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内容简介：

伽利略作为现代科学研究方法的创始人，被爱因斯坦誉为“现代物理学之父，甚至是现代科学之父”，哲学家伯特兰罗素也说他是“现代科学最伟大的创始人”。

伽利略的杰出科学成就之一是将观察天体、绘制星图的古代艺术创新为探索宇宙奥秘、寻找人和地球位置的科学事业。他发展和捍卫哥白尼的一心学说，因此受到当时宗教法庭的质疑、审判和软禁，成为科学史上为思想自由和学术自由而斗争的标杆。

马里奥利维是当代天体物理学家，很少以科学家的视角讲述伽利略的生平故事，评价他的科学成就和科学精神遗产。形象、发现、戏剧性、独创性、勇气、长寿、传播3354作家描绘了这一现代科学的创始人常青树形象。

今天天文望远镜的观测结果证明了伽利略400年前观测月球、木星和太阳黑子的微妙之处。今天，科学理论和观念仍然被否定和质疑的现象表明，伽利略为真理抗争的科学精神仍然具有无限的启迪。

作者简介：

MarioLivio，以色列裔美国天体物理学家、科学和数学畅销书科普作家，曾就职于巴尔的摩的哈勃空间望远镜研究所，并获得美国科学促进学会会员、卡内基基金会“世纪优秀教授”、钢琴奖、国际毕达哥拉斯数学畅销书奖等多项奖项。发表在《自然》 《经济学人》 《科学》上的400多篇论文都获得了高度赞扬。

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书友评论：

帕多瓦力学

今天的每位研究者都知道，不能指望实验结果精确地证明任何定量预测。每次测量都存在着统计和系统上的不确定性（可能包含真实值的一系列数值），研究者有时甚至很难一眼看出规律。这种情况与古希腊人强调精确表达的观念相反。伽利略生活在一个不可能精确测量时间的时代，在早期的尝试中，他发现对物体运动的研究充满挑战，令他屡屡受挫。此外，研究经常被打断，因为大约在1603年，伽利略患上了严重的关节炎和风湿痛，他有时疼得只能卧床不起。据伽利略的儿子说，这些令他身心疲弱的疾病“从40岁开始一直持续到他生命结束”。

不过，在1603—1609年，¹²伽利略发展出许多研究物体运动的方法，同时他在力学方面也取得了突破性成果。¹³很久之后，伽利略在他的《对谈》一书中描述了他在探究和分析物体自由落体时遇到的问题，也介绍了高明的解决办法。他要着力克服一道看似不可逾越的实验难关，他必须确定不同重量的物体在经历相对短时间的自由落体后，速度究竟是相同的还是不同的。伽利略写道：

在较小的高度内［不同的物体落下］，［物体的速度或它们落地的精确时间］是不是真的没有差别？还是说存在差别而我们无法观察到？这是值得怀疑的。因此，我不断思考怎样才能重复让物体从较小高度下落，并记录许多次重物落地与轻物落地在时间上的微小差异。如果我把这些差值加起来，就能够得到一个可观察的而且显而易见的时间。¹⁴

这已经是一个了不起的见解。在统计方法尚未制定出来的时代，伽利略明白，如果同一个实验进行多次，结果就可以梳理出来，即使有很小的差异也能令人信服。但他对实验还有更加天才的想法。伽利略试图寻求一种真正减少自由落体速度或者说“稀释”重力的方法，使下落的时间更长，更容易测量，差值会更加可信。他灵机一动：“我还想让可移动的物体沿着一个比水平面高出不太多的斜面下降。这样人们就可以观察不同重量物体在斜面上运动的情况，就相当于观察物体的垂直下落。”换句话说，球的自由落体可以看作球沿斜面滚动的一种极端情况，只不过面是垂直的。正如伽利略的计算结果所示，他让物体在倾斜度只有1.7度的斜面上滑动（或滚动），能够大幅减慢物体运动的速度，由此可以更准确地测量。

当我们谈到伽利略获取知识的新方法时，应当认识到伽利略的力学实验中一个有趣之处：他主要是让理论或推理驱动研究探索，而不是用探索驱动理论。用他在《论运动》中的话说，一个人必须“始终运用推理而不是举例子（因为我们所寻求的是结果的原因，而原因是不能通过经验得到的）”¹⁵。大约350年后，伟大的理论天体物理学家阿瑟·爱丁顿（ArthurEddington）也表达了类似观点：“只有在一个主张是关于观察结果的论断时，它才能通过观察来检验。因此，每个物理知识都必须是对已经或将要进行的特定观察流程结果的断言。”

另一方面，在伽利略的天文学发现中，观察一直为他引路。科学的进步有时是靠实验结果引领理论解释的，有时是靠理论先做预测，然后再由实验或观察来证明（或证伪）的。例如，自1859年起，人们就知道水星绕太阳运行的轨道与根据牛顿引力理论预测的情况不太一致。爱因斯坦在1915年发表的广义相对论解释了这一异常现象。与此同时，广义相对论也预测了来自遥远恒星的光线会在太阳附近发生一定程度的弯曲或偏折。他的预测在1919年的日全食发生时首次得到证实，此后又有许多观测证实了这一点。顺便说一下，阿瑟·爱丁顿领导了1919年的一个观测小组。

今天，有关气候变化的研究正按照类似的步骤进行。¹⁶首先，人们观察到地球气候系统的平均温度在一个世纪里上升了。随后，人们做了一系列旨在确定气候变化主要原因的研究，由此建立了更精细的气候模型，现在这些模型已经对21世纪气候的影响做出了预测。

