我曾经有过两段与别人合作写书的经历，他们是物理学家史蒂芬·霍金以及精神领袖迪帕克·乔普拉。假使他们生活在不同的宇宙里，他们的世界观也不会像现在这样天差地别。我看待生命的眼光和史蒂芬的比较相像——都是科学家式的。但这与迪帕克的世界观大相径庭，这或许也能说明为什么我们会把我们的书命名为《世界之战：科学与灵性如何决定未来》[1]（War of the Worldviews，直译为“世界观之战”），而不是《我们对所有事情的看法都一致该多好啊》。
迪帕克对他的信仰很有热情，在我们一起出游的日子里他总是会试图改变我的世界观，并且质疑我理解世界的方式。他把我称为“还原论者”，因为我相信物理世界的数学定律可以从根本上解释自然世界里的万事万物——包括人类自身。特别是，正如我说的那样，我和今天的绝大多数科学家一样相信万事万物——再次包括我们自己——是由原子和其他物质基本粒子构成的，它们通过自然世界的四种基本力相互作用，我们也都相信如果一个人理解了它们是如何作用的，他至少在原则上能够解释世界上所发生的一切。当然在现实中我们要么缺少关于我们环境的足够多的信息，要么缺少一台足够强大的电脑去利用我们的基本理论分析人类行为等现象，所以迪帕克的大脑是否受到物理定律的控制这个问题还有待解决。
原则上我并不反对迪帕克把我描绘成一个还原论者，但当他开口这么说时我就会很恼火，因为他说话的方式让我感到尴尬和被动。实际上，在迪帕克支持者的聚会上，我经常会被问到的主要问题有：“当我在欣赏弗美尔的画作或者贝多芬的交响乐时，你的公式能够告诉你我的感受吗？”或者“如果我太太的大脑真的是由粒子和波构成的，你怎么解释她对我的爱呢？”我必须承认我无法解释她对他的爱。另一方面，我也无法利用公式解释任何一种爱。对于我来说，这有些跑题了。因为作为一种理解物理世界，而非我们精神体验（至少目前不是）的工具，数学公式的应用已经取得了前所未有的成功。
我们或许无法通过追踪每一个原子的运动并利用原子和核子的基本定律来计算出下一周的天气，但我们的气象学里确实有一门使用高端数学模型的学科，而且在预测第二天的天气方面的表现还是不错的。同样，我们研究海洋、光和电磁学、材料性质、疾病以及我们日常世界里的数十个领域，并把这些科学知识运用到实际应用当中，这在过去几百年前是做梦也想不到的。今天，至少在科学家当中，我们在利用数学方法帮助理解物理世界的有效性上已经达成了广泛的共识。然而这一观念却花费了很长时间才流行起来。
现代科学作为一种形而上学体系是建立在自然世界依照某种规律运行这种观念之上的，古希腊人最早开始接受这种观念；但直到17世纪之前，科学并没有利用这些规律获得让人信服的成功。从泰勒斯、毕达哥拉斯以及亚里士多德这些哲学家的观点变为伽利略和牛顿的观点，是一次巨大的飞跃。并且，这种转变并不需要花费2 000年的时间来完成。
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横亘在接受和传承古希腊遗产之路上的第一个巨大障碍是罗马在公元前146年对希腊，以及公元前64年对美索不达米亚的征服。罗马的崛起是人们在几个世纪的时间里对哲学、数学和科学兴趣衰减的开始——甚至在那些讲希腊语的知识分子当中也是如此——因为实用主义至上的罗马人并不重视这些领域的研究。西塞罗的一句话很好地表达了罗马人对理论研究的轻蔑。1“希腊人，”他说道，“给予了几何学家很高的荣誉；当然，数学取得了无与伦比的辉煌进步。但我们证明了这项技术在测量和计算用途上的局限。”在罗马共和国和其继任者罗马帝国统治的约1 000年里，罗马人的确建设了巨大的、让人印象深刻的工程，它们毫无疑问都要依靠测量和计算；但据我们所知，罗马没有产生一个有名望的数学家。这个事实让人震惊，它证明了文化对于数学和科学发展的巨大影响。
尽管罗马并没有为科学的发展提供一个有利的环境，但在公元476年西罗马帝国解体之后，情况变得更糟了。城市萎缩，封建体制兴起，基督教统治欧洲，乡村修道院和后期的教会学校成为人们精神生活的中心，这就意味着学术研究都集中在了宗教问题上，而对自然的探究则被认为是轻佻和没有价值的。2最终，希腊人的知识遗产在西方世界里消失了。
对于科学来说幸运的是，阿拉伯世界里的穆斯林统治阶级却在希腊学术中发现了价值。这并不是说他们是为了追求知识而去追求知识——伊斯兰教意识形态对这一立场的支持并不比基督教更强烈。但富有的阿拉伯赞助人很乐意为把希腊科学翻译成阿拉伯语的活动提供资金，他们相信希腊科学是有用的。在几百年的时间里，3中世纪的穆斯林科学家确实在实用光学、天文学、数学以及医学领域取得了巨大的进步，他们超越了欧洲人，彼时欧洲人的学术传统还处于休眠状态。[2]但到了13和14世纪，欧洲人开始从他们漫长的昏睡中醒来，而伊斯兰世界的科学却走了下坡路。4许多因素导致了这种情况的发生。第一个原因是，宗教保守势力对于实际应用——他们将其视为科学研究唯一可以接受的辩护词——的理解更加狭隘。并且，要想让科学繁荣发展，必须有一个能够提供私人或者政府赞助的繁荣社会，因为大多数科学家在一个开放的市场上并没有资源去支持他们的工作。然而到了中世纪晚期，阿拉伯世界遭受到来自成吉思汗和十字军等外部势力的侵袭，内部的派系战争也让它变得四分五裂。曾经有可能投向艺术和科学的资源现在用在了战场以及生存斗争上。
