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意大利天文学家伽利略

伽利略（1564-02-15-1642-01-08）。意大利数学家、物理学家、天文学家，科学革命的先驱 。伽利略发明了摆针和温度计，在科学上为人类作出过巨大贡献，是近代实验科学的奠基人之一。伽利略对17世纪的自然科学和世界观的发展起了重大作用。从伽利略、牛顿开始的实验科学，是近代自然科学的开始。

伽利略1564年生于比萨。伽利略自幼受父亲的影响，对音乐、诗歌、绘画以及机械兴趣极浓；也像他父亲一样，不迷信权威。17岁时遵从父命进比萨大学学医，可是对医学他感到枯燥无味，而在课外听著名学者O.里奇讲欧几里得几何学和阿基米德静力学，感到浓厚兴趣 。伽利略孜孜不倦地学习数学、物理学等自然科学，并且以怀疑的眼光看待那些自古以来被人们奉为经典的学说。

1583年，伽利略在比萨教堂里注意到一盏悬灯的摆动，随后用线悬铜球作模拟（单摆）实验，确证了微小摆动的等时性以及摆长对周期的影响，由此创制出脉搏计用来测量短时间间隔。

1587年他带着关于固体重心计算法的论文到罗马大学求见著名数学家和历法家C.克拉维乌斯教授，大受称赞和鼓励。克拉维乌斯回赠他罗马大学教授P.瓦拉的逻辑学讲义与自然哲学讲义，这对于他以后的工作大有帮助。

1588年他在佛罗伦萨研究院做了关于但丁《神曲》中炼狱图形构想的学术演讲，其文学与数学才华大受人们赞扬。次年发表了关于几种固体重心计算法的论文，其中包括若干静力学新定理。由于有这些成就，当年比萨大学便聘请他任教，第二年发现了摆线。

当时比萨大学教材均为亚里士多德学派的学者所撰，书中充斥着神学与形而上学的教条。伽利略经常发表辛辣的反对意见，由此受到校内该学派的歧视和排挤。

伽利略生活的时代，正是欧洲历史上著名的文艺复兴时代，意大利是文艺复兴的发源地。许多大城市如佛罗伦萨、热那亚和威尼斯，发展成东西方贸易的中心，建起了商号、手工作坊和最早的银行，出现了资本主义生产关系的萌芽，贸易往来发达。印刷术的普及，使新思想的传播比以往任何时候都更加迅速，人们对千百年来束缚思想的宗教神学和传统教条开始产生动摇。

1592年伽利略转到帕多瓦大学任教。帕多瓦属于威尼斯公国，远离罗马，不受教廷直接控制，学术思想比较自由。在此良好气氛中，他经常参加校内外各种学术文化活动，与具有各种思想观点的同事论辩。此时他一面吸取前辈如N.塔尔塔利亚、G.贝内代蒂、F.科门迪诺等人的数学与力学研究成果，一面经常考察工厂、作坊、矿井和各项军用民用工程，广泛结交各行各业的技术员工，帮他们解决技术难题，从中吸取生产技术知识和各种新经验，并得到启发。

在此时期，他深入而系统地研究了落体运动、抛射体运动、静力学、水力学以及一些土木建筑和军事建筑等；发现了惯性原理，研制了温度计和望远镜。

1597年，他收到开普勒赠阅的《神秘的宇宙》一书，开始相信日心说，承认地球有公转和自转两种运动。但这时他对柏拉图的圆运动最自然最完善的思想印象太深，以致对开普勒的行星椭圆轨道理论不感兴趣。

1604年天空出现超新星，亮光持续18个月之久。他便趁机在威尼斯作几次科普演讲，宣传哥白尼学说。由于讲得精采动听，听众逐次增多，最后达千余人。

1609年7月，盛传一荷兰眼镜工人发明了供人玩赏的望远镜。他未见到实物，思考竟日后，用风琴管和凸凹透镜各一片制成一具望远镜，倍率为3，后又提高到9。他邀请威尼斯参议员到塔楼顶层用望远镜观看远景，观者无不惊喜万分。参议院随后决定其为帕多瓦大学的终身教授。1610年初，他又将望远镜放大率提高到33，用来观察日月星辰，新发现甚多，如月球表面高低不平，月球与其他行星所发的光都是太阳的反射光，木星有4颗卫星，银河原是无数发光体的总汇，土星有多变的椭圆外形等等，开辟了天文学的新天地。是年3月，出版了他的《星空信使》一书，震撼全欧。随后又发现金星盈亏与大小变化，这对日心说是一强有力的支持。

