伽利略的故事


伽利略 (Galilei, Galileo) (1564-1642),意大利物理學家及天文學家。他是科學革命的先鋒,並啟發了日後英國物理學家牛頓。在天文學方面,他的主要貢獻是:將望遠鏡應用在觀察天象方面,透過望遠鏡,他發現了月球上的山脈、峽谷和隕石坑;最大的四個木星衛星金星的相變 (phases of Venus) 和太陽黑子。在物理學方面,伽利略發現了主宰物件下墜及拋物線的定律。而在文化史上,伽利略亦成為了與權威鬥爭,爭取探索真理自由的象徵。
 
伽利略在一五六四年二月十五日出生於意大利多斯加尼 (Tuscany) 的比薩 (Pisa) 附近。他出生於一個沒落的貴族家庭,高叔祖父是一位有名的內科醫生。他的父親文森西奧•加利萊 (Vincenzio Galilei),一直在爭取將中世紀復調音樂變成泛音變調的音樂革命中擔當著重要的角色。正當父親看到新的音樂理論一直被古板的理論抑制著的同時,作為長子的伽利略亦注意到由阿里士多德提出且支配著科學界的物理理論、以及羅馬天主教庭的神學影響,使物理學上探求真理的自由被大大限制了。
 
 
比薩斜塔
比薩斜塔。(比薩斜塔錄像)
 
伽利略有六個弟妹。年幼時經常名列前茅。一五七四年,全家遷居到伽利略在佛羅倫斯 (Florence),他便在瓦朗布羅薩 (Vallombrosa) 的一座古老的修院 (Jesuit Monastery) 學校接受僧侶的教育。之後,大約在一五八零至一五八一年,他入讀比薩大學 (University of Pisa) 學習醫學。雖然大學的課程與伽利略的興趣不合,但卻為他提供了一些阿里士多德物理學的簡介。

伽利略的新物理學建基於數學上。雖然他是位醫科生,但在數學家里奇 (Ostilio Ricci) 的鼓勵下,他將越來越多的時間放在數學方面的課外學習上。有一次,比薩大教堂堛爾阰蚺u人無意中碰到了吊燈,啟發了伽利略,發現了擺的等時性定律,並發明了計脈器 (pulsilogia)。在一五八五年,他在並未取得學位的情況下離開大學。之後的一段時間,他一直擔任私人教師及寫作一些關於流體靜力學的文章,但他卻沒有出版任何著作,其間發明了用來測試金屬純度的比重秤 (hydrostatic balance)。一五八九年,他成為比薩大學的數學教授。

『伽利略從比薩斜塔拋下物件以證明阿里士多德的運動理論是錯的』這個著名的故事乃是出加利略的最後一位學生、且是第一位為伽利略寫作傳記的人──維維安尼 (Vincenzo Viviani)。雖然維維安尼的敘述有時被視為經典,然而那些敘述實則是有誇大的成份。維維安尼指出伽利略曾同時拋下兩件物料相同但重量不同的物件,以駁倒阿里士多德認為下跌速度和物件的重量為正比的信念。THAT MUCH GALILEO COULD SHOW EVEN AT THIS EARLY STAGE OF HIS CAREER。然而,他的手稿亦顯示他對自由落體的加速概念模糊,以及花了很多時間思索一已知物質的物體在已知媒介上的特有速度。雖然如此,但和阿里士多德比較,伽利略的理論已經有所改進。

在一五九二年,伽利略和大學的合約約滿後,大學方面並無和他續約,因為他駁倒了不少支持阿里士多德理論的教授。同年,他被任命為威尼斯共和國 (The Republic Of Venice) 的帕度亞大學 (The University Of Padua) 的數學教授。伽利略之後一直留在此地直至一六一零年。