尽管伽利略在帕多瓦的个人生活很幸福，但他这一时期的经济状况十分窘迫。他的妹妹弗吉尼亚和利维娅分别于1591年和1601年结婚，支付高额嫁妆的担子落在了伽利略身上。更糟糕的是，弗吉尼亚的丈夫竟威胁说，如果伽利略付不出约定的数目，他就会把伽利略抓起来。伽利略的弟弟米凯兰杰洛也在嫁妆合同上签了字，但无力支付这笔钱，哪怕当时他已经是个成功的音乐家，接连获得了两份还不错的工作。他的一份工作在波兰，伽利略为此支付了旅费。另一份工作在巴伐利亚。在巴伐利亚期间，米凯兰杰洛与安娜·基娅拉·班迪内利结婚，并把所有的钱都花在了奢侈的婚宴上。这对伽利略的经济状况来说无异于雪上加霜。因此，尽管伽利略在帕多瓦的工资从最初的每年180斯库多涨到1609年的1 000斯库多，他还是要开办私人辅导班，在家为十几个学生提供住宿，还要出售他在作坊制造的仪器，以免陷入严重的债务危机。他还偶尔用占星术为学生和各种社会名流算命，当作一个应急的收入来源。

伽利略从事占星并不奇怪。当时数学家的传统职责之一就是绘制星象图。此外，他们还负责教医学生如何用星象图来表示适当的治疗方法。伽利略绘制的20多张星象图流传至今，其中有两张是他自己出生当天的星象，还有他女儿弗吉尼亚和利维娅出生时的星象。1633年，伽利略在阿斯卡尼奥·皮科洛米尼（Ascanio Piccolomini）的家里度过了被软禁的前6个月。我们从皮科洛米尼写的信中可以肯定地知道，这位科学家完全看不起占星术士，取笑它“是建立在最不确定甚至最错误的知识基础上的一种职业”¹⁷。

帕多瓦毗邻威尼斯，让伽利略能够与威尼斯知识分子和其他头面人物建立新的友谊和联盟。其中，詹弗朗切斯科·萨格雷多（Gianfrancesco Sagredo）是个在威尼斯大运河畔有座宫殿的大人物，他与伽利略情同手足。¹⁸他后来在伽利略的《对话》中扮演了一个聪明好奇的普通人，形象永久流传了下来。伽利略对他的描写很准确，因为在他的一封信中，萨格雷多对自己的性格做了一番评价：“如果我有时对科学感到怀疑，我不会冒昧与教授们一争高下，更不用说批评他们了。我只是想自由地探索所有我感兴趣问题的真相，不掺杂任何义务或情感，以此来活跃和充实我的思维。”¹⁹伽利略的另一位朋友与亲密顾问是弗拉·保罗·萨尔皮（Fra Paolo Sarpi），他不仅是一位高级教士、历史学家和神学家，还是一位科学家和杰出的数学家，他对从天文学到解剖学的各种课题都有极大的兴趣。²⁰伽利略后来赞叹：“在［数学］科学知识方面，欧洲没有人能超过他。”

1608年，精通光学和视觉工艺的萨尔皮，第一次告知伽利略有关望远镜发明的可靠消息。²¹此前有个荷兰人发明出望远镜的传言已经传遍整个欧洲。博学大师、剧作家詹巴蒂斯塔·德拉·波尔塔（Giambattista della Porta）也承认，他“从未见过比萨尔皮更博学的人”。这在从前是达·芬奇这样的人物才能享有的赞誉，法国国王弗朗索瓦一世曾评价达·芬奇说：“无法相信从古至今还有谁能像达·芬奇一样博学。”

威尼斯吸引伽利略还有另一个原因。威尼斯著名的兵工厂，包含军械库和造船厂，里面塞满了他极度感兴趣的种种仪器设备。据说在兵工厂最热火朝天的时候，数千名工人可以在一天之内造好一艘船。因此，我们不应该对伽利略《对谈》的开篇感到惊讶。他写道：“在我看来，经常参观你们威尼斯著名的兵工厂，给那些乐于思辨的头脑打开了一片理性思维的天地，特别是在需要思考力学的时候，因为在那里有大量工匠使用的各种设备和机器。”兵工厂的原址在今天是威尼斯艺术双年展的举办地。这仿佛是一个象征，提醒人们艺术与科学在意大利文艺复兴时期密不可分。

威尼斯兵工厂中所有这些异想天开的科学活动和工程活动，促使伽利略建立了自己的作坊，他的作坊长年雇用一个名叫马尔坎托尼奥·马佐莱尼（Marcantonio Mazzoleni）的仪器师，他和他的家人一同住在伽利略的房子里。（在某种意义上，17世纪的作坊相当于今天的创业公司。）伽利略既利用这个作坊为自己的实验研究服务，又在作坊里制造各种测量仪器、勘探仪器和数学仪器（其中一些被用在军事上）来赚钱。特别值得注意的是其中的一种几何军用罗盘仪。²²它是一种计算器，可以快速计算一些有用的战场数据，如目标的距离和高度。伽利略甚至用意大利文出版了一本小书（为了限制盗版，只发行了60本），书中展示并解释了如何操作这种计算器。另一位科学家巴德萨·卡普拉（Baldessar Capra）后来也出版了一本关于这种仪器的书，但他用的是拉丁语。他谎称自己发明了这种仪器，但实际上他是从伽利略那里学到的使用方法！伽利略反应迅速而勇敢，他收集了几个人的宣誓书，证明自己几年前曾向他们演示过这种仪器，然后指控卡普拉剽窃他的成果。在大学的权威人士见证下打赢官司之后，伽利略又写了一篇怒斥卡普拉的文章，题目是《对卡普拉的诽谤与欺骗的自辩》。

