将不影响其坠落方向。第二个论点也遭到反驳。《对话》指出，由于地球围 绕其轴的转动比较缓慢，所以离心力远小于引力，这样，物体便不受地球自 转的影响而仍然留在其表面。
　　伽利略的《对话》是近代天文学文献的三部最伟大的杰作之一，另外两 部是哥白尼的《天体运行论》和牛顿的《自然哲学的数学原理》。《对话》 还具有最明白易懂的优点。

伽利略和罗马教会


　　正如上面已经指出的那样，伽利略很早就已成为一个心悦诚服的哥白尼 主义者。由于哥白尼著作被列为禁书，因此伽利略不得不谨慎小心。但是， 随着时间的推移，他对日心说的热诚发展到不可遏上的地步，而他对经院哲 学的偏见和偏狭的憎恨也必定使他有时发表在当时看来是不慎重的言论。
1613 年，他发表了《论(36)太阳黑子的书信》（Letters on the Solar Spots）， 表达了他对哥白尼主义笃信不疑。他被指责为信奉邪说，但他极力为自己辩 护，不仅试图把与日心说相悻的《圣经》经文解释清楚，而且甚至还试图引 用经文来支持日心说。因此，他在 1615 年受到警告，要他置身于神学争论之 外。1616 年初，宗教法庭的权威神学家们颁布了如下法令：“认为太阳处于 宇宙中心静止不动的观点是愚蠢的，在哲学上是虚妄的，纯属邪说，因为它 违反《圣经》。认为地球不是在宇宙的中心，甚至还有周日转动的观点在哲 学上也是虚妄的，至少是一种错误的信念。”凡是传授地球运动学说的书都 被查禁，教皇保罗五世迹警告伽利略不得“持有、传授或捍卫”哥白尼理论。 伽利略在 1610 年离开帕多瓦，此后除了偶尔访问罗马之外，一直在托斯 卡尼大公的庇护下居住在佛罗伦萨。在 1616 年对他提出告诫以后，伽利略在 许多年里保持着一定程度的沉默，潜心于科学研究。1623 年，他发表了《试 金者》（Saggiatore），书中他极其机智地试图把替星解释为犹如晕和虹霓 的大气现象。伽利略将这本书奉献给了新教皇乌尔班八世。这位教皇对天文 学很感兴趣，曾赋诗庆祝伽利略发现木星卫星。现在他又忽视了《试金者》 中有些段落为哥白尼观点所做的含蓄的辩护。事情看上去是那么大有希望： 伽利略看来已试图说服教皇接受日心说，或者劝说他至少撤销 1616 年的法 令。但是这一切都成了泡影。当 1632 年伽利略发表了轰动整个学术界的《两 大世界体系的对话》时，他就大难临头了。《对话》在发表之前曾被审查员 检查通过。但是，曾经与伽利略就观察太阳黑子的优先权问题发生过争执的 那稣会教士沙伊纳进行挑拨离间而得逞。据说他说服教皇相信，他就是《对 话》中那个愚笨的地心说捍卫者辛普利丘。总之，这本书遭到禁止，作者被 宗教法庭传唤到罗马。起初他托辞有病，但后来他还是在 1633 年 2 月去到罗 马，被监禁起来。6 月他在宗教法庭受审，遭到刑讯逼供。于是，伽利略宣 布放弃信仰，宗教法庭遂感到满意而判处监禁。法庭命令他在三年里每星期 都要背诵《诗篇》中的七首忏悔诗。伽利(37)略被迫公开宣布放弃信仰，这 值得录引下来作为宗教和科学关系史的文献。这里稍有节略。“我跪在尊敬的西 班牙宗教法庭庭长面前。我抚摸着《福音书》保证，我相信并将始终相信教会所承认的和教导的东西 都是真理。我奉神圣的宗教法庭之令，不再相信也不再传授地球运动而太阳静止的虚妄理论，因为这 违反《圣经》。然而，我曾写过并发表了一本书，在书中我阐发了这种理论，并且提出了支持这种理 论的有力根据。因而我已被宣布为涉嫌信奉邪说。现在，为了消除每个天主教徒对我的应有的怀疑，

我发誓放弃并诅咒己指控的谬见和邪说、一切其他谬见和任何违背教会教导的见解。我还发誓，将来 我永远不再用中面或者口头发表任何可能使我再次受到怀疑的言论。我不管在什么地方发现任何邪
说，或者觉得有这种可疑，都将立即向神圣的法庭报告。”显然，伽利略不仅打算改变自己 的信念，而且还准备充当特务，把别人交给宗教法庭恣意虐待。相传伽利略 在被迫公开认错之后，曾喃喃自语道：“可是，地球是在运动。”这传说至 少表明伽利略实际上仍抱着这个总的信念，甚或他对教会或任何其他强权机 构妄想阻止科学思想前进的企图的嘲弄和谴责有增无已。
　　《对话》和哥白尼的其他著作一直列为禁书，直到 1822 年红衣主教团终 于宣布允许在天主教国家讲授哥白尼理论。于是，一贯正确的教会不得不宣 布放弃其早先的观点。在有些地方，科学思想可能发展极其缓慢；“可是， 它是在运动。”
　　在监禁或者说半监禁中度过了几个月之后，伽利略蒙准到靠近佛罗伦萨 的阿切特里过隐居生活。他对科学的热忱仍不减当年。但是，他从此局限于 研究那些不大可能与教会发生冲突的问题。他极其重要的科学贡献《关于两 种新科学的谈话》（Discourseson Two New Sciences）于 1638 年在荷兰莱 顿由埃尔策维尔斯出版社出版。该书在 1636 年就已写成，但因为意大利禁止 发表他的著作，所以不能立即出版。1637 年，伽利略双目完全失明。不过， 他在门徒特别是维维安尼和托里拆利的帮助下，仍然从事力所能及的工作。
1638 年，伽利略在阿切特里受到伟大诗人、请教徒约翰·弥尔顿的拜访。
弥尔顿的《力士参孙》（Samson Agonistes）（1671 年）可以看作是体现了 双目失明的伽利略和这位诗人两人的悲剧。(38)六年以后，弥尔顿在他的《论 出版自由》（Areopagitica）（1644 年）中谈到了这次访问。这篇论文庄严 要求“出版无需批准的自由”。他在开头几页里表示他喜爱的是“希腊古老 而优雅的人性”而不是“匈奴和挪威人堂皇的粗野跋扈”。弥尔顿的话今天 仍不失其重要意义，而且鉴于匈奴的野蛮和法西斯主义的暴戾又在伽利略故 乡肆虐，同时对自由的蔑视也与日俱增，他在批评议院禁止印刷没有得到批 准的书籍的命令时写道：“上下议院的议员们，听听国民的忠告吧！有识之士对你们这个命 令的阻拦只是唇枪舌战而没有实际意义。我可以谈谈我在这种宗教法庭横行的其他国家的见闻；我被 拥坐在他们的志士仁人中间，因为我赢得过荣誉，还因为我有幸出生在他们心目中有哲学自由的英国， 而他们一味哀叹他们学术所处的侍婢地位；而正是这使意大利理智的光荣减色；这许多年星，除了谄 媚和夸夸其谈之外，什么也没有写出来。我寻访了著名的伽利略，他已经衰老，由于主张为方济各会 和多明我会审查员所不容的天文学思想而成为阶下囚”（Areopagitica，ed.T.Holtwhite，
1819，PP.116f.）。
　　伽利略在 1642 年与世长辞。同年，一颗新星在西方升起——牛顿降世 了。

关于两种新科学的谈话


　　伽利略的天文学发现无疑非常重要，甚至给科学界以外的有识之士也留 下深刻的印象。然而，从纯科学的观点来看，伽利略对力学的贡献甚至更为 重要。这些贡献具有划时代的意义。伽利略正确地把论述这些贡献的《谈话》 说成是介给两种新科学或者说科学的两个新分支。伽利略在他积极活动的一 生中对力学问题的研究时断时续。但是，在他受教会迫害的悲剧遭遇以后， 他即呕心沥血专门研究力学问题。他把所有实验和研究结果汇总在《谈话》
　　
（H.Crew 和 A.de Salvio 的英译本，New York，1914）之中。这部著作也采 用对话形式，书中人物皆与 1632 年的《对话》相同，即沙格(39)列陀、萨尔 维阿蒂和辛普利丘，前两人代表伽利略的观点，而后者为亚里士多德或者说 经院哲学的观点辩护。
　　伽利略对力学的划时代贡献主要在于创立了动力学，也就是运动物体的 科学。除了阿基米德、列奥那多·达·芬奇和其他几个人作出过一些比较次 要的贡献之外，力学这个分支中后来几乎再没有做什么工作。伽利略对于落 体定律、摆和抛射体的运动的研究，树立了科学地把定量实验与数学论证相 结合的典范，它至今仍是精密科学的理想方法。
落体定律


