伽利略與望遠鏡

解啟榮

伽利略并非望遠鏡的發明人，實質是他研制了高倍率簡單望遠鏡并用于觀天，為早期天文望遠鏡的迅速發展作出了突出貢獻。他用這種望遠鏡發現了許多主要的天文學上的基本現象，為科學界和思想界開拓了新天地。

伽利略望遠鏡天文觀測

現行高中教材和許多文獻中都有“伽利略發明了望遠鏡”這種說法。但這種說法是不確切的。伽利略本人從未以此自命。他不是第一個用望遠鏡觀天的學者。實質是他首先從原理上入手，鉆研望遠鏡的構造，特別是設計制造了倍率在9以上的天文望遠鏡。因此，更確切地說他是望遠鏡設計制作方法的發明人和天文望遠鏡的發明人。

一、發明望遠鏡的社會背景和伽利略個人的研究條件

在伽利略研制第一臺望遠鏡的前一年，即1608年10月2日、13日和17日先后有三個荷蘭磨制鏡片工人Hans Lipperhey、Jacob Matius和Sacharias Janssen向政府部門申請望遠鏡的發明專利權。這說明伽利略確實不是望遠鏡的發明者。

四百年來，世界上有許多書上寫著荷蘭磨鏡片工人利比喜發明望遠鏡的傳說，這是不確實的。利比喜只不過是首先向政府申請專利權的人，他在1608年制作了多架有軍用價值的望遠鏡賣給荷蘭政府，并要求30年的專利權，但被專利管理部門拒絕了，理由是當時已有其他不少人都會制作望遠鏡了。真正發明望遠鏡的人是誰雖然至今還沒查明，但也無必要查明，因為只要鏡片齊備了，發明望遠鏡的事遲早會有人偶然實現的，無需此人具有超群的智慧，望遠鏡的發明并不是一件需要很高科技水平和智力的事。

西歐早在13世紀就出現磨制眼鏡片的手工業。到了16世紀前半期意大利的眼鏡片制造業已很發達，但當時只流行遠視眼鏡，而近視眼鏡尚無社會需要，所以在市場上凹透鏡片起先是罕見的，而度數淺焦距大的凸透鏡片由于磨制困難，也極其少見。直到16世紀晚期，矯正近視的凹鏡片才開始在市場出現，這時在意大利有一位Gualterotti醫生在1588年和另一位Porta醫生在1589年先后發明用凸凹鏡片各一片夾在一起，用來作為無距離的組合調整夾架來矯正人們的近視和遠視。到了1604年這種組合調整夾架和較高的凸凹鏡片磨制技術才由意大利人傳入荷蘭一帶。那時焦距大于20英寸的凸鏡片和焦距小于7英寸的凹鏡片的磨制技術己逐漸被不少磨制工人掌握，而將組合調整夾架里的凸凹鏡片拆開，保持一點距離，對著凹鏡片觀察遠方的活動遲早會有人偶然作出的，這便是倍率為3以上的簡單望遠鏡的“發明”了。可見，只有這時的社會生產技術才提供發明望遠鏡的客觀條件。

伽利略是一位理論知識和生產技術知識都很豐富而又勤于動手的實驗物理大師。他在帕多亞的住宅內早己開辦一個儀器工廠，雇傭了一名熟練老技工，生產多種科學儀器出售。由此可見，他研制和成批生產望遠鏡是有優越條件的。他在不斷提高望遠鏡的倍率和質量的能力方面遠非一般眼鏡商和手工作坊所及。例如，他發明了一套測量鏡片的球半徑的球徑儀，保證了他設計制作望遠鏡的質量需求。

