§ 6. Галилей
Формулирование одной из основных руководящих идей современного естествознания принадлежит Галилею и касается она проблемы движения. До Галилея в науке общепринятой была точка зрения, что скорость движения тела тем больше, чем больше толкающая его сила, а если действие этой силы прекращается, тело останавливается. Это положение было четко сформулировано Аристотелем, и на первый взгляд оно отвечает опыту. Галилей показал, что эта точка зрения ошибочна.
Галилей ввел новый, совершенно другой принцип: если на тело не производится никакого внешнего воздействия, то оно либо находится в состоянии покоя, либо движется прямолинейно с неизменной скоростью. Вот как оценили А. Эйнштейн и Л. Инфельд это открытие Галилея: «Открытие, сделанное Галилеем, и применение им методов научного рассуждения, 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.»
Галилео Галилей родился 15 февраля 1564 г. (в том же году, что и У. Шекспир) в г. Пизе. Его отец, Винченцо, был музыкантом, семья - аристократической, но не богатой. В 1574 г. они переехали из Пизы во Флоренцию. Здесь Галилей был зачислен в монашеский орден послушником, учился в монастыре; главное, что он узнал за это время и что в дальнейшем было для него весьма полезно - произведения греческих и латинских авторов.
По настоянию отца Галилей покинул монастырь (по причине якобы тяжелой болезни глаз), а в 1581 г. опять-таки под влиянием отца поступил в Пизанский университет для изучения медицины.
Однако к медицине Галилей большого интереса не проявил, зато увлекся математикой, механикой, физикой и астрономией. В этом главную роль сыграл друг отца Галилея Остилио Риччи, по его совету Галилей читал труды Евклида и Аристотеля. Труды Аристотеля, прежде всего «Механика» и «Физика», вызывали у Галилея тем больше сомнений и возражений, чем ближе он знакомился с ними.
Научные интересы Галилея окончательно определились. Он целиком посвятил себя занятиям математикой, геометрией, механикой и физикой, оставил Пизанский университет и переселился во Флоренцию.
С 1589 г. Галилей возглавлял кафедру математики Пизанского университета, а с 1592 г. - Падуанского. По мнению биографов, преподавательскую работу Галилей за время пребывания в Пизанском университете вынужден был вести общепринятыми тогда методами, т. е. «по Аристотелю». Что касается его научной деятельности, то дело обстояло иначе. В Пизе Галилеем было написано сохранившееся в рукописи сочинение «О движении», в котором, в частности, рассмотрен вопрос о вращении Земли вокруг собственной оси: не называя имени Коперника, которое он тогда, несомненно, знал, Галилей отстаивал его позицию.
В Падуе Галилей прожил около 18 лет (1592-1610). Его преподавательская работа в Падуанском университете по-прежнему строилась на установленных и строго поддерживаемых в то время позициях. Галилей вынужден был, например, рассказывать в лекциях о системе Птолемея и доказывать якобы несостоятельность взглядов Коперника. Именно в Падуанский период жизни Галилея был казнен Джордано Бруно. За эти 18 лет Галилей опубликовал только одну научную статью - описание так называемого пропорционального циркуля5, пользование которым облегчает геометрические построения и решение многих задач.
Тем не менее, как утверждают биографы Галилея, годы, проведенные в Падуе, оказались для него наиболее творческими. За это время у Галилея сложились взгляды по свободному падению тел, движению тел под воздействием начального, «бросающего» толчка и притяжения Земли, небесной механике (Галилей окончательно стал последователем Коперника), прочности материалов - словом, по тем вопросам, по которым в дальнейшем были написаны его главные сочинения.
Большое значение для Галилея имели последние годы его жизни в Падуе. В это время он построил свой первый оптический телескоп, дававший трехкратное увеличение, а затем телескоп с 32-кратным увеличением, провел наблюдения ночного неба. Результаты этих наблюдений (о них сказано ниже) имели огромную ценность.
