История науки

роенных в форме диалогов, венеци­ анец Сагредо и флорентиец Сальвиати.

К падуанскому периоду творчества Галилея относятся изобретение термо­ скопа, исследование магнитов, открытие законов движения, величайшие ас­ трономические исследования.

Первый опыт с термоскопом был проведен Галилеем примерно в 1597 г. Термоскоп как средство измерения температуры предшествовал термомет­ ру. Термоскоп Галилея представлял собой стеклянную колбу размером с яйцо, к которой припаяно узкое, «диаметром с пшеничный стебель» гор­ лышко длиной в две пяди («пядь» — около 20 см). Если нагреть колбу рука­ ми, горлышко поместить в сосуд с водой, а затем убрать руки с колбы, то вода из сосуда по мере остывания колбы начнет подниматься в горлышко. Термоскоп, таким образом, позволял демонстрировать изменение «степени жары и холода». Примечателен не только сам прибор, но новый подход к понятию тепла и холода. Перипатетики считали, что тепло и холод как бы перемешаны в материи. По Галилею холод — это лишь отсутствие тепла, то есть не является каким-либо отдельным качеством.

Галилей никогда не скрывал, что изобретение зрительной трубы телеско­ па принадлежит не ему. Тем не менее в оптике одну из классических схем зрительных труб называют именем Галилея. До Галилея зрительная труба применялась военными моряками как наблюдательный прибор. Зрительные трубы изготавливались и для забавы, как игрушка. Галилей первым исполь­

зовал зрительную трубу в астрономических наблюдениях. В 1609 г. он по­ строил свой первый телескоп с наибольшим увеличением, а затем и теле­ скоп с 32-кратным увеличением, позволивший сделать ряд важных астро­ номических открытий, достаточных чтобы окончательно утвердиться Гали­ лею в правильности Коперниковской идеи и отвергнуть Аристотелевскую картину мира. Галилей увидел, что Луна не является идеальной сферой, а покрыта горами, что у Юпитера есть спутники, которые вращаются вокруг него и являют собой миниатюрную модель устройства Вселенной по Копер­ нику, что Млечный путь, кажущийся невооруженному глазу светлой поло­ сой, состоит из огромного скопления звезд.

Результаты своих астрономических открытий Галилей опубликовал в «Звездном вестнике» — книге, вызвавшей сенсацию и,принесшей автору мировую известность и славу.

Успехи Галилея и его слава дали ему возможность получить должность первого математика Пизанского университета. Эта должность позволяла ос­ вободиться от преподавательской работы, принять предложение герцога Тосканского переехать в 1609 г. из Падуи в Арчетри близ Флоренции и со­ средоточиться на научной работе.

Флорентийский период жизни Галилея продолжался 22 года. Здесь, в Ар­ четри, он продолжил свои астрономические наблюдения и физические иссле­ дования. В своей работе «Рассуждение о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся» (1612), Галилей опровергает суждение перипатети­ ков о зависимости способности тел плавать или тонуть от их формы.

ВАрчетри Галилей готовит к опубликованию свою, ставшую основной, научную работу «Диалог о двух главнейших системах мира — Птолемеевой

иКоперниковой». Книга вышла в свет в 1632 г. во Флоренции. Она напи­ сана живым итальянским языком в форме бесед трех патрициев. Участни­ ками бесед явились уже упомянутые нами друзья Галилея Филиппо Сальвиати и Джован Франческо Сагредо, а также вымышленное лицо — Симпличио. Сальвиати представляет мнение самого Галилея, Сагредо — просве­ щенного человека, пытающегося во всем разобраться, Симпличио защищает философию перипатетиков.

В«Диалогах» в литературной форме (Галилей считал важным, чтобы его труд мог быть доступен каждому человеку) остроумно обсуждаются важней­ шие научные проблемы. Беседы ведутся в течение четырех дней.

«День первый» посвящен в основном рассуждениям об Аристотелевском представлении о неизменности небесного мира. Галилей противопоставляет этому представлению такие доводы, как возникновение новых звезд, сол­ нечные пятна, гористость структуры Луны, что делает ее схожей с Землей.