另一个让科学研究停滞不前的原因是，它没有得到主导阿拉伯世界精神生活的学校的重视。这些伊斯兰学校是慈善信托机构，依靠宗教捐赠维持，而它们的发起人和捐助人则对科学持怀疑态度。结果，所有的教学活动都以宗教为中心，并排挤哲学和科学。5与哲学和科学课程有关的教学不得不在校外进行。由于得不到学校的支持，也没有学校把他们聚拢在一起，科学家彼此隔离成为专业性的科学训练和研究的一个巨大障碍。
科学家无法在真空中生存。即便是最伟大的科学家，也需要和相同领域的其他科学家进行互动来获益。伊斯兰世界里科学家彼此接触的缺乏阻止了发展所需的观点间的相互滋养。同时，由于没有互相批评，想要控制缺乏实践经验依据的理论的传播变得非常困难，那些挑战传统智慧的科学家和哲学家也很难得到来自评论界的支持。6
可与这种文化窒息现象相提并论的情况也发生在中国。中国是另一个伟大的文明，据信它出现现代科学的时间要早于欧洲。7实际上，在中世纪鼎盛时期(1200—1500)中国的人口就已经超过1亿，大约是同时期欧洲人口的两倍。但和伊斯兰世界一样，中国的教育系统被证明远远不如欧洲，至少在科学方面如此。这种教育系统受到严苛的控制，主要集中在文学和道德修养方面的学习，几乎不重视科技创新和创造力。这种情况从明朝初年（1368年左右）一直到20世纪也没有实质性的改变。和阿拉伯世界一样，中国在科学（相对于技术）领域只取得了适度的发展，尽管这些进步发生在这样的教育体制下，但它们不是这种教育体制的产物。对于学术现状持批评态度，并试图通过发展必要的学术工具将其系统化来推动精神生活向前发展的思想家们把数据的使用当作是一种推动知识进步的途径，但他们受到了极大的束缚。在印度也是如此，基于种姓结构的印度社会坚持以牺牲学术进步的代价来换取社会的稳定。8结果，尽管阿拉伯世界、中国和印度的确在其他领域产生了伟大的思想家，但他们并没有产生可以和创造现代科学的西方科学家相提并论的人物。
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欧洲科学的复兴始于11世纪末期，那时本笃会的修士康斯坦丁诺斯·阿弗里卡纳斯开始把古希腊的医学论文从阿拉伯语翻译成拉丁语9。就和阿拉伯世界的例子一样，研究希腊智慧的动机在于其实用性，这些早期的翻译活动刺激了其他实用的医药和天文学著作的翻译。于是在1085年，当基督徒重新征服西班牙时，大批的阿拉伯语著作落在了基督徒的手里，在接下来的数十年里，大量的书籍被翻译出来，这也要部分感谢对此抱有兴趣的当地主教的慷慨捐资。
很难想象这些新出现的翻译工作者所受到的冲击。这就好像一个当代的考古学家意外地发现了一块刻有古巴比伦文字的石碑，经过翻译发现他们提出的先进科学理论远比我们的复杂。在接下来的几个世纪中，对于翻译活动的赞助成为文艺复兴时期社会和商业精英们地位的象征。结果，这些复原的知识传出了教堂，变成了某种通货，人们收集它们就像今天的富人收集艺术品一样——这些富人也的确会把他们的书籍和地图展示出来，就像今天的人展示雕塑或者画作一样。最终，知识在其实用价值之外又被赋予了新的价值，并引发了人们对于科学研究的理解。10终于，它开始慢慢侵占教堂对于真理的“所有权”。在与《圣经》和教会传统所宣扬的真理的竞争中，又一个竞争对手出现了：自然世界所显示的真理。
但仅仅翻译和阅读古希腊的著作并不能产生一场“科学革命”，一种新机构——大学——的发展才真正地改变了欧洲。11今天我们知道，它将成为科学发展的驱动者，它将使欧洲在几个世纪里都处于科学发展的前沿，并在科学领域产生了这个世界前所未见的巨大进步。
不断增加的财富和大量的为接受过良好教育的人提供的工作机会点燃了教育领域的革命之火。12像博洛尼亚、巴黎、帕多瓦以及牛津这样的城市都获得了学习中心的美誉，大批的学生和教师涌向了这些城市。教师们要么独自开办教学机构，要么在现有学校的支持下开办教学机构。最终，他们参照贸易行会的形式组织成立了志愿协会。但尽管这些协会自称是“大学”，它们最初只不过是一些联盟而已，没有自己的地产，也没有固定的地址。我们今天意义上的大学出现在几十年之后—1088年在博洛尼亚，1200年左右在巴黎，1222年左右在帕多瓦，1250年在牛津。在这些地方，自然科学而不是宗教成为教学的重点，学者们聚集在一起，互相交流，互相促进。13