在帕度亞 (Padua),伽利略發明了一圓規 (Calculating Compass) 用以解決一些數學問題。而他亦對世界知名的船塢──THE ARSENAL OF VENICE 的主管所顯示的實際機械知識留下極深的印象。因此,在他的著作中,他混合了辨別由簡單數學方式構成的熟悉事件 (例如自由落體的物件跌至地上) 的能力,與及設計對照觀察以找出那些事件本身顯示出的明顯的,可精確量度的數學關係的技巧。伽利略的基本理念是:宇宙就像一本翻開了的書,但正如他日後在《試金者》 "The Assayer" 中所說:「一個人並不能明白書中的內容,除非那人先學習去明白書中的語文及該書的寫作特徵。而宇宙這本書乃是以數學語言寫成……」

在帕度亞的大部分時間中,伽利略只是對天文學表現出偶然的興趣,雖然在一五九七年他曾在私人信件中表示自己較喜歡哥白尼的「地球繞著太陽轉」的理論,而不贊同阿里士多德及托勒玫假設行星、月球、太陽也繞著固定不動的地球旋轉的理論。這是因為只有哥白尼的模型能支持伽利略那獨創但錯誤的潮汐理論。根據伽利略的潮汐理論,地球的自轉運動是有選擇地加至或減自軌道運動,結果海洋就會向前方及後方濺起,就是這簡單的機制,導致每隔廿四小時就有一次潮汐。而伽利略更在理論中加入一些其他因素,例如方位,海岸及海床的構造等,使他的理論更近於在不同的地方、季節觀察得來的潮汐現象。

在一次到威尼斯旅行途中,伽利略遇到瑪麗娜 (Marina Gamba)。由於伽利略的貴族出身的母親反對他們的婚事,不久,伽利略便和瑪麗娜同居起來,並育有兩女一子。可惜最後瑪麗娜還是拋棄了伽利略。

在一六零九年,伽利略聽聞荷蘭人成功發明了望遠鏡。同年八月,他亦成功製造了一具能把事物放大十倍的望遠鏡,並獻給威尼斯的總督。因為望遠鏡在海軍及海事上有重大價值,所以伽利略得到重大的回報:薪金加倍,並可獲保証終身保有教授這一職銜。在一六零九年十二月,伽利略則造出了一具放大率為二十倍的望遠鏡,這使他發現了月球上的山和坑谷。這發現不但能反駁阿里士多德認為天體一定是完美球狀的理念,而且更顯示天體可以比人們的想像中更像地球。伽利略亦見到銀河是由恆星組成,他又發現了四顆衛星環繞木星運行。這些發現證明了一無容置疑的事實:最少有一些天體是環繞著一個地球以外的中心運行。雖然這些發現並不足以証實哥白尼理論是對的,但卻也正好符合哥白尼的宇宙系統。伽利略將這些發現寫在 《星際使者》"The Starry Message" 一書中,該書在一六一零年三月出版。伽利略亦聰明地利用他的聲望,使自己被任命為他渴望多時的宮廷數學家及哲學家一職,這使他可以不受教務限制而有更多時間去研究及寫作。在一六一零年十二月,伽利略觀察到金星的位相變化。金星的位相變化可說是哥白尼理論中,金星在地球軌道以內環繞太陽公轉的自然結果。而托勒玫的理論則與此觀察結果存在著矛盾。托勒玫認為金星在本輪上移動,而本輪的中心則在地球與太陽所連成的直線上圍繞地球移動。這系統並不會使金星出現位相變化。因此,支持托勒玫的天文學者只好退一步承認金星環繞太陽運行,而非環繞地球,但他們仍堅持太陽環繞地球移動的理論。而伽利略自然將此發現當成支持哥白尼理論的有力証據。
 
