作者：汪振东
出版社：人民邮电出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
在悖论中前行：物理学史话试读：
前言
这是一本简述物理学发展历史的故事书。
物理学知识浩瀚如海，倘若面面俱到地平铺直叙，则会导致有头没尾，所以本书避重就轻地介绍了物理学史上一些重要的理论及其诞生过程。要写过程，又必须以历史人物的视角去看待当时物理学中存在的问题，于是“问题”成为本书的主要线索。本书基本上是按照“分析问题——解决问题——带来新问题”这一循环性思路写作而成的。在这些问题中，有的被历史证明是错误的，如“地心说”“圆惯性”等。如何理解错误的理论，是我写作时遇到的最大困难，却是本书有趣的部分之一。
只写问题仿佛又太单调，所以在书中增加些历史人物的故事是在所难免的。每个历史人物都是传奇，每个传奇都是一部书，为避免将本书的头写得像颈、颈写得像肩、肩写得像腰、腰写得像水桶，本书剔除了和主旨无关的故事。不可否认，每个人都会从生活中汲取灵感，这些生活故事被保留了下来，如笛卡儿因观察蜘蛛结网而发明了坐标系。书中保留下来的这些故事也多见于野史传说，不作历史考究。
本书总共分为八大部分，以演义的方式叙述了物理学的发展过程。
第一部分介绍经典力学。从古希腊的地心说写起，首先介绍了地心说成型的原因以及后人的完善过程，再由地心说存在的问题引入哥白尼的日心说以及开普勒的行星三大运行定律。为了诠释日心说，伽利略提出“惯性”概念，惯性思想后由笛卡儿完善并最终被牛顿力学所统一。
第二部分介绍电磁学。首先从静电力学的发展历史写到“动物电流”假说，再由“动物电流”假说写到具有革命意义的发明——电堆。电堆的发明导致奥斯特发现电流磁效应，由此引出安培，再由安培引出法拉第。法拉第在实验中所总结的电磁效应最终被麦克斯韦方程组所统一。当时人们总想将电磁学纳入牛顿力学的范畴，导致牛顿的超距理论与场理论产生冲突。最终，赫兹的实验证明了场理论的正确性。
第三部分介绍热力学与统计力学。从人类对火与温度的认知谈起，介绍了“燃素”与“热质”被否定的过程，进而介绍了热力学的发展历史，以及在微观上解释热现象所导致的统计力学。
第四部分介绍光学。分析了波粒之争的成因、人们对光谱的认识和光速的测量，再由光与以太的关系引出第五部分相对论。
第五部分介绍相对论。首先介绍了寻找以太却没有找到的“零结果”实验，由该实验引出洛伦兹等人的贡献，再由此引出狭义相对论。狭义相对论的局限性让爱因斯坦感到不满意，从而导致广义相对论的诞生。
第六部分介绍量子力学。首先介绍人类对微观世界的认知以及原子论的诞生过程，再由电子的发现引出人们对原子模型的假设。为解释原子模型与经典电磁学之间的悖论，玻尔在普朗克与爱因斯坦的量子理论基础上提出了量子化模型，由量子化模型的种种局限与悖论引出了电子自旋、矩阵力学和波动力学。矩阵力学最终导致不确定原理的诞生，而对波动力学中ψ函数的解释导致量子力学与决定论产生冲突，从而导致物理学中一场经典的大辩论。
第七部分介绍宇宙学。从广义相对论之后人们对宇宙模型的思考写起，引出稳恒态宇宙与大爆炸理论。二者交织发展、相互辩证，最终以大爆炸理论暂时胜出而告终。最后介绍了宇宙大爆炸之逆过程——黑洞产生的条件以及广义相对论与量子力学的冲突。
第八部分概述性地介绍了量子场论以及弦理论。由经典理论与量子理论的冲突引出量子场论，进而介绍大统一理论目前所处的困境，简单介绍了弦理论的诞生背景与前景。
我本想写一本不带有任何数学公式的物理学科普书，但事与愿违，最终书中还是提到了几个重要的数学公式。有些问题若用公式表达会变得简洁明了，有些问题非公式不能表达，后者如热力学部分的卡诺热机效率公式。好在这些公式都不复杂，应该不会影响本书的流畅性。为了便于表述，本书中插入了不少图片。这些图片多为示意图，并非按比例绘制，只求扼要展示问题主旨。纵然如此，仍不能将很多问题表述清楚，故敬请读者朋友注意本书中的修饰性词语，如“也许”“几乎”“大约”等。
本书力求语言生动幽默，尽量贴近当下生活，如用象声词“Duang”表示“瞬间”。另外，本书采用了一些通俗流行语言来表述某一段历史和历史人物，只为增加可读性，并非对任何事、任何人不敬和亵渎。本书中有多处对白，这些对白非外文直译，只求意近。如有用词不当或者词不达意之处，敬请指正。
我原想写一本不含作者主观意识的科普书，但没能忍住，修改时虽做了不少删减，但到底还有部分被保留了下来，而保留下来的亦不知所云。不过管窥蠡测，只为抛砖引玉，倘有画蛇添足之处，请读者朋友跳过这些地方；倘有一两处对读者朋友有所裨益，则不枉往日的笔耕辛勤。
谨以此书献给“物理，我们曾经爱过”的人们。第一部分经典力学第一回从古希腊说起
很久很久以前，有一支游牧民族离开多瑙河畔迁徙到爱琴海旁边，并在那里定居。到了公元前800年左右（公元前779年周幽王烽火戏诸侯），他们占据整个今天的希腊半岛，并建立起大大小小的城邦。他们自称希腊人，史称古希腊人。
在吸取爱琴海文明之后，古希腊人褪去了游牧时的野蛮，变得聪明睿智。他们从不一味地追求穷奢极侈，以万物适度就好。假如一个外人站在古希腊人面前，宣称没有一位希腊人单腿站立的时间比他还久。古希腊人会对此不屑一顾：“别吹了，你又不是只鹅。”
相对于这些虚妄的、不切实际的东西，古希腊人更愿意花时间思考哲学、经济学和自然科学，看到什么就想什么，想到什么就说什么。比如瞭望苍穹，他们会把天形容成一个大锅盖，太阳、月亮和星星都在这个大锅盖上升起落下，周而复始；远眺一望无际的大地，他们会把它形容成一个板，板上还有很多柱子，支撑着大锅盖……类似这样的说法有很多，可以说都是人类早期的宇宙观。