为什么伽利略的反应会如此激烈？毫无疑问，他经济困难，所以觉得必须奋力保护自己，抵御任何可能的攻击，防止名誉的污点让他错失更高的收入或更好的就业机会。不过，伽利略对卡普拉的激烈反应可能还有另一个关乎个人荣誉的原因。1604年10月，一颗新星出现在天空中，卡普拉在公开场合幸灾乐祸地说，他比伽利略早5天看到了它。这一定触动了伽利略的神经。

伽利略在威尼斯找到的不仅仅是智力和艺术上的激励。通过他的朋友萨格雷多，他接触到了威尼斯夜生活的诱惑，主要是美酒和女人的诱惑。他与玛丽娜·迪安德烈·甘巴（Marina di Andrea Gamba）确立了情人关系，她随后搬到帕多瓦。这对情侣从未结婚，但他们在一起生活了十多年，生了两个女儿，即弗吉尼亚（后来的玛利亚·塞莱斯特修女）和利维娅（后来的阿坎吉拉修女），还有一个儿子温琴佐。人们可以推测，伽利略不愿意正式结婚，是受到他直系亲属婚姻不幸的影响，但也许他放弃传统的夫妻关系是为了在经济上照顾妹妹们——至少他的弟弟米凯兰杰洛是这么认为的。

在帕多瓦的18年里，伽利略的科学工作中最令人印象深刻的成果是他的斜面实验。尽管这些成果直到17世纪30年代才发表，但他大部分的实验工作是在1602—1609年进行的。1604年10月16日，伽利略给他的朋友萨尔皮写了一封信，他在信中宣布，他发现了运动的第一个数学定律——自由落体定律。

重新考虑运动现象……我可以证明……在自然运动［自由落体］中，物体下落的距离与时间的平方成正比［强调是原文所加］。因此，在相等时间内，物体通过的距离就像从1开始的奇数数列一样。现在得出了定律：在自然运动中的物体，速度的增加和它与运动原点间距离是成正比的。

这句话的第一部分是伽利略发现的定律：自由落体通过的距离与所用时间的平方成正比。也就是说，一个物体（从静止状态开始）自由落体2秒所通过的距离是另一物体自由落体1秒所通过距离的4倍（2的平方），而物体自由落体3秒所通过的距离是另一物体自由落体1秒所通过距离的9倍（3的平方），以此类推。伽利略信中的第二个论点其实是第一个论点的直接结果。想象一下，我们把物体在第1秒内下落的距离称为“1伽利略”；那么在接下来的1秒内物体通过的距离将是4伽利略（即2秒内所通过的距离）和1伽利略之间的差值，也就是3伽利略。同理，物体在第3秒内下落的距离将是9伽利略减去4伽利略，也就是5伽利略。因此，在连续几个1秒的时间内，物体通过的距离将形成奇数数列：1伽利略，3伽利略，5伽利略，7伽利略……

伽利略给萨尔皮的信中的最后一句话其实是不正确的。1604年，伽利略还认为自由落体速度的增加和自由落体与起始点的距离成正比。很久以后伽利略才认识到，在自由落体过程中，物体速度的增加与下落时间成正比，而不是与距离成正比。也就是说，自由落体5秒钟的物体速度，是自由落体1秒钟的物体速度的5倍。因此，他在后来的《对谈》中正确地断言：“我把从静止开始、在相等时间内增加相同速度的运动，称为匀加速运动。”

这些发现在科学史上的重要性怎么强调都不过分。在亚里士多德物理学中，有些元素（如土和水）的“自然运动”是向下的，也有许多元素（如火）的“自然运动”是向上的，还有一些元素（如空气）的“自然运动”取决于其位置或周围环境。在伽利略看来，地球上唯一的自然运动是向下的（即朝向地球中心运动），所有的物体都是如此。人们观察到有些物体会向上漂浮起来，如水中的气泡，那只是因为密度较高的介质对气泡施加了升力。这与阿基米德最早创立的流体静力学定律的解释相符。我们可以从这些思想中发现牛顿引力理论的一些要素。至于物体为什么会坠落，伽利略没有答案，甚至没有尝试去回答。他将这个问题留给了牛顿。伽利略把精力放在探索“定律”上，或者说，去发现他所认为的自由落体的本质，而不是去寻求自由落体因果关系的解答。

伽利略的思想与亚里士多德的思想在另外一个方面有着根本的不同。亚里士多德这位希腊哲学家的运动理论从未经过任何严谨的实验检验，部分原因是他（以及柏拉图）坚信，揭示自然界真理的正确方法是思考，而不是实验。对亚里士多德来说，理解现象唯一可能的方法就是知道它们的目的。伽利略则巧妙地将实验和推理结合起来。他比其他人更早意识到，要想进步，往往要能够正确地提出问题，而且不能只研究自然运动，还需要在人为环境中做研究（比如让球从斜面滚落）。这标志着现代实验物理学的真正诞生。

在伽利略的新运动理论中，有两个革命性的因素特别突出。²³第一是该定律具有普遍性，即适用于所有加速运动的物体。第二，他扩展了数学定律表述的范畴，从只描述不涉及运动的静止状态（如阿基米德的杠杆定律）到描述运动状态。

转变

在帕多瓦的岁月中，还有一个学科领域对伽利略影响深远。伽利略在力学领域确实获得了丰厚的实验成果，但他为科学观做出的最重要的修正是天文学方面的。如前所述，在名为《论球体或宇宙学》（可能写于16世纪80年代末）的出版物中，伽利略还在描述并似乎谨遵托勒密的地心说系统，甚至没有提到哥白尼的日心说模型。这本书可能反映了大学课程的要求，是辅导学生的教材。伽利略在1597年写的两封信最早表达了他对哥白尼学说日益坚定的信念，证明他的观点已经发生了翻天覆地的变化。

