环球科学朝圣

第一节 伽利略由落球开始的科学新时代

　　在历史上，比萨城曾位于海滨，还是一个威震八方的公国。相传在10世纪时，比萨王国打了一次胜仗，掠获了大批财宝，装上比萨舰队的战船，运回比萨城来。为了炫耀王国的战功，比萨大公决定建筑一座大教堂。这个教堂是一组古罗马式的建筑，如今仍屹立在比萨市内的教堂广场上。按照这个建筑群的总体规划，还需要建造一座配套的钟塔。于是，这座钟塔就在距离大教堂20多米的地方破土动工了。

　　钟塔开建后，建到第三层时就发现它明显向南倾斜，被迫中断工程，先后两次采取加固措施，但毫无效果，只得停工。大约过了漫长的一个世纪，比萨人建塔之心不死，就请来着名的工程师托马索·皮萨诺，他经过精心的测量和计算，证明这座塔虽然倾斜但不会倒塌，但他建议把每层南面的柱子略微加高一点儿，使工程得以按原设计继续施工，直到最后竣工。

　　这座塔从建成那一天起就是斜的，塔身中心偏离垂直中心线2.1米，而且每年都以1.25毫米的速率不停地倾斜，到了1999年1月，塔顶已偏离中轴线4.8米。从塔下向上望去，斜塔岌岌可危。游人在塔下歇息，都会自觉地离开南侧远远的，好像担心它随时塌下来砸到脑袋。然而，比萨人却坚信比萨斜塔绝不会轰然倒塌。比萨城中流行着一句俗语：比萨塔就像比萨人一样健壮结实，永远不会倒下去。

　　比萨斜塔的名气并不仅仅是“斜”出来的，它还与一桩着名的科学公案紧紧地连在一起。1590年的一天，比萨塔下聚集了一大群年轻学生，一位年仅26岁的学者登上了高塔，他就是比萨大学数学教授伽利略。

　　伽利略出生在比萨城，就在比萨斜塔旁边长大。他的父亲是个破产贵族，当伽利略来到人世时，家产已经变卖光了。不过，伽利略的父亲精通希腊文和拉丁文，对数学也颇有造诣，使得伽利略从小就受到了良好的家庭教育。伽利略17岁时进入比萨大学学医，同时潜心钻研物理学和数学。由于家庭经济困难，他没能拿到毕业证书，就离开了比萨大学。失学后，伽利略仍旧在家里刻苦钻研数学，攻读了欧几里得和阿基米得的许多着作，做了许多实验，还发表了许多有影响的论文，从而名闻全国，被誉为“当代的阿基米得”。

　　在他25岁那年，比萨大学破例聘请他担任数学教授。

　　从11世纪起，在基督教会的扶持下，古希腊哲学家亚里士多德受到高度推崇，亚里士多德的物理学被奉为经典，凡是违反亚里士多德物理学的学者都被视为“异端邪说”。伽利略却对亚里士多德的物理学抱怀疑态度，特别重视对阿基米得物理学的研究。

　　亚里士多德认为，物体下落的速度和它的重量成正比，物体越重，下落的速度越快。比如，一个10千克重的物体，它的下落速度就要比1000克重的物体快10倍。1700多年来，人们一直把这个说法视为金科玉律，不敢有丝毫的怀疑。年轻的伽利略根据自己的经验和推理，大胆地对亚里士多德的学说提出了质疑。他要亲自试一试，还要众人来做个见证，于是比萨斜塔就被他选作实验场。

　　在众目睽睽之下，伽利略带着两个大小一样但重量不等的铁球登上斜塔，一个铁球重100磅，是实心的；另一个铁球重一磅，是空心的。

　　塔下面站满了前来看热闹的人，大家议论纷纷。有人讽刺说：“这个小伙子的神经一定是有病了！亚里士多德的理论不会有错的！”

　　实验开始了，伽利略大声喊道：“下面的人们，你们看清楚，铁球就要落下去了。”说完，伽利略同时松开握着铁球的两只手，只听“嘭”的一声响，一大一小两个铁球同时落地。就是这“嘭”的一声，击破了一个曾经被视为万古不变的真理，从此诞生了“自由落体定律”，实验物理学的新时代就此拉开序幕。

　　伽利略在比萨斜塔上做过实验，这一点是毋庸置疑的，但由于缺乏详细的记载，其中有些细节很可能来自后人的虚构。比如，几乎所有的人都认为，历史上着名的比萨斜塔重力实验是伽利略亲自做的，但美国加州斯坦福大学数学系的客座教授凯斯·达维林却指出，这个实验只是伽利略策划的，登上斜塔往下抛球的是他的一个学生。

