物理学史-伽利略•伽利雷（三）

伽利略的主要贡献可以分为以下三个方面:

①力学

伽利略是第一个将实验引入力学的科学家。他把实验和数学结合起来，确定了一些重要的力学定律。大约在1582年，他通过长期的实验观察和数学计算，获得了钟摆的等时定律。1585年，由于家庭经济困难，他辍学了。当他离开比萨大学时，他深入研究了古希腊学者欧几里德、阿基米德等人的著作。他根据杠杆原理和浮力原理写了第一篇题为“平衡”的论文。不久，他写了一篇论文《论重力》，第一次揭示了重力和重心的本质，给出了精确的数学表达式，从而获得了巨大的声誉。同时，他质疑亚里士多德的许多观点。

从1589年到1591年，伽利略对落体的运动进行了详细的观察。在实验和理论方面，统治了一千多年的亚里士多德否定了“落体定律”，建立了正确的“*落体定律”，即在忽略空气阻力的情况下，不同重量的球在下落时同时落地，下落速度与重量无关。根据伽利略晚年的学生维维亚尼的记录，落体实验是在比萨斜塔上公开进行的。1589年的一天，伽利略同时扔下了一个10磅重的铁球和一个1磅重的铁球，并且几乎同时着陆。在场的所有参赛者都目瞪口呆，笑得耸了耸肩。然而，伽利略的著作没有具体说明实验是在比萨斜塔上进行的。因此，近年来对此一直有争议。

伽利略详细研究了运动的基本概念，包括重心、速度和加速度，并给出了严格的数学表达式。特别是，加速度的概念是力学史上的一个里程碑。有了加速度的概念，力学的动态部分可以以科学为基础，而在伽利略之前，只有静态部分有定量的描述。

伽利略曾非正式地提出惯性定律(见牛顿运动定律)和物体在外力作用下的运动定律，这为牛顿正式提出第一和第二运动定律奠定了基础。伽利略是牛顿创立经典力学的先驱。

伽利略还提出了合力定律、抛射体运动定律，并建立了伽利略的相对论原理。伽利略对力学的贡献是多方面的。这在他晚年写的力学著作《谈两种新科学和数学证明》中有详细描述。在这本不朽的书中，除了动力学，还有许多关于材料力学的内容。例如，他详细阐述了梁的弯曲试验和理论分析，并正确地总结了梁的抗弯强度与几何尺寸之间的力学相似关系。他指出，对于长度相似的圆柱形梁，弯矩与立方半径成正比。他还分析了集中荷载作用下的简支梁，并正确地指出最大弯矩是在荷载作用下，与它到两个分支的距离的乘积成正比。伽利略还分析了梁弯曲理论应用于实践时应注意的问题，并指出工程结构的尺寸不应太大，因为它们会在自重的作用下被破坏。根据他的实验，当一个动物的身体尺寸减小时，它的力量不会成比例地减小。他说:“一只小狗可能背上有两条或三条同样大小的狗，但我相信一匹马可能连一匹同样大小的马也背不动。”

(2)天文学

他是第一个在用望远镜观察天体方面取得巨大成就的科学家。这些成就包括:发现月球不平坦的表面，木星有四颗卫星(现在称为伽利略卫星)，太阳黑子和太阳的旋转，金星和木星的盈亏现象，以及由众多恒星组成的星系。他用实验来证实哥白尼的“地球运动论”，并彻底否定了统治了一千多年的亚里士多德和托勒密的“天道运动论”。

③哲学

在他的一生中，他坚持反对唯心主义和教会的经院哲学，主张通过具体的实验来理解自然规律，并认为经验是理论知识的来源。他不承认世界上有绝对真理和掌握真理的绝对权威，反对盲目迷信。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，这对唯物主义哲学的发展具有重要意义。然而，由于历史的局限性，他强调，只有可以概括为数量特征的物质属性才是客观存在的。

