第6章 沉冤三百年—实验科学的先驱伽利略
1564年2月15日，伽利略（伽利略家族姓伽利莱（Galilei），他的全名是Galileo Galilei，但现已通行只称呼他的名Galileo，而不称呼他的姓，1564～1642，意大利天文学家、物理学家、哲学家，近代实验科学的先驱，最早用望远镜观察天体，发现了钟摆的等时性原理、落体定律以及木星卫星、太阳黑子、土星光环等，被誉为“近代科学之父”）出生在意大利的比萨城。他父亲芬琴齐奥·伽利莱是一位没落贵族，有很高的文化修养，通晓数学，精通音乐理论和声学，著有《音乐对话》一书。受家庭的熏陶，伽利略从小就聪明好学，多才多艺。伽利略1572年开始上学，1574年，随家迁居佛罗伦萨，1575年进修道院学习。当他满17岁时，父亲就把他送进比萨大学医学系，希望他长大之后做一名医生。可是他偏爱数学和物理学，对所学的医学课程一点儿也不感兴趣。入学不久，他就因爱提各种奇特的问题而闻名。他提的问题，有不少连教师也回答不了，因而不少老师对他很发怵，不喜欢他。他还敢于和守旧观点唱反调，他说：“有的老师说亚里士多德永远正确，这不对，亚里士多德生活在2000年以前，许多事情到现在已经改变了样。”
比萨城有座教堂，伽利略十分喜欢那里面安静肃穆的气氛，他常静静地坐在那儿，思考一些问题。
1624年，伽利略又信步来到了教堂。当他刚刚在一条长凳上坐定，一阵风从敞开的窗户吹了进来。忽然，他注意到屋顶的吊灯被吹得轻轻地左右摆起来。这本来是件平常的事，伽利略却抬头看得人了迷。“真奇怪！怎么每次摆动的时间好像都一样？”他又去推了一下灯，再仔细观察。一开始灯以一个很大的弧度摆动，但是，弧度变得小些的时候，摆动的速度也会变得慢些。他联想起老师说的“脉搏跳的次数是稳定均匀的”这句话，用右手按住左手的脉搏，心中默数吊灯摆动和脉搏跳动的次数。结果发现，不论吊灯摆动的弧度多大，每次摆动的时间总是相等。就这样，伽利略从教堂摇晃的吊灯上得到了灵感，发现了摆的等时性。
但是伽利略并没有轻易地下结论。他想，如果不是自己的感觉欺骗了自己，就是亚里士多德的记述错了。因为亚里士多德认为摆经过一个短弧要比经过长弧快些。
回家后，他找来了各种不同重量的物体，在不同长度的绳子上做试验，想通过这种试验找到正确的答案。于是，他狂热地投入到一个又一个的实验中去，根本不想再去上什么医学课了。
为了进一步研究摆的规律性，他将不同长度的线悬挂在天花板上，下端挂上小球，并测量它们摆动的周期。经过多次实验，他得出结论：摆的周期跟摆锤的质量及材料无关，而只跟摆长的平方根成正比，这是物理学上一项重大的发现。伽利略第一次用无可辩驳的事实驳倒了亚里士多德关于摆的观点！
在医学院的几年里，尽管他竭力强制自己去实现父亲的愿望，成为一名医生，但最后他不得不承认自己失败了。不久，他没有取得医学学位就离开了比萨大学，开始钻研数学和物理学。
古希腊数学家阿基米德有一条关于杠杆和浮体比重的原理，他认为，将物体放入装满水的容器，会有和物体相同体积的水排出来。伽利略认为用这种方法来测量物体的体积，太麻烦了。
1624年，他偶然看到一个小孩拿石头打水面木板上的青蛙，木板被打中向右倾斜时，青蛙就向左跳；向前倾斜时，它便向后跳。不管木板怎么摇晃，青蛙都不在乎。青蛙懂得保持木板两边的平衡。
伽利略终于得到了灵感：重量相同的东西，挂在一根杆子的两端时，就能保持平衡。若将其中的一方浸入水中时，就无法再保持平衡了……
利用这个原理，伽利略发明了测定物体的重量和体积的仪器——水秤。而后，他又发表了以数学计算见长的论文《固体的重心》，轰动了当时的学术界。凭借这篇论文，他于1589年被比萨大学聘请为数学教授。
可是伽利略在比萨大学并不受欢迎，因为他竟然公开站出来向亚里士多德的学说提出挑战。
亚里士多德认为，不同重量的物体从高处下落时的速度是不一样的。当时人们都信以为真，但是伽利略对此表示怀疑。他私下做了实验：把3块大小不同的石头，从二楼的窗口抛下去，结果3块石头均同时到达地面。于是他断定亚里士多德的这个理论是错误的。当他把这项实验的结果告诉其他教授时，大家都嘲笑他竟敢怀疑“权威性”的说法。
