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第31章 科学篇(1)

曾经有这样一个人。用他的智慧照亮了。蛮荒的天空,让文明的曙光普照大地。他像一个沉浸在游戏欢乐中的孩子。以至于连死亡的阴影也不能阻挡他探索科学的脚步。

几何学妖怪

(公兀刖287一刖212)

公元前287年,阿基米德出生于地中海中部的西西里岛。现在的西西里,是意大利的领土。而在两千多年前,它却是古希腊的殖民地。随着希腊的衰落,西西里分裂成许多希腊化的小国。位于西西里东部的海港城市叙拉古,当时就是这些小国中的一个。那里便是阿基米德的故乡。

在阿基米德11岁的时候,父亲将他送往埃及深造。埃及有一个港口城市亚历山大,聚集了许多一流的学者和科学家,创造了为举世惊叹的学术思想。此外,城里还有当时世界上最大的图书馆,藏书达70万卷以上,那无疑是一个智慧的大宝库。

阿基米德从11岁去亚历山大学习和工作,直到47岁才回到叙拉古,时间是公元前240年。这时正是他的创造力最旺盛的时期。他被委任为国王的顾问,继续从事数学和力学方面的研究。

阿基米德在为国王的服务中渐渐成为知名的学者。他是第一位计算出圆周率的人。他推算这个值的比率为22:7(约为3,14),后来用希腊字母“Π”表示(取自希腊文“周长”的第一个字母)。他还求出了计算球体、圆柱体和更复杂立方体的体积、表面积和周长的公式。在推算这些公式的过程中,他运用了“穷竭法”(即一种用逐步近似而求极限的方法),从而奠定了现代积分计算的基础,初步具有现代微积分的雏形。

这位天才的伟人对科学发展最突出的贡献是发现了自然界的浮力定律,这一发现还与国王希耶隆有关。希耶隆曾委任一名金匠为他制作一顶纯金的皇冠。皇冠做成后,他想搞清楚这顶皇冠是否掺有其他便宜的金属,如铜银之类的东西。为确定这个问题,他召来阿基米德,让他想办法进行鉴定。阿基米德按传统的方法冥思苦想了很久,仍无计可施。

一天,阿基米德在他做实验的地方洗澡,当他躺进盛满水的澡盆时,盆中的水溢了出来,他意识到是他的身体占了水的位置,水才会从盆中溢出。一瞬间,他顿悟出了检测金冠含金量的方法。因为银或其他金属比金轻,密度也低,所以同样重量的一块合金与纯金相比,体积一定会大些,排水也会多些。通过实验,阿基米德看到皇冠排出的水比相同重量的金排出的水要多。这就证明皇冠体积大,不是纯金做的,而是由掺有其他轻金属的合金做的。通过观察澡盆中水排出的量,阿基米德推断出不同密度的物体排出的水量不同,而此密度取决于物体的重量和体积。重量和体积(相对密度)与浸泡有物体的流体相比,就能确定使物体浮上来的浮力。

阿基米德凭借他的实验,建立了一个参数来确定浮力、船在水中的体积以及升在空中气球的有关原理。这就是著名的阿基米德浮力定律。

阿基米德生活的时期,正值叙拉古卷人迦太基与罗马军队的战争,历史上称为第二次布匿战争。在罗马人侵略叙拉古时,阿基米德发明设计的武器阻挡了敌军的进攻,其中最出名的就是弩炮、组合滑轮和射向敌人的火镜球。这些武器逼得侵略军无法进攻,在海湾整整困了三年,后来才占领了叙拉古。

公元前212年的阿尔米达节(即月亮女神节)那天,叙拉古人沉浸在节日的欢乐之中。就在这时,狡猾的罗马军队竟趁月夜悄悄潜入叙拉古城。第二天破晓,罗马人的军号已在城内响起。叙拉古陷落了。罗马海军统帅马塞拉斯立即派人去找阿基米德。他希望能够摒弃前嫌,利用阿基米德为自己服务。

此时的阿基米德正在海边沙滩上研究一幅几何图形。当寻找他的士兵一脚踏在几何图形上的时候,阿基米德才从沉思中醒来。他愤怒地冲着那个罗马士兵喊道:“滚开,不要弄坏了我的图!”

罗马士兵哪里忍受得了这样的训斥。他后退了一步,拔出剑来,对准了阿基米德的胸口。阿基米德这才知道站在眼前的是自己的敌人。他只得请求罗马士兵给他最后一点时间,让他解完这道几何题,免得给世人留下一道尚未证完的难题。但是,凶残的罗马士兵没有满足这位75岁的老人的最后愿望……

阿基米德的数学著作在8世纪或9世纪被翻译成阿拉伯文,到了16世纪或17世纪,更是产生了巨大影响。阿基米德的数学汪明和描述一方面展示他思想上的巨大勇气和创造力,另一方面也表现出他的极端严谨的治学态度。