伽利略因支持日心说而入狱后，他“放弃了”日心说。他说，“考虑到各种障碍，两点之间最短的不一定是直线”。正是因为他有这样一个想法，他暂时放弃了对永恒的支持，没有像布鲁诺那样为科学真理而牺牲，而是可以继续为科学贡献自己的力量。

科学发现

古希腊有两个物理学派，一个以哲学家亚里士多德为代表，另一个以自然科学家阿基米德为代表。他们都是古希腊的著名学者。然而，由于他们的观点和方法不同，他们的科学结论也不同，形成了鲜明的对立。亚里士多德学派的观点基本上是理想化的。他是通过主观思维和纯粹的推理得出结论的，所以结论充满了谬误。阿基米德学派的观点基本上是唯物主义的，他完全依靠科学实践方法来得出结论。

然而，自11世纪以来，在基督教的支持下，亚里士多德的作品受到了学者们的关注。他们拒绝阿基米德的物理学，认为亚里士多德的物理学是经典。任何违反亚里士多德物理学的学者都被视为“异端”。但是伽利略对亚里士多德的物理学持怀疑态度。相反，他特别重视阿基米德物理学的研究。他非常重视理论联系实际，观察各种自然现象，思考各种问题。当伽利略18岁的时候，他去比萨教堂参加一个教堂礼拜。他注意到挂在教堂里的长明灯有规律地随风从左到右摆动。他根据脉搏的跳动来计算时间，发现它们总是同时来回移动。这样，他发现了钟摆的等时性。后来，荷兰物理学家惠更斯根据这一原理制作了一个悬挂钟摆，称为“伽利略钟”。

根据阿基米德的理论，伽利略对用于快速测定合金成分的流体静力学天平进行了研究，并发明了一种可以测量的物质。

密度的“小尺度”写了一篇名为“小尺度”的论文。后来，他潜心研究了物体重心的几何，并于1588年发表了一篇题为《固体重心》的论文，引起了学术界的注意。第二年，在朋友的推荐下，他被比萨大学任命为数学教授。

亚里士多德认为两个物体落在同一高度，较重的物体比较轻的物体先着陆，但伽利略在反复研究和实验后改写了这个结论:物体下落的速度与重量无关。传说在1590年，伽利略在比萨斜塔做了一个物体坠落的实验，这证明了亚里士多德的理论是错误的，并且第一次动摇了统治人们思想2000多年的亚里士多德的理论。然而，一些被邀请观看的著名学者否认了他们亲眼所见的一切。他们都攻击了伽利略。后来这个传说被证明是不存在的。然而，伽利略在1591年被比萨驳回，因为他的进步思想违反了神学。

在科学史上，伽利略不是落体实验的发起人。他的发起人是比利时人斯台文。但是伽利略在比萨斜塔上的实验产生了深远的影响。

1592年，伽利略来到威尼斯的帕多瓦大学教书，开始了他科学活动的黄金时代。在此期间，他研究了许多物理问题，如倾斜运动、力合成、抛射运动等。他还研究了液体和热，发明了温度计。1609年，伽利略制造了一架天文望远镜，并用它来探索宇宙的奥秘。他发现月球表面高低不平，有高山和深谷。木星有四颗卫星围绕着它旋转。金星和月亮各有利弊。土星有环；太阳有太阳黑子，可以旋转。银河系由千千的一千万颗暗淡的恒星组成。这些发现为哥白尼和布鲁诺的观点提供了强有力的证据。这对教会的信条是一个严重的打击。

第二年，他出版了《星际信使》，以通俗的方式向读者介绍他观察到的天空现象，并宣传他的观点。这本书在欧洲引起了巨大的轰动，因此伽利略被称为“天空中的哥伦布”。1613年，他在罗马出版了《太阳黑子》。这本书以书信的形式明确指出哥白尼是正确的，托勒密是错误的。伽利略激怒了教会，开始被宗教法庭审问。

