武际可:打开近代科学之门的对话

——介绍伽利略《关于两门新科学的对话》
选择字号:   本文共阅读 3937 次 更新时间:2008-07-22 11:04

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提要 文章在简要介绍了伽利略生平后,介绍了他的《关于两门新科学的对话》。撮要说明这本书出版的困难,它的意义和简要内容。并且摘取了书中关于批驳亚里士多德错误的两段精彩的对话。

关键词 伽利略 关于两门新科学的对话 力学史 物理史 科学史

1.引言

伽利略(Glileo Galilei,1564,2,15-1642,1,8)是最伟大的科学家之一,他出生于意大利的比萨,父亲是一位音乐家。1581年,当伽利略17岁时,来到比萨大学学医。在学校里,他以数学和物理见长,而且因为善于辩论而闻名全校。

伽利略的一生,大致可以分为三个时期:在比萨大学任教三年(1589-1591),在帕多瓦(Padua)大学任教18年(1592-1610),之后他回到佛罗伦萨任托斯康大公爵的首席哲学家和数学家(1610-1642)。

伽利略一生以对话体写了两本不朽的著作,即:《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》与《关于两门新科学的对话》。这两本书,都是以三个人:萨尔维亚蒂、沙格里多和辛普利修进行4天对话的形式写成。前2人分别代表伽利略的化身和他的朋友,第3人则代表受旧学说影响较深而又有探求兴趣的发问者。

2.伽利略《关于两门新科学的对话》

为了说明伽利略《关于两门新科学的对话》的出版的艰巨,我们需要简略介绍一下他的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。

1624-1630年,伽利略花了很大的精力写出了巨著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》,并于1632年出版。这本书全面而系统地讨论了哥白尼日心体系和托勒密地心体系的各种分歧,并以作者的许多新研究成果和新阐释的惯性原理揭示了哥白尼体系的正确和托勒密体系的谬误。

该书的出版激怒了教会,1633年2月宗教法庭把伽利略传到罗马,并于1633年3月12日审判。宗教法庭强迫年近古稀的伽利略认错,责令他居住在被指定的佛罗伦萨郊区,不得离开,并且不许他写的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》流传。在这样的条件下,伽利略要出版任何新的著作所遇到的困难是可想而知的。

宗教法庭对伽利略的审判与迫害,是整个人类历史上黑暗势力迫害科学发展的典型。随着科学的发展,越来越证明这种迫害的荒唐。在判决伽利略359年后,梵蒂冈终于认识到1633年判决的错误,一个教皇的委员会在1979年组成了。1983年,罗马教廷才宣布“给伽利略定罪的法官犯了错误”。经过这个委员会13年的调查研究,罗马教皇终于在1992年作出了对伽利略正式平反的决定。

《关于两门新科学的对话》出版于1638年,是伽利略积数十年研究工作的总结,它是伽利略最重要的著作之一。

在经过因《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》而受的审判后,伽利略对于这后一本《对话》表现得更为重视、谨慎,也更为机警。

从伽利略遗留的信件中,有早在1602年11月29日写给Guidobaldo del Monte的涉及重体沿圆弧与所对的弦下落的信,有1604年10月16日给Sarpi关于重体自由下落的信,还有在1609年2月11日写给Antonio de’ Medici的信说他已经“完成了属于不同长度、厚度和形状的梁的受力和强度的所有的定理和实证。”这说明,从伽利略着手研究《两门新学科的对话》的内容直到这本书的出版,是经过了近40年的历程。

对于经受由于《两个世界体系对话》遭受审判的打击的伽利略来说,如何使《两门新科学的对话》能够顺利出版,的确需要有相当的智慧。

伽利略最初探讨在罗马或威尼斯出版,结果都没有可能。最后他不得不托好友把书稿带到宗教势力所达不到的境外出版。该书的正文前面的一封伽利略给Noailles伯爵的简短的献词充分表现出他的睿智。字面上他假装对印刷这本书什么也没有做,声称将永不出版他的任何著作,最多是把他的手稿分发到这儿或那儿。他甚至对他的新《对话》落入埃尔塞弗(16到17世纪欧洲之大印刷家,译者注)的手中而且很快就出版表示大为惊诧,由此被要求写一个献词。

