02　伽利略的科学求索

今天，科学家们使用的方法基于的是过去很长时间以来各种观测研究的成果，这些研究成果可以证实或证伪不同的科学理论——后者与前者同等重要。这需要我们超越对世界的直觉理解。罗马语中用来表达“think”（思考）这一动作的词根“pensum”从拉丁语的动词“weigh”（权衡）演变而来。看来英语使用者也会“权衡”不同的观点。

很多把科学引入现代表述方法的构词法都在17世纪于意大利发展起来，而伽利略在其中扮演了关键角色。他是首先完全领会并推动间接测量（indirect measurements）发展的一批人之一。间接测量使用中间仪器进行测量，以设计以及用实验创建科学理论。此外，伽利略还构想了一系列思想实验，以帮助他建立并逐渐发展自己的理念。

2009年春天访问帕多瓦大学时，我接触了很多伽利略的深刻思想，这些思想从根本上改变了当时的科学观。我访问那里的第一个原因是为参加一场物理学会议，会议的组织者是帕多瓦大学物理学教授法比奥·茨维纳（Fabio Zwirner）；第二个原因是去接受该市“荣誉市民”的称号。我很高兴能和与会的物理学家同侪以及那些受人敬重的“市民”坐在一起，这其中包括史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、史蒂芬·霍金、爱德华·威滕（Edward Witten）。另外，作为福利，我还有一次学习科学发展史的机会。

那次旅行是在2009年，正好是伽利略进行首次天文观测的400周年。帕多瓦城的居民们对此尤为留心，因为伽利略在作出最伟大研究时恰在帕多瓦大学任教。为了纪念他，帕多瓦城（以及比萨、佛罗伦萨、威尼斯这些在伽利略科学生涯中扮演了重要角色的城市）安排了一系列展览与庆典活动，以表达对这位科学家的敬意。物理学家的会议于阿迪纳铁文化中心（Centro Culturale Altinate，也称圣加埃塔诺酒店）的大厅里举行。这座建筑还为一个引人入胜的展览提供了展位，这个展览用来庆祝伽利略对科学不可磨灭的贡献，彰显他在改变以及重新定义现代科学中不可动摇的地位。

我遇到的大多数人都表达了他们对伽利略成就的敬仰以及对现代科学进展的狂热之情。帕多瓦市的市长弗拉维奥·扎诺那多（Flavio Zanonato）对物理学的兴趣及其深厚的物理学知识大大鼓舞了当地的物理学家。作为这座城市的领导者，他不仅出席了我在一次晚宴上作的公开演讲，并参与讨论了一些科学主题，而且在演讲过程中还以一个对大型强子对撞机中载荷流的精彩提问震惊了听众。

作为荣誉市民庆典的一部分，市长扎诺那多亲自授予了我帕多瓦市的荣誉之钥。这个钥匙十分古怪——它看起来像是只存在于电影之中的事物。它很大，通体银质，雕刻精美。我的一位同事看到它时甚至打趣说：“它是从《哈利·波特》的故事中带出来的吗？”它只是一件礼品，并没有开锁的功能，象征着“开启”——不仅意指城市，在我的想象中还指向一个丰饶而有质感的知识之门。

除了这把钥匙之外，帕多瓦大学教授马西米拉·巴尔多-秋林（Massimilla Baldo-Ceolin）还授予了我威尼斯纪念奖（也称奥赛拉奖[osella]）。奖牌上面用意大利文铭刻了伽利略的名言，这句名言同样被刻在帕多瓦大学物理系的墙上：

我认为哪怕脚踏实地地找出物质的一点真相，也比高谈阔论那些于现实毫无意义的空想更有价值。

我和与会的同侪们分享了这句名言，因为这句话确实就像一个指导原则。创造性的进展总是始于简单问题。并非我们回答的每一个问题都具有明确的意义，然而即便看起来十分缓慢的进步，也时而会给我们的理解带来翻天覆地的变化。

本章将要介绍，现代测量及技术如何萌芽于17世纪时发展起来的一系列事物，以及那时发展起来的基础理念是如何帮助我们理解今日的理论以及所使用的实验方法的。过去的400年间，一些大问题会反复被科学家们提及，而随着理论与技术的飞速发展，一些小问题反而发生了巨大的变化与发展。

