伽利略与望远镜

2014-08-15解启荣

中国校外教育 2014年24期

◆解启荣

(连云港师范高等专科学校)

现行高中教材和许多文献中都有“伽利略发明了望远镜”这种说法。但这种说法是不确切的。伽利略本人从未以此自命。他不是第一个用望远镜观天的学者。实质是他首先从原理上入手，钻研望远镜的构造，特别是设计制造了倍率在9以上的天文望远镜。因此，更确切地说他是望远镜设计制作方法的发明人和天文望远镜的发明人。

一、发明望远镜的社会背景和伽利略个人的研究条件

在伽利略研制第一台望远镜的前一年，即1608年10月2日、13日和17日先后有三个荷兰磨制镜片工人Hans Lipperhey、Jacob Matius和Sacharias Janssen向政府部门申请望远镜的发明专利权。这说明伽利略确实不是望远镜的发明者。

四百年来，世界上有许多书上写着荷兰磨镜片工人利比喜发明望远镜的传说，这是不确实的。利比喜只不过是首先向政府申请专利权的人，他在1608年制作了多架有军用价值的望远镜卖给荷兰政府，并要求30年的专利权，但被专利管理部门拒绝了，理由是当时已有其他不少人都会制作望远镜了。真正发明望远镜的人是谁虽然至今还没查明，但也无必要查明，因为只要镜片齐备了，发明望远镜的事迟早会有人偶然实现的，无需此人具有超群的智慧，望远镜的发明并不是一件需要很高科技水平和智力的事。

西欧早在13世纪就出现磨制眼镜片的手工业。到了16世纪前半期意大利的眼镜片制造业已很发达，但当时只流行远视眼镜，而近视眼镜尚无社会需要，所以在市场上凹透镜片起先是罕见的，而度数浅焦距大的凸透镜片由于磨制困难，也极其少见。直到16世纪晚期，矫正近视的凹镜片才开始在市场出现，这时在意大利有一位Gualterotti医生在1588年和另一位Porta医生在1589年先后发明用凸凹镜片各一片夹在一起，用来作为无距离的组合调整夹架来矫正人们的近视和远视。到了1604年这种组合调整夹架和较高的凸凹镜片磨制技术才由意大利人传入荷兰一带。那时焦距大于20英寸的凸镜片和焦距小于7英寸的凹镜片的磨制技术己逐渐被不少磨制工人掌握，而将组合调整夹架里的凸凹镜片拆开，保持一点距离，对着凹镜片观察远方的活动迟早会有人偶然作出的，这便是倍率为3以上的简单望远镜的“发明”了。可见，只有这时的社会生产技术才提供发明望远镜的客观条件。

伽利略是一位理论知识和生产技术知识都很丰富而又勤于动手的实验物理大师。他在帕多亚的住宅内早己开办一个仪器工厂，雇佣了一名熟练老技工，生产多种科学仪器出售。由此可见，他研制和成批生产望远镜是有优越条件的。他在不断提高望远镜的倍率和质量的能力方面远非一般眼镜商和手工作坊所及。例如，他发明了一套测量镜片的球半径的球径仪，保证了他设计制作望远镜的质量需求。

二、伽利略研制望远镜的经过和成就

伽利略在研制望远镜全部过程中具体时间经Stillman Drake考证后得出如下日期:

1609年7月19日，伽利略从帕多亚到威尼斯去访友，听到了在荷兰有人发明了望远镜的传说。

7月26日，伽利略再次到威尼斯访问了威尼斯国的科学顾问Paolo Sarpi，看到了许多关于望远镜的外表叙述的信件。

8月3日，伽利略回到帕多亚，他从光线通过凸凹透镜的折射原理思索，当晚就把问题想通了。

8月4日就制成第一架倍率为3的粗糙望远镜。

他并不满足第一架倍率为3的望远镜，他必须设计出超过荷兰人的望远镜，这关系到他个人的学术声望、社会地位和经济收入的提高以及个人科研条件的改善，他加紧研制，终于在8月20曰研制成了倍率为9的一架望远镜。

8月21日，伽利略在威尼斯的圣·玛克广场最高塔楼顶层，将望远镜对威尼斯国政府官员和闻名的绅士们展出，让他们都以惊奇喜悦的心情观察海上和陆上远处的景物。

8月24～25日，伽利略又给政府检察官和参议员们展览了望远镜，最后趁阁员们开会时赠送一架给共和国政府，检察官兼帕多亚大学校长普锐乌里代表政府接受了这项赠品，次日召开了校办公会议，决定重新聘他为终身教授，年薪从510元银币提升为1000元。

