<hr/>纪念物理学界科学大师

2018年3月14日，英国著名物理学家史蒂芬 •威廉•霍金去世，享年76岁。霍金生于伽利略祭日，卒于爱因斯坦诞辰。在霍金出生日 1942年1月8日的300年前，1642年1月8日伽利略去世；而在霍金去世日2018年 3月14日的139年前，1879年3月14日继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家阿尔伯特 •爱因斯坦出生。三个大物理学家之间的研究工作，是层层深进的，似乎，在时间的长河里，冥冥之中有着千丝万缕的关联。伽利略GalileoGalilei（1564.2.5—1642.1.8）享年78岁；阿尔伯特•爱因斯坦AlberEinstein（1879.3.14—1955.4.18)享年76岁；斯蒂芬•威廉•霍金StephenWilliamHawking（1942.1.8—2018.3.14）享年 76岁。依照历史年轮的规律，这三位科学家有这一些惊人的相似之处：都是 70多岁去世，都是伟大的物理学家。本期科学人物栏目，为纪念物理学界的这三位泰斗，特撰写此文，以飨读者。

<hr/>

伽利略—— 近代科学之父

1564年2月15日，伽利略诞生于意大利比萨的一个没落贵族家庭。伽利略自小受到父亲音乐方面才能的影响，在音乐、诗歌、机械设计与制造等方面表现出了极强的兴趣。虽然伽利略对医学并不感兴趣，但是在他 17岁那年仍然遵从父亲的意愿进入了比萨大学学医，尽管此时他对数学、物理和仪器制造愈发感兴趣，并且逐渐发现前人留下的“经典”内容与他所理解的内容有较大偏差。在大学期间伽利略学会了用怀疑的眼光看待那些自古以来被各个学派奉为经典的学说。

16世纪正是文艺复兴时代最为大放异彩的阶段，意大利作为文艺复兴运动的发源地，许多大城市，例如佛罗伦萨、威尼斯等发展成了欧洲与东方的贸易中心，贸易及信息的交流变得非常发达。由于印刷术的普及，新思想、新方法、新创造的传播比以往任何时候都更加迅速，人们对数千年来束缚大家思想、禁锢大家思维的教会和宗教萌生了质疑。

尽管由于家境贫寒，伽利略于 1585年退学，但是他在此期间依靠当家庭教师获得的报酬勤奋地自学，专心研究古希腊的学术著作。此期间伽利略共有两个主要的学术成就：发明了测定合金成分的流体静力学天平；撰写了关于固体重心计算方法的论文。

1586年，伽利略撰写出了根据合金中不同金属成分密度的不同而可以测定合金成分的流体静力学天平的论文，这项成就引起了意大利学术界的注意。曾发现浮力原理的阿基米德也正是利用金、银密度的不同找到了测量浮力的方法，伽利略也因此被人们称为“当代的阿基米德”。1587年，伽利略带着关于固体重心计算方法的论文前往罗马大学求见著名数学家、历法学家克拉维乌斯教授，他的论文得到了克拉维乌斯教授的大力称赞和鼓励。克拉维乌斯教授回赠给伽利略罗马大学 P• 瓦拉教授的逻辑学与自然哲学讲义，这对伽利略日后的研究工作有重大的帮助。

1588年，伽利略在文艺复兴的中心——意大利佛罗伦萨研究院做了关于文艺复兴文学巨匠但丁《神曲》中炼狱图形构想的学术演讲。伽利略的文学才华与数学才华受到了人们的赞扬；次年，伽利略又发表了关于几种固体重心计算方法的论文，其中包括若干静力学新定理。伽利略的这些学术成就引起了比萨大学的注意，随后伽利略便被比萨大学聘请，讲授几何学和天文学。当时的比萨大学教材均为亚里士多德学派的学者所撰写，书中充斥着神学和形而上学的教条主义内容。由于伽利略早年养成了对古代经典学术的质疑精神，他时常发表对这些教条主义辛辣的反对意见，因而也遭到了校内该学派的排挤。

亚里士多德认为，物体自由下落的速度与其重量呈正比，而伽利略却利用两人对话的思维实验，巧妙地将亚里士多德的理论推翻了。以下是两人对话的思维实验内容：

甲：“有物体 A质量1千克与物体B质量10千克，现将 A和B同时从高处自由落下，谁应该先落地？”

乙：“按照亚里士多德的理论，由于 B比A重，应当是 B先落地，A后落地，而且B落地的速度是A的10倍。”

甲：“如果现在用绳子将 A和B捆在一起从高处抛落，A+B的落地速度又如何呢？”

乙：“A+B的质量有11千克，它应当比A和B单独落地速度都要快。”

甲：“请注意，A+B落地也可以看做是较慢落地的A拖住了较快落地的 B，它的落地速度应该介于A与B之间。”

