物理史話之近代力學之父伽利略

人類的物理學在經過古希臘的曙光乍現之後,一下子又沉寂到了中世紀的黑暗之中,長達一千年的中世紀對於自然科學的壓制和摧殘是巨大的,人們只能在黑暗和愚昧中躑躅前行,直到文藝復興時期的到來。文藝復興表面上是古典藝術的復興,但其本質是思想的解放,是資產階級反封建的新文化運動。而自然科學也在這場復興運動中,乘勢崛起,將一直壓制自己的宗教勢力徹底推開,從而開始了自己500年的輝煌。在這場自然科學復興運動中,有一位引領時代潮流的物理學巨擘,他是歷史上首個在科學實驗的基礎上

融匯貫通了數學、物理學和天文學三門知識的人,擴大、加深並改變了人類對物質運動和宇宙的認識。他因為奠定了經典力學的基礎而被稱為"近代力學之父"、"現代科學之父",他就是本文的主角--意大利科學家--伽利略。

物理史話之近代力學之父伽利略

伽利略·伽利雷

伽利略·伽利雷於1564年出生在意大利西部海岸的比薩城一個沒落貴族家庭,他的原籍是佛羅倫薩,他的父親是個不得志的音樂家,精通希臘文和拉丁文,對數學也有很深的造詣,因此伽利略從小受到了非常良好的家庭教育。

伽利略12歲的時候開始,進入了修道院學習古典文化,到17歲的時候又開始學醫,同時他開始對物理和數學產生了興趣,利用空餘時間開始鑽研它們。這時候,伽利略家庭經濟開始不能支持他繼續學業了,不過伽利略並沒有被這些困難壓倒,他自學了歐幾里得和阿基米德的很多著作,開始從事科學實驗,並發表了許多很有影響力的論文,開始受到當時的學術界的注意,他已經開始被稱為"當代的阿基米德"。

伽利略25歲的時候開始在比薩大學擔任數學教授,兩年後,他在比薩城那座著名的斜塔上完成了他的著名的實驗:兩個鐵球同時落地(實驗地點存疑)。這個實驗徹底否定了從亞里士多德開始,人們就堅信不疑的重者先於輕者下落的觀點,這立即觸怒了當時的教會,伽利略失去了教職。他被迫離開比薩城,於1592年來到威尼斯,在帕多瓦大學任教,一直到1610年,這是伽利略從事科學研究的黃金時期,在這裡的18年,他在力學、天文學等方面都取得了累累碩果。

物理史話之近代力學之父伽利略

兩個鐵球同時落地

1609年,伽利略發明了放大20倍的望遠鏡,翌年,他的《星空信使》一書在威尼斯出版,這為伽利略贏得了崇高的榮譽。伽利略把這兩者都獻給了年輕的科西莫二世公爵,以期獲得公爵的保護。公爵賜予了伽利略"哲學家"的頭銜。隨後,伽利略完成了兩本不朽的鉅著:《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關於兩門新科學的對話》,這兩本書都是以對話體的形式完成的。然而,正是第一本《對話》再一次觸怒了教會,教會認為伽利略在欺騙他們。從1616年開始,伽利略受到了羅馬宗教裁判所長達二十多年的調查,到1633年,羅馬宗教法庭宣佈伽利略有罪,他們強迫伽利略跪在冰冷的石板地上,在教廷早已寫好的"悔過書"上簽字。隨後,伽利略被軟禁在自己的寓所中,晚景淒涼。他的女兒負責照顧他的生活起居,然而過了5個月,他的女兒竟又先他而去,這讓伽利略十分悲傷,他的雙目也因此而失明。但即便如此,伽利略也沒有停止科學研究工作。

1642年,一代科學巨匠,偉大的伽利略,為科學、真理和信仰奮鬥了一生的虔誠者,離開了這個世界,享年78歲。在他離開這個世界的時候,他還在重複著這樣一句話:追求科學需要特殊的勇氣。

伽利略是第一個把實驗引進力學的科學家,他利用實驗和教學相結合的方法確定了一些重要的力學定律。1582年,他得到了擺的等時性定律,到1585年,他又通過論文《天平》和《論重力》揭示了重力和重心的實質,並給出了準確的數學表達式。而在1589-1591年間,伽利略對落體運動作了細緻的觀察,從實驗和理論上否定了統治千餘年的亞里士多德"落體運動法則",確立了正確的"自由落體定律",即在忽略空氣阻力的條件下,重量不同的球在下落時會同時落地,下落的速度與重量無關。傳說這個實驗是在比薩斜塔做的,不過並沒有明確的證據,因此現在還存在著爭議。

伽利略還對運動的基本概念,包括重心、速度、加速度等都作了詳盡的研究並且給出了嚴格的數學表達式。尤其是加速度概念的提出,在力學史上是一個里程碑。只有在加速度概念的基礎上,力學中的動力學部分才能真正地科學地建立起來,而在伽利略之前,只有靜力學部分才有定量的描述。伽利略也曾提到過慣性定律的概念,還有物體在外力作用下的運動規律,這為牛頓正式提出運動第一、第二定律奠定了基礎。在經典力學的創立上,伽利略是牛頓的先驅。伽利略還提出過合理定律、拋射體運動規律,並確定了伽利略相對性原理。這些都在他晚年的著作《關於兩門新科學的對話》中有詳細的描述。

物理史話之近代力學之父伽利略

關於兩門新科學的對話

《關於兩門新科學的對話》一書是在伽利略受到宗教法庭錯誤宣判後才撰寫的著作,因此他特別謹慎,甚至這本書根本就沒有在意大利出版,而是通過他的朋友帶著書稿輾轉來到荷蘭才得以出版。在本書中,伽利略討論了他對兩門新科學--材料力學和動力學--的研究成果。他系統描述瞭如何通過大量實驗為新科學(材料力學和動力學) 奠定了基礎。人們說伽利略是最早把物理與嚴格的數學相結合的第一人,在這本書中,他正是系統地利用到他那個時代的數學去解決物理問題和論證新的物理定律、從而打開通向現代精密科學的大門的。人們說伽利略是開創動力學的第一人,這本書的大部分內容正是他關於落體、拋體和動力學基本規律方面研究的總結。

伽利略在本書中提出了固體的強度問題、介紹了他最早進行的梁的強度的實驗、提出了等強度梁的概念、討論了在重力下物體尺寸對強度的影響、提出了落體最速下落曲線問題、給出了重力場下能量守恆的早期敘述、給出了簡單情形下的虛功原理、討論了大氣壓力問題、敘述了擺的等時性現象、第一次將音樂的聲調與物體的振動聯繫起來、提出了光傳播速度的概念並且給出了一種測量光速的設想,等等。書中提出的新概念和新思想,無不對後來的科學發展以深刻的影響。

伽利略的科學發現,不僅在物理學史上而且在整個科學史上都佔有極其重要的地位。伽利略留給後人的精神財富是寶貴的。愛因斯坦曾這樣評價:"伽利略的發現,以及他所用的科學推理方法,是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標誌著物理學的真正的開端!"

宗教法庭對伽利略的審判與迫害,是整個人類歷史上黑暗勢力迫害科學發展的典型。隨著科學的發展,越來越證明這種迫害的荒唐。在判決伽利略359年後,梵蒂岡終於認識到1633年判決的錯誤,1979成立了一個教皇的委員會。1983年,羅馬教廷才宣佈"給伽利略定罪的法官犯了錯誤"。經過這個委員會13年的調查研究,羅馬教皇終於在1992年作出了對伽利略正式平反的決定。


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