第一封信写于1597年5月30日，这是写给他在比萨的前同事、哲学家雅各布·马佐尼的一封信。²⁴马佐尼刚刚出版了一本题为《论亚里士多德与柏拉图的比较》（On Comparing Aristotle and Plato）的书。他认为，他已经找到了地球不绕太阳运行的证据，从而能够驳倒哥白尼的模型。这个论点以亚里士多德的断言为基础，亚里士多德认为在欧亚交界处的高加索山脉，其山顶在夜晚1/3的时间里能被太阳照亮。马佐尼从这个假设得出了错误的结论：因为哥白尼模型中，位于山顶的观测者（山在地球侧面，没有直面太阳）比在托勒密模型中的观测者（托勒密模型中假定世界的中心是地球的中心）距离世界的中心（即太阳）更远，所以哥白尼模型中的观测者看到的地平线角度应该大于180度，这与实际经验相悖。在给马佐尼的信中，伽利略用精确的三角学证明，地球围绕太阳的运动不会让天穹中可见的部分发生任何变化。伽利略在驳斥了这个挑战他的假说后又补充批评道：“［哥白尼的模型］比亚里士多德和托勒密的观点更可信。”

伽利略的第二封信更明确地表达了他对哥白尼学说的看法。这封信是在约翰内斯·开普勒的书出版之后写的。开普勒这位伟大的德意志天文学家在今天最出名的成就，正是以其名字命名的三大行星运动定律，定律推动了牛顿万有引力定律的诞生。开普勒是一位颇有建树的数学家，一位好思索的形而上学思想家，还是一位多产的作家。他还是个孩子时，就从1577年大彗星的奇观中得到过启发。开普勒曾在图宾根大学学习数学和神学，后来数学家米夏埃尔·麦斯特林（Michael Mästlin）向他介绍了哥白尼理论。开普勒立即被哥白尼的理论折服了，部分可能是因为其观点符合开普勒深刻的宗教信仰——哥白尼认为位于世界的中心的太阳被固定不动的恒星包围，太阳和恒星之间有一段空间。开普勒认为，宇宙是其造物主的反映，太阳、恒星和中间空间的统一象征着神圣的三位一体。

1596年，开普勒出版了一本名为《宇宙的奥秘》（Cosmic Mystery）的书，他在书中提出，5个被称为“柏拉图多面体”（Platonic solid）的规则多面体相互嵌套，形成了太阳系的结构。这5个规则多面体分别是四面体、立方体、八面体、十面体和二十面体。5个多面体加上固定着静止恒星的球面，正好是6个空间，因此开普勒认为他的模型解释了为什么宇宙中存在6颗行星（当时已知的行星只有6颗）。虽然这个模型本身相当疯狂，但开普勒在他的书中确实坚持维护哥白尼的观点，即所有行星都围绕太阳运行。他的错误不在于模型的细节，而在于他假设行星与行星轨道的数量都是基本量，只能用第一性原理来解释。今天我们知道，行星的轨道只是在原太阳星云的条件下偶然出现的结果。

开普勒打算送给意大利天文学家的两本书不知为何来到了伽利略的桌上。1597年8月4日，伽利略只读过序言就给开普勒写了一封信。²⁵他在信中说，他相信哥白尼模型是正确的，而且他成为哥白尼的拥护者已经“好几年了”。他在哥白尼模型中发现了一种方法，能解释地心说所无法解释的许多自然现象。但是伽利略承认他“不敢发表”这些理论，因为哥白尼“显然遭到了嘲笑，被人赶下了台”，这把他吓住了。

开普勒在1597年10月13日的回信中催促伽利略赶快发表支持哥白尼模型的解释，如果不能在意大利发表，那就在德意志发表。然而，伽利略的观点并没有落实在笔头上。他在发表自己认为可靠的结论时，从来不会害羞或犹豫；而他没有付诸行动，就说明当时的他在还没有用望远镜观察的情况下，可能只产生了一些受力学发现启发的直觉猜想。他当时很可能已经在思考如何解释潮汐了，后来由此发展出地球运动的主要论点之一。与马佐尼事件类似，伽利略可能已经直觉感受到，他关于地球运动的观点会遭到驳斥。不过他的消极应对可能也有政治上的考虑，因为那段时期正值欧洲如火如荼的反宗教改革的时代，他身处信奉天主教的意大利，不愿自己表现得好像是路德宗信徒开普勒的盟友。

1604年秋天发生的一件事让伽利略有机会公开发表观点，即使他还不完全支持哥白尼学说的观点，但至少明确地反对了亚里士多德的立场。10月9日，意大利几个城市的天文学家震惊地发现了一颗“新”恒星——一颗“新星”（nova），它在一瞬间变得比天空中所有的星星都要亮。气象学家扬·布鲁诺斯基（Jan Brunowski）于10月10日观测到了这颗新星并通知了开普勒，开普勒由此开始持续近一年的观测，收获颇丰（因此，这个天体今天被称为开普勒超新星）。10月10日，巴德萨·卡普拉与导师西蒙·迈尔（Simon Mayr）以及朋友卡米洛·萨索（Camillo Sasso）一起观察了这颗新星。卡普拉也就是几年后与伽利略为罗盘计算器起争执的那个人。当时，意大利托钵修士兼天文学家伊拉里奥·阿尔托贝利（Ilario Altobelli）通知了伽利略，伽利略于10月下旬首次观测到了这颗“新星”。接着在11月到次年1月之间，他面向大量听众做了三次演讲。伽利略的主要观点很简单：以遥远的恒星为背景来观测这颗“新”恒星，它没有发生位移——这种现象被称为“视差”——所以“新”恒星一定比月球离我们更远。然而，根据亚里士多德的说法，“新星”所在的区域应该是不可侵犯的，不受任何变化的影响。因此，“新”恒星打破了亚里士多德所说恒星天球永恒不变的概念（顺便说一下，我们今天知道，这种现象是一颗古老恒星爆炸消亡的表现，被称为超新星）。