阿基米德一生刻苦好学常常废寝忘食。据说他在平素吃饭的对侯还在火盆的灰烬里面画几何图形,边画边思考,有时竟忘了吃饭,古希腊人有用橄榄油擦身的习惯,阿基米德有时擦身时就坐着用油在身上画图形,忘记了原来在做什么事情。正是这种专心致志、刻苦钻研的精神,经年累月的辛勤劳动,使阿基米德成为对人类知识宝库作出可贵贡献的科学家。

前人说:太阳绕着地球转,他却说:地球绕着太阳转。他因此触犯了众人,却把真理握在手里,从而撕破了愚昧的暗夜。

挑战权威的人

——波兰天文学家哥白尼

尼古拉·哥白尼1473年2月19日出生于维斯杜拉河畔的托伦城,父亲原是个商人,后任托伦市长和议员,母亲是当地一位富商的女儿。哥白尼从小喜爱观察天空,10岁时父亲不幸去世,他被送到舅舅家里抚养。舅舅虽是一名教士,但具有人文主义的思想,反对经院哲学的束缚,提倡研究实际。中学时代的哥白尼常随舅舅参加一些人文主义者的聚会,深受其思想熏陶。

1491年,哥白尼以优异的成绩迈进了波兰首都克拉科夫大学的校园。哥白尼在这里度过了四年紧张的大学生活,系统地学习了天文学、数学等自然科学,阅读了大量古典作品,尤其是亚里士多德的作品。克拉科夫大学以其数学和天文学而著称,所以,哥白尼有机会接触到一些知名教授,亲耳聆听他们的富有启迪性的讲座,并与他们探讨有关天文学的问题,这使他逐渐与天文研究结下了不解之缘。

为使哥白尼成为波兰王国出色的神职人员,1496年,舅舅把哥白尼送出国门,到意大利去学“教会法”。可在博洛尼亚大学,哥白尼花费了更多的精力在古希腊的哲学和天文学上。他的天文爱好得到了进一步的发展,他开始着迷于对天体运行的研究,认真观测各种天象,并把观测到的情况记录下来。他根据自己观测的结果,第一次提出了月球是绕地球运转的一颗卫星的说法。他还精心绘制出所观测到的各个星座和行星的确切位置,用以支持自己的说法。在研究中,满怀激情的哥白尼充满信心地认为,研究天文学的目的是追求真理,使人的理性趋于完美;当人们对天文现象进行长期观测后,会进入一个理性的完美境界。后来,教会又资助他在帕多瓦学医,哥白尼获得了宗教法博士学位。这一切都为他以后的研究工作奠定了基础,使他成为文艺复兴运动时期少有的“全才”之一。

大约在1503年秋,哥白尼结束了在国外的学习,回到了波兰。此时的哥白尼已进入了而立之年。在以后的40年里,尽管哥白尼一直担任圣职,而且还做过医生、法律顾问和财政管理人,组织过抵抗十字骑士团侵扰的武装斗争,但他从来没有放弃过一生的最大追求——天文学研究。他孜孜不倦,勇往直前,终于创立了震撼世界的日心地动理论,把人类对宇宙的认识向前推进了一大步。

从1497年到1529年,哥白尼用不同的方式向外界透露了27项重大的观测实例。他以观测的结果来充实、修订自己的理论,并验证它是否正确。他观测的范围包括日食、月食、火星冲日、木星冲日、土星冲日、黄赤交角、春分点移动等。这些观测资料完全证明了他的推论是有根据的。一个震惊世界的伟大论断已经在他胸中形成,那就是:地球不是宇宙的中心,太阳才是宇宙的中心。1502年7月15日至1514年5月1日期间,哥白尼写了一篇《从天体结构导出的天体运行论要释》在挚友中传阅。该文实际上是他的巨著《天体运行论》的大纲。此后,他便着手写《天体运行论》,并用了四个9年的时间校验自己的学说,不断修改和完善这部巨著。直到16世纪40年代初,在他的惟一学生雷蒂库斯和其他挚友的催促下,才将这部手稿送去出版。

时隔十余载,当《天体运行论》几经周折得以出版,并于1543年7月24日送到哥白尼家里时,这位70高龄的科学巨匠在久病的卧榻上已经奄奄一息。他只用冰冷的手抚摸了一下为之奋斗终身的著作,便与世长辞了。

这部巨著被恩格斯誉为“自然科学的独立宣言”,书中揭示了地球决不是世界的中心,而是围绕太阳的一颗普通行星。正是这一点冲破了中世纪的神学教条,根本改变了人们的宇宙观念,引起了自然科学的一场大革命。

哥白尼的天文学思想及其新的宇宙体系,不仅否定了占统治地位近两千年之久的亚里士多德一托勒密学说,而且彻底动摇了宗教教义的基础,使《创世纪》中有关上帝创造世界的描述成为一派胡言。由于他的努力,天文学凭此率先跨进了近代科学的大门。首先提出地球不断绕地自转、又以太阳为中心公转的人并不是哥白尼,而是希腊萨摩斯岛的天文学家阿里斯塔克斯(约公元前310至公元前250年)。他指出昼夜变化是地球自转造成的,季节和气候的变化则是地轴倾斜造成的,并指出太阳比地球大。他的学说为后世天文学铺平了道路。