　　前面已提到，伽利略曾公开证实亚里士多德关于落体速度随其重量而变 的观点是错误的。但是，这个论证当然没有正面说明物体坠落的定律。甚至 凭直观也可看出，落体的速度可能随其坠落的持续时间而变，但是却始终得 不到确切的证据。伽利略首先引入了匀加速度的观念以区别于匀速度，于是 就用这加速度解决了落体定律的问题。伽利略所说的勺加速度是指在相等的 时间内速度的增加也相等。动力学研究的另一个前提是正确的惯性观念，惯 性也是伽利略首先提出的。当然人在他那个时代之前很久就已知道，一个静 止物体只有在受到某个力的作用时才能运动。但是在伽利略之前，人们怎么 也没有想到惯性原理可以推广到运动物体。通常总以为，除非有某个力一直 在使它保持运动，否则一个运动物体最后必定要停止运动，哪怕没有任何阻 力也罢。作为对这种假设的反驳，伽利略提出一个物体一旦运动起来便一直 用同样速度沿同样方向不断运动，除非有某个力作用于它。他把这列为惯性 原理的一部分。而且，他还认为，当一个力作用于一个物体时，不管该物体 是静止的还是在运动，其效应完全一样。这些概念使得能够正确地描述一个 物体自由坠落时所发生的情形。在这种情况下，有一个力（重力）一直作用 于该物体，其效应累积起来，因为按照惯性定律，效应每时每刻都在产生。 其结果就是该落体的速度均匀增加。因此，如果让一个静止物体坠落，落下 时间为 t，其末速度为 v，那么，它的速度将从开始时的 o（当它从静止开始 坠落(40)时）均匀地增加到终止时的 v：因此，物体在坠落期间经过的距离 s 将与其始终以均匀速度 V/2 即以 vt/2 坠落时相等。伽利略处理这个问题所采 用的图解法即几何法代表了他的数学方法，所以可以援引来作为这种方法实 际应用的一个简单例子。
　　一个从静止开始以均匀加速度运动的物体经过任一距离所花的时间等于 该物体以均匀速度运动经过同样距离所花的时间，这个均匀速度的值等于最 高速度和加速开始前的速度的平均值。

图 10—匀加速定律
“让我们用直线 AB〔图 10〕表示一个从静止于 C 点开始均匀加速运动的物体经过距离 CD 所花 的时间；设与 AB 成直角的直线 EB 表示在时间 AB 里达到的最高的末速度；画直线 AE，于是，从 AB 上 的等距离点画出的平行于 BE 的所有直线将表示从瞬时 A 开始递增的速度值。设点 F 等分直线 EB；画
FG 平行于 BA，GA 平行于 FB，如此构成一个平行四边形 AGFB，其面积将等于三角形 AEB，因为边 GF 在点 1 等分边 AE，因为，如果三角形 AEB 中的平行线延长到 G1，那么该平行四边形所包含的所有平行 线的总和便等于三角形 AEB 所包含的平行线的总和；因为，三角形 IEF 中的平行线等于三角形 GIA 中

的平行线，而梯形 AIFB 中所包含的平行线则是公共的。因为时间间隔 AB 中的每一个瞬时在 AB 线上都 有其对应点（为三角形 AEB 所限制的、从这些点画出的平行线表示递增的速度值），还因为长方形中 所包括的平行线表示不在增加而是恒定的速度的值，所以，看来在加速运动的情况下，该运动物体的 动量同样也可以用三角形 AEB 中的递增的平行线来表示，而在匀速运动的情况下，则用长方形 GB 的平 行线来表示。因为，加速运动初期可能欠缺动量（三角形 AGI 的平行线表示动量的欠缺）这一情况用 三角形 IEF 的平行线所表示的动量来填补。
“因此很清楚，两个物体在相等时间里将经过相等的距离，其 (41)中一个物体从静止开始作匀 加速运动，而另一个匀速运动物体的动量是加速运动时的最大动量之半。证讫。”
　　伽利略根据方程式 s=vt/2 导出了许多其他定律。其中最重要的一条定律 是：一个从静止开始坠落的物体所经过的距离随着坠落时间的平方而变化。 因为，已经解释了一个落体的速度随时间而变，比如 v=gt，其中 g 表示某个 常数。因此，s=t2Xg/2。
　　伽利略接着试图确定落体的实际加速度。利用当时可供使用的仪器来直 接测量加速度是不可能的。因此，他采取的手段是测量物体沿斜面滚下的较 慢的加速度。已经知道，同一个物体降落的加速度随斜面的倾斜程度而变。 当物体垂直坠落时，加速度达到最大，而这加速度随着对垂直方向的偏角增 大而减小。因此，看来动量、能量或者降落的趋向都受该物体降落时所沿平 面的影响。伽利略发现，一个物体在降落时所得到的这种动量随斜面高度同 其长度的比例而变化。他用这种方法进行了斜面实验。在一块大约十二码长 的木板上开槽。这槽约半英寸宽，开得笔直而又光滑，上面覆盖着极其光滑 的羊皮纸。然后把这块木板的一端升到各种高度。接着让一只抛光的黄铜球 沿槽的全长滚下，记下该球滚过全程所花的时间。再让它滚过全程的四分之 一，同样记下所花时间。于是发现，经过四分之一距离所花的时间是经过全 程时的一半。经过大量重复这个实验而得出的一般结果表明，对于任何给定 的倾斜度，距离与经过其所需要的时间的平方成正比。这些结果只能达到比 较好的一致性，因为伽利略在检查滚球沿斜面的加速运动时还不知道滚球的 转动惯量所起的作用。
伽利略的实验还由于没有一种适合测量短暂时间间隔的仪器而受到阻
碍。他克服这个困难的方法是饶有趣味的。简单他说，他是利用那种古老的 配备天平的水钟。在所观察的降落运动期(42)间，让一只较大容器中的水通 过底部的一个小孔流进一只较小容器。然后仔细称量聚积在这较小容器内的 水的重量，而不同实验中获得的水的相对重量便给出了落体对于不同距离或 倾斜角度所花的相对时间。如果大容器中的水平面保持不变，那么，时间测 量最终将是精确的。
　　伽利略从他的斜面实验发现的另一个重要事实是，一个落体的末速度仅 随垂直高度而变，而与平面的倾角无关。因此（见图 11），一个物体不管从
C 点降落到 A、D 还是 B 点，都将获得完全相同的末速度。

图 11—沿斜面运动 图 12—摆的振动
摆的实验进一步证实了这条定律，这里忽略了转动惯量的影响（见图
12）。让摆 AB 靠近一道墙摆动，使之划出弧 CBD。然后用钉入墙的一颗钉子

把摆线在 B 点处截断，于是弧改变成 BG。当钉子位置移到在 F 点截断摆线时， 划出的弧又变成 BJ。于是，在所有这些情形中（考虑到空气和摆线的阻力）， 这摆都上升到平面 CD，虽然实际的路径都不同。同样，在回摆时，摆也总是 近似地上升到 C，而不管它是从 D 还是 G 开始回摆。看来重要的是摆降落的 高度，而不是弧的性质等等因素。

摆的振动


　　伽利略在他的动力学研究中所遇到的另一个困难，是要消除空气对他实 验中的运动物体所产生的阻力。当时抽气机还没有发明，因此空气的影响无 法消除。但是，伽利略确信，一块软木和一(43)块铅在坠落速度上的差别， 是由于在通过同样大小的空气阻力时，轻的软木比重的铅减速更甚。诚然， 在斜面实验中，物体向下运动的速度比垂直坠落时慢，因此空气阻力的影响 大大减小。然而，这时由于运动物体和斜面的表面相接触，所以又产生了一 种新的阻力。不过，伽利略发现了一种能在一定程度上摆脱这个困难的办法： 用一对摆做实验，其中一个摆由一个软木摆锤系上一根约四五码长的细线组 成，而另一个摆是个铅摆锤系上同样长短的细线。当这两个摆以同样方式和 同一时间运动时，它们沿着半径相同的弧运动。甚至在来回摆动许多次以后， 两者的运动仍看不到显著差异。因此，看来媒质的阻力在摆的振动中没有起 多大作用。这个事实使伽利略特别注意摆的实验。


　　　　　　　　　图 13—摆的振动的等时性 这些实验的结果之一，是证实了伽利略早年在比萨大教堂的观察，即相
同的摆摆动一次所花时间显然相同，而不管摆动的幅度是宽还是窄。这个结
果与伽利略的斜面实验的一个结果极其相似。当一个球从几个斜面滚下而它 们是一个垂直圆的不同弧的弦，并且每条弦都以该圆的最低点为终点时，它 划出每个平面所花的时间相同。因此（见图 13），这个球从 B、C、D 或 E 滚
到 F 或者直接从 A 垂直坠落到 F 所花的时间均相同。同样，一个悬置在 A 点
的摆，从 D1 摆动到 F 和从 E1 摆动到下所花的时间也相同。再使(44)几个有
的用铅锤、有的用软木锤但摆线长度相同的摆与垂直线成 50°角地摆动。起 初这些摆在垂直线（图 13 中的 AF）两边一起摆过 50°或 100°的弧。这些 弧渐渐地减小到 40°、30°、20°等等，直至全都停止摆动。但所有的摆动 都花去同样长的时间。伽利略看来把他的实验局限于较小的角度。对于较大 的角度上述定律并不成立。惠更斯后来表明，摆的振动的同时性仅仅对于沿 旋轮线的弧的运动成立，而对于弧不成立。但是，在小角度的情形中，这差 异可忽略不计（见图 14，图中 BFC 是旋轮线的弧，DFE 是圆弧）。
图 14—振动的圆形和旋轮线形路径 图 15—摆和齿轮
摆振动同时性的发现使伽利略想到有可能制造摆钟。他实际上曾指示他
的儿子和他的门徒维维安尼动手研制。他所设想的摆
钟如图 15 所示。一根硬的鬃毛 C 固定在摆 AB 上，摆每来回摆动一次，这鬃 毛都使装在轴 F 上的齿轮 D 转过等于一个齿宽的距离。所必需进行的计算并