这并不是说中世纪的欧洲大学就是伊甸园。比如，最晚在1495年，德国权威部门认为有必要出台一项法令，明确禁止任何与大学有关的人员向大学新生泼洒尿液。这项法令现在已不复存在，不过我还是要求我的学生必须遵守。至于教授，他们没有专门的教室，因而经常被迫在公寓、教堂，甚至妓院里讲课。更糟糕的是，教授的薪水是直接由学生支付的，学生可以雇用或者解雇教授。在博洛尼亚大学，今天已成为常态的事情在当时却有着另一个奇怪的扭曲：教授如果无故缺席或者迟到，或者没有回答学生提出的难题，学生是要罚老师的钱的。如果学生觉得一堂课上得很乏味，或者老师讲得过慢，或者讲得过快，他们就会嘲讽老师并吵闹不休。莱比锡大学学生的这种攻击倾向如此难以控制，以至于校方不得不通过一项规定，禁止向教授投掷石块。
尽管有这些现实的困难，欧洲的大学还是成为科学发展的主要因素，一部分原因是它们把人聚集起来去分享和辩论观点。科学家可以忍受学生的嘲讽和偶尔从天而降的尿液带来的干扰，但他们却无法忍受没有持续不断的学术讨论会——这简直难以想象。今天，大部分的科技进步都发端于大学研究，因为在这里可以得到充裕的研究资金。大学，就像它在历史中一样，一直都是一个重要的思想汇聚地。
使我们摆脱亚里士多德学说，改变我们自然观甚至社会观，为我们之所以会成为今天的我们打好地基的科学革命通常被认为起始于哥白尼的日心说，并在牛顿物理学到达顶峰。但这种说法过于简单化——尽管我使用“科学革命”这个表达方法是为了方便省事，这其中涉及的科学家有着千差万别的目标和信仰，而不是一群人有意识地联合起来去努力创造一个新的思想体系。更重要的是，“科学革命”所指的变化是循序渐进的：1550—1700年间的伟大学者们建造了宏伟的知识教堂，牛顿成为这座教堂的顶峰。但这批学者可不是凭空冒出来的，是早期欧洲大学里的中世纪思想家们付出了辛勤的劳动为他们挖好了地基。
打地基工作中的绝大部分内容是在1325—1359年间由牛津大学墨顿学院里的一群数学家完成的。大多数人都知道——至少有所耳闻——是古希腊人创造了科学这个概念，而现代科学成形的时间是伽利略生活的时代。可中世纪的科学得不到人们的尊重。这非常令人遗憾，因为中世纪的学者们取得了惊人的进步，尽管在他们生活的那个年代，人们评判事实陈述的标准不是实验证据，而是习惯性地以它们是否能很好地匹配他们已有的基于宗教的信仰体系——正如我们今天所知，这种文化并不适宜科学的发展。
哲学家约翰·瑟尔曾经写过一个故事，展示了我们和中世纪的思想家们看待世界的根本不同。他讲述了威尼斯一座叫作the Madonna del Oro (果园圣母）的哥特式教堂的故事。最初的计划是把这座教堂命名为圣克里斯托弗洛教堂，但在建造过程中一座圣母的雕像神秘地出现在了附近的一个果园里。名字很快就改了，因为人们相信这座雕像是从天上掉下来的，这被认为是一个奇迹。人们在当时没有对这个超自然的解释产生更多的怀疑，但现在我们却对它充满了质疑，这一事件或许有一个更为世俗的解释。“现在即使这座雕像是在梵蒂冈的花园里发现的，”瑟尔写道，“教会权威也不会宣称它是从天而降的。”14
牛津大学墨顿学院图书馆
有一次我在一个聚会上提到了中世纪科学家所取得的成就。我说鉴于他们的文化和所要面对的困难，我对他们的工作印象相当深刻。我们今天的科学家总在抱怨申请项目拨款时“浪费”了太多时间，但至少我们还有带暖气的办公室，当我们城镇的农业生产下滑时，我们不用捕杀猫来做晚餐，更别提还要躲避黑死病了——它在1347年出现，杀死了一半人口。15
我参加的那个聚会学术氛围浓郁，所以我讲话的对象并没有像大多数人那样对我的忧思做出回应——直到她突然意识到她需要再来一杯霞多丽酒时。她竟充满怀疑地说：“中世纪科学家？得了吧。他们没用麻醉剂就给病人做手术。他们用生菜汁、毒堇汁和阉割过的公猪的胆汁来制作治病药水。即使最伟大的托马斯·阿奎纳不也相信巫术吗？”她把我问住了。我真不知道。后来我去查阅资料，发现她是对的。然而，抛开她对于中世纪医学成就某些方面百科全书式的知识，她并没有听说过他们在物理学领域里那些恒久的观点，在我看来这些观点是最不可思议的，尤其和中世纪其他领域的知识状态相比。所以，尽管我必须承认，假如某个中世纪的医生乘坐时间机器来到现代社会，没有人会愿意让他治病，但说到那些中世纪的学者们在物理学方面所取得的成就，我依然坚持我的立场。
这些被人遗忘的物理学英雄都做了些什么呢？首先，在亚里士多德曾经思考过的所有类型的变化中，他们把位置的变化——也就是运动——作为最根本的变化单独挑选出来。这是一种有先见之明的深刻的观察，因为我们所观察到的大多数类型的变化都为相关物质所特有——肉的腐烂、水的蒸发、树叶从树枝上掉落。它们对于一个寻找普遍规律的科学家来说意义不大。从另一方面讲，运动定律是一种适用于所有物质的根本定律。但运动定律之所以特别还有另一个原因：在亚微观层面，它们是我们生活中经历的所有宏观变化的原因。这是因为，如我们所知——亦如某些古希腊原子论者推测的那样——通过分析构成物质的基础材料原子和分子的运动定律，我们最终可以理解日常生活中所经历的许多类型的变化。
尽管墨顿的学者们没有发现那些运动的全面定律，但他们确实感知到了这些定律的存在，并且为几个世纪之后的人发现它们搭建好了平台。特别是，他们所创造的运动的基本理论与其他类型变化的科学无关——与目的的概念无关。