1572年，丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）也曾发现一颗“新”恒星，它也是一颗正在爆炸、消亡的恒星，现在被称为第谷超新星。人们想象中的天球已经开始破裂。伽利略在“解释”新星时又加入了别的因素，但完全是错误的，这或许有些遗憾。他认为，这颗“新”恒星的出现说明从地球喷射出来的“大量蒸气”反射了太阳光，反射的光线越过了月球的轨道。如果这是真的，这将进一步给亚里士多德区别“可降解的地球物质”与“永恒不变的天体物质”的理论造成致命打击。但实际上，伽利略充满幻想的补充完全没有必要，他自己也持怀疑态度。

哥白尼的信徒

1609年之前，伽利略的实验集中在物体朝地球中心坠落的问题上，而从这一年开始，他把注意力转向了天空。

让我们看看这场天体冒险是如何展开的。

1608年末，伽利略的威尼斯朋友保罗·萨尔皮听说有人发明了一种小型望远镜。这种在荷兰发明的光学小仪器可以使远处的物体看起来更近、更大。

萨尔皮意识到这种仪器可能会有些有趣的应用，于是他提醒了伽利略。大约在同一时间，伽利略写信给巴黎的一位朋友，询问这个传闻是否属实。

伽利略在他出版的《星际信使》1中描述了当时的情况

大约10个月前，我听说某个佛兰德人2制造了一个小望远镜，观察者可以通过这个望远镜清晰地看见距离眼睛很远的物体，仿佛它就在眼前。有些人相信这种非凡的体验，有些人拒绝承认。

几天后，可敬的法国人雅克·巴多韦尔从巴黎来信，证实了这一传闻，这使我全心全意地去研究类似仪器的发明方法。我很快就发明出来了，遵循的是折射的基本原理。

这段描述中的最后一句话可能有些误导，它让人们以为伽利略是以光学理论为指导的，但他在这方面的知识其实相当匮乏。实际上，伽利略的方法更偏实验性。

他经历了试验和错误，发现在铅管里放入镜片(一头是平凹的，另一头是平凸的)就能很容易获得放大3~4倍的图像。威尼斯在当时是一个野心勃勃的海上强国，伽利略立即意识到，这种设备让他与威尼斯的元老院谈判工资时能够讨价还价。

(用他的话说“这种设备在威尼斯的所有商业活动中，在海洋或陆地的一切事业中，都具有不可估量的价值。”)因此，他迅速着手学习如何打磨更高质量的镜片，并且尝试不同尺寸的镜片和不同的放置距离。

令人惊讶的是，在不到三周的时间里，他就带着一台8倍望远镜来到威尼斯，准备经由萨尔皮向威尼斯的决策者们展示他口中的“透视镜”(perspicillum)。

伽利略的望远镜能比肉眼更早看到远处的船，这让元老们印象十分深刻。他们起初同意将伽利略的年薪从520斯库多增加到1 000斯库多。

然而令伽利略失望的是，当元老院意识到望远镜并非伽利略的独家发明(尽管他从未如此宣称)，而是在欧洲大陆其他地方已经出现的一种装置，他们将加薪期限改为一年，之后薪资就会固定不变。情况的突变让伽利略感到愤怒，更何况元老们似乎不认为他的望远镜远胜欧洲流行的望远镜。

于是，他将一台望远镜寄给了托斯卡纳大公科西莫·德·美第奇二世，希望获得进入佛罗伦萨宫廷的机会。他的尝试看似不可能成功，但他有理由感到乐观。

伽利略曾在1605—1608年的几个暑期担任科西莫的数学教师，而且正是科西莫的父亲斐迪南·德·美第奇一世(Ferdinando I de' Medici)于1589年任命伽利略担任比萨大学的数学教授。

1609年底，伽利略的研究突飞猛进。仅在当年12月和次年1月，伽利略惊天动地的发现可能就比科学史上的任何一人都多。除此之外，他在1609年11月还想出进一步改良望远镜的方法，让它能够放大15倍。

1610年3月，他的望远镜已经改进到可以放大20倍以上了。他将改进后的设备对准夜空，从观测月球表面开始，到辨析银河中的恒星，再到对木星的卫星产生革命性发现。等他掌握了这些真正令人惊奇的发现后，他就决定立即发表出来，担心其他天文学家可能会抢先公布他已确证的重大真相。

事实上，《星际信使》(图4.1)早在1610年3月13日就于威尼斯出版了。伽利略的母亲离开帕多瓦，立刻就让他的创造力迸发，这可能并不出人意料。朱莉娅·曼纳蒂不仅不支持儿子的研究，还试图说服伽利略的仆人亚历山德罗·皮耶尔桑蒂监视他的主人。

朱莉娅一直怀疑伽利略的情人玛丽娜·甘巴正想方设法说服伽利略减少给母亲的经济支持，要不就是她怀疑玛丽娜会偷走她的亚麻布，于是她雇皮耶尔桑蒂秘密报告这对情人的私房话。这些还不算最过分的，她甚至还让仆人去偷伽利略的望远镜镜片，打算把这些镜片送给她的女婿，也就是伽利略的妹妹弗吉尼亚的丈夫。她认为这是自己感谢女婿的慷慨之举。

