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第13章 动力学奠基人—伽利略

那种自命懂得一切事物的人,实际上并不懂得任何事物。

真理就是具备这种力量,你越是想要攻击它,你的攻击就越加充实了和证明了它。伽利略·伽利雷于1564年2月15日出生于意大利的比萨,其父文生齐阿·伽利雷是个没落的贵族,他的祖先在共和国时代曾是佛罗伦萨的封建领主。后来领主的产业转了手,而文生齐阿,有知识却是一个贫民,生活过得很不安适。他是一个第一流的数学家,擅长写作和音乐,还是意大利首屈一指的琵琶演奏家。不过这些成就很难变成金子,结果就使得在伽利略的少年时代,家里贫穷不堪。

12岁的那一年,伽利略的一家从比萨搬到了佛罗伦萨,父亲很想把伽利略培养成为一名医生,而老师却想把伽利略培养成为神职人员,最后是伽利略父亲的愿望占了上风。

17岁那一年,伽利略进入了比萨大学学医,他性格率直而不迷信书本,在大学里他以反驳教授而出名。

有一天,由于他听一位数学家的关于古希腊欧几里得《几何原本》的演讲,对数学产生了浓厚的兴趣,后来他不顾父亲的反对,放弃了学医,而开始钻研起数学和哲学来。

据说,有一回伽利略为了节省钱,他从比萨去佛罗伦萨的时候,搭了一辆拉橄榄油的车,在路上伽利略一路跟车夫聊天,车夫一出口就是赚钱,而伽利略一出口就是他的数学计算。他俩越谈越糟糕,最后两人干脆谁也不找谁说话。然后车夫在想着他这一车橄榄油能挣多少钱的事,伽利略在看着车夫装橄榄油的桶发呆。

伽利略很想通过桶的高度和直径来算出桶的容积,这些桶的容积应该怎样算呢?他想这些桶几乎都是圆柱体,那么要求出桶的容积,看来只能用桶的底面积乘以桶的高度。伽利略于是目测了一下桶的高度和直径,一下子他便把这些桶的容积算了出来。

“你每桶橄榄油的重量是300公升?”

“你怎么知道的?”

伽利略便认真地给车夫讲解起计算公式来,无论伽利略怎么样耐心地解释,车夫还是听不懂。听不懂还不要紧,重要的是听不懂的车夫还认为伽利略是在利用巫术。结果死活也不敢收伽利略付给的钱。

1585年,由于父亲破产,伽利略被迫离开了大学。回到了佛罗伦萨以后,他仍然对数学很着迷,而且钻研得很深,只用了一年的工夫,他就写成了一篇很有见解的数学论文,受到了意大利数学界的重视。

25岁就出名的伽利略,在比萨大学的邀请下,当了比萨大学的一名老师,比萨大学规定,凡是老师不管是在任何时候都得穿长袍,如果谁要是违背了这个规定,那么他就要受到罚款。

而伽利略却不喜欢这一身长袍,他认为这个长袍穿起来不仅不方便,更重要的是他感觉到这个传统的服装就像一个魔鬼一样地束缚着人的思想,伽利略为不穿长袍而经常被学校罚款,尽管如此他也毫不妥协。

有一天,伽利略在书屋里看亚利士多德的著作,突然他自言自语起来。

“不可能,太不可能了——‘物体从高处落下时,速度是由重量决定的。物体越重落下来的速度越快。’”

“为什么只要摆的绳长相同,摆落到最低点的时间都相同呢?这与摆的重量似乎是没有关系的啊!”