那么问题来了，爱思考的小明（古希腊人的名字比较难记，这里姑且以小明代之）问：“板上的柱子支撑着大锅盖，板又由谁支撑呢？”
小红回答说：“板漂在大海上。”
小明问：“那它为什么没有沉下去呢？”
小红说：“板下面有很多只乌龟在驮着呢，乌龟在水里游来游去，要是哪只乌龟开了小差，那么它驮的那个地方就会动，就会发生地震。”
可是大海里的水又附着在哪儿呢？其实这种问题没有最终答案，一层层叠加，何时才是个头呢？
爱观察的小明提出了一个非常重要的问题，他问：“每当我站在海边眺望归来的海船时，总是先看见桅杆上的旗子，再渐渐地看到下面的人。如果大地是一块平板的话，应该看到整个轮廓渐渐靠近，而不是先看到局部后看到整体啊！所以，大地不是一块平板，而是一块弧形的板，或者干脆是一个球。天也是个球，把大地包起来。”（见图1-1。）图1-1
小明真实的名字应该叫毕达哥拉斯（约公元前580—约前500，约比孔子大30岁），他可能是人类历史上第一个意识到脚底下的“板”是个“球”的人。为什么大地会是个球呢？因为毕达哥拉斯以及他的弟子皆认为球是最完美的——少一点不足，增一点多余，球面上的每个点也都是平等的。
然而日升月落、斗转星移是怎么回事呢？古希腊人欧多克斯（公元前408—前355）在总结前人认识的基础上正式提出了“地心说”，即地球是整个宇宙的中心，也是唯一静止的天体，其他的天体都绕着地球转动，不同的天体组成一个同心球。同心球的球面相当于我国道教神话中的“几重天”，不同的是古希腊的天上住着行星（古希腊人所说的“行星”与今天的行星不同，它的意思相当于会动的天体，地球不在其中），而在道教神话里天上住着神仙，《西游记》中便认为太上老君住在三十三层离恨天。
地心说能轻易地被人们接受，因为人眼看到的确实如此。那么太阳、月亮以及其他行星都是怎么绕地球转动的呢？欧多克斯问他的老师柏拉图（公元前427—前347，约比墨子小50岁），柏拉图肯定地回答：“圆！”因为没有比圆更完美的了——正如球的完美一样。
且不表宇宙，单表地球。话说古希腊城邦的北部兴起一个国家——马其顿王国。到了公元前359年（此年商鞅在秦国实行变法），马其顿国王腓力二世继承大统。他有个御用的医生，该医生有个儿子，名字叫亚里士多德（公元前384—前322，约比孟子大12岁）。亚里士多德对医学有一定的兴趣，但他更向往古希腊人建立的繁荣城邦雅典。18岁时，亚里士多德前往雅典，成为柏拉图的学生。
亚里士多德天赋异禀，很快得到柏拉图的赏识，在柏拉图学园一待就是20年，这20年对亚里士多德的思想产生了决定性的影响。20年后，柏拉图去世，亚里士多德受到排挤，离开了雅典，云游四海。两年后，他受国王腓力二世的邀请，给腓力二世的儿子当老师。
严格地说，古希腊人建立的城邦是有着独立政权的国家，和中国春秋战国时期的情况有些相似，只是他们没有一个合法的“周天子”。在古希腊的众多城邦中，数雅典和斯巴达最有实力，二者经常争夺老大的位置，能吵就吵，吵不赢就打，最终腓力二世出面替他们彻底解决了这个令人头疼的问题——占领他们，从此希腊半岛就成为了马其顿的殖民地。
腓力二世雄心勃勃，希腊半岛只是他计划的一部分，甚至是极小的一部分，他睥睨的可是亚洲大陆。正当他往亚洲大陆进发时，天不遂人愿，腓力二世遇刺身亡。他的儿子，也就是亚里士多德的学生继位，亚里士多德由“太子太傅”升职到了“帝师”。
新国王把亚里士多德带回雅典，这位“帝师”现在有了新的任务：劝说古希腊人服从马其顿新国王的统治。可能是由于政治上的回报，亚里士多德和柏拉图一样，在雅典建立了自己的学园——吕克昂学园，广收门徒，最终形成一个新学派。
作为新学派的领袖，亚里士多德讲课有以下两大特点。
一是亚里士多德处于奴隶主阶级，过惯了衣来伸手饭来张口的日子，对于下里巴人的活儿是不屑去做的。
二是亚里士多德喜欢在学园里边走边讲，走累了就歇歇腿，精神了再继续走。
史学界给这种“君子动口不动手”的学派取了个很好听的名字——逍遥学派，这可比中国武林的逍遥派早了1000多年。亚里士多德自然便是逍遥学派的“祖师爷”。
话说古希腊人还是那么爱思考，比如有个学生（姑且还叫小明吧）跑来问逍遥学派祖师爷几个问题。
第一天
小明问：“最近老听人说地心说，这是真的吗？”
祖师爷说：“是真的，宇宙是个球，球的中心便是地球，整个宇宙都绕着地球运动，所以每天都能看见日升日落、昼夜交替。”
小明问：“宇宙又是怎么绕地球运动的呢？”
祖师爷说：“宇宙中所有的行星都在做匀速圆周运动。天有九层，不如画个图（见图1-2）给你看看吧。”图1-2
小明问：“天是球，地也是个球，当我们站在上面时，为什么球对面的东西不会掉下去呢？”
祖师爷说：“每个物体都有一种属性——重力，重力会使得物体最终下落，地球是物体运动的最终归宿。”
小明问：“所以抛向空中的石头会下落，对吧？”
祖师爷说：“孺子可教，是这个道理。”
小明问：“那为什么星星太阳都落不到地球上来呢？”
祖师爷回答：“因为它们都是天体，天体和物体是不一样的，所以天体能绕着地球转而不会掉下来。”
小明惊讶地说：“哇，原来地球这么厉害啊！”
祖师爷微微一笑，说道：“是的，地球是由一种特殊物质构成的，是天体的一部分。所有的天体都是由神创造出来的，它们的运动都是由神推动的，永远做着匀速圆周运动。”
小明问：“圆周我懂，但为什么速度还要均匀呢?”