幸运的是，皮耶尔桑蒂立即把朱莉娅包藏阴谋的信件交给了伽利略。

图4.1 《星际信使》的扉页

伽利略在那个时候就已经很有政治头脑了，他将《星际信使》献给了托斯卡纳第四代大公科西莫·德·美第奇二世。他甚至想把木星的四颗卫星命名为“美第奇星”。

他说“因为创造星辰的上帝告诫我，要用殿下显赫的名字来称呼这些新行星。”3这些“天赐的”礼物很快产生了令人满意的效果。

1610年6月，伽利略被任命为大公的宫廷哲学家和数学家，同时担任比萨大学的首席数学家，并且没有教学义务。在申请职位时，伽利略坚持要求在他宫廷数学家的职位以外加上“哲学家”的头衔。

他的理由很简单哲学家享有比数学家更高的地位。然而这并不仅仅是一种确认身份地位的渴望

伽利略当时承认，他“学习哲学的年头比学习数学的月份还多”。

许多真正在科学史上有所作为的人有两个显著的特点第一，他们有能力立刻认识到哪些发现可能会产生真正的影响

第二，他们能有效地传播他们的发现，并使他人能够领会。伽利略在这两点上都是高手。

1610年，他变得势不可当在短短一年左右的时间里，他发现了金星的相位，发现了土星奇特的形状，还发现太阳表面有许多变化的移动黑斑。在随后的几年里，他又出版了两本书，首先是1612年出版的《水中浮体对话集》(Discourse on Bodies in Water)，接着是次年出版的《关于太阳黑子及其现象的历史与论证》(History and DemonstrationsConcerning Sunspots and Their Phenomena)。

《星际信使》立即成为畅销书最初印刷的550本很快销售一空。因此，到1611年，伽利略成了欧洲最著名的自然科学家，就连罗马的耶稣会科学家也不得不注意到他。他们在3月29日伽利略到访时表示隆重欢迎。

虽然杰出的天文学家克里斯托弗·克拉维于斯对其中一些观测结果的解释持保留意见，但总的来说，罗马学院的数学家们相信观测本身是准确的，而且结果能证明望远镜揭示的现象是真实的。因此，伽利略受到了教皇保罗五世以及红衣主教马费奥·巴尔贝里尼(Maffeo Barberin)的接见，多年后巴尔贝里尼(已经成为教皇乌尔班八世)在“伽利略事件”中发挥了关键作用。此外，罗马学院前院长红衣主教罗伯托·贝拉尔米内(Roberto Bellarmino)[1]，以及克拉维于斯本人都在伽利略访问罗马期间与他会面，贝拉尔米内甚至与他讨论了一些关于哥白尼天文学的话题。

不过，伽利略结束在罗马的逗留时，贝拉尔米内对托斯卡纳大使说了句不太吉利的话“如果他[伽利略]在这里逗留时间太长，他们[教会官员]难免对他的事有些看法。”只有此事给他的到访留下了一丝阴霾。

伽利略在这次旅行中还获得了另一项荣誉，他被选为费德里科·切西(Federico Cesi)的山猫学会(Accademia dei Lincei)的第六名成员。4这个著名的科学学会是由罗马贵族(后来的夸斯巴达公爵)切西与他的三个朋友于1603年建立的。学会提出一个理想主义目标“不仅要获得事物的知识和智慧，同时要恪守公正虔诚的原则，并且要和平地将知识和智慧以口头与书面的形式展示给世人，而不造成任何伤害。

”学会的名字既代表目光敏锐的山猫，又代表希腊神话中“最敏锐的阿尔戈人”林叩斯(Lynceus)。学会很快就开始吸纳意大利之外的成员。1613年，学会出版了伽利略关于太阳黑子的书，后来又于1623年出版了他的《试金者》(The Assayer)。

伽利略一直以学会会员身份为荣，因此他经常署名“山猫学会的伽利略·伽利雷”。他与切西结缘，不仅因为切西个人的亲和力，还因为他们有相同的坚定信念，认为自古以来人们关于自然世界的许多看法都必须被摒弃。

伽利略第一次向世人展示了天空真正的模样，那么他的奇妙观测究竟是什么样子呢？

宛如地球的表面

1606年，一个名叫林伯托·毛里(Alimberto Mauri)的人出版了一本讽刺读物，他在书中推测(根据肉眼观察所得的推理)，人们看到的月球表面特征说明月球表面被山脉和山周边的平原覆盖。许多科学史家怀疑阿林伯托·毛里其实就是伽利略的笔名。

话虽如此，伽利略有了望远镜之后，终于有机会验证这个猜想了。

事实上，月球是他用望远镜观察的第一个天体。

他看到月球表面布满了坑洼和小的圆形区域，看起来像是陨石坑。这正是他的艺术教育派上用场的时候。

伽利略特别观察了月球的明暗交界线——区分明亮部分与黑暗部分的分界线，并且利用他对光影的富有想象力的理解和对透视的把握，确凿地论证出月球的地形是非常崎岖的。他形容它“崎岖粗糙，布满了凹陷和凸起，宛如地球的表面”。

伽利略画下了令人惊艳的水墨画与蚀刻版画(图4.2和图4.3)，画中阴影部分的光点越靠近明暗交界线就越大。

图4.2 伽利略的月球水墨画，这是他通过望远镜看到的月球

图4.3 伽利略的月球蚀刻版画

这恰如人们所知道的，日出时分，山顶最先被照亮，随后光线从山上蔓延下来，一直抵达黑暗的平原。伽利略估计，光点与明暗交界线的距离约为月球半径的1/10，由此确定该山脉的高度超过4英里[2]。5后来德意志科学家约翰·格奥尔格·布伦格(Johann Georg Brengger)在1610年10月质疑这个数字，他认为月球上的山脉很可能彼此重叠，否则月球的边缘应当是粗糙不平的，而不是光滑的。