乙：“这么说来，亚里士多德的理论是自相矛盾的！”

虽然有传说伽利略曾经在比萨斜塔上当着众人的面亲自做过不同质量物体的自由落体实验，但是根据考证，伽利略并没有在比萨斜塔上做过这一实验。但是伽利略在推翻亚里士多德理论时所采用的数学与实验相结合的研究方法，则是区分近现代严谨科学与主观臆断、形而上学、教条主义科学的标志性事件。

1591年，伽利略离开比萨大学，次年前往远离罗马不受教廷直接控制的帕多瓦大学任教。帕多瓦大学学术思想比较自由，在此期间伽利略时常参加校内外各种文化活动，与具有各种思想观点的同事论辩。在此时期，伽利略深入而系统地研究了自由落体运动、抛物运动、静力学、水力学等，发现了惯性原理，研制了温度计。

1609年7月，一位荷兰眼镜匠无意间发明了望远镜。而伽利略在未见到望远镜实物的情况下，利用风琴管和凹凸透镜制作了一台望远镜。1610年初，伽利略将望远镜的放大倍率提高至 33倍，并历史性地将望远镜指向了星空，从此打开了现代天文学的大门。

伽利略利用他的望远镜发现了大量的以前通过肉眼无法观察到的天文现象，例如：月球表面的高低不平、金星的盈亏、木星的卫星、银河系的构成、土星椭圆形的外形（伽利略的望远镜几乎看到了土星的光环，但是由于仪器与认知限制，伽利略本人并没有意识到土星周围存在环结构）等，他的发现震撼了欧洲的天文学界，其中不少发现是对哥白尼日心说强有力的支持。

伽利略在帕多瓦大学的 18年是他一生中研究工作全面开展，精神最舒畅的时期，这 18年也是他一生中学术成果最为丰硕的时期。

伽利略众多的学术成果激起了他更大的学术目标，于是他于 1610年春辞去帕多瓦大学的教职，担任了托斯卡纳公国（文艺复兴时期意大利中部的自治国，文艺复兴运动的核心）宫廷首席数学家和哲学家，并任比萨大学首席数学教授。

在此期间伽利略多次去罗马与宗教界、政治界进行沟通，希望教会不要干涉科学研究。伽利略虽然受到了政教界高层人物的热情接待，并被授予了荣誉，但是耶稣会的神父们只承认他的观测结果，并不赞成他对观测结果的解释。

1612年伽利略利用望远镜发现了太阳黑子（当时的宗教认为太阳是完美的），并通过黑子发现了太阳的自转运动。

1615年，许多与伽利略为敌的教士联合攻击伽利略与哥白尼日心说的观点，控告他违背了基督教教义。次年，教皇保罗五世对伽利略下达了“1616年禁令”，即禁止他以口头或文字形式传授、捍卫日心说。此后虽然伽利略也对宗教干预进行了妥协，甚至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”，但是顽固的教会丝毫不动摇对伽利略的 1616年禁令。

1632年，伽利略历经千辛万苦，破除了教会的阻挠，出版了著名的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》一书。该书表面上保持中立，但实际上却为哥白尼日心说辩护，并多处利用诙谐的笔调暗讽教皇与主教。该书出版仅 6个月后便被罗马教廷勒令停止销售，并且认为伽利略严重违背了1616年禁令。欧洲其他国家的教徒也十分愤怒，认为该书使得各国国内的“异端思想”蠢蠢欲动，对罗马教皇施加严惩伽利略的压力。

此时年过七旬的伽利略在严冬前往罗马接受审讯，并获罪“违背 1616年禁令”和“违背圣经教义”。此时体弱多病的伽利略被迫跪在冰冷的大理石地板上在“悔过书”上签字，并被判处终身监禁；《对话》一书必须立即焚毁不得重新出版。

而后伽利略被获准由终身监禁改为在家软禁，并在此期间受到了故友的照料，重新振作起来，开始研究不受教会干预的物理学问题。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《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》。这两门新科学是指材料力学和动力学。虽然这部书稿 1636年就已完成，但由于教会禁止出版他的任何著作，他只好托一位友人秘密携出国境，1638年在荷兰出版。

1637年，由于长时间通过望远镜对太阳进行研究而没有保护，伽利略双目失明，此时教廷对他的监视和限制也已明显放松。在伽利略生命的最后阶段，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，伟大的科学家伽利略病逝。他被誉为近代科学的奠基人之一，科学革命的先驱，现代科学之父。伽利略在数学、力学、光学、天文学方面皆有颇高的建树。他主张数学与实验相结合的科学研究方法，这种研究方法是他对现代科学最伟大的贡献。

责任编辑：郑英姿

资料来源：《大学科普》2018第一期（第12卷总第42期）