圖片：個人收藏用以教學的伽利略溫度計。
作者：嚴融怡
在17世紀之前，人類仍在嘗試標準化溫度的測量。像是在公元170年，物理學家蓋倫將等量的冰與沸點狀態下的水混合以試圖建立「中立」的溫度指標。近代科學上真正具有標準量測上意義的溫度計則要等到16世紀末佛羅倫薩一系列科學家們的嘗試，當時有數個人同時發明了測溫儀的一種版本。1593年，伽利略·加利萊(Galileo Galilei)構思了一種基本的能感應水溫相對變化的水溫計，首次可以測量溫度變化，儘管根據定義它實際上仍是測溫儀（thermoscope）。伽利略的這個構思成為後來伽利略溫度計(Galileo thermometer)的雛型。他設想一個裝滿不同質量玻璃球的容器，每個玻璃球上都有溫度標記。當水的浮力隨溫度變化時，有些玻璃球會下沉，有些則會漂浮，最低的玻璃球則大致指示溫度。它運用了阿基米德所發現的水的浮力原理(在後來也普遍推廣到物體在液體或氣體中所產生的浮力)。物體在液體是否能漂浮，決定於物體本身的重量以及物體置入水中所能排開的液體重量。如果物體本身重量小於排開液體重，就會漂浮在水面上；而如果物體重量大於排開液體重就會使物體下沉；但如果兩者相等，物體則會懸浮在液體當中。伽利略發現了液體的密度會隨溫度有些微改變，當溫度增高時會造成液體密度的減少，這正是伽利略溫度計運作的主要原理所在。
圖片：伽利略雖然不是伽利略溫度計的直接發明者，但是他的學生是以他的發現與構思來製作這類溫度計。
圖片：真正投入伽利略溫度計問世與改良的三位西芒托學院學者。
不過，後來伽利略溫度計真正具體儀器的問世和發明，卻不是伽利略本身，而是一群佛羅倫斯西芒托學院（Accademia del Cimento）的學者和技術人員，其中也包括伽利略的學生托里切利(Evangelista Torricelli)和溫琴佐·維維亞尼(Vincenzo Viviani)等人。而後伽利略的學生兼贊助者托斯卡納治理人科西莫二世·德·麥地奇(Cosimo II de' Medici)的兒子斐迪南二世·德·麥地奇(Ferdinando II de' Medici)則對現今伽利略溫度計的定型有重大的貢獻。這位托斯卡納大公和他的父親一樣致力於科學研究，不僅贊助科學，本身也是科學家，他旗下有一位玻璃精工大師安德里亞·馬里亞尼(Andrea Mariani)製備了西芒托學院所使用的一系列『佛羅倫斯溫度計』，在他出色的技術下，也使得溫度計製作技術逐漸進步起來，然而不同玻璃吹製者製作的溫度計使用了不同的刻度，在比較時難以一致成為當時科學上的難題，這一問題卻要等到很久才得以解決。斐迪南二世不僅致力於溫度計的研究，也是早期開展濕度研究的科學家。他注意到，在炎熱的夏季，根據溫度和風的不同，冰玻璃的外部會形成水。斐迪南二世對大氣的性質以及水蒸氣變為液體的條件感到好奇，後來依據長期的觀察製作出簡易的冷凝濕度計，這是 由一個裝滿冰的錐形容器所組成，使他能夠進行實驗，研究溫度和空氣循環如何影響大氣中的水蒸氣以及產生露的條件。對後世的濕度研究有重要啟迪。1654年，斐迪南二世團隊製作了第一個密封測溫器，以設法避免溫度量測上受到大氣壓力變化干擾的問題。此後，溫度計發展到了18世紀初期有了重要的變革，華氏溫標、攝氏溫標和克氏溫標(凱氏溫標)的出現使溫度計真正變成可以研究溫度變化、熱量變化等量測的標準儀器。
圖片：伽利略溫度計的溫度識別。
現今所傳承的伽利略溫度計(有時也稱為浮球溫度計)，是經過斐迪南二世團隊所改良的形制。這是一種由玻璃圓筒、透明碳氫化合物液體(例如乙醇或煤油)以及內部充滿有色液體並配掛金屬溫度標籤的數顆玻璃小球所組成的溫度計。碳氫化合物液體的密度相當敏感，其密度隨溫度的變化比水更大(這與伽利略最初構想使用水不一樣，他的學生採用了其他有機溶劑使密度變化更敏銳)，很容易隨溫度而改變，使得原本懸浮在液體中的玻璃球上下移動，直到與周遭的液體密度相等。在玻璃圓筒當中，密度最小的懸浮物會位在液面最頂部，密度最大的懸浮物則會位在最底部。每個玻璃球都掛著刻有數字的金屬圓盤，讀取周遭溫度時，找懸浮在頂部最底端的玻璃球。小玻璃球的內部充滿了各自不同顏色的液體。這些液體的主要成分是水，有些含有極少量的酒精，玻璃球中內部的液體主要扮演固定權重的作用，其顏色則表示給定的溫度。由於手工吹製的玻璃球被密封後，內部的液體將不會再影響外部的環境，它們的有效密度主要是使用懸掛在燈泡下方的金屬標籤來進行調整。之後玻璃球內有色液體的溫度變化和玻璃球內的空氣間隙所引起的任何膨脹都不會影響溫度計的運行，因為這些材料被密封在固定尺寸的玻璃燈泡內。而玻璃本身受溫度變化的膨脹係數與密度變化相較於液體沒有那麼明顯。但是溫度變化卻會影響外部透明液體的密度，進而導致玻璃球相應地上升或下降。
