12 斜塔和望遠鏡：伽利略
義大利比薩有一座有著八百五十年歷史的教堂鐘樓，它肯定是全世界最奇特的建築之一。你可能知道，它就是比薩斜塔。你可以站在塔前，拍一些假裝托住塔身防止它倒地的照片發給朋友，挺好玩的。
你可能還知道很多關於伽利略在這個塔上做實驗的傳說——從塔頂扔下兩個不同重量的球，看哪一個先落地。事實上，他選擇的實驗地點不在這裡，而是透過其他實驗得出了結論：四．五公斤重的球和〇．四五公斤重的球同時落地。這個實驗和太陽不繞地球轉動有異曲同工之妙，它們顛覆了我們的日常感受。畢竟，一根羽毛和一顆球不會以同樣的速度從塔上掉落。可為什麼不同重量的球卻一起落地呢？
伽利略．伽利萊（Galileo Galilei，一五六四－一六四二，伽利萊是他的姓，但我們對這個大英雄一直是久仰其「名」）出生於比薩，父親是音樂家。他的少年時代在佛羅倫斯附近度過，成年後進入比薩大學學習醫學。由於對數學的痴迷，他放棄了學業，但留下了智慧超人、才思敏捷的好名聲。
一五九二年，他前往帕多瓦教授當時叫作數學、現在被稱為物理的學科。那個時候，威廉．哈維是該校的學生（我們很快就會介紹到他），但他們兩個從未謀面，這是歷史的遺憾。
伽利略的一生是爭論如影隨形的一生。他的理論總是挑戰約定俗成的觀點，尤其針對亞里斯多德等古代聖賢關於物理學和天文學的說法。他是虔誠的天主教徒，但是他深信宗教統治道德和信仰，科學掌管可見的物質世界。正如他所說，《聖經》告訴我們如何抵達天堂，但沒有告訴我們天體是怎麼運行的。天主教會不遺餘力地打擊一切質疑其教義和權威的人，也開始監控出版數量日增的書籍，開出了他們所謂的「禁書單」。伽利略雖然有很多位高權重的朋友（包括貴族、主教、紅衣主教，甚至教宗），也得到很多神職人員的支持，但是仍有許多人冥頑不化，禁止他否定有幾百年根基的舊學說。
伽利略早期曾經研究動力學。最開始的時候，他只是出於個人愛好進行觀察和測量，可能的話再以數學的方式表述自己的結論。他最著名的實驗之一是：在斜坡上放一個球讓它滾下來，測量它到達不同點所用的時間。可想而知，球下坡的速度越來越快（我們稱之為加速運動）。伽利略洞悉了球速和時間的特別關係：距離和所費時間的平方有關。他發現，經過兩秒鐘的時間，球速提高了四倍。（時間的平方在後來的科學研究中也會用到。提醒你一定要留意，自然界似乎總是喜歡「平方」後的事物。）
在所有這些和其他不勝枚舉的實驗之中，實際測量數據一變再變，而伽利略都接受了，展現出偉大的現代科學家的素養。影響測量結果的諸多因素包括：在錯誤的時間眨了一下眼，轉身做記錄耽誤了時間，或者是設備不夠精準。不過，這就是我們對真實世界所能做出的各種觀察，而伽利略最大的興趣在可知的世界，而不是那個萬物唯美、貼切的抽象世界。
用科學儀器扭轉古老思維伽利略早期對運動物體的研究，呈現了一個和亞里斯多德等成百上千哲學家迥然不同的世界。儘管大學受神權統治，但亞里斯多德的地位仍牢不可破。一六〇九年，伽利略得知有一種新儀器可以更有說服力地扭轉古老的思維方式。很快它被命名為「望遠鏡」，意思是「看見遠處」，就像「電話」代表「在遠處講」，「顯微鏡」是「看見微小的東西」一樣。無論是望遠鏡還是顯微鏡，它們在科學史上都舉足輕重。
伽利略自己製造的第一架望遠鏡的放大效果並不明顯，但他還是驚喜萬分。不久，他把兩個透鏡併起來改進後，變得和我們現在的普通雙筒望遠鏡一樣，放大了差不多十五倍。這聽起來微不足道，卻引領了新的趨勢。用它，可以比肉眼更早捕獲到歸航的船隻。更重要的是，伽利略把他的望遠鏡對準了天空，在那裡，他有了驚人的發現。
他瞄準了月亮，發現它並不像人們想像的那樣圓潤光滑，上面有著群山和坑洞。他對準行星，更近距離地觀察它們的運動，找到了木星的「衛星」，就像地球有自己的衛星──月球──一樣。他看到土星有兩個和衛星不一樣的大斑點，我們現在稱之為「光環」。他用望遠鏡拉近了水星和金星，證明它們有規律可循地改變著運動方向和速度。他宣稱太陽上有暗區或者是黑點，它們每天規律性地移動少許距離。（他知道為了保護眼睛不能直視太陽，這點你也必須牢記。）他的望遠鏡揭開了銀河的面紗，肉眼在晴朗夜空中看到的朦朧閃爍壯觀景象，實際上是由千千萬萬顆、離地球非常遙遠的恆星組成的。
