ГАЛИЛЕЙ ГАЛИЛЕО (1564-1642)

ГАЛИЛЕЙ ГАЛИЛЕО (1564-1642)

ГАЛИЛЕЙ ГАЛИЛЕО (1564-1642)

ВВЕДЕНИЕ.

По картинам, фотографиям и иллюстрациям всем хорошо знакома стройная ажурная колокольня в итальянском городе Пиза. Башня эта заметно отклоняется от вертикали и получила поэтому название «падающей» или «наклонной». Согласно легенде, именно с этой башни бросал Галилей шары, ставя один из первых опытов в истории науки. Поэтому Пизанская башня стала своеобразным символом рождения современной науки.

В Пизе Галилео Галилей родился и выполнил первые научные исследования. Здесь он стал профессором математики, хотя занимался он не только математикой, но и оптикой, астрономией, механикой.

За свою жизнь Галилей совершил целый ряд великих открытий. Кроме открытий законов природы, Галилей открыл основу основ науки — научный метод познания. Он упорно ставил опыты, пока не добивался правильного решения проблемы; он был выдающимся мыслителем и учителем и обладал блестящим полемическим талантом, так что мог выбить почву из-под ног философов, придерживающихся старых традиций. К сожалению, далеко не всегда ему это прощали.

Галилей изобрел «мысленный» эксперимент, то есть воображаемый эксперимент, который используется для проверки логической непротиворечивости той или иной гипотезы. В мысленных экспериментах Галилей опирался на сложившиеся представления о природе явлений, а затем предсказывал новые явления или соотношения между наблюдаемыми величинами. Поэтому Галилея можно считать не только отцом экспериментальной физики, но и первым настоящим физиком-теоретиком.

Ученый собрал и систематизировал факты и идеи, которые через много лет помогли Исааку Ньютону (родившемуся через год после смерти Галилея) вывести законы движения. Ученый так страстно призывал к правдивым экспериментам и к их разумному объяснению, что вдохнул в физику новую жизнь. Он говорил, что « … в науках тысячи авторитетов не стоят одного скромного и верного утверждения».

Огромным вкладом Галилея в новую науку является применение математики при обработке результатов экспериментов. Галилей применял математические методы к величинам, которые можно было непосредственно измерить.

ПИЗА.

Галилей родился в 1564 г. в Пизе, вблизи Флоренции. Он был сыном итальянского дворянина – философа и музыканта. Молодой Галилей мечтал стать художником, но отец послал его в университет изучать медицину, которая в то время считалась весьма уважаемой профессией и хорошо оплачивалась. В университете юноша увлекся геометрией и, несмотря на возражения отца, с увлечением читал сочинения Евклида и Архимеда, а вскоре заинтересовался исследованием свойств центра тяжести.

Когда Галилею минуло двадцать пять лет, герцог из правящей семьи Медичи назначил его на должность преподавателя математики. Оплата была очень небольшой. Но Галилей начал с увлечением заниматься механикой движущихся тел, читал старинные книги и разумные, по его мнению, идеи проверял с помощью эксперимента. Особенно ему доставляло удовольствие доказывать ошибочность той или иной точки зрения последователям учения Аристотеля. Его непримиримая война с последователями Аристотеля, а также успешные атаки, вызывающие раздражение, видимо, и привели к тому, что до конца дней Галилея преследовали со злобой, какую редко возбуждает простое различие во мнениях.

ПАДУЯ.

Рассуждения Галилея о падении тел и ускоренном движении опрокинули существовавшие до того взгляды и также были встречены враждебно. Росло число восторженных поклонников, но одновременно росло и число врагов. Их злоба и зависть создали невыносимую обстановку, и Галилей принял приглашение занять должность профессора в университете города Падуя, в соседней республике Венеция. Философы в Падуе были более подготовлены для восприятия взглядов Галилея. Они открыто говорили, что свободное падение тел должно происходить под действием некой силы и не пытались найти «первопричину». Галилей увлеченно читал лекции, писал сочинения о движении, механике, астрономии. Но так как его заработок оставался все же довольно скудным, он был вынужден сдавать комнаты студентам и организовал мастерскую для изготовления на продажу различных приборов (например, он изобрел «военный компас» – соединение транспортира со скользящей линейкой, получал на него заказы из многих стран Европы и рассылал приборы в качестве подарков влиятельным лицам, чтобы показать свою полезность «военному искусству»).