祖师爷说：“因为匀速和圆周一样都是最完美的，既然天体都是由神创造的，神创造的东西还能有瑕疵吗？”
第二天
小明问：“昨天您说的重力是物质的一种属性，既然物体都有同样的属性，为什么我这根鹅毛笔和手中的石头同时下落时，石头先着地？”
祖师爷说：“那是因为石头重，受到的重力就大，所以下落的速度快，就先着地了。”
小明问：“既然重力是物质的属性，为什么炊烟往天上飘？”
祖师爷说：“那是因为炊烟不仅仅有重力属性，还有一种属性叫‘浮力’，二者相权取其重。当浮力大于重力时，物质便会向上飘。”
第三天
小明问：“当我推一个桌子时，桌子才会动，这是为什么呢？”
祖师爷说：“因为你在推，也就是给了桌子力，力导致桌子运动。”
小明问：“力是什么？又和运动有什么必然联系呢？”
祖师爷说：“力不能独立于物体存在，也不能远离物体产生作用。力是维持物体运动的原因，比如一个物体静止不动，只有受到外力作用时它才会动起来”。
小明问：“当我松开手后，也就不再给桌子以力，但桌子还要往前运动一小会儿，这是怎么回事呢？”
祖师爷想了想说：“那可能是空气迂回导致的。”但是，他意识到似乎这样回答有点不妥，因为空气没有意识，它怎么知道什么时候该推什么时候不该推呢？所以，祖师爷喃喃地说：“或者……”
小明问：“或者什么？”
祖师爷说：“或者是精灵推动的。”
第四天
小明问：“昨天您说的是力，前天说的是重力，这二者都让物体的运动状态发生改变，它们之间有什么联系呢？”
祖师爷说：“虽然都改变了物体的运动状态，但是性质有明显的区别，不知道你注意了没有，重力是不需要接触的，因为那是物体固有的属性；而力必须接触才能产生作用，它并非物体的固有属性。虽然我暂时不能给力下一个精准的定义，但是你完全可以想象得出它是怎么作用的。”
看官，站在今天的知识角度，我们也许会觉得和亚里士多德聊天就像在玩“斗地主”：当你满心欢喜地用4个2把他的大王炸掉时，他却出其不意地用5个3将你的喜悦心情秒杀到谷底。但如果我们真的能够穿越到古希腊时代，你也不会感觉到一副牌里出现5个3有什么不妥。打牌作弊被逮到了叫“出老千”，逮不着的就只会让人赞叹：“你的牌打得也忒好了。”亚里士多德便是把一手牌打得最好的“赌神”之一。
赌神也好，出老千也罢，这丝毫都不影响亚里士多德在物理学界的地位。他的思想是人类智慧发展的一次重要结晶，以至于后文提到若干故事的起源时，都不得不回到亚里士多德及古希腊时代。
公元前322年，亚里士多德不幸去世。大部分人说他身染沉疴，病重而逝，也有人推测他是被毒死的，更有人传说他是因为无法解释潮汐现象而跳海自杀的。虽然传说无可稽考，但是我宁愿相信他是用最后一种方式结束自己生命的。智者在思考中死去，不是最美的吗？第二回完美地心说
亚里士多德凄凉的晚景和他的那位国王学生的暴毙不无关系，该生名字叫亚历山大（公元前356—前323）。历史给予他的最大的评价是：第一位建立横跨亚欧非帝国的国王。
公元前336年，腓力二世被刺杀，亚历山大继承王位，同时也继承了父亲的遗愿。公元前334年春，亚历山大挥师向东进，踏上了征服世界的旅程。在这漫长的岁月里，他征服了亚洲的波斯、非洲的埃及等诸多国家和部落，整个世界（除了东方、美洲等地）似乎都变成了马其顿的行省和属国。此后，他停下拓展版图的脚步，转而踏上了推行文化的新征途。
亚历山大虽然不是希腊人，但是他很仰慕希腊文化，所以新建的帝国必须置于希腊精神之下。正当他积极推行希腊文化的时候，天妒英才，公元前323年亚历山大死于热病，在巴比伦去世，年仅33岁。由于来得突然，亚历山大甚至连遗诏都没有留下，仅仅说了句“最强者为王位继承人”。这一含糊的话语最终没能让亚历山大生前的属下安分地把他的后人扶上王位，他们转而各自为政，从此马其顿帝国分裂。当亚历山大去世的消息传到雅典时，雅典人揭竿而起，纷纷反对马其顿人的统治，亚里士多德也在这场分裂中流离失所，最终仓皇逃出雅典，正如前文的末尾所说的。
亚历山大的部将们经过几十年的战争，建立了一系列希腊化国家，其中最大的当属马其顿、塞琉西和托勒密王国。
和古希腊几乎同时，亚平宁半岛上有个国家正在兴起，经过几百年的发展，它终于强大起来。公元前146年（司马迁出生），古罗马人开疆拓土，先后吞并了马其顿、希腊半岛、小亚细亚以及塞琉西王朝。此时希腊化的三个大国家中只剩下埃及的托勒密王国，它的首都亚历山大港也成为了希腊化世界重要的文明中心。公元前30年，古罗马将领渥大维没有像他的舅舅恺撒大帝那样拜倒在埃及艳后的石榴裙下，而是一举占领了埃及，托勒密王国灭亡，罗马帝国兴起。
在这百余年的社会动荡中，天文学取得了长足的进步。尽管地心说大行其道，但是在称之为公理之前，请允许还有些不同的声音。
古希腊人阿利斯塔克（公元前315—前230）是人类历史上第一位真正意义上的天文学家，他用观测代替猜测，独创性地提出了“日心说”。顾名思义，地球已不是宇宙的中心，而太阳似乎更适合。地球不仅绕太阳公转，还会自转，这样昼夜交替才说得通。
大地在动？拜托！像人类这么理智的生物怎么会对此毫无知觉呢？再者，向来只有牛耕地，人间哪闻狗拉犁？理智的人类又怎能相信偌大的地球竟然成为了小小太阳的跟班？阿利斯塔克为了消除人们的误会，采用几何三角关系对天体进行测量。他测出太阳其实比地球大，直径为地球的6~7倍。这是人类历史上第一个认为太阳比地球大的人，在当时也是唯一的一个。除了不符合人类的情感外，地动说与一些最基本的常识现象出现矛盾。比如，如果大地真的在动，我们向上抛起一块石头，石头应该落在西边，而不是垂直落下。
即便阿利斯塔克的学说为宗教和当时的人们所不容，但并非一无是处。又过了几十年，古希腊另外一位天文学家喜帕恰斯（约公元前190—前125，也被译为伊巴谷）巧妙地避开日心说，转而继承阿利斯塔克观测与计算的方法，后来成为了人类历史上最伟大的天文学家之一。
在阿利斯塔克的基础之上，喜帕恰斯创造了一系列令人眼花缭乱的成果，时至今日很多理论仍为地理与天文学所采用，比如岁差、视差等；而且他还是人类历史上第一位正确得出月地距离的人——地月距离是地球半径的60倍左右。
时光荏苒，过了两个多世纪，有个孩子出生在以前的埃及托勒密王国（显然当时是罗马帝国的一个行省了）。他的名字叫克罗狄斯·托勒密（约90—168）。对于托勒密的生平，史书中介绍得很少，只知道其父母都是希腊人。托勒密自幼聪慧，对自然知识有浓厚的兴趣，年少时就曾到托勒密王国的中心——亚历山大城学习。在亚历山大城，他深入学习了前人尤其是阿利斯塔克和喜帕恰斯的观测和几何计算方法。