不困难。问题是要发明某种装置，它使摆持续相当长时间的摆动，使摆钟足 可使用。惠更斯首先制成这种装置。

抛射体


　　在成功地把摆的振动和落体运动相类比之后，伽利略接着试图也对抛射 体运动这样做。他的研究根据两条原理，一条是惯性(45)原理（上面已经提 到过）的推广，另一条原理是：作用于一个物体的每一个力都产生其独立的 效应，这条原理是伽利略首先明确地提出的，虽然古代和中世纪的天文学家 已经运用过这条原理来解释天体运动。这些原理的应用自然而然地导致应用 运动或者速度的平行四边形法则，亚里士多德的《力学》（Mechanics）中在 某种程度上已经预示了这种法则。由于力和位移的合成定律相似，因此牛顿 把伽利略说成是力的平行四边形法则的发现者。


　　　　　　　　　　　图 16—曲线轨道 我们现在可以来考虑伽利略怎样把上述的原理运用于一个具体事例。假
设一个物体沿水平面运动。按照惯性原理，只要没有其他力作用于该物体， 它将趋向沿同一方向匀速运动。然而，如果物体运动的表面突然到了尽头， 那末重力便将开始起作用，引起一种新的运动。现在该物体将沿着一条曲线 路径运动。令 AB（图 16）表示终止在 B 点的水平路径。一当到达 B 点，该物 体便失去支承，于是便由于它的重量而产生了一种新的运动，即沿着 BN 垂直 坠落。但是沿水平路径的匀速运动并没有消灭。这两种运动组合了起来，该 物体既不仅仅沿 BCDE 运动，也不仅仅沿 BoGLN 运动，而是沿着曲线路径 BJFH 运动，这里 DF＝4×CJ，因为 BD＝2×BC，并且一个物体坠落的距离随时间平 方而变。同样，EH＝9×CJ。因此，该曲线是一条半抛物线。伽利略接着着手 证明，当把一个物体倾斜地向上抛射时，它的路径将恰好是一条抛物线。他 认为，一根两端固定、中间在重力作用下自由地悬着的绳子也趋于呈抛物线 的形状（事实上它极其接近于悬链线）。
伽利略知道，落体、摆和抛射体等的实际运动并不完全象他描(46)绘的
那样。为了得出结果，他必须把各种各样干扰因素排除掉。伽利略不得不忽 略空气的阻力、朝向地球中心的重力运动的会聚和其他环境因素，因为数学 分析尚没有充分发展，还不能同时处理这么多变量。约翰·伯努利和其他十 八世纪数学家对弹道学问题进行了更加精确的研究，但力学这个分支的完备 理论仍有待建立。

虚速度原理


　　伽利略不仅为区别于静力学的动力学奠定了基础，而且他还教导了称为 虚速度或虚位移原理的静力学和动力学原理的特殊结合。它们是指，一个质 点系沿着作用于这些质点的各个力的诸方向、在该质点系在这些力的作用下 作假想运动期间的诸速度或位移的诸分量；它们并同质点系的接法相容。这 个原理最早似乎是约翰·伯努利在 1717 年给瓦里尼翁的一封信中明确提到 的。”它断言，当质点系通过一个平衡位置时，各个力同它们各自作用的质 点的分速度的乘积的总和等于零。科里欧利斯在十九世纪初把它表述为虚功
　　
原理，这命题断言，当作用于一个质点系的各个力处于平衡时，它们在这个 系统作任意规定的无限小位移时所做的总功等于零。例如，一根处于平衡的 杠杆的情形便是这样（见图 17）。两个力 P 和 Q 成直角地作用于杠杆的两臂 ACB，结果杠杆失去平衡，而杠杆两臂分别发生位移 AD 和 BE。对于小的角度 来说，这两条线 AD 和 BE 可以看作是与 ACB 成直角的直线。于是，我们可以 说，当杠杆仍然处于平衡时，力 P 和 0 彼此与它们的位移戍反比关系，即 P∶ Q∷BE∶AD。这样，原来只是隐含的静态关系现在变得明显了。早先(47)人们 已经从杠杆隐含地认识到这条原理，那时它表达为格言的形式：“获得多少 力，就失去多少速度”；它在亚里士多德的著作中也已有预兆。


　　　　　　　　　图 17—杠杆和虚速度原理 伽利略还把这条原理运用到滑轮和斜面。例如，有重物 P 和 Q 在一个长
度两倍于高度的斜面上处于平衡（见图 18）。这里 P＝Q/2。伽利略指出，根 据这条原理，这两个物体的平衡可通过使它们靠近或远离地球中心来确定。 因为，如果重物 P 下垂距离 h，那么重物 Q 将升高距离 h/2。因为Ｐ＝Ｑ/2， 所以Ｐｈ＝Ｑｈ/２。


　　　　　　　　　图 18—斜面和虚速度原理 利用虚位移的概念，伽利略还确定在滑轮中力和负载之间的关系。通过
假定力和负载的路径ｓ和ｗ与负载分布于其上的绳子的数目成正比，伽利略
获得了方程Ｐｓ＝Ｑｗ。这力所做的功（Ｐｓ）等于这负载所做的功（Ｑｗ）。

碰撞动力学


　　伽利略的研究在局限于若干力作用于单个物体或质量的情形时，是卓有 成效的。但是，他在处理物体间的反作用时就不怎么成功，也没有能搞出它 们的数学定律。
伽利略清楚地认识到并指出，碰撞力取决于两个因素，即碰憧物体的质
量和它在碰撞时的速度。所以，他认为，一次碰撞的力无限地太子纯粹的压 力，因为在只有压力的情况下，这两个因素中决定碰撞能量的那一个即速度 等于零。因此，他还把一个静止物体的纯粹压力称为“死重量”。
伽利略做的碰撞实验中，有一项实验后来导致重大发展，这里介绍一下
这个实验可能是令人感兴趣的。他在一个横梁天平的一臂悬挂两只量筒，一 只在另一只的上面（见图 19）。上面的量筒盛有水，下面的则是空的。在另 一个臂上挂一个砝码，使这个系统处(48)于平衡。然后让上面量筒中的水（通 过这筒底部的小孔）流入下面的量筒。伽利略注视着当水流到下面的量筒时 发生的碰撞所产生的效应；但似乎没有发生什么。起初这个臂一度使这两个 筒略微上升了一点，好象这量筒系变轻了。但一当水流到下面的量筒，平衡 便重又建立，流水对下面的量筒的碰撞似乎没有产生什么效应。伽利略感到 不知所措，怎么也无法理解。然而，实际上应当这样来解释。一旦流动达致 稳态（假定上面量筒中的水量很大，以致在相当长的时间里水头明显地保持 稳定），便没有任何额外的力能作用于由量筒、流体和挂钩组成的系统，因 为流体处于稳态运动的那部分即这系统动量的总的垂直分量是恒定的。所 以，总的垂直外力等于零。又因为总重量显然是不变的，所以作用于挂钩的