为了让学校里的教授和学生相信他的理论，伽利略计划用比萨斜塔来公开他的实验。因为这座塔有近60米高，而且是倾斜的，从塔上往下扔东西，可以清楚地看到物体掉落的情形，这是再理想不过的实验场所了。
1590年，年仅26岁的伽利略在比萨斜塔上进行了落体实验。他特意邀请了一些大学教授来观看，许多人也闻讯前来围观。这是一个晴朗的中午，伽利略拿着两个大小不同的铁球登上塔顶。他在塔上大声解释这次实验的目的：
“在我左手中有一个小铁球，重量是1磅（0.45公斤），右手中有一个大铁球重10磅（4.5公斤）。现在，我将要把两个铁球同时放下去。事实将证明：到底是亚里士多德的理论正确，还是我的理论正确？”
说完，他叫塔下两个学生各拿一具计时用的“滴漏计”，准备记录铁球掉落到地面的时间。
“准备，一、二、三！”他向下面的人做了一个手势，随后双手一放，两个铁球便从斜塔上笔直地落下来。刹那间，两个铁球同时到达地面。
伽利略虽然在众人面前，圆满地证明了他的“落体原理”，推翻了亚里士多德的错误说法，但是，他这种违反传统的行为，却受到比萨大学里头脑陈旧的校长和教授们的抨击。伽利略愤然辞去了比萨大学的职务。
幸好，伽利略的名声已经传遍国内外，所以不久以后，1591年他就被欧洲著名的帕多瓦大学聘为数学教授。帕多瓦属于威尼斯公国，远离罗马，不受教廷直接控制，学术思想比较自由。在那里，伽利略可以自由地开展科学研究。
有一天，伽利略偶然得到一本天文学家哥白尼的著作——《天体运行论》，书上说：“地球不是宇宙的中心，太阳才是中心，月亮、地球和其他的行星，都围绕着太阳运转。”伽利略深深地——被这个说法震撼住了。因为在这以前的学者，像托勒密、亚里士多德等人，都认为“地球是宇宙的中心，太阳围绕着地球运转。”而且《圣经》上也是这样说的，因此，谁也不怀疑这样的说法。但是，这种说法有许多谜无法解开，一直困扰着伽利略，而哥白尼的说法，却把这些谜团解释得一清二楚。
此时，德国有位名叫开普勒的天文学家在《新天文学》一书中通过大量的论述，得出结论说，哥白尼的太阳中心说是正确的。伽利略读完后，他越研究越倾向哥白尼的学说，希望有一天自己能亲自证明哥白尼学说的正确性。
1609年他回到佛罗伦萨，开始广泛收集了有关透镜的材料。他了解到，人们所以看见一个物体，是因为光线从这个物体上射到入们的眼睛里。在光线笔直的路线上，透镜能使它折射。凸透镜中间比边上厚，能使光线向里面折射；凹透镜正好相反，中间比边上薄，使光线向外面折射，把凸透镜和凹透镜放在一个适当的距离上，能使物体看起来放大。
于是伽利略开始实验。他先花费很长时间来研究玻璃，一片一片地磨好、擦亮，直到这些玻璃完全符合他的要求为止。他把透镜做成一对一对的，一片凸透镜，一片凹透镜，然后又准备了一个双层的能滑动的管子。
当他把一头安装一片大的凸透镜，另一头安装一片小的凹透镜的管子对准窗外的建筑物时，他惊讶地发现，那个建筑物似乎近在眼前，建筑物表面上那被风吹雨淋的道道斑痕都看得一清二楚。再看那稍远些的教堂上的钟塔，也是又大又近。成功了，他使物体整整放大了9倍！参议院得知后，随即决定聘他为帕多瓦大学的终身教授。可是，用它来观察天体，仍不理想。1609年的整个夏天，他都在制作这种镜管，进行反复的计算，把透镜研磨得更加精确，放大的倍数也越来越大。1610年他又制成了能放大32倍的透镜。伽利略兴奋异常，他给这种全新的仪器取名望远镜。
1610年1月6日夜晚，是天文学史上又一个里程碑的日子。这天晚上，伽利略第一次把他的望远镜对准夜空。那浩瀚壮观的天文奇景令他惊愕、着迷。他首先把望远镜对准了月亮，银盘似的月亮顿时变得千疮百孔。在望远镜的镜片中，月亮的表面既不光滑，也不平整，既有凸起的高山，也有凹陷的深谷。这一发现，使伽利略兴奋得整整观察了一夜。
此后他又连续几夜对月亮进行观察，还发现月亮本身并不发光。因为当月亮只有半边发亮时，只要再注意观察就会发现，它的另半边好像不在那里。但如果使用望远镜就能看见，它有一团很暗淡的光，好像是另外还有一个不太亮的天体，把光照射到月亮的另一面。