伽利略日后回顾在帕多瓦的18年时，认为这是他一生中工作最开展、精神最舒畅的时期。事实上，这也是他一生中学术成就最多的时期。

20年来伽利略在物理学和天文学研究上的丰硕成果，激起了他学术上的更大企求。为了取得充裕时间致力于科学研究，1610年春，他辞去大学教职，接受托斯卡纳公国大公聘请，担任宫廷首席数学家和哲学家的闲职与比萨大学首席数学教授的荣誉职位。

为了使科学免受教会干预，伽利略曾多次去罗马活动。1611年他第二次去罗马，目的在于赢得宗教、政治与学术界认可他在天文学上的发现。他在罗马受到包括教皇保罗五世和若干高级主教在内的上层人物的热情接待，并被林赛研究院接纳为院士。当时耶稣会的神父们承认他的观测事实，只是不同意他的解释。这年5月，在罗马大学的大会上，几个高职位的神父公开宣布了伽利略的天文学成就。

同年，他观察到太阳黑子及其运动，对比黑子的运动规律和圆运动的投影原理，论证了太阳黑子是在太阳表面上；他还发现了太阳有自转。1613年他发表了3篇讨论太阳黑子问题的通信稿。另外，1612年他又出版了《水中浮体对话集》一书。

1615年，一诡诈的教士集团和教会中许多与伽利略敌对的人联合攻击伽利略为哥白尼学说辩护的论点，控告他违反教义。他闻讯后，于是年冬第三次去罗马，力图挽回自己的声誉，企求教廷不因自己保持哥白尼观点而受到惩处，也不公开压制他宣传哥白尼学说，教廷默认了前一要求，但拒绝了后者。教皇保罗五世在1616年下达了著名的“1616年禁令”，禁止他以口头的或文字的形式保持、传授或捍卫日心说。

1624年，他第四次去罗马，希望故友新任教皇乌尔邦八世能够同情并理解他的意愿，以维护新兴科学的生机。他先后谒见6次，力图说明日心说可以与教教义相协调，说“圣经是教人如何进天国，而不是教人知道天体是如何运转的”；并且试图以此说服一些大主教，但毫无效果。乌尔邦八世坚持“1616年禁令”不变；只允许他写一部同时介绍日心说和地心说的书，但对两种学说的态度不得有所偏倚，而且都要写成数学假设性的。在这辛勤奔波的一年里，他研制成了一台显微镜，“可将苍蝇放大成母鸡一般。”

此后6年间，他撰写了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》一书。1630年他第5次到罗马，取得了此书的“出版许可证”。此书终于在1632年出版了。此书在表面上保持中立，但实际上却为哥白尼体系辩护，并多处对教皇和主教隐含嘲讽，远远超出了仅以数学假设进行讨论的范围。全书笔调诙谐，在意大利文学史上列为文学名著。《对话》出版后6个月，罗马教廷便勒令停止出售，认为作者公然违背“1616年禁令”，问题严重，亟待审查。原来有人在教皇乌尔邦八世面前挑拨说伽利略在《对话》中，借头脑简单、思想守旧的辛普利邱之口以教皇惯用辞句，发表了一些可笑的错误言论，使他大为震怒。曾支持他当上教皇的集团激烈地主张要严惩伽利略，而神圣罗马帝国和西班牙王国认为如纵容伽利略会对各国国内的异端思想产生重大影响，提出联合警告。在这些内外压力和挑拨下，教皇便不顾旧交，于这年秋发出要伽利略到罗马宗教裁判所受审的指令。

年近七旬而又体弱多病的伽利略被迫在寒冬季节抱病前往罗马，在严刑威胁下被审讯了三次，根本不容申辩。几经折磨，终于在 1633年6月22日在圣玛丽亚修女院的大厅上由10名枢机主教联席宣判，主要罪名是违背“1616年禁令”和圣经教义。伽利略被迫跪在冰冷的石板地上，在教廷已写好的“悔过书”上签字。主审官宣布：判处伽利略终身监禁；《对话》必须焚绝，并且禁止出版或重印他的其他著作。此判决书立即通报整个天主教世界，凡是设有大学的城市均须聚众宣读，借此以一儆百。

伽利略既是勤奋的科学家，又是虔诚的天主教徒，深信科学家的任务是探索自然规律，而教会的职能是管理人们的灵魂，不应互相侵犯。所以他受审之前不想逃脱，受审之时也不公开反抗，而是始终服从教廷的处置。他认为教廷在神学范围之外行使权力极不明智，但只能私下有所不满。显然，布鲁诺的被处火刑和T.康帕内拉的被长期打入死牢，这两位意大利杰出的哲学家的遭遇，给他精神上投下了可怕的阴影。