Авторитет Галилея намного вырос в результате его астрономических исследований. Он принял предложение великого герцога Тосканского, переехал во Флоренцию и занял пост «придворного философа» и «придворного математика», а также первого математика Пизанского университета (должность, не обязывающая читать лекции). Это дало Галилею возможность все свое время отдать научным исследованиям.
В 1615 г. Галилей был вызван инквизицией в Рим для объяснений по поводу его работ, имевших явные прокоперниковский и антиаристотелевский характер. В 1616 г. конгрегация,6в которую входили иезуиты и доминиканцы, приняла решение о запрещении книги Коперника «Об обращениях небесных сфер» и отнесении его учения к числу еретических. Хотя Галилей в этом решении упомянут не был, но оно непосредственно его касалось - он был вынужден отказаться от печатной и публичной поддержки учения Коперника.
Тем не менее Галилей продолжал свои научные исследования. Им были написаны две основные работы: «Диалог о двух системах мира - Птолемеевой и Коперниковой» (коротко «Диалог») и «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящейся к механике и местному движению» (коротко «Беседы»).
Огромна заслуга Галилея в астрономии, в обосновании и утверждении гелиоцентрической системы Коперника. С помощью построенных им телескопов, о которых сказано выше, Галилей открыл, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна, что у самой большой планеты Солнечной системы - Юпитера имеются подобные Луне спутники (Галилей обнаружил 4 самых крупных спутника из 13 известных в настоящее время), что поверхность Луны гористого строения, а сама Луна имеет либрацию, т. е. видимые периодические колебания маятникового характера вокруг центра. Он наблюдал фазы Венеры, которые, впрочем, люди с острым зрением могут заметить невооруженным взглядом, необычный вид планеты Сатурн, создаваемый (как теперь известно) его кольцами, представляющими совокупность твердых тел. Галилей обнаружил огромное количество звезд, невидимых невооруженным глазом, и с помощью более слабых инструментов (зрительных труб) увидел, что кажущийся туманностью Млечный путь состоит из отдельных звезд.
Эти наблюдения, имеющие огромное значение и вызвавшие небывалый интерес, Галилей описал в сочинении «Звездный вестник». Интересно отметить, что с поступившим в Прагу «Звездным вестником» ознакомился Кеплер - один из крупнейших математиков и астрономов 16-17 вв. Кеплер очень высоко оценил наблюдения Галилея; это видно из сочинения Кеплера «Рассуждения о «Звездном вестнике».
Галилей создал теорию параболического движения и определил, что траектория бросаемого тела, т. е. тела, движущегося под действием начального толчка и земного притяжения, является параболой.
Много было сделано Галилеем в области теории прочности и сопротивления материалов. Очень интересны соображения, высказанные Галилеем о механическом подобии и о том, что в случае, когда значительна тяжесть тела, подобие в отношении прочности тел отсутствует.
Вот что пишет Галилей по этому вопросу: «Если мы возьмем деревянное бревно некоторой толщины, вделанное, скажем, в стену под прямым углом так, что оно располагается параллельно горизонту, и предположим, что длина его достигнет крайнего предела, при котором оно может еще держаться, т. е.. что при увеличении длины его еще на волос оно ломается от собственной тяжести, то бревно это явится единственным в своем роде на свете. Если длина его, предположим, превышает его толщину в сто раз, то мы не сможем найти ни одного бревна из того же дерева , которое при длине, превышающей его толщину в сто раз, было бы способной выдержать ровно столько же, сколько взятое для примера: все бревна большего размера сломаются, меньшего же - будут способны помимо собственной тяжести выдержать и еще некоторую нагрузку. То, что сказано мною о способности выдержать свой собственный вес, применимо и к другим сооружениям».7
В этой связи Галилей высказал очень интересные соображения о преимуществах в отношении «прочности» и подвижности малых животных по сравнению с большими и о существовании предела их размеров. Точное решение этих вопросов было найдено только спустя примерно триста лет.