Никто не мог превзойти Галилея в научных дискуссиях: он начинал с изложения точки зрения своих противников, причем более ясного, чем они могли сделать это сами, а затем разносил ее в пух и прах – и делал это виртуозно. В Падуе он пробыл двадцать лет и сделал очень много в области механики. Много раз выступал он также с доказательствами правильности астрономии Коперника. Чтобы учиться у Галилея, в Падую приезжали многие высокопоставленные лица. На лекции о внезапно появившейся новой звезде собирались толпы народа, и Галилей читал их под открытым небом. В своей книге «Диалог о двух главнейших системах мира птолемеевой и коперниковой» он писал, что среди приверженцев мнения Коперника нет никого, кто ранее не знал бы доводов Аристотеля и Птолемея. И что тот, кто оставляет мнение, впитанное с молоком матери и разделяемое множеством людей, чтобы перейти к другому, отвергаемому всеми школами и разделяемому немногими, тот необходимо побуждается к этому достаточно сильными доводами.

Галилей прожил в Падуе двадцать лет. Его официальные обязанности в Падуе занимали всего лишь один час в неделю, но он был вынужден давать частные уроки, так как, несмотря на то что преклонявшийся перед ним университет несколько раз увеличивал его жалование, оно все еще оставалось слишком скудным. Он устал от квартирующих у него студентов; ему надоели длинные мантии, которые он высмеивал в сатирических поэмах… от душной и мелочной атмосферы Падуи… Он хотел жить на родине, дышать родным воздухом, жить свободно, среди друзей, выбранных им самим. Ему было необходимо свободное время для исследований и изложения своих идей, нужна была поддержка влиятельных лиц.

Его стали уговаривать вернуться на родину, в Пизу, в университет. Он никогда не терял связи с семейством Медичи и теперь вел переговоры с герцогом о переходе на работу во Флоренцию: она оплачивалась бы выше, чем в Падуе, и оставляла бы больше свободного времени. Галилей обещал герцогу, что, получая большее жалование, он напишет ряд книг: «… две книги о системе Вселенной, обширное сочинение, включающее Философию, Астрономию и Геометрию; затем три книги о движении, три книги о статике, две о демонстрации принципов, одну о проблемах, а также книги о звуке и речи, о свете и цвете, о приливах и отливах, о составлении непрерывных величин, о движении животных и о военном искусстве». Заметим здесь, что «составление непрерывных величин» звучит как намек на подход к дифференциальному исчислению. Галилею действительно были необходимы методы дифференциального исчисления при решении математических задач, и он пытался их разработать. Но сделать это смогли только Ньютон и Лейбниц через много десятилетий.

Приведенное перечисление дает некоторое представление о широте интересов Галилея и той широте и страстности, с которой он занимался научными исследованиями.

Исследования маятника

В Пизе и Падуе Галилей собрал и привел в систему свои познания и идеи в области механики, которые позже изложил в трактате «Две новые науки». Одним из первых его открытий было открытие замечательного свойства маятников: период колебания маятника (при малых амплитудах) не зависит от амплитуды.

Существует легенда, что Галилей открыл это свойство маятников будучи еще студентом в Пизе при наблюдении затухающих колебаний люстр в соборе. Галилей не имел точных часов (позже именно он-то и открыл принцип действия точных часов), поэтому он пользовался для отсчета времени собственным пульсом. Сравнение Галилеем частоты колебаний маятника с частотой биения собственного сердца для многих поколений ученых послужило образцом блеска и остроумия физической мысли! Об этом своем открытии Галилей писал в «Диалоге»: «… Тысячи раз я наблюдал колебания, чаще всего в церквах, где люстры, подвешенные на длинных шнурах, случайно приходили в движение».