宗教裁判所的判决随后又改为在家软禁，指定由他的学生和故友A.皮柯罗米尼大主教在锡耶纳的私宅中看管他，规定禁止会客，每天书写材料均需上缴等。在皮柯罗米尼的精心护理和鼓励下，伽利略重行振作起来，接受皮柯罗米尼的建议继续研究无争议的物理学问题。于是他仍用《对话》中的三个对话人物，以对话体裁，和较朴素的文笔，将他最成熟的科学思想和科研成果撰写成《关于两门新科学的对话与数学证明对话集》。两门新科学是指材料力学（见弹性力学）和动力学。这部书稿1636年就已完成，由于教会禁止出版他的任何著作，他只好托一位威尼斯友人秘密携出国境，1638年在荷兰莱顿出版。

伽利略在皮柯罗米尼家中刚过了5个月，便有人写匿名信向教廷控告皮柯罗米尼厚待伽利略。教廷乃勒令伽利略于当年12月迁往佛罗伦萨附近的阿切特里的故居，由他的大女儿维姬尼亚照料，禁例依旧。她对父亲照料妥贴，但4个月后竟先于父亲病故。

伽利略多次要求外出治病，均未获准。1637年双目失明。次年才获准住在其子家中。在这期间探望除托斯卡纳大公外，还有英国著名诗人、政论家J.弥尔顿和法国科学家、哲学家P.伽桑迪。他的学生和老友B.卡斯泰里还和他讨论过利用木卫星计算地面经度的问题。这时教廷对他的限制和监视已明显放松了。

1639年夏，伽利略获准接受聪慧好学的18岁青年V.维维亚尼为他的最后一名学生，并可在他身边照料，这位青年使他非常满意。1641年10月卡斯泰里又介绍自己的学生和过去的秘书E.托里拆利前往陪伴。他们和这位双目失明的老科学家共同讨论如何应用摆的等时性设计机械钟，还讨论过碰撞理论、月球的天平动、大气压下矿井水柱高度等问题，因此，直到临终前他仍在从事科学研究。

伽利略于1642年1月8日病逝，葬仪草率简陋，直到下一世纪，遗骨才迁到家乡的大教堂。 为了纪念伽利略发明折射式望远镜400周年，联合国将2009年定为国际天文年。

起个大早赶个晚集，欧洲伽利略导航系统的未来在哪？

特约作者 | 钱伯彦

6月23日，随着第55颗北斗导航卫星顺利入轨，北斗三号全球卫星导航系统星座部署也就此提前半年完成。

在北斗系统完成部署的同时，一度领先于北斗、曾于2003年吸纳中国作为参与方、却又在2006年逼迫中方退出的欧洲伽利略导航系统，不得不接受被后来者居上的现实，再次无奈地充当背景板的角色。

拖沓，是伽利略导航系统最大的问题。

起了个大早，赶了个晚集的欧洲人早在1999年就由法国、德国和意大利牵头开始筹划欧洲自主的卫星导航系统。不过由于财政的拮据以及美国的压力，欧洲各国直到2003年5月才就第一阶段计划达成一致。

彼时资金捉襟见肘的欧洲人为了确保伽利略计划的融资，便在2003年9月吸纳中国进入该计划以换取2.3亿欧元的投资。由于缺钱的欧洲人一开始便针对伽利略计划采用了政府与社会资本合作的PPP模式，因此纯商业考量下的伽利略计划既需要来自中国的投资，也需要未来规模巨大的中国定位授时市场。

2005年，伽利略系统的第一颗试验卫星GIOVE-A升空。之后，好运似乎已经用完的伽利略系统开始陷入停滞。

最大的问题依然是资金。开支严重超标直接导致了PPP模式流产，欧盟委员会最终决定将伽利略系统收归国有。公共私营合作制的废止直接引发的后果便是中国作为投资方尴尬地位的进一步下降。此前，欧盟出于对欧美关系以及对安全与技术独立的考量，一直将中国排挤在核心机构之外。最终，一系列的变故迫使中国在2006年12月决定另起炉灶，建设独立的北斗导航系统。

中国的出走并未能够使得伽利略的进度加速。随着伽利略计划的国有化推进，该计划的融资问题变成了老大难的欧盟内部预算问题。

这一搁置便是六年。直到2011年8月，伽利略系统的第一颗卫星才正式入轨。

不过，伽利略系统的麻烦还远未结束。2014年5月，4号卫星发生故障彻底报废；同年8月，由俄罗斯代为发射的5号和6号卫星入轨失败，仅能提供测试服务而无法提供定位服务；不久之后乌克兰颜色革命爆发，欧盟出于政治考量又不得不放弃合作伙伴俄罗斯的“联盟号”火箭。

