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无传奇,不足以服后人——记近代科学之父:伽利略

xiawuyouke 趣味数学故事 2022-02-21 09:13:52 33 0

古希腊文明时期最博学的人,亚里士多德亦可谓是一位百科全书式的人物,他的著作涵盖了当时已知的学术的方方面面包括他自己的学说、他的思想曾统治过地球另一块大陆的整个欧洲并且深远影响至今。活力鼎盛时期的亚里士多德创办了吕克昂学园,由他开创的学派被后人称为“逍遥学派”,顾名思义,可想而知整个学园的教学氛围就是“潇洒”,授学者想必洋洋洒洒、受学者亦是潇潇乐乐。

在亚里士多德以前,人们看待事物的方法仅是主观的臆判,他的老师柏拉图——还有他的师公苏格拉底,他们祖孙三代并称为“希腊三贤”,他们的思想体系和著述可以说是代表了古希腊学术的最高成就。柏拉图就认为:存在一个抽象的东西叫做理念,而且理念呢是永恒的,(自然界)其他的能够看得见的摸得着的,万事万物全部都是理念的影子,按我们现在的观点,柏拉图这是唯心主义的先驱思想。而亚里士多德却完全把老师的学说给颠倒了个个来理论,认为但凡是我们看不见的东西都不应该认为它是存在的,所以真正存在的是这些(看得见摸得着)实在的东西,他主张对事物的理解必须观察才能下结论,这倒好,由于认知局限,观察得不够仔细,也下了错误的结论,比如说用力扔一块石头出去,慢慢石头就停止运动了,得出的结论是力是维持物体运动的原因、自由坠落的物体重的会比轻的下落的快。

无传奇,不足以服后人——记近代科学之父:伽利略

在长达上千年的历史里,亚里士多德的学说根深蒂固地禁锢着人们思想,并且在文艺复兴以前,科学还隐含在哲学里,人们对自然的研究只处于思想层面,只有定性的理论,而真正的科学始于伽利略。

▌两个著名的思想实验

到了伽利略时代,他认为对事物的理解不仅要观察,还得实验并且精确测量,并且声称“实验是检验真理的唯一标准”。针对亚力士多德的断言,他首先做了两个思想实验:

无传奇,不足以服后人——记近代科学之父:伽利略

设想一个竖直放置的V字形光滑导轨,一个小球可以在上面无摩擦的滚动。让小球从左端往下滚动,小球将滚到右边的同样高度。如果降低右侧导轨的斜率,小球仍然将滚动到同样高度,此时小球在水平方向上将滚得更远。如果斜率越小,那么小球为了滚到相同高度就必须滚得越远。再设想右侧导轨斜率不断降低以至于降为水平,则根据前面的经验,如果无摩擦力阻碍的话,小球将会一直滚动下去,也就保持匀速直线运动。

这就是所谓的惯性定律,所描述的规律被后来的伟大的大物理学家牛顿归纳到那部传世之作《自然哲学的数学原理》一书中,成为牛顿三大力学定律之一的第一定律。

无传奇,不足以服后人——记近代科学之父:伽利略

如亚里士多德所言,自由落体运动中,越重的物体下落越快,而越轻的物体下落越慢。那么,设想把一重一轻两个小球绑在一起下落,由于重的落得快而轻的落得慢,轻球会拖拽住重球给它一个阻力让它减速,因此两个球的下落速度应该会介于重球和轻球下落速度之间;但设想把两个球看成是一个整体,那么总重量大于重球,它应当下落得比重球单独下落时更快,于是这两个推论之间自相矛盾,从而亚里士多德的论断是错误的,两个小球必须同时落地,这就是自由落体运动定律。

两个小球同时落地就已经不仅是一个物理上成立的自由落体运动定律,而且在逻辑上也必然如此。后来,爱因斯坦还有一个伟大的思想实验“等效原理”——惯性质量等于引力质量,但两者是两个精确相等的可区分的物理量,这个思想实验在逻辑上的必然成立直接导致广义相对论的诞生。