　　伽利略为什么要这样做呢？凯斯·达维林推测，伽利略是个非常谨慎的人，他非常清楚地知道，当体积相同但重量不同的两个球同时从高处下落时，由于在下落过程中受到空气阻力的影响，重量大的物体总是会比重量小的物体先接触地面。伽利略担心实验会出现这样的结局，所以就没有在公众面前亲自做这样的科学演示。

　　伽利略临去世前，他的一个学生又在比萨斜塔上做了相同的重力实验。结果表明，重量大的物体要比重量小的物体落地时间稍微早一些。这个结果让亚里士多德学派的学者欢欣鼓舞，奔走相告，庆祝他们的胜利。事实上，这是空气阻力作用的结果。如果没有空气阻力，两个物体将同时落地，但伽利略无法消除空气阻力的影响。

　　1590年以后，伽利略继续进行重力研究，做了大量实验。通过这些实验和精确的观察，他得出这样一个结论：重量小的物体在开始下降时，比重量大的物体下降速度快。

　　这个结论与自由落体定律是矛盾的，但是伽利略还是将这一发现忠实地记录下来。后来的一些学者对此大为迷惑，他们纷纷对伽利略的结论提出质疑，认为他似乎犯了一个愚蠢的错误。直到在20世纪80年代，一些科学家再一次重复了那个落球重力实验。这一次他们不再仅仅局限于肉眼的观察，而是使用了现代化的高速电影摄影机。摄影机将物体的下降过程用慢镜头一帧一帧地播放出来，结果证明，伽利略的结论是完全正确的。

　　一开始，重量小的物体的确比重量大的物体下降速度快，但是由于空气阻力的影响，后者的下降速度才赶上了前者，最终一起落地。

　　自从伽利略在比萨斜塔上做了那个落球实验后，他就得罪了亚里士多德的信徒们，他们与伽利略势不两立。在比萨大学呆了一个学期，伽利略又得罪了一个大公爵的亲戚乔范尼。这个乔范尼是个不学无术的家伙，他声称发明了一艘挖泥船，假惺惺地跑来征求伽利略的意见。伽利略仔细观察了乔范尼带来的挖泥船模型，直言不讳地告诉他，设计不合科学原理，根本不能使用。乔范尼拒不接受伽利略的正确意见，固执地坚持进行下水实验，结果船沉了。

　　事实证明伽利略的判断是完全正确的，但满心窝火的乔范尼反而迁怒于伽利略，到处散布流言飞语，说他是个“阴险的小人”。亚里士多德学派的信徒们乘机对他大肆攻击，一时间闹得满城风雨。

　　伽利略无法在比萨大学呆下去了，只得向盖特保图侯爵求助。这位侯爵珍惜人才，把伽利略推荐给了当时属于威尼斯共和国管辖的帕多瓦大学。1592年，28岁的伽利略被任命为帕多瓦大学的数学、科学和天文学教授。

　　在帕多瓦大学工作期间，伽利略最初把主要精力放在他一直感兴趣的力学研究上，他发现了物理上重要的现象——物体运动的惯性；做过有名的斜面实验，总结出了物体下落的距离与所经过的时间之间的数量关系；他还研究了炮弹的运动，奠定了抛物线理论的基础；加速度这个概念，也是他第一个明确提出来的。就在伽利略不断有所发现有所创造的时候，一个偶然事件改变了他的研究方向，从地面转向广漠无垠的太空。

　　那是1604年冬天，在南方的天空中突然出现了一颗异常明亮的星星，就在人们对它加强观测的时候，它却在第二年秋天神秘地消失了。就在这个星星出现的那段时间里，只要天气晴朗，伽利略每天晚上都对它进行观察，脑海中不断地浮现出许许多多的疑问：这是一颗什么样的星？它是从哪里来的？又要到哪里去？夜空中的点点繁星究竟是按照怎样的规律在运动的？要想回答这些问题，光凭肉眼观察解决不了什么问题，而当时还没有发明望远镜，人们无法看清遥远的星星。

　　1609年6月，伽利略听到一个令人振奋的好消息，说是荷兰眼镜商人李帕西发现了一种东西，能够看见远处用肉眼看不见的东西。不久，伽利略的一个学生从巴黎来信，进一步证实这个消息。这位学生在信中说，他还不知道李帕西是怎样做的，但可以肯定他制造了一个镜管，物体就是通过它放大的。

