尽管13和14世纪在大学里工作的中世纪学者们在进一步推动理性和经验主义科学方法的传统向前发展方面取得了进步，但欧洲科学的大爆 发并没有马上紧随其后，反而是由发明家和工程师改变了中世纪晚期欧 洲的社会和文化。在这一时期同时出现了最早的文艺复兴迹象。文艺复 兴大概从14世纪一直持续到17世纪。
文艺复兴早期的革新家们创造了第一个不是完全依靠人力驱动的伟 大文明。水车、风车、新型的机械连接，以及其他装置或者被发明，或 者被改进，并被应用到乡村生活当中。它们为锯木厂、面粉厂，以及各 式各样灵巧的机器提供动力。他们的技术创新和理论科学没有多大的关 系。他们创造的新财富促进了学习和文化水平的提升，他们推广了理 解自然可以帮助人类改善生存条件的认知，这些都为后来的科学进步打 下了基础。
文艺复兴早期的企业家精神也带来了一项对后期的科学以及整个社 会产生直接和重大影响的新技术发明：印刷机。尽管中国人在几个世纪 之前——约于1040年——就已经发明了活字印刷术，但它相对来说不太 实用，由于汉字采用象形书写方式，需要数以千计的不同汉字。然而在 欧洲，1450年左右出现的机械化活字印刷机改变了一切。比如在1438 年，里波利出版社为一本书排版印刷收取的费用是一名抄写员抄写这本 书的费用的3倍。但里波利使用印刷机可以印刷1 000本甚至更多本书， 而一名抄写员只能抄写出一本。结果，仅仅在几十年的时间里，印刷 出来的书比欧洲抄写员在之前所有世纪里抄出的书的总和还要多。
印刷机巩固了新兴的中产阶级的地位，革新了整个欧洲思想和信息 流通的方式。知识和信息突然在更大范围的市民群体中出现。短短几年 时间，第一批数学教科书就被印刷出来，到了1600年，差不多有10 000 种书出版。此外，一次恢复古代典籍的新浪潮也开始涌现。同样重要的 是，那些有新观念的人突然就拥有了展示他们观点的更大的平台，而那 些依靠查阅和进一步发展他人观点而茁壮成长的人，比如科学家，也获 得了更多参考他们同伴著作的机会。
欧洲社会发生的这些变化使它的社会结构不再像伊斯兰世界、中国 或者印度那样固化和统一。上述社会已经变得僵化，并且只关注狭隘的 社会正统。同时，欧洲的精英们发现自己卷入了城市和乡村、教堂和国 家、教皇和皇帝，以及世俗知识分子的要求和不断增长的消费主义之间 的利益瓜葛中。因此，随着欧洲社会的发展，艺术和科学有了更多的变 革自由，也的确做出了改变，让人们对自然世界产生了新的、更实际的 兴趣。在艺术和科学领域，对自然事实的重新重视成为文艺复兴的灵魂。
文艺复兴（Renaissance）这个词在法语中意为“重生”，它也的确代表了 人类和文化的一个新开端：在黑死病杀死了欧洲三分之一到一半的人口 之后，文艺复兴从意大利开始，然后慢慢扩散，直到16世纪到达北欧。
在艺术领域，文艺复兴时期的雕塑家学习解剖学，画家学习几何 学，他们都致力于创造出基于敏锐观察的更忠实于现实的艺术表现形 式。人的形象以解剖学般的精确度被描绘在自然环境之中，光线和阴影 以及直线透视法的运用制造出了三维效果。画家创作的人物也显露出真 实的情绪，他们的面孔不再像中世纪早期的艺术作品那样平淡的、脱离 现实。同时，文艺复兴时期的音乐家研究声学，而建筑学家则仔细观察 建筑物的和谐比例。对自然哲学——我们今天称之为科学——有兴趣的 学者们开始重视数据收集并据此得出结论，而不再像过去那样使用纯粹 的、带有宗教世界观偏见的逻辑分析。
莱昂纳多·达·芬奇（1452—1519）或许最能代表那一时期科学和人 类学理念，这种理念没有将科学与艺术截然分开。他不仅是科学家、工 程师、发明家，同时还是画家、雕刻家、建筑师和音乐家。在追求这些 领域的过程中，达·芬奇试图通过细致的观察来理解人与自然世界。他 在研究科学和工程学时所做的笔记超过了1万页，而作为画家，他并不 仅仅满足于观察静态的物体，他还研究解剖学并解剖过人体。在先前的 学者视为理所当然的一般性质特征的地方，达·芬奇和他同时代的人却 投入了大量的精力去感知自然设计的精妙之处——并不再重视亚里士多 德和教会的权威。
正是在这种学术氛围中，在文艺复兴行将结束时，伽利略出世了。
