如果没有伽利略，天文学与物理学的发展将何去何从？

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图片来源：伽利略向威尼斯总督演示如何使用望远镜，朱塞佩·贝尔蒂尼(1858)的壁画作品

伽利略在历史上享有传奇性的地位：他是最早期的现代科学家中的一位科学巨头。作为第一个将望远镜用于天文学研究的人，伽利略观测到：

木星的四颗卫星，这是第一个直接被观测到的证据，用来证明除地球之外还存在另一组围绕行星运动的天体。

土星的“耳朵”，后来被研究查明是土星的光环，这也是首次发现除地球之外的天体周围，可能拥有地球都没有的结构。

太阳上的斑点，现在已知是随着太阳的旋转而移动的低温临时区域（太阳黑子）。

金星的相位变化，显示着金星是如何从月牙形变成半圆形再到凸月形、满月形并循环往复，当它离我们越来越近时，它在整个相位中显现得最小，此时它最大的形状就是一个狭窄的新月形。

图片来源：伽利略最初（1610年）绘制的金星相位草图，维基百科用户费尔南多·德戈罗西卡，已获得C.C.A.-S.A.-3.0的授权。

然而，正如索尼·克里斯蒂说的那样，伽利略并不是当时唯一一个进行这种观测的天文学家。实际上，他总结道：

即便伽利略从未使用过望远镜，这也不会改变天文学历史上发生的任何事情。伽利略的名声在很大程度上来源于他发现了望远镜，以及在公开的辩论和文章里击败了他的对手。

事实其实是：如果没有伽利略，那么或许日心说不会这么快的被世人所接受，但是像开普勒，以及惠更斯、哈雷、牛顿这些后来的天文学家的研究工作是无论如何都会发生的，从而也会导致这些科学家得出与伽利略相同的结论。但是就算与瑕疵甚多的开普勒实验相比，伽利略自己的研究工作中也存在一些重大缺陷：例如，从未意识到行星的运行轨道是椭圆形而并非圆形。然而伽利略在科学方面最大的贡献可以说并不是这些华而不实的天文学，而是一些更为平凡是东西：将球滚下斜坡。

图片来源：Flickr用户McPig，已获得cc.-2.0的授权，

毫无疑问，你一定听说过伽利略著名的“比萨斜塔”实验，据说伽利略从他所能去到的最高建筑的顶端扔下了两个球。这个两个球是由相同的材料所制成的，但它们的质量却截然不同：其中一个的重量应该是另一个的十倍。有人认为他们下落的速度是差不多的——因为更轻的小球掉落在地上的时间只比更重的那个稍稍晚一点儿，几乎可以忽略不计—这要求他们一定具有相同的加速度。更进一步说，如果我们完全消除空气阻力的影响，那么所有从同一高度坠落的物体都会同时落地。

图片来源：西格尔的研究表明，（左图）在一定时间内（x轴，秒），1磅铁球和10磅铁球下落的距离（y轴，米）；在右图中，高度差被显示为时间的函数（x轴，秒）。

这个结论是真的！如果真要用1磅和10磅的两个铁球在比萨斜塔的顶端进行伽利略所谓的实验，你会发现较重的球体掉落地面的时间比轻的那个要快0.015秒。这是因为加速力与质量成正比，但是减速力（阻力）却作用在表面积上，这意味着小球的阻力是大球的22%，但它的加速力（重力）只有的大球的10%！根据伽利略的推断，如果完全消除空气所带来的影响，那么所有的物体都会具有相同的加速度。但这会是一个在几个世纪之内都无法完成的实验，直到我们找到了两个可以完成这个实验的方法：建立一个人造真空的环境，或者我们能去到一个根本没有大气可言的世界。

此外，在这种加速度的影响下，物体都会在一定的时间下驶过一定的距离。以今天的标准来看，这似乎只是一项普普通通的成就，但是伽利略通过一个巧妙的实验装置，就能确定物体在自由落体运动中的位移与时间的平方成正比。在得出这个结论这个过程中，他没有秒表，没有任何计时工具，不能拍照，而且完全没有任何现代技术可以给他提供帮助。

那么他是怎么做的呢？

将球滚下斜坡。

图片来源：wjbaike

他花了40年才完成这个实验，但是伽利略在不同的角度设置了斜坡然后让球滚下来，同时在不同的间隔处放置紧绷的吉他弦，从而听到球滚过弦时发出的均匀的声音。他发现，这些间隔之间遵循着这样的一个规律：1,3,5,7…这意味着对按规律的时间间隔排列的总距离而言，它随之遵循着1,4,9,16…或者1², 2², 3², 4²…这样的规律。伽利略还发现声音的规律与斜坡倾斜的角度无关，因此他得出结论：如果你将物体置于90度（垂直）的状态，你不仅可以观察到相同的规律，你还会明白加速度完全是由重力造成的！

图片来源：维基百科用户Mets501，已获得c.c.a.-s.a.-2.5的授权。

先抛开公众的看法不谈，无论有没有伽利略，天文学或许仍会以同样的方式逐步发展。但是他在物理学方面的贡献是具有变革意义的，他将其从一门理想化的哲学类科学转变成了一门以实验为基础的学科，前者通常只存在于人们的意识之中。1638年，伽利略出版了《关于力学和位置运动的两门新科学的对话》一书，这是他一生科研工作的巅峰，从牛顿定律中推导出的运动方程实际上就是对伽利略研究成果的重新阐述。所以牛顿的的确确是站在巨人们的肩膀上发现万有引力定律与力学定律的，在他之前，这个领域里最伟大的科学“巨人”就是伽利略，而这与他为天文学做出了多大的贡献并没有多大关系。




参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3. forbes- Flora

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