进度连续滞后的欧洲人终于在2015年至2016年发力，在两年时间内连续发射了11颗伽利略卫星。2016年12月，累计18颗卫星在轨的伽利略系统终于开启全球性定位服务的测试阶段。根据设计，伽利略系统需要24颗卫星才能正常使用全球定位。当时还缺六颗卫星的欧洲人不得不借助美国GPS卫星的帮助。

截至目前，由30颗卫星组成的伽利略系统中的26颗已经部署到位，最后4颗卫星也将在今年年底之前全部升空。而这个时间节点已经距离原有规划滞后了12年，75亿欧元的实际耗费更是远高于2003年项目启动时22亿至29亿的预估。

值得一提的是，伽利略系统中的24颗卫星为定位服务卫星，其余6颗卫星为系统冗余备份卫星。因此伽利略系统其实早在2018年便已经能够全部运行。

慢工却不一定出细活。

自2016年投入运营以来，伽利略系统已经两次出现故障。其中最严重的一次则是去年7月11日起故障时长达一周的服务宕机。

而这次故障的背后依然是官僚化严重、向心力不足的典型欧洲式困境。

就与作为欧洲招牌项目的空客集团刻意地将产业链拉长并分散在法国、德国和西班牙三个核心国家一样，彰显欧洲团结的伽利略计划也被人为地切割成多个权力机构和产业链端，并且雨露均沾式地分配给德国、法国、意大利三个倡议发起国。

统筹欧洲所有太空计划的欧洲空间局（ESA）总部自成立以来一直设于巴黎，自从俄罗斯的联盟号火箭被抛弃之后，卫星发射的相关业务就全部落入了法国的阿丽亚娜5型火箭头上。发射中心也同样选择了法属圭亚那的库鲁基地。

至于德国和意大利则分到了地面控制中心的管理权。伽利略系统的地面控制中心一式两份，分别设于慕尼黑附近的Oberpfaffenhofen以及罗马附近的Fucino。而负责日常运营的欧洲导航卫星系统管理局（GSA）选址则采取折衷方案，最终花落捷克首都布拉格。

复杂的分权模式正是导致去年伽利略系统宕机的直接诱因。

彼时，伽利略导航卫星因星载时钟无法与地面控制中心的原子钟正确同步，使得定位精度逐步下降。

不过，该问题并非严重的技术问题，尤其是一式两份的慕尼黑和罗马两大控制中心的冗余设计本应轻易规避该类问题的发生。但事实上，复杂的冗余设计反而是导致故障发生的导火索。当时罗马方面在系统检查时因发现若干错误而需要进行维修工作，但是本应启动备份、接手控制工作的德国人却未采取行动，而在进行软件升级工作。

两大控制中心的同时全部掉线使得伽利略系统宕机自然无法避免，而德国人掉链子的原因仅仅是没有人就此事知会过慕尼黑控制中心。

根据欧洲导航卫星系统管理局之后的报告显示，故障本可以在发生之后六小时内得以解决。之所以故障持续了一周时间无法解决，则是因为复杂的沟通机制。德国、意大利的控制中心分别由德国宇航局DLR和意大利通信公司Telespazio运营。但是在故障排除阶段还需要布拉格的欧洲导航卫星系统管理局协调，该管理局作为欧盟实际领导的机构还在布鲁塞尔设有代表机构。由于此次故障影响恶劣，欧盟委员会和欧洲空间局也加入了决策层面。至此，德、意的双方合作迅速变成了一场“六方会谈”。

一位匿名的欧洲导航卫星系统管理局员工在接受德国电视二台采访时，就将系统长时间的宕机归咎于“不必要的流程和过于复杂的组织架构”。

虽然既烧钱、机构又臃肿的伽利略系统并不令人省心，但在20年内欧洲人却从未停止过对其的投入。

世纪之交以来，欧洲人便将伽利略系统视为自主创新、摆脱对美国依赖的关键项目之一。

美国GPS系统一直以来都内置有选择性可用机制，即有能力在定位信号中人为加入误差值。虽然为了应对俄罗斯格洛纳斯和伽利略以及北斗系统的挑战，政府后期便已经宣布不再使用该功能，但欧洲方面坚持认为，涵盖飞机导航在内的定位功能是如此重要，以至于不能依赖于一个有瑕疵的系统。