虽说喜帕恰斯的理论继承于阿利斯塔克，但是前者并没有否定地心说。应该相信日心说还是地心说？这是一个根本性的问题，托勒密该如何抉择呢？其实他别无选择，在当时环境下就一个正常人而言，两种学说孰优孰劣早就高下立判了。
选择了地心说也有不同的苦恼。按照地心说，所有的天体绕着地球运动，这在最明亮的两个天体——太阳和月亮上得到了很好的验证：月亮确实在绕着地球转；而不管是太阳绕地球转还是地球绕太阳转，在地球上看来都是一样的（相对运动）。但是天空中繁星浩瀚，难免有几个淘气不听话的。比如火星，在地球上看来，它的运动比较杂乱无章，有的时候它顺着圆周往西走，有的时候又逆着圆周往东走，有的时候它还像图2-1中所示的这样走。图2-1
在中国古代，这个现象叫“荧惑守心”。火星看上去荧荧似火，而其行踪诡异，故叫“荧惑”。心者，心宿也，传说中二十八星宿之一，由3个星星组成，代表至高无上的皇帝和皇家的一些人。当荧惑守心现象出现时，意味着王朝或者皇帝将要发生灾难。《史记·秦始皇本纪》记载，秦始皇死的头年就出现了荧惑守心现象，人们纷纷猜测秦始皇的死与上天安排不无关系，这也在后世皇帝的心中埋下了一颗地雷，一旦荧惑守心现象再次出现，这个地雷就要炸开了。
荧惑守心现象时有发生，可是皇帝不想死，于是遗祸给丞相，让丞相代他去死。可是丞相也不想死，于是有些皇帝就想法把他弄死。西汉绥和二年（公元前7年），汉成帝就是这样弄死了当时的丞相翟方进。丞相的死也分很多种，像文天祥那样的叫惊天地泣鬼神，而像翟方进这样的简直叫作憋屈。
然而，火星不过是众多捣蛋星体中的一个。喜帕恰斯早就认识到了这一点，他创造性地发明了“均轮”与“本轮”学说（由于书籍遗失的缘故，人们对于该学说的提出者尚有疑义）。托勒密将此学说发扬光大，他不仅坚持地心说，而且还坚持不放弃“匀速”这个完美的运动方式（见图2-2）。图2-2
解释：
1.地球不在宇宙中心，而是偏离宇宙中心一段距离。与地球相对应的点叫“偏心圆点”，天体都绕着这个偏心圆点做圆周运动，但是线速度不是匀速的，而相对于地球的角速度才是匀速的，即匀角速度运行。
如此说来，地球也不是宇宙的正中心，不过这比地动说要好得多，起码当时的人们可以接受。在新的宇宙模型下，太阳与地球的距离会发生变化，托勒密之所以这样做是出于对其他星体的考虑，并非为了解释四季变换，实际上也解释不了，因为太阳不管怎样转，每天都会经过同样的位置，而四季变化并非纯粹由太阳与地球的距离决定。关于四季变换，古希腊人早已注意到这是由太阳直射角度的变化引起的，所以地心说的缔造者欧多克斯认为每层天的同心球有个自转轴，球会带着天体绕自转轴轻微地来回摆动，就像婴儿的摇篮一样。太阳摆动以年为周期，于是四季更迭。后来亚里士多德几乎完全继承了欧多克斯的学说，该学说同样也被托勒密继承了下来。
2.像火星这样的天体，除了大圈均轮外，还有小圈本轮。火星一直沿着小圈转动，而小圈的圆心又沿着大圈转动，二者的速度不一样。这样就可以解释为什么火星有时会向后运动了。
3.如果一个小圈不够用，那就增加更多的小圈，直到够用为止。
4.并非所有的天体都绕地球运动，比如水星、金星是绕太阳运动的。
这是一个两全其美的创造，既维护了地心说，又和观测结果几乎一致，因为当时人们关心的就那么几个星星（主要是太阳系中的几大行星和北极星等）。当时在航海中这几个星星已经差不多够用了，所以托勒密的理论有很大的实用价值，而下一个有实用价值的发明估计当属指南针了。
物以稀为贵。比如美玉，一个叫作举世无双，两个可叫作珠联璧合，多了则和石头没什么分别。为了和观测保持一致，增加了很多的本轮。首先这在美学上就很难说得过去，说不过去的话，那就肯定不是完美的事情了。这也正是该模型最大的缺点——烦琐。托勒密本人也意识到了，所以他特别强调该模型不是理论，而是观测手段，或者说是一种数学处理方法，如果有新的方法，那就最好不过了。然而人生不如意十之八九，活着的时候尚且不能自保，又何况死乎？托勒密将自己的天文学理论全部写到《天文学大成》一书中，这本书在后来的1300多年里成为西方天文学教科书，而其与亚里士多德一脉相承的地心说最终被嫁接成上帝创造万物的理论基础。第三回不完美的日心说
以神的名义，天主教会将与神学冲突的学说付之一炬，科学和哲学俨然成了神学的婢女。虽然文艺复兴伊始，很多思想先驱以各式各样的艺术形式抨击黑暗，但是直面神权的还数自然科学，因为自然科学相对于艺术最大的优势在于讲究证据，证据一旦被人们掌握，便会以星火燎原之势摧枯拉朽。高枕无忧的天主教会肯定不会想到吵醒他们的居然是一位虔诚的天主教徒，尽管这位教徒的初衷并非想冒犯上帝，他不过是为了寻找一个简单而又可行的真理。
这位教徒叫尼古拉·哥白尼（1473—1543），出生于波兰的一个富裕家庭，比唐伯虎大三岁。大约在唐伯虎三笑点秋香的年纪，哥白尼只身前往文艺复兴的发源地——意大利，在名校博洛尼亚大学和帕多瓦大学主修医学和神学。哥白尼是一名非常出色的医生，可以说搞天文只是他的业余爱好，但一不小心地在这条业余的道路上越走越远。
自从托勒密《天文学大成》中的观点成了人们的思维习惯之后，在1300多年里，人类在天文学方面没有任何突破性的进展，唯一能做的就是发现新天体，然后套用托勒密的地心说模型去解释。前文说过，对于一个复杂运动的天体而言，一个不够，那增加更多的均轮，于是“大圈套小圈”，最多套到了80多个，这显然不是普通人的大脑所能想象的。如果托勒密的理论是一套数学方法，我们是不是在用加法费心费力地计算乘法呢？
哥白尼不走寻常路，在他看来既然上帝创造了宇宙，就不会选择用这样冗繁的方式让它运行，所以他要寻找出一个更简洁的模型，借以消除人们对上帝的“误会”。不幸的是，在长达十几年的时间里，观测的数据越多，托勒密的方法就显得越正确。
但是哥白尼坚信上帝是一个简约而不简单的人或神，或许正是因为这份坚信，他能在一堆早就被人们遗忘的古籍中找到阿利斯塔克的日心说。可能此时上帝也给了他几个小小的灵感：如果我们能飞到地球以外的天体上观测别的星球，天体又将怎样运行呢？如果假设能够成真，那么地球势必也是运动的，而不是静止的。
基于这种假设，哥白尼发现地球和很多天体之间的距离在不断改变，唯独和太阳之间的距离没有变化。既然地球作为宇宙的中心会来带烦琐的计算，那么上帝会不会选择用太阳作为宇宙的中心并让它静止呢？哥白尼没有否定托勒密的计算方式，只是用太阳取代了地球，而从观测的数据来看，起码不需要使用那么多的“圈圈”了。