他于1564年出生在比萨，只比另一位巨人——威廉·莎士比亚——的诞 生早了两个月。伽利略是温琴佐·伽利雷七个孩子中的老大。伽利雷是 一位知名的鲁特琴演奏家和音乐理论家。
温琴佐来自一个贵族家庭——并不是我们今天以为的那种贵族家 庭，那些热衷于猎狐、每天喝下午茶的人，而是那种使用家族姓氏去得 到工作的人。温琴佐或许会希望他属于第一种贵族，因为他热爱鲁特 琴，只要一有机会就会弹奏——在城镇里走路时、骑马时、站在窗户边 时、躺在床上时——这是一份没有多少现金收入的工作。
为了让儿子日后过上富裕的生活，温琴佐把年轻的伽利略送到比萨 大学学习医学。但伽利略更感兴趣的是数学，而非医学，他开始自学欧 几里得和阿基米德的著作，甚至亚里士多德的著作。许多年后他告诉朋 友，他宁愿放弃大学培训而去学习绘画。然而，温琴佐逼迫他选择了一 个更加实用的人生追求，理由是由来已久的父亲式理论：为了避免以后 过一种晚餐是大麻籽汤和牛内脏的生活，做出一些妥协也是值得的。
当温琴佐听说伽利略转向了数学而不是医学时，那看起来一定像是 伽利略选择了一个靠父亲的遗产过活的专业，以后会要多拮据有多拮据。但这根本不要紧，伽利略最后并没有修完医学、数学或者任何专业 的学位。他退学了，开始了长期缺钱和经常欠债的生命旅程。
退学之后，伽利略最初靠给别人补习数学来养活自己。后来他听说 在博洛尼亚大学有一个初级职位空缺。尽管他只有23岁，他还是申请 了，通过一番新奇的四舍五入他报告说自己的年龄在“26岁左右”。校方 很明显需要一个年龄比“左右”再大一点儿的人，所以最终聘请了一个32 岁，并真正修完学位的人。尽管如此，即使在几个世纪之后，如果哪个 人在申请一个学术职位时被拒绝，只要想到他和伽利略有着共同的经 历，就足以得到安慰了。
两年后，伽利略的确成为比萨大学的一名教授。在那里，他讲授他 挚爱的欧几里得，也讲授一门占星学课程，目的是帮助医学专业的学生 决定何时给病人放血治病。是的，这个人不但为推动科学革命做出了许 多工作，他还给有抱负的医生提供宝瓶座的位置对于水蛭放置有何意义 的建议。今天的占星学已经没有可信度了，但在我们懂得自然法则之前 的时代里，天体影响着地球上的人类生命的观念是合乎情理的。毕竟， 太阳和月亮的确影响着我们，人们一直以来都认为它们和潮汐的涨落有 着某种神秘的联系。
伽利略·伽利雷，由佛兰德艺术家贾斯特斯·苏斯特曼斯绘于1636年
伽利略做占星预测既出于个人兴趣，也为了获得收益，他的学生想 要阅读他的成果需要支付给他12斯库迭。一年做5次，他就可以让他每 年60斯库迭的教学工资增加一倍，但这笔钱也刚刚够他维持生计而已。
他也喜欢赌博，在有人懂得数学概率之前的时代，伽利略不仅是一个计 算概率的先驱，同样也是一个优秀的赌徒。
既高且壮，有着白皙皮肤和泛红头发的伽利略在二十七八岁时很受 大众欢迎。但他在比萨大学的任期并没有持续太久。尽管他对于权威一 般还是尊重的，但他喜欢嘲讽别人，对他的学术对手和无意间惹恼他的 管理人员也很尖刻。在比萨大学惹怒他的摩擦是这样的，当时学校固执地要求教授在城里或者讲课时必须穿上他们的学术长袍。
喜欢写诗的伽利略写了一首诗来回敬学校权威。诗的主题是衣服 ——伽利略站出来反对它。袍子，他辩称，是欺骗的源泉。比如，他在 诗里写道，如果没有衣服，新娘就可以看到她未来的配偶，并“观察他 是否太小，或者患有法国病（即梅毒）以及因此了解情况，接受或者离 开他都随她意”。这样的诗可不讨巴黎人喜欢，在比萨大学也不受欢 迎，于是年轻的伽利略再一次来到了求职市场。
就像事后证明的那样，这变成了一件好事。伽利略很快就收到了威 尼斯附近的帕多瓦大学的任命，起薪是每年180斯库迭，是他过去工资 的3倍——他后来把他在那里的逗留称为生命中最美好的18年。
在伽利略进入帕多瓦大学的时候，他对亚里士多德的物理学已经不 再抱有幻想。对于亚里士多德来说，科学是由观察和推论构成的。而 在伽利略看来，这个说法遗漏了关键的一步：实验的作用。在伽利略手 中，实验物理学及其理论共同发展。几个世纪以来学者们一直在开展实 验研究，但他们做这些实验的目的只是为了验证他们业已接受的观点是 正确的。从另一方面讲，今天的科学家做实验是为了严格地验证观点正 确与否。伽利略的实验处于二者之间。它们是探索——比验证观点是正 确的更好，但不如严格的验证。