自觉受到挑战的美国人第一时间对伽利略计划表示了强烈反对。尤其是伽利略系统最初选择的信号频段与GPS系统的军用频段有部分重叠，这使得美军在战时无法在不影响自身频段的前提下屏蔽伽利略的信号。而纯商用的伽利略信号的存在，使得美国敌对国的制导武器可以在战时正常使用。为此美国一度表态无法保证不在战时击落伽利略卫星。

除了军事上存在被切断信号的风险，欧洲人还需要一款能够更好覆盖高纬度地区的导航系统，以满足北欧的需求。为此，伽利略系统中的8颗卫星特意选用了3个中地球轨道平面的布置形式。

欧洲人的另一个需求则是希望完善原有的全球卫星搜救系统。伽利略系统不仅拥有将求救信号转发至救援协调中心的能力，还具备反馈信号功能。伽利略的搜索与救援服务（SAR）可以将定位时间从旧版本GPS系统的三小时缩短至10分钟。

此外在经济层面上，欧洲人还希望通过伽利略系统更精密的时间信号以提升本土银行、金融以及通信行业的竞争力。

欧洲导航卫星系统管理局2019年公布的报告中显示，全球卫星定位导航市场价值高达1750亿欧元。欧盟若想在这个由GPS垄断的市场中分得一杯羹，伽利略系统必不可少。

卫星导航系统与国家主权在多大程度上相关，一个典型的案例便是已经脱欧的英国。

伽利略系统的使用权问题也是脱欧之后英欧矛盾中的冰山一角。

根据伽利略系统的设计，虽然该系统为纯商用系统，但也拥有免干扰的加密信号功能，主要针对救援以及包括制导武器在内的军事用途。不过这一被称为公共管制服务（Public Regulated Service）的功能并不对第三国开放。

关于英国在脱欧之后能否继续享受公共管制服务的争议，以伦敦要求退还14亿欧元前期建设费用，以及威胁动用30亿英镑建立英国自有定位系统拉开序幕。直至今日，双方仍未就此达成一致。布鲁塞尔方面对伦敦的威胁一直嗤之以鼻，认定英国无力独立打造耗资巨大的卫星导航系统，甚至将位于英国的地面基站全数迁至西班牙。

英欧双方的谈判拖而不决，但是随着北斗系统的部署完毕，伽利略系统在进度上落后于美国的GPS系统、北斗系统以及俄罗斯的格洛纳斯系统已经是既定的现实。

伽利略系统还能在美俄中的夹击下获得一席之地吗？况且即便是日本和印度也已经推出了仅覆盖本国附近区域的独立导航系统QZSS和IRNSS。

至少在欧洲导航卫星系统管理局看来，商用服务领域更高的精度以及完全民用化条件下的数据保护是伽利略系统的最大优势。

虽然其他各大导航系统都在逐步完善商用服务的定位精度，且拥有数据并不完全公开的军用服务，但欧洲导航卫星系统管理局一直强调伽利略系统20厘米级别的精度具备独有的优势。欧盟委员会在2018年就已宣布将该级别的精度定位免费开放。此外，每颗伽利略卫星都配有2座铷原子钟和2座被动型氢钟，其授时服务的精度仍是北斗系统无法比拟的。

一向强调数据隐私保护的欧洲人也不忘记将没有军方背景作为伽利略的另一大卖点。美国GPS和俄罗斯格洛纳斯皆发展于冷战时期，而北斗系统在高纬度地区与其他系统相比并无优势，能否进入美国市场也仍是未知数。

欧洲导航卫星系统管理局和欧盟委员会去年9月公布的数据显示，目前使用伽利略定位服务的手机数量已经超过10亿。考虑到欧盟境内2018年以后生产的所有车辆求救系统也均需使用伽利略信号，伽利略的实际应用终端已经远超10亿台。

不过，即便在世界全球化受阻、区域化加强的今天，兼容GPS系统的伽利略系统想要取代GPS在商业上并不切实际。全球最大的户外定位设备商美国佳明公司（Garmin）就选择了多系统公用的模式，以在山谷等地形环境下加强定位精度。一般而言，定位和授时需要至少接受四颗卫星的信号，六颗以上的卫星将显著提高定位精度。在可预计的未来，伽利略和北斗系统都将作为GPS系统的辅助与兼容服务长期存在。

即便是总部设于阿姆斯特丹、被奥迪宝马奔驰三家德国豪华品牌车企联合收购的纯血欧洲企业Here地图也表示，伽利略系统是定位服务中的重要一环，对更多的定位系统持欢迎态度。

至少，对于在互联网时代已经落后的欧洲人来说，精确定位服务是未来自动驾驶不可替代的核心冗余设计。拥有伽利略系统的欧洲人或许将在下一个风口不再受制于人。