伽利略没有给出山脉的精确高度，但他证明自己不仅能看到月球的地貌，而且理论上可以相当准确地估算各种地貌的大小。今天我们知道，月球上最高的山是惠更斯山(Mons Huygens)，高约3.3英里。如果我们比较伽利略描绘的月球表面图与现代望远镜拍摄的月球图像，立刻就能看出他故意夸大了一些要素的尺寸6(比如今天我们所说的尔巴塔尼环形山，见图4.3中下半部分的蚀刻版画)。

他这么做可能是为了强调自己观察到的环形山不同程度的光照与阴影。

伽利略的月球图又一次成功地证明，文艺复兴晚期科学领域与艺术领域互有交错又互相关联。令人有些惊讶的是，当时有一幅名为《飞向埃及》的著名画作，作者是在罗马工作的德意志艺术家亚当·埃尔斯海默(Adam Elsheimer)。

7他在1610年12月就已去世，但他的画中描绘月球的方式竟与伽利略十分相似。事实上，一些艺术史学家甚至推测，埃尔斯海默可能用早期的望远镜观察过月球，这些望远镜可能是他的朋友费德里科·切西给他的。

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在2005年，围绕着《星际信使》和其中艺术插图发生了一件趣闻。当时，一位名叫马里诺·马西莫·德·卡罗(Marino Massimo de Caro)的意大利艺术商人向纽约古董商理查德·兰(Richard Lan)出售了一本非比寻常的《星际信使》。

与通常的蚀刻版画不同，这本书包含了5幅精美的月球水彩画，据推测是伽利略本人所画的。

美国和柏林的专家都证实这本书是真的，兰花了50万美元将其买下。

其中一位专家霍斯特·布雷德坎普(Horst Bredekamp)被样图的美丽深深吸引，于是写了一本关于这个动人发现的书。接着，事情发生了意想不到的反转。

2011年，佐治亚州立大学的文艺复兴史学家尼克·怀尔丁(Nick Wilding)在为布雷德坎普著作的英文版撰写书评时，开始怀疑这本新发现的《星际信使》有些不对劲。长话短说，进一步的研究与调查证明，这本书其实是意大利卖家德·卡罗用精湛技艺造出的赝品。

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伽利略用他对月球的观测结果详细解释了另一个谜题，即月球的第二个光源是什么。围绕这个话题产生过许多错误解释。

观测者们一直感到困惑，即使月球处于蛾眉月状态，月球的暗面也并非一片漆黑，只是有些昏暗。用伽利略的话说“如果我们更仔细地研究这个问题，我们会发现不仅黑暗部分的最边缘闪着淡淡的光亮，而且整个表面……都被不可忽视的光照成了白色。

”10

从前，人们对这一现象有很多解释，从“月球在太阳光下有些许透明”的奇妙看法，到“月球不仅反射太阳光，而且自己本身就发光”的可疑观点。伽利略轻易地否定了所有这些理论，并称其中一些理论“幼稚到不值得回应”。

尽管他明确表示“我将在《世界体系》(System of the World)一书中更详细地论述这个问题”，但他当时还是给了一个十分简明的答案。他认为，正如月球在夜晚为地球提供光亮，地球也照亮了月球的夜晚。

这种现象在今天被称为“地照”。伽利略大概察觉到他的想法会引起亚里士多德忠实信徒的反对，于是他迅速补充了一些澄清内容

这有什么好奇怪的？
地球以平等和感恩的交换，回报月球以光亮，她在最黑暗、最深邃的夜晚，几乎整夜从月球得到的光与这一样多。在[月相的]这个阶段中，在后续的交替变换中，月亮……赐予我们她每月的光辉，时而明亮，时而黯淡。

但地球也会以同样的方式回报这种恩惠。11

1968年12月24日，波罗8号的宇航员比尔·安德斯(Bill Anders)在月球轨道上拍摄了一张被照亮的美丽地球从月球地平线升起的照片(见彩插5)。由于月球与其轨道运动保持同步自转(月球总是用同一面朝向地球)，地球升起的画面只有相对于月球表面运动的观测者才能看到。

伽利略在讨论完他对月球的颠覆性发现后，发表了一篇强有力的声明

我们将在《世界体系》中更详细讨论。有些人将地球排除在星星[行星]的群舞之外，尤其是他们认为地球不会运动，也没有光亮。

书中将通过大量论述和实验向这些人证明，地球会强烈反射太阳光线。我们将证明地球是运动的，而且亮度超过了月球[此处强调为原文所加]，从而证明她不是宇宙中污秽和残渣的垃圾堆。

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伽利略没有在《星际信使》中分析他对月球发现的全部意义——这些内容后来留给了《对话》，但从他的发现中能推理出一些明白无误的结论。

首先，根据亚里士多德的宇宙观(几个世纪以来，亚里士多德的宇宙观与基督教的正统观念紧密地交织在一起)，地球上的物体和天体之间有明显的区别。地球上的一切事物都会变化，会腐朽，可能会被侵蚀，会衰败甚至死亡

而天空应该是完美纯净的、持久而不可改变的。

四种经典元素，即土、水、空气和火，被亚里士多德认为是构成地上一切事物的元素

但天体不同，构成天体的是第五种截然不同的、完美无瑕的物质，被他称为“精华”(quintessence)，这个词按字面意义理解就是“第五种元素”。然而伽利略的观察表明，月球上有山和陨石坑，而且地球能反射太阳光，运动方式与其他行星非常相似。在这个阶段，伽利略还没有证据能证明地球真的在运动，但他宣称“它是可以运动的”就清楚地阐明了哥白尼的观点。

如果月球事实上是固体并与地球类似，而且它围绕地球做轨道运动，那么为什么地球不能像月球一样围绕太阳运动呢？

我们可以想见，这幅关于月球表面和月球在世界中位置的新图景引起了人们强烈的反对。

毕竟，它与《启示录》中超现实的描述形成了鲜明的对比。

《启示录》中说“天上现出大异象来有一个妇人，身披日头，脚踏月亮，头戴十二星的冠冕”。13在对《圣经》的艺术描绘传统中，月亮一直被画成一个完美光滑、没有瑕疵的半透明物体，象征着圣母的完美和纯洁，并且延续了希腊和罗马神话中将月亮人格化为女神的做法。