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墨顿的学者们所承担的任务并不轻松，对运动进行哪怕是最简单的分析所要用到的数学知识在当时至多也是原始的。而他们还面临着另一个严重的困难，战胜这个困难比起使用当时有限的数学知识取得成功是一个更大的胜利，因为它并非一个技术障碍，而是人们思考世界方式的局限性：和亚里士多德一样，墨顿的学者们受到一种世界观的束缚，在这种世界观里，时间发挥的作用是性质上的，是主观意识上的。
生活在发达世界文化之中的我们感知时间流逝的方式对于早期的人们来说是无法理解的。在人类的大部分历史中，时间是一个有着高度伸缩性的框架，它以一种完全隐秘的方式延展和收缩。学会把时间看作是固有主观性以外的东西，这一步很难，但却影响深远，它对于科学进步的意义就和语言的发展或者人类意识到世界能够通过推理被认知的意义一样重大。
比如，找出事件发生时间的规律——想象一块石头从4.88米高的地方掉下来总是只需要一秒——在墨顿学者们的时代将会成为一个革命性的概念。首先，在当时没有人知道该如何精确测量时间，分和秒的概念更是闻所未闻。16实际上，直到14世纪30年代，第一个以相等长度记录小时的钟表才被发明出来。在这之前，白天无论有多长都被划分为12个相同的间隔，这就意味着6月的“一个小时”或许是12月的“一个小时”的两倍还要多（比如在伦敦，以今天的分钟来计算它的变化范围是38~82分钟）。而这并没有给任何人造成不便，这也反映出一个事实，一个模糊的和定性的时间概念对人们来说就已经够用了。考虑到这些，速度——单位时间内运动的距离——在当时一定会是一个非常怪异的概念。
即使面对如此多的困难，墨顿学者们也神奇地为研究运动创造了一个概念性的基础。他们甚至还提出了有史以来第一条量化的运动定律——“墨顿法则”：物体从静止状态开始持续加速所经过的距离，和以加速物体最高速度一半的速度运动的物体在相同时间内经过的距离相同。17
必须承认这条定律很拗口。尽管我很久之前就熟悉它了，但现在再看时，我还要再读两遍才能搞清楚它要表达的意思。但这条定律语法结构的晦涩难懂也不是没有用处，它让我们看到了一旦科学家学会使用——以及发明，如果有必要的话——恰当的数学工具，科学会变得有多容易。
使用今天的数学语言，“物体从静止状态开始持续加速所经过的距离”可以写成½ a ×t2。第二个量，“以加速物体最高速度一半的速度运动的物体在相同时间内经过的距离”可以简单地写成½ (a ×t) ×t。所以，墨顿法则的表述翻译成数学公式就变成了：½ a ×t2 = ½ (a ×t)×t。这样不但更紧凑，也让陈述的事实一目了然，至少对学过初级代数的人来说是如此。
如果这些日子早已离你远去，只需要问一个六年级的学生——他就懂。实际上，今天一个普通的六年级学生懂得的数学知识要比14世纪最前沿的科学家还要多。28世纪的儿童和21世纪的科学家是否会说出相似的表述，这会是一个有趣的问题。当然，人类的数学技能几个世纪以来一直都在稳步发展。
墨顿法则所表达的意思可以用一种日常生活的例子来表示：如果你把车从零稳步加速至每小时100英里，你所开出的距离会和你以每小时50英里的速度在相同时间内开出的距离一样。这听起来像是我母亲唠叨我开车速度太快，但尽管墨顿法则在今天已经成为常识，当时墨顿的学者们却没有办法证明它。尽管如此，这条定律还是在知识界引起了相当大的轰动，它很快就传到了法国、意大利和欧洲的其他地区。18证明方法不久之后就出现了，它是由来自英吉利海峡对岸巴黎大学的法国学者们发现的。它的作者名叫尼克尔·奥雷姆（1320—1382），既是一位哲学家又是一位神学家，最后还升任了利雪地区的主教。为了证明默顿法则，奥雷姆不得不做一件古往今来所有物理学家一直在重复的事情：发明新的数学工具。
如果说数学是物理学的语言，那缺乏恰当的数学工具将会使一个物理学家无法开口讲话，甚至无法推导一个命题。为了用公式表达广义相对论，爱因斯坦使用了复杂和不常见的数学公式，这或许也是为什么他曾经建议一个年轻的女学生说：“别担心你学不好数学：我可以向你保证我面临的困难更大。”19或者像伽利略说的那样：“（大自然）这本书是无法读懂的，除非你首先学会理解和读懂写成它的语言和字母，它由数学这种语言写成，它的文字是三角形、圆形和其他几何图形，没有它们，人类就无法读懂其中哪怕一个单词；没有它们，人类只能在黑暗的迷宫里徘徊。”20
为了照亮这个黑暗的迷宫，奥雷姆发明了一种图表去表述墨顿法则中的物理现象。尽管他不是以我们现在的方式理解他的图表，但有人认为它是第一个物理运动的几何表述方式——以及第一个曲线图。
我一直感觉很奇怪，尽管没有多少人使用微积分，但很多人都知道它的发明者是谁，而人人都在用的曲线图的发明者却没有几个人知道。我猜这可能是因为在今天曲线图的概念看起来平淡无奇的缘故吧。但在中世纪，使用线条来代表数量，使用表格来表示空间的想法却是一种卓越的革命性原创，甚至有一点儿古怪。
