伽利略与力学
Shizhao发表于：2003年六月25日 | 分类: 科学2.0古代力学的推翻和近代力学的建立是由帕多瓦大学和比萨大学的伽利略·伽利莱（Galileo Galilei，公元1564－1642）那样的人担当起来的。伽利略出生在比萨，在比萨读书并且在比萨的大学里教了一个短时期的书。他于公元1592年转到比较自由开明的帕多瓦大学任教，在那边待了十八年之久。他在力学方面的一些比较重要的研究都是在这个时期进行的。在公元1610年，他移居到佛罗伦撒，任托斯干大公爵的哲学和数学首席供奉，并在佛罗伦萨用望远镜进行天文观测和研究。最后，当他的天文学著作受到教廷谴责之后，他又重新研究起力学来了
伽利略的两部巨著是公元1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，和公元1638年出版的《论两种新科学》。两书都是采用对话形式，参与对话的是支持他的两个朋友，沙格列陀和萨尔维阿蒂，与一个亚里士多德观点支持者辛普利邱。伽利略想要用这种对话形式使他的著作能拥有广大的读者，从而能有效地否定掉亚里士多德的力学和宇宙论。
伽利略非常重视数学在应用科学方法上的重要性，特别是实物与几何图形符合程度到多大的问题。
伽利略为自己提出的第一套力学问题，是那些牵涉到尺度效果的问题。为什么大型机器和小型机器一样完全按照同样几何比例造出来，但是小机器耐用而且使用起来效果很好，而大机器则是时常出毛病并且垮掉。几何图形的性质和图形的大小是没有关系的，π的值对一切圆周都是不变的，但是大船和小船按照同样比例造起来的，小船可以开得很安全，而大船在造船架上就会垮掉。还有，看上去数学和自然界之间并不相互符合，但是伽利略坚称，只要物体所含的物质数量能够作为一种数学上的量对待，只要物质被认为“好象属于单纯的数学”，这个问题是可以解决的。因此如果一部机器的尺寸加倍以后，它的重量就得提高八倍，但是机器各个零件力量的增加比例则要小些，因此支持不住那样大的重量。
伽利略认为选择得当的数学证明可以用来探索任何牵涉到可量属性的问题，也就是几何学传统题材如长短、面积、体积等空间尺度之外的那些属性。在考察尺度效果时，伽利略就是以这个方式来研究物质的数量，即后来叫做质量的量，后来又以同样方式探索了牵涉到时间测量和速度测量的动力学问题。在这方面，伽利略所研究的中心问题就是在重力影响下的落体运动问题。他首先论证了亚里士多德关于重物体比轻物体坠落较快的见解。
根据亚里士多德的物理学，保持物体以均速运动的是力的持久作用。但是伽利略的实验结果证明物体在引力的持久影响下并不以均速运动，而是相反地每次经过一定时间之后，在速度上就有所增加。物体在任何一点上都继续保有其速度并且被引力加剧。如果引力能够截断，物体将仍旧以它在那一点上所获得的速度继续运动下去。这种现象在伽利略的金属球滚到斜面尽头时就可以观察到：金属球以均速继续滚过一片光滑的平桌面。从以上这些观察结果就得到了惯性原理。这个原理阐明物体只要不受到外力的作用，就会保持其原来的静止状态或均速运动状态不变。
从惯性原理，伽利略就发展了抛射体的飞行轨迹理论，从而表明数学证明在科学上的价值。他考虑了一个球以均速滚过桌面，再从桌边沿一根曲线轨道落到地板上的动作。在这条坠落轨道上的任何一点，球都具有两种速度：一个是沿平面的速度，根据惯性原理始终保持均速，另一个是垂直的速度，受引力的影响而随着时间加快。在地平的方向，球在同等时间内越过同等距离，但是在垂直的方向，球越过的距离则和时间的平方成正比。这样的关系决定球走出的轨迹形式，即一种半抛物线，一个从大炮发出的抛射体，其轨迹因而是一条全抛物线，当炮身的角度抬高到四十五度时射程就最远。
伽利略广泛地应用了那些传统的测量仪器，如算尺、天平和滴漏钟，而且发展一些别的仪器。他制造了第一个温度表来测量温度，而且用摆来测量时间，先在医学上用来计算脉搏率，后来又把它制成一种普通形式的摆，留给后代人来制造第一座完全用摆行走的钟。伽利略还发展了望远镜，并广泛地使用望远镜进行天文观测。
公元1609年，伽利略听说荷兰米德尔堡的眼镜商造出了“望远镜”可以将远距离的东西放大，特别是汉斯·立帕席在公元1608年将这一发明注了册。伽利略研究了合成镜片的光学性质，造了几具改进的望远镜自用。他用这些望远镜检视天空，发现了一大堆新事实。他发现天体一点不象传统的亚里士多德见解所暗示的那样比地球完善而且优越。太阳的面上就有黑子，而月亮望上去则非常之象地球，上面有许多火山，伽利略从它们投出的影子长度测算了它们的高度。他发现银河是由许许多多的恒星形成，并且和别人一起观测了在仙女星座的星云。伽利略还发现金星的面目很象月亮，从新月形逐渐变为满月，而木星则有四个月亮，他觉得根据哥白尼的体系这很象太阳系的一幅小型图画。
伽利略的天文发现多数都是在十七世纪第二个十年中发表的，这些发现对支持哥白尼的学说有很大的影响。当这种新天文学的证据正在兴起时，反对新天文学的人就变得强硬起来，因为已经不再能够斥之为一种无足轻重的意见了。邻近的教会人士驳斥伽利略的见解是异端，而比萨的经院哲学家则宣称他的意见是错误的，而且是违反亚里士多德的权威的。他们说太阳黑子只是环绕太阳的一些云，也可能是望远镜出了毛病，而木星不可能有月亮环绕，因为古书上从来就没有提到过。公元1615年伽利略受到罗马宗教法庭的传讯，在法庭上他被迫声明和哥白尼学说决裂。地球在地轴上自转并环绕太阳的定理，被正式宣布为错误的，是异端邪说
在为哥白尼体系辩护的论证中，伽利略着重回答了那种根据常识的力学反对意见。他重复了哥白尼对这些反对意见的答复，但是这些回答现在却有力得多，因为它们是根据伽利略的新力学来的。根据惯性原理，大气层天然是和地球一起运转，它并不象亚里士多德力学所提示的，需要有一个持久的推动力。物体从高处坠落，不会落到西面，因为物体也参与地球的运动。同样地伽利略也提示说，一只船走动时从桅杆顶上抛下一个石子，将会落在桅杆脚下，而不会落在桅杆后面，因为石子也参与船与船中各物的总运动。
伽利略论两大世界体系的巨著出版于公元1632年，已经在刻卜勒发表他的三条关于行星运动定律的第三条之后约摸十三年了。但是伽利略不理会他朋友的成果，一直坚持着行星的轨道是正圆形，而不是如刻卜勒在公元1609年所证明的椭圆形。按照伽利略的惯性原理，如果地球表面极端光滑，一个在地面上流动的球将会无限期地继续环绕地球运动。因此他认为物体只要不受到外力影响，沿圆周的均速运动将是一切物体的天然运动。这样的天然运动既属于地面物体，也属于天上的星体，而且在他看来行星的轨道既然是正圆的，那末关于天体的运动就不存在着什么问题；这些运动，正如哥白尼以前认为的那样，是完全自然的。
由此可见，伽利略并不
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