伽 利 略

(Galileo galilei)

文:小罐子老師

「我認識的伽利略精神,是向任何以權威為基礎的教條展開熱烈戰鬥」

-愛因斯坦

 比薩斜塔的落體實驗

古希臘最著名的哲學家亞里斯多德的學說在十六世紀時如日中天,人人都奉為經典,沒有人提出任何的懷疑。而亞里斯多德關於「自由落體」的學說是:「物體自高處自由落下的速度和重量成正比」。也就是說,一個十磅重的物體,下墜的速度會比一磅重的物體快十倍。這個學說表面上看來,似乎很合理,而且人人也都相信以亞里斯多德的智慧是不可能犯錯的。但是有一個人發現了這個理論錯了,他決定用公開實驗的方式來印證他的發現。

他在比薩斜塔的各樓層安排了實驗者,讓他們分別把一對大小不等的重物自由落下。「砰!」的一聲,重一磅和重十磅的鐵球同時接觸到地面,圍觀的群眾中出現了不小的騷動,雖然實驗證明了一切,現場也有許多教授、學者目睹了這個實驗,但是沒有掌聲、也沒有歡呼,因為在當時保守而固執的學風下,很多人不承認:被羅馬教會封為「聖人」的亞里斯多德的理論竟然會出現錯誤。

這個人沒有和現場的人作太多的爭辯,不過他卻堅持用這種「實驗科學」的態度,面對未來的人生道路。他就是近代實驗科學的奠基者伽利略,那年他只有26

求學之路

西元1564年伽利略誕生在義大利比薩城的一個沒落貴族家庭裡,這一年距離波蘭天文學家哥白尼去世已有21年,距離英國物理學家牛頓誕生尚有78年。伽利略的父親文森西奧•伽利萊,是一位音樂家,對於數學、拉丁文、希臘文也有很高的造詣,可是這些學問都沒有讓他為家庭帶來財富,反而是後來經商從事羊毛的買賣才改善家境困窘的局面。正因為這樣,父親決心不讓伽利略成為一個音樂家或數學家,因為這兩項職業在義大利是不太容易生活的;在父親的刻意引導下,18歲的伽利略進入比薩大學習醫。

在比薩大學裡,伽利略經常對教授們陳腐以及無實證基礎的理論加以質疑,教授們也對這位愛爭吵的學生貼上一個「怪物」、「壞學生」的標記,不過伽利略除了專業的科目之外,還是依照學校的規定,大量的研讀了亞里斯多德的著作,因為13世紀末,亞里斯多德的理論和教會的神學權威結合在一起,產生密不可分的關係,亞里斯多德被視為「聖人」、「眾人之師」,他的理論被視為「絕對真理」,不容否定和懷疑。

這個時期的伽利略雖然會質疑某些陳腐的觀念,並獨立思考,但並不具備實證科學的基礎知識,一直到他遇到他生命中的導師李奇。李奇是托斯卡納公國(當時比薩城的統治者)的宮廷教師,伽利略在偶然的機會中聽到李奇的數學講課,從此對算術、幾何學著迷不已,因為數學是富於邏輯性的科學,沒有因為就沒有所以;沒有證明就沒有結論,而李奇也知道伽利略在數學方面的天分,因此也頃囊相授。伽利略很快掌握了數學這項科學研究的重要工具,為日後研究奠下堅實的基礎。同時,他也養成不會輕易接受任何僅憑推想,而沒有經過證明的理論。

比薩大教堂的吊燈

在醫學院求學的伽利略,有一天在比薩大教堂作禱告,突然發現教堂天花板的吊燈在擺動,他凝視這盞左右擺動的吊燈,右手指按住左腕的脈博,心媕q默的計算燈火擺動的次數,他發現它們之間有固定的關係,於是伽利略進一步實驗研究單擺的性質,結果發現單擺的長度改變,擺動的週期就不一樣;但是擺錘的重量、擺幅的大小和擺動的週期無關,這就是「擺錘等時性原理」。這發現在當時是一項創舉,那時伽利略還不滿20歲。後來,伽利略再利用擺的原理,製作了一種儀器「計脈器」,可以用來測病人的脈搏次數,日後又有另一位科學家海更斯根據這個定律,發明了時鐘。

由於有了這樣的發明,以及對數學、物理學的濃厚興趣,因此,大部分的時間,他專心研究歐幾里德和阿基米德的理論,便逐漸荒廢醫學課業,成績相當差,他的父親知道後非常憤怒,不再供給他求學的費用,伽利略只好中途輟學,離開比薩大學。

回到比薩大學任教

儘管伽利略醫學院沒畢業,但是由於他的發明、發現,以及他回鄉後又發表了兩篇論文:一篇是關於自己發明的比重秤;一篇是關於固體的重心。這兩篇論文的評價相當高,加上恩師李奇的大力推薦,終於讓他謀得一份工作,就是回到母校比薩大學擔任數學教授。「比薩斜塔的實驗」正是他在比薩大學擔任教授時的有名實驗。這個實驗完沒多久,伽利略又向亞里斯多德的另一項理論挑戰,經由實驗他推翻了亞里斯多得所謂「物體運動是因外力作用,沒有外力,物體就會靜止下來;作用力越大,物體運動速度越快」的說法,伽利略指出:運動不需外力來維持,如果沒有外力作用,該物體將永遠保持原有的運動狀態。後來牛頓根據這一理論基礎總結出:牛頓第一運動定律,也就是「慣性定律」。

帕多瓦大學的研究

1592年,伽利略在朋友的推薦下來到北義大利的威尼斯共和國,帕多瓦大學擔任數學教授。帕多瓦大學是個自由思想氣氛濃厚的大學,伽利略喜愛實證的研究精神,在這裡得到充分的發揮。