科学时代的来临

科学家格物穷理的过程正是他们对跨过已知领域与未知领域界线的一种尝试。任何时候，我们都是从一个包含了能预测目前可测量现象的规则与方程的集合出发的，但我们又总是试图进入当下实验尚不能触及的领域之中。应用数学理论与技术，我们可以系统地处理一些问题，而这些问题在过去纯粹是出于信仰或者投机而提出的主题。随着更多、更好的观测结果以及被崭新测量方式改良过的理论框架的建立，科学家们得以更加全面地理解这个世界。

当我流连于帕多瓦以及其他那些伽利略留下过足迹的邦城之间时，我更好地理解了他在发展上述思维方式中不可替代的地位。斯科罗维尼礼拜堂（Scrovegni Chapel）——就是从14世纪初期开始陈列“欧洲绘画之父”乔托（Giotto di Bondone）壁画的地方，正是这些地点中最著名的一个。这些画值得被人们注意的理由有很多，但其中最让科学家们关心的是，《博士来拜》（Adoration of the Magi）一画活灵活现地描绘了1301年被人们观测到的哈雷彗星，不得不说这是个奇迹（见图2-1）。在那幅画的创作时期，哈雷彗星是肉眼可见的！

不过，那些画面并不科学。我的导游指着拉久内宫（Palazzo della Ragione）中一幅关于星际景象的画告诉我们，她最初被告知那是银河系，而后来一位经验丰富的导游向她解释，这是由于时代局限而导致的错误理解。在这些作品的创作时期，画家们仅仅会画出他们之所见。那确实是一幅布满了星星的画面，然而与我们的星系却没有半点关系。我们今日所了解的科学在那个时代还没有诞生。

实验观测与思想实验

在伽利略之前，科学依赖于未经仔细考量的测量结果与纯粹的思辨。亚里士多德所发展的“科学”是人们试图理解世界的一种典型方式。数学可以进行逻辑推导，然而那些隐含其中的公理要么被人们无条件地相信，要么由直接的观测得来。

伽利略明确地摒弃了把研究建立在“论文的世界”（mondo di carta）里的想法，他希望研读并学习“自然之书”（libro della natura）。为此，伽利略改进了自己的观测方法，并认识到了实验的力量。他明白了如何构建及使用某些人工环境进而推导出物理定律的本质。通过实验手段，伽利略得以证实以及证伪他能（以数学手段）证明的一系列有关自然本质的假说。而证实与证伪这两个过程同等重要。

伽利略的一些实验使用了斜面，这些斜面非常重要，它们会经常出现在所有基础物理学考试之中。对伽利略来说，斜面并不只是一些教师炮制的课堂问题——正如物理学初学者所理解的一样。事实上，它是一种研究自由落体速度的方法，这种方法延长了物体运动的水平距离，所以伽利略可以精细地测量它们是如何“下落”的。他使用水时计来计量时间，还聪明地在一些特殊时间点加入小铃铛，这使他得以利用自己的音乐天赋来判断球从斜面上滚下来时的速度（见图2-2）。通过这些有关运动和引力的实验，伽利略、开普勒与笛卡儿共同为经典机械定律打下了坚实的基础，而这些定律在后世由牛顿发扬光大。

一个有趣的历史巧合是，牛顿出生于伽利略逝世的次年（如霍金在一次演讲中所言，对自己的生日正好在牛顿诞辰300年之后这一点，他感到很高兴）。牛顿作为最伟大的物理学家之一，既传承了之前的科学思想，又把它们发扬光大。设计思想实验与真实实验、理解它们并了解其局限性的传统方法，为今日的科学家们所继承，不论他们生于何日。依赖于尖端技术的现代实验更加精细，这种为了证实或证伪基于假说的预测来制造仪器的理念，明确了今日的科学及其研究方法。

将望远镜对向太空

除了实验，即用来测试其假说的人造条件之外，伽利略另外一个最终改变了科学发展命运的巨大贡献，是对技术潜力的理解与推崇。它的出现使人类对宇宙的观测手段变得越发先进。通过实验，我们可以超越纯粹的推理与思辨；而使用新仪器，我们可以对实验结果去芜存菁。