«День второй» главным образом посвящен рассмотрению вопроса о дви­ жении Земли. Что же противопоставляет Галилей доводам перипатетиков, которые соответствуют повседневной практике: тяжелые тела падают вер­ тикально вниз, летящие птицы не отстают от находящейся под ними зем­ ной поверхности, дальность стрельбы из орудий не зависит от направлений стрельбы и т.д., значит, Земля неподвижна!? В противовес этим доводам Га­ лилей выдвигает два базовых принципа механики — принцип инерции и

принцип относительности. Принцип инерции Галилеем сформулирован по отношению к телу, движущемуся по неограниченной горизонтальной плос­ кости. В своих рассуждениях Галилей использует очень остроумный ход: по наклонной плоскости сверху вниз тело движется с ускорением, по той же плоскости вверх — с замедлением, значит, на совершенно горизонтальной плоскости оно совершает равномерное движение, так как нет причин ни для ускорения, ни для замедления движения.

Принцип относительности сформулирован Галилеем словами Сальвиати:

«Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой како­ го-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мел­ кими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с во­ дой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ве­ дерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд с узким гор­ лышком, поставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный вами сосуд,

ивам, бросая друг другу какой-нибудь предмет, не придется бросать его с боль­ шой силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у вас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете не установить, движется ли ко­ рабль или стоит неподвижно... И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам, так же как

ивоздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой...»

Всовременной формулировке принцип относительности гласит, что все процессы в природе протекают одинаково в любой инерциальной системе от­ счета, то есть независимо от того неподвижна система или совершает равно­ мерное и прямолинейное движение. Поскольку птицы, падающие тела, летя­ щие снаряды и Земля участвуют в одном и том же движении —движении Зем­ ли, для наблюдателя все происходит так, как если бы Земля была неподвижна.

«День третий» посвящен дискуссии о новой звезде 1604г., а затем собе­ седники рассуждают о несоответствии учения Аристотеля астрономическим наблюдениям, о возможности гелиоцентрического устройства мира и соот­

ветственно о годичном вращении Земли.

В «День четвертый» обсуждаются причины морских приливов и отливов. Галилей ошибочно считал эти явления доказательством движения Земли. Он связывал морские приливы и отливы с неравномерностью движения Зем­ ли. Гипотезу Кеплера о лунном и солнечном притяжении как причинах при­ ливов и отливов Галилей считал «легкомысленной».

Несмотря на то, что издание «Диалогов» было санкционировано церко­ вью, а сама книга посвящена Папе, уже через 6 месяцев после выхода кни­ ги в свет Галилею было предписано по решению инквизиции явиться в Рим. Начался знаменитый суд над Галилеем, результатом которого стало пись­ менное заявление ученого, в котором он признавал, что многие места его книги неудачны и могут укрепить ложное мнение. На допросах Галилей от­ рицал, что разделяет учение Коперника. Публичное покаяние было произ­ несено Галилеем 22 июня 1633г. в церкви Св. Марии в Риме. После этого он был помещен под домашний арест в своем доме в Арчетри.

Последние годы жизни Галилей провел в уединении и посвятил их труду над вопросами динамики и статики. С 1637г. он вновь был окружен учениками, сре­ ди которых Торричелли, Вавиани, Костелли. В 1638г. выходит из печати его сочинение «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки». Под двумя новыми науками Галилей подразумевал динами­ ку и сопротивление материалов. «Беседы» естественным образом продолжают «Диалоги». В них участвуют те же действующие лица, но книга более строга в научном отношении. «Беседы» состоят из четырех частей — «дней».

«День первый» приводит собеседников к вопросу о скорости света. Сальвиати составляет план эксперимента по определению скорости света, но этот план, основанный по своей идее на измерении времени распространения све­ та между наблюдателями, не мог дать оценки скорости из-за большой ее ве­ личины. Важнейшим содержанием беседы в «День первый» является опро­ вержение учения Аристотеля о зависимости скорости падения от веса тела. Галилей доказывает, что если устранить влияние среды, все тела падают с оди­ наковой скоростью. К этому выводу Галилей пришел, измеряя периоды ко­ лебаний двух маятников с одинаковой длиной нитей, но один был со свин­ цовым шаром, другой — с пробковым. Периоды колебания оказались одина­ ковыми, отсюда следует и одинаковость скоростей падения. Рассмотрение ко­ лебаний маятника привели собеседников к проблемам акустики.

