伽利略

伽利略來自曾顯赫一時的古老的佛羅倫薩貴族家庭，他出生在文藝複興之後的1564 年。他的父親酷愛音樂和數學，尤其精通六弦琴。父親這些音樂的天賦、數學的能力和善于動手實驗的基因都遺傳給了伽利略。

伽利略身材中等，體格魁梧，熱情、充滿活力、幽默、善于演講。他社交能力極強，在宗教界、教育界、藝術界都有優秀的朋友。交往中他有善辯的言辭，思維上他有超群的智慧，生活中他有宗教的信仰，學術上他有批判的精神，科研中他有實驗的思想。他清楚，“雖然理論需要的是證明，但是人們需要的是說服”。他身上這些優秀的特征造就了一個時代巨人。

伽利略本來是學醫學的，但他在1585年放棄了學醫而改為研究數學和物理。1589 年，他被任命為比薩大學的數學教授，在大學裡伽利略是一個優秀的教師，講課引人入勝，名聲傳遍歐洲。伽利略後來主要研究天文和物理，成為實驗物理學家、應用發明家，為人類做出了重要貢獻。

伽利略研制的望遠鏡

伽利略之前的實驗思想

希臘人很少或從未試圖以實驗證據來驗證他們的思想。亞裡士多德是古希臘科學家，是古代知識的集大成者，在科學史上有着很高的地位。在自然科學研究中，他進行了大量的觀察，可稱得上是“嚴密的觀察家”，但不是實驗家，因為他沒有做過真正的科學實驗。再比如，阿基米德，雖說他成功地應用了邏輯推理和觀察實驗這兩種方法并使之結合，但這隻是為了檢驗邏輯推論。11 世紀和12 世紀，通過拉丁文的翻譯運動，伊斯蘭世界保存的古希臘科學文化和阿拉伯人自己發展的科學成就一同傳入西歐，此後，西歐的科學活動才逐漸活躍起來。雖然這個時期亞裡士多德的學說仍居于主流地位，但是人們對自然的探索已不再滿足于亞裡士多德的“論證科學”。後來，羅吉爾·培根等人提出了“實驗科學”的思想，他們重視科學研究的經驗基礎，主張對知識的實驗研究和實驗檢驗。羅吉爾·培根說：實驗科學勝過各種依靠論證的科學，因為無論推理如何有力，這些科學都不可能提供确定性，除非有實驗證明它們的結論。文藝複興時期最能代表這種精神的人物是達·芬奇，他在研究工作中做了大量實驗，認為：正是因為實驗具有确定性，所以科學一定要從實驗中産生。吉爾伯特是著名的實驗科學家，他和伽利略一樣認為科學必須建立在實驗的基礎之上。他對電和磁做了系統的實驗研究，做了許多有關磁體性質的實驗，但是他認為電和磁是兩種不同的現象，兩者互不相幹，這種錯誤的判斷給電磁學的發展帶來了不良影響。弗蘭西斯·培根被譽為近代歸納邏輯的創始人，其歸納法的基礎就是實驗。他相信感性經驗是認識的起源與依據，提出了實驗驗證的原理，但忽視了數學方法和演繹法在自然科學中的重要作用，沒有認識到假說的創造性價值。

伽利略的實驗思想及特征

在自然科學研究中，伽利略認為：觀察非常重要，知識的獲得來源于觀察。在天文學上，他首次用望遠鏡對天空進行觀測，發現了月球上的環形山、太陽黑子、金星相位變化等不少天文現象，他用這些觀測到的天文現象捍衛了哥白尼學說。對于認識自然現象，伽利略認為單用觀察是不夠的，他更加強調實驗的作用。伽利略認為宇宙、自然界就是一部偉大的“自然之書”，實驗是讀懂“自然之書”的鑰匙，為了研究大自然，讀懂“自然之書”，伽利略作了大量實驗研究，得出了許多新結論。對于如何解決科學上的争論問題，他的見解是，回到特定的論證、觀察和實驗上來，人們應當通過實驗研究去發現自然規律。這種思想認識有力地促進了當時的思想解放運動，非常有利于實驗科學的發展。