在科学发展早期，人们依靠感官观察结果。他们凭感觉与触觉目测事物，而不是使用间接的中间仪器以获得那些与直觉不同的客观事实。天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）在大量天文数据之中发现了一颗超新星，并精确测量了行星的轨道，这是伽利略登上历史舞台之前最后一个著名的天文学观测结果。第谷在测量时确实使用了一些精密的仪器，比如巨大的四分仪、六分仪以及浑天仪。第谷亲自设计、制造了比前人所制精确度更高的仪器，并得出精确的观测数据，而这些数据让他的弟子开普勒得以推断出行星的运行轨道是椭圆形的。然而，尽管第谷的观测十分细致，但是这些观测却都是通过肉眼进行的，根本没有用到透镜或者其他仪器。

值得注意的是，伽利略对艺术有着极高的洞察力——毕竟他是一位音乐家的儿子，家学渊源。但是即便如此，他也意识到了，使用技术手段作为观测的中间步骤会使他本来已经极具天赋的耳目发挥更大作用。伽利略坚信，借助观测仪器在各种尺度上完成的非直接测量取得的结果，远远超越了那些仅靠感官获得的结果。

伽利略对技术最广为人知的贡献，是他应用望远镜观测恒星的创举。他使用这种仪器改变了我们见科学、见宇宙、见自我的方式。

然而，望远镜并非由伽利略发明，而是于1608年由荷兰的汉斯·利伯希（Hans Lippershey）发明。不过这位荷兰人发明它是为了偷窥，因此这个发明在当时又被称作“偷窥镜”。伽利略是第一个意识到这个仪器潜力的人——有了这个仪器，人就可以不再依赖肉眼观测宇宙了。伽利略参照荷兰发明的“偷窥镜”原型，把它升级为了一台放大倍数为20倍的望远镜——这个发明在出现后的一年内一直被当作节日庆典上的玩具，是伽利略把它变成了一台科学仪器。

伽利略使用间接的中间仪器辅助测量的开天辟地之举是对以往测量手段的彻底抛弃。它开近代测量方法之先河，并且代表着所有近代科学必不可少的关键进程。人们最初对这种非直接测量有所怀疑。时至今日，仍然有怀疑者质疑大型质子对撞机中的现象，以及卫星或望远镜上计算机中所记录的数据的真实性。但是这些被仪器所记载的数据中，每一比特数据都与我们能直接看到的东西一样精确，从某些方面上来讲，甚至比直接所见的事物更加精确。毕竟，我们的听觉源于作用在耳鼓上的空气的振动，视觉源于作用在视网膜上的电磁波，这些作用最终被大脑加工而形成感觉。这意味着人体也是一种技术的呈现方式——而人体并不可靠，相信所有体验过光学错觉的人都会支持这一观点（例子见图2-3）。科学测量的美妙之处在于，我们可以明白无误地推断出物理实在性的方方面面，包括基本粒子的本质及其特征。这些目的要通过一些实验来达到，例如今日的物理学家们使用大型而精确的探测器所进行的实验。

怀疑抽象结论、相信眼见为实是出于人的本能，而科学给我们上了一课，告诉我们如何超越这种人类与生俱来的倾向。使用自己设计的仪器进行测量要比肉眼观测更值得信赖，而且我们可以通过多次重复实验的方法来核实、改进它。

1611年，教会通过了关于承认间接测量有效性的决议。如汤姆·列文森（Tom Levenson）在其著作《以尺量尺》（Measure for Measure）^[1]中所提到的，教会的科学事务当权者们必须确定望远镜的观测结果是否值得信赖。红衣主教罗伯特·贝拉明（Robert Bellarmine）推动教会学者们来决议这个话题，1611年3月24日，教会的4名首席数学家一致认为伽利略的发现是有效的——望远镜的观测结果精确且值得信赖。

帕多瓦大学赠送给我的另一枚黄铜纪念章之上，精美地镌刻着伽利略核心思想的本质。其中一面是介绍1609年，伽利略向当时的威尼斯政府机构以及总督李奥纳多·多纳（Leonardo Dona）介绍望远镜的画面；另一面是一段致辞，大意是：这个事件“标志着近代天文望远镜的诞生”，开启了“人类向地球之外星空探索的革命性事业”，是“跨越天文学时代的一个历史性时刻，使它成为近代科学的起点”。