如此简单、如此粗暴却又如此奏效，于是新的宇宙模型（见图3-1）诞生了。图3-1“圈圈”是减少了，但很多现象需要重新解释。首先怎么才能让人们相信一个如地球般的庞然大物会绕着小小的太阳转动？哥白尼认为人类太高看自己了，太阳远比我们甚至阿利斯塔克想象的还要大得多。他还通过观测星座并用几何方法阐述了这一点。
好吧，即便人类曾如此地“自大”过，那么昼夜交替又怎么解释呢？也就是说，如果地球绕着太阳转，那么朝太阳的一面永远是白天，背着太阳的一面永远是黑夜。
实际上关于这个问题阿利斯塔克早已给出了答案——地球自转。哥白尼采用了这一套理论，并进一步提出地球的运动是三种运动形式的组合。
1.地球绕太阳做匀速圆周运动，每年转一圈。
2.地球在自转，每天转一圈，这样就能看到日升日落而不必担心永昼极夜了。
3.地球的自转轴也会倾斜，并不总是与太阳和地球的连线垂直，而是有个夹角，自转轴在这个夹角之间以年为周期来回摆动。在地球（北半球）上看，夏天太阳更靠北，冬天太阳更靠南一点，南半球正好相反。太阳在夏至日直射北回归线，在冬至日直射南回归线，春分和秋分时在赤道正上方，四季变换终于得到了完美的解答。
最后也是最重要的一个问题是：如果地球在自西向东运动，那么空气就会自东向西运动，这样就会形成一股强大而持久的东风，但是东、南、西、北风常刮常有。同样，向空中抛起一块小石头，它应该落到抛出点的西边，而不是垂直落下。
要想让日心说成立，哥白尼就无法回避以上问题，所以他在用毕生心血写就的《天体运行论》的最开始部分便苦心阐述了“土”与“水”的关系。他认为空气中含有“土”和“水”，既然地球上的土地和海洋都可以随着地球运动，那么没有理由不相信空气不随着地球一起运动，而空气运动形成的风正如海水运动形成的波涛一样，波涛看似杂乱无章，但总体上都在随地球一起运动。同样道理，抛起来的小石头也会受到空气中“土”和“水”的影响，最终会落到抛出点的正下方。不过，“土”和“水”伴随地球运动只在地球附近有效，而天空中突然出现的天体（指的是彗星，那时候人们对彗星认识不全）就另当别论了。
在最后一个问题上，哥白尼的解释很牵强。他本人似乎也意识到了这一点，所以他在书中多次用到“似乎”“可能”“也许”等字眼，但是对于宇宙、天体的形状以及天体的运动方式给出了斩钉截铁的回答：形状是球形，运动轨迹是圆，速度是匀速，因为没有什么能比球、圆和匀速更完美了。太阳在宇宙的正中心，所有的星体都绕着太阳以匀速圆周运动进行公转。他继承了古希腊人关于宇宙是个圆球、地球也是个圆球的观点，尽管地球上有高山海洋，但那不过是硕大脸庞上的一个个小小的青春痘罢了，地球整体上还是一个球。
站在今天的知识角度，我们知道太阳并非宇宙的中心，所以哥白尼的日心说也不完美。但这是历史的顺承，理论如同人的成长，不可能从牙牙学语“噌”地一下子就到了大学毕业，势必要经历一段漫长的成长过程，而哥白尼的日心说无疑是自然理论成长过程中的第一个“青春期”。
哥白尼的日心说模型虽基于一定的观测，总体上还是一套处理宇宙运动的数学方法，但这绝对不像用乘法取代加法那么简单，主要原因就是“地球可以动”，而我们就活在这个可以动的地球上。
小时候，当我第一次听说地球正在转来转去时立刻觉得头脑晕晕乎乎，连路都走不稳，根本无法去学校上课。这种病状持续了很多天，最终让家严在我的屁股上踹了两脚给治好了。
对于新的观点，哥白尼也不知道怎么处理为好。一方面，他担心如果发表的话，很快就会被审查；另一方面，他觉得效法古人（很多古希腊哲学家）也许更有意义——只将自己的观点告诉身边的朋友。洪洞县里真的就没有“好人”了？其实不然，他的一位红衣主教朋友得知消息后，对此书喜爱至极，强烈要求他将其发表。也正是在朋友的鼓励下，哥白尼拖了一个九年又一个九年，直到“第四个九年”他才委托这位红衣主教将写好的《天体运行论》带到德国公开发表。
1543年5月24日，哥白尼在病榻上收到了从德国纽伦堡寄来的《天体运行论》样书，他只摸了摸封皮便与世长辞了。在哥白尼的心中，天文学是神圣的，再也没有哪种理论能如此除残涤秽。第四回伯乐与千里马
当时人们对于哥白尼的日心说以及地球自转依然有很多的疑问，而且这些疑问正是反对地动学说者打压日心说的入手点，不过反对哥白尼的人不尽然都是神权维护者，比如丹麦的第谷·布拉赫（1546—1601）。
第谷·布拉赫出生于丹麦的一个贵族家庭，自幼便被过继给伯父抚养。他的伯父希望他学习法律、神学和修辞学，以便将来可以谋一份很有前途的职业，更可以光耀门楣。第谷从小性格犟、脾气大，虽然表面上顺从伯父的意愿，但内心一直都挡不住对天空的向往。上大学之后，第谷亲眼观测了一次日偏食，他对天文学家们的准确预报大为惊奇，内心的暗流涌动成了再也刹不住的洪水。于是，他白天佯装学习法律课程，晚上则常常在被窝里研究托勒密的《天文学大成》。过了几年，第谷的伯父去世，他继承了一大笔财产，金钱加上无拘无束让第谷开启了新的人生旅程。1572年，他观测到了一颗在白天也能看见的新星（后被称为第谷超新星），这让他的名声大震。丹麦国王请他回来做皇家天文学家，并花重金为他建立天文台，第谷也在此留下了很多宝贵的数据。
第谷是一个性情豪爽的人，就像武侠小说中的大侠一样。小说里的大侠总是会得罪一些人，生活中的第谷也是如此，不幸的是他得罪了当时的王子即后来的丹麦国王。新国王报复性地将第谷赶出了丹麦，也摧毁了他的天文台，据说那是花了一吨黄金才修建好的。后来神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世（1552—1612）邀第谷去德国，并在布拉格为他修建了一座新的天文台，可是设备和以前差远了。尽管如此，第谷依然通过观测做出了不可磨灭的贡献。那时候人类还没有发明望远镜，所以第谷被誉为“望远镜发明前最伟大的天文学家”，其成就和喜帕恰斯旗鼓相当。
略微令人遗憾的是，第谷对哥白尼的日心说不感兴趣，有人说他是为了维护神学，我觉得就其性格而言不大说得通，倒是如下两点似乎更合乎逻辑。
1.哥白尼的日心说并不是一种新学说，早在古希腊时期就有了这种观点，而且这是一条被打入冷宫上千年的学说。其实，哥白尼和阿利斯塔克一样，他的理论并非基于大量的观测事实，所以哥白尼的日心说仍没有完全脱离古希腊人天马行空般的想象。
2.和自己的观测不符，这点最为关键，因为第谷一直对自己的观测水平深信不疑。
但是第谷的观测数据和托勒密的地心说也有很大的差别，所以他认为谁都“不靠谱”，又谁都“不得罪”地建立了新的宇宙模型（见图4-1）。图4-1