圖片：單浮球指針式伽利略溫度計。
那要如何使用伽利略溫度計，根據前人的經驗，如果所有的玻璃球都呈現垂直上的排列分布，而沒有明顯和其他玻璃球區隔並懸浮在中間的玻璃球，則可以取最接近中央的上下兩顆玻璃球的平均來作為伽利略溫度計所在的外界溫度。而如果有一些玻璃球在液體頂部，另一些沉在底部，但是有一個很明顯懸浮在中間的玻璃球，那麼浮在中間的玻璃球就代表伽利略溫度計所在的外界溫度。時至今日伽利略溫度計除了多個玻璃球的這種經典造型，還有其他形式的伽利略溫度計，像是單浮球指針式的伽利略溫度計。目前伽利略溫度計主要作為裝飾品，或是物理學熱學教學當中的教具，在坊間有些咖啡店也會使用伽利略溫度計(取其固定的溫度值)。雖然它已不再是我們所慣用的溫度計量工具，但卻可從中去探究溫度與浮力等變化上的學理。
參考引用資料：
1.伽利略之謎：伽利略與不是伽利略發明的伽利略溫度計 https://www.cup.com.hk/2017/12/07/galileo-thermometer/
2.伽利略溫度計 -維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%E6%BA%AB%E5%BA%A6%E8%A8%88
3.伽利略溫度計─科技大觀園 https://www.youtube.com/watch?v=yskMS1nH-dQ
4.伽利略溫度計─交大國立交通大學示範物理 https://www.youtube.com/watch?v=5h3WZVMb-dE
5.溫度測量 -維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BA%AB%E5%BA%A6%E6%B8%AC%E9%87%8F
6.演示：伽利略溫度計 - 清華大學跨領域科教中心 https://www.youtube.com/watch?v=9lle6qScA6s
7.【演示】伽利略溫度計 - 清華大學跨領域科教中心 https://www.youtube.com/watch?v=3tx_EyW6xlA
8. Early Thermometers and Temperature Scales -Whipple Museum https://www.whipplemuseum.cam.ac.uk/explore-whipple-collections/meteorology/early-thermometers-and-temperature-scales
9. Ferdinand II de' Medici https://brunelleschi.imss.fi.it/itineraries/biography/FerdinandIMedici.html
10. Galileo thermometer -wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_thermometer
11. Measuring Air Humidity -Whipple Museum https://www.whipplemuseum.cam.ac.uk/explore-whipple-collections/meteorology/measuring-air-humidity
12. The History of the Thermometer https://www.thoughtco.com/the-history-of-the-thermometer-1992525
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