伽利略:望遠鏡的發明和發展(上)

伽利略：望遠鏡的發明和發展（上）

老狼主

在佛羅倫斯酷熱的一天，走進阿爾諾河河畔開著冷氣的科學史博物館真是一種解脫。在這裡可以追蹤到現代天文學最早的源頭：由偉大的伽利略製作的兩架望遠鏡。

登上樓梯，經過黃銅製的星盤，進入伽利略館的第一室。在閃亮的金屬、拋光的木器和耀眼的玻璃之中，有一個非常像人體器官的東西。它很像一段彎曲而乾燥的小棍。

湊上前去看，原來是一根手指。很顯然，這是一根木乃伊化的人的手指。它被妥善地放置在一個玻璃盤內，指向上方，很像一位聖者的遺骨。

根據說明，這是伽利略本人的手指。確切地說，這是他右手的中指。

伽利略的手指告訴我們什麼呢？我們容易想到，這是指向教皇的相當有力的姿勢。教皇曾經檢查他的言詞，壓制他的思想並監禁他的肉體。或者，也許他正在把我們引向他的偉大發現：他用望遠鏡揭示的宇宙？

雖然人們經常說伽利略實際上沒有發明望遠鏡，他甚至也不是把望遠鏡指向天空的第一人，但重要的是伽利略遠遠不只是一個天空的瞭望者，只是「在那裡取得了各種各樣的T恤衫」。他認識到，通過望遠鏡觀測天空，將改變我們了解宇宙的途徑——而這一切都發生在神奇的一年之中，從1609年秋天到1610年秋天。

如果沒有望遠鏡，我們今天仍將在16世紀的天文學前停滯不前，明白地球圍繞太陽運行但是無法講明，不知道恆星究竟是什麼，對星系、黑洞和大爆炸一無所知。這場偉大的革命正是從伽利略的發現開始的，而且僅僅是憑著他的堅忍不拔的個人意志。

牛津大學教授阿蘭·查普曼說：「伽利略年輕時的畫像臉色嚴峻，這是一張非常堅定、非常嚴肅的臉。坦白地說，你不願意在黑夜裡遇見他。」

然而，在佛羅倫斯一個陽光燦爛的日子裡，我們遇見了他的作為遺骨的手指。它指點我們到下一個房間，那裡有兩架伽利略製作的老式望遠鏡。它們其實是相當奇妙的木製管子，兩端各有一個小透鏡，其中一個還時尚地包著皮革。

（伽利略早期用兩架「鏡管」窺探過天空的神秘。透鏡很小，只有4釐米寬。這是對天文學家的獻禮。他能用它觀察一切，進而科學地記錄他的發現。）

就是這樣的望遠鏡把宇宙翻了一個底朝天。

但是關於誰發明瞭望遠鏡，科學界有過長時間的爭論。大約在此之前250年，威尼斯的技工開始製作一些彎曲的玻璃鏡片，人們把它們支撐在架子上，戴在眼睛前，以改善因年老而衰退的視力。由於這種鏡片看上去很像扁平的扁豆，人們就稱它們為「透鏡」（英語中「透鏡」lenses與「扁豆」lentils讀音相近）。第一批透鏡是凸透鏡，在中央凸起。後來光學技師又製造出中央稍薄的透鏡——凹透鏡，用以幫助近視的人。在1450年，望遠鏡的這些組件已經存在了，但是沒有人嘗試把它們放在一起。

遠在伽利略之前就有一些或是或非的說法：人們已經會用透鏡或者彎曲的反射鏡讓遠處的物體看起來更近。英國天文學家託馬斯·迪格斯曾經說過，他的發明家父親萊昂納多（Leonardo）「把合適的玻璃片按慣常的角度恰當地放在一起，不僅能看清遠處的事物，放大信上的小字，辨別遠處地面上硬幣上鑄刻的字母，而且可以發現10千米之外的人私下裡做了什麼」。

這看來好像是一架望遠鏡，但是在那時候沒有人可能製造一架望遠鏡去辨認遠處地面硬幣上的鑄字，更別說看清別人在10千米外私底下所做的事了。這些論述實在太誇誇其談了，事實上也沒有人相信。當望遠鏡真正發明出來的時候，它是如此神奇而且用途廣泛，因此就像野火一般迅速傳播開來了。

（伽利略興衝衝地用他的望遠鏡向來訪者展示宇宙的神奇。來訪者中包括英國詩人約翰·米爾頓，他在著名詩篇《失樂園》中提到了這位偉人的望遠鏡。）

1608年夏天，一位名叫漢斯·利柏黑（Hans Lipperhey）的荷蘭眼鏡製造商發現了兩片透鏡唯一的一種組合：一片凸透鏡加一片凹透鏡，能夠使事物看起來近得多。