从根本上说，第谷的模型属于地心说范畴。他之所以没有抛弃地心说，主要是因为站在地球上看，地球确实不动；而如果说其他的星体绕太阳转方便，那就让它们方便去好了。这是典型的经验主义，基于不会说谎的数据，但是不说谎不代表不骗人，而第谷的“受骗”则是因为他的数学不过硬，好在一位年轻的天才弥补了他的缺憾。
1596年，住在德国的第谷收到一位年轻人送的一本书，书名叫《宇宙的神秘》，书的作者正是送书者本人。该书在完全肯定哥白尼的日心说的基础上，根据六大行星（当时人类在太阳系中只发现了6颗行星）运动为宇宙勾勒了一幅完美的蓝图。尽管第谷不认为日心说是正确的，但是被年轻人的数学处理方法深深折服，于是第谷便写信郑重邀请这位年轻人作为自己的助手，两位历史上伟大的天文学家终于在1600年会晤。
这位年轻人叫约翰尼斯·开普勒（1571—1630），出生于德国的一个非常贫困的家庭。他的父亲是一名雇佣兵，在一次战役中再也没有回来。开普勒由母亲独自抚养。3岁时，开普勒感染了天花，好在保住了性命，但是身体尤其眼睛严重受损。对于一名依靠眼睛观测的天文学爱好者来说，这绝不是好兆头。
开普勒从小聪明无比，获得奖学金之后进入大学学习。他本想成为一名牧师，可当他看到哥白尼的《天体运行论》后，命运发生了转折。开普勒从一开始就觉得日心说似乎比地心说更合乎逻辑，所以他很快相信这一学说，并写了《宇宙的神秘》一书。
在第谷的身边，开普勒掌握了从未见过的观测数据，两人还共同制定了《鲁道夫星表》，可谓是天作之合，只是在基本问题——日心说还是地心说上各执一词。第谷和开普勒二人经常展开激烈的争论，但是常常都以开普勒的忍让而暂停。这可能只是理念问题，然而在开普勒妻子的眼中，第谷是一位盗窃丈夫的研究成果的人。不断吹来的“枕边风”让开普勒和他的老师决裂，开普勒在多个场合下公开宣称第谷是伪君子，并写了侮辱性的长信给他的老师，然后不辞而别。
开普勒的离去让第谷痛心不已。看到信后，第谷才意识到他们之间存在诸多误会，于是也写了封长信，声情并茂地请开普勒回来，还给他邮寄了盘缠。开普勒惭愧得无地自容，热泪盈眶，提笔写了忏悔信，然后回到老师身边。
再次回来后，开普勒时常表达忏悔之意，而第谷付之一笑：“过去的事情，何必再提呢？”第谷还不计前嫌地把开普勒推荐给国王鲁道夫二世，而且把自己多年以来的观测数据和手稿全部交给开普勒使用。那时师徒二人正在研究火星，所以他对开普勒说：“除了火星所给予你的麻烦之外，其他一切麻烦都没有了。火星我也要交托于你，它是够一个人麻烦的。”
火星，又是火星！这个曾经让人掉过脑袋的行星现在又让人伤透了脑筋。即便承认火星绕太阳转动，第谷的观测数据仍然和开普勒的推算存在误差。这个误差很小，大约等于秒针走1/50秒的角度，然而当用秒针指向天体时，任何小角度都变成了大问题。正是这个不起眼的误差彻底改变了人类对整个宇宙的认识。
正当师徒二人为天文学开天辟地时，第谷撒手而去，只留下孤零零的开普勒和一堆堆精准的数据。1601年，第谷因为汞中毒去世，享年55岁。他临终前还不忘提醒自己的爱徒：一定要尊重事实。这句话也让开普勒在困难中坚持了下来，最终成为近代科学的先驱。
噫！韩退之曰：世有伯乐，然后有千里马，千里马常有，而伯乐不常有。然未知伯乐之思也，萧何月下追韩信，刘玄德三顾茅庐，皆非利而无往。第谷非失而自省，非错而先歉，非为利而谄媚，非图名而诓诱，此非浩浩然之君子乎？而又察贤才于前，释诽谤于后，躬身力行，举贤任能，此非伯乐之谓乎？良驹得识，焉能不奔腾千里乎？
毕竟不知良驹如何日行千里，请看下回分解！第五回近代物理学的开端
第谷是天才观测家，但数学是他的短板，这一堆堆的数据，算是逢其时而不得其主；开普勒的视力不是很好，却是一位数学高手，二人冥冥中注定的相逢势必要为天文学和物理学翻开新的篇章。
无论是哥白尼的学说还是第谷的天体模型都停留在假想阶段，或者说它们都只是一种数学方法，不能称为理论——理论必须建立在实际数据基础之上。就目前来说，它们都与观测有细微出入，上回提到的第谷模型中火星的观测误差便是一例。这说明要么第谷的观测数据错误，要么他假想中的圆形轨道出了问题。一个是个人肉眼观察的数据，一个是亘古未变的、未曾被任何人怀疑过的学说，但开普勒偏偏相信前者，因为他深信他的老师不会出现任何差池。
如果我们不打算将开普勒神化的话，那么有理由相信开普勒也曾经历一段迷茫无助的时期，就像船到江心没有桨一样。火星，火星，到底是怎么一回事呢？也许开普勒想飞到火星上一探究竟，可是身无飞翼，最好还是先从地球算起吧。可是我们又怎么站在地球上确定地球在宇宙中的相对位置呢？开普勒运用了简单的几何原理：在一个平面内有两个固定的点，如果要确定第三个点，只需计算第三个点与两个固定点的角度就可以了（见图5-1）。所以，开普勒需要两个固定的点。图5-1
幸运的是我们有一个太阳，既然肯定日心说，那么可视太阳静止不动，所以第一个点很容易确定下来。不幸的是我们只有一个太阳，要知道当时人们的视界还没有超越太阳系，即便超越了太阳系，也无法确定系外星体与太阳的相对位置，所以观测不能好高骛远。开普勒是聪明绝顶的，他意外地选择了火星。
火星？又是火星，火星不是一个非常淘气的天体吗？淘气是相对于地球而言的，而相对于太阳，火星则要规矩得多——它用 687天（一个火星年）转个来回。其实，开普勒对此已经了如指掌了。在一个火星年内总有一天太阳、地球、火星在一条直线上，称为“火星冲日”。火星冲日可以简单理解为太阳、火星和地球三点在一条直线上，且太阳和火星位于地球的两侧。每当火星冲日现象出现时，太阳下山，火星升起；太阳升起，火星下山。所以，有整个晚上的时间来观测火星。
开普勒以某个火星冲日开始计算，等过一个火星年时，再计算地球的新位置，这样就可以计算地球的相对位置了。只是这样计算需要很多年的数据（平均1.8个地球年计算一次），好在第谷已经为开普勒扫清了障碍。111
在图5-2中，计算出∠ESM和∠SEM的值，则可确定E的相对位置。同理，也可以求出En的相对位置，如此便可得出地球的轨道。如法炮制，便可计算出火星的轨道。图5-2
道理很简单，过程很复杂，结果让人意外。无论是火星绕日还是地球绕日，它们的轨道都是椭圆而非正圆。公元1609年，开普勒得出他的第一个结论：行星围绕太阳做椭圆形的圆周运动，太阳位于这个椭圆的两个焦点中的一个上。这就是开普勒第一定律，也叫椭圆定律。
