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本章将要介绍，现代测量及技术如何萌芽于17世纪时发展起来的一系列事物，以及那时发展起来的基础理念是如何帮助我们理解今日的理论以及所使用的实验方法的。过去的400年间，一些大问题会反复被科学家们提及，而随着理论与技术的飞速发展，一些小问题反而发生了巨大的变化与发展。
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科学时代的来临
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科学家格物穷理的过程正是他们对跨过已知领域与未知领域界线的一种尝试。任何时候，我们都是从一个包含了能预测目前可测量现象的规则与方程的集合出发的，但我们又总是试图进入当下实验尚不能触及的领域之中。应用数学理论与技术，我们可以系统地处理一些问题，而这些问题在过去纯粹是出于信仰或者投机而提出的主题。随着更多、更好的观测结果以及被崭新测量方式改良过的理论框架的建立，科学家们得以更加全面地理解这个世界。
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当我流连于帕多瓦以及其他那些伽利略留下过足迹的邦城之间时，我更好地理解了他在发展上述思维方式中不可替代的地位。斯科罗维尼礼拜堂（Scrovegni Chapel）——就是从14世纪初期开始陈列“欧洲绘画之父”乔托（Giotto di Bondone）壁画的地方，正是这些地点中最著名的一个。这些画值得被人们注意的理由有很多，但其中最让科学家们关心的是，《博士来拜》（Adoration of the Magi ）一画活灵活现地描绘了1301年被人们观测到的哈雷彗星，不得不说这是个奇迹（见图2-1）。在那幅画的创作时期，哈雷彗星是肉眼可见的！
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图2-1 乔托在《博士来拜》这幅画中描绘了如下情景：14世纪早期，肉眼可见的哈雷彗星划过天际。
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不过，那些画面并不科学。我的导游指着拉久内宫（Palazzo della Ragione）中一幅关于星际景象的画告诉我们，她最初被告知那是银河系，而后来一位经验丰富的导游向她解释，这是由于时代局限而导致的错误理解。在这些作品的创作时期，画家们仅仅会画出他们之所见。那确实是一幅布满了星星的画面，然而与我们的星系却没有半点关系。我们今日所了解的科学在那个时代还没有诞生。
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实验观测与思想实验
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在伽利略之前，科学依赖于未经仔细考量的测量结果与纯粹的思辨。亚里士多德所发展的“科学”是人们试图理解世界的一种典型方式。数学可以进行逻辑推导，然而那些隐含其中的公理要么被人们无条件地相信，要么由直接的观测得来。
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伽利略明确地摒弃了把研究建立在“论文的世界”（mondo di carta）里的想法，他希望研读并学习“自然之书”（libro della natura）。为此，伽利略改进了自己的观测方法，并认识到了实验的力量。他明白了如何构建及使用某些人工环境进而推导出物理定律的本质。通过实验手段，伽利略得以证实以及证伪他能（以数学手段）证明的一系列有关自然本质的假说。而证实与证伪这两个过程同等重要。
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伽利略的一些实验使用了斜面，这些斜面非常重要，它们会经常出现在所有基础物理学考试之中。对伽利略来说，斜面并不只是一些教师炮制的课堂问题——正如物理学初学者所理解的一样。事实上，它是一种研究自由落体速度的方法，这种方法延长了物体运动的水平距离，所以伽利略可以精细地测量它们是如何“下落”的。他使用水时计来计量时间，还聪明地在一些特殊时间点加入小铃铛，这使他得以利用自己的音乐天赋来判断球从斜面上滚下来时的速度（见图2-2）。通过这些有关运动和引力的实验，伽利略、开普勒与笛卡儿共同为经典机械定律打下了坚实的基础，而这些定律在后世由牛顿发扬光大。
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图2-2 以应用铃铛声记录球体运动过程的手段，伽利略测量了球体从斜面顶端下滚的速度。
