伽利略的学术成就
伽利略的学术成就
(1) 新的思想和科学研究方法
在伽利略的研究成果得到公认之前,物理学以至整个自然科学只不过是哲学的一个分支,没有取得自己的独立地位,当时,哲学家们束缚在神学和亚里士多德教条的框框里,他们苦思巧辩,得不出符合实际的客观规律,伽利略敢于向传统的权威思想挑战,他不是先臆测事物发生的原因,而是先观察自然现象,由此发现自然规律;他摒弃神学的宇宙观,认为世界是一个有秩序地服从简单规律的整体,要了解大自然,就必须进行系统的实验定量观测,找出他们之间精确的数量关系。
基于这样的新的科学思想,伽利略倡导了数学与实验相结合的研究方法,这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉,也是他对近代科学最重要的贡献。
伽利略的数学模型与实验结合的研究方法,一般来说分为三个步骤:①提取从现象中获得的直观认识的主要部分,用最简单的数学形式表示出来,以建立量的概念;②由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系;③用实验证实这种数量关系,他对落体做匀加速运动规律的研究是最好的说明。
(2) 物理学概念和原理的创新
① 惯性原理和力与加速度的新概念。伽利略第一次提出了惯性概念,并第一次把外力和“引起加速或减速的外部原因”,即运动的改变联系起来,与前述的匀加速运动实验结合在一起,他提出了惯性和加速度这两个全新的概念,以及在重力作用下物体做匀加速运动的全新的运动规律,为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础。
② 运动独立性原理和运动的合成、分解定律。在弹道的研究中,伽利略发现水平与竖直两个方向各具有独立性、互不干涉,但通过平行四边形法则又可合成实际的运动径迹。他从垂直于地面的匀加速运动和水平方向的匀速运动,完整地解释了弹道的抛物线性质,这是运动的合成研究的重大收获,并具有实用意义。 ③ 惯性参考系概念。伽利略用物理学原理为哥白尼的地动学说进行辩解时,应用运动独立性原理通俗地说明了从桅杆顶点掉落到桅杆脚下而不向船尾偏移道理;他又进一步以做匀速直线运动的船舱中物体运动规律不变的著名论述,第一次提出惯性参考系的概念,这一原理被爱因斯坦称为伽利略相对性原理,是狭义相对论的先导。
④ 单摆周期性质的发现。伽利略由观察到教堂悬灯的摆动对摆进行实验研究,发现摆的周期与摆长的平方根成正比,而与振幅大小和摆锤质量无关,这个规律的发现为此后的振动理论和机械计时器件的设计方案建立了基础。
⑤ 光速有限及测量。前人对于光速是否有限从来没有明确的认识,伽利略观察了闪光现象,认为光速是有限的,并设计了测量光速的掩灯方案,但限于当时的实验条件,用这种测量方法实际测到的主要是实验者的反应时间和人手的动作时间,而不是光的行进时间。然而,如果有了明暗变化有规律的光源或高速机械控制的机械的器件代替人手动作,是可以测量到真正的光速的,后来的转动齿轮法、转镜法、变频闪光法等测量光速的方法都借鉴于掩灯方案。
(3) 几种基本物理实验仪器的研究
伽利略不但亲自设计和演示过许多实验,而且亲自研制了不少实验仪器,如:浮力天平、温度计、望远镜。