二、伽利略研制望遠鏡的經過和成就

伽利略在研制望遠鏡全部過程中具體時間經Stillman Drake考證后得出如下日期：

1609年7月19日，伽利略從帕多亞到威尼斯去訪友，聽到了在荷蘭有人發明了望遠鏡的傳說。

7月26日，伽利略再次到威尼斯訪問了威尼斯國的科學顧問Paolo Sarpi，看到了許多關于望遠鏡的外表敘述的信件。

8月3日，伽利略回到帕多亞，他從光線通過凸凹透鏡的折射原理思索，當晚就把問題想通了。

8月4日就制成第一架倍率為3的粗糙望遠鏡。

他并不滿足第一架倍率為3的望遠鏡，他必須設計出超過荷蘭人的望遠鏡，這關系到他個人的學術聲望、社會地位和經濟收入的提高以及個人科研條件的改善，他加緊研制，終于在8月20曰研制成了倍率為9的一架望遠鏡。

8月21日，伽利略在威尼斯的圣·瑪克廣場最高塔樓頂層，將望遠鏡對威尼斯國政府官員和聞名的紳士們展出，讓他們都以驚奇喜悅的心情觀察海上和陸上遠處的景物。

8月24～25日，伽利略又給政府檢察官和參議員們展覽了望遠鏡，最后趁閣員們開會時贈送一架給共和國政府，檢察官兼帕多亞大學校長普銳烏里代表政府接受了這項贈品，次日召開了校辦公會議，決定重新聘他為終身教授，年薪從510元銀幣提升為1000元。

1609年11月末，他宣布制成了一臺倍率為20的望遠鏡，用來觀察月球表面和木衛星。

1610年3月12日，他在威尼斯正式出版了拉丁文本的《星空信使》前幾天，己制成了書中所述的倍率為30的望遠鏡了。

1610年8月，他在寫給開普勒的一封信中說他己將望遠鏡的倍率提高到32了。據《大英百科全書》所載，伽利略望遠鏡的最后紀錄是口經4.4厘米倍率達到33。

發明望遠鏡是偶然的，伽利略自認為和發明望遠鏡的那些鏡片工人不同，他不是靠偶然成功的，而是靠理性思維得到的。那么，他是怎樣進行理性思維的呢？他在1623年出版的一本著作《試驗者》中的自述是：“我的思路是這樣：這種望遠鏡無非要用一兩只鏡片，我想不會只用一只的，因為鏡片就形狀而言或者是中央比邊緣厚的凸鏡片，或者是中央比邊緣薄的凹鏡片，或者是兩面平行的平片，而平片是不能改變物像的，既不能放大，也不能縮小，凹鏡片是有縮小作用的，而凸鏡片雖有放大作用，但放出來的物像模糊不清，這樣，就不能采用單鏡片，而只能采用雙鏡片了，既然平片不能改變物像，我想不論它和凹鏡片還是凸鏡片組合都是不會起作用的。因此，我就想到只能采用將凸鏡片與凹鏡片相組合的辦法了，你從這里就可以見到我是怎樣在探索的了，而這便是我發現望遠鏡的設計與制作方法的步驟，在我心中根本沒有想到一定會成功的。”伽利略開創了一套望遠鏡的設計與成批生產方法，把望遠鏡的質量和倍率在兩三年內就提到一個高水平，準確來說他是天文望遠鏡的發明人，他所創制的高倍率望遠鏡在17世紀的天文發現上起了巨大的作用。在《星空信使》一書中敘述了望遠鏡倍率的測定方法也是一項開創性的成果。

伽利略型望遠鏡在科學發展史上的貢獻和影響是重大的，《大英百科全書》15版（1980年）給出這樣的評價：“伽利略的望遠鏡不但大大促進了科學知識的進步，還因其推翻了傳統的地球中心觀念而在哲學上和宗教上激起了巨大的浪濤。”

三、伽利略利用望遠鏡取得了觀天的新成果

1610年1月7日的晚上，天空中只出現了木星和土星兩顆亮星。土星位置太低了，在日落后一個半小時就達到地平線上幾度的位置，幾乎不可見了，唯有木星高懸于東方的天空，當伽利略用剛剛制成的倍率為30的新望遠鏡對準木星時，就見到有三顆小星在木星的近旁，第二天夜晚又看到那三顆星了，到了第三天晚上有云未能觀察。10日晚上見到那三顆小星和木星的相對位置顯然變動了。11日晚上等候長久見不到的三顆小星又出現了。看來像是另外三顆了，再過兩個晚上，一切都變了，出現了第四顆小星。