伽利略《关于两门新科学的对话》以对话体讨论了他对两门新科学――材料力学与动力学――的研究结果。全书分四天谈话,第一、二天是关于材料强度和物体受力的问题,第三、四天是关于动力学问题。

伽利略是一位伟大的科学家和思想家。人们说他是现代科学之父,是很有道理的。他是继古希腊之后,经过一千多年欧洲黑暗时期,公开向宗教的权威、向亚里斯多德关于动力学的错误、向旧知识及其方法体系公然宣战的第一人。

人们说伽利略是科学实验之父,在这本书中,他系统描述了如何通过大量实验为新科学(材料力学和动力学)奠定了基础。人们说伽利略是最早把物理与严格的数学结合的第一人,在这本书中,他正是系统利用到他那个时代的数学去解决物理问题和论证新的物理定律,从而打开通向现代精密科学的大门。人们说伽利略是开创动力学的第一人,这本书的大部分内容正是他关于落体、抛体和动力学基本规律方面研究的总结。

伽利略在《关于两门新科学的对话》中提出了固体的强度问题、介绍了他最早进行的梁的强度的实验、提出了等强度梁的概念、讨论了在重力下物体尺寸对强度的影响、提出了落体最速下落曲线问题、给出了重力场下能量守恒的早期叙述、给出了简单情形下的虚功原理、讨论了大气压力问题、叙述了摆的等时性现象、第一次将音乐的声调与物体的振动联系起来、提出了光传播速度的概念并且给出了一种测量光速的设想,等等。书中提出的新概念和新思想,无不对后来的科学发展以深刻的影响。

3. 《关于两门新科学的对话》的精彩片断

牛顿的《自然哲学的数学原理》在不多的几个定义之后,接着就是著名的“三大定律”。似乎这些原理是牛顿悟出来的,也无需什么解释。

其实,在探求运动规律的问题上,人类走过了漫长的路。而关键的一步,是伽利略的研究。正如伽利略在书中所说:“在自然界,没有比运动更古老的了,关于它哲学家们写了不少的书;不过我借助于实验发现了它的某些性质,这些性质是值得知道的,并且是迄今为止还没有被观察和论证的。”

动力学的发展,所面对的最为严重困难就是亚里士多德统治了一千多年的错误结论。这些错误结论归结起来无非是两条:一是物体下落速度与其重量成比例,二是物体在介质中所受的阻力与介质的密度成比例。

关于第一个问题,根据亚里士多德的学说,物体在同一介质中运动,由它们的重量决定了它们具有不同的本性速度。我们来看伽利略批驳这个结论的对话:

“萨尔维亚蒂:那么,如果我们取两个本性上速度不同的物体,显然当把二者合起来时,较慢的物体将使较快的物体有些减速,而较快的物体将使较快的物体有些加速。难道你不同意我的这一意见吗?

辛普利修:你无疑是对的。

萨尔:但是如果这是真实的,并且如果一块大石头具有速度8,而一块较小的石头具有速度4,那么当它们合在一起时,系统将以比8为低的速度运动;而当把它们绑在一起时就变成一块比以前以8的速度运动的石头还要大的石头。所以重的物体比较轻的物体以较低速度运动;结果是与你的推测相矛盾的。由此你可以看到,我如何从你假设较重的物体比较轻的物体运动得更快中推出较重的物体运动较慢。

辛普:我像坠入大海一样,因为在我看来,较小的石头被加在较大石头上时增加了它的重量,但我看不出为什么增加重量不提高它的速度,或者至少不降低速度。

萨尔:辛普里修,这里你又犯了一个错误,因为说较小的石头给较大石头加了重量是不对的。

辛普:这的确是在我理解能力之外。

萨尔:一旦告诉你使你苦恼的错误,这就不在你理解能力之外了。注意,必须区分运动中的重物与处于静止的同一物体。一块处于平衡的大石头不仅具有另一块置于其上的石头附加的重量,而且还要附加一束亚麻,其重量依亚麻的量增加了6 10盎士。但是如果你把亚麻绑在石头上并且让它们从某一高度自由下落,你相信亚麻将向下压石头使其运动加速呢,还是认为运动将被部分向上的压力减缓?当一个人阻止停在他身上的一个重担运动时总是感到在他肩膀上的压力;但是如果他以恰如下落重担的速度下降,重担是向下加对他加重还是向上压他呢?正如当你打算用一根长矛刺一个人,而他正在以一个等于甚至大于你追他的速度远离你,难道你没有注意到与刚才的情形是相同的吗?由此你必然得出结论,在自由地和自然地下落过程中,小石头不会对大石头施压,结果不会像静止时那样增加后者的重量。

辛普:但是如果我们把大石头放在小石头之上将会怎样呢?