如果我們非要說望遠鏡在哪一天誕生，可以取1608年9月25日。這一天，利柏黑向設在海牙的荷蘭國家專利局呈交了一封信，申請「某種設備」的專利：「使用它，遠處的一切事物能像在近處一樣看清。」

事情很快就變得一團糟了，那時有另外兩名光學技師宣稱在利柏黑之前已經發明瞭望遠鏡。但是阿蘭·查普曼毫不懷疑誰應獲得桂冠：「看來，利柏黑是把兩片透鏡放在一起的第一人，肯定是他獲得了荷蘭國家專利局的承認。他銷售的望遠鏡在幾周之內就風靡整個歐洲。我們知道，在利柏黑開始銷售望遠鏡之後不久，望遠鏡便已在巴黎上市。這的確是一種新奇的發明。」

（荷蘭眼鏡製造商漢斯·利柏黑在他的工場裡用兩片透鏡把港灣裡的船舶拉近了。他的發明在軍事上和天文學上都有重要意義。）

1609年夏天，伽利略首次聽說了這種新儀器。當時有一名銷售員從巴黎到威尼斯共和國來推銷望遠鏡。伽利略認識到望遠鏡不僅是一種新玩意，而且是軍事上的潛在秘密武器，它能讓人們看到遠方海面上的敵艦。

我們把今天的威尼斯看成是一座美麗的旅遊城市，可是在伽利略的時代，人們總是念念不忘戰爭。這個島嶼城市依靠其特殊的地理位置，而成為地中海的強國之一。僅僅20年之前，威尼斯的戰艦曾經率領基督徒的無敵艦隊，參加了勒班陀海戰，在靠近科林斯海灣出口處抗擊了奧斯曼帝國的軍隊。

伽利略當時在帕多瓦大學擔任數學教授。帕多瓦大學是威尼斯共和國的教育中心，是義大利僅次于波洛尼亞大學的第二重要的大學。除了教數學的收入，伽利略還教來訪的貴族人士與戰爭有關的數學——測城、建築和力學，這樣也有些許額外收入。

（望遠鏡的發明在歐洲掀起了衝擊波，導致了許多具有重大意義的發現。畫中，波蘭天文學家約翰內斯·赫維留斯正在觀察天空。經過四年的觀測，他畫出了第一幅詳細的月面圖。）

威尼斯共和國急需軍事上的新發明。伽利略投其所好，體面地賺了一小筆錢。伽利略的「幾何——軍用羅盤」由兩根金屬尺構成，連以第三根彎曲的尺子，上面刻著分刻度，使用者能用來解決日常的每個數學問題，包括現鈔的換算和大炮的瞄準。

阿蘭·查普曼說：「伽利略是雄心勃勃的。我認為他渴望名利。在望遠鏡問世的時候他已經45歲了，他認為他工作所得的薪酬太不起眼。而在突然之間，他聽說了這根小小的管子，想到了各種可能性。他首先想到把它提供給威尼斯共和國當局，以獲取金錢利益，而不是為了天文學的原因。」

伽利略以他非凡的實踐技巧，利用威尼斯穆拉諾島上製作精良的玻璃，很快就做出了一架比市場任何產品更好的望遠鏡。在城裡的鐘樓頂上，伽利略自豪地向威尼斯共和國的元老議員們演示，如何通過望遠鏡可以看清遠方海面上的船隻。這些船隻確實很遠，正常情況下要兩小時後才能用肉眼看到它們。

另有所謀的伽利略無償地獻出了他的望遠鏡。威尼斯大公愉快地接受了獻禮，給伽利略的工資翻了一番。伽利略本來要留在威尼斯，但是他感到他的故鄉佛羅倫斯開始拽動他的心弦。

（卡那雷託的油畫局部，描繪的是威尼斯的標誌性建築之一：16世紀的裡亞爾託橋。自從伽利略居住在威尼斯共和國的帕多瓦大學起，直至今日，這座橋一直保持著原樣。在伽利略時代，科學、音樂、藝術和建築是合為一體的。事實上，伽利略的父親文琴齊奧（vincenzio）就是一位傑出的作曲家。）

伽利略·伽利萊誕生於1564年，當時偉大的丹麥天文學家第谷·布拉赫還是一名大學生，而數學家克卜勒尚未誕生。在早年，伽利略一家人常在比薩和佛羅倫斯之間遷移，他老是被沿途的事物弄得暈頭轉向。年輕的伽利略曾輕率地產生了進教堂的想法，但是他的父親堅持要他到比薩大學學習醫學。

伽利略的父親文琴齊奧是一位音樂家，而且有點兒自行其是。在他的樂曲裡，他打破了一些常規，運用一些不協調的音符。他曾經以他的詩琴的弦做實驗，測量弦的張力如何改變音符的音調。他曾評述說：「如果有誰只是憑權威的說法來證明他的主張，而不引證任何論據去支持它，這種行為是很荒謬的。」