«День второй» посвящен рассмотрению вопросов разрушение твердых тел при различных способах воздействия на них. Ценность исследования Галилея в этом вопросе состоит в постановке задачи расчета конструкций на прочность, хотя верные практические рекомендации получены не были.

В «День третий» и «День четвертый» собеседники обсуждают вопросы динамики, изложенные в трактате «нашего автора», то есть самого Галилея. В трактате дана формулировка гипотезы о пропорциональности скорости падения тел времени падения, и на основе этой гипотезы дано доказатель­ ство закона о пропорциональности пути, проходимому падающим телом, квадрату времени падения. Этот закон был подтвержден Галилеем в опы­ тах с наклонными плоскостями.

Рассматривая движение брошенного тела, Галилей выдвигает принцип сложения перемещений, на основе которого он находит, что траекторией невертикально брошенного тела является парабола.

Вгод окончания работы над «Беседами» Галилей окончательно ослеп, но продолжал работать, диктовать ученикам свои научные идеи.

В1642 г. Галилея не стало, он умер в возрасте 78 лет на руках учеников в

Оценивая значение открытий Галилея в исследовании проблем движе­ ния и в развитии методов научного мышления, А. Эйнштейн и Л. Инфельд пишут:

«Открытие, сделанное Галилеем, и применение им методов научного рассужде­ ния были одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому, что интуитивным выводам, базирующимся на непосредственном наблюдении, не всегда можно доверять, так как они иногда ведут по ложному следу».

5.2. Ровдение небесной механики. Кеплер

Новая картина Вселенной, созданная Коперником, требовала научного ос­ мысления. Специалисты-астрономы видели в ней прежде всего удобство и простоту при составлении астрономических таблиц. Церковь любое поку­ шение на аристотелевскую систему считала ересью и жестоко пресекала. За вольнодумство и пропаганду теории Коперника Джордано Бруно (1548— 1600) поплатился жизнью. Для утверждения теории Коперника не было до­ статочно и усилий Галилея, шедшего от земной механики к всеобщим за­ конам космоса. Необходимо было точное описание орбит планет, посколь­ ку круговой их характер никак не доказывался и выводился из чисто эстетических соображений.

Задачу точного описания орбит планет решил один из величайших аст­ рономов мира Иоганн Кеплер (1571 —1630), основываясь на точнейших аст­ рономических наблюдениях своего учителя Тихо Браге (1531—1601).

Тихо Браге по происхождению был датским дворянином . Его отец, знаменитый судья, мечтал, чтобы второй сын — Тихо — также сделал юридическую карьеру. С тринадцати лет Тихо Браге учился в академии в Копенгагене на юриста, но увлекся астрономией и занимался ею втайне от отца и воспитателей. Тихо Браге был вспыльчив. И з-за спора при игре в карты состоялась дуэль. Саблей ему отрубили нос. Он сделал себе се­ ребряный протез, стал нелюдим, женился на простой крестьянке и по­ святил себя любимому делу — астрономии. Успехи пришли быстро. Бра­ ге обзавелся походной обсерваторией, отправился путешествовать по Гер­ мании. Король Дании Фридрих II стал поощрять работу Тихо Браге. Он подарил Т.Браге остров Вен в проливе Зунд и построил на нем Ураниенбург — замок Урании, богини неба. Замок стал великолепной, прекрас­ но оснащ енной обсерваторией, в которой Браге с помощью специально изготовленных приборов провел ряд точнейших наблюдений. Браге за­ нимался астрологическими прогнозами, добавлявшими ему славы и де­ нег. Знатные люди со всей Европы стремились заполучить гороскоп, со­ ставленный Браге. Ему была, разумеется, известна гелиоцентрическая система Коперника, но Браге создал свою систему, по которой Земля не­ подвижна, Солнце вращается вокруг Земли, а планеты — вокруг Солнца.

