4.2. Рождение небесной механики: Коперник, Браге, Кеплер

Механика Г.Галилея и начало критики аристотелевской физики

Если началом периода торжества нового, экспериментального подхода в естествознании принято считать гелиоцентрическую концепцию Коперника, учение об электричестве и Земле как о большом магните У. Гильберта (1600 г.) и открытие У.Гарвеем кровообращения (1628 г.), то завершением данного периода - утверждение коперниканской системы благодаря вкладу Г.Галилея. Гелиоцентрической концепции Коперника понадобилось время для своего утверждения. Борьба за ее утверждение для  Бруно закончилась печально, да и одной демонстрации уверенности в ее истинности было мало - необходимы были более серьезные аргументы. Дело в том, что в первоначальном виде гелиоцентрическая концепция Коперника не содержала точного описания орбит планет и убедительных аргументов для объяснения невоспринимаемости органами чувств движения Земли.

Первая задача была решена Тихо Браге и Иоганом Кеплером (см. раздел "Концепции астрономии“), вторая, связанная с созданием динамики, - Галилео Галилеем. Непригодность аристотелевской парадигмы понимал уже Леонардо да Винчи, выступивший против учения о противоположности земного и небесного. Но его работы остались не опубликованными. Д.Бруно сделал выводы философского характера из учения Н. Коперника, а И. Кеплер систему Коперника привел в соответствие с новейшими астрономическими данными. Перед Галилеем встала задача обосновать концепцию Коперника физически. Использование телескопа позволило Галилею выявить несоответствие наблюдаемой картины аристотелевской концепции. Открытие спутников Юпитера позволило ему наглядно продемонстрировать модель коперниковской системы и утвердить преимущество наблюдения над умозрительными построениями.

Однако утверждения преимущества метода наблюдения над умозрительными аргументами для утверждения системы Коперника было недостаточно. Важно было объяснить, почему вращение Земли не сопровождается ураганным ветром, направленным в противоположную движению Земли сторону, а также, почему подброшенные вверх тела не остаются позади. Для ответа на эти вопросы требовалось изучение свободного движения тел. Данная проблема имела важное и практическое движение, поскольку была связана с движением ядер при стрельбе из пушек и вообще движением метательных снарядов. Существовавшим теориям, объяснявшим это движение, недоставало математического обоснования. В "Диалогах о двух новых науках" Галилей дал математическое описание движения тел (работа была опубликована уже после осуждения Галилея за его "Диалог о двух главнейших системах мира"). Галилей, отбросил предшествующие воззрения на объяснение движения тел, обратился к эксперименту как методу исследования. Для проведения измерений падения тел он использовал маятник и наклонную плоскость, а также сбрасывание тел с Пизанской башни.

Аристотелевская физика признавала естественные и насильственные движения. Поскольку движение нашей планеты относилось к естественному виду движения, то выявилось противоречие между аристотелевским пониманием естественного движения как вызываемому стремлением тела занять свое "естественное место", с одной стороны, и движением планеты вокруг Солнца по замкнутым траекториям. Поэтому, прежде всего, было необходимо исследовать природу "естественного движения", т.е. падения тел. Эта проблема исследовалась физиками и до Галилея, но никто из них не мог установить величину скорости падения тел в единицу времени. Галилей понял, что установить это можно лишь в эксперименте. Но необходимо было найти способ уменьшить скорость движения падающего тела без искажения условий свободного падения. Галилей использовал в этих целях движение по наклонной плоскости. Проведение многократных экспериментов с движением тел по наклонной плоскости, а также с помощью маятника позволило Галилею сформулировать закон: законы свободного падения и движения тел по наклонной плоскости и показать ошибочность представлений Аристотеля о естественном и насильственном падении. Аристотель утверждал, что движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие. Галилей установил, что если на тело не действуют никакие силы, то оно покоится или движется равномерно и прямолинейно. Таким образом, Галилей показал ошибочность представлений Аристотеля о естественном и насильственном движении.

Рассматривая движение тела по наклонной плоскости, Галилей делает важный шаг в выработке представлений об инерции - одной из важнейших идей механики. Хотя ему и не удалось дать полную и точную формулировку закона инерции, он выявил способность тел сохранять свою скорость. Использование закона инерции в своих экспериментах позволило Галилею сформулировать идею относительности движения и обосновать систему Коперника. Если бросить с башни шар, то он вследствие силы инерции будет двигаться вместе с башней и упадет у ее подножия. При движении Земли нет вихря, т.к. атмосфера движется вместе с Землей. Отсюда следовало, что в механическом эксперименте нельзя выявить, движется система равномерно и прямолинейно или покоится - движения в той и другой системах осуществляются одинаково. Для обоснования динамики важнейшее значение имело установление независимости ускорения свободного падения от массы тела (Аристотель, как известно, считал, что скорость падения тела пропорциональна его массе). Если пренебречь сопротивлением воздуха, то, как выявил Галилей, скорость падения всех тел одинакова и пропорциональна времени падения, а пройденный в свободном падении телом путь пропорционален квадрату времени. Кроме законов равноускоренного движения Галилей открыл и закон независимости скорости падения от сообщенной телу при бросании горизонтальной скорости. Сила тяжести, действуя на находящееся в состоянии покоя тело, в первую секунду падения тела придает ему скорость в 9, 8 м/с, в следующую секунду увеличит скорость на ту же величину - скорость падения пропорциональна времени падения.

Математическое описание экспериментов, осуществленное Галилеем, имело для развития естествознания весьма важное значение. Соединение эксперимента и точного математического анализа дало возможность решить задачу свободного падения тел, показав, что в воздушном пространстве тела в падении двигались бы по параболической траектории. Этим был задан определенный образец метода физики, который во многом предопределил в последующем развитие физики. Галилей заложил основы современной механики. Им была четко выражена мысль, что единственными свойствами действительности, которые можно описать математически, являются протяженность, положение и плотность. Эта мысль по сути своей была программой сведения экспериментальных исследований к таким первичным качествам, как размер, форма, количество и движение.

Для того, чтобы экспериментально-математический метод приобрел всеобщее призвание, Галилею необходимо было сокрушить учение Птолемея о системе небесных сфер и аристотелевскую физическую парадигму, господствовавшую почти два тысячелетия в качестве основы естествознания и обществознания. Именно эту задачу и преследовал его "Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой“. Именно это и вызывало его конфликт с церковью, поскольку новые идеи угрожали устоям церковного учения и общественного порядка. В основе конфликта лежало противоречие науки и догм религии. Осуждение Галилея и его вынужденное согласие отказаться от своего учения привлекло внимание естествоиспытателей к осознанию сути конфликта и способствовало становлению новой экспериментальной науки и распространению коперниканского учения. Спустя всего менее полувека Ньютон в своей теории всемирного тяготения объединит законы, установленные Кеплером и Галилеем.