 
月亮 伽利略衛星
月亮表面十分粗糙不平,既有大塊較暗的平坦區域,亦有不少陡峭的山脈和無數像地面上火山口那樣的環形山。  伽利略衛星是木星最大的四顆衛星。它們包括木衛一 (Io) 、木衛二 (Europa) 、木衛三 (Ganymede) 和木衛四 (Callisto) 。 (Jupiter's Galilean Satellites STSci/NASA) 
銀河 金星的位相變化
銀河。 (轉載自 David Talent/AURA/NOAO/NSF)  在托勒玫的模型中 (左圖),金星的本輪位於地球和太陽之間,所以金星永遠以蛾蝞月狀出現。伽利略在望遠鏡的協助下,發現金星會經歷完整的位相變化,證明金星如哥白尼所假設般環繞太陽公轉 (右圖)。 (朱德權先生,香港大學物理系
 
伽利略亦不同意在佛羅倫斯及比薩的教授對於流體靜力學的見解。因此,在一六一二年,他出版了一本關於浮動物体的書。隨之而來的便是四本攻擊此書、並欲否定伽利略的物理理論的書。阿里士多德的支持者著重解釋導致物体浮起的關鍵,而伽利略則重視研究浮動物的相對密度以及該物體在那種媒介中飄浮。雖然,伽利略並不比他的對手明白更多關於表面張力的事,因而導致很多麻煩,但他有效的論點,使他覺得和忽視元素數學的對手互相追逐是無意義的。在一六一三年,他出版了一本關於太陽黑子的著作。這預視了哥白尼理論的勝利。

一名比薩大學教授在伽利略缺席但其學生 CASTELLI 在場的情況下,告知梅迪契 (The Medici) (管理佛羅倫斯的家族,同時亦是伽利略的僱主):伽利略相信地球移動,這是和基督教對抗的。為此,伽利略立刻寫了一本只限私人流轉的小冊子 LETTER TO CASTELLI,概述他對基督教與科學之間的關係的看法。在一六一四年十二月,一名佛羅倫斯多明我會教士在佈道壇上公開譴責伽利略。而在一六一五年早期,佛羅倫斯多明我會 SAN MARCO 修道院更將他們對伽利略的責難呈上羅馬宗教法庭。伽利略遂將 LETTER OF CASTELLI 重寫,擴張成為 A LETTER TO THE GRAND DUCHESS CRISTINA。書中正確地引用聖經章節於科學論証之上,証明了聖經的闡釋應能適應人類與日俱增的科學知識。而伽利略在書中亦指出了將任何科學見解當成羅馬天主教的教條的危險性。然而,這本業餘神學的卓越著作在伽利略有生之年未曾在意大利出版,但對日後事態的發展則起了一定的影響。

在一六一六年,哥白尼學派的書籍遭到 THE ROMAN CONGREGATION OF THE INDEX OF FORBIDDEN BOOKS 的審查,在此之後,耶穌會樞機主教貝拉明 (Robert Bellarmine) 明確表示伽利略不能再堅持、維護『移動的地球』的理念。在悠久的傳統中,天文學上的假設,只不過是工具或計算設備,因此貝拉明樞機主教曾勸告伽利略將這些理論當成只是假設性的,是應用在科學研究方面的;而非將哥白尼的理論視為真理,並嘗試令其與聖經一致。一六一六年制訂的公眾法例同樣也列明天主教徒可利用哥白尼理論為計算工具,但不能將之說成是真實的宇宙系統。伽利略在這問題上保持了多年的沉默。期間,他研究如何利用他對木衛星運動的預測,在海洋上找出經度。他亦恢復了早期對下跌物體的研究。此外,他亦技巧地推演他對彗星的見解,並寫成《試金者》這本經典的論辯著作。