为了让大家对使人们思维方式发生哪怕是最简单改变的困难程度有一个概念，我想讲讲另一个古怪发明的故事，一个完全和数学无关的故事：便利贴，这种小纸片的一边带有可重复使用的条状黏合剂，可以很容易地把它们贴在其他物体上。便利贴是在1974年由3M公司的化学工程师阿拉伯特·弗里发明的。设想一下，假如当时它们没有被发明出来，今天我带着这个点子和一个样品走到作为投资者的你的面前。你当然会把它视为一座金矿，并为了得到这样的投资机会而高兴得跳起来，对吗？
大多数人很有可能不会，这看起来或许很奇怪，但发生的事实证明了这一点。当弗里把他的点子展示给3M公司市场部的人看时——这是一家以黏合剂和创新而闻名的公司——他们并没有表现出多大的热情，并认为这种东西会很难销售，而且同它原本计划要取而代之的便笺相比，它还需要溢价。为什么他们没有冲过去拥抱弗里提供给他们的发财机会呢？21因为在“前便利贴”时代，把带有黏性胶带的小纸片贴在其他东西上这种概念超出了人们的想象。所以阿尔伯特·弗里所面临的挑战不仅仅是发明出产品，更是改变人们的思维定式。如果把便利贴的故事看作一场登山战役，那你就能够想象出当你试图在一些至关重要的领域做同样的事情时，你面对的困难究竟有多大了。
展示墨顿法则的图表
幸运的是，奥雷姆的证明并不需要便利贴。下面是我们对他的论证的分析。首先，把横轴设为时间，纵轴设为速度。现在设想一下你考虑的物体从零时开始以恒定的速度向前运动了一段时间。这段运动以一条水平线表示。把这条线下面的区域涂上阴影，你将得到一个长方形。另一方面，持续的加速度用一条向上倾斜的线条表示，因为时间在增加，所以速度也在增加。如果把这条线下方的区域涂上阴影，你会得到一个三角形。
这些曲线下方的区域——阴影区——代表速度乘以时间，也就是物体运动的距离。如果你会使用这种分析方法，并知道如何计算长方形和三角形的面积，你就能够很容易地证明墨顿法则的正确性。
奥雷姆没有获得应得的荣誉，其中一个原因是他的大多数作品并没有发表。此外，尽管我已经解释了我们将如何使用今天的方法分析他的工作，但他实际使用的概念性框架并不如我描述的那样详细和量化，并且和我们今天所理解的数学和物理变量之间的关系完全不同。新的理解起源于一系列涉及空间、时间、速度和加速度概念的创新，而它们是伟大的伽利略（1564—1642）最重要的贡献之一。
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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。22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。23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。24
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。25
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。26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”。27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。28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。29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。30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）……”31
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。
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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。32
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”。33
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伽利略对于物理学的贡献当然是革命性的。但时至今日，他最出名的还是他与天主教会之间的纷争。矛盾源自他的主张。与亚里士多德（以及托勒密）的观点相反，伽利略认为地球并不是宇宙的中心，而只是一颗普通的行星，就和其他行星一样围绕着太阳旋转。这种以太阳为宇宙中心的观点早在公元前3世纪就由阿利斯塔克提出，但它的现代版本要归功于哥白尼（1473—1543）。34