有了上述的思想实验信条,伽利略开始着手实验,在斜面上进行球体滚动实验并且精确测量,当斜面放水平,于是推导总结出惯性原理;当斜面放竖直,不管球体或大或小,测量到的下落的加速度是一样的,从而又总结出自由落体运动定律。

关于自由落体的实验不得不提的是位于意大利的比萨斜塔实验,可是根据意大利的科学史工作者研究得出的结论是:可能有人在比萨斜塔做过自由落体实验,但这人肯定不是伽利略;伽利略也许做过高空自由落体实验,但肯定不是在比萨斜塔,也就是说这一事件的故事成分居多,极有可能的是伽利略的支持者和反对者做过,最后两边也不知其所以然而大打出手,干了起来。

其实伽利略所做的自由落体运动实验还是在斜面上,他说斜面的自由落体是“减缓了的”或“冲淡了的”运动,这其实是用实际行动证明了遥远的东方的两个形象成语:一个叫“一石二鸟”,另一个叫“一举两得”。

▌望远天文时代

一个荷兰人发现把凸透镜和凹透镜组合起来,可以清晰地看到更远的景物,伽利略的朋友把这玩意儿介绍给他之后,他就在想,既然能看清远处的景物,那我看看天上都有什么呢?于是他一番加工后就成了望远镜,往天上一看便开启了一个全新的望远天文时代。这不看不知道,一看吓一跳。他看到了太阳上有黑子;看到了月亮上有环形山,根据教会的宣传,当时人们都认为太阳和月亮是非常圣洁的天体,觉得太阳怎么会有黑点呢?月亮怎么会凹凸不平呢?或者是认为伽利略的望远镜有问题,并且责怪他怎么能偷看上帝的秘密呢?后来经过仔细的观测,他还看到了木星有四颗卫星像月亮围绕地球运转一样绕着木星运转,后来这四颗卫星都以伽利略的名字命名。

无传奇,不足以服后人——记近代科学之父:伽利略

再后来他还看到了土星的光环……

总之,现代的望远天文学是建立在伽利略发明望远镜的基础之上的。

▌相对性原理

伽利略在他的两部著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《两门新科学》里都有阐述过相对性原理,相对性原理是力学的基本原理,它描述的惯性参考系的概念,为牛顿提出第一,第二定律奠定了基础;被爱因斯坦称为伽利略相对性原理,也是狭义相对论的先导。

▌数学是自然科学的语言

对于自然科学的研究,伽利略倡导数学与实验相结合的方法,并且他也曾说过:自然这本书是用数学语言写成的,这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉,也是他对近代科学的最重要贡献。是他使得物理学成为了一门实验的科学、测量的科学,经典物理学的大厦就是建立在他的思想和研究基础之上的。

▌传奇的人生和悲催的结局

伽利略发现木星有四颗卫星后,认为木星系统就是一个小的太阳系,他觉得哥白尼的日心说是对的,于是他千方百计地想着怎么去宣传日心说,然而当时的日心说被当权教会认定为异端邪说,于是他的朋友们都奉劝他可千万别这么干,因为在他之前的布鲁诺宣扬日心说被教会审判活活给烧死了,他只能压抑住自己内心的思想,直到有一天出现了转机,他的一个朋友当上了教会的教皇,他一想这下可行了,于是他大肆的去宣扬日心说,最后他倒霉了,他那个教皇朋友也救不了他。他的言行触犯了教会教条,年近70时被他的朋友送入了教会受审,伽利略彻底的服认了自己的罪行,并且承诺一、不再宣扬异端邪说;二、一旦有人宣扬就检举,可是地球还是在转动啊……

无传奇,不足以服后人——记近代科学之父:伽利略

伽利略作为近代科学之父,身处近代科学族谱的最高位,注定了他身上可圈可点可读的东西很多很多。而能让伽利略成为近代科学之父的,是他在那个时代所造就的不同凡响的哲学思想和科学思想。


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