伽利略沒有發明天文學,但是他發明了機械物理學!

2020-12-05 天文在線

圖片來源：伽利略向威尼斯總督演示如何使用望遠鏡，朱塞佩·貝爾蒂尼(1858)的壁畫作品

伽利略在歷史上享有傳奇性的地位：他是最早期的現代科學家中的一位科學巨頭。作為第一個將望遠鏡用於天文學研究的人，伽利略觀測到：

木星的四顆衛星，這是第一個直接被觀測到的證據，用來證明除地球之外還存在另一組圍繞行星運動的天體。

土星的「耳朵」，後來被研究查明是土星的光環，這也是首次發現除地球之外的天體周圍，可能擁有地球都沒有的結構。

太陽上的斑點，現在已知是隨著太陽的旋轉而移動的低溫臨時區域（太陽黑子）。

金星的相位變化，顯示著金星是如何從月牙形變成半圓形再到凸月形、滿月形並循環往復，當它離我們越來越近時，它在整個相位中顯現得最小，此時它最大的形狀就是一個狹窄的新月形。

圖片來源：伽利略最初（1610年）繪製的金星相位草圖，維基百科用戶費爾南多·德戈羅西卡，已獲得C.C.A.-S.A.-3.0的授權。

然而，正如索尼·克裡斯蒂說的那樣，伽利略並不是當時唯一一個進行這種觀測的天文學家。實際上，他總結道：

即便伽利略從未使用過望遠鏡，這也不會改變天文學歷史上發生的任何事情。伽利略的名聲在很大程度上來源於他發現瞭望遠鏡，以及在公開的辯論和文章裡擊敗了他的對手。

事實其實是：如果沒有伽利略，那麼或許日心說不會這麼快的被世人所接受，但是像克卜勒，以及惠更斯、哈雷、牛頓這些後來的天文學家的研究工作是無論如何都會發生的，從而也會導致這些科學家得出與伽利略相同的結論。但是就算與瑕疵甚多的克卜勒實驗相比，伽利略自己的研究工作中也存在一些重大缺陷：例如，從未意識到行星的運行軌道是橢圓形而並非圓形。然而伽利略在科學方面最大的貢獻可以說並不是這些華而不實的天文學，而是一些更為平凡是東西：將球滾下斜坡。

圖片來源：Flickr用戶McPig，已獲得cc.-2.0的授權，

毫無疑問，你一定聽說過伽利略著名的「比薩斜塔」實驗，據說伽利略從他所能去到的最高建築的頂端扔下了兩個球。這個兩個球是由相同的材料所製成的，但它們的質量卻截然不同：其中一個的重量應該是另一個的十倍。有人認為他們下落的速度是差不多的——因為更輕的小球掉落在地上的時間只比更重的那個稍稍晚一點兒，幾乎可以忽略不計—這要求他們一定具有相同的加速度。更進一步說，如果我們完全消除空氣阻力的影響，那麼所有從同一高度墜落的物體都會同時落地。

圖片來源：西格爾的研究表明，（左圖）在一定時間內（x軸，秒），1磅鐵球和10磅鐵球下落的距離（y軸，米）；在右圖中，高度差被顯示為時間的函數（x軸，秒）。

這個結論是真的！如果真要用1磅和10磅的兩個鐵球在比薩斜塔的頂端進行伽利略所謂的實驗，你會發現較重的球體掉落地面的時間比輕的那個要快0.015秒。這是因為加速力與質量成正比，但是減速力（阻力）卻作用在表面積上，這意味著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%！根據伽利略的推斷，如果完全消除空氣所帶來的影響，那麼所有的物體都會具有相同的加速度。但這會是一個在幾個世紀之內都無法完成的實驗，直到我們找到了兩個可以完成這個實驗的方法：建立一個人造真空的環境，或者我們能去到一個根本沒有大氣可言的世界。

此外，在這種加速度的影響下，物體都會在一定的時間下駛過一定的距離。以今天的標準來看，這似乎只是一項普普通通的成就，但是伽利略通過一個巧妙的實驗裝置，就能確定物體在自由落體運動中的位移與時間的平方成正比。在得出這個結論這個過程中，他沒有秒表，沒有任何計時工具，不能拍照，而且完全沒有任何現代技術可以給他提供幫助。

那麼他是怎麼做的呢？

將球滾下斜坡。

圖片來源：wjbaike

他花了40年才完成這個實驗，但是伽利略在不同的角度設置了斜坡然後讓球滾下來，同時在不同的間隔處放置緊繃的吉他弦，從而聽到球滾過弦時發出的均勻的聲音。他發現，這些間隔之間遵循著這樣的一個規律：1,3,5,7…這意味著對按規律的時間間隔排列的總距離而言，它隨之遵循著1,4,9,16…或者1, 2, 3, 4…這樣的規律。伽利略還發現聲音的規律與斜坡傾斜的角度無關，因此他得出結論：如果你將物體置於90度（垂直）的狀態，你不僅可以觀察到相同的規律，你還會明白加速度完全是由重力造成的！

圖片來源：維基百科用戶Mets501，已獲得c.c.a.-s.a.-2.5的授權。

先拋開公眾的看法不談，無論有沒有伽利略，天文學或許仍會以同樣的方式逐步發展。但是他在物理學方面的貢獻是具有變革意義的，他將其從一門理想化的哲學類科學轉變成了一門以實驗為基礎的學科，前者通常只存在於人們的意識之中。1638年，伽利略出版了《關於力學和位置運動的兩門新科學的對話》一書，這是他一生科研工作的巔峰，從牛頓定律中推導出的運動方程實際上就是對伽利略研究成果的重新闡述。所以牛頓的的確確是站在巨人們的肩膀上發現萬有引力定律與力學定律的，在他之前，這個領域裡最偉大的科學「巨人」就是伽利略，而這與他為天文學做出了多大的貢獻並沒有多大關係。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.forbes-Flora

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