他决定做一下不同重量的物体从高处往下落时距离相同,落到地面的时间也相同的实验。

为了证实这个实验的正确性,他决定到比萨斜塔去做这个落体实验。那一天,斜塔下围满了人,伽利略把手里的一大一小两个铁球同时放了出去,人们看见这两个球同时落地了。这个实验证明了他理论的正确。

可是他这一惊人的实验却引起了教会和比萨大学以及亚里士多德的崇拜者们的反对,因而他在比萨大学任教期满后,没有被续聘。但帕多瓦大学却仰慕伽利略的学识,邀请了他前去那里任教。

由于帕多瓦大学的学术空气比较自由,他在那里一共任教18个年头,在那里也是他取得科学研究成果最多的时期。在那里他制造出了世界上的第一架望远镜。

1608年10月,一位荷兰的眼镜匠名叫约翰尼斯·李帛西,他于一次偶然的机会发现把两个镜片安排得能够通过它们看过去使远的物体显得近了。伽利略听说后,即根据这一现象着手研制望远镜。

经过一夜的集中思考,一夜的钻研道理,伽利略第二天早上就准备做他的第一只望远镜了。他拿了一节风琴管,一头放进一片凸镜,另一头放进一片凹镜——就有了一个可以放大三倍的小望远镜。

李帛西做成玩具就停止了,但伽利略却决不停下来。

似乎本能告诉了伽利略他是在走向某种重大的事,他很快又着手做另一个小望远镜。这一个放大了8倍;用它可以比肉眼早两小时看到海上的船只。

伽利略对这个器械非常满意,像小孩子一样性急,赶到威尼斯去,拿给市政会议的人们看,并且欣然倾听他们的惊讶言词。

“这是个令人惊奇的人,”他们都这样喊出来。他们暗示,如果伽利略愿意把这东西送给市政会议,他们不会拒绝。伽利略接受了暗示。这是他的福至心灵的一项举动,因为市政会议立刻投票表决把他在帕杜亚的薪金增加了一倍,而且职务定为终身制。

伽利略又磨制了很多镜片,做成了很多望远镜,他越做越好,倍数也越做越强,直到后来做成了一个能放大32倍的。这比起最初做的3倍的小东西来简直是飞跃。

伽利略通过自己研制的望远镜对太空进行观察,写成了《星球的使者》和《论太阳黑子的信札》,伽利略在书中宣布:地球和太阳都在缓慢地旋转,太阳在原地旋转,地球围绕太阳旋转,他肯定了哥白尼的学说是正确的,这引起了教会的不满。

教皇乌尔班八世听了后大发雷霆,于是下令对伽利略起诉,不久,宗教裁判命令伽利略到罗马受审。1633年2月,年近七旬且正在病中的伽利略被押到了罗马,在宗教裁判所的威逼下,伽利略被迫放弃哥白尼的学说,从此他被囚禁。1642年1月8日,伽利略在折磨中与世长辞。

伽利略在晚年尽管受到身体上、精神上的巨大折磨与痛苦,但他还是继续工作。他在最后这些时间里写下了关于内聚力,关于断裂的阻力,关于等速运动、加速运动和抛体运动。在这些对话里他记下了一些事实,后来被牛顿发展为运动的三项定律。这些由伽利略晚年发现的定律是:

第一,如果没有力作用于物体,则此物体将继续在速度和方向两方面均匀地运动。

第二,当力发生作用时,运动将在速度上或方向上,或在两方面同时发生变化,其速度与力的大小成比例,并在方向上与力的作用方向相同。

第三,离心力与向心力相等,两者共同构成弹性中的拉力。

这些是用艾萨克·牛顿的词句所说明的运动三大定律,但却是以伽利略的研究成果为依据。衣服是牛顿的,身体却是伽利略的。

精彩点评:

伽利略是一位旷世天才,他天生就是一位数学家,他善于思考,敢于挑战权威。同时,他也非常自信,容不得愚蠢的行为。虽然现在看来,伽利略留给我们的似乎只有望远镜,但是,他在动力学方面的研究成果为后人的更深层次研究奠定了坚实基础。伟大的意大利数学家拉格兰说过:“动力学是关于加速或减速的力的科学。伽利略奠定了这门科学的基础,他在机械学方面的研究构成这位伟大人物的光荣史里的最完整最真实的部分。”

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