但伽利略对月球离经叛道的解释只是一个开始。他利用望远镜得到的其他发现，将会给旧宇宙观带来致命一击。

繁星点点

在月球之后，伽利略将他的望远镜对准了夜空中闪耀着光辉的其他光点，也就是恒星，那里也有一些惊喜等待着他。首先，这些恒星与月球(后来还有行星)不同在用望远镜观察时，它们似乎更亮，但并不比肉眼看到时更大。

仅凭这一点，伽利略就得出了正确的结论肉眼观察到的恒星大小并不真实，只是假象。但他不知道，肉眼所见恒星尺寸实际上与恒星的光在地球大气层中的散射和折射有关，而与恒星大小本身无关。

因此，他认为望远镜消除了恒星令人迷惑的“偶然光线”(adventitious irradiation)。然而，他用望远镜也无法看清恒星的样子，所以他推断我们到恒星的距离比我们到行星的距离要远得多。

其次，伽利略发现了几十颗光线微弱的恒星，如果没有望远镜根本看不到。

在靠近猎户座的地方，他数出了不少于500颗恒星

在6颗最明亮的昴星团恒星附近，他又发现了数十颗恒星。

伽利略对天体物理学的未来还有更大的影响。他发现恒星之间的亮度差别很大，有些恒星的亮度是其他的几百倍。

大约3个世纪后，天文学家绘制出了对比恒星亮度与恒星颜色的图表，这些图表展现的规律让人们认识到，恒星本身也在不断演化。它们从气体和尘埃组成的云中诞生，一生都在通过核反应产生能量，能量耗尽后恒星消亡，有时以爆炸结束。

从某种意义上说，这是给亚里士多德的永恒天体观钉上了最后一颗棺材钉。不过，当伽利略把望远镜指向银河时，他得到了关于恒星的最令人惊讶的结果。

那条横贯天空，看似光滑、明亮、神秘的带子，其实是由聚集在一起的无数颗暗淡恒星组成的。14

这些发现对哥白尼学说与托勒密学说的辩论产生了重大影响。在几年前，著名的丹麦天文学家第谷·布拉赫指出，日心说存在一大难题。

他说如果地球真是围绕太阳运行的，那么相隔6个月的两次观测中(地球处于绕日轨道上正相对的两个点)，诸多恒星相对于观测背景应该展示出可测量的位置变化，也就是视差。这就像我们在行驶的火车上透过车窗观察树木，它们看上去在相对于地平线移动一样。

布拉赫认为，要想检测不到这种位移，就必须让恒星处于距离地球非常远的位置。然而在这样的距离下，人们根据肉眼看到的恒星尺寸来估算它们的实际尺寸，会算出一颗恒星的直径甚至比整个太阳系的直径还要大，这似乎不成立。

因此，布拉赫得出结论说，地球不可能围绕太阳运行。相反，他提出了一个经过修改的地心——日心混合体系。

在这个体系中，所有其他行星都围绕太阳运行，但太阳本身围绕地球运行。

伽利略对于不存在视差的现象有个简单得多的解释。正如我们前面所看到的，他认为用肉眼看到的恒星的大小并不代表现实中恒星的实际尺寸，只是假象。

他断言恒星距离地球确实很远，在当时即使用望远镜也无法观测到它们的位置变化。伽利略是对的，要想观测视差，必须要等更高倍率的望远镜发明出来。

直到1806年，意大利天文学家朱塞佩·卡伦德雷利(Giuseppe Calendrelli)才首次观测到恒星视差。1838年，德国天文学家弗里德里希·威廉·贝塞尔(Friedrich Wilhelm Bessel)才首次成功测量出视差的值。

截至2019年，欧洲航天局2013年发射的盖亚空间望远镜已经确定了银河系和附近星系中10多亿颗恒星的视差。

伽利略还否定了布拉赫“折中的”太阳系模型。主要有两个原因。

首先，他认为这个模型非常不真实，用今天的话说，它有“太多运动的部件”。其次，伽利略在随后几年中依靠地球运动来解释潮汐现象(我们将在第七章中讨论)。

因此，他不再接受地球必须处于静止状态的设想。事实证明，伽利略不同意这种混合模型的直觉是正确的。

伽利略对恒星的观测结果与亚里士多德的古老观念大相径庭恒星并不是镶嵌在土星轨道之外固定天球上的星星，它们的尺寸比以前观测到的小得多，数量多到难以计算，而且它们之间亮度的差异和与地球距离的差异都非常大。事实上，这个恒星体系与数学家兼哲学家焦尔达诺·布鲁诺所推测的宇宙构造非常相似。

根据布鲁诺的描述，一个无限的宇宙中存在着多个世界。伽利略很清楚布鲁诺的悲惨结局——他于1600年2月17日被活活烧死，15所以他非常小心地描述和解释他对恒星的观察，甚至后来在《对话》中也是如此。

然而，无论他的描述是否谨慎，伽利略对银河系中遥远恒星的观测，绝对称得上是人类对太阳系外浩瀚宇宙的第一次窥视。

今天我们知道，银河系包含1 000亿~4 000亿颗恒星。

我们主要依据2009年发射的开普勒太空望远镜的最新数据，估计出银河系中可能有多达750亿颗地球大小的行星。

16它们都围绕着类似太阳或更小的恒星运行，处于温度刚好、不冷不热的“宜居带”(Goldilocks zone)上，让这些行星表面能够存在液态水。