望远镜发明之前，人们只能凭借肉眼观察和理解可见天空中的现象。那么，16、17世纪的四个人——分属不同的民族、年代、宗教和阶级的哥白尼、第谷、开普勒及伽利略——又是如何协作得出地球绕太阳旋转的结论的呢？

伽利略，意大利物理学家及天文学家。他是科学革命的先锋，并启发了日后英国物理学家牛顿。在天文学方面，他的主要贡献在于将望远镜应用在观察天象方面，透过望远镜，他发现了月球上的山脉、峡谷和陨石坑，最大的四个木星卫星，金星的相变和太阳黑子。在物理学方面，伽利略发现了主宰对象下坠及抛物线的定律。在文化史上，伽利略亦成为了与权威斗争、争取探索真理自由的象征。

今天，通过《地球的天空 : 哥白尼、第谷、开普勒和伽利略如何发现现代世界》一书，来看看伽利略是怎样发现自由落体定律和潮汐理论的吧。

《地球的天空》

向上离开穹顶

东西为何会掉落？当然，这个过程一开始是缓慢的，然后越来越快，但我们根本不清楚掉落发生的具体时刻，更别提掉落的实际轨迹及其原因。

伽利略的一生都致力于回答上述问题。

他在书房中想出了答案，这里离制图师的工作室很近。工作室里面放了一些小木块和他全部的木工工具，比如一端系有重物的测量长度的羊肠线、小巧的黄铜球和成卷的羊皮纸，最重要的则是用于记录和分析的羽毛笔和墨水。伽利略是一位极度细致的研究者，甚至有点儿过了头。及至中年，他还几乎没发表什么作品。朋友间流传着一个玩笑，他与人合写了一部描写新星的垃圾书斋剧，但选择了匿名发表。“我意识到自己的论据十分勉强，”他道歉说，“它们不值得示人。” 他还写了深入论述运动的文章，以及关于哥白尼天文学的小册子，但这些论著都没有达到他严苛的行文和科学标准。

缓慢的研究未必不好，宁静的生活也不比嘈杂的生活更糟。就在故事发生的这天，他回忆道：“实验并未被忽视。” 取一块长约12腕尺（约5.32米）、宽半腕尺（约22.2厘米）、厚三指的木模；木模边上凿出一条一指出头宽的槽。把这个沟槽做得十分笔直和平顺，然后还用砂纸进行打磨，接着在沟槽内侧衬上了牛皮纸，尽可能让它保持光滑，然后用一个坚硬、抛过光且十分圆的铜球从上面滚下。在这个过程中，木模需要倾斜放置才能完成实验，可以设置一端比另外一端高出1～2肘（约44.37～88.74厘米）。“按照这种描述的方式，我们记录了铜球落下的时间，并且为了保证准确而多次重复实验。”

伽利略按照自己的方式把时间变成了一个物理量。“我们用到了一个大水罐，”他解释道，“其底部焊接了一个直径很小的管子，小股水流从中流出，铜球每次下降的时候，我们会用小杯子收集铜球下落期间流出的水量并称重。”

在公众心中，这种基础而严谨的研究难以获得关注。人们都渴望新奇的东西：有趣、让人眼前一亮的有用之物——他们向来都称这种东西为“自然的魔法”。“接下来，我们让铜球滚完四分之一长的通道，并测量用去的时间。然后，我们又试了别的长度，以及别的倾斜度。在重复一百次之后，铜球滚下距离与倾斜度的比率都没出现差异。我们发现，铜球滚过的空间距离总是与所用时间的平方成正比。”

↑ 抛物线是圆锥的一种开放的平面交点。它可以被认为是一个焦点无限远的椭圆。

如果人用弹射器、大炮、徒手或者用任何别的办法投掷一个球体，球体在下落时的轨迹会与其在上升时相同；这是一条类似抛物线的轨迹。尽管并未发表，但以上描述是伽利略的第一个重大物理学发现——自由落体定律。

自由落体定律：物体下落所经过的距离与其下落时间的平方成正比。

潮起潮落

1595年，伽利略与威尼斯的朋友们在清晨谈天说地的时候注意到，夜晚涨潮后海水会漫过人的胸脯。这是一个让意大利人无法忽视的现象。经过二十五年的思索，伽利略意识到，这个现象可能为哥白尼的学说提供了第一个可以感知，并且与地球相关的证据，他打算专门写本书讨论这个现象。他先是写了一篇详细的提纲给一位一直很支持自己的红衣主教。

 “水可以被周围环境的运动所搅动，”伽利略提出，“我倾向于认为，潮汐是海盆运动的原因。” “地球表面的每一部分都按两种匀速方式运动。在整个二十四小时内，它的运动时快时慢，还会出现两次中速运动。” 伽利略认为，地球每天和每年的运动方式使它偏离其年度旋转轨道方向的部分的速度慢于偏向轨道部分的旋转速度。当水域足够长，其相对的两端在地球上不同地方的流动速度就会出现巨大差异，这就像从一端搅动一盆水一样。潮汐就是大洋中的这种晃动。

↑ 伽利略的潮汐理论建立在地球的昼夜运动和年度运动对海洋造成影响的观念之上。

这样一个基本的日常机制无法让伽利略的解释变得完备。多数潮汐发生的时间间隔为六小时，而这也规定了每十二小时为一个潮汐周期。伽利略认为，其余的潮汐是自发产生的，即潮汐 “靠自身的重量”自行回落。整个理论的细节可从海盆的大小加以解释，就像推动盛有水的一个碗和一个盘子，二者宽度相等但深度不同，它们所盛的水晃动程度也会有所不同。这些独特的意外情况造成的混乱实在让人烦心。“我们的脑海中萦绕着无数不解，”伽利略呻吟道，“我都苦苦思索多少个日夜了，理解这个现象仍旧无望！”

伽利略的假说有几个优点。它允许同一海洋不同区域的潮汐有所不同。这解释了为何小湖泊没有潮汐。而且它是直接从感官经验中推断出来的。尽管如此，这个假说仍旧错了，而伽利略也会在难听的讽刺中度过余生，他后来发表的科学论著也说明了错误的缘由。他的结论是，“如果这个假说会被更好的知识判定为错误，那么，我所写的东西就不单单是可被质疑的那样简单了。这个假说等于零”。

虽然伽利略犯下这种错误显得出乎意料，但也在情理之中。这是他对地球生命系统——一个独立于其他星球的单一的、自成一体的物理系统——的理想愿景。与此同时，他对生命的体验——作为痛苦的、不可预知的、起起落落的相互依存的序列——又是完全不同的另外一番感觉。

——本文选摘自《地球的天空》 [美]L.S.福伯/著 李果/译  天地出版社出版

本期编辑：王婕   校对：杨金原  审订：李云