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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950055]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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今天，科学家们使用的方法基于的是过去很长时间以来各种观测研究的成果，这些研究成果可以证实或证伪不同的科学理论——后者与前者同等重要。这需要我们超越对世界的直觉理解。罗马语中用来表达“think”（思考）这一动作的词根“pensum”从拉丁语的动词“weigh”（权衡）演变而来。看来英语使用者也会“权衡”不同的观点。
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很多把科学引入现代表述方法的构词法都在17世纪于意大利发展起来，而伽利略在其中扮演了关键角色。他是首先完全领会并推动间接测量（indirect measurements）发展的一批人之一。间接测量使用中间仪器进行测量，以设计以及用实验创建科学理论。此外，伽利略还构想了一系列思想实验，以帮助他建立并逐渐发展自己的理念。
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2009年春天访问帕多瓦大学时，我接触了很多伽利略的深刻思想，这些思想从根本上改变了当时的科学观。我访问那里的第一个原因是为参加一场物理学会议，会议的组织者是帕多瓦大学物理学教授法比奥·茨维纳（Fabio Zwirner）；第二个原因是去接受该市“荣誉市民”的称号。我很高兴能和与会的物理学家同侪以及那些受人敬重的“市民”坐在一起，这其中包括史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、史蒂芬·霍金、爱德华·威滕（Edward Witten）。另外，作为福利，我还有一次学习科学发展史的机会。
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那次旅行是在2009年，正好是伽利略进行首次天文观测的400周年。帕多瓦城的居民们对此尤为留心，因为伽利略在作出最伟大研究时恰在帕多瓦大学任教。为了纪念他，帕多瓦城（以及比萨、佛罗伦萨、威尼斯这些在伽利略科学生涯中扮演了重要角色的城市）安排了一系列展览与庆典活动，以表达对这位科学家的敬意。物理学家的会议于阿迪纳铁文化中心（Centro Culturale Altinate，也称圣加埃塔诺酒店）的大厅里举行。这座建筑还为一个引人入胜的展览提供了展位，这个展览用来庆祝伽利略对科学不可磨灭的贡献，彰显他在改变以及重新定义现代科学中不可动摇的地位。
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我遇到的大多数人都表达了他们对伽利略成就的敬仰以及对现代科学进展的狂热之情。帕多瓦市的市长弗拉维奥·扎诺那多（Flavio Zanonato）对物理学的兴趣及其深厚的物理学知识大大鼓舞了当地的物理学家。作为这座城市的领导者，他不仅出席了我在一次晚宴上作的公开演讲，并参与讨论了一些科学主题，而且在演讲过程中还以一个对大型强子对撞机中载荷流的精彩提问震惊了听众。
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作为荣誉市民庆典的一部分，市长扎诺那多亲自授予了我帕多瓦市的荣誉之钥。这个钥匙十分古怪——它看起来像是只存在于电影之中的事物。它很大，通体银质，雕刻精美。我的一位同事看到它时甚至打趣说：“它是从《哈利·波特》的故事中带出来的吗？”它只是一件礼品，并没有开锁的功能，象征着“开启”——不仅意指城市，在我的想象中还指向一个丰饶而有质感的知识之门。
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除了这把钥匙之外，帕多瓦大学教授马西米拉·巴尔多-秋林（Massimilla Baldo-Ceolin）还授予了我威尼斯纪念奖（也称奥赛拉奖[osella]）。奖牌上面用意大利文铭刻了伽利略的名言，这句名言同样被刻在帕多瓦大学物理系的墙上：
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我认为哪怕脚踏实地地找出物质的一点真相，也比高谈阔论那些于现实毫无意义的空想更有价值。
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我和与会的同侪们分享了这句名言，因为这句话确实就像一个指导原则。创造性的进展总是始于简单问题 。并非我们回答的每一个问题都具有明确的意义，然而即便看起来十分缓慢的进步，也时而会给我们的理解带来翻天覆地的变化。
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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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