　　伽利略把来信翻来覆去地看了好几遍，目光落在了“镜管”这两个字上。也许秘密就在这里！他急忙跑进实验室，找来纸和鹅管笔，画出一张又一张透镜成像的示意图。

　　他又找来有关透镜的资料，不停地进行计算，一直忙到曙光透过窗户照射进来的时候，伽利略终于弄明白，把凸透镜和凹透镜放在一个适当的距离上，就能像那个荷兰人一样，看见远处的物体。

　　弄清了它的原理，伽利略兴奋得顾不上休息，立即动手磨制镜片。他一连干了好几天，终于磨制出了一对凸透镜和凹透镜，又制作了一个精巧的可以滑动的双层金属管。他小心翼翼地把那片大一点的凸透镜安装在管子的一端，那片小一点的凹透镜安装在管子的另一端，然后举起管子对向窗外。当他从凹透镜的一端望出去时，奇迹出现了！远处的教堂仿佛一下子被拉到了眼前，钟楼上的十字架、在十字架上落脚的鸽子，都看得一清二楚。他带着这个望远镜跑到海边，茫茫的大海上波涛翻滚，看不见一条船。当他拿起望远镜往远处看时，一条船正远远地向岸边驶来。

　　伽利略制成望远镜的消息马上就传开了，当地的议长和议员们都想先睹为快。于是，伽利略就把他制作的望远镜安放在威尼斯最高的钟楼上，他们依次登上钟楼，用它眺望远在港外的船只。这些人年纪都比较大，眼神都不大好使，但是靠着望远镜帮忙，竟能看到50英里以外的物体，不禁啧啧称奇。有了望远镜，就等于给伽利略安上了一双神话中的千里眼。每当星光灿烂或是皓月当空的夜晚，他总是要把他的望远镜瞄准深邃遥远的苍穹，夜复一夜地观察着。

　　过去人们一直以为，月亮是个光滑的天体，像太阳一样自身能发光。但是伽利略透过望远镜发现，月亮和地球一样，有高峻的山脉，也有低凹的洼地（伽利略称它为“海”）。根据月亮上亮的部分和暗的部分的移动，伽利略发现月亮自身并不能发光，月亮的光来自太阳……过去人们一直以为，银河是地球上的水蒸气凝成的白雾，亚里士多德就是这样认为的。伽利略从望远镜中看到，横贯天穹的银河根本不是云雾，而是千千万万颗星星聚集在一起形成的。伽利略还观察了天空中的星团，发现它们也是由很多星体聚集在一起形成的，如猎户座星团、金牛座的昴星团、蜂巢星团等。

　　过去人们一直以为，太阳是悬挂在天上不动的，它还是宇宙中最完美无瑕的天体。而伽利略透过望远镜却观察到，太阳上有黑子；他通过黑子的移动现象又推断，太阳也是在转动的。伽利略还发现金星如同月球一样，也有着盈亏的变化；他又发现木星周围环绕着四颗卫星，并计算出了它们的运行周期（现在人们知道，木星一共有14颗卫星）。

　　伽利略借助望远镜发现一个又一个振奋人心的天文现象。1610年3月，他把这些发现都写进《星际使者》一书中。这本书一出版，立即在欧洲引起轰动。人们都佩服地说：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”

　　就在这一年，伽利略告别了帕多瓦大学，回到佛罗伦萨，担任托斯坎尼公国的宫廷数学家和哲学家，兼任比萨大学的数学教授。

　　也在这一年，他前往罗马访问，受到规格很高的礼遇，罗马教皇保罗五世对他很重视，罗马的贵族和科学家们都以能结识他而感到荣耀。

　　就在伽利略被鲜花和荣誉包围起来的时候，一场可怕的厄运正在向这位杰出的科学家袭来。中世纪的欧洲处在神权的统治下，在神学家面前，科学家根本没有地位。

　　神学家们推崇古希腊天文学家托勒密的“地球中心说”，认为静止不动的地球处于宇宙的中心，太阳是围绕着地球运转的，因为上帝创造太阳的目的，就是要用它照亮地球，施恩于人类。为了维护这个荒谬的理论，天主教会的宗教裁判所不惜动用恐怖手段，对付一切敢于提出异议的人们。

　　伽利略读过波兰天文学家哥白尼的着作，对他提出的太阳中心说很感兴趣，他通过自己的观测和研究，逐渐认识到哥白尼的学说是正确的，就通过书信毫不掩饰地支持哥白尼的学说，甚至把信件的副本直接寄给罗马教会。

