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伽利略發現木星有衛星繞行!

現代科學的精神,是以客觀感官資料作為確定知識的最後判準,而伽利略的望遠鏡扮演了關鍵的角色。他改良透鏡焦距,製作出倍率達20倍的望遠鏡。伽利略近一步把望遠鏡瞄準星空,竟然找到木星的四顆衛星。
 
 
木星最大的四顆衛星被命名為伽利略衛星,由左至右分別為木衛一到木衛四。(圖/NASA,Wikipedia)
▲木星最大的四顆衛星被命名為伽利略衛星,由左至右分別為木衛一到木衛四。(圖/NASA,Wikipedia)
 
1543年(明嘉靖廿二年),是西方科學史的里程碑,維薩琉斯(Vesalius,1514-1564)的《人體構造與機能》與哥白尼(Copernicus,1473-1543)的《天體運行論》都在當年出版。但是哥白尼以太陽為中心的「日心說」,在當時的人看來,究竟算不算一場革命?其實大有疑問。

這個問題涉及到的西方學術史線索,頗為複雜。例如,當年許多天文學家將「日心說」視為方便天文運算的模型,而不是宇宙構造的「真相」。這在西方天文學史上,早有先例,西元二世紀,集古代天文學大成的托勒密,就是以虛擬模型協助天文運算的。而「地心說」,其實不是源自基督教的正統學說,西元前四世紀亞里斯多德提出的宇宙構造圖像與論證,才是西方「地心說」的鼻祖。

至於追求知識的可靠門徑,在古希臘學術傳統中,就有過深入的討論,有些學者認為感官有其限度,因此不可完全依賴感官,還得善用理性,才能發掘真相。

不過,現代科學的精神,基本上是以客觀感官資料作為確定知識的最後判準,毫無疑問。哥白尼發表《天體運行論》之後,天文學家以觀測證據重建宇宙圖像的過程,伽利略(Galileo, 1564-1642)扮演了關鍵的角色,而伽利略賴以突破感官限制的,是望遠鏡。

人類感官的突破——望遠鏡誕生了!
 
望遠鏡的前身,是放大鏡、眼鏡,發明的需求是自然創造的,就是老花眼。但是直到十三世紀,才有人發現厚的玻璃球切片可以放大文件上的字跡。十三世紀結束時,義大利匠人已經開始製造凸透鏡眼鏡了。這些早期的眼鏡,佩戴並不舒適,鏡片的品質也不夠好。到了十五世紀,義大利匠人發明了矯正近視的凹透鏡,只是製造凹透鏡的技術仍很粗糙。

1500年左右,以凸透鏡或凹透鏡製造的眼鏡,在歐洲已很普遍。但是仍然沒有人發現,一個凸透鏡加一個凹透鏡,或是一個凸透鏡加另一個凸透鏡,就能製造望遠鏡。理由很簡單,當時的透鏡品質不佳,而且光學的知識也不夠。

直到十六世紀末,義大利已有一些表演「異象」供觀賞娛樂的裝置出現,那是利用透鏡與鏡子的組合。因此,到了這時,發明望遠鏡的條件,可說大致成熟了。
 
詩人Johan de Brune對於17世紀荷蘭望遠鏡的描繪。(圖/Wikipedia)
▲詩人Johan de Brune對於17世紀荷蘭望遠鏡的描繪。(圖/Wikipedia)
 
望遠鏡時代是在1608年九月下旬正式揭幕的,因為荷蘭政府收到了史上第一份望遠鏡的專利申請書。而且,政府官員還收到消息:各處都有人以望遠鏡表演奇觀,不只是在荷蘭,德國也有。很明顯,製造望遠鏡的技術並不是祕密。1609年春,巴黎有人兜售望遠鏡,夏天,義大利也出現了。這時的望遠鏡,是裝了一個凸透鏡與一個凹透鏡的一根圓筒,放大率只有三、四倍而已。有些人試用之後,不免覺得失望。

市面望遠鏡倍率不夠看,伽利略著手改良
  
這時伽利略正在威尼斯的巴度瓦大學擔任數學教授。他自1592年起,就在那兒教書了,但是薪水並不高。而伽利略是長子,得挑起家計,妹妹出嫁,他都得出妝奩。大妹夫因為他沒有按約定付款,還告過他。雖然他沒結婚,卻有情婦,這時已為他生下兩個女兒,一個兒子。

伽利略得另闢財源。他在家裡開課,收寄宿學生;只有貴族或有錢人家子弟才負擔得起。他還雇用匠人,製造他設計的儀器出售。他就是在這樣的情況下,進行運動學研究的。因此,伽利略一直在留意機會,想增加收入與研究時間。

1609年五月,他從朋友那裡聽說了望遠鏡之後,立刻就著手組裝了一個。這具望遠鏡是以現成的透鏡製造的,只能放大三倍。於是伽利略著手改良望遠鏡的研究。當時的光學知識對他沒有什麼幫助。可是,他是個傑出的實驗家,只消幾次嘗試錯誤,他就發現放大倍率與兩只透鏡的焦距有關。然而,街上賣的現成透鏡,沒有合適的焦距,於是他就自己動手。到了八月底,他製造的望遠鏡,倍率已達八、九倍,比威尼斯市上任何一只都高明。他拿這個望遠鏡在政府官員面前展示,讓任何有興趣的人試用。
 