哥白尼是一个充满矛盾的改革者，他的目标并不是挑战他那个时代的宇宙哲学，他只是想修正古希腊天文学：让他烦恼的是，为了使地球中心模型解释得通，人们不得不引入大量复杂的、专门的几何结构。而另一方面，他的模型则更精致更简单，甚至带有艺术美感。本着文艺复兴的时代精神，他欣赏的不只是它与科学的关系，还有它的美学形式。“相较于假设出大量必须以地球为中心的天体从而将问题复杂化来说，”他写道，“我认为人们更容易相信太阳是宇宙的中心。”35
哥白尼于1514年第一次私下记述了他的模型，接着花费数十年进行天文观测以支持他的观点。但和几个世纪之后的达尔文一样，由于担心遭到大众以及教会的嘲笑，他只是谨慎地在他最信任的朋友间传播他的观点。然而如果哥白尼感觉到了危险，他也同样清楚如果使用恰当的政治手段，教会的反应将会是温和的。当哥白尼最终发表他的著作时，他把这本书献给教皇，并附带了长长的解释，说明为什么他的观点不是异端邪说。
最终，这个想法并没有什么实际意义，因为哥白尼直到1543年才出版他的书，那时他已经在病床上奄奄一息了——有人说他直到死的那一天才看到自己著作的印刷品。讽刺的是，即使他的书出版了，也没有即刻产生影响，直到后来被像伽利略这样的科学家采用并开始传播他的观点。
尽管地球并非宇宙中心这个观点不是伽利略发明的，但他贡献了同样重要的东西——他使用望远镜（他临时所做，基于一个不久前刚刚被发明出来的非常初级的版本）为这个观点找到了让人惊讶却又信服的证据。
它始于一次偶然事件。在1597年，当时伽利略还在帕多瓦大学撰写和讲授关于托勒密体系的内容，并没有显露出他对其正确性产生怀疑的迹象。[3]与此同时，大约在同一时期，发生在荷兰的一件事情提醒着我们科学出现在正确的地点（欧洲）以及正确的时间（在这个例子中，仅仅在哥白尼逝世后几十年）的重要性。这件事情将最终改变伽利略的思想。当时有两个小孩在一个默默无闻的名叫汉斯·利伯希的眼镜制作商的作坊里玩耍，他们把两个镜片叠在一起，透过它们去看远处镇上教堂屋顶的风向标。风向标被放大了。根据伽利略日后对于此事的记载，利伯希查看这些镜片，“一个是凸面的，另一个是凹面的……并且记下了这个意外的结果；并因此（发明了）这个仪器”。36他制造了一个小型望远镜。
我们倾向于把科学的发展看成是一系列的发现，它们通过一些单独的、拥有清晰和非凡视角的学术巨擘的努力一个引导着另一个出现。但学术史上那些伟大发现的视角通常是含糊的，而不是清晰的，相较于传奇故事，或者发现者自己经常希望去承认的那样，他们的成就更要归功于他们的朋友和同事——以及运气。在这个例子中，利伯希的望远镜只能把物体放大两到三倍，当伽利略在几年之后（1609年）第一次听说它时，他并没有多深刻的印象。他对此开始产生兴趣只是因为他的朋友保罗·萨尔皮看到了这个装置的潜力。历史学家J. L.海尔布伦把保罗·萨尔皮描绘成一个“可怕的、反耶稣会的修道士”。萨尔皮想，如果把这项发明进行改进，它将在威尼斯获得重要的军事应用。作为一座没有城墙的城市，威尼斯需要依靠提早侦察出任何迫近的敌人的袭击来获得生存。
萨尔皮向伽利略求助，而伽利略在利用各种各样的尝试增加自己收入的同时，也会兼职制作科学仪器。萨尔皮和伽利略都没有任何光学理论的专业知识，但通过实验和犯错，伽利略在短短几个月的时间里就发明出了放大效果是9倍的仪器。他将其作为礼物送给一位惊奇不已的威尼斯元老，以换取他的终生执教资格，并使他当时的薪水翻倍，达到1 000斯库迭。伽利略经过改进最终将他望远镜的放大效果提高到了30倍，这是那种设计的望远镜的实际极限（一个平凹的目镜和一个平凸的物镜）。
到1609年12月左右，伽利略已经发明出一个放大效果达到20倍的望远镜，他把它对准天空，观测夜空中最大的物体：月球。那次观测，以及他将要做的其他观测，为哥白尼关于地球在宇宙中的位置的论断提供了当时最有力的证据。
亚里士多德声称天空形成了一个独立的王国，它由不同的物质构成，遵循不同的法则，这使得所有天体都围绕着地球做圆周运动。而伽利略看到的月球却“凹凸不平，坑坑洼洼，到处都是洞穴和突起物，并非不像地球的表面，只不过没有连绵的山脉和深谷而已”。37换句话说，月球看起来并不像一个不同的“王国”。伽利略还看到木星拥有自己的卫星。这些卫星围绕着木星而不是地球旋转的事实违反了亚里士多德的宇宙哲学，但却支持了地球不是宇宙的中心，而仅仅是其中一颗行星的观点。
在这里我应该注明的是，当我说伽利略“看到”某样东西时，我并不是说他只需把望远镜拿到眼前，瞄向某个地方，然后尽情欣赏那一组革命性的新景象，就仿佛在看一出天文大戏。恰恰相反，他的观测需要长时间艰苦和乏味的工作，因为他不得不把眼睛眯上几个小时，通过他那不完美的，组装不佳的（以今天的标准）望远镜去观测，还要努力去理解他看到的东西。比如当他凝视月球时，他需要花费数周的时间去艰难地记录和理解山峰投下的阴影的运动才能“看到”它们。更要命的是，他一次只能看到1%的表面，所以要想合成一幅完整的地图，他不得不进行大量严谨的协调观测。