После смерти Фридриха Браге покинул родину. Его новым могуществен­ ным покровителем стал император Рудольф II. Тихо Браге поселился в Праге и работал в алхимико-астрологическом институте, основанным Ру­ дольфом II. На службу к нему поступил Иоганн Кеплер, отдававший дол­ жное своему учителю, точнейшие наблюдения которого впоследствии по­ служили исходным материалом для описания законов движения планет вокруг Солнца.

Иоганн Кеплер родился в деревеньке Магсшадт близ города Вейля в Гер­ мании. Его отец Генрих Кеплер был сыном Вельского бургомистра, мать — Катерина Гульденман — дочерью трактирщика. Она не получила никакого образования, не умела даже читать. Тетка матери была сожжена за колдовство,

иэта худая слава перешла и на Катерину.

Вшестилетнем возрасте Иоганн Кеплер заболел оспой и едва остался в живых. После болезни зрение у будущего великого астронома осталось на всю жизнь слабым. Генрих Кеплер в то время служил в армии герцога Аль­ бы. Вернувшись с войны, которую Альба вел против Нидерландов, Генрих Кеплер окончательно разорился, и чтобы хоть как-то прокормить семью (у него были дочь и три сына, из них Иоганн — младший), открыл кабак. Свое детство до 13 лет Иоганн Кеплер прожил в отцовском кабаке. Торговля шла плохо. Генрих Кеплер поступил солдатом в австрийскую армию, шедшую на войну с турками, и пропал без вести.

Вчетырнадцатилетием возрасте Кеплер вновь оказался на грани смерти, но сестра Маргарита выходила его. Муж Маргариты был пастором, и, мо­ жет быть, поэтому было решено пустить Иоганна по богословской части.

В1586 г. Кеплер поступил в школу Мульбронского монастыря, кото­ рая была приготовительным заведением для Тюбингенского университе­ та. Набравшись достаточных знаний, Кеплер в 1588г. перешел в Тю бин­ генский университет, где он впервые занялся астрономией. Кеплер стал посещать лекции Михаила Местлина — одного из первых последовате­ лей Коперника. С его помощью Кеплер освоил математику и познако­ мился с системой Коперника. После окончания университета Кеплер был определен профессором математики и морали в училище г. Граца. Ему было тогда 22 года. Наряду с преподавательской работой Кеплер актив­ но занимался астрономией и астрологией. Его научные воззрения были

вто время весьма сложными и носили отпечаток мистицизма. Кеплер, следуя Пифагору, верил в магию чисел. В своем письме к М естлину он

пишет:

«До сотворения мира не было иного числа, как троица, которая есть сам Бог. Мир был сотворен мерою и числом», и далее: «Мир, подвижный и неподвижный, двойственен. Неподвижный мир занят неподвижными звездами, Солнцем, по­ средствующим эфиром, тремя элементами, соответствующими Троице: Сыну, Отцу и Святому Духу. Подвижный мир занят шестью планетами, обращающи­ мися вокруг Солнца, которое представляет образ Отца Создателя. Солнце рас­ пределяет движение, как от Отца исходит Дух Святой».

Профессорского жалования не хватало, но выручали астрологические го­ роскопы, составляемые Кеплером. Кеплер пишет:

«Астрология — дочь астрономии: разве не естественно, чтобы дочь кормила мать, которая без того умерла бы с голоду».

В 1595 г. вышло первое сочинение Кеплера с весьма сложным названием: «Продром, содержащий космографическую тайну удивительного отношения небесных кругов, и истинные и естественные причины числа и величины не­ бес, периодических движений и т.д.» Русский перевод названия имеет различ­ ные варианты, чаще всего сочинение называют «Тайна Вселенной». Цель, которую поставил перед собой Кеплер, состояла в доказательстве, что Созда­ тель, устанавливая порядок во Вселенной, имел в виду свойства пяти правиль­ ных геометрических фигур, которые можно вписать в шар (куб, тетраэдр и т.д.). Кеплер послал экземпляр своего «Продрома» Тихо Браге и Галилею. Тихо Браге дал ему вежливый ответ, в котором выразил сожаление о том, что Кеплер попусту тратит время на бесплодные умствования, принимая систе­ му Коперника. В конце письма он просил Кеплера приехать к нему. Кеплер медлил с решением. Через некоторое время Тихо Браге вновь пригласил Кеп­ лера, который наконец в 1600 году принял это предложение.

