13.6.1 伽利略的科学实验

伽利略的科学实验

⼀、知识点

1、伽利略：

伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564年2月15日－1642年1月8日），意大利物理学家、数学家、天文学家及哲学家，科学革命中的重要人物。其成就包括改进望远镜和其所带来的天文观测，以及支持哥白尼的日心说。伽利略做实验证明，感受到引力的物体并不是呈匀速运动，而是呈加速度运动；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匀速运动状态不变。他的工作，为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。1609年8月21日，伽利略展示了人类历史上第一架按照科学原理制造出来的望远镜。1642年1月8日卒于比萨。伽利略被誉为“现代观测天文学之父” 、“现代物理学之父” 、“科学之父” 及“现代科学之父”。

2、重力加速度：

重力加速度g的方向总是竖直向下的。在同一地区的同一高度，任何物体的重力加速度都是相同的。重力加速度的数值随海拔高度增大而减小。当物体距地面高度远远小于地球半径时，g变化不大。而离地面高度较大时，重力加速度g数值显著减小，此时不能认为g为常数。

3、培根：

弗朗西斯·培根（Francis Bacon,1561年1月22日-1626年4月9日） 英国近代 唯物主义 哲学家、思想家和科学家，被 马克思称为“英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖”。生 于贵族家庭，是掌玺大臣和大法官（王国最高法律官职）古拉斯·培根爵士的幼子。后于1618也成为了大法官。晚年脱离政治活动，专门从事科学和 哲学研究。他是 新贵族的思想代表，反对 君主权神授和君权无限，主张限制王权；拥护清教主张改革，但反对革命。他对 中世纪的经院哲学，提出必须清除它给人们造成的错误认识和偏见（他称之为假相），以便给认识和科学扫清道路。他继承了古代唯物主义传统，承认 自然界是物质的，认为构成一切事物的最小单位是真正的 分子，即事物的简单性质，它是有限的不变的。千差万别的事物都是由它的不同排列和组合构成的。运动是物质固有的最重要的特性，运动是有规律的，其形式是多样的。他称事物运动的规律和规定性为形式。科学的任务就是发现形式，从而获得行动上的自由，以便征服自然。提出“知识就是力量”的 口号。他提出唯物主义经验论的基本原则，认为感觉是认识的开端，它是完全可靠的，是一切知识的泉源。他重视科学实验在认识中的作用，认为必须借助于实验，才能弥补 感官的不足，深入揭露自然的奥迷。他重视归纳法，强调它的作用和意义，认为它是唯一正确的方法，但它否定了演绎法的作用是片面的。他把 自然科学中孤立静止的研究方法移植到哲学上来，造成了 欧洲近代哲学所特有的局限性。他的哲学具有神学的不彻底性，他主张双重真理，承认 上帝存在和灵魂不死等 宗教教条。他的唯物主义哲学对近代哲学的发展有很大影响。主要 著作有：《新工具》、 《学术的进步》 、 《新大西岛》 、《亨利七世本纪》等。代表作《新工具》，在近代哲学史上具有划时代的意义和广泛的影响，哲学家由此把它看成是从古代唯物论向近代唯物论转变的 先驱。

4、比萨斜塔：

比萨斜塔（Torre pendente diPisaTorre di Pisa），位于意大利托斯卡纳省比萨城北面的奇迹广场比萨大教堂的后面。建造于1173年8月，是意大利比萨城大教堂的独立式钟楼。

比萨斜塔外墙面均为乳白色大理石砌成，各自相对独立但又形成统一罗马式建筑风格。

比萨斜塔从地基到塔顶高58.36米，从地面到塔顶高55米，钟楼墙体在地面上的宽度是4.09米，在塔顶宽2.48米，总重约14453吨，重心在地基上方22.6米处。圆形地基面积为285平方米，对地面的平均压强为497千帕。倾斜角度3.99度，偏离地基外沿2.5米，顶层突出4.5米。1174年首次发现倾斜。