　　伽利略的这些书信引起了罗马教廷的恐慌和不安，他们对伽利略发出措辞严厉的警告，却没有吓住伽利略，在他看来，科学家的良心就是追随真理。罗马教廷见这招不管用，就在1615年把他召到罗马，押进宗教裁判所进行审讯，威逼他放弃对哥白尼学说的宣传，以后无论是讲课还是写作，都不得再把哥白尼学说说成是真理。

　　在教会的淫威下，伽利略被迫屈从，但他的内心深处并没有放弃哥白尼学说。回到佛罗伦萨后，他住郊外的锡尼别墅里，过着与世隔绝的生活，他的身体也大不如前，病魔在残酷地折磨着他，但他继续坚持进行天体观测和研究，更加坚信哥白尼的学说是完全正确的科学理论。经过长久的酝酿构思后，一部伟大的着作《关于两种世界体系的对话》终于诞生了。

　　这部着作采用三个人对话的形式，来讨论托勒密的“地心说”与哥白尼的“日心说”，从表面上看只是客观的记录，没有什么倾向性，可是细心的读者不难看出，伽利略在这部着作中以充分的论据和大量无可争辩的事实，科学地论证了哥白尼的学说，有力地批判了亚里士多德和托勒密的错误理论，宣告了宗教神学的彻底破产。

　　神学家们从这本书的字里行间嗅出了异样的味道，感到极大的恐慌。而那些早就对伽利略心怀不满的学术骗子们则趁机造谣生事，罗织罪名，为迫害伽利略大造舆论。

　　1632年8月，罗马宗教裁判所下令禁止这本书出售，罗马教皇亲自指名成立了一个专门委员会，对这本书进行审查。两个月后，宗教裁判所的一纸公文送到佛罗伦萨，要伽利略亲自前往罗马接受审讯。

　　这时候的伽利略已是69岁的老人，病魔缠身，行动不便，不少人为他说情，罗马教皇却恼怒地说：“除非证明他不能行动，否则在必要时就给他戴上手铐，押到罗马来！”

　　1633年初，年老多病的伽利略来到罗马，立刻被投进宗教裁判所的牢狱，而且断绝了他与任何人的联系，使他完全失去了人身自由。在宗教裁判所弥漫着血腥气味的法庭上，身穿黑袍的法官们，赤裸裸地威胁伽利略放弃自己的信仰，否则就用火刑烧死他。在审讯和刑法的折磨下，伽利略被迫表示忏悔，同意放弃哥白尼学说，并且在判决书上签了字。

　　教会的主审法官在法庭上当众宣读了对伽利略的判决书：“为了处分伽利略这样严重而有害的错误与罪过，以及为了他今后更加审慎和给他人做个榜样和警告，”“我们宣布用公开的命令禁止伽利略的《关于两种世界体系的对话》一书；判处暂时正式把他关入监狱内，根据我们的意见，以及使他得救的忏悔，在三年内每周读七个忏悔的圣歌……”

　　当法官宣读判决书时，伽利略在口中喃喃自语道：“不管怎样，地球仍在转动。”

　　伽利略的晚年生活非常悲惨。1637年，他的双目完全失明，陷入了无边的黑暗之中。随后，他唯一的亲人小女儿玛利亚离他而去，告别人世，给他的心灵造成了极大的打击。后来，宗教裁判所对他的监视有所放宽，他的几个学生来到老人身边，一边照料他，一边向他求教，这才给他孤寂的生活带来一丝光明和温暖。

　　伽利略去世后，曾让神学家们如释重负，当时他们绝对想不到，300多年后会出现一件具有讽刺意味的事情。1979年11月，在世界主教会议上，罗马教皇提出重新审理“伽利略案件”。于是，由教会出面，邀请来一些世界着名科学家组成了一个审查委员会，重新审理当年的那个冤案。当然，这不过是走个过场而已，因为历史早就给伽利略平反了，他的名字早已成为人类科学史上一个闪闪发光的坐标。

　　科学家逸闻

　　伽利略与钟摆

　　伽利略是一名虔诚的天主教徒，但这并不影响他对科学问题的认真思考。他18岁那年，有一天到比萨教堂去做礼拜。当时，修理房屋的工人正在安装吊灯，教堂大厅中央的巨灯不断地晃动着。伽利略目不转睛地跟踪着摆动的吊灯，同时用右手按着左腕的脉搏，他想借助脉搏跳动的次数来计算吊灯摆动一次所需要的时间。