伽利略的实验方法有两点尤其重要。第一，当得到意想不到的实验 结果时，他并不拒绝——他质疑自己的思路。第二，他的实验是量化 的，这在当时是一个革命性的观念。
伽利略的实验和今天你有可能在高中科学课上看到的实验类似，尽 管他的实验室和你在高中见到的不太一样，他的实验室没有电、气、水 以及新奇的设备——我所说的“新奇的设备”指的是，比如，钟表。结 果，伽利略不得不利用文艺复兴时期类似强力胶带和皮搋子的东西制作复杂的装置。比如，为了制作一个计时器，伽利略在一个大水桶的底部 钻一个小孔。当他需要为某件事情测定时间时，他给这个桶注满水，收 集漏出来的水，然后去称它有多重——水的重量和事情发生的时间是成 比例的。
伽利略使用这个“水钟”攻击关于自由落体的争论——物体落向地面 的过程。对于亚里士多德来说，自由落体是一种自然运动，受到某种经 验法则的控制，比如：“如果一定重量的物体在给定时间内下落一段距 离，两倍于此重量的物体下落相同距离只需要一半时间。”换句话说， 物体以恒定速度降落，速度与它们的重量成正比。
如果你思考这个问题，这是常识：石块降落的速度要比树叶快。所 以，考虑到当时并没有测量或者记录仪器，人们对于加速度的概念也知 之甚少，亚里士多德对于自由落体的描述看上去一定很合理。但如果你 再想一下，它同样违背了常识。正如耶稣会教士天文学家乔瓦尼·里乔 利指出的那样，神鹰把一只乌龟丢在埃斯库罗斯的头上从而杀死了他， 即使是神鹰都本能地知道物体从高处掉在你头上会对你造成伤害，越高 伤害越大——还有，这也表明物体在降落过程中它的速度越来越快。这些考虑的结果使人们对于这个问题的看法一直在这两者之间来回摆 动，几个世纪以来各方学者都对亚里士多德的理论表示过怀疑。
伽利略对于这些批评非常熟悉，他想亲自研究这个问题。然而，他 知道自己的水钟并不够精确，无法帮助他展开坠落物体实验，所以他必 须寻找到一个运动速度更慢，但遵循同样物理原则的降落过程。他选择 测量高度抛光的铜质小球从以不同角度倾斜的光滑平面滑落时所需要的时间。
通过测量从斜面上滚落的小球来研究自由落体就像根据在网上看到 的样子来买一件外套——那件衣服穿在你身上的样子看起来总是会和穿 在光鲜亮丽的模特身上的样子有所不同。抛开危险性不说，这种推理方式正是现代物理学家思考方式的核心。设计出一个好实验的技巧在很大 程度上取决于你知道这个问题的哪些方面是重要的，你要保留，哪些方 面你可以安全地忽略——以及如何解释你的实验结果。
在自由落体这个例子中，伽利略的天才体现在他设计滚球实验时脑 子里有两个标准。第一，他必须让物体运动足够慢，这样他才可能测 量；第二，同样重要的是，他必须设法把空气阻力和摩擦力的影响降至 最低。尽管摩擦力和空气阻力是我们日常生活体验的一部分，他还是感 觉到它们会掩盖统治自然的基本定律的朴素性。在真实世界里，石块会 比羽毛降落得更快，但伽利略怀疑基本定律决定了在真空中它们会以相 同的速率降落。我们必须“摆脱这些困难”，他写道，“在经验带给我们 的局限性下，制造没有阻力的条件发现并论证这个定律，……使用它们 并把它们应用（到现实世界中）……” 伽利略实验中的小球在倾斜度较小的斜面上滚动的速度相当缓慢， 数据也相对比较容易测量。他注意到在这些小角度实验中，小球滚动的 距离总是与时间间隔的平方成正比。使用数学方法我们可知，这意味着 小球以一个恒定的速率获得速度——也就是说，小球在经历持续的加 速。更重要的是，伽利略注意到小球滚落的速率并不是由它的重量决定 的。