反作用力必定和这总重量大小相等，方向相反，因此与最初状况相同。

图 19—一个物体系中各个力的相互关系

其他物理学研究：流体静力学


　　自从阿基米德时代以来，流体力学的研究一直遭到忽视。直到伽利略才 重又从事这种研究，他首先进行了一系列实验，来证实阿基米德所提出的流 体静力学定律。伽利略发现这些定律都是正确的。与一个固体的漂浮取决于 它的形状这种流行观点相反，伽利略象他的先辈阿基米德一样，也证明固体 的漂浮取决于它的比重，如果一个物体的比重小于一种流体，那么这个物体 将漂浮在这流体之上。阿基米德把漂浮与形式即形状联系起来的观点是以极 薄金属片漂浮在水面上这种类似现象为根据的。伽利略证明，这(49)些金属 片实际上处于水面上的一个空穴之中，一当侵入水中，它们就下沉，再也不 会升起。直到十八世纪发现了液体的表面张力以后，金属薄片和金属细针的 漂浮现象才真正得到解释。这个发现也解释了另一个伽利略无法说明的现 象，即叶子上的水珠的内聚性。
伽利略惜以将物体在液体中的漂浮与它们的比重联系起来而进行的实验
之一如下所述。他把一只蜡球浸在纯水之中。这只球沉到水底。然后，他把 不同量的盐溶解在水里，从而逐渐增加了水的比重。当溶液达到一定浓度时， 这蜡球便浮出水面。
伽利略还传播了这样的思想：流体由孤立的粒子构成，这些粒子非常活
动，哪怕最轻微的压力也会使它们运动。这样，每个压力都传遍整个流体。 这种概念今天仍得到公认，而且实际上是一切流体静力学和流体动力学研究 的基础。
伽利略试图把流体力学和固体力学的一般原理联系起来。为此，他首先
把虚功（或虚速度）原理运用于流体静力学关系。巴斯卡首先完全认识到流 体静力学的这种新方法的全部意义，并充分加以利用。
在研究静态关系时，阿基米德引入了“静力矩”的概念，而在解释简单
机械时，他集中注意有关重物和它们与支点的距离。但是，伽利略从动力学 的观点来看待静态关系，把重物和它们的虚降落（即当系统发生位移时它们 的降落）或虚位移的距离看成是决定平衡条件的决定性因素。这种虚速度或 虚位移的原理归根结底等于是说：当力所做的功等于负载所做的功，而所做 的功用重量乘以垂直位移计算出来时，平衡保持着。
　　伽利略把虚速度原理应用于流体静力学的最简单例子，是把一个棱柱形 物体浸在一个注满某种液体的相似的棱柱形容器中。伽利略将这棱柱体的位 移或其等效速度同流体表面朝相反方向的位移相比较。棱柱体位移或速度和 液面的位移跟相应的表面即棱(50)柱体的底和流体的表面成反比关系。当再 把棱柱体取出时，流体的液位就相应下降。如果要保持平衡，则浸入物体的 重量和其速度的乘积必须等于流体升高部分的重量和速度的乘积。虚速度原 理就这样应用在这种情况中。伽利略还把这条原理推广运用于相互联通的管 道中流体的关系，认为这种情形与上述例子相似。因为，流体在细管子中的 降落和在粗管子中的上升类似于棱柱体侵入和水位随之升高，这升降同样也 与管子直径的平方成反比。
　　

气体力学


　　从古代起人们就已相信，空气象火一样也具有“轻多”的属性即绝对上 升的倾向，而水和上则绝对地“重”即倾向下降。伽利略用实验证明了这种 关于空气的观点的虚假性。他取一个玻璃泡，用注射器注入空气。然后，他 仔细称量这个充满压缩空气的玻璃泡。当秤精确平衡时，打开玻璃泡口，让 强迫注入的空气逸出一些。于是观察到，这个玻璃泡重量明显减轻。这表明， 空气具有“重”的性质即重量。因为，如果空气是轻的，那么当把额外的空 气强加入玻璃泡时，玻璃泡应当变得更轻，而部分空气的逸出应使它变得更 重。伽利略在证明了空气具有重量之后，接着便着手测定空气的比重。他给 一个充满空气的玻璃泡注入四分之三的水，但不让空气逸出。然后，精确地 称量这个泡及其内含物。接着再让空气逸出，放掉原先充入的空气的四分之 三。再次称量这个泡和剩余的内含物，因此逸出空气重量的测定是相对相同 体积的水的重量进行的。伽利略估算出水比空气重 400 倍。实际上，水比空 气重 773 倍。然而，当然必定是由于秤的不完善而产生了误差，他用这秤来
衡量逸出相当小体积的空气所引起的差别。


图 20—真空的阻力 鉴于伽利略对空气重量的测定，似乎令人惊讶的是，他竟未能(51)解开
水泵和类似现象的奥秘。经院哲学家通常把抽水机中水的上升和空吸之类现
象以及光滑板附着都解释为由于据说大自然憎恶真空所致。伽利略对这种超 自然性质的解释可能不满意，但他又不能完全摆脱这种解释。他至少试图通 过测量阻止真空形成的阻力的大小来从实验上测定这种现象的定量特性《谈 话》中对这个实验作了如下描述：“我将告诉你们怎样把真空的压力和其他 力分离开，然后又怎样测量它。为此让我们考虑一种连续实质，它的组分都 丝毫不阻止分离，除了来自真空的以外，例如在水的情形里。??每当一筒 水受到一个拉力作用时，它总是要抵抗对它各部分的分离作用，这可以归因 于真空的阻力。为了尝试一下这种实验，我发明了一种装置。我可以用示意 图比仅仅用文字更好他说明它。设 CABD（图 20）表示用金属或者更可取的用 玻璃精密加工制成的一个中空圆筒的截面。这筒里再放入一个纹丝不差地恰 好容下的木筒，其截面用 EGHF 表示，它能上下运动。这个圆筒的中央钻一个 孔以穿过一根铁丝，后者的下端 K 装有一个挂钩，而上端 I 有一个圆锥头。 这个木筒柱体顶部开有一个锥口孔，以便当下端 K 被拉下去时，精确适配地 容纳铁丝 IK 的圆锥头。现在把木筒 EH 放进空心圆筒 AD，不让它触及后者的 上端，而留出二三指宽的空隙；把这容器口 CD 朝上地拿住，并把木塞 EH 往 下推，这样给这个空隙注满水，在这同时使铁丝的圆锥头 I 保持脱离木筒的 那个中空部分。这样一当按下木塞，空气便沿着铁丝（它未与孔紧密配合） 逸出。在空气逸出，铁丝的头又回到木筒的锥形凹陷之中以后，把这客器倒 过来使它的口向下，再在挂钧 K 上挂上一只桶，桶内可装上砂子或其他沉重 的东西，其数量足以使原来只是由于真空的阻力而吸附于水的下表面的木塞 之上表面 EF 最后(52)与这水面分开。现在把木塞和铁丝连同桶及内装物料一 起称量；这样我们将得出真空的力” （ Discourses concerning Two NewSciences， p.62，Vol.Ⅷ，of the National Edition; Crew andde Salvio

的英译本，p.14f.）。


声学


　　我们主要是从默森那里了解到伽利略的声学工作，默森在伽利略的影响 下和在他的直接指导下继续进行声学工作。伽利略正是由于作出了有关摆振 动定律的发现而注意起弦的振动，尤其是所谓和应振动现象，通常将它归因 于其他弦同振动弦的和应。首先，伽利略证明，一个律音的音调依赖于一个 给定时间内的振动次数。他利用下述实验来证明这一点。他用一个锋利的铁 块划一块黄铜板。这样，每当产生了一个清晰的律音时，伽利略就记下铜板 上留下的一条条等距离细线的条数。当划动加快时，他获得一个更高的律音， 而线条更加靠拢；当律音较低时，线条离得较开。显然，线条的接近程度和 数目相应于铁块振动次数的多少。为了定量地研究这个声学现象，伽利略接 着利用每当产主某个律音时单位时间内留下的线条数目。例如，他通过相继 较快和较慢地划动铜板产生两个律音，而当他获得两个和音（它们在音乐中 据说构成“五度和音”）时，他计算了黄铜板上留下的线条数目，测量了它 们的间距，结果发现高音有 45 条线（因此也就是振动 45 次），低音有 30 条线（因此也就是振动 30 次）。当然，关于律音和产生律音的弦的关系的实 验是非常古老的。毕达哥拉斯（公元前六世纪）就已进行过这种实验。但是， 迄今所研究过的关系一直仅仅是律音调和弦的长夜间的关系。伽利略第一个 注意到振动速率（即频率）是决定任何发声体所产生的律音之音调的真正重 要因素。通过上述那(53)种简单实验，伽利略发现了主音、四度和音、五度 和音和高八度音的振动速率之比为 1：4/3：3/2：2 即 6：8：9：12（Discourses
con-cerning Two New Sciences，第一天，将近结束时）。这些实验很重要，
但可惜的是它们在某些方面没有解说清楚。 伽利略还考虑了律音和谐与不和谐的生理问题。他认为，当产生律音的
振动以一定的节奏规则地刺激耳朵鼓膜时，这律音听上去就和谐。另一方面，
当振动没有节制时，所产生的律音听起来就不和谐，因此它们对鼓膜的作用 就不规则，是一种骚扰。

光学和磁学


　　除了制造望远镜而外，伽利略并没有花更多精力研究光学。值得指出的 是，他假设光以有限速度行进，而且他为了确定这一点，曾实际进行过一些 光信号实验。但是他没有取得成功。
　　在吉尔伯特的磁学工作的影响下，伽利略曾试图运用磁学概念解释天文 学现象。这些尝试的说明在他的《对话》中占有一定篇幅。例如，他把诸如 地球绕轴自转和地轴方向固定不变等现象以及月球总是以同一侧面朝着地球 这一事实都归因子磁的作用。他还对磁石进行过各种实验，证明用一块抛光 的衔铁如何能大大增强磁石的磁力。于是，他宣称已使一块磁石的磁力增加
了 80 倍， 使一块磁石吸起 26 倍于其自身重量的负载。