К тому времени Кеплер женился на Варваре Мюллер, уже побывавшей до этого замужем дважды. Брак оказался не из счастливых: жена Кеплера часто болела, трое детей умерли, нервное расстройство Варвары Мюллер перешло в умопомешательство, в 1611г. она скончалась.

Итак, в 1600 г. Кеплер с женой переезжает в Прагу к Т. Браге. Вскоре Бра­ ге умер, и Кеплер получил его место: он был назначен астрономом при дворе Рудольфа И. Кеплер поселился в Линце (Австрия). В наследство от Тихо Браге Кеплер получил все реестры его обсерватории и мог свободно пользо­ ваться наблюдениями датского астронома. Вряд ли Кеплеру удалось бы от­ крыть законы движения планет без использования материалов, оставленных Браге.

Основным средством заработка Кеплера по-прежнему оставались горос­ копы. Знатные особы осаждали Кеплера. Король был недоволен тем, что Кеплер слишком много времени уделяет астрономии и мало — астрологи­ ческим прогнозам.

Ко второму браку Кеплер подошел более «взвешено». Биограф Кеплера Бернар пишет: «Сделав тщательное и остроумное сравнение достоинств кра­ соты одиннадцати девушек, как то видно из его писем, он выбрал в жены Сусанну Рейтрингер, сироту простого ремесленника, она получила хорошее воспитание в одном из лучших пансионов». От второй жены у Кеплера было семь детей.

Семейное благополучие было омрачено известием от сестры: их мать по­ сажена в штутгардскую тюрьму. Старуха обвинялась в колдовстве, которо­ му якобы научила ее тетка, сожженная в Вейле как ведьма. Катерину Кеп­ лер обвиняли в том, что она никогда не плакала, извела соседских свиней, на которых разъезжала по ночам, никому не смотрела в лицо и просила мо-

ние, которым он пользовался, позволили Катерине Кеплер избежать кост­ ра инквизиции. После устрашений (ей показывали орудия пыток и расска­ зывали об их действии) старуху выпустили из тюрьмы. Процесс против ма­ тери повредил карьере Кеплера. Он вынужден был оставить кафедру мате­ матики в Линце. К себе на службу в качестве придворного астролога Кеп­ лера пригласил генерал Валленштейн — один из полководцев императора Рудольфа, герцог Мекленбургский. Однако Валленштейн вскоре стал недо­ любливать Кеплера, гороскопы которого не слишком ему льстили. Кепле­ ра сменил итальянский астроном Сено, который умел заставлять звезды го­ ворить то, что было угодно Валлентштейну. Кеплер умер в бедности. Араго писал: «Он оставил 22 червонца, платье, две рубашки и книги: пятьдесят семь экземпляров своих «Эфемерид» и шестнадцать экземпляров своих'« Ру­ дольфовых таблиц». Остальное он конечно распродал...».

В своих первых научных сочинениях Кеплер руководствовался мыслью Платона, что «Бог, создавая Мир, должен был создать геометрию». Кеплер пытался отыскать законы, которые управляют миром в отношении планет­ ных расстояний и движения планет.

Самым важным сочинением Кеплера по астрономии явилась «Новая ас­ трономия, или небесная физика с комментариями на движение планеты Марс по наблюдениям Тихо Браге» (1609 г.)

Анализируя наблюдения Тихо Браге, Кеплер приходит к выводу об эл­ липтичности орбит планет. Эллиптичность орбиты Марса вызывала угло­ вые отклонения в его положении на 8' (угл. мин.). Вот что пишет Кеплер по этому поводу:

«Небесная благость даровала нам в лице Тихо наблюдателя столь точного, что ошибка в 8' не возможна; следует возблагодарить Бога и воспользоваться этим преимуществом. Эти 8', которыми непозволительно пренебрегать, дадут нам средство преобразовать всю астрономию».