第五章 伽利略
伽利略奥?伽利略（galile galilei,1564～1642），意大利天家、物理学家和工程师、近代科学实验奠基人之一。又被称为“观测天之父”、“现代物理学之父”、“现代科学之父”、等等。
伽利略1564年2月15日生于意大利比萨（当时属于佛罗伦萨公国），是家中六个孩子中的长子。父亲芬琴齐奥?伽利莱精通音乐理论和声学，著有《音乐对话》一书。作为一个中产家庭的孩子，伽利略最初接受的是私人教育。
1574年全家迁往佛罗伦萨。伽利略自幼受父亲的影响，对音乐、诗歌、绘画以及机械兴趣极浓；也像他父亲一样，不迷信权威。伽利略原本希望通过学习宗教成为传教士，但他的父亲希望他成为一名医生。17岁时遵从父命进比萨大学学医，可是对医学他感到枯燥无味，而在课外听著名学者里奇讲欧几里得几何学和阿基米德静力学，对此感到浓厚兴趣。
后来，由于家庭生活遇到困境，伽利略不得不提前离开大学。但是伽利略仍然继续在家里自学，同时刻苦钻研数学等学科。由于他在数学的研究中取得了优异的成绩。同时，他还发表了一系列重要论文。因此，年仅21岁的伽利略已经令人刮目相看，人们称他为“当代的阿基米德”。此后，伽利略又在他25岁那年，被比萨大学破例聘为数学教授。
在伽利略之前，古希腊在物理学方面有两大学派，一派以亚里士多德为代表，一派以阿基米德为代表。两人皆是古代希腊的著名学者，但是两人的观点和方法不同，导致科学结论也不同，形成了鲜明的对立。亚里士多德学派主张用推理方法作出结论，而阿基米德学派主张依靠科学实践方法得出结论。
从11世纪起，在基督教会的扶持下，亚里士多德的著作得到高度重视，他们排斥阿基米德的物理学，把亚里士多德的物理学奉为经典，凡违反亚里士多德物理学的学者均被视为“异端邪说”。伽利略经过认真思考，对亚里士多德的物理学方法持怀疑态度，经过借鉴阿基米德的物理学方法，提出采用数学推理和物理实验相结合的方法。
伽利略的数学推理和物理实验相结合的研究方法，主要分为三个步骤：1先将物理实验中获得的直观认识，用简单的数学形式表示出来，初步建立量的概念；2再由此式用数学方法推导出另一个易于实验证实的关系式；3然后通过实验来证实这种关系式。他对落体运动规律的研究便是最好的例证。
伽利略的重要贡献有哪些呢？
在日心说最终战胜地心说的斗争中，伽利略起到了至关重要的作用。
哥白尼提出日心说以后，由于教会等守旧势力的强烈反对，地心说仍然占据统治地位。
直到1615年，一位主教还声称，如果找不到太阳没有绕地球转而地球绕着太阳转的真实证明，哥白尼学说就不能被认为是正确的。
伽利略主要提出了两类证据支持日心说。
关于潮汐运动，伽利略认为，潮汐是由于海水的往复运动引起的，这是由于地球自转和绕太阳公转导致地球表面的加速和减速。尽管他的理论使人们首次了解了海盆形状对潮汐的大小和时间的重要性作用；例如，他正确地解释了亚得里亚海中部潮汐与末尾潮汐相比较是微不足道的。但是，作为支持日心说的证据，他的解释是错误的。
然而，伽利略根据他对1609年的天文观测等捍卫了日心说。
伽利略的一系列天文发现轰动了当时的整个欧洲，伽利略在介绍他的两本书《星际使者》（1610）和《关于太阳黑子的书信》（1613）中，都主张哥白尼的日心说。伽利略以观测到的事实，有力地推动了哥白尼学说的传播。
不过，伽利略采用了某些策略的做法。他在一封信声称，日心说实际上与圣经文本并不矛盾，圣经是信仰和道德的权威，而不是科学的权威。这封信没有公开出版，但却广为流传。
为了阻挠日心说的传播，教会使出了浑身解数。1616年2月，一个调查委员会宣布日心说是：“哲学上的愚蠢和荒谬，由于在许多地方明显地与圣经的意义相矛盾，因此是正式的异端”。
虽然在教会的压力下伽利略被迫放弃了关于地球绕太阳运动的理论，但是他确实不服气，随后说了一句话：“而它却在运动”。
再以后，这些打压措施并没有阻止伽利略将日心说作为一种数学和哲学思想进行讨论。
