慢性关节炎之苦而且害怕酷刑。根本没有证据表明他低声说了那句著名的话——“但是，它仍在转动啊”。如果他说了，而且如果他被无意中听到，他肯定会被送到拉肢刑架上或是火刑处死（可能两者兼有）。耶稣会士们获得了公开的胜利，剩下的就是宣布判决——终身监禁。事实上，审讯委员会10名枢机主教中只有7人签署了该判决，而巴贝里尼是3个拒绝签字的人之一。
尽管这项判决被执行，但由于巴贝里尼，它的执行力度逐渐减轻。伽利略先是被软禁在罗马的托斯卡纳使馆，后来是在谢纳（Siena）大主教（伽利略的一位支持者）的监护之下。最后，自1634年年初起他被监禁在阿切特里附近伽利略自己的家中。在伽利略最后一次返回家中后不久（即使是在佛罗伦萨看医生，他也不会被允许离开阿切特里，不过他被准许造访女修道院），他的女儿切莱斯特于1634年4月2日去世（她的妹妹阿尔坎杰拉比伽利略去世得晚，于1659年6月14日去世）。
在贝洛斯瓜尔多与世隔绝
的日子里，伽利略完成了他最伟大的著作《关于两种新科学的对话与数学论证》（
Discourses and Mathematical Demonstrations Concerning Two New Sciences
，通常被称为《两种新科学》），该书总结了他一生在力学、惯性和摆（运动物体的科学）以及物体的力（非运动物体的科学）方面的工作，而且详细解释了科学方法。由于用了数学方法来分析此前乃哲学家特权的题目，因此《两种新科学》是第一部现代科学教科书，详细解释了宇宙是由可以被人类心智理解的法则所支配，并且是由力所推动，而力的作用可以用数学方法计算出来。该书被埃尔策菲尔（Louis Elzevir）偷偷带出意大利并于1638年在莱顿出版，它对随后数十年中欧洲的科学发展产生了巨大的影响，甚至超过了被广泛翻译的《对话》。除了意大利之外，该书在各地影响巨大；作为罗马教会对伽利略工作定罪的一个直接后果，自17世纪30年代以后，曾经是文艺复兴最早发生地的意大利在对宇宙运行方式的研究中陷入了停滞状态。
到《两种新科学》出版之时，伽利略已经失明了。即便如此，他还是有了一个摆钟擒纵装置的想法。他向儿子温琴佐详述了这个见解，后者在伽利略去世后真的建造了一个这样的钟。相似的钟后来在17世纪随着惠更斯的独立研究而传遍了欧洲。自1638年年末以后，伽利略让维维亚尼做了他的助手——此人成了伽利略的抄写员，后来写了伽利略的第一部传记，将有关伽利略的很多传说散播开去，也影响了如今公众对这位大人物的看法。伽利略于1642年1月8—9日的这个夜间于睡梦中平静地去世，此时距离他的78岁生日只差几周。仅仅在两年前的1640年，法国人伽桑狄（1592—1655）完成了一个决定性的实验以检验惯性这一性质。当时，他从法国海军借来了一只大木船（这是当时最快的运输方式），并且让它平直地划过地中海，此时一连串的球被从桅杆顶部丢向甲板。每个球都落在桅杆脚下；没有一个因为船的运动而掉到后面。
伽桑狄曾经深受伽利略著作的影响，而这个例子突出显示了伽利略——而非别人——通过建立一整套利用实验而非单纯以哲学的观点检验假说，从而在世界体系的研究中所引起的革命。从这个角度来看，值得注意的是伽利略没按这种方法做的一种情况——正是因为在这种情况下，由于当时没有可行的途径以通过实验检验他的基本假说，他不得不通过“哲学化方式”来从已知的实验推知。通过将球从斜面滚下来并让它们得以滚上另一个平面，伽利略认识到在摩擦力不存在的情况下，球总是会滚上与它开始滚动时相同的高度，无论斜面是陡还是缓。就其本身来说，这是一个关键性的发现，尤其是因为伽利略是第一位认识并且充分领会到这一观点的科学家，即我们的实验总是某种纯科学的理想世界的不完美呈现——摩擦在真实世界中一直存在，但这并未阻止科学家弄明白摩擦力不存在时物体运动的方式，而且，随着他们的模型变得越来越复杂，后来也将摩擦力考虑在内。在伽利略之后的几个世纪中，这成为科学方法的一个标准特征——将复杂系统分解为遵循理想化法则的简单组分，并且在必要的时候承认这些简单模型的预言中会存在由模型之外的复杂情况而导致的误差。正如伽利略也认识到的，正是这样的复杂情况（比如空气阻力），解释了斜塔实验如果真的进行则两个球在落地时间上的微小差异。
但伽利略在斜面实验中看到了更深一层的事实。他进一步考虑了如果斜面越来越缓时会发生什么。斜面越缓，球就必定会滚得越远以回到它原初的高度。而且，如果斜面变成了水平面且摩擦力可以忽略不计，球就会沿水平面一直滚下去。
伽利略已经认识到运动物体具有一种保持运动的自然倾向，除非它们受到摩擦力或其他外力的影响。在随着牛顿的工作而充分发展至顶峰的力学中，这将成为一个关键性的组成部分。但伽利略的工作中有一个缺陷。他知道地球是球形的，因此水平运动（沿水平方向的运动）实际上意味着沿围绕地球弯曲表面划过的曲线路径运动。伽利略认为，这意味着在没有任何外力作用的情况下，惯性运动从根本上说必定涉及圆周运动，而这在他看来似乎可以解释行星何以能保持在绕日轨道上。笛卡儿是伽利略与牛顿之间数十年中的一位关键性人物，他最早认识到作为惯性的一个结果，任何运动物体都倾向于保持直线运动，除非受到外力的影响。伽利略奠定了科学的基础，并为其他人指明了道路；但对于其他人来说，在以此为基础的工作中还有大量的事要做。是时候来更近距离地看一看在伽利略奠定的基础上继续推进的笛卡儿以及其他科学家的工作了。
[1] 这部著作草稿题为《论运动》（ On Motion ），但这部草稿与伽利略几年后出版的同名著作并无多少相似之处。