《重读相对论》2.2 仰望星空

对亚里士多德的运动理论而言，最根本的问题不在于重物下落的速度快，而在于一切运动的目标都是为了追求完美！这才是类比的开始，也是一切错误的根本出发点。因此，伽利略立刻设计了经典的斜面实验。

如图2-1所示：伽利略让小球从同一高度沿斜面落下，经过反复实验，伽利略发现：小球滑落的速度并不是固定不变的，而是越来越快，当小球滑落到底部时，它的运动速度也达到最高。此时，如果让小球沿着另一侧的斜面爬升，则随着小球高度的增加，小球爬升的速度则会越来越慢，直到几乎滑动到和起点同一水平高度时，小球的运动才会停止。之后，小球会再次滑落滚向另一侧几乎同等高度，并在两个斜面之间循环往复。尽管伽利略不断改变小球的重量和起始的高度，然而这一规律始终未变。这一现象明确的告诉我们：物体运动的目标绝不是达到所谓的完美状态。从某种意义上说，物体的运动状态反倒倾向于保持不变。

图片2-1 小球爬升实验

为了验证这一点：伽利略再次改变了小球爬升的斜面的倾角，通过多次实验，结果仍然是，小球爬升的高度近似于它的起始高度。假设小球爬升的斜面无限光滑，且爬升的坡度非常非常小，那么小球就会滚动到非常远的位置才能停下来，而如果小球滑落以后，在一个围绕地球为中心的圆面上运行，那么，小球将永远不能达到原来的高度，小球的运动也将永远不会停止。如果是这样的话，那么，所谓外力是物体运动的原因，也就不攻自破了。就这样，亚里士多德流传了两千来年的运动定律，被伽利略的一只小球无情的推翻了。

那么，小球达到的实际高度又为何会稍低于起始高度呢？伽利略认为，是滑动过程中的摩擦使得小球的运动能力损失了一部分。为了验证这一想法，伽利略在斜面上分别铺上了毛巾、棉布等不同的材质。结果如图2-2所示：斜面的表面越光滑，小球滑行的距离就越远，按此规律，如果表面无限光滑，小球一定可以爬升到起始高度，而如果小球爬升到了同等高度，再次落下以后，就会在两个斜面之间无休止的晃来晃去，运动也就永远不会停止了。因此，亚里士多德认为一切运动最终会停止的观点同样是错误的。

图片2-2 惯性运动实验

尽管地面上的落体实验已经证明了亚里士多德的错误，然而，这却无法证明太阳围着地球转的说法是错误的。是的，谁又能保证地面上的运动规律可以适用于天上呢？要想证明地球围着太阳转，伽利略还必须直接从天上去寻找更为直接的证据。虽然当时开普勒已经基于第谷的观测数据，得出了行星运动的三定律。然而，以太阳为中心的说法还只能被视为一种数学上的假设，而不能算作实验证明。一个偶然的机会，当伽利略经过一家眼镜店的时候，发现了望远镜的原理。于是，他立刻动手制作了世界上第一台天文望远镜。当伽利略把这台望远镜指向星空以后，改变世界的时间终于到来了：

首先映入伽利略眼帘的是月球上斑驳的痕迹，按照亚里士多德的解释，月亮和太阳都是地面上的火光飘到天上以后聚合而成的，炙热的火焰聚集到天上形成了太阳，而阴冷的荧光聚集到天上则形成了月亮。至于月球上的阴影，则是因为是火光的亮度不同呈现出来的效果。然而，伽利略却通过望远镜发现，月球上的痕迹呈现为清晰的环状阴影，这些阴影还会随着太阳的位置变化伸长或者缩短，显然，阴影所在的位置是一些高低不平的环形山。这一发现意味着，月球不是一个由光或气组成的球体，而是和地球一样，主要是由岩石所组成的固体星球。如果地球是宇宙的中心，天上只有光和气的话，那么，一个由岩石所组成的固体星球怎么可能会长期漂浮在天上呢？答案只有一个：地球并不是宇宙的中心。

其次，伽利略还发现，太阳的亮度也不是均匀的，它的表面会不定期的出现一些小黑斑，随着时间的前行，这些黑斑还会发生水平的移动，显然，太阳也在围绕某个轴心发生自转，自转周期大约二十多天。黑斑的存在表示太阳不够完美，自转的存在表明太阳不能永恒，如果太阳都不是完美和永恒的存在物，每时每刻都处于自转运动之中，那么，地球的自转也就不难理解了。

最后，对木星的观察使伽利略得到了更为直接的证据：木星周围有四个更小的卫星，随着时间的移动，这些卫星的位置不断变化，然而却始终伴随在木星的左右，通过多日的观察、记录、分析，伽利略得出结论：这四颗卫星都在各自的椭圆轨道上围绕木星旋转，它们的运动规律完全符合开普勒三定律。于是，所谓日月星辰全部都是围绕地球运动的说法终于不攻自破了。