验温器及其他

　　伽利略对验温器（即温度计）以及显微镜和望远镜等仪器的制 造和使用 所作的贡献将在关于科学仪器的那一章里叙述；他对梁 的强度的研究则将在 第二十一章中论述。
　　（参见 J.J.Fahie，Galileo，1903，和 Memorials of Galileo，1929； W。W.Bryant，Galileo,1925。）
　　
第四章 十七世纪的科学社团(54)

科学社团的产生


　　罗马教会虽然能监禁伽利略的身体，但他的科学精神却仍在传播。不仅 是他的门徒维维安尼和托里拆利，而且许多其他人也都受到他对实验科学的 热忱的感染；在一个相当短的时间内，为了促进实验科学这个特殊目的，一 批有影响的机构在它们成员的合作下组织了起来。许多成员由此受到激励而 进行他们自己的各种重要科学研究。这些新机构中，最重要的有佛罗伦萨的 西芒托学院、伦敦的皇家学会和巴黎的科学院。
　　科学社团在那时形成并不是偶然的；它是那个时代精神的重要标志。正 是这种精神促使弗兰西斯·培根在他的《新工具》（No- vum Organum）的扉 页上，刊载一艘帆船无畏地扬帆穿越直布罗陀海峡——旧世界的界限的照 片。
　　这是开拓者的黄金时代。人的精神长期受传统和权威的禁锢。人们对知 识的渴求只能在权威认可的寥寥几本书里去得到满足。智力活动的欲望也只 能通过比较和调和其他人的言论来发泄。除此之外的一切言行在一定程度上 都被视为越轨。然而，反抗的力量在逐渐增长；尽管既有的权威横加阻拦， 但一些勇敢的有识之士还是冲破了经院哲学的枷锁，冒险航行到地图上没有 标绘过的海洋，想亲眼看看世界，用自己的理智解释它。大学可望带头，或 者至少参与这个理智解放运动。但是它们根本没有这样做，因为它们受教会 控制。哲学仅仅是神学的侍婢，而大学则是教会的灰姑娘①。事实上，这个
时代的鲜明特点是，绝大多数现代思想先驱都完全脱离了大学，或者只同大
学保持松弛的联系。为了培育新的精神，使之能够发现自己，就必须有新的、 本质上真正世俗的组织。弗兰西斯·培根在他的《新大西岛》（New Atlantis） 中向往这样的机构。他的后继者在一定程度上受他的远见的激励目睹(55)了 他的梦想成为现实。科学社团正是顺应新时代的新需要而诞生的。就在这些 社团里，现代科学找到了机会，受到了激励，而大学不仅在十七世纪，而且 在以后相当长时间里都一直拒绝给予这些。

西芒托学院


　　这个实验学院于 1657 年在佛罗伦萨建立。它的发起人是伽利略的两个最 杰出的门徒维维安尼和托里拆利。美第奇家族的托斯卡纳大公斐迪南二世及 乃兄利奥波尔德提供了必要的资助，他们两人都曾在伽利略的指导下学习 过。在这个学院正式建立之前十几年，美第奇弟兄俩就已创办了一个实验室， 完善地配备着当时所能获得的科学仪器。在 1651 到 1657 年间，各方面的科 学家为了进行实验和探讨问题，多少定期地在这个实验室里聚会。西芒托学 院仅仅是这种非正式团体的一个比较正式的组织。这两位美第奇人继续是它 的资助人。他们是真正热心而又积极的资助人。利奥波尔德亲王尤其如此。 值得注意的是，池被封为红衣主教那年（1667 年），这学院的活动便告中止。 难怪有人怀疑这是一笔肮脏的交易，从学院的关闭看出教皇向这位想当红衣 主教的亲王勒索了一笔钱。
佛罗伦萨实验学院成员的名册中，除了维维安尼和托里拆利以外，还有

解剖学家波雷里（他将力学原理应用于生理学）、丹麦解剖学家和矿物学家 斯特诺、胚胎学家雷迪和天文学家多米尼科·卡西尼（他后来是新建立的巴 黎天文台事实上的台长）。这些人和其他一些人在 1657 到 1667 年间一起进 行了许多次物理学实验。
　　当 1667 年学院解散时，一位成员安东尼奥·奥利瓦在罗马落入宗教法庭 的魔掌，为了逃避拷打，他从监狱的高窗跳下自杀。幸运的是，记载最重要 研究成果的一份记录留传了下来。
西芒托学院的成员 1667 年在佛罗伦萨发表了《西芒托学院自然实验文
集 》 （ Saggi di naturali esperienze fatte nell ’ Accademia del(56)Cimento），叙述了他们共同做的实验和发现。 （英译本： RichardWaller，Essays of Natural Experiments made in the Academie del Cimento，London，1684。）这部著作最重要的部分系论述温度和大气压的测 量。
　　《文集》最详细的部分用于叙述空气自然压力的实验。院士们重复做了 托里拆利的气压研究（见第五章），做了大量有趣的气体实验。在一个实验 中，一只仅含有一点点空气的小的气囊悬挂在一个气压计量管顶端的钟状容 器的盖子上（见图 21）。气压计的量管注满水银，再把盖子盖上，气囊放在 容器之中。让水银沉降，这样便在气囊周围形成了一个托里拆利真空，而这 个气囊在其内含空气压力作用下立即胀足。
用类似仪器还表明：在托里拆利真空中，众所周知的液体在细玻璃管中
的升高仍旧发生，液滴保持它们的球状，一枚针被磁石吸引；因此，这些现 象都与空气压力无关。但是，试图确定在这真空中，已励磁的琥珀是否会吸 引稻草，铃声是否听得见的试验仍无确定的结果。成员们重复进行了玻义耳 的几个实验，包括温水煮沸；他们观察了动物在没有空气的情况下的行为。 他们还制造一台抽气机，但这已证明是个失败。
他们发明了好几种仪器，用来演示大气压怎样随着地面以上高度的增加
而减少。图 22 表示出这些仪器的一种，它是一根带刻度的两端开口的玻璃 管，插在一个侧壁有一个孔但其余部分都封闭的玻璃容器之中。把足够的水 银灌进该容器，淹没玻璃管的下端，然后将侧壁的孔密封。如果现在把这个 仪器放到某个塔的顶端或者其他高的地方，那未就会发现管子中的水银在上 升，因为密封容器中的压力现在超过管子中水银表面所受到的压力。
他们进行了大量有关水和其他液体的凝固的实验，有些实验中应用了如
笛卡尔在他的《气象学》（Météores）中所叙述的那种冰和盐的冷凝剂。水 结冰时的膨胀比率正确地估计为约 9∶8；在这些实验的过程中，这种膨胀显 示出了巨大的力量。金属容器住满水，严实地密封，然后周围放上冰。结果 发现，它们由于受到里面(57)的水在结冰时产生的压力的作用，因而总是爆 裂。院士们用一个摆来比较用冷凝剂凝固不同液体试样所需要的不同时间。 为了提高测量时间的准确度，他们利用双线悬挂来使摆锤始终保持在同一平 面上（见图 71）。他们还尝试过一个重要实验：把一块冰放在(58)一面凹镜 面前某个距离处，观测一个放在凹镜焦点处的灵敏温度计的指示。温度计显 示出温度下降，但是用冰直接冷却的可能性并不能排除，因此这个实验被认 为是无说服力的。
　　为了研究水的压缩性，院士们重复了弗兰西斯·培根的实验。他们把一 个银容器注满水，严实地密封，然后用锤打得它变形，使之容量减小，从而
　　
压缩了所封闭的液体。然而，他们发现这水通过金属微孔流逸。尽管这个结 果使人相信水是非常不可压缩的，但这些研究者仍不敢断言水是绝对不可压 缩的。水实际上可压缩这个事实约在一个世纪以后才由坎顿所证实。

图 21—真空实验


图 22—西芒托学院的气压计 西芒托学院的戌员进一步研究了固体和液体的热膨胀、某些物质溶解在
水中时热的释放和吸收以及电和磁的基本现象。他们通过记下一门发射已知 距离的大炮闪光和炮声的视在间隔时间来计算声速；但是他们错误地以为风 对声音的视速度没有影响。他们也重复了伽利略测定光速的尝试，但得出了 否定的结果。学院还第一次进行了几个伽利略所提出的抛射体实验。例如， 证明了在塔顶从一门大炮水平地射出的一个球与同时坠落的一个类似的球于 同一时刻到达地面。
　　学院成员中托里拆利特别关心光学问题。他证明了小的玻璃球怎么能用 作为放大率相当高的单显微镜。他还用几何学方法研究了透镜的性质，制造 了望远镜，他们改良了伽利略的望远镜。
波雷里特别研究了毛细现象，然而他关于这个问题的著作与学院同人的
著作分开出版。列奥那多·达·芬奇（1490 年）早已描述过液体在细玻璃管 中的上升，但为巴斯卡所忽视。波雷里发现了这上升如何取决于管子的性质。 他注意到，管子内侧湿润时，液体上升比干燥时更显著；他还发现液体上升 的高度与管子直径成反比（ｈ∶ｈ＇＝ｄ＇∶ｄ）。他也发现漂浮在液体上 的两个物体（例(59)如漂浮在水上的木板）当处于一定距离之内时会互相吸 引，如果两者先前都已被该液体弄湿的话。然而，他发现，如果仅仅一个物 体弄湿，那么将发生排斥。克勒洛约在十八世纪中叶首先对这些毛细现象作 出了令人满意的解释。
如可能已经注意到的那样，西芒托学院的研究就下述意义而言，是严格
科学的：采用精密的实验方法，所得出的结论严格限制于观察证据的必然， 而不试图作思辨的遐想。这种自我约束可能主要是由于相互批评所使然，而 这种批评是成员们共同研究的合作的自然结果。因为正如拉普拉斯后来所指 出的，“个别科学家可能容易犯武断的毛病，而一个科学团体将会被各武断 观点间的冲突搞得立时解体。而且，试图说服别人的愿望还导致只接受观察 和计算结果的一致意见”（Prècis de L'histoire de L'astronomie,1821， p.99）。不无可能的是，伦敦皇家学会的许多会员所以对思辨施加限制，尤 其是牛顿所以厌恶科学上的思辨假说，也是由于类似的原因，虽然皇家学会 会员的个人主义比它的意大利楷模的成员们要显著得多。