二、金句/精华笔记

1、我们确实通过感性自觉获得了一份观察的经验，我们对这观测经验不能停留在这个经验上。我们对它进行数学思考就是数学分析，分析就是排除一切不相干的因素。

2、迪卡尔提出了数学理性的原则，对自然界的研究，用我们本有的数学理性去研究它。笛卡儿相信理性的先验性，比如说在空间的位置和量的关系的讨论中，也有先天的理性，那就是数学理性。

三、全文逐字稿

课程文稿

我们知道了现代西方科学的技术原则，我们具体来看一看，它如何体现这条技术原则。

我们就拿伽利略来做典型的例子，伽利略完全可以被称为近现代的西方物理学之父，他是西方科学发展的转折点上的一个人物，在这一点上他比牛顿重要。

这第12讲的第2点，就是这样一个标题：数学理性与实验原则的结合。数学理性与实验原则的结合，这个结合的典型代表，（就是）伽利略的科学实验。

我们知道在西方近代哲学史的开端处有一位人物很重要，那是笛卡尔。还有一位人物其实也相当重要，（是）英国的培根，弗朗西斯·培根。

中国人恐怕对培根也是有所了解的，我们在新华书店的橱窗上每每看到这样一句话：知识就是力量。知识就是力量这句话就是培根说的。

那么培根跟笛卡尔不同在哪里呢？笛卡尔提出了数学理性的原则，对自然界的研究，用我们本有的数学理性去研究它，笛卡尔相信理性的先验性。比如说在空间的位置和量的关系的讨论中也有先天的理性，那就是数学理性。

笛卡尔本来自身就是个数学家，然后他思考哲学问题，觉得哲学论要能够成立为一门真理的学问的话，必须像数学那样从自明性的公理出发，然后推出一系列的定理和推论。这位同时是数学家的笛卡尔，在哲学的领域里边，关于自然知识的形成他提出了数学理性的原则。

笛卡尔在数学上的贡献我们也知道，我们别的不说，（比如）笛卡尔坐标系，我们在中学里就学过了。

一个自然状态，无论是静止的还是运动的，都应当放到由x和y轴构成的那个坐标系里去，然后表明它的位置，如果它运动，那个（运动轨迹的）曲线就画出来了。

笛卡尔为近现代自然科学提供了数学的原则，而培根主张的是实验。从经验的基础上进行归纳，那么经验首先来自观察，在观察的基础上小心翼翼地归纳出普遍的科学原理。

培根就提出了这样一种科学研究的新方法：归纳的原则——从大量的、个别的经验当中发现普遍的规律，这叫实验原则的确认。

在伽利略作为物理学家之前，这两个原则彼此对立。

一部分人信奉了笛卡尔的原则，只用数学的理性思考自然状态，但遗忘了实验的重要性。那么另一部分认为，我们就是在小心翼翼地寻找一条又一条个别的观察经验，试图把它上升为一般的理论，那么这批人就站在培根的实验原则的立场上。

现在来了一位伽利略了，他第一次做到了这两个原则的结合，这两种原则就是两种兴趣。实验的原则就是对自然物进行经验观察的兴趣。数学理性的原则就是对自然状态进行理性构造的兴趣。一个叫经验观察的兴趣，一个是理性构造的兴趣。这两种兴趣现在在伽利略身上结合起来了，他同时具备这两种兴趣。

我们都知道伽利略做过一系列实验，（比如）非常有名的叫比萨斜塔。在比萨斜塔上把两个铁球放下去，做一个实验。不管这两个铁球，它们重量有多大的差别，一块铁球很小很轻，另一块铁球很大很重，伽利略说它们应当是同时落地的，并不是重的铁球落地要比轻的铁球快，率先落地，不，它们一定同时落地。信不信，实验一下试试看，于是那个著名的比萨斜塔上的实验就来了。

这里边有个实验兴趣起作用了：经验观察。

对自由落体运动进行观察，这是个感性知觉的活动，发现它们果然同时落地。但这只是一个感性知觉的活动，它同时应当是一种数学思考的活动。要把这两种活动结合起来，对自由落体运动的观察同时应该又是思考，要结合感性知觉，跟数学思考结合。

