伽利略丈量地狱的发现

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  伽利略是历史上最伟大的科学家之一,他证实了哥白尼的日心说,提出以实验研究科学的方法。在他那个年代,人们都坚信地狱的存在,甚至还有人委托这位大名鼎鼎的科学家去丈量地狱,而他竟然真的去尝试了。“无心插柳柳成荫”,伽利略没找到地狱,却为现代科学和工程学打下了坚实的基础。
  地狱究竟有多大?
  关于地狱的信息,来源于意大利文艺复兴时期诗人但丁的描述。14世纪,但丁创作了著名史诗《神曲》,详细记录了他的三界之旅——地狱、炼狱和天堂。从此,关于地狱的位置、大小、形状等各种信息开始盛传。15世纪末意大利著名画家波提切利创作名画《地狱》,再现了《神曲》地狱里令人震惊的场面。
  当时欧洲社会的知识分子、宗教人士、上层贵族等,对《神曲》的描述都深信不疑,16世纪时他们开始讨论地狱究竟在什么位置,有多大面积,从一头到另一头有多远,地狱有什么地形地貌。为解决这些疑惑,佛罗伦萨学院邀请当时年仅24岁的数学天才伽利略,帮忙计算地狱的确切位置,并丈量它的方圆大小。
  在此之前,已经有科学家,也有数学家、建筑师仔细研究过《神曲》,他们普遍认为地狱是撒旦反叛上帝被逐出天国,堕落地上之后而形成的,也是撒旦的居所。地狱是一个无比巨大的锥形深渊,这深渊是一个倒锥形,它的顶点就在地球中央——地心。从地心顶点延伸上来,地狱锥形底面直抵地表,这底面是一个封闭的拱形穹顶。上帝所拣选的耶路撒冷就坐落在地狱穹顶的中心,而意大利的库迈靠近穹顶边缘的入口,如果你从这里向下出发,经历九曲磨难还能活着,就可以来到地狱,见到撒旦。
  这就是当时世人普遍认为的地狱。他们迫切想知道这个地狱究竟有多大,方圆几何?
  推算地狱穹顶的承重
  根据但丁的描述和其他科学家的研究,伽利略做出了大胆推算,地狱锥底的直径应该与地球的半径相等。从意大利的库迈到中东的耶路撒冷,两地相距大约2700千米,即从锥形底面的边缘到中央有2700千米,那么锥底直径应该就是5400千米。
  伽利略再根据锥形深渊的深度与地球半径相等的条件,进一步计算出地狱锥形顶点的角度为60度。再根据缩放比例和《神曲》对撒旦大小的描写,伽利略推算出撒旦身高大约为1180米。与之比较,今天世界上最高的建筑——高828米的迪拜哈里发塔也只能相形见绌。
  这些尺寸令人惊骇,它意味着地狱穹顶的跨度纵横数千千米,从现在的欧洲中部直达亚洲中部,而且里面住着庞大的撒旦,以及所有已经死去被投入地狱和将来要被投入地狱的人。那么,如此巨大的拱形穹顶要多厚才能坚固得不会崩塌?
  佛罗伦萨花之圣母大教堂穹窿顶的设计非常巧妙,它宽45米,厚仅4米。借助这一灵感,伽利略按缩放比例,计算出地狱的拱形穹顶厚达460千米。这些测量结果都获得了公众的广泛认可,并为伽利略赢得了更高的声望。
  然而这么厚的穹顶恐怕仍会崩塌,因为伽利略犯了一个致命的错误!这个错误直到后来他去比萨大学执教时才发现。发现之后,他没有声张,而是潜心反思,重新计算,力争弥补这个错误。
  为后世工程学奠基
  后来伽利略发表了一部新著作《两大世界体系的对话》,在其中他提出了平方立方定律。假如某正方体边长为1,任何一面之面积为12=1,体积为13=1;当边长增为2时,每一面之面积为22=4,体积为23=8,就是说,面积随边长的平方而变化,体积随边长的立方而变化。这一定律不仅适用于正方体,还适用于球体、锥体、金字塔、不规则体,甚至一只蚂蚁!
  伽利略指出,当某一建筑物增大时(边长增为原来的N倍),它的重量随体积增大而增大(N3),但是它的承重能力却随横断面增大而增大(N2)。
  以花之圣母大教堂的尺寸计算时,4米厚的穹顶合乎时宜,足够托起自身的重量。但如果穹顶由45米宽增大至5000千米以上时,其体积和重量增大的幅度,远远超过承重面增大的幅度,按比例换算,造成的后果绝对是灾难性的穹顶坍塌!
  所以,当物体尺寸变化时,材料的强度怎样随之而变化?这就是伽利略潜心反思计算的主要问题。他的“无心之算”,却给后人留下了“良心工程”,这就是工程学标定度理论的前身,也是伽利略丈量地狱的伟大发现。
  今天,这个理论已经相当成熟,成为工程师、建筑师们设计建筑物、建造承重梁时必不可少的参考指南。或许有人听到伽利略丈量地狱时,仍会嘲笑他不自量力,但人类应该庆幸,正是由于这次丈量,直接催生了一个实实在在的科技进步。
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