§1.1　伽利略的青少年時(shí)代

一、父親對少年伽利略的影響

1564年2月15日，伽利略出生在意大利西北部的古老的比薩城，城中有許多名勝古跡，其中最有名的是比薩大教堂旁的一座鐘塔，至今已有800多年歷史，由于奠基不慎，塔身傾斜，人們稱之為比薩“斜塔”。伽利略的父親文森西奧是一位很出色的作曲家和音樂理論家，兼數(shù)學(xué)家，在音樂方面有許多革命性觀念，在意大利有一定聲望。他曾寫過一本音樂理論方面的書，反對思想僵化，反對盲目地接受前人遺留下來的知識，與其音樂老師公開挑戰(zhàn)，以致書的出版遭到阻止。但文森西奧鍥而不舍，3年后此書在佛羅倫薩出版發(fā)行。

文森西奧非常重視用實(shí)驗(yàn)來為理論舉證。他認(rèn)為：“想要完全依靠權(quán)威的影響來證明任何主張，而不是舉出理由來予以論證，這種行為是十分可笑的?！?span >（^[1]，p23）他在一個(gè)房間里擺滿了各種不同長短、不同粗細(xì)和不同絞緊程度的琴弦，以試音和檢驗(yàn)有關(guān)和聲的設(shè)想。父親這種意志堅(jiān)定、不迷信權(quán)威和敢于挑戰(zhàn)權(quán)威的精神，以及重視實(shí)驗(yàn)論證的研究方法給少年伽利略留下深刻的印象。

圖1-1　比薩斜塔與比薩大教堂，傳說伽利略曾在此塔上做過著名的落體實(shí)驗(yàn)

伽利略是文森西奧的長子，自小聰明好學(xué)，對周圍的一切都充滿好奇，對藝術(shù)同樣有非凡的領(lǐng)悟力，他能彈得一手好琴，畫得一手好畫。當(dāng)伽利略10歲時(shí)，由于生活所迫，全家搬遷到了佛羅倫薩（托斯卡納公國的首府）近郊。其父除了從事教師和有關(guān)音樂方面工作外，為了生計(jì)，還從事一些經(jīng)商工作。他希望伽利略將來當(dāng)名醫(yī)生，這是一個(gè)賺錢的職業(yè)，能夠幫助父母一起撫養(yǎng)他的4個(gè)妹妹和兩個(gè)弟弟，于是考入比薩大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)是文森西奧為伽利略定下的奮斗目標(biāo)。

二、放棄醫(yī)學(xué)，喜歡數(shù)理和動手實(shí)驗(yàn)

1581年9月伽利略順利考入了比薩大學(xué)。4年中他主要把精力花在了學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)課程和醫(yī)學(xué)論文寫作上。但是他對醫(yī)學(xué)并不感興趣，所以他常利用課余時(shí)間去聽一些其他學(xué)科的講座。1583年，在他聽了宮廷數(shù)學(xué)家斯蒂洛·里奇受邀到比薩大學(xué)所作的幾次有關(guān)歐幾里得幾何學(xué)的演講后，他開始對數(shù)學(xué)產(chǎn)生了興趣，并且他經(jīng)常會在里奇講座結(jié)束后提出一些問題向里奇請教。在這以后，他逐漸對數(shù)學(xué)著了迷，并發(fā)現(xiàn)他自己的真正愛好在數(shù)學(xué)，于是放棄醫(yī)學(xué)職業(yè)的決心越來越大。伽利略極強(qiáng)的領(lǐng)悟力和非凡的才智引起了這位數(shù)學(xué)家的注意。由于里奇也是文森西奧的朋友，所以在里奇的一再說服下，文森西奧同意伽利略跟他學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。在比薩大學(xué)期間，求知欲強(qiáng)烈的伽利略還學(xué)習(xí)了亞里士多德的哲學(xué)和物理學(xué)，并發(fā)現(xiàn)亞里士多德的一些觀點(diǎn)難以理解，尤其是對于亞里士多德的運(yùn)動理論深表懷疑。這也激起了他對物理學(xué)研究的興趣和欲望。