根据计算伽利略认为，晚上人们之所以能看见月亮，是因为地球被太阳照到的部分，正好面对着月亮。同时，就像月亮把从太阳得到的光反射给地球那样，地球也把太阳光反射给了月亮，月亮和地球本身都不发光。月亮在不断旋转，而且是环绕着地球。
第二年，伽利略把望远镜转向了木星。他发现木星附近有3颗明亮的小星星，就像3个小月亮一样。两颗在木星的东边，一颗在西边。第二天晚上观看时，却发现3颗小星全在木星西边。过了几个晚上，木星附近又出现了第4颗小星。以后他又一连观察了十几个夜晚，这4颗小星每天晚上都在改变自己的位置。伽利略仔细推算4颗小星运行的情形，终于了解到——
“这4颗小星不是行星，而是卫星！它们像月亮绕地球旋转一样，绕着木星运行。”
这项发现使伽利略欣喜若狂，他把自己所看到的有关月亮、行星及卫星的许多事实，写成了一本书，名为《星空信使》，于1610年3月出版，震撼全欧。在书中，他清楚地阐明，哥白尼的学说是正确的。
伽利略又把望远镜移向了金星和水星，又一奇迹出现了，金星和水星也不是发光的物体。他观察了好多个夜晚，看到它们都有缓慢的变化：晚上或黎明前，常常见到金星和水星离太阳很近，当它们处于太阳的这一边时，其形状不是圆的。为什么呢？因为太阳只照射在这两颗行星的表面，而地球上的人们则处在它们的背面。当这两颗行星绕到太阳对面一边时，它们呈圆形，但要显得小一些，因为它们距离地球很远。金星离我们最近，它反射出的光看起来最亮。只有金星和水星运行在地球和太阳之间，所以也只有它们会改变形状。这一发现，从事实上彻底推翻了亚里士多德派的学者们关于“月亮绕地球旋转，因此太阳也一定绕地球旋转”的观点。
为了取得充裕时间致力于科学研究，1610年春，他辞去大学教职，接受托斯卡纳公国大公聘请，担任宫廷首席数学家和哲学家的闲职与比萨大学首席数学教授的荣誉职位。为了进一步证明哥白尼的“太阳中心说”，从1611年开始，伽利略开始研究太阳。他通过望远镜观察后发现，太阳表面有些奇异的黑点，这些黑点缓慢地横移过太阳表面。1613年，他在写给其他天文学家的信中谈到了“太阳黑子”。他写道：“太阳黑子可能是太阳表面或太阳附近的物质，太阳在原地缓慢地旋转，太阳黑子跟着它一起转动。”对太阳黑子移动的观察，证实了太阳是自转的。
伽利略通过一系列的观察，终于证明了哥白尼的理论是千真万确的：太阳是太阳系的中心，月亮绕着地球，木星的4颗卫星绕着木星，地球、木星和其它行星绕着太阳转。
为了使科学免受教会干预，伽利略曾多次去罗马活动。1611年他第二次去罗马，目的在于赢得宗教、政治与学术界认可他在天文学上的发现。他在罗马受到包括教皇保罗五世和若干高级主教在内的上层人物的热情接待，并被林赛研究院接纳为院士。当时耶稣会的神父们承认他的观测事实，只是不同意他的解释。这年5月，在罗马大学的大会上，几个高职位的神父公开宣布了伽利略的天文学成就。
1615年，一诡诈的教士集团和教会中许多与伽利略敌对的人联合攻击伽利略为哥白尼学说辩护的论点，控告他违反基督教义。他闻讯后，于这年冬第三次去罗马，力图挽回自己的声誉，企求教廷不因自己保持哥白尼观点而受到惩处，也不公开压制他宣传哥白尼学说，教廷默认了前一要求，但拒绝了后者。教皇保罗五世在1616年下达了著名的“1616年禁令”，禁止他以口头的或文字的形式保持、传授或捍卫日心说。
1624年，他第四次去罗马，希望故友新任教皇乌尔邦八世能够同情并理解他的意愿，以维护新兴科学的生机。他先后谒见6次教皇，力图说明日心说可以与基督教教义相协调，说“圣经是教人如何进天国，而不是教人知道天体是如何运转的”，并且试图以此说服一些大主教，但毫无效果。乌尔邦八世坚持“1616年禁令”不变；只允许他写一部同时介绍日心说和地心说的书，但对两种学说的态度不得有所偏倚，而且都要写成数学假设性的。
在这辛勤奔波的一年里，他研制成了一台显微镜，“可将苍蝇放大成母鸡一般。”