伽利略用望遠鏡進行了很多有意義的觀察。他把這些寫進了《星際信使》（Starry Messenger，一六一〇），一書激起千層浪。他揭示的每一個發現都在質疑人們對天體的看法。有人覺得伽利略的理論來自他玩「管子」——那時望遠鏡的名字——的小把戲，因為肉眼看不到的東西也許根本不存在。因此伽利略必須想方設法讓人們相信他用望遠鏡看到的是事實。
伽利略的結論恰好為哥白尼提出的月亮繞地球轉，地球、月球和其他行星都沿軌道圍繞太陽轉提供了證據，這更讓世人不知所措，也使自己身陷險境。
當時，哥白尼的書已經盛行了快七十年，不論是新教徒還是天主教徒，其中都有很多他的追隨者。天主教會明確指出哥白尼學說有助於研究行星運動，但並不是真理。如果哥白尼是正確的，那麼《聖經》的內容就有麻煩了，必須慎思。
但是伽利略執意要將他的天文發現公諸於眾。一六一五年，他到羅馬申請教會的許可，希望能夠傳播自己的研究成果。儘管他贏得了包括教宗在內很多人的同情，但最終還是被禁止撰寫和傳授哥白尼宇宙體系。然而他並沒有徹底放棄，在一六二四年和一六三〇年，年老體衰的伽利略重返羅馬試探風向。他逐漸醒悟到，只有謹慎而為，將哥白尼學說當成天文研究的一種可能來介紹給大眾，才能保全自己。他以三人對話的形式寫了一本天文書籍《關於兩種世界體系的對話》（Dialogue on the Two Chief World Systems）：其中一個代表亞里斯多德，另一個是哥白尼，還有一個主持人。伽利略以這種方式來對新舊宇宙觀進行辯論，用中立的態度迴避了對錯的選擇。
為了科學地解釋世界而戰這是一本妙趣橫生的書，秉承了伽利略一貫的文風。他使用了自己的母語——義大利文。（當時全歐洲的學者仍用拉丁文著書。）伽利略在開篇就表明自己的立場。他給亞里斯多德的替身命名為「辛普利邱」（Simplicio），這是一個評論過亞里斯多德的古人的英文名，而且那個角色不是很聰明。書中的哥白尼角色（叫作「薩爾維阿蒂」（Salviati），暗喻「智慧」和「安全」）則濃墨重筆，能言善辯。
伽利略大費周折地為此書爭取教會的官方認可。羅馬管理出版的審查官雖然體諒伽利略，但是出於各種考慮沒有立即回覆。於是伽利略鍥而不捨地轉戰佛羅倫斯印書。羅馬教會高層拿到書後如鯁在喉，傳喚古稀老人到羅馬受審。更有人翻出了早期阻止他教授哥白尼體系的禁令。一六三三年，持續了三個月的「審訊」之後，伽利略被迫承認他的書是虛榮的錯誤產物。他在懺悔書中寫道，地球是靜止的，是宇宙的中心。有一個傳言說伽利略在被宣判有罪之後，他咕噥道：「它當然在運行。」無論他是否大聲說出了這句話，他一定堅信著，教會永遠不可能強迫他改變他對世界真相的信仰。
教會運用權力把伽利略關進監獄，甚至施加酷刑，但是陪審團意識到伽利略是個了不起的人，所以判處他軟禁，免除他的牢獄之苦。第一次他被不嚴格地「軟禁」在西恩納（Siena），自由自在出席各種晚宴活動，結果教會強硬地把他趕出佛羅倫斯，遣返回鄉，同時密切監視他的訪客。沒過多久，伽利略一個當修女的女兒去世了，從此他變得孤苦伶仃。但他繼續與研究為伴，重新將注意力轉到落體運動和動力這類日常生活中常見的問題上。他一六三八年的著作《兩門新科學》（Two New Sciences）是現代物理學的基礎之一。他在書中回顧了自由落體的加速運動，預見了後來經艾薩克．牛頓證實的重力，並用數學方式表明加速度是可以測量的。他開闢了分析空中物體飛行路徑的新思路，比如預測炮彈的彈著點。這些有關「力」的概念——影響物體按照某種特定方式運動的規律——都屬於物理學的研究範疇。
如果你曾聽過「無因的反抗」，那麼伽利略的反抗就是事出有因。他為了運用知識科學地解釋世界而戰。隨著科學的發展，他的一些錯誤或片面的創新理論逐步被摒棄。但科學就是這樣，沒有哪個領域可以一書在手就通曉全部。伽利略和現代的科學家一樣，對此了然於心。