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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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图2-3 对于确定外在的实在性，人的视觉并不总是最可靠的途径。这里的两个棋盘完全相同，然而右边棋盘上的许多小点让这些棋盘的格子看起来非常不同。
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怀疑抽象结论、相信眼见为实是出于人的本能，而科学给我们上了一课，告诉我们如何超越这种人类与生俱来的倾向。使用自己设计的仪器进行测量要比肉眼观测更值得信赖，而且我们可以通过多次重复实验的方法来核实、改进它。
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1611年，教会通过了关于承认间接测量有效性的决议。如汤姆·列文森（Tom Levenson）在其著作《以尺量尺》（Measure for Measure ）[1] 中所提到的，教会的科学事务当权者们必须确定望远镜的观测结果是否值得信赖。红衣主教罗伯特·贝拉明（Robert Bellarmine）推动教会学者们来决议这个话题，1611年3月24日，教会的4名首席数学家一致认为伽利略的发现是有效的——望远镜的观测结果精确且值得信赖。
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帕多瓦大学赠送给我的另一枚黄铜纪念章之上，精美地镌刻着伽利略核心思想的本质。其中一面是介绍1609年，伽利略向当时的威尼斯政府机构以及总督李奥纳多·多纳（Leonardo Dona）介绍望远镜的画面；另一面是一段致辞，大意是：这个事件“标志着近代天文望远镜的诞生”，开启了“人类向地球之外星空探索的革命性事业”，是“跨越天文学时代的一个历史性时刻，使它成为近代科学的起点”。
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伽利略对观测方式的贡献直接导致了后续一系列爆炸性的科学进展。在他不断仰望星空的过程中，伽利略发现了肉眼所不能及的一些新事物。比如，他发现了昴星团（Pleiades）以及茫茫星空中一系列人们从未见过的恒星，它们散布在我们已知的亮度更高的恒星之间。1610年，他在《星辰信使》（Starry Messenger ）中发表了观测结果，这本书于6个星期之内匆匆写就。在印刷工人处理他手稿的时候，伽利略匆匆完成了研究工作，并且希望作为首位出版有关望远镜书籍的人，得到时为意大利托斯卡纳区（Tuscany）大公科西莫二世·德·美第奇（Cosimo II de’Medici）的关注与支持——这位大公是当时意大利最富有的家族中的一员。
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伽利略那见解深刻的观测手段，促使一系列科学成就如雨后春笋般地涌现出来。他采用不同的看待问题的方式，即关注“如何做”而非“为何”。那些只有通过望远镜才能发现的观测细节，让他得出了一些激怒罗马教廷的推论。这些结果使他确信哥白尼的理论是正确的。于伽利略而言，唯一能支持他所有观测结果的世界图景必须建立在如下宇宙学假设之上：太阳而非地球才是我们所处星系的中心，而所有已知行星都围绕着太阳公转。
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对木星卫星的观测在这些观测中是最重要的。伽利略观测到，这些卫星时隐时现，在其轨道上围绕木星这颗巨行星公转。在获得这个发现之前，地球固定不动似乎是唯一能解释为什么月球的公转轨道恒定不变的假说。对木星卫星观测的发现意味着，即便木星（相对地球）是运动着的，也并不妨碍它的卫星绕之公转。这便为地球可能处于运动状态，甚至以一个独立的天体为中心在公转，提供了可能性。这些可能现象最终被牛顿的万有引力理论及其对天体之间引力的预测所解释。
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为了表达对科西莫二世·德·美第奇的敬意，伽利略给木星的卫星命名为“美第奇星”，而前者在不久之后进一步阐述了他对资助的理解——这也是近代科学的一个关键方面。美第奇家族确实决定了支持伽利略的研究。然而，在伽利略被佛罗伦萨城授予终生资助对象不久之后，那些卫星被重新命名为“伽利略星”，以表达对其发现者伽利略的敬意。
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伽利略还使用望远镜观测月球表面的山谷与沟壑。在他之前，人们普遍认为，宇宙作为天堂的象征，是完全不变、被绝对稳定的规律所驾驭的。在此之前，源于亚里士多德的盛行观念认为，虽然从地球到月球之间的一切都是有缺陷而易变的，但出于其神性，地球之外的天体是永恒不变的球体。彗星与流星被视作像风和云一样的气象现象，术语“meteorology”（气象学）就起源于此。伽利略详尽的观测结果暗示了，不完美性不仅仅在人类以及月球之间的领域存在着。月球并非一个完美的光滑球体，实际上它与地球的形状十分相似，这超乎人们的想象。由于对月球的这些粗略探索，关于月球到底属于人间独有还是天体的疑问顿时处在风口浪尖之上。地球不再具有独一无二的地位，它只是一个与其他天体没什么两样的普通天体。
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艺术史学家约瑟夫·柯纳（Joseph Koerner）向我解释，伽利略的艺术背景使他能够根据光线和阴影来分辨月球上的环形山。伽利略受过的有关透视画法的训练，使他得以理解他所看到的那些突起物。即使它们并非完整的三维图景，伽利略也立即意识到了这些图景背后的意义。他并非意在绘制月表地图，而是想弄清楚月球的结构；而当看到这些图案的时候，他立即就理解了。
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支持哥白尼论断第三重要的结论是对金星方位的观测，如图2-4所示。这些观测结果对于断定天体是否围绕太阳运行极为重要。从这个意义而言，地球与其他行星没什么两样——金星显然并不围绕地球公转。
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