伽利略對計(jì)量科學(xué)的貢獻(xiàn)

伽利略（1564-1642）是偉大的物理學(xué)家、力學(xué)家和天文學(xué)家，也是近代實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的奠基者，早期對計(jì)量學(xué)也做出了重要貢獻(xiàn)。

伽利略的全名是伽利略·伽利雷（Galileo Galilei），于1564年2月15日出生于意大利的比薩城。他的父親是一位數(shù)學(xué)家，不過，這位數(shù)學(xué)家卻反對自己的兒子學(xué)數(shù)學(xué)，他希望伽利略能夠成為一位醫(yī)生。因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)，醫(yī)生的收入是數(shù)學(xué)家收入的30倍，老伽利雷自然希望兒子能通過學(xué)醫(yī)而過上衣食豐饒的生活。

1581年，根據(jù)父親的安排，伽利略17歲進(jìn)入了比薩大學(xué)，成了一名醫(yī)學(xué)學(xué)生。但是命運(yùn)似乎注定要跟老伽利雷開玩笑，在1583年伽利略聽了幾次關(guān)于歐幾里德幾何學(xué)的演講，又獨(dú)立做了些力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)自己不僅喜歡數(shù)學(xué)和科學(xué)，而且在這方面還頗有天分，于是他找到父親，希望父親能夠同意自己轉(zhuǎn)而學(xué)習(xí)自然科學(xué)。

對伽利略的請求，老伽利雷雖然不太情愿，但還是勉強(qiáng)同意了伽利略去學(xué)自然科學(xué)。后來的事實(shí)證明，他的態(tài)度的這一轉(zhuǎn)變太值得后人慶幸了，雖然意大利因?yàn)樗倪@一決定少了一位醫(yī)道高明的醫(yī)生，但卻有了一位近代科學(xué)的奠基人。近代科學(xué)正是沿著伽利略開辟的道路發(fā)展起來的。

說來也巧，伽利略對計(jì)量科學(xué)的第一個(gè)貢獻(xiàn)正是他在當(dāng)醫(yī)學(xué)學(xué)生時(shí)做出來的，那是1581年的一天，伽利略到比薩的一個(gè)教堂做禮拜，千篇一律的宗教儀式使他覺得乏味，無意之間，他把目光投向了教堂里懸掛著的一盞吊燈。這盞吊燈在氣流的作用下來回?cái)[動(dòng)，它的擺動(dòng)不太規(guī)則，有時(shí)是小圓弧，有時(shí)則劃過的圓弧稍大些。伽利略敏銳地注意到，不管其擺動(dòng)幅度有什么變化，擺動(dòng)一次所用的時(shí)間卻總是相同的。為了證實(shí)自己的發(fā)現(xiàn)，他數(shù)著自己的脈搏做了測量，而且回到家里以后，又做了兩個(gè)同樣長度的擺，讓它們擺動(dòng)，使其中一個(gè)擺動(dòng)的幅度大，另一個(gè)擺動(dòng)的幅度小。通過這樣的實(shí)驗(yàn)，他證實(shí)了自己的發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)擺擺動(dòng)一次所需時(shí)間果然是一樣的。證實(shí)了這個(gè)發(fā)現(xiàn)之后，他經(jīng)過鉆研，把擺做成了“脈搏計(jì)”，應(yīng)用到測量病人的脈搏上去，受到當(dāng)時(shí)醫(yī)生們的歡迎?！懊}搏計(jì)”成了他短暫的學(xué)醫(yī)期間對醫(yī)學(xué)所做出的貢獻(xiàn)。

實(shí)際上，伽利略的發(fā)現(xiàn)有更深刻的意義，因?yàn)閿[的這種等時(shí)性是近代機(jī)械鐘表制造的科學(xué)依據(jù)。當(dāng)然，要把這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到鐘表制造上去，還有很多工作要做，首先是對影響擺動(dòng)的有關(guān)因素加以探討。例如，擺錘的重量、材料對擺動(dòng)周期有什么影響？空氣的阻力對不同材料做成的擺錘的擺動(dòng)有什么影響？擺線長短與擺動(dòng)周期有什么關(guān)系？等等。伽利略用實(shí)驗(yàn)的方法來解決這些問題。在用兩個(gè)擺做實(shí)驗(yàn)時(shí)，他把一個(gè)擺系上用軟木做成的擺錘，而另一個(gè)則系上用鉛做成的擺錘，兩個(gè)擺的擺線長度是一樣的。當(dāng)這兩個(gè)擺在同一時(shí)刻以同樣的方式開始擺動(dòng)時(shí)，它們擺動(dòng)的周期是一樣的，每次所經(jīng)歷的弧長也相同。在多次擺動(dòng)之后，二者的運(yùn)動(dòng)仍看不出明顯的差別。由此，伽利略得出結(jié)論說，擺的擺動(dòng)周期跟擺錘的材料和重量沒有關(guān)系，空氣阻力對其也沒有多大作用。對同一個(gè)擺，伽利略又用改變擺線長度的方法，探討擺長與擺動(dòng)周期的關(guān)系。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)擺動(dòng)周期跟擺長的平方根成正比。這些發(fā)現(xiàn)，使人們對單擺的擺動(dòng)規(guī)律有了比較清楚的認(rèn)識。