皇家学会



图 23—布龙克尔 查理二世 培根 皇家学会看来是从弗兰西斯·培根的实验哲学的追随者们的一个非正式
社团发展而成的。这些人约从 1645 年开始每周在伦敦聚会讨论自然问题。他 们中间有：著名的数学家和神学家约翰·沃利斯（1616—1703）；后来的切

斯特主教约翰·威尔金斯（1614—72），他的兴趣广及力学发明和天文学思 辩；一批物理学家包括乔纳森·戈达德、乔治·恩特和克里斯托弗·梅里特； 格雷歇姆学院天文学教授塞缪尔·福斯特；特奥多尔·哈克，这些星期聚会 的主意似乎是这个德国人出的。这个社团表现出广阔的兴趣和评论范围，但 是其成员约定把神学和政治排除在他们的讨论范围之外。
图 24—亨利·奥尔登伯格 图 25—约翰·威尔金斯
随着沃利斯、威尔金斯和戈达德等人约在 1649 年迁居(60)牛津，该社团
这一分为二，在牛津形成了一个小规模的团体，它包括萨维利亚天文学教授 塞思·沃德（1617—89），他在著作中试图改进当时的行星理论；以及最早 对人口和死亡率统计进行系统研究的著作家之一威廉·配第（1623—87）。 牛津学会一度在罗伯特·玻义耳（1627—91）的寓所聚会，玻义耳的名字前 面已经提到过，我们在化学史上还将再次遇到他。然而，这个学会很快由于 迁居而失去了许多最积极的成员，终于在 1690 年告终。其间伦敦的那一支却 兴旺发达，它的成员中有：克里斯托弗·雷恳（1632—1723），精通许多门 学科，虽然今天人们主要提到他是个建筑师；劳伦斯·鲁克（1622—62）， 他在成为格雷歇姆学院的天文学教授之前，曾经是玻义耳的化学助教；罗伯 特·莫里爵士，他一直是查理一世的一位坚决支持者，直至学会合并之前， 一直任学会会长；布龙克尔勋爵（1620—84），一位杰出的数学家，学会合 并之后当选为会长；以及日志秘书约翰·伊夫林。这些人士和许多其他人都 习惯于在雷恩和鲁克的星期演讲之后在格雷歇姆学院聚会。1658 年，由于当 时政治动乱，这些聚会一度中断，学院也变成了一座兵营。


　　　　　　　　　　图 26—格雷歇姆学院 然而，查理二世复辟后不久，那些不久便成为皇家学会核心的人又恢复
了他们在格雷歇姆学院的星期聚会。同时，他们还制定了一项计划，旨在建
立一个致力于探索实验知识的正式学会。1662 年 7 月 15 日，皇家学会蒙特 许准予成立，这个计划终于得到实现。翌年又颁发了第二个特许状，准予扩 大该学会的特权。
皇家学会一开始就形成一个惯例，即在学会的会议上把具体的探索任务
或研究项目分配给会员个人或小组，并要求他们及时向学会汇报研究成果。 例如，我们发现布龙克尔勋爵曾承担进行枪炮反冲实验的任务；玻义耳应邀 演示他的抽气机的工作；准备一份关于树木的解剖学的报告这个任务委派给 了伊夫林。同时，学会还要求会员进行任何他们认为将促进学会目标的新实 验。最早需要尝试的这种实验包括：用化合方法生产颜料，通过焙烧锑看看 在这过程中锑的重量是否增加，测量空气的密度，定量比较不同金属丝的致 断负载，以及多次进行的压缩水的无效尝试。因此，早(61)期的会议都是会 员作报告和演说，演示实验，展览各种各样稀奇的东西，并对所有这些所引 起的问题进行活跃的讨论和探究。随着时间的推移，逐渐建立了一些委员会 来指导学会各部门的活动。其中之一的贸易史委员会从事工业技术原理的研 究，其间不时向学会作出的报告涉及诸如海运业、矿业、酿酒业、精炼业、 羊毛制造业等等工业。有一个委员会收集关于自然现象的报告，另一个委员

会致力于改进机械发明。此外，还有天文学、解剖学、化学等等学科的委员 会。然而，学会的特权并不包括捐款，等到几年以后会员才得以享受使用专 门实验室设施的权利。
　　1662 年，罗伯特·胡克被任命为皇家学会的干事，职责是为每次会议准 备三或四项他自己和任何别人的实验，以应学会的不时之需。胡克是那时皇 家学会中最有才干的实验家和最有独创性、最富有想象力的发明家。他所进 行的一些与皇家学会有关的研究值得在这里介绍。为了确定重力是否随着离 地球中心的距离的增加而明显减少，胡克把一架精密天平放在威斯敏斯特教 堂的尖顶上，称量一块铁和一根长的包扎绳的重量。然后他用这绳子把这铁 块悬挂在一只称盘上，再称量这铁块和绳子的重量。如果现在由于这铁块大 大接近地面而重量增加，那末重力便确有明显减少；但是胡克并没能检测出 在这两种不同条件下有明显的重量差别。后来，他又在旧圣保罗教堂的尖顶 上重做了这个实验，在那里他也有机会研究一个 200 英尺长的摆的行为。胡 克最早与皇家学会的通信之一是报告了一种证实称为“玻义耳定律”的物理 关系的方法，他同这种方法的首创有密切的关系。胡克还用他自己设计的一 种仪器进行了一系列关于透明液体的折射率的测量。学会会员们利用他的显 微镜热切地观察了软木细胞结构、“醋鳗”、昆虫的解剖以及后来在《显微 术》（MicrograPhia）（1665 年）中记叙和描绘的各种其他微小物体。
(62)除了理化科学的研究之外，皇家学会的早期会员尤其是医学家还极
其重视生物学问题，对动物进行了大量解剖和实验。皇家学会的特权之一是 有权要求解剖被处决的死囚尸体，1664 年成立了一个委员会，主持每逢处决 日进行的解剖。塞缪尔·佩皮斯在人会以后（他最后成为皇家学会会长）对 学会这一部门的工作特别关心。学会收到全国各地医生寄来的叙述极其有趣 的临床病例的报告。医学会员还广泛进行动物解剖实验，虽然通常都没有获 得什么有用的或结论性的结果。他们还把液体（例如水银、烟叶油等等）注 射进动物静脉，或者切除器官，割断神经，结果都作了记载。他们进行了许 多给相似或不同的动物包括狗、羊、狐狸和鸽子等输血的实验——这是皇家 学会获悉洛厄在牛津输血成功后受到激励而进行的一项研究。后来还尝试过 把羊血输入人体静脉的实验，没有出现不幸的后果。
空气在呼吸和燃烧中的作用主要是玻义耳和胡克两人借助抽气机进行研
究的。把小动物或者点亮的灯，有时把它们一齐放在抽气机的客器里，观察 它们在抽掉空气时的情况。胡克表明，通过从气管上的开孔把空气注入狗肺， 已解剖的狗的心脏便还能跳动一个多小时。好些会员亲自试验了一个给定大 小气囊容纳的空气所能供给呼吸的次数。当发现动物尸体虽加密封以排除掉 空气，但仍有蛆滋生时，自然发生的可能性问题便在学会会议上提出进行讨
论。
为了储存学会所得到的日益增多的自然标本（动物、植物、地质等等），
1663 年开设了一个陈列室，由胡克经管。陈列室还保存了会员制造或发明的 许多仪器和机械装置，以及许多没有科学价值的珍品。这些东西不少是旅游 者从国外带来的。皇家学会确实对外国的状况、自然物产等等情况进行了大 量探究，欢迎探险家、船长和其他人提供报告，以及他们可能发现的任何有 价值的矿石、产物等等的标本。早在 1660 年就制定了一项使用气压计、温度 (63)计、湿度计、摆等等进行物理实验的详细计划，并且到特纳里夫岛在海 平面直到山顶的不同高度上进行试验。