可惜，在畢業(yè)前不久，由于家庭經(jīng)濟(jì)情況不允許他繼續(xù)上學(xué)，伽利略無可奈何于1585年在沒有拿到大學(xué)文憑的情況下就離開了比薩大學(xué)，回到了佛羅倫薩老家。壞事變好事，從此以后，他就在里奇指導(dǎo)下，有更多時(shí)間致力于數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)和研究，撰寫幾何學(xué)的證明和論文，偶爾也作一些公開演講。正是憑著他的數(shù)學(xué)專長，謀得了教一些私人學(xué)生的工作，以幫助維持全家生活。工作之余，他仍不忘繼續(xù)學(xué)習(xí)和研究亞里士多德的著作、阿基米德的物理學(xué)以及一些批判亞里士多德觀點(diǎn)的論文。1586年在阿基米德原理基礎(chǔ)上，他深入研究了液體靜力學(xué)的平衡問題，并發(fā)揮了動手實(shí)驗(yàn)的能力，發(fā)明了有用的“比重秤”，可測量金屬制品的比重，并寫出了論文“小天平”。（^[3]，p116）1587年又撰寫了測量固體重心方法的論文“論固體的重心”。

在做私人教師的4年中，伽利略通過奮發(fā)學(xué)習(xí)、刻苦鉆研，已在數(shù)理方面做出了不少有價(jià)值的科研成果，引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。出色的數(shù)理方面的才能，使這位年僅25歲的年輕人在比薩大學(xué)獲得了一個(gè)數(shù)學(xué)教授的職位。雖然年薪不高，但是給他的科學(xué)研究提供了較好的條件，因此伽利略還是很高興。

三、追求真理，敢于挑戰(zhàn)亞里士多德

“對運(yùn)動無知就是對自然界無知”。亞里士多德曾這樣說過，（^[1]，p36）可是根據(jù)他的運(yùn)動理論，他認(rèn)為在落體運(yùn)動中，物體的下落速度與其重量成正比，所以重的物體先于輕的物體落到地面。這種看法在經(jīng)驗(yàn)中確實(shí)可找到證據(jù)，如一根羽毛或一張紙片顯然比一塊石頭要后落到地面。但是也不難找到反例，兩個(gè)大小相差很多的鐵球從相同高度下落時(shí)，應(yīng)該就難以區(qū)分哪一個(gè)先落下。所以早在大學(xué)念書期間，伽利略就對亞里士多德的這一觀點(diǎn)深表懷疑。

晚年陪伴在伽利略身邊的一位年輕的助手維維亞尼（見本書§1.4，三）后來根據(jù)伽利略的談話所寫的傳記中寫到了這樣兩個(gè)故事。第一個(gè)是“伽利略吊燈”的故事：當(dāng)伽利略還是一個(gè)學(xué)醫(yī)的學(xué)生時(shí)，在1583年的一天，他去比薩大教堂做彌撒時(shí)，一盞懸掛著的吊燈，在空中有節(jié)奏地來回?cái)[動，引起了他的注意。在風(fēng)的吹動下，吊燈擺動的幅度時(shí)而大些、時(shí)而小些，但他發(fā)現(xiàn)來回?cái)[動一次的時(shí)間竟然幾乎相等，與擺幅大小無關(guān)。當(dāng)時(shí)還沒有鐘表之類的計(jì)時(shí)工具，他是用自己的脈搏來計(jì)時(shí)的。直到今天，比薩的導(dǎo)游還會把那盞“伽利略吊燈”指給游客看。但是一些傳記作家認(rèn)為這可能是傳說，其中一個(gè)理由是因?yàn)槟潜K燈是1587年制造的。（^[1]，p356；^[2]，p292）但是不管怎樣，伽利略進(jìn)行過多年的單擺實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了單擺擺動的等時(shí)性，即在擺動不大時(shí)（擺幅大約小于30°），來回?cái)[動一次的時(shí)間與擺幅大小和擺的重量無關(guān)，僅僅決定于擺長。在晚年時(shí)，他打算利用擺錘的擺動設(shè)計(jì)制造一臺機(jī)械鐘，并由他兒子畫出了草圖，可惜沒能付諸實(shí)施。