現(xiàn)在看來，伽利略做實(shí)驗(yàn)時(shí)擺的擺動(dòng)幅度一定不太大，因?yàn)閿[的等時(shí)性僅僅在擺做沿旋輪線的運(yùn)動(dòng)時(shí)才成立，而在擺沿著弧線運(yùn)動(dòng)時(shí)不成立。但是在擺動(dòng)幅度不大的情況下，二者的差異可以忽略不計(jì)。因此，在小角度擺動(dòng)的情況下，伽利略的發(fā)現(xiàn)仍然是正確的。

擺的等時(shí)性的發(fā)現(xiàn)，使伽利略意識到有可能把它應(yīng)用到機(jī)械鐘表的制造上。既然擺的擺動(dòng)是等時(shí)的，只要讓擺跟時(shí)鐘機(jī)構(gòu)結(jié)合起來，使擺不停地?cái)[動(dòng)，記下它擺動(dòng)的次數(shù)，就能得到準(zhǔn)確的時(shí)間。伽利略把這一設(shè)想告訴了他的兒子芬琴齊奧和學(xué)生維維安尼，讓他們動(dòng)手研制擺鐘。他們繪制出了草圖，但還未等研制成功，芬琴齊奧就去世了，研制工作只好半途而廢。在伽利略去世十多年后，荷蘭科學(xué)家惠更斯根據(jù)伽利略的發(fā)現(xiàn)，成功地研制出了達(dá)到相當(dāng)準(zhǔn)確度的擺鐘。正是伽利略的發(fā)現(xiàn),促成了近代時(shí)間計(jì)量正式登上了歷史舞臺。

伽利略也是溫度計(jì)量的創(chuàng)始人。在伽利略之前，人們已經(jīng)知道，溫度的變化會引起一些物體物態(tài)的變化。但人們從未實(shí)現(xiàn)過對溫度變化的定量測試，是伽利略最先做到了這一點(diǎn)。1593年伽利略在實(shí)驗(yàn)中發(fā)明了能測量溫度變化的儀器，該儀器是利用空氣的熱脹冷縮效應(yīng)制成的，它的主體是一根下端開口，上端呈泡狀的封閉玻璃管。使用時(shí)，該玻璃管的下端插在一個(gè)盛有水的容器中，玻璃管上標(biāo)有刻度，當(dāng)外界氣溫變化時(shí)，玻璃泡中的空氣就會相應(yīng)地膨脹或收縮，于是玻璃管中的水就相應(yīng)地下降或上升，其變化幅度通過玻璃管上的刻度可以表現(xiàn)出來，于是溫度的變化也就被定量地反映了出來。

伽利略的溫度計(jì)還很原始。首先，在他的溫度計(jì)里，玻璃管中水柱長度的變化并不僅僅取決于外界氣溫的變化，它還會受到外界大氣壓變化的影響。再者，玻璃管上的刻度也比較隨意，沒有建立科學(xué)的溫標(biāo)劃分，因而使用該溫度計(jì)測量溫度時(shí)，不能滿足計(jì)量對于標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化的要求。但無論如何，伽利略畢竟是應(yīng)用空氣的熱脹冷縮效應(yīng)定量測試溫度變化的第一人。他的嘗試，引起了人們對研制溫度計(jì)的熱情，這種熱情持久不衰，終于導(dǎo)致了科學(xué)的溫度計(jì)的誕生，導(dǎo)致了溫度計(jì)量的誕生。

伽利略對計(jì)量的貢獻(xiàn)還不僅僅于此。1586年，伽利略寫成了《小天平》(1655年出版)一書，敘述了他創(chuàng)制的能夠迅速測量合金成分的流體靜力學(xué)天平。1609年，他發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，從而開創(chuàng)了天體空間方位精密測試的新紀(jì)元；為了否定亞里士多德學(xué)派關(guān)于空氣具有“輕”的性質(zhì)的說法，他巧妙地測定了一定體積空氣的重量，從而為大氣壓學(xué)說的誕生準(zhǔn)備了初步條件。他對計(jì)量的最大貢獻(xiàn)在于，他建立了數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的科學(xué)方法，做出了一系列振聾發(fā)聵的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，從而導(dǎo)致了近代科學(xué)的誕生。而近代計(jì)量是建立在近代科學(xué)基礎(chǔ)之上的，從這個(gè)意義上講，伽利略是近代計(jì)量的奠基人。