在教廷的压制下，伽利略继续他的科学研究。在他对天体的长期观察和研究中，他更加坚信哥白尼理论的正确性。1632年1月，伽利略在佛罗伦萨发表了《关于托勒密和哥白尼两个世界体系的对话》。在书中，他与三位学者交谈了四天。讨论了三个问题:1 .证明地球在移动；2.丰富哥白尼理论；3、地球的潮汐。对话总结了伽利略长期科学研究实践中的各种科学发现，宣告了托勒密地心说的破产，从根本上动摇了教会的最高权威，从而促进了唯物主义思想的发展。这本书一经出版，就受到了读者的欢迎。但是遭到了罗马教会的反对。伽利略因此被监禁了很长时间。

1636年，伽利略在狱中秘密完成了他一生中的另一部巨著《两种新科学的对话》。这本书于1638年在荷兰出版。这本书也是以三人对话的形式写成的。“第一天”是关于固体材料的强度，驳斥了亚里士多德的观点，即物体下落的速度取决于它们的重量。《第二天》是关于凝聚力的原因，讨论杠杆原理的证明和梁的强度。“第三天”讨论了匀速运动和自然加速运动。“第四天”是关于抛射体运动的讨论。这部不朽的著作从根本上否定了亚里士多德的运动理论。

科学研究方法

伽利略对物理定律的演示非常严格。他创立了一种科学研究方法，对物理现象进行实验研究，并将实验方法与数学方法和逻辑论证相结合。例如，为了说明惯性，他曾经设计了一个没有摩擦力的理想实验:在某一点o悬挂一个摆锤，将摆锤球拉到离垂直位置一定距离的左边点a，释放球，球将在垂直位置摆动到右边点b，这里点a和点b在同一高度。如果C用钉子改变摆在O正下方的运动路线，球就会以和A和b相同的高度摆动到D。伽利略指出，斜面也会得到同样的结论。他把两个斜面对接起来，这样球从静止的一个斜面滚下，球从另一个斜面滚上来。如果没有摩擦力，球会上升到原来的高度。他推论说，如果第二个斜坡的倾斜度减小，球将不得不走更长的距离才能在这个斜坡上达到它原来的高度。然后，第二斜面的倾角变得越来越小，球将滚得越来越远。如果第二个斜面变成一个水平面，球将永远达不到它原来的高度，并将继续沿水平面匀速运动。尽管伽利略在想象中设计了这个实验，但它是基于可靠的事实。将所研究的事物理想化可以突出事物的主要特征，简化复杂性，并使其更容易理解它们的规律。伽利略的自然科学新方法极大地促进了物理学的发展，因此他被誉为“经典物理学的奠基人”。

在科学史上的地位

伽利略的科学发现不仅在物理学史上，而且在整个科学中都占有极其重要的地位。他不仅纠正了亚里士多德统治欧洲近2000年的错误观点，而且创造了研究自然科学的新方法。

伽利略·伽利雷

伽利略在总结他的科学研究方法时说，“这是第一次打开一种新方法的大门。这种新方法将会带来许多美妙的结果，在未来几年将会吸引许多人的注意。”后来，惠更斯继续伽利略的研究工作。他推导了单摆的周期公式和向心加速度的数学表达式。牛顿在系统总结了伽利略、惠更斯等人的工作后，得到了万有引力定律和牛顿三大运动定律。伽利略的精神财富遗产是珍贵的。爱因斯坦曾经说过:“伽利略的发现和他使用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开始！”

著名的实验

传说在1590年，出生在比萨城的意大利物理学家伽利略在比萨斜塔上做了一个*落体实验，同时从同一高度落下两个重量不同的球体，导致两个弹丸同时落地，从而发现了*落体定律，推翻了亚里士多德的观点，即重物首先落地，下落速度与其质量成正比。

伽利略在比萨斜塔做*落体实验的故事被记录在他的学生温琴佐·维维亚尼(1622-1703)1654年的《伽利略的生活史》(1717年出版)中，但是伽利略、比萨大学和他那一代人没有这个实验的记录。对于伽利略是否在比萨斜塔做了*落体实验，历史上一直有两种不同的观点。

为了纪念伽利略的成就，人们把木卫二、木卫二、木卫二和木卫二命名为伽利略卫星。