在物理学理论方面，伽利略第一次提出了惯性和加速度等新概念，从而为牛顿力学理论体系的建立奠定了坚实的基础。关于加速度概念的提出，在力学史上是一个重要里程碑。有了加速度的概念，力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上，而在伽利略之前，只有静力学部分有定量的描述。
伽利略深入研究了速度和加速度问题，重力和自由落体问题，并从事应用科学和技术领域的多项研究，确立了摆的运动性质，发明了温度计和各种军事罗盘，并改进了用于天文观测的望远镜。他对观测天的贡献包括对金星的观测，以及对太阳黑子的分析研究。
在15八9—1591年，伽利略对物体的自由下落运动作了细致的观察，从实验和理论上否定了统治两千年的亚里士多德的落体运动观点“重物比轻物下落快”，指出如果如忽略空气阻力，重量不同的物体在下落时落地的时间，与其重量无关。根据伽利略的学生维维亚尼的记载，落体实验是在比萨斜塔上进行的，但这件事在伽利略著作中没有记录，因而有些人认为此事不可靠。实际上，第一个完成这类试验的是荷兰人斯台文，其在15八6年使用2个重量不同的铅球完成了这个试验，并证明了亚里士多德的理论是错误的。在斯台文试验的几个世纪以后，阿波罗15号的宇航员斯科特于1971年八月2日在月球表面上使用一把锤子和一根羽毛重复了这个试验，让地球上的电视观众亲眼看到了两个物体同时掉落在月球表面上。
不过，我们在前面已经说过，不能认为亚里士多德在这个问题上的观点是完全错误的。
伽利略在力学方面的贡献是多方面的，部分成果记录在他晚年写出的力学著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中。在这本不朽著作中，除动力学外，还有不少关于材料力学的内容。例如，他给出了关于梁的弯曲试验和理论分析，正确地确定了梁的抗弯能力和其几何尺寸之间的关系。他指出，对长度相似的圆柱形梁，抗弯力矩和半径立方成比例。他还分析过受集中载荷的简支梁，指出其最大弯矩在载荷下，且与它到两支点的距离之积成比例。伽利略还对梁弯曲理论用于实践所应注意的问题进行了分析，指出工程结构的尺寸不能过大，因为它们会由于自身重量过大而发生破坏。他根据实验得出，动物身体尺寸减小时，其强度并不按比例减小。他还说明为什么体格大的动物在负重方面不如体格小的动物有优势，他写道：“一只小狗也许可以在它的背上驮两三只小狗，但我相信一匹马也许连一匹和它同样大小的马也驮不起来。”
伽利略还提出运动相对性原理（现称伽利略相对性）。相对性原理是为答复对哥白尼体系的责难而提出的，但原理的意义远不止于此，它第一次提出惯性参考系的概念，被爱因斯坦称为伽利略相对性原理，在此基础上，爱因斯坦提出狭义相对论。
关于光速问题，前人对于光速是否有限从来没有明确的认识。伽利略通过观察闪电现象，认为光速是有限的，并设计了测量光速的掩灯方案。但限于当时的实验条件，用这种测量方法实际测量到的是实验者的反应和人手的动作时间，而不是光的行进时间。然而，其原理是正确的。后来的木卫星食法、转动齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法都是借鉴于掩灯方案的。
也许有的读者会觉得，伽利略的实验和研究都是在条件相当不错的情况下做出的，然而下面的故事说明伽利略在没有条件的情况下会创造条件进行实验和研究的。
有一次伽利略在教堂中注意到吊灯因风吹而摆动，但是摆动的幅度会越来越小，于是思考到这样一个问题：摆动周期与摆动幅度有什么关系？为了初步确定其关系，必须有计时装置，这在教堂里是不可能有的，怎么办？伽利略有办法，那就是用数自己身体脉搏的方法代替计时装置。用这种简易方法初步得出结论：吊灯的摆动周期与摆动幅度无关。在以后进一步的研究中，伽利略发现单摆的周期与摆长的平方根成正比，而与振幅大小和摆锤重量无关。这个规律的发现为此后的振动理论和机械计时器件的设计方案建立了基础。
爱因斯坦评价这位科学先驱者时说：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端！”
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