伽利略对观测方式的贡献直接导致了后续一系列爆炸性的科学进展。在他不断仰望星空的过程中，伽利略发现了肉眼所不能及的一些新事物。比如，他发现了昴星团（Pleiades）以及茫茫星空中一系列人们从未见过的恒星，它们散布在我们已知的亮度更高的恒星之间。1610年，他在《星辰信使》（Starry Messenger）中发表了观测结果，这本书于6个星期之内匆匆写就。在印刷工人处理他手稿的时候，伽利略匆匆完成了研究工作，并且希望作为首位出版有关望远镜书籍的人，得到时为意大利托斯卡纳区（Tuscany）大公科西莫二世·德·美第奇（Cosimo II de’Medici）的关注与支持——这位大公是当时意大利最富有的家族中的一员。

伽利略那见解深刻的观测手段，促使一系列科学成就如雨后春笋般地涌现出来。他采用不同的看待问题的方式，即关注“如何做”而非“为何”。那些只有通过望远镜才能发现的观测细节，让他得出了一些激怒罗马教廷的推论。这些结果使他确信哥白尼的理论是正确的。于伽利略而言，唯一能支持他所有观测结果的世界图景必须建立在如下宇宙学假设之上：太阳而非地球才是我们所处星系的中心，而所有已知行星都围绕着太阳公转。

对木星卫星的观测在这些观测中是最重要的。伽利略观测到，这些卫星时隐时现，在其轨道上围绕木星这颗巨行星公转。在获得这个发现之前，地球固定不动似乎是唯一能解释为什么月球的公转轨道恒定不变的假说。对木星卫星观测的发现意味着，即便木星（相对地球）是运动着的，也并不妨碍它的卫星绕之公转。这便为地球可能处于运动状态，甚至以一个独立的天体为中心在公转，提供了可能性。这些可能现象最终被牛顿的万有引力理论及其对天体之间引力的预测所解释。

为了表达对科西莫二世·德·美第奇的敬意，伽利略给木星的卫星命名为“美第奇星”，而前者在不久之后进一步阐述了他对资助的理解——这也是近代科学的一个关键方面。美第奇家族确实决定了支持伽利略的研究。然而，在伽利略被佛罗伦萨城授予终生资助对象不久之后，那些卫星被重新命名为“伽利略星”，以表达对其发现者伽利略的敬意。

艺术史学家约瑟夫·柯纳（Joseph Koerner）向我解释，伽利略的艺术背景使他能够根据光线和阴影来分辨月球上的环形山。伽利略受过的有关透视画法的训练，使他得以理解他所看到的那些突起物。即使它们并非完整的三维图景，伽利略也立即意识到了这些图景背后的意义。他并非意在绘制月表地图，而是想弄清楚月球的结构；而当看到这些图案的时候，他立即就理解了。

支持哥白尼论断第三重要的结论是对金星方位的观测，如图2-4所示。这些观测结果对于断定天体是否围绕太阳运行极为重要。从这个意义而言，地球与其他行星没什么两样——金星显然并不围绕地球公转。

从天文学的角度来看，地球并不特殊。其他行星与地球一样，像卫星围绕着它们转动一样，各自围绕太阳公转。此外，即便是地球之外的事物也并非完美无缺。地球的“缺憾”显然是人类刻意丑化的结果。伽利略发现，即便是太阳也有“污点”——太阳黑子。

探秘微观世界

伽利略对宇宙在大尺度上的观测与推理的贡献人所共知，而这还不足以描绘他的全部，他也彻底提升了我们对小尺度上事物的认知能力。伽利略意识到，中间仪器可以如其在大尺度上的作为一样，向我们揭示小尺度上的现象，由此他在两个领域内各自拓展了其边疆。在他著名的天文学研究之外，伽利略还继续发展了其技术以探索微观世界。

我在帕多瓦城圣加埃塔诺展览的向导是一位年轻的意大利物理学家米歇尔·多罗（Michele Doro），当他肯定地告诉我是伽利略发明了显微镜时，我感到一丝惊奇。

我得说，在意大利之外，大家普遍认为显微镜由荷兰人发明，争论之处仅在于发明者到底是汉斯·利伯希还是扎卡赖亚斯·詹森（Zacharias Janssen）或其父亲。望远镜到底是不是由伽利略发明的无关紧要（实际上几乎不可能由他发明），而显微镜确实是由他发明构造，并使用它来观测微小尺度上的事物。有了它，我们自此可以在以前所不能达到的精度上观察昆虫。

