Галилео Галилей

Одним из основоположников современного естествознания по праву считается известный итальянский ученый Галилео Галилей. С 1592 по 1610 г. Галилей занимал должность профессора университета в Падуе. Именно здесь он начал решительную борьбу за признание системы Коперника.

В 1608 году в Голландии была изобретена подзорная труба. Галилей усовершенствовал конструкцию трубы и использовал её для астрономических наблюдений. Он сразу сделал несколько открытий, расходящихся со схемой мира Птолемея и Аристотеля. Поверхность Луны оказалась неровной, испещренной многочисленными кратерами. Млечный Путь оказался состоящим из множества звезд, неразличимых невооруженным глазом. В 1610 году Галилей открыл спутники Юпитера – наглядную модель системы Коперника, демонстрирующую, как планета со своими лунами движется вокруг Солнца.

С 1610 года церковь перешла в новое наступление против учений Коперника и Галилея, которые были объявлены несовместимыми со священным писанием. Категорически возражая против привлечения священного писания к научным спорам, Галилей писал: «... Разумно, полагаю, было бы, если бы никто не дозволял себе прибегать к местам писания ... с целью подтвердить то или иное научное заключение, которое позже вследствие наблюдения и бесспорных аргументов придется, быть может, изменить на противоположное». 5 марта 1616 года книга Коперника была запрещена инквизицией. Галилей уже не мог открыто проповедовать учение Коперника. Но, поскольку формально не запрещалось критиковать Птолемея и Аристотеля, Галилей продолжал разрушительную критику догматической, схоластической науки, одновременно закладывая основы новой науки.

Еще в бытность профессором Пизанского университета Галилей экспериментально опроверг существовавшее со времен Аристотеля представление о том, что скорость падения тела под действием притяжения Земли пропорциональна силе тяжести, т.е. тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. Галилей сбрасывал с Пизанской башни шары одинакового размера, но изготовленные из материалов с различной плотностью: чугунные и деревянные. Шары падали практически одновременно. Этот простой опыт Галилея по существу являлся началом подлинной экспериментальной науки. По свидетельству Вивиани, Галилей повторял и варьировал его многократно.

Итогом экспериментов Галилея явилось фундаментальное открытие независимости ускорения свободного падения от массы тел. Он показал, что зависимость скорости падения от времени одинакова для всех тел, если отвлечься от сопротивления воздуха, что эта скорость пропорциональна времени падения; пройденный же в свободном падении путь пропорционален квадрату времени.

Галилей осознал и ясно указал, что при проведении научного эксперимента для получения достоверных выводов из опыта необходимо устранить второстепенные, побочные факторы, мешающие получить ответ на поставленный вопрос и влияющие на конечный результат.

Открыв законы равноускоренного движения, Галилей тем самым фактически открыл закон независимости действия силы от скорости тела. В самом деле, если сила тяжести, действуя на покоящееся тело, сообщает ему за первую секунду скорость 9,8 м/c , то в следующую секунду, действуя уже на движущееся тело, она изменит его скорость на ту же самую величину и т.д. От этого факта остается сделать один шаг до формулировки вывода о том, что изменение скорости в единицу времени пропорционально приложенной силе. Таким образом, результаты, полученные Галилеем, позднее послужили обоснованием законов динамики, сформулированных Ньютоном.

Галилей не ограничился изложенным и, рассматривая движение тела, брошенного горизонтально, установил независимость времени движения от сообщенной телу при бросании горизонтальной скорости. Кроме свободного падения Галилеем было подробно изучено движение тел по наклонной плоскости, колебание маятников в поле тяготения Земли и т.д. В частности, он отмечал, что маятник, отведенный в сторону, пройдя через положение равновесия, в отсутствие трения поднимается на ту же высоту независимо от формы пути. То есть по существу Галилей открыл потенциальный характер силы тяготения (как известно, силы называются потенциальными, если работа этих сил зависит лишь от начального и конечного положений тела, но не зависит от формы траектории).

В 1632 году во Флоренции вышло из печати сочинение Галилея «Диалог о двух системах мира – птолемеевой и коперниковой». В нем Галилей изложил закон инерции и впервые установил принцип относительности движения. До Галилея общепринятым считалось аристотелевское понятие о насильственном движении, согласно которому тело движется с постоянной скоростью только при наличии неизменного внешнего воздействия. Если это воздействие прекращается, прекращается и движение тела. Реальные эксперименты, при проведении которых невозможно полностью устранить диссипативные силы, казалось бы, подтверждали эту концепцию. Наблюдать в подобных экспериментах непрекращающееся равномерное движение тел по инерции было невозможно. Галилей фактически прибегнул к мысленному эксперименту с постепенным уменьшением силы трения вплоть до полного ее исключения, что и позволило ему сформулировать фундаментальный закон динамики – закон инерции.

«Закон инерции, – отмечали А. Эйнштейн и Л. Инфельд в своей книге «Эволюция физики», – невозможно вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести умозрительно – мышлением, связанным с наблюдением. Этот эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он ведет к глубокому пониманию действительных экспериментов».

Одним из основных аргументов апологетов неподвижности Земли было утверждение, что движение Земли якобы должно отразиться на явлениях, наблюдаемых вблизи ее поверхности: брошенный с башни камень должен упасть не к подножию, а в сторону, противоположную вращению Земли, облака и птицы в небе должны отставать от движущейся Земли и т.д. Галилей, сформулировав закон инерции, как свойство тел сохранять приобретенную при воздействии на них скорость, применил его в конкретных примерах и привлек к обоснованию системы Коперника. Шар, сброшенный с башни, продолжает двигаться вместе с башней и поэтому упадет к её основанию. Птицы и облака продолжают двигаться вместе с Землей, как и вся атмосфера. Поэтому мы и не замечаем движения Земли, и все явления происходят на ней так, как если бы она была неподвижна. Галилей наглядно иллюстрирует это картиной явлений в трюме корабля. Все движения в этом помещении: падение капель из ведра, подвешенного к потолку, в сосуд с узким горлышком, полет мух и бабочек, бросание мяча наблюдателями друг другу протекают совершенно одинаково в случаях, когда корабль покоится относительно берега и когда он равномерно движется. Поэтому ни по одному из этих явлений наблюдатель не может судить, движется корабль или стоит на месте.

В этом высказывании и содержится важнейший физический принцип – принцип относительности Галилея: никакими механическими опытами, проводимыми внутри системы отсчета, невозможно установить, покоится ли система или движется равномерно и прямолинейно.

Далее в «Диалоге» Галилея приводятся астрономические открытия, свидетельствующие в пользу системы Коперника и против Аристотеля: вид Луны в телескоп, солнечные пятна, фазы Венеры, спутники Юпитера.

Издание книги Галилея не осталось незамеченным церковью. В феврале 1633года больного Галилея на носилках доставили в Рим. Процесс Галилея продолжался с 12 апреля по 21 июня 1633 года, когда был вынесен приговор. На следующий день 22 июня состоялось отречение Галилея по тексту, заготовленному инквизицией. Однако отречение Галилея от собственного учения уже не могло уничтожить этого учения, которое стало достоянием общества и послужило основой для создания новой механики.