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伽利略所发展的科学也超越了他的观测水平。他发明了思想实验，即为了能预测当时还没有人可以进行的实验所做的基于所见之物的抽象理解。其中最著名的预测是：当物体在无阻力的情形里下落时，它们（在相同时间）具有相同的速度。即便伽利略不能真正在理想情况下做实验，也仍然正确地预测了这个结果。他不但正确理解了引力在物体自由下落时的作用，还明白了是空气阻力使这些物体慢了下来。好的科学理论应该能够正确理解所有因素 。思想实验与实验观测共同帮助伽利略更好地理解了引力的本质。
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一个有趣的历史巧合是，牛顿出生于伽利略逝世的次年（如霍金在一次演讲中所言，对自己的生日正好在牛顿诞辰300年之后这一点，他感到很高兴）。牛顿作为最伟大的物理学家之一，既传承了之前的科学思想，又把它们发扬光大。设计思想实验与真实实验、理解它们并了解其局限性的传统方法，为今日的科学家们所继承，不论他们生于何日。依赖于尖端技术的现代实验更加精细，这种为了证实或证伪基于假说的预测来制造仪器的理念，明确了今日的科学及其研究方法。
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将望远镜对向太空
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除了实验，即用来测试其假说的人造条件之外，伽利略另外一个最终改变了科学发展命运的巨大贡献，是对技术潜力的理解与推崇。它的出现使人类对宇宙的观测手段变得越发先进。通过实验，我们可以超越纯粹的推理与思辨；而使用新仪器，我们可以对实验结果去芜存菁。
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在科学发展早期，人们依靠感官观察结果。他们凭感觉与触觉目测事物，而不是使用间接的中间仪器以获得那些与直觉不同的客观事实。天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）在大量天文数据之中发现了一颗超新星，并精确测量了行星的轨道，这是伽利略登上历史舞台之前最后一个著名的天文学观测结果。第谷在测量时确实使用了一些精密的仪器，比如巨大的四分仪、六分仪以及浑天仪。第谷亲自设计、制造了比前人所制精确度更高的仪器，并得出精确的观测数据，而这些数据让他的弟子开普勒得以推断出行星的运行轨道是椭圆形的。然而，尽管第谷的观测十分细致，但是这些观测却都是通过肉眼进行的，根本没有用到透镜或者其他仪器。
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值得注意的是，伽利略对艺术有着极高的洞察力——毕竟他是一位音乐家的儿子，家学渊源。但是即便如此，他也意识到了，使用技术手段作为观测的中间步骤会使他本来已经极具天赋的耳目发挥更大作用。伽利略坚信，借助观测仪器在各种尺度上完成的非直接测量取得的结果，远远超越了那些仅靠感官获得的结果。
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伽利略对技术最广为人知的贡献，是他应用望远镜观测恒星的创举。他使用这种仪器改变了我们见科学、见宇宙、见自我的方式。
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然而，望远镜并非由伽利略发明，而是于1608年由荷兰的汉斯·利伯希（Hans Lippershey）发明。不过这位荷兰人发明它是为了偷窥，因此这个发明在当时又被称作“偷窥镜”。伽利略是第一个意识到这个仪器潜力的人——有了这个仪器，人就可以不再依赖肉眼观测宇宙了。伽利略参照荷兰发明的“偷窥镜”原型，把它升级为了一台放大倍数为20倍的望远镜——这个发明在出现后的一年内一直被当作节日庆典上的玩具，是伽利略把它变成了一台科学仪器。
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伽利略使用间接的中间仪器辅助测量的开天辟地之举是对以往测量手段的彻底抛弃。它开近代测量方法之先河，并且代表着所有近代科学必不可少的关键进程。人们最初对这种非直接测量有所怀疑。时至今日，仍然有怀疑者质疑大型质子对撞机中的现象，以及卫星或望远镜上计算机中所记录的数据的真实性。但是这些被仪器所记载的数据中，每一比特数据都与我们能直接看到的东西一样精确，从某些方面上来讲，甚至比直接所见的事物更加精确。毕竟，我们的听觉源于作用在耳鼓上的空气的振动，视觉源于作用在视网膜上的电磁波，这些作用最终被大脑加工而形成感觉。这意味着人体也是一种技术的呈现方式——而人体并不可靠，相信所有体验过光学错觉的人都会支持这一观点（例子见图2-3）。科学测量的美妙之处在于，我们可以明白无误地推断出物理实在性的方方面面，包括基本粒子的本质及其特征。这些目的要通过一些实验来达到，例如今日的物理学家们使用大型而精确的探测器所进行的实验。
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