1609年11月末，他宣布制成了一台倍率为20的望远镜，用来观察月球表面和木卫星。

1610年3月12日，他在威尼斯正式出版了拉丁文本的《星空信使》前几天，己制成了书中所述的倍率为30的望远镜了。

1610年8月，他在写给开普勒的一封信中说他己将望远镜的倍率提高到32了。据《大英百科全书》所载，伽利略望远镜的最后纪录是口经4．4厘米倍率达到33。

发明望远镜是偶然的，伽利略自认为和发明望远镜的那些镜片工人不同，他不是靠偶然成功的，而是靠理性思维得到的。那么，他是怎样进行理性思维的呢?他在1623年出版的一本著作《试验者》中的自述是:“我的思路是这样:这种望远镜无非要用一两只镜片，我想不会只用一只的，因为镜片就形状而言或者是中央比边缘厚的凸镜片，或者是中央比边缘薄的凹镜片，或者是两面平行的平片，而平片是不能改变物像的，既不能放大，也不能缩小，凹镜片是有缩小作用的，而凸镜片虽有放大作用，但放出来的物像模糊不清，这样，就不能采用单镜片，而只能采用双镜片了，既然平片不能改变物像，我想不论它和凹镜片还是凸镜片组合都是不会起作用的。因此，我就想到只能采用将凸镜片与凹镜片相组合的办法了，你从这里就可以见到我是怎样在探索的了，而这便是我发现望远镜的设计与制作方法的步骤，在我心中根本没有想到一定会成功的。”伽利略开创了一套望远镜的设计与成批生产方法，把望远镜的质量和倍率在两三年内就提到一个高水平，准确来说他是天文望远镜的发明人，他所创制的高倍率望远镜在17世纪的天文发现上起了巨大的作用。在《星空信使》一书中叙述了望远镜倍率的测定方法也是一项开创性的成果。

伽利略型望远镜在科学发展史上的贡献和影响是重大的，《大英百科全书》15版(1980年)给出这样的评价:“伽利略的望远镜不但大大促进了科学知识的进步，还因其推翻了传统的地球中心观念而在哲学上和宗教上激起了巨大的浪涛。”

三、伽利略利用望远镜取得了观天的新成果

1610年1月7日的晚上，天空中只出现了木星和土星两颗亮星。土星位置太低了，在日落后一个半小时就达到地平线上几度的位置，几乎不可见了，唯有木星高悬于东方的天空，当伽利略用刚刚制成的倍率为30的新望远镜对准木星时，就见到有三颗小星在木星的近旁，第二天夜晚又看到那三颗星了，到了第三天晚上有云未能观察。10日晚上见到那三颗小星和木星的相对位置显然变动了。11日晚上等候长久见不到的三颗小星又出现了。看来像是另外三颗了，再过两个晚上，一切都变了，出现了第四颗小星。

伽利略一直担心别人抢去他的首先发现木卫星的名声及其命名权。他在写《星空信使》时就己经认识到他还不能把木卫星当作他个人专有的发现，因为他没有测出每一颗木卫星的准确周期，如果被别人抢先测出，他就不光彩了。于是他到佛罗伦萨之后不久便继续观测，他总是以竞争的思想状态努力观测的。他的朋友Cigoli告诉他说，他的一位敌对学者那布勒斯的Magini己经说过了，发现木卫星没啥了不起，测出它们的周期的人才会受人称赞呢。在这一年，开普勒宣称这是一项不可能做得好的工作，同时这一观点也得到许多人附和。因此，测出木卫星周期的荣誉就大大抬高了。这个课题还有一个很大的实用价值，就是如果每颗木卫星的位置测得足够精确，能作出每时每刻各颗木卫星的位置表来，就可给航海员用来测算航船所在地点的经度了。他更加努力，在每个睛朗的夜晚都离不开用望远镜观测木卫星的精确位置，到1612年他己经精确地测出四颗木卫一星的精确周期，精度都高于0．1%。他一时没机会发表这些数据，竟匆匆忙忙地写在与木卫星毫不相干的《关于水中浮沉体性质的对话》一书正文前两页上，而他对木卫星的勤奋观测一直坚持到1619年。伽利略在开始用望远镜观察星空时，尚未想到为证实哥白尼学说而作系统观测的安排。金星的相变对哥白尼的日心说是很能说明问题的，在望远镜里金星的形状与大小的变化正符合哥白尼的日心说，而与托勒密的地心说不相容，这是最直接有力的证据。然而，伽利略忽视了这个问题的研究，他太专注木卫星的观察了。

在1610年9月以前，伽利略对哥白尼的日心说虽己有些基本认识，但那时他还不像布鲁诺那样对哥白尼学说的坚信，成为热心的支持者和捍卫者，所以他对于利用望远镜观天以寻找日心学说的决定性证据尚无思想准备。那一年8月在帕多亚每天清晨，金星都高挂在他的住宅的西方上空，要观看金星是很容易的，但他弃之不顾。

1610年12月11日，他收到了过去的学生卡斯太里从布里西亚寄来的一封信，建议他抓紧观测金星，信中写道:“如果哥白尼的主张确实不错，正如我所相信的那样，金星绕日运动的，那么我们就一定会看到它的盈缺了，即使它和太阳的相对位置维持不变也会这样的……现在我就想从您这里得到您凭着那神奇的望远镜所看到金星盈缺的消息，这样做无疑会说服那些最顽固的人的。”

伽利略接读此信后，便从12月中旬开始直到月末的两周半时间内，抓紧了对金星相变的认真观察，看到金星不但有和月亮一样地由凸月到峨眉月的形状上的逐渐变化，而且外圆半经也逐渐变大，而外表变得光滑些。回忆他在当年年初偶然观察过一下金星，那时恰好是满圆的，接近上合位置，半径就小得多了，结合现在的观察情况一起考虑，这正好与哥白尼的日心说完全符合，而与托勒密的地心体系说极不相容。因此，这是哥白尼学说最有力的证据。