萨尔:如果较大石头运动更快,其重量会增加;但是我们已经得出结论说,当小石头运动较慢时,它就在一定程度上阻止速度更快的物体,以至于两者合成一块比两块石头中的较大石头还重的石头,它将以较慢的速度运动,这个结论是与你的假设相反的。于是我们推论,倘若它们受同一比重,大的和小的物体是以相同的速度运动的。”

关于亚里士多德的第二个错误,《对话》在引进许多实验进行反驳后,借萨尔维亚蒂的口作结论说:

“萨尔:……我们已经看到不同比重的物体速度之差在那些阻力最大的介质中是十分显著的:例如,在水银介质中,黄金不仅比起铅来沉底更快,而且它根本是仅有的下沉的物质;所有其他的金属和岩石都漂浮在表面。另一方面,在空气中黄金、铅、铜和岩石以及其他重材料的球之间速度的变化是如此的微小,从100库比特高(一种长度单位)下落的黄金球保险不会超前于黄铜球四指宽。观察到这一点,我得出结论是:在完全没有阻力的介质中所有的物体以相同的速度下落。”

伽利略《关于两门新科学的对话》的精彩内容,表现在所涉及两门新科学的许多课题上。要深入领略这些人类思想的闪光点,只有通读原书。

4. 《关于两门新科学的对话》现实意义

伽利略《关于两门新科学的对话》出版到现在虽然已经经过了三百六十多年的历史,但是现在读起来,仍然收获很多。

在科学技术高速发展的今天,人们所从事研究的分工越来越细,所掌握的知识领域越来越狭窄。在这种条件下,当我们重新研读古代大师们的著作时,大师们的思想闪光常常会启发我们今天的研究,使我们跳出分工的狭小圈子,从更广的角度思考问题,推动我们的研究。

为了追寻力学的早期发展,作为对力学史有兴趣的学者,特别是高等学校讲授理论力学和材料力学课程的教师们,如果他们要了解这两门学科的最早历史、以人类探求真理的艰辛历程去感染学生的话,伽利略的这本书是不可不读的。它可以使我们理解伽利略对科学的贡献以及伽利略时代人们对力学问题的理解。

近代精密科学是从力学开始的,而经典力学的动力学又是从伽利略的这本书开始的。所以凡是有兴趣寻找现代科学发展轨迹的人,这本书也是不可不读的。

从现代科学发展水平来看,伽利略所处时代的那些研究工作,凡是具有高中文化水平的读者都是能够看懂并且从阅读中获益的。伽利略这本书体现的伽利略研究的科学方法也是近代科学方法的精髓。作为现代社会的人,不可不熟悉现代科学,不可不了解现代科学的方法论。而阅读伽利略的这本书,可以了解现代科学方法论的源头。所以把它作为一本物理学、力学和现代科学方法论的启蒙读物,也是非常合适的。

我是抱着学习的态度翻译伽利略的《关于两门新科学的对话》的。伽利略的原书是用意大利文写作的,我不懂意大利文,只好从英文翻译本译出。译本是从1914年美国学者亨利等(Henry Crew 和Alfonso de Salvio)的英译本译出的。现在这本书的中译本已经由北京大学出版社出版(定价18圆)。希望读者在阅读之余,对译稿提出宝贵意见。

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刊登于《力学与实践》MECHANICS IN ENGINEERING2006 Vol.28 No.5 P.89-9,作者授权天益发布。

英文标题:Dialogue of Openning the Door of Modern Mciences

――Introdoction to Galileo”s Book《Dialogue Concerning Two New Sciences》

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本文责编:linguanbao
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