伽利略向威尼斯大侯爵展示望遠鏡。(圖/Wikipedia)
▲伽利略向威尼斯大侯爵展示望遠鏡。(圖/Wikipedia)
 
伽利略兜售他的望遠鏡,說詞全是軍事用途:無論在陸地、還是海上,使用望遠鏡,都能及早發現敵蹤。兩天後,他就將這具望遠鏡捐給威尼斯政府,並附了一封信,委婉地說明:他想繼續研究,以便日後能有更大的「報效」機會。

威尼斯政府很快就決議,給伽利略加薪一倍,而且他的教職改為終身聘。可是,他高興得早了一些,因為學校要等到他目前的合約到期後,也就是學年結束後,才會給他加薪。

人類視野大突破——伽利略拿望遠鏡對準星空
  
因此,望遠鏡在伽利略手裡,一開始就不是個科學儀器。他將望遠鏡改良之後,也的確為他的科學事業爭得了利基——穩固的職位與倍增的薪水。

但是他並沒有停下腳步,繼續改良望遠鏡。到了1609年十一月,他完成了一具放大二十倍的望遠鏡。可是,這時他開始將望遠鏡對準星空了。
 
伽利略(左)1609年第一次以20倍望遠鏡觀察月球後,親手繪製的圖。
▲伽利略(左)1609年第一次以20倍望遠鏡觀察月球後,親手繪製的圖。
 
大約在十一月三十日與十二月十八日之間,他詳細觀察與記錄了月相的變化。他第一次公開他的觀察,是在1610年一月七日。那一天晚上,他寫信給翡冷翠麥迪席(Medici)家族的友人:

許多人相信月亮與其他天體一樣,表面均勻、光滑、又規律,但是,實情正相反,月亮表面粗糙不平。簡言之,根據望遠鏡觀察到的現象,清明的理性必然會達到的結論是:月亮表面上都是隆起與深溝,與地球表面上的高山與深谷相似,但是高得多,也深得多。

但是,使他名滿歐洲的,卻是那天晚上,他的另一個發現:

除了觀察月亮,我還觀察了其他的星星。首先,我看見了許多星星,要不是使用望遠鏡,那些星星以肉眼是看不見的。我在今晚才觀察木星,我看見木星旁邊有三顆恆星,它們非常小,肉眼根本看不見……

發現木星的四個衛星——麥迪席行星群
  
由於那三顆「恆星」出現在木星兩側,連成一直線,勾起了伽利略的興趣,於是他連續幾個晚上,一直觀察它們。結果,到十一日他就確定了:那三顆星,其實是行星,由於太小,所以直到現在,才給他觀察到。再過兩天,伽利略發現了木星第四顆衛星。
 
格里斐斯天文台展示的伽利略望遠鏡複製品(圖/Wikipedia)
▲格里斐斯天文台展示的伽利略望遠鏡複製品(圖/Wikipedia)
 
有趣的是,伽利略發現了木星與地球一樣,也有月亮圍繞運行,最關心的卻是:如何利用這個發現為自己的前途謀福利?而不是拿這個事實當作支持哥白尼日心說的證據。舉例來說,他大可以說,木星的例子顯示地球並不那麼獨一無二;那麼,日心說(所有行星都繞日而行)至少在義理上,更為合理。

伽利略立即用木星的四顆衛星向統治翡冷翠的麥迪席家族招徠,他說他為那四顆木衛想出的名字,是「麥迪席行星群」。

伽利略以貴族命名星星,仕途一片順遂
 
伽利略以望遠鏡發現的各種新現象,在人心中激起的想像,沒有一個比得上「麥迪席行星群」,尤其是在歐洲的貴族社會中。地球上有哪個家族,能有機會讓姓氏登錄在永恆的星空上呢?法國宮廷甚至派人向伽利略打聽,是否能再發現一顆星星,以王室的姓氏命名?
 
2009年8月25日,Google為了紀念伽利略望遠鏡發明400週年,特製紀念版首頁。(圖/Google)
▲2009年8月25日,Google為了紀念伽利略望遠鏡發明400週年,特製紀念版首頁。(圖/Google)
 
麥迪席家最後安排伽利略擔任比薩大學教授,不必教書,也沒有任何公務,同時,還擔任塔斯坎尼大公(Duke of Tuscany,當時由麥迪席家族掌門人擔任)的首席數學家。至於薪水,則是翡冷翠公職中的最高等級。由於伽利略的大妹夫在翡冷翠擔任低階公職,他還要求大公免了他的妝奩債務。最後,伽利略提出,他的職銜除了「數學家」之外,還要加上「哲學家」。這時,他的研究計畫已包括哥白尼引發的「宇宙結構–世界體系」爭議,而不只是數學模型問題,這種「道通天地有無間」的研究氣魄,只有「哲學家」的頭銜才配得上。

這個安排在1610年七月十日宣布,威尼斯的有關人士非常不滿。但是,伽利略出生於比薩,在翡冷翠長大,就算不談錢與頭銜,威尼斯怕也爭不過翡冷翠。

科學史上的這個月

 
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