就望远镜而言，这样的困难表明伽利略的天才并非体现在他是如何改进仪器的，而是体现在他是如何使用它的。比如，当他感觉某个东西看起来像，例如，月球上的一座山时，他并不是简单地去相信表象；他会研究光线和阴影，并利用毕达哥拉斯定理（勾股定理）去估测这座山的高度。当他观测到木星的卫星时，他开始以为它们是恒星，但在经过多次谨慎和一丝不苟的观测，并对已知行星的运动进行计算后，他才了解到与木星相对应的这些“恒星”的位置在不断地改变，变化的方式表明它们在做圆周运动。
在完成这些发现后，尽管伽利略不太情愿进入神学领域，但他渴望因为这些发现而被世人认可。于是他开始投入大量精力去宣传他的观测结果，并加入到以哥白尼的太阳中心论去取代公认的亚里士多德宇宙哲学的运动中。1610年3月底，他发表了《星空信使》，这本小册子描绘了他所看到的奇景。这本书立即变成了畅销书，尽管它只有（按现在的版式）60页，却震动了整个学术界，因为它描绘了月球和行星神奇的、从未被世人看到过的细节。伽利略的名声很快就传遍了欧洲，所有人都想用望远镜来一窥究竟。
那年9月，伽利略搬到了佛罗伦萨，并接受了“比萨大学首席数学家和大公爵的哲学家”的荣誉职位。他保有先前的工资，但不再有教学义务，甚至也不在比萨居住。上面提到的大公爵是托斯卡纳大公科西莫二世德·美第奇，伽利略的这项任命是一次讨好美第奇的活动的结果，它起到的作用就和伽利略伟大成就起到的作用一样多。他甚至还把新发现的木星卫星命名为“美第奇之星”。
在接受任命后不久，伽利略就得了严重的疾病，在床上躺了好几个月。讽刺的是，他很有可能得了“法国病”，也就是梅毒，这是他迷恋威尼斯妓女的结果。但即使在病中，伽利略也继续努力说服有影响力的思想家认可他的发现。在接下来的一年，当他恢复了健康，他的声望高到被邀请去罗马做关于他工作的讲座。
在罗马，伽利略见到了枢机主教马费奥·巴尔贝里尼，并被授予去梵蒂冈谒见教皇保罗五世的资格。不管从哪方面看，这都是一次成功的旅行，伽利略似乎也以巧妙的方式处理了他与教会官方教义之间的分歧，从而没有使教会觉得被冒犯——或许是因为他讲座的大部分内容都集中在他利用望远镜所做的观测上，而不是去探讨它们隐含的意义吧。
然而，伽利略随后的活动却不可避免地与梵蒂冈产生了冲突，因为教会认可的是经由圣托马斯·阿奎那创造的亚里士多德版本的宇宙哲学观，而它与伽利略的观测和解释相矛盾；此外，和他谨慎的前辈哥白尼不同的是，伽利略的傲慢让人无法忍受，即使当他向神学家咨询教会教义时也是如此。于是伽利略在1616年被召回罗马，在许多教会高级官员的面前为自己辩护。
这次辩护似乎以平局收场——伽利略并没有遭到责难，他的书也没有被禁，他甚至又一次谒见了教皇保罗；但教会权威禁止他再讲授太阳而不是地球是宇宙的中心，以及地球围绕着太阳转动，而不是恰好相反。38最终，这个小插曲还是被证明给伽利略制造了巨大的麻烦，因为当他在17年后接受宗教审判时，大部分对他不利的证据都来自他与教会官员的会面，教会官员在会面时曾明确禁止他再讲授哥白尼学说。
然而，有一段时间，这种紧张气氛得到了缓解，特别是当伽利略的朋友枢机主教巴尔贝里尼在1623年成为教皇乌尔班八世之后。和教皇保罗不同的是，乌尔班对科学大体上还是持肯定的态度，在他统治的最初几年他很欢迎伽利略的谒见。
随着乌尔班的升职，伽利略在友善氛围的鼓励下开始准备写一本新书，这本书完成于1632年，那时他68岁。他把这个劳动成果命名为《美元托斯密和哥白尼两大世界体系的对话》（Dialogo Sopra i due Massimi Sistemi del Mondo）。但这场“对话”实际上只是单方面的，教会做出了反应——理由很充分——就好像这本书的名字是《为什么教会的教义是错的以及为什么教皇乌尔班是个笨蛋》。
伽利略的《对话》以朋友之间的谈话形式展开：辛普利西奥是亚里士多德的忠实追随者，萨格雷多是一名睿智的中立方，而萨尔维亚蒂则为哥白尼的观点进行具有说服力的辩护。伽利略在写这本书的时候心里很踏实，因为他已经告诉了乌尔班，而乌尔班似乎也同意了。但伽利略曾向教皇保证，他写此书的目的是为了保护教会和意大利科学免受梵蒂冈因无知而禁止讲授太阳中心论的指控——乌尔班的首肯有一个条件，那就是伽利略仅仅展示双方的学术辩论而不做评判。如果伽利略确实努力展示学术辩论而不做评判了，那他可不幸地失败了。按照他的传记作者J. L.海尔布伦的说法，伽利略的《对话》“把固守地心说的哲学家视为不配为人、荒谬、思想狭隘、愚蠢、白痴的人，而把哥白尼学说的信奉者赞誉为高等知识分子”。39
还有另一个侮辱。乌尔班原本还想让伽利略在书中加入一段否认声明，并确认教会教义的权威；但伽利略并没有像乌尔班要求的那样用他自己的话来发布这个声明，而是通过他书中辛普利西奥这个人物来表达对宗教的认可，但辛普利西奥却被海尔布伦描绘成一个“笨蛋”。教皇乌尔班可不是笨蛋，他感觉自己受到了深深的冒犯。