　　皇家学会还经常研究当时流行的那些对会员不无影响的信仰。克里斯托 弗·雷恩爵士讲述过一个传说，说是一个伤口和后来拆掉的绷带间发生了“同 情”；尝试过用蝰蛇的化成粉末的肺和肝来创生这种爬行动物；还报道过好 几种磁疗法。讨论了蝾螈的种种奇异特性，还做过一个实验，看看当一只蜘 蛛被“独角兽”的角的粉末包围时，能否逃脱，这角粉显然是由白金汉公爵 提供的。
　　《皇家学会哲学学报》 （ Philosophical Transactions of the RoyalSociety）于 1665 年 3 月由学会秘书亨利·奥尔登伯格独自出版。《哲 学学报》的内容主要包括会员投交的论文和摘要、各方报告的观察到奇异现 象的报道、与外国研究者的学术通信和争论以及最新出版的科学书籍的介 绍。
　　皇家学会旱期会员对一切新奇的自然现象普遍感到好奇，这证明是造成 他们软弱的根源。他们把研究的网撒得太宽，因此丧失了统一地长期集中研 究一组有限的问题所会带来的好处。所以，应当说，这个年轻学会对发展科 学的真正意义，与其说在于它对科学知识的积累作出了共同贡献，还不如说 在于它对它所聚集的那些杰出人物产生了激奋性的影响，我们还将论述他 们，他们各人都有其专门的探究领域。

法兰西科学院


　　法兰西科学院起源于将近十七世纪中叶时巴黎一群哲学家和数学家的非 正式聚会。这批人包括笛卡尔、巴斯卡、伽桑狄和费尔玛等人，他们经常在 墨森的寓所聚会，讨论当前的科学问题，提出新的数学和实验研究。后来， 聚会改在行政法院审查官蒙莫尔和博(64)览群书、周游四方的塔夫诺的宅邸 举行，也比较定期了。包括霍布斯、惠更斯和斯特诺在内的外国学者也都被 吸引来了，最后根据夏尔·佩罗的建议，科尔培尔向路易十四建议设立一个 正规的学院。这个机构原先打算兼及历史和文学以及科学问题，但是这个计 划没有实现，当 1666 年 12 月 22 日这个新学院举行首次会议时，它成了一个 完全致力于科学研究的聚会。其成员得到国王的津贴，研究活动也得到资助。 这些研究分成数学（包括力学和天文学）和物理学（当时认为物理学还包括 化学、植物学、解剖学和生理学）。院士们在毗邻一个实验室的皇家图书馆 的一个房间里聚会，共同进行研究。他们一周聚会两次，会议轮番讨论物理 学和数学。


图 27—巴黎科学院（路易十四视察） 在纯粹物理学方面，科学院重做了西芒托学院和皇家学会的许多实验。
他们研究了水凝固时把金属容器爆裂的能力所表现出来的水凝固的膨胀力。 他们还使用抽气机进行了好些实验。有一个实验把一个盛有一条鱼的水缸放 到一个容器中。当抽空容器中的空气时，没有观察到变化，但当重新放入空 气时，鱼便沉到水缸底部停留在那里，因为鳔中的空气在上次抽气机容器抽 空时也被抽空。为了确定热是否能透过真空，把黄油放在容器中，抽掉空气 后把一块炽热的铁靠近之。结果发现，当把这铁靠得足够近时，这黄油便熔 化了。发现一株植物在一个抽掉空气的容器中放上几天后便停止生长了。还 进行了一些实验，想确定水的沸腾是否对随后水凝固的快慢有什么影响。没

有看出任何这样的影响，但是发现沸水由于其中没有溶解空气，因而形成的 冰更硬也更透明。科学院的早期成员之一马里奥特用这种冰制成了取火镜。 在这些物理研究中，惠更斯起了领导作用，正是在巴黎作为科学院院士时， 他写作了《光论》（Traite’de la Lumiere）（1690 年）。
　　科学院最早的化学研究包括对某些金属焙烧时所表现出来的重量增加的 研究。杜克洛把一磅粉末状的锑置于一面取火镜的作(65)用下历时一小时， 发现锑的重量比原先的增加了十分之一。他猜想锑重量的增加，是由于增加 了来自空气中的含硫粒子。然而，有一种意见认为，这锑可能是通过损耗容 器而增加重量的。他们分析了许多地方的矿泉水，并把结果进行了比较。
　　在生物学的研究中，院士们的目标是运用他们的眼睛和理性，尤其是眼 睛来研究动物和植物器官的构造和功能。他们的《动物自然史》（Natural History of Animals）（1666 年起；英译本：Alexan-der Pitfield. London，
1702）系根据对相当数量动物包括一头豹和一头象（他们从凡尔赛动物园得 到它们的尸体）的考察和解剖而写成的。然而，这些解剖并没有按预定的计 划进行，它们旨在说明所研究的这些动物的特性，而不是它们的相似之处。 然而，它们消除了自然史上某些一般的错误。以皇家学会为楷模，院士们进 行了狗和其他动物血的输血实验，但是成效甚微。他们长期研究了血、牛奶 和其他这类流体的凝结，尤其是凝结发生的条件。科学院的会议偶而也解剖 人体。人的眼睛和耳朵的结构都得到仔细的描述，在这方面马里奥特作出了 眼睛盲点的重要发现。
科学院研究植物构造的方法非常原始，使人误以为获得了很有价值的结
果。一种常用的操作是把从给定的植物熬出和榨出的液汁同某些铁盐或铅盐 溶液混合，如果产生了颜色或者沉淀的话，就宣称哪些植物含有更多“地上” 含硫盐。由于发现“治伤的”药草能够淀积溶解在醋中的铅，他们便认为这 萃取物吸收了使醋对舌头产生特殊作用的“特征”（笛卡尔的一种见解）， 而这种药草也以类似的方式作用于使伤口溃烂的酸；因而药草有疗效。研究 植物的另一种方式是榨出它们的液汁，然后让液汁蒸发，再检查结晶出来的 精盐，然而，大量时间浪费在用甑分馏植物上面。冒出的蒸气被凝结，然后 用升汞和其他试剂来试验酸反应和“含硫物”的性质，(66)颔中的残渣则抛 弃掉。用这个方法处理了四百五十种不同的植物，有一次一下子就分馏了四 十只蟾蜍。直到 1679 年，才有马里奥特指出这种处理是徒劳的，它必然要破 坏所要检查的物质。
科学院的纯数学研究主要讨论笛卡尔在该领域的工作和几何学中应用无
限小量所引起的种种问题。院士们撰写了许多专著；还联合编著了一本关于 力学的论著，但是没有什么科学价值。在流体静力学中，院士们按照托里拆 利业已制定的方法研究了从容器出来的射流的速度和压头间的关系。
　　在应用力学的领域内，科学院指派几个院士研究工业上常用的工具和机 械，旨在阐明它们的工作原理以及改进或简化它们的结构。此外，院士们还 设计了许多有创造性的机械装置，并发表在一本有图解的样本上。尤其注意 了无摩擦滑轮组、泵和自动锯。这些发明者中最主要的是佩罗。他设计了一 面可活动的镜子，控制一颗恒星或其他天体的光线使之进入一架大型固定望 远镜。这个装置在一定程度上是现代定星镜的前身，它使观察者不用移动望 远镜就能跟踪一颗恒星的行程。佩罗还发明了一种用水使摆保持运动的钟， 水轮番流入在摆的两边的容器，交替地把它们压降。
　　
　　科学院的天文学院士尤其是皮卡尔和奥祖的工作代表一种独特的进步， 因为他们首创系统地把望远镜和刻度盘结合起来实际应用于精密测量角度。 利用物焦平面上相交的刻度线精确地确定望远镜的准直线。测微计也被系统 地应用于测量望远镜视野中同时看到的物体的微小角距离。皮卡尔设想利用 恒星中天时间来测定恒星的赤径差，为此他使用了惠更斯新研究出的摆钟。 在巴黎专门研究了大气折射这个多少被忽略的因素。院土们最早的天文学(67) 观测，是在他们惯常聚会的地方的一个后花园中进行的。但是这个地方被房 屋团团包围，因此他们吁请国王建造一所正规的天文台。天文台按照克洛 德·佩罗的设计建造在圣雅克近郊，实际建成是在 1672 年。从 1669 年起， 科学院的天文学工作是在科尔培尔邀请到巴黎来的一位意大利天文学家G. D. 卡西尼的领导下进行的。
　　科学院组织了几次海外考察。其中有两次尤其值得一提。1671 年，为了 精确测定已成为废墟的从前的第谷·布拉赫的天文台乌拉尼堡的位置，皮卡 尔前往丹麦。他回来时把奥劳斯·勒麦带到巴黎，后者成为科学院的院士， 在法国期间，作出了光逐渐传播这个重要发现。另一次考察由让·里歇率领，
于 1672 年到卡宴去观察火星的一次冲。根据对里歇的观察和卡西尼同时在巴 黎作的观察所作的比较而推算出的火星和太阳视差的值，在精度上远远超过 以往所获得的值。里歇还作出了一个重要发现：为了走秒时，钟摆在卡宴必 须比在巴黎制作得短——这个发现标志着开始考虑地球的确切形状。
1683 年科尔培尔逝世后，卢瓦就任皇家科学院的督导。他不屑于纯粹理
论研究，因此科学院的活动一直趋于沉寂，直到 1699 年比尼翁彻底改组并扩 充了科学院。

