大家知道，伽利略是現(xiàn)代科學(xué)方法奠基人，他的不朽著作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》和《關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)話》開(kāi)了現(xiàn)代科學(xué)的先河。他首次較為系統(tǒng)地運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)的基本研究方法，在科學(xué)研究特別是在力學(xué)研究中，以實(shí)驗(yàn)方法為核心，綜合采用邏輯方法、觀察方法、抽象方法、數(shù)學(xué)方法等基本方法，解決了一系列重要問(wèn)題。現(xiàn)以自由落體研究為例，對(duì)此加以闡釋。
•挑戰(zhàn)權(quán)威• 伽利略從不迷信權(quán)威，善于觀察和思考，敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)。關(guān)于自由落體，當(dāng)時(shí)風(fēng)行的是亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn)：落體以勻速下落，速度與落體的重量成正比。伽利略經(jīng)過(guò)深思熟慮和周密部署，開(kāi)始出戰(zhàn)了。
•邏輯分析• 作為第一步，伽利略采用邏輯方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)“思想實(shí)驗(yàn)”：用短繩系住重量不同的大小石塊，使之自由下落，按亞里士多德觀點(diǎn)導(dǎo)得矛盾。他在《關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)話》（56～62頁(yè)）對(duì)此作了有趣的描述：“顯然當(dāng)把兩者合在一起時(shí)，較慢的物體使較快的物體有些減速，而較快的物體使較慢的物體有些加速。……如果一塊大石頭具有速度8，而一塊較小的石頭具有速度4，那么當(dāng)它們合在一起時(shí)，系統(tǒng)將以比8為低的速度運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)把它們綁在一起時(shí)就變成一塊比原來(lái)以速度8運(yùn)動(dòng)的石頭還要大的石頭。所以，較重的物體比較輕的物體以較低的速度運(yùn)動(dòng)；結(jié)果是與你推測(cè)的矛盾。”因此，亞里士多德的理論無(wú)法自圓其說(shuō)！亦即，演繹邏輯的創(chuàng)始人亞里士多德犯了低級(jí)的邏輯錯(cuò)誤！
•觀察分析• 伽利略比他的前輩高明之處在于把邏輯方法與觀察、實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合起來(lái)。1589年進(jìn)行了比薩斜塔落體試驗(yàn)，觀察到10磅的球與1磅的球同時(shí)落地，初步驗(yàn)證了他的邏輯分析結(jié)果。（參看博文《不屈不撓忍辱負(fù)重——記現(xiàn)代科學(xué)之父伽利略》）。
•實(shí)驗(yàn)分析• 嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，比薩斜塔落體試驗(yàn)只是一種觀察，較為被動(dòng)，而不是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)（關(guān)于觀察方法與實(shí)驗(yàn)方法的區(qū)別詳見(jiàn)以后的博文）。因比薩斜塔的高度僅為56米，落體落地過(guò)快，不易看清，當(dāng)時(shí)也無(wú)條件進(jìn)行精密測(cè)量。因此，伽利略設(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)：斜面實(shí)驗(yàn)和單擺實(shí)驗(yàn)。前者實(shí)際上是一種“沖淡引力”的實(shí)驗(yàn)，小球在光滑斜面上滑落，使得實(shí)際收到的引力作用減小，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大小球滾動(dòng)速度相同，且與斜面夾角無(wú)關(guān)。接著的單擺實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)只要擺長(zhǎng)相同，擺動(dòng)速度就相同，與擺重?zé)o關(guān)。這樣，就從兩個(gè)角度演證了自由落體運(yùn)動(dòng)。
•數(shù)學(xué)分析• 伽利略在斜面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用初等數(shù)學(xué)方法，確立了物體下落時(shí)的加速度、時(shí)間的數(shù)量的關(guān)系，亦即目前中學(xué)物理學(xué)中所描述的數(shù)學(xué)分析。這里，他清晰地引進(jìn)了加速度的概念。從而，使自由落體定律成為鐵板釘釘?shù)睦碚摚瑏喞锸慷嗟吕碚摼痛寺鋽 ?/span>
•抽象分析• 伽利略并未就此停步。他進(jìn)一步做了“雙斜面”實(shí)驗(yàn)，將兩個(gè)光滑斜面相向放置于桌面上，各自與桌面的夾角相同，發(fā)現(xiàn)從一個(gè)斜面上滾落的小球，到達(dá)對(duì)面的斜面的同一高度后往回滑落，在同一高度上往返滾動(dòng)。接著，他又做了“思想實(shí)驗(yàn)”：設(shè)想斜面與桌面的夾角為九十度時(shí)，就回到自由落體情形；設(shè)想斜面與桌面的夾角趨于零度時(shí)，滾落的小球就會(huì)無(wú)休止地前行，這樣他發(fā)現(xiàn)了慣性，實(shí)際上得到了牛頓第一定律——慣性定律！
當(dāng)然，作為物理學(xué)家、力學(xué)家，他敏感地抓住了阻力問(wèn)題。他知道，阻力是無(wú)法避免的，他的后一個(gè)“思想實(shí)驗(yàn)”在實(shí)踐中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，在他的《關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)話》一書(shū)中有詳盡的討論，這里不予贅述。
綜上所述，我們可以了解到，伽利略善于針對(duì)科學(xué)研究的實(shí)際需要，綜合運(yùn)用不同的科學(xué)方法，使之相輔相成、相互補(bǔ)充，形成一套比較完整系統(tǒng)的方法。他在談到自由落體研究時(shí)說(shuō)：“這是第一次為新的方法打開(kāi)了大門(mén)，這種將帶來(lái)大量奇妙成果的新方法，在未來(lái)的年代里會(huì)博得許多人的重視。”“一門(mén)博大精深的科學(xué)已經(jīng)出現(xiàn)，我們的工作僅僅是一個(gè)開(kāi)端”。他身后的現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展史證實(shí)了他的真知灼見(jiàn)。
伽利略做比薩斜塔落體試驗(yàn)距今恰好420周年，我們作為后來(lái)者，是否更應(yīng)該多多聆聽(tīng)這位科學(xué)大師的聲音，學(xué)學(xué)他的科學(xué)方法和治學(xué)之道呢？
本文主要參考資料：
1. 庫(kù)茲涅佐夫，Б. Г.，伽利略傳，商務(wù)印書(shū)館，2001。
2. 林徳宏，張相輪，創(chuàng)造的動(dòng)力叢書(shū)（2）科學(xué)方法卷，安徽教育出版社，2001。
3. 周立偉，科學(xué)研究的途徑，北京理工大學(xué)出版社，2007。
4. 伽利略，關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)話，武際可譯，北京大學(xué)出版社，2006。
寫(xiě)于2009年4月20日晨