从后一个方面来看，假如我们对自由落体运动进行数学思考的话，我们先要排除一些因素，排除哪些因素？排除自由落体的其它各种属性。比如说其中一种属性，就是重量的差别，重量比较大，重量比较小，这种属性也排除掉。这个自由落体是用哪些化学成分构造的，也把它排除。

比方说一片鹅毛跟一块石头，是两种不同的化学物质，也把这些因素属性都排除掉。排除了完了以后如何对它进行数学思考呢？就是仅仅去研究自由落体在下降过程中——第一自由落体，什么叫自由落体？没有任何外力来干扰它，它只受一个力的作用：重力。你不能干扰它，那叫自由落体——它在自由下降的过程中，只思考两个因素：一个是位置，一个是时间。

这时把其他因素都清洗的那么干净，只剩下两个因素了，一个是position（位置），一个是time（时间）。你把它记录下来，从高处往地面，落体自由下降都在不同的时间有不同的位置，离地面多高多远，还有两米或者还有半米，这个位置可以确定。

比如说比萨斜塔的顶部，自由下降的那个落体到了离地面还有一米的距离的时候已经落了多少时间，可以测量，可以计算到比如几分几秒，比如说离地面只有一米的位置了，然后只有半米的位置这个时间，下降所花去的时间也能计算。

好，分别给出不同的位置和不同的时间，在不同的位置上对应着不同的时间，把这两者的数量关系思考一下，判断一下。

数学思考是什么？让自由落体的位置去指示它运动花了多少时间，这叫“使位置指示时间”，同时又让时间来指示它的位置。你做到这一点，一个数字就来了，叫“重力加速度”，重力加速度就是这么确定的。

在讨论自由落体的下降运动的时候，终于发现了重力加速度。重力加速度怎么确定的？在不同的位置上用位置指示时间，反过来又让时间来指示位置，你就算出一个重力加速度。

重力加速度跟这个自由落体的其他属性一点关系都没有，一片羽毛和一块铁球重量不同，化学物质的构成也不同，但是我们把这些全撇开了，重力加速度是一致的。

后来我们就在想，羽毛肯定要慢慢地飘落到地面上去，这是什么缘故？空气的浮力。我们把空气的浮力也清洗掉，它一定跟铁球同时落地嘛。我们在思想中是可以把它取消掉的，一片羽毛被空气的浮力所托住的这个因素拿掉。

所以重力加速度是适合于一些自由落体的，它来自用位置指示时间和用时间指示位置。这是一个典范，是对一个被观察到的经验进行数学思考的典范。

我们确实通过感性知觉获得了一份观察的经验，我们对这观察经验不能停留在这个经验上。我们对它进行数学思考，数学思考就是数学分析，分析就是排除一切不相干的因素。于是自由落体定律发现了，它的成果就是重力加速度，确定了叫G，用G来表达，学过物理学（知道）G就是重力加速度。

我们以伽利略做例子，我们看到了定量的实验可以与数学论证相结合，实验一定是定量的展开的，任何实验的过程和实验的结果都应当被量化地描述，这叫定量实验。

定量实验就为数学论证提供了基础，于是科学定律就来了。

伽利略的物理学是定量实验与数学论证相结合的典范，因此他就是近代物理学之父。

伽利略物理学，他的一个方面的思想源头在哪里？古希腊，毕达哥拉斯的数学宇宙论。

所以伽利略物理学是古希腊数学宇宙论的复兴，他复兴了毕达格拉斯学派的宇宙论，但这种复兴是用什么方式来复兴的？是用数学与实验相结合的方式来完成了这一复兴。毕达克拉斯学派的数学的宇宙观再度在近现代回响起来，回响在科学的上空，他（伽利略）用他的物理学的理论倡导了用数学公式表述自然规律。

这件事情意义很大。什么意义？伽利略使实验科学发展为严密科学。假如只是在培根的原则上去增进自然知识，他当然是实验科学，培根要求观察、实验，但实验科学成为严密科学是靠了伽利略，如何严密？把数学认证用来讨论定量实验的结果。

伽利略的物理学为牛顿物理学做了准备。