伽利略一直擔心別人搶去他的首先發現木衛星的名聲及其命名權。他在寫《星空信使》時就己經認識到他還不能把木衛星當作他個人專有的發現，因為他沒有測出每一顆木衛星的準確周期，如果被別人搶先測出，他就不光彩了。于是他到佛羅倫薩之后不久便繼續觀測，他總是以競爭的思想狀態努力觀測的。他的朋友Cigoli告訴他說，他的一位敵對學者那布勒斯的Magini己經說過了，發現木衛星沒啥了不起，測出它們的周期的人才會受人稱贊呢。在這一年，開普勒宣稱這是一項不可能做得好的工作，同時這一觀點也得到許多人附和。因此，測出木衛星周期的榮譽就大大抬高了。這個課題還有一個很大的實用價值，就是如果每顆木衛星的位置測得足夠精確，能作出每時每刻各顆木衛星的位置表來，就可給航海員用來測算航船所在地點的經度了。他更加努力，在每個睛朗的夜晚都離不開用望遠鏡觀測木衛星的精確位置，到1612年他己經精確地測出四顆木衛一星的精確周期，精度都高于0.1%。他一時沒機會發表這些數據，竟匆匆忙忙地寫在與木衛星毫不相干的《關于水中浮沉體性質的對話》一書正文前兩頁上，而他對木衛星的勤奮觀測一直堅持到1619年。伽利略在開始用望遠鏡觀察星空時，尚未想到為證實哥白尼學說而作系統觀測的安排。金星的相變對哥白尼的日心說是很能說明問題的，在望遠鏡里金星的形狀與大小的變化正符合哥白尼的日心說，而與托勒密的地心說不相容，這是最直接有力的證據。然而，伽利略忽視了這個問題的研究，他太專注木衛星的觀察了。

在1610年9月以前，伽利略對哥白尼的日心說雖己有些基本認識，但那時他還不像布魯諾那樣對哥白尼學說的堅信，成為熱心的支持者和捍衛者，所以他對于利用望遠鏡觀天以尋找日心學說的決定性證據尚無思想準備。那一年8月在帕多亞每天清晨，金星都高掛在他的住宅的西方上空，要觀看金星是很容易的，但他棄之不顧。

1610年12月11日，他收到了過去的學生卡斯太里從布里西亞寄來的一封信，建議他抓緊觀測金星，信中寫道：“如果哥白尼的主張確實不錯，正如我所相信的那樣，金星繞日運動的，那么我們就一定會看到它的盈缺了，即使它和太陽的相對位置維持不變也會這樣的……現在我就想從您這里得到您憑著那神奇的望遠鏡所看到金星盈缺的消息，這樣做無疑會說服那些最頑固的人的。”

伽利略接讀此信后，便從12月中旬開始直到月末的兩周半時間內，抓緊了對金星相變的認真觀察，看到金星不但有和月亮一樣地由凸月到峨眉月的形狀上的逐漸變化，而且外圓半經也逐漸變大，而外表變得光滑些。回憶他在當年年初偶然觀察過一下金星，那時恰好是滿圓的，接近上合位置，半徑就小得多了，結合現在的觀察情況一起考慮，這正好與哥白尼的日心說完全符合，而與托勒密的地心體系說極不相容。因此，這是哥白尼學說最有力的證據。

四、結語

伽利略創造了高倍率簡單望遠鏡的設計制造方法，為早期天文望遠鏡的迅速發展作出了突出貢獻。他用這種望遠鏡發現了許多主要的天文學上的基本現象，這些現象是幾千年以來人類單憑肉眼所不能察知的，這些新知識為科學界和思想界開拓了新天地，他是天文望遠鏡的發明人和第一個用望遠鏡觀天取得巨大成果的人。

參考文獻：

[1]《物理》必修（2）.人民教育出版社.

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