柏林学院


　　十七世纪里德国建立了许多科学社团。最早的一个这种团体是 1622 年由 生物学家和教育改革家约阿希姆·荣吉乌斯在罗斯托克建立的艾勒欧勒狄卡 学会，旨在促进和传播自然科学，把它建立在实验基础之上。然而，这个学 会似乎仅维持了两年左右。三十年以后，建立了自然研究学会。这个学会基 本上是医生的行会，它的主要活动是出版一份期刊，刊载会员的医学专业研 究成果。1672 年又建立了实验研究学会，它从其创立者阿尔特多夫的克里斯 托弗·施图尔姆的学生中吸收新会员。施图尔姆把他精心收集的一批物理仪 器供他的学会用于进行特殊的实验工作。然而，唯(68)一能与皇家学会或法 兰西科学院并驾齐驱的德国科学社团是柏林学院。作为它的创始人菜布尼兹 的理想的体现，柏林学院必须被看作是十七世纪的产物，尽管因为它直到
1700 年才建立，所以这里我们不去叙述它后来的命运。 柏林学院是菜布尼兹多年精心规划和不断鼓吹的结果，虽然这仅代表了
他那雄心勃勃的宏图的一部分。他起先同流行的教育方法相抵触，这些方法 都强调抽象思维和纯粹文字上的学识。莱布尼兹认为对青年的教育应注重客 观现实，他强调指出，适当讲授数学、物理学、生物学、地理学和历史学等 学科具有重要意义。他亟望应当用德文取代拉丁文作为教育的媒介语。如果 采取了这一步骤，那末知识就会传遍全国，语言与陈腐思想的结合也就会在 德国被冲破，象它们已在英国和法国为培根和笛卡尔的国语著作的影响所冲 破一样。莱布尼兹认为，以他和志同道合者结成的社团为媒介，便能最有效

地宣传他的观点，实现他的改革。从他跨入成年期开始，他关于这样一个社 团的组成和作用的思想不断在发展，这些思想不时孕育具体的设想。他一开 始就设想，这个社团应由人数有限的学者组成，他们的职责是记载实验，同 其他学者和外国科学社团通信和合作，建立一个大型图书馆，就有关商业和 技术的问题提供咨询。这个社团应有权在德国只批准出版那些达到他们标准 的书籍。莱布尼兹在 1670 年左右写的两份备忘录中又记载了进一步的细节， 其中把这个拟议中的机构称为“德国技术和科学促进学院或学会”（Foucher
de Careil，Oeuvres de Leibniz，Vol.VI1，Paris，1875，pp.27 ff and 64 ff）。这个社团的兴趣应当非常广泛，除了科学和技术之外，还应包括历史、 商业、档案、艺术、教育等等。广泛进行解剖学和生理学研究，结合患病贫 民的救济、孤儿的专门教育和监狱的管理等等事业，检验社会科学的各种新 方法。这个社团将派遣旅行教师，出版一份期刊，以使任何人作出的有用发 (69)明都能广泛传播。在这两份备忘录中，莱布尼兹抱怨，在德国重要发明 没有尽其所能地应用于实际生活来造福人类。它们时常被遗弃，不然就传到 国外，后来再作为新事物重新传入德国。他认为，如果有一个社团保护和发 展这些发明，那么就能挽救这种状况。不久以后，在访问巴黎和伦敦期间， 莱布尼兹得以实地研究法兰西科学院和皇家学会的工作。他由此受到鼓舞而 提出一个新的计划，设想建立一个人员精干、有充分经费并装备仪器的社团。 每个成员都应致力于就某个选定的问题做实验，用德文报告实验结果。这样 积累起来的知识有系统地用于造福人类，最后编纂成包罗一切科学的浩瀚的 百科全书。1676 年莱布尼兹成为汉诺威公爵的图书馆馆长。当这个家族的一 个女儿与普鲁土选帝侯弗里德里希一世结婚时，莱布尼兹产生一个想法：他 设想的一个社团可以在弗里德里希一世的庇护下建立在柏林。他了解到有些 科学家已经一直在斯潘哈姆的寓所聚会，因此他就去找这位外交家。他似乎 还曾试图劝说这位选帝侯的妻子扩充她的计划，在柏林建立一个包括他所希 望的那种学院的天文台。1699 年德国又决定采用格雷戈里历法时，菜布尼兹 建议，这位选帝侯应该保留各种历法的专利，而且应该把收入用来资助天文 台和学院。这个建议蒙准，新学院子 1700 年 7 月 11 日收到了特许状。
组织学院的计划主要由莱布尼兹拟订，他还同宫廷传教士雅布隆斯基磋
商。这位选帝侯规定学院的研究应当包括历史和德语的发展。莱布尼兹出任 院长，而且象皇家学会一样，也有一个院务会负责学院的行政管理和选举新 院士的工作。会议有三类，分别讨论物理数学、德语和文学。为了谋得正常 活动，拥有自己的会场和正式章程，学院在障碍重重和今人沮丧的情况下奋 斗了十年之久。1710 年学院终于用拉丁文出版了它的《柏林学院集刊》（Mis- cellanea Berolinensia）的第一卷。它共收五十八篇文章，主要涉及数学和 科学，其中莱布尼兹的有十二篇。然而，此后莱布尼兹同学(70)院其他领导 人疏远了。学院也开始一度走向衰落，尤其是在弗里德里希·威廉一世的不 利统治下。只是当出现比较有利的环境时，学院才恢复生气。按照莱布尼兹 的原来计划，柏林学院应当成为遍布整个德国、最终是整个文明世界的有关 社团网的中心。虽然这个计划没有实现，但是圣彼得堡学院（1724 年）的建 立似乎可追溯到莱布尼兹与彼得大帝的一次谈话。（参见 M.Oinstein ,the Role of Scientifc Societies in the Seven- teenth Century，Chicago，
1928;T.Birch，The History of the Royal Soc-iety lf London,1756—7;R.T Gunther,Early Science in Oxford,vol.iv, Oxford ， 1925;

J.L.F.Bertrand,L'Academie des Sciences et lesAcademiciens de 1666 a
1793,Paris,1869 ； H.Brown ， Scientific Org-anizations in
Seventeenth-Century France, Baltimore，1934。）

第五章 十七世纪的科学仪器(71)


　　我们已经提到过科学仪器在近代科学中所起的重要作用。要论述近代科 学史的最早阶段，就非谈到某些科学仪器不可。前面我们已经明白地述及几 种仪器，同时所讲述的那些成果里也隐含了应用别的仪器。现在到了比较适 宜的时候，我们可以尽量扼要地介绍一下十七世纪几种最重要的科学仪器的 发明经过。故事理应有头有尾，为此我们也不得不展望一下它们后来的发展。 本章选来作历史考查的仪器有显微镜、望远镜、温度计、气压计、抽气机、 摆钟和几种船用仪器。其他各种科学仪器将在以后各章讨论。我们将会看到， 这几种仪器都是在近代之初以某种形式问世的。这充分地表征了一个时代， 这个时代怀着坚定的决心要找到适合自己的东西。

显微镜


　　单显微镜即只有一个短焦距会聚透镜的显微镜有着漫长的历史。古希腊 人和中世纪的阿拉伯人都很了解这种放大镜和取火镜。各种各样镜子形成的 不同种类的图像也是早期数学家们极感兴趣的一个研究题目，他们根据几何 原理解释了这些图像。然而，复显微镜似乎直到 1590 年左右甚或更晚些时候 才发明。复显微镜由若干会聚透镜组合而成，其中有一个是短焦距透镜。复 显微镜的发明史现在不清楚。不过，这个发明的荣誉最有可能属于荷兰。还 在中世纪的时候，荷兰研磨玻璃和宝石的技术就已经很发达，及至十六世纪 末，眼镜透镜制造业已是一个十分健全的工业。最早的复显微镜非常低劣， 因此有些科学家，包括十七世纪最伟大(72)的显微生物学家之一列文霍克宁 愿使用单显微镜。
发明复显微镜的荣誉也许属于扎哈里那斯·詹森。他是荷兰米德尔堡的
一个眼镜制造者。据说约莫在 1590 年，他由于一个幸运的偶然机会而作出了 这个发明。他的显微镜由一个双凸透镜和一个双四透镜组成，前者作为物镜， 后者作为目镜。博雷利乌斯描述过这种复显微镜一个最早的实样。镜筒大约
长 18 英寸，直径约 2 英寸。放在显微镜支座上的小物体当从镜筒看去时，
显得大了许多。米德尔堡科学协会今天仍保存着一架这种复显微镜，据称是 詹森制造的。