文．圖／蘇明俊、繪圖／楊淑惠

　　1609 年，義大利人伽利略（Galileo Galilei, 1564 ～1642，有現代天文學之父的尊稱）利用「光線穿過玻璃時會折射彎曲」的透鏡聚光原理，設計在狹長的管內使用兩片透鏡所製造的望遠鏡（圖1），首先將其應用於天空而帶來令人振奮的
星空新發現，掀起一陣陣的觀星和科學研究的熱潮，開拓了世人的自然景觀視野，更帶領著歐洲走出科學文明黑暗的世代。人們從望遠鏡中所看到的景觀大大地改變了他們既往的想法，他們相信自己從望遠鏡中所看到的一切，建立起「眼見為憑」的信念、「觀測和實驗」等親身體驗的科學態度，因而開始挑戰教廷的權威說法。
圖1.伽利略望遠鏡：伽利略的第一架透鏡式望遠鏡和他的部分手稿（現收藏於佛羅倫斯科學史博物館）。
　早期的伽利略
　　天文學家伽利略於1564年2月15日在義大利的港都比薩（Pisa）出生，那兒有一座舉世聞名的比薩斜塔，據說伽利略曾經在斜塔上做自由落體的實驗。伽利略出生時，首倡「日心體系」的哥白尼（Nicolaus Copernicus, 1473～1543）已死去 21年。

　　伽利略11歲就被送去耶穌修道院，四年後，伽利略告訴父親決定終生作為一名修道者，但這並不符合父親對他的期望，所以急忙地辦理退學。後來一家人移居佛羅倫斯，伽利略在17歲那年到比薩大學學醫，完成父親的心願。但他只對數學有興趣，又受到哥白尼的影響，深受「地動說」的感動，其他課程經常蹺課，學校把不及格的成績通知父親，雖然數學家的收入只和音樂家差不多，但父親仍同意專修數學，以完成大學的學業，但一直沒有拿到比薩大學的文憑。1589年獲得比薩大學數學講師3年的聘約；1592年轉任帕度亞教書，並且開始研究自由落體和斜面運動；1596年發現軍用羅盤可以準確地用於砲彈的瞄準；1597年出版土地測量學，賺了很多錢；1602年，忙著做磁鐵的實驗。這種踏實地「實驗」態度，深深地影響著後來的科學發展。
　亞里斯多德錯了！
　　古希臘哲學家亞里斯多德（Aristotle, 384～322 B.C.）認為地球是宇宙的中心，包括月球、太陽、行星、恆星在內所有的星體都繞著地球運轉，幾百年以來，沒有人質疑這個說法，尤其得到羅馬天主教會的支持。後來，在1543年時，開始有人質疑教會的教導，波蘭天文學家哥白尼認為太陽才是宇宙的中心，所有的天體（包括地球），都繞著太陽運轉。哥白尼的「日心體系」說法顯然與教會的說法衝突，教會乃駁斥哥白尼理論。