　　通过计算伽利略发现，吊灯摆动一次的时间总是一样的。随着吊灯的摆动力量越来越弱，摆动的距离渐渐缩短，但是每摆动一次，他脉搏跳动的次数还是一样的。

　　根据亚里士多德的说法，摆经过一个短弧要比经过长弧快些，对此没有人产生过怀疑。难道是自己的眼睛出了毛病？伽利略决心弄个明白。他跑回比萨大学宿舍，找来不同长度的绳子、铁链，还有铁球、木球，在房顶上，窗外的树枝上，一次又一次地做试验，用沙漏记下摆动的时间。最后，伽利略得出一个结论：决定摆动周期的是绳子的长度，和它末端的物体重量没有关系。相同长度的摆绳，振动的周期是一样的。就这样，伽利略发现了摆的等时性。根据这个原理，荷兰物理学家惠更斯制成了挂摆时钟，人们将它称为“伽利略钟”。

　　科学小常识

　　比萨斜塔为什么会倾斜？

　　按照比萨人的说法，比萨斜塔是古代的意大利建筑师为了显示技艺高超，故意建成这个样子的。这种说法并非没有道理，从1982年开始，这座塔几乎停止了向南倾斜，而改向西南方向。在一次大地震中，它大幅度地摇晃了22分钟，最终居然安然无恙。在对比萨斜塔的建塔材料、结构、地质、水源等方面进行了充分的研究后，也有不少学者认为，这座塔每一块石砖之间的粘合极为巧妙，有效地防止了塔身倾斜引起的断裂，这很可能是斜塔斜而不倒的一个重要因素。

　　几个世纪以来，探索比萨斜塔倾斜的奥秘成了一个热门话题。有人说倾斜是由于施工过程中偏离了设计方案造成的，有人认为这是设计本身出了问题。还有人认为，在比萨塔下面可能有好几条地下水脉，当地居民长期从这里汲取生活用水，造成地下水位下降，进而引起了塔身的倾斜。

　　进入20世纪后，“地基原因”说逐渐占了上风。这种解释认为，这一带的土层是由黏土和沙子组成的，强度很差，而塔基的基础深度不够，只有三米多深，大理石砌筑的塔身又太重，地基难以平衡地承受沉重的塔身，从而导致了倾斜。不过，这种解释并非定论。1934年，比萨市在斜塔地基及四周灌进90吨水泥，以保护它的基础不被水浸，结果却是塔身更加不稳，向周围移动、倾斜得更快。如果问题真的出在地基上，这样的结果恐怕就不会发生了。

　　至今，比萨斜塔倾斜的原因还没有彻底查清，而另一个更为现实的问题又在困扰着关心它的人们。据有关专家估计，这座斜塔至多还能坚持250年，最终将因塔身的重心超出塔基外缘而倾倒。另有专家认为，这座塔只是围绕着中心线来回摇晃，并不会倒塌。

　　科学小常识

　　温度计发明小史

　　为了测量病人发烧时体温的升高，伽利略在1593年发明了世界上第一支温度计。它的主要部分是一个管子，管子里装着红色液体，管子的一端连着一个玻璃球，倒放在水里。使用时，将玻璃球与不同温度的物体相接触，利用管内空气的热胀冷缩测出物体温度的变化。这种温度计的准确性比较差。后来，伽利略的学生对它进行了改进，把管子的另一端也密封起来，并用带红色的酒精来代替空气，这样一来准确性就大大提高了。

　　科学小常识

　　望远镜的发明

　　08年秋天，荷兰密德尔堡市的一家眼镜店的主人李帕西一时心血来潮，把一块磨制好的凸透镜和一块凹镜一前一后放在同一水平线上。

　　透过这两块玻璃向外望去，李帕西惊奇地发现，远处的教堂塔尖好像变大了，其实应该是拉近了距离。

　　于是，他就用一张羊皮纸卷成一个筒，将这两块镜片固定下来，世界上第一个望远镜就这样诞生了。

　　据说有几十个眼镜匠都声称发明了望远镜，不过一般人都认为李帕西是望远镜的发明者。

　　李帕西把他发明的望远镜称为“明晰镜”，并立刻向密德尔堡市议会递交了一份报告，申请30年的专利。

　　市议会组织了一个委员会对“明晰镜”进行审查，委员们轮流用“明晰镜”来望远，一致认为它大有用处，却没有给他专利。原因是法国大使得知这一消息，想让荷兰人制作一具“明晰镜”。

　　送给法国国王，这样就不可能保守住专利的秘密了。于是，市议会给了李帕西一份丰厚的酬金，让他制作一具双筒“明晰镜”。