在一六二四年,伽利略開始寫作一本他希望名為 DIALOGUE ON THE TIDES 的書。其中討論了托勒玫和哥白尼的假與潮水的物理學的關係。一六三零年,羅馬天主教會審查員發出許可証,准許出版此書,但他們將書名改為《兩大世界體系的對話》 "Dialogue On The Two Chief World Systems"。因為當時意大利中部疫症流行,所以此書在一六三二年在佛羅倫斯出版。雖然這書得到兩張官方許可証,但伽利略其後仍以『涉嫌信奉異端邪說』的罪名被傳召至羅馬受審。伽利略雖努力去證明自己並無違反一六一六年的公眾法例,但他確是清楚地寫了一本支持哥白尼的書。他亦曾因偶然的疏忽,明顯地把哥白尼理論說成是『很可能是真的』─亦即是:雖然未經証實,但不久便會被證明是正確的。這絕對是違反了一六一六的法例,正如審判中指出:『天主教徒可利用哥白尼理論為輔助計算工具,但他們不可以將之當成任何真實成份存在。』當一份沒有簽署的報告被人從伽利略的檔案中找出,他就處於一個更不利的位置。報告記錄了在一六一六年,伽利略曾被命令不要再在口頭上或文字上討論哥白尼理論。伽利略受審時,貝拉明主教已死,但伽利略拿出一份由貝拉明主教簽署的証書,以證明除了適用於任何羅馬天主教教會的一六一六法例外,他並無受到任何更大的限制。而並沒有任何與這証書有觝觸的已簽署文件被發現。一六三三年,伽利略被迫公開宣誓放棄之前的見解,與及被判終身監禁。(不久之後,改判為永久軟禁在家中)。《對話》一書被禁,而反對伽利略的標語在每間大學公開張貼。回家後數個月,大女兒逝世使他更加傷心。

雖然伽利略被定罪對一些教育及出版界被羅馬天主教會控制著的國家或學院產生了一些負面影響,但因將哥白尼理論視為錯誤但有用的計算工具仍是准許的,所以日心說仍廣為學生熟悉。在《對話》一書中的理念亦沒有被鎮壓下去。無論在意大利或外地,伽利略在科學上的個人名望仍然很高,特別是在他的最後和最偉大的著作出版之後。

那本著作就是《關於兩種新科學的討論》"The Discourses Concerning Two New Sciences",在一六三八年被偷運到荷蘭的蘭迪尼 (Leiden) 出版。書中回顧了及撮要了伽利略早期對運動的研究及他提出的機制的原則。該書開創出一條道路,引導牛頓研究萬有引力──將與伽利略同期的開普勒發現的行星定律和伽利略的數學化的物理學連繫起來。然而,不幸的是,在此書出版之前,伽利略已雙目失明。在一六四二年一月八日,伽利略在佛羅倫斯 (Florence) 附近的阿切特里 (Arcetri) 家中與世長辭。長埋於 Santa Croce 教堂
 
 
佛羅倫斯
佛羅倫斯。(View of the city from the Piazzale Michelangelo (Image supplied by the Italian State Tourist Board))
 
伽利略放棄阿里士多德理論中的兩個關鍵理念─『靜止乃自然狀態』及『只有運動才需要解釋』,顯示他差不多完全明白慣性運動的特性,是以牛頓也把慣性運動的發現歸功於他。然而,伽利略對後世更大的影響是《星際使者》和《對話》兩書。這兩本著作為天文學開闢了一片新的前景。而伽利略亦是自己著作的出色推廣者。除此之外,伽利略亦被公認為意大利散文的大師。

伽利略終身與教會鬥爭,希望將科學研究從哲學及神學的控制中解放出來。這亦是伽利略對科學發展的主要貢獻之一。至一八七零年,因為完整的伽利略審訊文件的出版,將伽利略定罪的責任普遍被加諸羅馬天主教會職員的身上。雖然人們對事件有較完整的了解,例如那位首先起來說服其他神學家去將伽利略的理念與異端邪說連繫起來的哲學教授在事件中擔當的角色。但教會的職員和顧問對制訂一六一六年法例及將伽利略定罪仍是難辭其咎。因此,在一九九二年十月三十一日,梵蒂岡教皇約望保綠二世 (Pope John Paul II) 宣布當年對伽利略及其理論的指摘是錯誤的。

意大利佛羅倫斯的科學歷史博物館第四展覽室
伽利略相片集
The Galileo Project