　　關於自由落體的探討，亞里斯多德認為「重物落得快、輕物落得慢」。伽利略首先認清這是錯誤的觀點，至少在邏輯上就犯了錯誤；因為重物和輕物的連結物，掉下的快慢應介於二者之間，然而又因更重，必然更快落下，兩個結果互相矛盾。伽利略認為在真空中，重物與輕物應同時落下，因為在空氣中落下的物體受到重力與浮力的兩力作用。伽利略攜帶不同大小、不同重量的球，爬上54公尺高的比薩斜塔頂端，讓球落下來，同時著地；當時擠滿了教授和學生見證「亞里斯多德錯了！」亞里斯多德又說：「如果地球繞著太陽在軌道上運行，星星的位置會有向前或向後的相對運動」
。哥白尼利用幾何原理認為：「在地球兩側夾180°的兩顆恆星，半年後因為地球的運動，應該可以看見『視差現象』，夾角小於180°」。但是，哥白尼和第谷都沒有量出來。伽利略建議另外一個方法：觀察兩顆恆星，在半年後，它們的位置都應該因為地球的運動而有視差現象，也就是在天上畫一個小圈，並且近一點的恆星圈圈會比較大。最先量出這
個視差圈圈的是德國天文學家白塞耳（Friedrich Wilhelm Bessel, 1784～1846），他在1838年使用太陽儀 （heliometer）測量天鵝座61號恆星的視差，約有一分的改變，相當於好幾公里外一枚銅幣的直徑，並推演出距離地球11光年。
　伽利略的單擺實驗
　　18歲那年的某一天，伽利略觀察教堂內搖晃的吊燈，使用脈搏測量吊燈擺動的週期：幅度雖然變小，但週期仍然不變，這是他的第一次大發現—單擺的等時性。可惜的是，10年後，當他在研究自由落體與斜面運動時，需要用到較短的時距，卻未能運用單擺的等時性，而仍採用脈搏和水鐘車做實驗。最初使用單擺的等時性來製作「鐘擺」的人是荷蘭的物理學家惠更斯（Christian Huygens, 1629 ～1695），那已是伽利略死後14年的事了。
　伽利略的望遠鏡與天文發現
　　1608年荷蘭的眼鏡商漢士（Hans Lipperscheij）製造出第一架望遠鏡。1609年，當哈里耳特（Thomas --- Harriot）在指導雷利爵士（Sir Walter Raleigh）時，曾經畫下在望遠鏡中的月面圖，月面特徵清晰可見。1609年4月威尼斯的假日，伽利略獲知漢士已經發明望遠鏡，可以使很遠的景物看起來很近，但荷蘭政府認為它在軍事上的價值無限，應該保密，而未授與專利權，伽利略立刻（據說只花了24小時）製造了一個3倍的望遠鏡，改良之後，製造10倍的望遠鏡，令威尼斯的元老院留下深刻的印象，從此名利雙收。伽利略首先用望遠鏡觀測月亮，發現月面粗糙不平，既有伽利略稱其為「海」的大片平坦地區，也有山脈和無數像地球表面火山口那樣的環狀山丘（圖2）。伽利略還發現太陽黑子在太陽面上逐漸自東向西移動現象，由此測定了太陽的自轉週期。他還發現了金星的位相變化、土星的環。伽利略（這表示它們確實很遠），但比直接用肉眼看
去亮了些，而且增加了許多原來用肉眼直接觀測時無法看見的恆星（圖3）。1610年1月7～13日，伽利略把30倍的天文望遠鏡指向木星時，發現木星有4顆衛星在繞它轉動（圖4）。這四顆衛星現稱之為「伽利略衛星」—伊奧、歐羅巴、甘尼米德、卡利斯多。伽利略聲稱他的觀測結果是所有的行星繞著太陽運轉，而不是地球，支持了阿里斯塔克斯和哥白尼的看法；但因教會的強力干預，強迫他棄絕這個結論。但今天，我們知道他的結論是正確的。以下略述他透過望遠鏡的發現：
　1.月球表面像地球一樣有山有谷（圖2）。
　2.金星像月亮一般，有盈虧的現象。
　3.太陽有黑子在其表面移動。
　4.銀河其實是由許多分開的星星所組成的。
　5.土星長了兩個耳朵，幾年後卻消失了（每14.5年會消失一次）。
　6.木星有4顆衛星，就像一個小型的太陽系。（後來，1693年，卡西尼分別測得4大衛星與木星的距離。）
尤其是最後一項發現，可以間接證明哥白尼主張的地動說；因為這些小衛星不繞著地球轉，地球也就不是宇宙的中心了。隨著伽利略望遠鏡的發明，天文知識有了爆炸性的增長，使得觀測星空成為風尚，而且是歐洲各地的天文學家解決爭
議的一種客觀且科學的方式（圖5）。
　圖2.伽利略用望遠鏡觀測月亮時繪的月面圖。明暗分界線上的輪廓參差不齊，在被陽光照射的右半球上則有山脈、平坦地區和
　環狀山丘等。（取材自1610年出版的《星空使者》一書）。
圖3.伽利略對獵戶星座的一部分以及對昴宿星團的觀測。圖左是對獵戶星座的腰帶的觀測，肉眼只能看到9顆亮星，但用他的望眼鏡卻觀測到80多顆星，圖右是對昴宿星圖的觀測，肉眼往往只能看到6顆亮星，而用他的望眼鏡卻觀測到了36顆星（取材自1610年出版的《星空使者》一書）。

圖4.伽利略觀測木星衛星的原始記錄。這是後來他在1620年11月至次年1月觀測木星衛星時記錄下來的。（取材自1610年出版的《星空使者》一書）。

 圖5.觀測星空成為歐洲各地的風尚（取材自1610年出版的《星空使者》一書）。
　關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話
　　伽利略寫信把這些發現告訴刻卜勒 （JohannesKepler, 1571～1630），但因為前車之鑑—支持地動說的義大利哲學家布魯諾遭到宗教的審判，在1600年2月17日被處以烤刑，因此伽利略的態度非常謹慎。伽利略使用望遠鏡觀天，有了許許多多的新發現；他把這些發現彙總成《星空使者》一書，造成了當時很大的震撼。接著在1632年，他出版了劃世紀的巨擘《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》，書中以人物的對話方式，系統地討論托勒密體系和哥白尼體系的差異，並以伽利略自己的天文觀測新發現和力學研究的新發展成果，來論證哥白尼體系的正確和托勒密體系的錯誤，確立了哥白尼體系的學說。伽利略在天文對話中藉著3個人物的對話方式，希望暗中給予哥白尼學說肯定，3個人物是：他自己的代言人沙比亞其、腦筋靈活的沙勒得，以及亞理斯多德的崇拜者。1633年，伽利略被傳喚去羅馬出庭審判，被迫取消自己支持地動說的主張，並且被判終身監禁，這時他已將近70歲，他仍輕聲地說：「它還在動。」1822年教會取消了對伽利略對話的禁令，但那時，「地球不是宇宙的中心」已是普通常識了。1960年代初期和1979年，梵諦岡公教議會低調地赦免了伽利略。今日，以伽利略命名的「伽利略號」太空船已路經土星附近，到達木星附近進行探測。
　牛頓心目中的巨人──伽利略
　　伽利略死於1642年，那一年，他的最佳繼承人─英國的科學家牛頓(Isaac Newton, 1642～1727) 誕生了，真是不可思議的巧合。牛頓可以明確地描述運動定律，在古典物理學上有卓越的貢獻，當英國的天文學家哈雷 (Edmund ---　Halley, 1656～1742) 稱讚牛頓在天體力學上的成就時，牛頓的回答是：「我只是幸運地站在兩個巨人的肩膀上罷了。」兩個巨人就是刻卜勒和伽利略。