从他写给朋友与同行们的信件中，我们了解到伽利略是第一个写下有关显微镜细节及其潜力的人。这个展览展出了记载着应用伽利略的显微镜可以观察到事物的第一本出版物——这要追溯到1630年，弗朗西斯科·斯泰卢蒂（Francesco Stelluti）对蜜蜂进行的详尽研究。

这个展览还指出了，伽利略研究过骨骼，探究了在尺度发生变化的情况下，它们的结构特性会发生什么改变。显然，在他的各种其他洞见之外，伽利略还明确地知道了尺度的重要性。

总之，这个展览确信无疑地展现了伽利略对科学方法与目标的理解——定量研究、可预测性、试图描述确定事物的概念性框架，这些都以精确的规律为指导原则。当这些规则可以提供经过充分验证的对世界的预测时，它们就可以用来预测未知现象。科学家们试图找到能解释所有观测现象的最合理理论。

哥白尼革命恰当地表现了这一点。在伽利略的时代，伟大的观测天文学家第谷·布拉赫出于对太阳系本质的错误理解，作出了不同于伽利略的错误论断。他支持的是一种古怪的、托勒密体系与新体系的混杂学说，即地球是宇宙的中心，但是其他行星按照哥白尼系统的方式围绕太阳公转（图2-5是一个对比）。第谷体系的宇宙学以观测为基础，但它却不能作出最恰当的解释。比起伽利略的观念，它更符合耶稣会信仰者的图景，因为第谷理论的前提就是地球静止不动——而这正是为托勒密理论所支持、伽利略的观测结果所反对的。

伽利略意识到，第谷的解释缺乏宏观考虑，并走上了最为正确的道路。牛顿的夙敌罗伯特·胡克后来注意到，哥白尼体系与第谷体系都符合伽利略的数据，“但从追求世界之美与和谐的角度来看，我们不得不信奉哥白尼的论点”^[2]，这听起来确实更加简洁优美。伽利略追求理论美感的天性使他获得了正确的结论，当牛顿的万有引力定律解释了哥白尼设定的一致性，并预测了行星轨道的时候，伽利略的猜想也最终被证实了。第谷与托勒密的理论终于被终结了——它们是错误的理论，两人的理论都没有被后来的理论所吸纳。与有效理论的情况不同，这些非哥白尼解释并不能作为任何正确理论的近似。

第谷理论的失败之处在于，它在最初的科学解释中引入了过多的个人主观标准，而这是错误的做法。牛顿力学改变了这种思维方式。科学研究涉及对包含着观测到的结构与相互作用的底层理论及原则的探索。当我们积累了足够多的观测数据时，一个能合理容纳这些观测结果，并能成功预测基础框架的理论就会胜出。在任何时候，逻辑的作用都是有限的——一些粒子物理学家痛苦地意识到，只有我们正在苦苦等待的那些实验数据，才能最终决定哪些描述宇宙基础本质的理论是正确的。

今天，我们能够更加自由地思考。随着对宇宙的深入探索以及对可能存在的额外维度与平行宇宙（alternative universes）理论的提出，我们从哥白尼革命出发，并将它发扬光大。随着新理念的提出，人类都越发谦卑，不再以自我为中心。我们的猜想最终要由实验与观测来证实或者证伪。

伽利略引入的间接观测方法，让我们今天能在大型强子对撞机精巧的仪器中看到激动人心的结果。帕多瓦展览最后的环节描述了科学演化到现代的历史进程，甚至介绍了一些有关大型强子对撞机实验的零星片段。我们的向导承认，在这个过程中他完全被弄迷糊了，直到他意识到大型强子对撞机是今天人类发明的、能够探索最小未知尺度的显微镜。

即使今天我们已经能在极高的精确度上进行实验、建立理论，伽利略对如何设计与解释实验的真知灼见，依旧如洪钟大吕一般在我们的耳旁回响。他的遗泽，那些使用仪器以观测肉眼所不能见的对象，以及他对如何正确使用科学方法的洞见，即以实验来证实或证伪科学理念的方式，至今依旧让我们深深受惠。帕多瓦会议的与会者们在思索，近期将要作出的重大发现以及它们的意义是什么，我们似乎看到了跨越崭新的科学门槛的一道曙光。总之，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。