此后6年间，他撰写了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》一书。1630年他第5次到罗马，取得了此书的“出版许可证”。此书终于在1632年出版了。全书笔调诙谐，在意大利文学史上列为文学名著。
《关于两种世界体系的对话》一书以三人对话的形式揭示了地心说的错误和日心说的正确，此书在表面上保持中立，但实际上却为哥白尼体系辩护，并多处对教皇和主教隐含嘲讽，远远超出了仅以数学假设进行讨论的范围，因而极大地触怒了教会，6个月后即被禁止销售。
曾支持乌尔邦八世当上教皇的集团激烈地主张要严惩伽利略，而神圣罗马帝国和西班牙王国认为，如纵容伽利略会对各国国内的异端思想产生重大影响，提出联合警告。在这些内外压力和挑拨下，教皇便不顾旧交，于1632年秋发出要伽利略到罗马宗教裁判所受审的指令。
年近七旬而又体弱多病的伽利略被迫在寒冬季节抱病前往罗马，在严刑威胁下被审讯了三次，根本不容申辩。几经折磨，终于在1633年6月22日在圣玛丽亚修女院的大厅上由10名枢机主教联席宣判，主要罪名是违背“1616年禁令”和圣经教义。伽利略被迫跪在冰冷的石板地上，在教廷已写好的“悔过书”上签字。主审官宣布：判处伽利略终身监禁；《对话》必须焚绝，并且禁止出版或重印他的其他著作。此判决书立即通报整个天主教世界，凡是设有大学的城市均须聚众宣读，借此以一儆百。已在病中的伽利略神志恍惚地被迫在判决书上签了字，但他在朋友的搀扶下离开宗教法庭时，仍然喃喃自语：“但地球确实在运动啊！”
宗教裁判所的判决随后又改为在家软禁，指定由他的学生和故友A.皮柯罗米尼大主教在锡耶纳的私宅中看管他，规定禁止会客，每天书写材料均需上缴等。在皮柯罗米尼的精心护理和鼓励下，伽利略重新振作起来，接受皮柯罗米尼的建议继续研究无争议的物理学问题。于是他仍用《对话》中的三个对话人物，以对话体裁，和较朴素的文笔，将他最成熟的科学思想和科研成果撰写成了另一部更有代表性的著作《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》，阐述了物理学上运动的基本概念和规律，矛头直指亚里士多德的物理学偏见。两门新科学是指材料力学和动力学。这部书稿1636年就已完成，由于教会禁止出版他的任何著作，他只好托一位威尼斯友人秘密携出国境，1638年在荷兰莱顿出版。
伽利略在皮柯罗米尼家中刚过了5个月，便有人写匿名信向教廷控告皮柯罗米尼厚待伽利略。于是教廷勒令伽利略于当年12月迁往佛罗伦萨附近的阿切特里他自己的故居，由他的大女儿维姬尼亚照料，禁例依旧。她对父亲照料妥贴，但4个月后竟先于父亲病故。
伽利略多次要求外出治病，均未获准。1638年，由于长期使用望远镜进行观察，伽利略双目逐渐失明，晚景凄凉。次年才获准住在其子家中。在这期间探望他的除托斯卡纳大公外，还有英国著名诗人、政论家J.弥尔顿和法国科学家、哲学家P.伽桑迪。他的学生和老友B.卡斯泰里还和他讨论过利用木卫星计算地面经度的问题。这时教廷对他的限制和监视已明显放松了。
1639年夏，伽利略获准接受聪慧好学的18岁青年V.维维亚尼为他的最后一名学生，并可在他身边照料，这位青年使他非常满意。1641年10月卡斯泰里又介绍自己的学生和过去的秘书E.托里拆利前往陪伴。他们和这位双目失明的老科学家共同讨论如何应用摆的等时性设计机械钟，还讨论过碰撞理论、月球的天平动、大气压下矿井水柱高度等问题，因此，直到临终前他仍在从事科学研究。
1642年1月8日，这位伟大的学者在比萨离开了人世，葬仪草率简陋，直到下一世纪，遗骨才迁到家乡的大教堂。
300多年以后，1979年11月10日，梵蒂冈教皇J.保罗二世在无可辩驳的现代科学面前，不得不在公开集会上宣布：1633年对伽利略的宣判是不公正的，并宣布重新审查对伽利略的判决。为此，1980年10月又提出重审这一案件，并装模作样地在罗马成立了一个由宗教信仰不同的世界著名科学家组成的专门委员会调查案件，研究伽利略案件的始末、科学同宗教的关系、伽利略学说的科学价值及其对现代科学思想的贡献。1983年，公布了审查结果，承认“给伽利略定罪的法官犯了错误”。伽利略的沉冤终于得到昭雪。