当尘埃落定后，伽利略因违反教会1616年的法令讲授哥白尼学说而遭到指控，并被迫发布声明放弃他的信仰。他的罪行与其说是因为他世界观里的具体细节，不如说是争夺权力和控制，或者真理“所有权”的结果。[4]因为构成教会精英知识分子的绝大多数人都承认哥白尼的观点有可能是正确的，他们反对的是传播这种言论并挑战教会教义权威的叛徒。40
1633年6月22日，伽利略穿着象征忏悔的白色衬衣，跪在审判他的法官席前面，被命令承认《圣经》的权威，并宣布说：“我，伽利略，已故的温琴佐·伽利雷之子，佛罗伦萨人，年龄70岁……发誓我一直相信，现在同样相信，在上帝的帮助下将来也会相信所有神圣天主教和使徒罗马教会所信奉、宣扬和教授的内容。”41
然而，除了宣告一直信奉教会教义之外，伽利略继续供认说甚至在教会已经“公正地告知一项禁令”的情况下，他还继续鼓吹已被定罪的哥白尼理论，因此他必须，按照教会的说法，“放弃太阳是宇宙中心，不会移动，以及地球不是宇宙中心，并且移动……的错误主张”。
真正有意思的是伽利略忏悔的措辞。“我撰写和出版了一本书，”他说道，“在这本书里我论述了这个已被定罪的新学说，并为了支持它引用了极具说服力的论据。”所以即使在他宣誓效忠教会版本的真理时，他依然在捍卫他书中的内容。
最终，伽利略屈服了，他说：“教会针对我的设想的强烈怀疑是有理由的，我渴望把教义从主教大人，以及所有虔诚的基督徒的脑海中抹去，我带着诚挚的心和真实的信仰宣布放弃，诅咒并痛恨上述错误和异端邪说……我发誓未来我将永不谈论或者宣称，无论口头还是书面，有可能引发针对我的类似猜疑的任何言论。”
伽利略没有受到像宗教审判法庭施加给乔尔丹诺·布鲁诺那样的残酷惩罚。布鲁诺也曾宣称地球围绕太阳旋转，因为他的异端邪说，他于1600年在罗马被绑在火刑柱上活活烧死。但对伽利略的审判已经很清楚地表明了教会的立场。
两天后，伽利略被移交给佛罗伦萨大使进行监禁。在生命中的最后几年，他被软禁在他位于佛罗伦萨附近阿尔切特里的乡间庄园里。伽利略还在帕多瓦生活的时候育有三个私生子女。他们当中，伽利略最亲近的女儿在德国死于瘟疫，另一个女儿和他很疏远；但他的儿子温琴佐住在附近并很好地照料着他。尽管伽利略是一个囚犯，却被允许接待访客，甚至异教徒——只要他们不是数学家。他们其中一个是年轻的英国诗人约翰·弥尔顿（后来他在《失乐园》中提到了伽利略和他的望远镜）。
讽刺的是，正是在阿尔切特里的那段时间里，伽利略把他关于运动物理学最成熟的观点记录在了一本书里，他认为这是他最伟大的作品：《关于两门新科学的对话》。这本书无法在意大利出版，因为教皇禁止他的作品出版，所以它被私运至莱顿并于1638年出版。
此时伽利略的健康状况已经下滑。他在1637年双目失明，第二年他开始遭受让人虚弱的消化问题。“我发现所有东西都让我恶心，”他写道，“葡萄酒对我的大脑和眼睛尤其不好，水让我身体侧面疼痛……我没有胃口，没有什么东西能吸引我，如果有东西吸引我，（医生）会禁止我接触。”42尽管如此，他的思维依然活跃，一个在他临死之前曾短暂探视过他的访客评论说——尽管有针对那种职业的访客禁令——他最近很喜欢聆听两个数学家的辩论。他于1642年去世，享年77岁。那一年牛顿出生。他临死时他的儿子温琴佐陪伴在身边——是的，还有少数几个数学家。
伽利略的遗愿是被埋葬在佛罗伦萨圣十字大教堂他父亲的旁边。科西莫大公的继任者，费迪南多甚至计划在那里为他建造一座宏大的陵墓，就在米开朗琪罗陵寝的对面。然而，教皇乌尔班却说“为（这种人）修建陵墓不好……因为好人或许会对神圣权威产生愤慨和偏见”。43于是伽利略的亲属只好将他的遗体安放在了一座教堂钟楼下面的壁橱大小的墓室里，并举行了一场只有少数朋友、亲属和追随者参加的小型葬礼。尽管如此，很多人，甚至包括教会里的人，都怅然若失。关于伽利略的死，在罗马的枢机主教巴尔贝里尼教廷的图书管理员勇敢地写道：“不仅照亮了佛罗伦萨，也照亮了全世界和整个世纪。从这个非凡的人物身上，我们获得的辉煌要比从几乎所有其他普通哲学家身上获得的辉煌还要多。”44
[1] 《世界之战：科学与灵性如何决定未来》简体中文版已于2012年9月由中信出版社出版。——编者注
[2] 中世纪从公元500年持续到公元1500年（或者在其他定义中，公元1600年）。不管持续到哪一年，它都跨越了（部分重叠）在罗马帝国文化成就与文艺复兴时期科学与艺术繁荣发展之间的时代。19世纪的人们把这一时期轻蔑地称为“没有洗澡的1 000年”。
[3] 然而，伽利略的确对经德国天文学家（同时也是占星家）约翰尼斯·开普勒发展过的那一版本的哥白尼观点抱有某些同感，主要是因为它支持他自己宠爱的潮汐理论（他把潮汐归因于太阳的运动，这是错误的）。尽管如此，当开普勒呼吁伽利略发表声明以示支持时，伽利略拒绝了。
[4] 尽管伽利略被禁止讲授哥白尼学说，但在他被软禁在家的日子里，他的确被允许使用望远镜继续他的工作。