Как видим, наблюдательность Галилея не подводила его даже во время богослужения в соборе.

Постоянство периода малых колебаний светильников и маятников одинаковой длины было экспериментально подтверждено Галилеем, и на основании этого замечательного свойства колеблющихся тел Христиан Гюйгенс в 1657 г. создал первые маятниковые часы с регулярным ходом.

Что касается простоты и точности опыта, то лишь триста с лишним лет спустя, в середине ХХ века, другой великий итальянец – Энрико Ферми поставит эксперимент, сравнимый по простоте и точности с опытом Галилея. Он определит силу взрыва первой опытной атомной бомбы по расстоянию, на которое взрывная волна отнесет с его ладони лепестки бумаги.

СВОБОДНОЕ ПАДЕНИЕ ТЕЛ.

Еще в начале своей деятельности Галилей исследовал движение падающих тел и пришел к выводу, что тела, имеющие разные массы, падают с одинаковой скоростью, если не считать малых отклонений, которые он объяснял сопротивлением воздуха. Он решил поставить эксперимент с телами разного веса, но примерно одинаковой обтекаемой формы, чтобы воздух не вносил своих «поправок» в изучаемое явление. И Галилей сбрасывает с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро массой 80 кг и значительно более легкую пулю от мушкета массой всего 200 граммов. Оба тела достигают земли практически одновременно.

ДВИЖЕНИЕ ПО НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ.

Галилей хотел изучить движение тел, когда они двигаются не столь быстро. Он смастерил из длинных деревянных брусков прямоугольный желоб с хорошо отполированными стенками, поставил его наклонно и пускал вниз по нему (без толчка) тяжелые шары. (Галилей также описывал, что желоб был оклеен пергаментом). Время, в течение которого шар проходил отрезок пути, измерялось с помощью простых водяных часов – по весу воды, вытекающей через узкое отверстие (тонкую трубку) из сосуда (большой бочки). Такие «научные» приборы позволили установить важную закономерность: пройденное шаром расстояние пропорционально квадрату времени. Это подтвердило созревшую мысль о возможности движения тела с постоянным ускорением.

С помощью экстраполяции, переходя от малого наклона к все большему и, наконец, к падению по вертикали, Галилей доказал, что свободно падающие тела имеют постоянное ускорение; так он открыл закон падения тел.

На произвольной наклонной плоскости сила, вызывающая ускорение, должна быть одинакова на всем пути. Таким образом, Галилей уже получил часть второго закона Ньютона: постоянная сила вызывает постоянное ускорение.

«С ГОРКИ НА ГОРКУ».

Рассматривая холмы с различными склонами, Галилей почти вплотную подошел к главному соотношению второго закона Ньютона: ускорение пропорционально силе; но это соотношение он выражал в геометрической форме, что не позволяло выявить роль силы. Галилей разработал экспериментальные методы науки о движении, которыми можно было пользоваться при решении самых разнообразных задач: о полете снарядов, движении маятников, планет, а позднее о движении различных механизмов и даже составных частей атомов.

Проделав один из своих «мысленных экспериментов», Галилей рассмотрел качение шара по плоскостям с различными наклонами (правило «с горки на горку») и обобщил вывод для холмов, имеющих неровные склоны. При этом он получил ряд геометрических следствий для движения тел по наклонной плоскости.

Правило «с горки на горку» указывает еще на одно обстоятельство: Галилей рассмотрел предельный случай, когда второй холм горизонтален, т. е. склон отсутствует. Тогда шар, скатившись с первого холма, должен продолжать свое движение по горизонтали бесконечно долго. Таким образом, Галилей открыл сущность первого закона движения Ньютона: если на тело не действует сила, то оно продолжает двигаться с постоянной скоростью (по прямой). Хотя Галилей этого и не знал, в его руках был ключ к решению одной из загадок, связанных с движением планет.

Что подталкивает их вдоль направления движения по орбитам?

На этот вопрос теперь можно было бы ответить так: сила не нужна, так как движение этих небесных тел продолжается само по себе.