這就容易明自文琴齊奧的長子，也就是人們所熟知的偉人伽利略，為什麼極為重視技巧，用實驗去驗證自己的一切想法，而且敢於向權威挑戰。

（伽利略恐怕會很驚訝，一艘宇宙飛船冠著他的名字從1995年起對木星進行探測。在這幅假想圖中，伽利略號宇宙飛船掠過火山累累的木衛一，這正是他用他自己發明的望遠鏡觀察到的木星的四顆衛星中的一顆。）

在比薩，伽利略發現醫學完全不適合於自己。他越來越對現實世界中各類事物的性狀著迷：這就是現在所說的物理學。有一天，當他去參加比薩大教堂裡的彌撒時，他看到掛在天花板上的枝形吊燈正在擺動。他被深深地吸引了。這盞燈看起來以精確相等的時間來回擺動，而不論擺動的幅度多大。這是世界第一個精確定時器擺鐘的第一個原型。文琴齊奧驚恐不安，他告訴伽利略從醫將很掙錢，而數學家則往往窮困潦倒。這次對話可能長時間地影響了伽利略，因為他總想方設法地通過他的科學技巧掙錢。

雖然伽利略沒有帶著醫學學位離開了比薩，但是不久他便以數學講師的名義被請了回去。他的生硬個性使他的同事們非常不習慣。伽利略強烈反對穿長袍，寫了301行的詩文嚴厲指責學者的長袍。他甚至說這妨礙了教授遮掩身份去逛妓院，所以導致他們的手受到罪惡的誘惑。

而伽利略自己的雙手則忙於發現物理定律。有一則著名的故事：他把兩個重量不同的球從比薩斜塔的頂上扔下。令站在下面的大學生和飽學的教授們驚訝的是，它們同時著地。

事實上，這可能是科學史上的一個大謎團，因為伽利略只是到晚年才報告了這件事。另一方面，一位名叫西蒙·斯特文（Simon Stevinus）的荷蘭工程師在伽利略報告比薩斜塔實驗之前的幾年，確實完成了這個實驗。他從代爾夫特教堂鐘樓上扔下了兩個重量不同的鉛球。

伽利略可能不是自由落體實驗第一人，但在他一生中，他的實驗總是最嚴格的。他決定用很精巧的方法去研究下落的物體：讓不同重量的球沿著木製斜面滾落。

在佛羅倫斯科學史博物館，在伽利略的手指的對面，重建了他的兩個斜面。館長演示了一個金屬球和一個木質球如何以相同的速率滾動。沿著斜面，伽利略裝上一扇扇繫著鈴鐺的小門。當球滾過的時候，就撞響鈴鐺。伽利略是第一個測量物體在下落時如何加速的科學家。

在這些實驗中，伽利略試圖突破古希臘哲學家亞里斯多德束縛人們的教條。亞里斯多德認為較重的物體比較輕的物體下落得較快，而且是用恆定的速度下落。

現在伽利略的聲望在增長。1592年，他在帕多瓦大學捧上了金飯碗，他在那裡一呆就是18年。從他後來的敘述看來，這是他一生中最幸福的時期。毫無疑問，這部分是由於一位年輕的威尼斯姑娘瑪麗娜·甘巴(Marina Gamba）愛情的眷顧，她成了他的太太，並為他生了三個孩子。

（關於重力的演示。傳說伽利略當著許多觀眾的面，在比薩斜塔上丟下兩個不同重量的球（一個是炮彈，另一個是木製小球）。兩個球同時著地。）

就在這一時期，伽利略開始對天文學感興趣，但是僅限於適合於他自己的物理學思想。從人類遠古的祖先出海以來，潮汐就一直困擾著我們。伽利略相信他能夠破解這個問題。他想，潮起潮落是因為地球在固定不動的、鼓起的水體下自轉。在亞里斯多德以及他的希臘繼承者託勒密看來，這是不可能的，因為地球位於宇宙中心，而且恆定不動。

就像當時所有的學者一樣，伽利略也有一本尼古拉·哥白尼的書《天體運行論》。在這本書裡，哥白尼論證了地球既在繞軸自轉，又在環繞太陽一年公轉一周。這一思想與伽利略的潮汐理論不謀而合。

伽利略也收到了當時在世的最偉大的天文學家克卜勒從格拉茨（今屬奧地利）的家中寄來的著作《宇宙的奧秘》，這本書敘述了最新的宇宙理論。

雖然他們從未謀面，但是這兩位耀眼的明星在此後的50年裡一直在推動著天文學的發展：一位是激情似火的地中海物理學家，一位是性格內向的德國數學家。

克卜勒是哥白尼最熱烈的信徒，他懇求伽利略發表意見。克卜勒在給伽利略的信中寫道：「當地球運動的主張被看做是陳詞濫調的時候，是不是最好我們一齊努力把車廂推到它的目的地……伽利略，鼓起熱情來，公開地站出來吧。」