伽利略27岁的时候，父亲去世。28岁时，伽利略到帕多瓦大学执教机械、几何和天文等学科，这份工作他一直做到46岁。在此期间，他作出了很多对后世影响极大的科学研究，还推翻了很多持续上千年的错误观点，为后来现代科学的发展奠定了基础。此后，牛顿等多位著名科学家的重大发现，几乎都建立在了伽利略的研究基础之上。

伽利略还给后人提供了非常宝贵的一项遗产——科学方法论。“方法论”这个概念，你可以简单理解为“一整套方法”。

伽利略研究问题的方法是提出猜想，对猜想进行推理，得到推论，实验验证推论，从而反推回猜想。他在研究过程中，很好地结合了数学、理论物理与物理实验。这样的研究方法，直到现在，我们还在使用。

牛顿说：“如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。”我们完全可以说，无论是牛顿等后来的大科学家，还是我们现在的自然科学研究者，都是站在了伽利略的肩膀上。

自由落体运动

自由落体运动指的是一个物体从空中下落的过程。例如：手里捏一块橡皮在空中松手，一颗熟透的银杏果从树上掉落……对于这些现象，人们早已发现：一块石头比一片树叶落得快些。

古希腊的科学家亚里士多德认为：物体下落的快慢跟它的轻重有关，重的物体下落得快。他的这一论断符合人们的常识，以至于其后2000年的时间里，大家都奉之为真理。

然而，伽利略并没有盲从先前的论断，而是做了一个令人惊叹不已的“思想实验”。他假设：一块大石头的下落速度为8，一块小石头的下落速度为4，当把两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着而变慢，那么整个物体的下落速度应该介于8和4之间；但是，把两块石头捆在一起后，整个物体比大石头要重，因此整个物体下落的速度应该比8还要大，这就推出了矛盾。

这种相互矛盾的结论，说明亚里士多德“重的物体下落得快”的看法是错误的。既然“重的物体下落得快”是错误的，那么反过来的结论就是重的物体与轻的物体应该下落得同样快。

我们注意：

伽利略的逻辑是典型的“演绎推理”，即：想知道某一论断是否正确，有时候没办法直接去判断这一论断。那么，我们就从该论断出发，看看能够推断出什么其他的内容。如果被推理出的新内容可以被实验证实，那么就可以作为原论断的一个证据；反之，如果推理出的新内容被证明是错误的，则可以说明，原论断错误。我们来看伽利略的做法：“重的物体下落得快”无法直接被推翻，因为当时的实验条件下，人们只能观察到，树叶比石头下落得更慢。因此，伽利略就对“重的物体下落得快”这一原始论断做推理，证实了推理出的内容是自相矛盾的，由此推翻原结论。

这是一次“思想实验”，也叫“思维实验”。首先，它是实验，并不是理论推演，它使用了一个具体的例子与场景（例如伽利略设想的大石头和小石头分别落下，以及把它们捆在一起落下），但是，它又没有把实验实际操作出来，而是在想象中完成。思想实验是科学家们经常采用的科学研究方法，本书中你将会多次见到。

此时的伽利略还没有完全找到自由落体运动的规律，他还需要找到其中的定量关系，比如，速度是怎么变化的，下落的距离是怎么变化的？伽利略又一次设计了非常精彩的实验。

讲解这个实验之前，我们首先看一下伽利略当时面对的困难有哪些，然后我们再看他是如何通过巧妙的实验设计解决这些困难的，借此体会一下大科学家精妙的思维。

探究自由落体运动的规律，其实就是找到速度、运动距离、时间这几个物理量之间的关系。

速度，在这三者中是最难测量的，在伽利略的时代，并没有测量速度的仪器。运动距离最好测量，直接用尺子就可以测，测量长度用的尺子，几乎是人类最早使用的测量仪器，而且测得的结果也比较准确。时间，在伽利略的时代可以用水滴计时、脉搏计时、沙漏计时等方法来计量时间，比如，让水缓缓滴落，通过水滴的计数，来度量时间，或者测量脉搏跳动的次数，来计量时间，但这几种测时间的方法都只能得到一个大致的结果。通过刚才的分析，我们可以发现，速度、运动距离、时间三者当中，速度无法测量，下落距离可以准确测量，时间可以很粗略地测量。那么，伽利略就选取了下落距离和时间这两个量，来探究这二者之间的关系。