В своих экспериментах Галилей настаивал на том, что движения (и силы) не зависят друг от друга. Например, ускоренное движение по вертикали и постоянное движение по горизонтали просто складываются как векторы, одно движение не влияет на другое, каждое происходит независимо. Он применил это правило к полету снарядов и показал, что их траектории являются параболами.

Галилей неоднократно говорил об этой независимости векторов в своих «Диалогах», возражая критикам теории Коперника.

Чтобы выяснить, как ведут себя предметы, падающие с мачты корабля, плывущего с постоянной скоростью, Галилей проводил «мысленный эксперимент» в каюте корабля. Он утверждал, что мы не замечаем движения Земли потому, что воздух и облака просто продолжают двигаться вместе с поверхностью Земли. Также он предлагал читателям задачи, связанные с тяготением и полетом снарядов, и демонстрировал, что равномерное движение лаборатории не влияет на эксперименты, связанные со статикой, свободным падением тел, полетом снарядов. Это равномерное движение лаборатории невозможно обнаружить никакими механическими опытами, проводимыми внутри нее. В этом и заключается принцип относительности Галилея.

ТЕЛЕСКОП И АСТРОНОМИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ.

Готовясь к переезду из Падуи в Пизу и Флоренцию, Галилей случайно услышал об изобретении телескопа. Пронесся слух, что какой-то голландец, занимаясь изготовлением очков, получил такую комбинацию двух линз, которая позволяла увеличивать и как бы приближать отдаленные предметы. Узнав об этом, Галилей разместил в зрительной трубе две линзы и получил простой телескоп всего с трехкратным увеличением. Первая линза была слабовыпуклой, а окуляром служила вогнутая линза.

Этот прибор, вероятно, отличался от изобретения голландца, так что можно считать, что именно Галилей изобрел театральный бинокль, который иногда называют телескопом Галилея.

Слава о приборе широко распространилась, и толпы народа стремились посмотреть в телескоп. По просьбе Венецианского сената Галилей подарил ему экземпляр, что увеличило жалование ученого сразу в два раза!

Галилей наблюдал в телескоп Луну, планеты и звезды, по его словам, с «невероятным восхищением». На Луне он увидел горы и кратеры и даже примерно оценил высоту лунных гор по отбрасываемым ими теням. Эти наблюдения были встречены враждебно, так как горы и кратеры придавали Луне сходство с Землей, а это противоречило учению Аристотеля, который говорил, что в небесах все вечно и совершенно.

Галилей обнаружил, что его открытие опровергает привычные истины, а поэтому многих просто злит.

Хорошие линзы было трудно достать, поэтому ученый сам шлифовал и полировал их в своей мастерской, и так как он делал это качественнее других, его телескопы оказывались совершеннее. Один из телескопов, собственноручно построенных Галилеем, и сегодня хранится во Флоренции. Галилей построил затем второй телескоп с восьмикратным увеличением, а затем и третий – с тридцатикратным. В последний он вложил особенно много усилий, но зато именно с помощью этого телескопа Галилей открыл, что Млечный путь — это не дымка, а мириады звезд.

С помощью нового телескопа Галилей сделал важное открытие. Ночью 7 января 1610 г. он наблюдал три небольшие звезды, расположенные вблизи Юпитера, на одной прямой – две к востоку от него и одна к западу. Сначала он принял их за неподвижные звезды, однако на следующую ночь заметил, что они переместились ближе друг к другу и теперь все находятся к западу от планеты. 10 января были видны лишь две звезды к востоку от Юпитера. Сомневаясь в том, что Юпитер за два дня мог передвинуться на значительные расстояния, Галилей предположил, что двигаются «звезды», и стал наблюдать за ними. Так он открыл четыре маленьких спутника Юпитера.

Кеплер, получив письмо Галилея и узнав об этом открытии, порадовался вместе с ним, хотя наличие спутников Юпитера и противоречило представлениям Кеплера о существовании всего шести планет в Солнечной системе. Последователи Аристотеля не одобрили открытия, так как наличие «лун» у Юпитера умаляло исключительную роль Земли и подтверждало теорию Коперника.