这样看来，行星运动轨道不仅不是正圆形，速度也不是匀速的。继日心说之后，这再一次让人对上帝感到失望，因为从古希腊时代开始，圆作为一个完美形态已经深深地烙在人们心里了。
估计开普勒也颇为失望，他继续计算，试图进一步找出行星的运动规律，开始也可能是为了寻找匀角速度的证据。此后不久，开普勒通过计算得出第二条定律：在同样的时间里，行星和太阳的连线扫过的面积是相等的（见图5-3）。这就是开普勒第二定律，也叫面积定律。图5-3
开普勒能轻松地用几何方法计算出图中两个阴影部分的面积，只是不知道他能否计算出笃信地心说的人们心里的阴影面积。不过开普勒对此十分开心，因为面积相等稍稍能够让人们对上帝的完美留一点信心。
理论是空前的，也足以让开普勒本人扬名立万，可惜学术上的成功并没解决开普勒生活上的困境。第谷死后，开普勒虽然被他在生前推荐为德国的皇家数学家，但是工资几乎只是第谷的一半，而且皇帝鲁道夫二世还是时不时地拖欠。尽管如此，开普勒从未终止过科学研究，同时他也写了很多占星术之类的书。这不是因为开普勒闲得无聊，而是因为科学家也要吃饭。开普勒本人也形容占星术“就像子女，如果不为天文学母亲挣一口面包，那母亲就要挨饿了”。只是这饱一餐饥一餐的日子就没好过。
两年后（1611年），开普勒的日子更加难熬。当时皇帝鲁道夫二世被其弟弟逼迫退位，开普勒结束了皇家数学家的生涯，前往奥地利的一所大学任教。开普勒的生活、地位都在不停地发生变化，唯一不变的就是那张空如白条的工资单。福不双至，祸不单行。第二年，开普勒的夫人去世了，他又娶了一位贫家女子。两任妻子共生了12个孩子，但很多都夭折了。1618年，欧洲“三十年战争”爆发，开普勒离开奥地利，辗转前往意大利的一所大学任教。战争总是让尊师重教成为一句空话。
在艰难世道中，开普勒依然伏案工作，研究不同行星与太阳之间的关系。当时欧洲人爱喝红酒，红酒生意非常好做，酒商们一直都为无法直接测量一个木桶装了多少红酒而苦恼。开普勒又一次发挥他的数学特长，巧妙地用一个带刻度的尺子从木桶中间的小孔插进去，轻松计算出木桶的容积。
木桶也是椭圆形（木桶两端是平的，中间是椭圆形），不知道这样的测量是否给了开普勒灵感和启发，他竟然在天文学上又有了突破性的进展，而且将其用公式表达出来。后人常把这个公式视为近代物理学的开端。所有行星绕太阳一周的时间（T）的平方与它们轨道长半轴R的立方成比例：
1619年出版的《宇宙谐和论》描述了开普勒第三定律，也称为谐和定律。谐和，和谐，是谁让宇宙这么和谐呢？此时开普勒正好看到英国的宫廷御医吉尔伯特写的《论磁》一书，他发现磁力与这种星体间的作用力有几分相似，都不需要接触就可以产生效果，所以他认为太阳发出的某种“磁力”驱使行星绕其转动，这是人类第一次从动力学上解释天体运动，也为后来人指明了一个方向：有问题好好思考，别动不动就把责任推到上帝头上。
开普勒如蝴蝶穿花般地解决了天体的问题，但对生活的问题依旧无能为力。由于为老师第谷申辩（当时有人称第谷学说为异端学说），开普勒得罪了教会。教会将他的书列为禁书，而且还有组织地对他本人和他的住所进行攻击，扬言要处决他。幸好，开普勒再次被任命为德国的皇家数学家，得以躲过此劫，然而他终究躲不过没有薪水的劫难。金钱就像是一位躲着他的老朋友。1630年11月初，在数月没有与“老朋友”碰面的情况下，开普勒打算亲自上门拜望。不幸的是，他还没有见到这位“老朋友”便抱病不起。11月15日，开普勒在一家客栈里去世，身上仅剩7分尼（德国货币，相当于现在的几块钱）。开普勒被葬在德国的一所教堂里，可惜在一场战争过后，他的墓碑都找不到了。
墓碑虽然找不到了，但开普勒依然是科学史上的一座丰碑！
开普勒的一生是坎坷不幸的，同时又是幸运的，因为他是骄傲的、光辉灿烂的。他说道：“我沉湎在神圣的狂喜之中。我的书已经完稿，它不被我的同时代人读到就会被我的子孙后代读到，然而这些都是无所谓的事。它也许需要足足等上一百年才会有一个读者，正如上帝等了6000年（据说是从诺亚方舟时期开始算起的）才有一个人理解他的作品。”
实际上，远不需要那么多年！第六回宇宙的新发现
与开普勒同时期，文艺复兴的发源地意大利也出现了一位天才天文学家和物理学家。
伽利略·伽利雷（1564—1642）比开普勒大7岁，出生于一个没落的贵族家庭。1581年，17岁的伽利略来到比萨大学主修医学。他可能会是一个不称职的医生，因为他对副业物理学和数学的兴趣远远超过了主业，而且他时常有些小发现和小发明，这些小发明和小发现往往在不经意间改变了历史进程。
1583年，伽利略在祈祷时看到吊灯在左右晃动。他掐了掐脉搏，发现了物体摆动的等时性原理。几十年后，英国人惠更斯（1629—1695）根据该原理发明了摆钟。人类从上古时代开始就一直为计时努力着，也发明了很多计时工具（如日晷等），但摆钟无疑是最有意义的计时工具之一。
1596年，为了测量病人的体温，作为医生的伽利略发明了人类历史上第一支温度计。从此人类对热和温度有了新的认识，开启了热力学的篇章，此是后话。
更让伽利略声名鹊起的是他根据古希腊阿基米德（公元前287—前212）的浮力原理发明了一种比重秤，从此被誉为“当代的阿基米德”。阿基米德是古希腊时期伟大的哲学家、百科式科学家，他在数学上的成就是最高的。曾有学者评价说：将人类有史以来最伟大的数学家排个座次，如果前三名中没有阿基米德，那一定是不科学的。我们了解阿基米德是因为中学课本中的浮力，据说当时制作皇冠的金匠经常偷工减料，皇帝为检测皇冠中的黄金比例伤透了脑筋，所以请阿基米德给出一个合适的方案。阿基米德苦思冥想，始终不得其法。有次洗澡时，他一屁股坐到水池里，水对身体的浮力给了他灵感。于是，他激动地穿过广场和人群，跑到宫殿里告诉皇帝他的新发现。皇帝也很激动，听完之后对仆从说：“给他一件袍子……”此时阿基米德才意识到原来自己还光着腚呢！此外，他有一句回响了几千年的名言：“给我一个支点，我就能撬起整个地球。”阿基米德的传奇本就是一部书。
言归正传。话说1585年伽利略的父亲去世，他的家庭收入捉襟见肘，伽利略辍学干起家教营生。好在他的学生是一位王子，所以他很快又进入上流社会并成了大学教授。在空闲时，他专心研究各方面的科学著作，其中少不了统治人类思想达1300年之久的亚里士多德的《物理学》和《天体》。伽利略对亚里士多德的理论进行了深刻的思考，也写了很多论文，最终推动了物理学的发展。
1587年，伽利略收到开普勒赠送的《宇宙的神秘》一书，他很快就被哥白尼的日心说所吸引，并认为在天文学上的成就才会让自己扬名立万，其他的科学都是小巫见大巫。他以无比的热诚投入到了天文学研究当中。