1）伽利略的實驗認識觀念特别深刻。他提倡對自然界進行觀察，倡導人們從自然界中去尋找真理。對于認識自然，他非常強調實驗的作用，他認為，任何人都不能不理會自然界的實況，人們必須通過實驗去閱讀這部科學的“自然之書”。這種認識觀念非常有利于科學的發展，特别是在自然科學發展的初期，這種觀念更是難能可貴。即使在科技高度發展的今天，伽利略的實驗認識觀念仍然影響着自然科學的發展。

2）伽利略的實驗研究方法十分科學。他創立了一套完整的實驗和數學有機結合的科學研究方法，與弗蘭西斯·培根的不重視假說、演繹和數學在實驗的地位相比是一個質的飛躍。這個實驗研究方法有力地推進了人類科學活動的進展，提升了人類認識自然的能力。愛因斯坦在《物理學的進化》中是這樣評價的：“伽利略的發現以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一。”科學的發展是一個艱難而曲折的過程，伽利略把發現自然規律的基本方法告訴了人們，此後衆多物理學家都是在他的基礎上而繼續前進的。

3）伽利略的實驗研究目的定位準确。他對實驗的功能和價值的看法與衆不同，他從科學研究的高度确立了實驗的地位，實驗的本質就是要通過對大自然的研究而發現自然之規律。伽利略之前的實驗科學工作者都沒能認識到科學實驗的這種本質功能，僅認為實驗具有驗證的功能和作用，考慮的也是以定性為主的實驗。伽利略抓住了實驗科學的本質特征，提高了人們對實驗功能和價值的理性認識，提升了人們對自然科學的理解。

4）伽利略的實驗精神更為超群。他勇于抛棄傳統的觀念和理論，繼承和發展了阿基米德、吉爾伯特等人的實驗精神，用人們可以複現的觀測事實打破了古代人們對天體性質認識的成見，使哥白尼的理論被學者廣泛接受。他摒棄了通過權威來解決科學問題的觀念，摒棄了在沒有可靠實驗的基礎上對其進行複雜推理方法的信賴，倡導對自然界進行觀察和實驗研究，倡導實驗的理智作用，這種科學的實驗研究精神對自然科學的發展影響深遠。

5）伽利略的實驗研究成果影響深遠。他通過“自由落體實驗”證實了自由落體運動與重力無關；通過“思想斜面實驗”發現物體在不受外力作用時，總保持勻速直線運動狀态或靜止狀态，打破了保持1 千多年記錄的“物體受力運動，不受力靜止”的錯誤思想觀念；用“船艙實驗”發現了著名的相對性原理，成為愛因斯坦在20 世紀創立相對論的理論基礎；等等。他的關于力的實驗有效地幫助了牛頓建立後來的著名的理論。

伽利略的實驗思想對科學發展的影響

從曆史的觀點來看，伽利略對科學的發展有很大的貢獻。這不僅體現在他一系列的科學研究成果上，更為重要的是，他創立了科學的研究方法，這對近代科學發展産生了重大影響。研究方法大緻如下：對現象的一般觀察—提出假設—運用數學和邏輯進行推理—實驗檢驗—形成理論。伽利略既重視實驗的意義，又十分強調理智的力量。他認為，研究自然離不開數學，隻有數學證明的東西才是科學的、可靠的結論，而實驗又是解開“自然之書”之謎的鑰匙。就是說，研究自然離不開數學、離不開實驗，更離不開實驗和數學的結合。伽利略實現了研究方法的新跨越，樹立了把定量實驗與數學論證相結合從而去發現自然規律的典範，開創了近代自然科學中經驗與理性相結合的傳統。

17 世紀以後，在力學發展的基礎上，整個自然科學逐漸細化和全面發展，而每一門類自然學科健康深入的發展都建立在數學和實驗的基礎之上。伽利略的偉大也在于此，他是實驗科學真正意義上的開拓者和奠基人。無論是在實驗的科學研究理念上，還是通過實驗研究來探求自然規律的實踐過程中，他都走在了時代的前列。他打破了純思維的傳統自然觀，提升了人們對自然科學的理解，幫助人們認清了實驗的意義、看清了實驗的價值、理清了實驗的功能。特别是他的實驗思想确立了近現代科學最偉大的傳統，照亮了人們的思想、照亮了整個自然科學發展的道路。

緻謝 上海交通大學教授關增建和中國科學技術大學教授胡化凱給予本文大力幫助，特此緻謝！

（編輯 王微）

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作者簡介

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呂增建，河南焦作大學基礎部，教授。

注：本文發表在2017年第8期《科技導報》，歡迎關注。

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