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計量論壇

標題: 伽利略對計量科學的貢獻 [打印本頁]

作者: 兌水 時間: 2006-3-16 15:25
標題: 伽利略對計量科學的貢獻
伽利略（1564-1642）是偉大的物理學家、力學家和天文學家，也是近代實驗物理學的奠基者，早期對計量學也做出了重要貢獻。

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)學家，不過，這位數(shù)學家卻反對自己的兒子學數(shù)學，他希望伽利略能夠成為一位醫(yī)生。因為在當時，醫(yī)生的收入是數(shù)學家收入的30倍，老伽利雷自然希望兒子能通過學醫(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歲進入了比薩大學，成了一名醫(yī)學學生。但是命運似乎注定要跟老伽利雷開玩笑，在1583年伽利略聽了幾次關于歐幾里德幾何學的演講，又獨立做了些力學研究，發(fā)現(xiàn)自己不僅喜歡數(shù)學和科學，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而學習自然科學。

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

說來也巧，伽利略對計量科學的第一個貢獻正是他在當醫(yī)學學生時做出來的，那是1581年的一天，伽利略到比薩的一個教堂做禮拜，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擺動，它的擺動不太規(guī)則，有時是小圓弧，有時則劃過的圓弧稍大些。伽利略敏銳地注意到，不管其擺動幅度有什么變化，擺動一次所用的時間卻總是相同的。為了證實自己的發(fā)現(xiàn)，他數(shù)著自己的脈搏做了測量，而且回到家里以后，又做了兩個同樣長度的擺，讓它們擺動，使其中一個擺動的幅度大，另一個擺動的幅度小。通過這樣的實驗，他證實了自己的發(fā)現(xiàn)：兩個擺擺動一次所需時間果然是一樣的。證實了這個發(fā)現(xiàn)之后，他經(jīng)過鉆研，把擺做成了“脈搏計”，應用到測量病人的脈搏上去，受到當時醫(yī)生們的歡迎?！懊}搏計”成了他短暫的學醫(yī)期間對醫(yī)學所做出的貢獻。

實際上，伽利略的發(fā)現(xiàn)有更深刻的意義，因為擺的這種等時性是近代機械鐘表制造的科學依據(jù)。當然，要把這一發(fā)現(xiàn)應用到鐘表制造上去，還有很多工作要做，首先是對影響擺動的有關因素加以探討。例如，擺錘的重量、材料對擺動周期有什么影響？空氣的阻力對不同材料做成的擺錘的擺動有什么影響？擺線長短與擺動周期有什么關系？等等。伽利略用實驗的方法來解決這些問題。在用兩個擺做實驗時，他把一個擺系上用軟木做成的擺錘，而另一個則系上用鉛做成的擺錘，兩個擺的擺線長度是一樣的。當這兩個擺在同一時刻以同樣的方式開始擺動時，它們擺動的周期是一樣的，每次所經(jīng)歷的弧長也相同。在多次擺動之后，二者的運動仍看不出明顯的差別。由此，伽利略得出結論說，擺的擺動周期跟擺錘的材料和重量沒有關系，空氣阻力對其也沒有多大作用。對同一個擺，伽利略又用改變擺線長度的方法，探討擺長與擺動周期的關系。經(jīng)過反復實驗，他發(fā)現(xiàn)擺動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規(guī)律有了比較清楚的認識。

現(xiàn)在看來，伽利略做實驗時擺的擺動幅度一定不太大，因為擺的等時性僅僅在擺做沿旋輪線的運動時才成立，而在擺沿著弧線運動時不成立。但是在擺動幅度不大的情況下，二者的差異可以忽略不計。因此，在小角度擺動的情況下，伽利略的發(fā)現(xiàn)仍然是正確的。

擺的等時性的發(fā)現(xiàn)，使伽利略意識到有可能把它應用到機械鐘表的制造上。既然擺的擺動是等時的，只要讓擺跟時鐘機構結合起來，使擺不停地擺動，記下它擺動的次數(shù)，就能得到準確的時間。伽利略把這一設想告訴了他的兒子芬琴齊奧和學生維維安尼，讓他們動手研制擺鐘。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，荷蘭科學家惠更斯根據(jù)伽利略的發(fā)現(xiàn)，成功地研制出了達到相當準確度的擺鐘。正是伽利略的發(fā)現(xiàn),促成了近代時間計量正式登上了歷史舞臺。

伽利略也是溫度計量的創(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。1593年伽利略在實驗中發(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，該玻璃管的下端插在一個盛有水的容器中，玻璃管上標有刻度，當外界氣溫變化時，玻璃泡中的空氣就會相應地膨脹或收縮，于是玻璃管中的水就相應地下降或上升，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。

伽利略的溫度計還很原始。首先，在他的溫度計里，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，沒有建立科學的溫標劃分，因而使用該溫度計測量溫度時，不能滿足計量對于標準化和統(tǒng)一化的要求。但無論如何，伽利略畢竟是應用空氣的熱脹冷縮效應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的熱情，這種熱情持久不衰，終于導致了科學的溫度計的誕生，導致了溫度計量的誕生。

伽利略對計量的貢獻還不僅僅于此。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天平。1609年，他發(fā)明了望遠鏡，從而開創(chuàng)了天體空間方位精密測試的新紀元；為了否定亞里士多德學派關于空氣具有“輕”的性質的說法，他巧妙地測定了一定體積空氣的重量，從而為大氣壓學說的誕生準備了初步條件。他對計量的最大貢獻在于，他建立了數(shù)學和實驗相結合的科學方法，做出了一系列振聾發(fā)聵的科學發(fā)現(xiàn)，從而導致了近代科學的誕生。而近代計量是建立在近代科學基礎之上的，從這個意義上講，伽利略是近代計量的奠基人。

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