Галилей писал Кеплеру: «О, мой дорогой Кеплер, как мне хочется от души посмеяться вместе с вами! …Почему вас нет здесь? Как бы мы похохотали с вами над…глупостью…(когда) профессор философии в Пизе пытается перед великим герцогом как бы с помощью магических заклинаний изгнать новые планеты с неба!» Кеплер воспользовался измерениями Галилея для проверки применимости своего «третьего закона Кеплера» к спутникам Юпитера.

Когда Галилей согласился переехать во Флоренцию, ему пришлось отказаться от должности профессора в Падуе, что было расценено как неблагодарный и даже нечестный поступок, и Галилей потерял некоторых своих друзей. Решение о переезде в общем оказалось скорее неудачным, так как это было возвращение не только к друзьям, но и к врагам.

Во Флоренции Галилей продолжил изучение планет. Он обнаружил, что у Сатурна сбоку имеются какие-то выступы, как бы еще две планеты. Теперь известно, что это плоское кольцо из частиц, окружающее планету, однако в телескоп Галилея оно было неразличимо. Затем Галилей обнаружил у Венеры фазы, подобные фазам Луны. Этот факт явился уже прямым подтверждением теории Коперника: ведь Венера могла быть видна с Земли как серп только в том случае, если она находится между Землей и Солнцем! Галилей обнаружил также пятна на Солнце. Он совершил поездку в Рим, где был встречен с энтузиазмом, и церковь, восхитившись телескопом, на этот раз одобрила открытия Галилея.

В Пизе Галилей собирался написать большой трактат о строении Вселенной, однако в это время усилилось недовольство церкви распространением теории Коперника. На Галилея стали нападать в проповедях, его доводы секретно отсылались инквизиции в Рим. Ученики и друзья, включая самого герцога, предостерегали ученого и благородно встали на его защиту, но он сам навлек на себя серьезные неприятности, начав в письмах обсуждать отношения священного писания и науки. Церковные астрономы перестали поддерживать Галилея. Они назвали еретическими и ошибочными утверждения Галилея о том, что Солнце не движется, а Земля не только движется вокруг Солнца, но еще и вращается вокруг своей оси. На книгу Коперника был наложен запрет.

Избранный затем новый папа, который относился к науке более дружелюбно и был даже другом Галилея, дал ему аудиенцию, оказал почести, вручил богатые подарки, однако запрета на систему Коперника не снял и посоветовал Галилею не ограничивать мудрость Господа научной схемой: Господь может создать любую схему по своему желанию. Однако папа позволил все же Галилею написать книгу, приводящую доказательства как в пользу теории Коперника, так и в пользу теории Птолемея. Она должна была содержать лишь теоретическую дискуссию, предоставляющую высшей мудрости церкви решать, что есть истина.

ВЕЛИКИЙ ДИАЛОГ.

Галилей был доверчив и решил, что получил разрешение написать книгу о строении Вселенной. В те времена было принято излагать мысли в форме диалога. Книга имела по обычаям того времени длиннейшее название: Диалог Галилео Галилея, члена Академии деи Линчеи профессора математики университета в Пизе и философа и главного математика его светлости Великого Герцога Тосканского, где он обсуждает в течение четырех дней две Главные Системы Мира Птолемея и Коперника.

Диалог ведется между Сальвиати, философом, который излагает точку зрения Коперника с помощью доводов Галилея, Сагредо, который оживляет диалог своим остроумием, не придерживаясь предвзято той или иной точки зрения, и Симпличио (в переводе с итальянского «Простак»), последователем Аристотеля и Птолемея. Сальвиати каждый раз побеждает Симпличио своими доводами. Диалог был написан по-итальянски – для широкого круга читателей и содержал подробные рассуждения и остроумные доводы.

По существу, это было выдающееся объяснение природы движения, земного и небесного, с исчерпывающими доказательствами правильности схемы Коперника.