阿里斯塔克斯还借观察和计算,试图测出太阳和月亮的大小和相对距离。他采用的方法尽管在理论上正确,但缺乏精密的仅器和观测工具,以致计算出来地球与太阳的距离,只比月亮距离远18~20倍,较之正确数字390倍相差很远。

阿里斯塔克斯提出日心说后,一生不断受到各方面的辱骂和指摘,甚至被认为是对神祗的不敬行为。过了1800年,才由哥白尼证实了他的观点正确。

他赶在米开朗基罗去世前三天出生,又在牛顿出生的当天去世,上天似乎故意这样安排,让他连接起一个伟大时代。

大胆的发现者

——意大利科学家伽利略

1564年2月15日,伽利略出生在意大利的比萨。他的父亲是一位潦倒的绅士,对于解各种数学难题具有显著才能。但是,由于高深的数学对于他开设的亚麻布店毫无用处,他拒绝让长子与“无用的科学”有任何关系。生活在失败以及妻子的粗暴狂怒之下的他从音乐中找到了某种安慰,于是就让儿子学琵琶、风琴。

从母亲身上,伽利略继承了语言尖刻、极易发怒的弱点,这些弱点后来使他树敌甚多;从父亲那里,他接受了数学天赋。佛罗伦萨附近的伏伦勃罗萨修道院的牧师们开始了对他的学校教育。他热爱学习生活。13岁时,伽利略给家人写信说他希望将来能从事圣职。老伽利略认为孩子已到了就业年龄,就让他回到了自己的亚麻布店。但他情绪低落,干活无精打采。于是,1581年他17岁时,父亲就送他到比萨大学学医。

正是在伽利略学习的第一年,他接触了柏拉图和亚里士多德的科学哲学思想。但他很快对这些过时的哲学家产生了反感,对教师的逻辑推理提出了质疑,这一态度一直延续到他被任命为比萨大学数学系主任。繁忙的教学工作并没有阻止伽利略引起同事们的反感:这个狂妄无知的人竟敢反对亚里士多德的学说。在传统的物理学原理中,亚里士多德认为:不同重量的物体,在同一高度下落时,它们的速度是不同的;愈重的物体,下落得愈快。伽利略经过多次实验,发现亚里士多德的这个论点是错误的。他认为,如果将两个不同重量的物体,从同一高处下落,只要它们所受空气阻力和风力相同,那么两者将会同时落地。

为了使人们接受他的论点,他在比萨斜塔上做了一次留名历史的试验。1591年的一天,他和一名助手拿着10磅和1磅重的铁球各一个登上了斜塔,他站在斜塔最高层,两手同时松开,这两个轻重悬殊的铁球果然同时落地。他又做了一次实验,结果还是相同。在场观看的人们都十分惊讶,但当时的教授们认为是伽利略在铁球里施行了魔术,不足为凭。为了保证自由落体定律的科学性,伽利略做了大量的实验,最后得出了物体坠落的路程与它经历的时间平方成正比,而与它的重量无关的结论,从而建立了动力学的重要基础理论。然而这次实验的成功并没能改变伽利略的处境,反而受到了更多的妒嫉和排挤。

1593年,愤然离开比萨大学的伽利略被帕多瓦大学聘为数学教授。在帕多瓦大学他继续研究运动理论,在抛体运动的研究方面,伽利略确立了运动的合成原理和独立性原理。他在理论上证明了,平抛物体无论射程多远,从抛出到着陆所用时间都等于从抛射点竖直下落到地面所用的时间。

1609年,一项重要的发明逐渐传遍了整个欧洲。一位荷兰镜片制造商制出了第一架望远镜。当伽利略听到其中所涉及到的光学原理时,他很快就明白了这个望远镜的工作原理,并且自己也亲手制作了一个。同年夏天,伽利略制造出一种望远镜,能将物体放大60倍。

几个月后,不满意的伽利略又制成了一架能够放大1000倍、放近30倍的望远镜,自此伽利略后半生的坎坷随着天体奥秘的展现开始了。在他的望远镜里,月亮既不规则,也不光滑,而是一个与地球很相似的世界,有山谷、盆地还有火山口;他还发现了金星、水星的盈亏现象,以及银河由无数恒星所组成等,这些发现开辟了天文学上的新时代。他还证明了根据木星的卫星位置可以判定海面的地理经度,对航海事业的发展具有实际的意义。1610年,他发现了木星24颗卫星,不久又发现了土星环和太阳黑子,并根据太阳黑子由东向西的移动,断定了太阳的自转。

每次观察到的天空现象,伽利略都要细心地画成图表,并且注上说明。为了把这些天象观察结果公之于众,他写了一本书,取名为《星空使者》(亦译为《星际的信使》)。1610年3月,这本书在威尼斯出版。《星空使者》出版后,立即引起轰动。一个崭新的宇宙观形成了,它不但推翻了亚里士多德的“地球中心说”,而且还有力地支持了哥白尼学说的正确性。人们被他的新发现震惊了,都想一睹为快,初版的500本很快便被抢购一空,要求购买的信从欧洲各地纷纷寄来。《星空使者》的畅销,使伽利略成为与哥伦布相提并论的欧洲著名人物。

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