更让人惊讶的是，当斜面以更倾斜的角度摆放时，这依然适用；无 论倾斜的角度有多大，小球滚动的距离都和它的重量无关，而与它滚动 所需时间的平方成正比。但如果在倾斜角度是40度，50度，60度，甚至 70度或者80度时它都适用的话，为什么90度不可以呢？于是伽利略开始 展开非常具有现代意味的推理：他说他观察小球从平面上滚落得出的结 论一定也适用于自由落体，人们可以把它想象成一个类似的“极限情 况”，在这种情况下平面的倾斜角度是90度。换句话说，他假设如果他 把平面一直倾斜——直到它呈垂直状态，小球实际上是降落，而不是滚 落——它依然还会以恒定的速率获得速度，这也就意味着他从倾斜的平面观察到的定律同样适用于自由落体。
通过这种方式，伽利略用自己的定律取代了亚里士多德的自由落体 定律。亚里士多德曾经说过物体降落的速度和它们的重量成正比，但伽 利略通过假设出一个基本定律自己会显现未来的理想化世界，从而得出 一个不同的结论：在没有媒介——例如空气——提供阻力的情况下，所 有物体以相同的恒定加速度降落。
* * * 如果伽利略喜欢数学的话，那他应该对抽象概念也有兴趣。他的抽象能力发达，他有时候喜欢完全依靠想象去观察事件发生的场景。非科 学家将其称为幻想；科学家则把它们叫作思想实验，至少当它们和物理 学有关时是这样。完全依靠想象在大脑中展开实验的好处是你免去了布 置实验器材的麻烦，但坏处是你无法检验某些观点的逻辑结果。因此， 伽利略除了使用斜面实验这种实践方法颠覆了亚里士多德的理论，他也 同样使用思想实验加入到针对另一个亚里士多德物理学理论的批判中 来，这个批判和抛射物的运动有关。
当一个抛射物受到初始作用力被发射后，是什么在推动它继续前 进？亚里士多德猜测说或许是空气颗粒跟随在抛射物之后继续推动它， 但就像我们知道的那样，他自己也对这个解释充满怀疑。
伽利略通过想象出一艘在大海中航行的船来抨击这个观点。在这艘 船上，男人们在客舱里玩传接球游戏，蝴蝶扇动着翅膀，鱼儿在桌子上 的一个碗里游动，水从一个瓶子里滴下来。他“注意到”无论这艘船是在 稳定地前行还是处于静止状态，所有这些活动进行的方式都一样。他推 论说这是因为船上的一切都随着船一起运动，船的运动一定“感染了”这 些物体，所以这艘船一旦开始运动，它的运动就变成了船上所有物体的 某种基准。抛射物的运动有没有可能也是因为抛射物以同样的方式受 到“感染”呢？那会不会是炮弹保持运动的原因呢？
伽利略的沉思引导着他得出了他最深奥的结论，这又是一次同亚里 士多德物理学理论的彻底决裂。否定亚里士多德所说的抛射物的运动需 要一个原因——作用力——的论断，伽利略宣称所有匀速运动的物体都 趋向于保持这种运动状态，就像静止的物体趋向于保持静止一样。
伽利略所说的“匀速运动”指的是“以直线方式”和“恒定速度”运动。
那么“静止”状态就是一种速度恰好为零的匀速运动的范例。伽利略的观 察结果后来被称为惯性定律。之后牛顿经过改造把它变成了自己的第一 运动定律。在陈述完这个定律后，牛顿在随后的几页纸上补写说它是由 伽利略发现的——这是一个牛顿把功劳算在别人头上的罕见例子。 惯性定律解释了困扰亚里士多德主义者们的抛射物问题。按照伽利 略的说法，抛射物一旦被发射，它将保持那种运动状态，除非某种作用 力让它停下来。和伽利略的自由落体定律一样，这条定律也是同亚里士 多德的彻底决裂：伽利略断言抛射物并不需要持续的作用力来保持运 动；而在亚里士多德的物理学理论中，没有作用力或者“理由”的持续运 动是难以置信的。
我把伽利略的故事讲给我父亲听，他喜欢把任何我提到的重要人物 拿来和某些犹太历史人物做比较，根据我告诉他的内容，他把伽利略称 为科学界的摩西。他这么说是因为伽利略带领着科学走出了亚里士多德 主义的荒漠，走向了一个应许之地。这个比较特别恰当，因为和摩西一 样，伽利略自己并没有来到应许之地：他未能将重力视为一种作用力， 或者去破译它的数学形式——那需要等待牛顿的出现——并且他依然固 守亚里士多德的某些主张。比如，伽利略相信一种既非匀速运动，又不 需要外力的“自然运动”：以地球为中心的圆周运动。很明显伽利略相信 这种类型的自然运动允许物体在地球旋转时和它保持一致。
亚里士多德思想体系的最后残余只有等到一个真正的运动科学出现 时才会被抛弃。因为这些原因，一位历史学家把伽利略的自然概念描绘成“一个由不相容元素构成的不合情理的混合物，产生于互相矛盾的世 界观，在这之间他泰然自若”。