他主要研究地面上物體的運動、拋體運動,並整理出運動三大公式,這些都成為後來研究物體運動的基礎。

伽利略也根據熱漲冷縮的原理,發明了溫度計,他用一支玻璃管,裡面注滿了水,隨著氣溫的變化,水位會上升下降。現代的水銀溫度計是托里切利所發明,和當時伽利略的發明已經大不相同,不過基本的構造和運用的原理,還是得歸功於伽利略的發明巧思。而且托里切利也是伽利略的學生喔!此外伽利略還經常接受委託,研究有關軍事、機械、玻璃等工程上的技術問題。

由於這些驚人的研究成果,吸引了眾多的學生從歐洲各地來聽他講課,人數有時竟超過上千人,教室越換愈大,最後乾脆利用戶外的空地講課,這時的伽利略已經成為當時歐洲相當有名聲的科學家。

伽利略式的測溫器

改良望遠鏡

西元1608年,有一位荷蘭的光學家,無意之中將兩張玻璃片組合起來,竟能將遠處的景物,看得好像就在眼前一樣。這項驚人的發現,立刻吸引了伽利略的注意。根據他的推想,望遠鏡的兩個透鏡必須一個是凸透鏡,一個是凹透鏡。於是,他成功的製造了一個能放大兩三倍的望遠鏡。之後,伽利略又不斷改進,最後竟然製造出一架可以放大20倍的
伽利略式望遠鏡

望遠鏡。他送了一架給威尼斯的市議會,市議會對他的成就非常驚奇,不得不對這位傑出的物理學家刮目相看,立刻決議增加他的薪水,並且聘他為帕多瓦大學的終身教授,這是許多教授夢寐以求的身份。

以往人們對天空有了疑問只能請教權威或書本,因為沒有工具可以直接觀察星空。伽利略大概沒想到吧!他對望遠鏡的改良,直接影響了人類天文學的發展,但是也幾乎為他惹來殺身之禍。

觀察星空、解開奧秘

在一個晴朗的夜堙A伽利略用望遠鏡去觀察月亮。那個時候,人們依照亞里斯多德的學說及聖經的教義,認為月亮是完美無缺的,而表面是完全光滑的銀白色。可是伽利略透過改良的望遠鏡,發現月亮和地球一樣,有高山也有深谷,既不平滑,也不光潔;他又用這架望遠鏡去看銀河,發現銀河也是由無數的小星球組合而成,根本不是什麼「霧氣」。

16101月,他把望遠鏡指向木星,發現木星有四個衛星,就像是地球的衛星月亮一樣。可是這一連串的發現,並沒有贏得其他教授們的相信,他們不願意去看伽利略製成的望遠鏡,總以為那根管子媕Y,一定藏有「魔術」。總而言之只要是和亞里斯多德的學說不同,便是斜門歪道。

在伽利略用望遠鏡指向天空的一百年前,哥白尼教士便曾指出:假如肉眼銳利的話,可以看得見金星也跟月亮一樣有盈虧,伽利略用望遠鏡證實了哥白尼的見解是正確的顯然金星是繞著太陽轉的,而不是繞著地球轉的。

伽利略又用望遠鏡去觀測太陽,這是從來沒有人做過的怪事。更奇怪的是他居然看見太陽的表面有黑點,而且這些黑點不停的在移動、在改變,漸漸的又消失了。這發現擊碎了天體是完美的臆測,而且證明太陽本身在旋轉。

著書立言、挑戰權威

有了這些大發現,伽利略開始把發現寫下來。在1610年出版的《星際使者》和1612年出版的《關於太陽黑子的信札》,都成了當時歐洲天文界轟動的著作,內容也是當代天文學的大突破。他否定了亞里斯多得「天體是完美無缺」的觀念、並推翻古代學者托勒密的「地球是宇宙中心」(天動說)的理論,並推崇哥白尼的學說(地動說)。論文發表後立即引來教會和守舊派人士的反感和攻擊。教會為了鞏固權威於1616年宣布:「哥白尼學說為異端,地動說違背聖經教義,不得任意傳授與公開談論」。伽利略鑑於以前有位學者布魯諾,因為主張哥白尼的學說而被活活燒死,因此也就停止宣揚他的想法。

1622年伽利略的好朋友烏魯班八世即位,成為羅馬新教皇。伽利略心想機會來了,於是他開始撰寫《關於托勒密和哥白尼宇宙論的對話》,這本書在1632年出版,表面上是以對話的形式,來解說兩種宇宙論的觀點,實際上則是宣揚哥白尼的地動說。這書完成的隔年,伽利略就被押到羅馬宗教法庭總部,並被指控為「反對教皇、宣傳異端」的罪名,可憐的伽利略在布魯諾被燒死的陰影、和不堪身心折磨的情況下,終於口頭上承認自己學說的錯誤,並接受無限期在家監禁的處罰,直到教會滿意為止。

伽利略精神不死

儘管遭到軟禁,伽利略研究的精神依然旺盛,他在家開始撰寫《新科學對話》這本書,書中將自己年輕時的研究詳細寫下,成為後世研究科學的寶典,這時他已經是74歲的老人了,雙眼也完全失明。

1642年伽利略永遠閉上眼睛,離開人世。但是同一年,牛頓在英國誕生,牛頓說他是站在巨人的肩膀上,才有如此偉大的成就。而伽利略就是這巨人的其中之一。

1984年,天主教教宗若望保祿六世公開發表談話,承認當年教會迫害伽利略的行為是錯誤的,伽利略長達300年的冤屈終於獲得洗雪。

 

圖片來源:

http://es.rice.edu/ES/humsoc/Galileo/

http://galileo.imss.firenze.it/museo/b/egalilg.html#egalilgb

http://torre.duomo.pisa.it/index_eng.html