因为时间只能粗略地测量，而自由落体运动又很快，就像让一块橡皮从桌子上落下，掉到地上经历的这段时间可能脉搏才跳了一下，这样做，测量误差就会很大，谁也说不清楚这到底是经历了一下脉搏，还是两下。那么，伽利略要想用简陋的计时条件来测量自由落体运动的时间，就必须设计更精巧的实验。伽利略的策略可谓天才——他测量了一个“被冲淡的自由落体运动”。

伽利略没有让铜球做自由落体运动，而是巧妙地让铜球从斜面上滚下来，来测量时间和运动路程。这时候，斜面上铜球的下落被看作一个冲淡的自由落体运动。毕竟斜面上的下落没有直接自由落体那么快，以至于时间间隔还是可以测量的。伽利略重复做了很多组斜面实验，换用不同的斜面倾斜角，发现不论以怎样的倾斜角，铜球的运动距离都和时间的平方成正比。

实体的实验到此为止，然而伽利略的思维实验并没有停下。他假设，自由落体运动，相当于是斜面倾斜角为90°的一种斜面下落，既然实验中，每个倾斜角都满足运动距离和时间的平方成正比，那么，当斜面倾斜角是90°的时候，也应该满足这一关系。

终于，伽利略通过实体实验与思维实验相结合的方式，完成了自由落体运动规律的探究，并推翻了亚里士多德延续了2000年的结论，他所采用的科学实验方法与研究思路，也开创了科学进步的新纪元。

力与运动的关系

上一次，伽利略通过精巧的实验推翻了亚里士多德关于自由落体的结论，这一次，伽利略将再次使用斜面和铜球，做一个精巧的实验，为人类的科学史，带来一次更重大的革命。

在生活中，我们经常见到这样的现象：用脚踢足球，过一会儿，足球就会停下；如果一直推着纸箱，纸箱就会一直向前运动，但是如果不再推它，纸箱滑行一段距离就停下。因此，亚里士多德根据这种朴素的观察总结出：力是维持物体运动的原因。他认为，如果要让物体持续运动，必须一直给物体施力，一旦停止施力，就无法维持物体继续运动下去。

伽利略并不认同这一观点，他观察到物体在较为粗糙的地面上，滑动的距离较近，但是在比较光滑的冰面上，滑动的比较远。所以他认为：力并不是维持物体运动的原因。假如他能找到一个绝对光滑的冰面，那么物体就不需要外力推动，可以一直滑动下去。现实中不可能存在这样极度光滑的地方，因此，伽利略再次利用斜面，设计了一个实验：

他把两个斜面的底部拼起来，然后把一个铜球从一个斜面上某个位置自由释放，然后，他发现铜球会到达另一个斜面上跟释放点差不多的一个高度。不论他怎么调节另一斜面的倾斜角，情况都如此。

斜面实验，球从左侧斜面滚落，不断调整右侧斜面的倾斜角。

接着，伽利略再次利用了“思想实验”。他思考：如果对面斜面的倾斜角为零，即一个斜面后面接一个平面，这个铜球将永远也无法达到它释放的高度，它将永远运动下去！也就是说，物体如果一开始就在运动，那么在不受力的情况下，将一直运动下去。

伽利略再一次推翻了延续了2000多年的理论，并且，伽利略的这一实验，之后由牛顿进一步总结成牛顿第一定律，开启了人类科学的一个崭新时代。