1609年，即开普勒发表椭圆定律一年后，在帕多瓦教书的伽利略在街上溜达，无意间看到了凹透镜。他觉得很好玩，便买了带回家。此时的凹透镜已经不仅仅是个在太阳底下能烧死蚂蚁的玩物了。早在一年前荷兰人就用凹透镜发明了望远镜，只是伽利略还不知道。有一次伽利略到威尼斯去拜望好友，得知威尼斯政府打算购买荷兰人的新发明以进行军备竞赛。伽利略通过好友告诉威尼斯政府不要着急。果不其然，在一个多月后，他将自己研制的新望远镜送给了威尼斯政府，为此他获得了一份终身教授的职位，薪水也翻了3倍。更为关键的是，伽利略发明的望远镜着实比荷兰人的清晰9倍，比肉眼清晰33倍，这足以让伽利略清楚地看到月球表面。于是他写信告诉好友开普勒这一好消息：“月球的表面并不是完美的，那些阴影就像地球上的大山河流一样，只是没有水而已，圆圆的是陨石坑；月亮不发光，只是反射太阳光，所以才能看到月亮的‘圆缺盈亏’。”
正当人们争相谈论伽利略的神奇工具时，他又发现了木星的4颗卫星，也发现发光的银河原来是由无数颗恒星组成的。他把这些新发现都写信告诉开普勒，并骄傲地说：“我想我已经观测到了土星运动的轨道。”当时正忙于研究土星的开普勒兴奋不已，他在回信中问能不能得到伽利略的望远镜。伽利略回答说，他的望远镜都已经送给了贵族们，并打算以后做一些清晰度更高的望远镜，再送给一些朋友。
现在我们已经无法肯定伽利略是否真的打算研制新的望远镜，就算他研制了，也无法肯定他说的“一些朋友”中包括开普勒，但是我们仿佛看到了一个噘着嘴卖萌的小女孩对别人说：“看，我有糖，就是不给你。”
事情总有好的一面，开普勒自然不会认为伽利略的托词是真的，所以他不会傻傻地一直等下去。于是，另外一种望远镜（见图6-1）诞生了。图6-1
天文学因此进入了望远镜时代，也开启了新篇章。当时的人都称：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙。”
此后一到两年里，伽利略利用他的望远镜发现金星和月亮一样有盈亏。伽利略知道这是由金星、地球和太阳的位置关系引起的，他通过大量的观测数据推测金星、地球都是绕着太阳运动的，为哥白尼的日心说提供了坚实的观测基础。
此外，伽利略发现太阳上黑色的小点点不是别的行星的“影子”（即某行星的行星日食），原因很简单：如果是行星的影子，那么影子的速度会很快，而实际上黑点移动的速度慢得多，所以它们只能来自太阳自身的“缺陷”——后来它们被称为“太阳黑子”。这些“缺陷”让人们不禁觉得原来“上帝制造”也有“劣质”产品，而地球也不过是这些产品中的一个，显然这完全不符合亚里士多德的那套地球不动、上天完美的学说。再经过长期的观察，伽利略发现太阳黑子的转动也有周期性，于是他得出太阳也在自转的理论。假设哥白尼的日心说成立，地球则绕着太阳转，如果太阳都自转了，人类又有什么理由相信地球不能自转呢？
伽利略用几块玻璃片发现“天外有天”激发了当时人们对日心说更大的兴趣。当越来越多的人谈论哥白尼的日心说时，教会再一次出手了（1600年，教会曾烧死宣传日心说的布鲁诺），1616年他们禁止发行哥白尼的《天体运行论》，严禁任何人在公开场合大谈特谈日心说。这便是“1616禁令”。
相对于他人，伽利略的处境其实要好得多，尤其是在1623年他的一位好友从红衣主教的位置坐上了教皇的位置（乌尔班八世）之后，伽利略觉得机会来了，他跑到罗马为自己的新发现进行游说。教皇本人对伽利略以及他的新发现持欢迎态度，但是负责宣传教育的神父们不干了。但面对如此高深的理论和铁一般的事实，神父们也无可奈何，只好对伽利略的推测和结论下手。他们让伽利略放弃哥白尼的日心说，如果他做不到这一点，至少对地心说不要存在偏见；如果对于日心说非提不可，那么一定要有地心说，而且不能带有主观意见，只能当成历史去阐述。
伽利略与神父们的冲突在于，伽利略认为自然界中运行的天体与《圣经》里的天堂是两码事，而教会则认为是一码事。除了维护自己的地位，我想教会可能是怕信徒们在这样浩渺的宇宙中找不到天堂的位置吧。实际上随着科学的不断发展，教徒们一直都在忧心忡忡地想给上帝安排一个合适的住所。
伽利略是倔强的，也是聪明的。在被禁言的岁月中，他毕全生所学，于1630年完成了一本名叫《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（以下简称《对话》）的书。他在《对话》中将自己撇开，虚设三位人物，即沙格列陀、萨尔维阿蒂和辛普利邱。沙、萨二人皆是日心说的支持者，而辛却坚持凡是亚里士多德说的话都是正确的，凡是后人对亚里士多德理论的补充都是有意义的。《对话》仿照古希腊的很多著作（比如《理想国》）以三人对话的形式展开，分为四天，每天一个主题，就像本书第一回中小明和祖师爷的对话一样。该书洋洋洒洒几百页表达了对亚里士多德体系的思考和批判以及对哥白尼体系的辩护。
要为哥白尼体系辩护，就绕不开一个话题：地球自转为什么没有产生东风或者向上抛起的物体为什么没有落在抛出点的西边？哥白尼含糊其辞的解释多少不能成为地球可以动的理由，但是伽利略用一个现实中常见的例子让人们心服口服。他说，在一艘正在匀速前行的船上，人们向上抛起一块小石头，小石头依然落在抛出点的下方，而不是落在抛出点的后面。为什么会这样呢？伽利略认为小石头和船在水平方向上是相对静止的。
比如一艘船（A）的速度是60米/分，对面划来另一艘船（B），速度是70米/分，那么对于A船上的人来说，A船的速度是0米/分，而B船的速度是130米/分；对于B船上的人而言，B船的速度是0米/分，而A船的速度也是130米/分，不过方向相反而已。
假设A船和B船向同一个方向前进，对于A船上的人来说B船以10米/分的速度前进，而对于B船上的人来说，A船以10米/分的速度倒退。这便是“伽利略速度变换原理”。从另一方面说，如果没有参照物，提起速度是没有意义的，因为速度是相对的，而不是绝对的。
伽利略聪明地将小石头的运动看成复合运动：一个是水平方向上的运动，另一个是垂直方向上的运动。在水平方向上，小石头离开船体后依然保持原有的速度；而在垂直方向上，小石头做自由落体运动（此处为了简化，只考虑小石头落下的过程，见图6-2）。既然是自由落体，小石头肯定会落在桅杆的正下方了。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]