В книге много интересных идей и доказательств, однако в ней содержались и ошибки: ведь наука, у истоков которой стоял Галилей, только начиналась — все главные открытия были еще впереди (их совершил, в основном, Исаак Ньютон). Так, он считал, что вертикальное падение «внутренне» присуще земным телам, а круговое движение – небесным телам (тут Галилей следовал Аристотелю). Кроме того, Галилей не признавал эллиптические орбиты своего большого друга — Кеплера, а приливы и отливы приписывал «дыханию Земли».

Книга Галилея была популярной и убедительной в отличие от изложенной трудным языком книги Коперника. Один из историков науки назвал книгу Галилея «зарядом динамита, подложенным мастером своего дела».

«А ВСЕ-ТАКИ ОНА ВЕРТИТСЯ!».

Как только слухи о содержании книги дошли до Рима, папа приказал инквизиции запретить ее и вновь подвергнуть проверке взгляды Галилея. По некоторым сведениям, отношение папы Римского к Галилею ухудшилось из-за наветов, что простак Симличио в книге Галилея подозрительно напоминает самого папу.

Слабый и больной Галилей был вызван в Рим. Там, правда, с ним обошлись как с выдающимся ученым и предоставили даже удобное жилище. Но за спиной Галилея готовился подлог: документ, в котором Галилей якобы обещал никогда не распространять и вообще не обсуждать систему Коперника. Вследствие этого подлога обвинение Галилею выдвигалось очень серьезное: распространение еретического учения вопреки данной им клятве церкви. Не отрекшемуся от ереси и не раскаявшемуся еретику угрожали пытками. Галилей находился в большой опасности. И хотя за стенами инквизиции с ним обращались хорошо, да и в суде предлагали привести доводы в защиту своих убеждений, однако суд имел право применить физические пытки. Здоровье Галилея ухудшалось.

Один из ведущих допрос, настроенный к ученому дружелюбно, посоветовал ему сознаться в том, что он написал свой труд, движимый ложной гордыней: в случае такого раскаяния его оставили бы в покое. Потеряв надежду доказать церкви свою правоту, Галилей, наконец, согласился. Но верховный суд церкви не был удовлетворен столь мягкой формой признания и продолжал настаивать на полном отказе от прежних убеждений. Галилей был вызван на «строгое следствие». Из судилища он вышел только через три дня. Неизвестно, насколько далеко зашла инквизиция в своем давлении на него. Физическим пыткам его не подвергали – он был слишком стар, однако ему пришлось пройти все ужасы моральных пыток. В ходе допроса Галилей согласился полностью отречься от своих убеждений, взять назад свои еретические утверждения и признать неправильными прежние взгляды. Стоя на коленях, Галилей подписал отречение.

До сих пор существует легенда, будто Галилей, поднявшись тогда с колен, пробормотал: «А все-таки она (Земля) вращается!». Было ли это действительно так? Ведь поблизости не было друга, который мог бы услышать эти слова, чтобы донести их до других. По словам одного из крупнейших ученых 20-го века, эти слова за Галилея произнес весь мир.

Некоторое время Галилей находился в заключении, затем заключение заменили домашним арестом. Однако мысль, по его словам, была еще «слишком живой для столь немощного тела». Он написал большую книгу «Две новые науки». Она содержала описание его исследований равноускоренного движения (которые легли затем в основу законов Ньютона), а также его подход к исчислению бесконечно малых.

Работая над этой книгой, Галилей ослеп на один глаз, а вскоре и совсем лишился зрения. Однако с помощью друзей, несмотря на болезнь, он продолжал писать. Но здоровье все ухудшалось, и в возрасте 78 лет он умер.

Один из ученых 18-го века сказал слова, которые очень точно отражают смысл жизни Галилея:

«Если бы Бог держал в своей правой руке всю истину, а в левой – только вечное стремление ее отыскать, с условием, что при этом всегда будут неизбежные ошибки, и сказал бы мне: «Выбирай!», я смиренно указал бы на левую руку и сказал бы: «Создатель! Отдай мне то, что находится в этой руке; абсолютная истина существует лишь для одного Тебя».



Рассказы об ученых по физике.