第二個(gè)是“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”的故事。據(jù)維維亞尼所寫，伽利略是帶著很重的炮彈和很輕的火槍彈通過八層螺旋式樓梯，登上了比薩斜塔頂層，然后當(dāng)著下面一群教授和學(xué)生的面讓它們向下墜落，以此來證明它們將同時(shí)著地。事實(shí)上經(jīng)一些科學(xué)史家考證表明，不僅比薩大學(xué)沒有關(guān)于此實(shí)驗(yàn)的記載，而且伽利略本人也沒有關(guān)于這次實(shí)驗(yàn)的任何記載，可能僅是晚年伽利略才向這個(gè)青年助手口頭提到的故事。（^[1]，p25，p356）因此一些傳記作家都把這個(gè)故事稱為“傳說”。

事實(shí)上，確實(shí)早在比薩大學(xué)時(shí)，伽利略已從懷疑發(fā)展到開始參加到批評亞里士多德觀念的批評者的行列。他首先抓住的正是對自由落體運(yùn)動的研究。當(dāng)時(shí)伽利略確實(shí)已直觀意識到亞里士多德關(guān)于落體速度與重量成正比的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。他認(rèn)為：若按亞里士多德的觀點(diǎn)“100磅的球從100個(gè)臂長的高處落下來，它擊中地面時(shí)，從同樣高處落下的1磅重的球才落下1個(gè)臂長”，這簡直不可能，它們是同時(shí)落地的。（^[1]，p26）后來在他所寫的巨著《對話》（見本書§1.3，三）一書中，更是以風(fēng)趣的語言規(guī)勸亞里士多德的信徒說：“一個(gè)100磅重的球和一個(gè)1磅重的球，同時(shí)從100碼高度落下來時(shí)，大球落地，小球只落下1碼遠(yuǎn)?，F(xiàn)在請你（如果你能夠的話）在腦子里試行想象一下當(dāng)大球落地時(shí)小球離塔頂還不到1碼的情況?！?span >（^[4]，p156）更有意思的是，他還用邏輯推理法，直接指出了亞里士多德觀點(diǎn)的內(nèi)在矛盾。伽利略設(shè)想如果把一塊重物和一塊輕物捆在一起，讓它們自由下落，則按亞里士多德的觀點(diǎn)，由于重物下落快，輕物下落慢，所以兩物捆在一起后的速度應(yīng)比重物慢，但要比輕物快，介于兩者之間。但是，從另一角度看，兩物捆在一起后，則總重量比重物還要重，所以下落時(shí)速度比重物還要快?？梢姸际前凑諄喞锸慷嗟碌挠^點(diǎn)，卻得到了兩個(gè)矛盾的結(jié)論！這一邏輯推理，被寫入了晚年伽利略的著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的對話》中。（^[5]，p90）

1591年，伽利略70歲的父親去世，伽利略毅然挑起了贍養(yǎng)母親和3個(gè)弟妹（已有3個(gè)弟妹已經(jīng)過世）的經(jīng)濟(jì)重?fù)?dān)。

由于在比薩的教授們中，不少是亞里士多德的信徒，他們對伽利略反對亞里士多德的言論很反感。因此，在比薩的3年中他很孤獨(dú)，成為一個(gè)不受歡迎的人。在3年聘期屆滿時(shí)，伽利略沒得到續(xù)聘，便于1592年夏季回到了佛羅倫薩。由于他的卓越的創(chuàng)造才能，使他不久便找到了新的職位——隸屬威尼斯公國的帕多瓦大學(xué)數(shù)學(xué)教授職位。統(tǒng)治威尼斯的一位大公思想開明，人們可在這里享受到思想和言論上的自由。在帕多瓦大學(xué)學(xué)術(shù)氣氛也較為自由，允許學(xué)術(shù)上有不同觀點(diǎn)。伽利略所得的年薪也比在比薩時(shí)要高很多，他感到心滿意足。