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 。由于这些成就，当年比萨大学便聘请他任教，讲授几何学与天文学 。第二年他发现了摆线 。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 。1591年其父病逝，家庭负担加重，他便决定离开比萨 。
帕多瓦时期
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.F.塔尔塔利亚、G.B.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J.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美的思想印象太深，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，思考几日后，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 。参议院随后决定他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，水星有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 。
托斯卡纳时期
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 。为了取得有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??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 。
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