然而，即便日月星辰不是以地球为中心旋转的，有什么证据能证明它们围绕太阳运动吗？通过对金星的仔细观察，伽利略发现：金星和月亮一样存在圆缺的变化。这些圆缺变化表明：金星本身不能发光，因而只有一半的球体沐浴在阳光下，被我们观察到，通过金星的圆缺变化，就很容易发现金星是在地球和太阳之间围绕太阳旋转。基于同样的原因，伽利略发现五大行星(当时只知道金、木、水、火、土这五颗行星)都是围绕太阳转的。那么，是否像哥白尼所说，包括地球在内的所有星体都是围绕太阳运动的呢？也不是！因为除几大行星之外，绝大多数的星体都不存在圆缺变化，显然，它们也是和太阳一样的自发光的星体，之所以看起来这么小，只有一个原因：它们距离地球非常遥远。

而当伽利略把望远镜指向银河的时候，那片带状的薄云立刻幻化成了星辰大海。面对广阔无际的宇宙空间，人类第一次意识到自身的渺小：与地球相比，人类不过是一粒尘埃；与太阳相比，地球又不过是一粒尘埃；与银河系相比，太阳系则不过是一粒尘埃，与宇宙空间相比，银河系甚至连一粒尘埃都算不上。与浩渺的宇宙相比，把地球称之为宇宙的中心，是多么狂妄自大，多么愚昧无知的表现啊。哥白尼、布鲁诺、第谷、开普勒、伽利略，五位科学家经过上百年的努力，终于挣脱了教条的锁链，为我们开启了智慧的大门。

《两门新科学》出版了，垂暮之年的伽利略已经完全失明，他激动的抚摸着新书的封面，感受着那沁人心脾的油墨书香，他不知道自己这最后一部作品能否冲破教会的束缚，但他又始终坚信：智慧的大门一定会被后人打开。此时，长大成人的玛丽亚，一直陪在他的身边：

“爸爸，您还记得吗？自己是什么时候发现自由落体定律的？”

“当然，那是在你五岁那年，我们一起从教堂回家的路上发现的。”

“重的物体下落的快，亚里士多德的理论听起来多么亲切自然啊，您为什么会对这个理论表示怀疑呢？”

“是的，尽管它听起来很可信，但只要经过实践检验，就会发现它是错的。”

“像亚里士多德这么聪明的人，为什么还会犯错误呢？”

“因为他只是通过类比联想的方式，把人类的活动规律简单类比到了外物的运动变化之中。这种思维方式是不可靠的，任何理论都必须经过实践的反复验证才可以，毕竟主观臆断不可取，眼见为实才可靠啊！”

“眼见为实吗？”玛丽亚疑惑的问：“可是，太阳东升西落，日月星辰围着地球转动不是我们每天都看到的事实吗？如果是地球在运动，我们为什么感受不到呢？”

伽利略沉默了一会儿，给出了这样的解释：

“假设一艘大船平缓的行驶在风平浪静的湖面，它的门窗紧闭，以至于我们身处其中，也看不到船外的风景。那么，我们又能否通过舱内物体的运动来判断大船的航向呢？不能！如果你悬挂起一个重物，就会发现：挂绳绝对垂直于天花板和地面，不会向任何方向偏转；如果你把水杯里倒满水，水面也是水平的；如果你把一个圆球放在水平的桌面上，它不会自动向任何方向滚动；如果你从地板分别向不同方向跳跃，你跳跃出的距离也会完全相同；鱼缸里的金鱼会自由游弋，船舱里的甲虫会自由飞行。只要大船不加速，不转弯，平稳的匀速前行，船舱内的所有静物也就会以完全相同的速度同步前行。因此，无论大船本身的速度多快，在我们看来，这些物体一直会保持静止状态，不会因为船的前进被甩向船舱的尾部。因此我们也就不能依靠物体在船舱内部的运动状态判断其外部的行进方向。要判断船是否前行，唯一的办法是打开门窗，如果两岸的景物都在后退，我们就知道船在前行了。同理，如果岸边景物的后退可以证明船的前行，那么日月星辰的东升西落，不就恰好可以证明地球自西向东的运动吗？”

“谢谢，这下我终于彻底的明白了。”玛丽亚高兴的说：“您的这个比喻真是太精彩了。”

伽利略微微一笑，他也为自己的这个精彩比喻感到自豪。 “比喻，比喻？比喻！”忽然，伽利略的笑容僵住了，他惊愕的发现，自己似乎犯了亚里士多德同样的错误：“不，不，我怎么可以使用比喻呢？比喻不就是类比联想吗？”

亚里士多德曾经用类比联想的方式把人的活动类比到外物的运动，得出了万物运动是为了追求完美的错误结论；柏拉图曾经用类比联想的方式把梦境类比到现实之中，产生了现实都是幻影的虚妄联想；我用一个门窗封闭的大船来类比地球，和柏拉图那个幽深的黑洞比喻梦境有什么区别？难道我自己不是在滥用类比联想吗？难道不会犯下同样的错误吗？相对性原理是否正确？速度究竟能否相加？地球又是否真的在运动呢？

想到这里，伽利略忧虑不已，他感到自己的心头像压了一块巨石，强挣扎着坐了起来，试图起身重复自己的实验，忽然他又感觉自己的身体一沉，重重的倒在了床上……

在一个黎明前的最黑暗的时刻，伽利略永远的睡去了，他的望远镜仍然指向那片深邃的星空，他的单摆更没有停止摆动，时间仍然在前行，关于是非、真假、有无的辩论已经开始了……