Галилео ГАЛИЛЕЙ (Galileo Galilei, 1564–1642) — итальянский ученый, основоположник современной экспериментальной науки. Родился в Пизе. Его отец Винченцо Галилей был известным музыкантом и со временем переехал вместе с семьей во Флоренцию. Образование Галилео начал получать в Пизанском университете, где он числился на медицинском факультете, хотя большую часть времени уделял изучению математики. В 1589 г. Галилей стал заведующим кафедрой математики этого университета.
После смерти отца, в 1592 г. Галилей переехал в Падую и занял должность профессора математики в местном университете (причина переезда, судя по всему, была прозаичной: в Падуе платили больше). Здесь и определились три главные темы исследований, которые потом занимали ученого на протяжении жизни. Во-первых, Галилей начал исследование тел в состоянии свободного падения — работу, которая со временем привела к настоящему перевороту в механике. Во-вторых, он заинтересовался новыми астрономическими идеями Николая Коперника. Наконец, он изобрел инструмент под названием «пропорциональный компас», продажами которого в основном и обеспечивал себя материально (как и большинство изобретений Галилея, пропорциональный компас широко используется и в наши дни).
Одним из главных достижений Галилея в механике стало выведение им уравнения равноускоренного движения и, в частности, уравнения свободного падения. Движение физических тел изучалось с незапамятных времен, и основы кинематики были заложены задолго до рождения Галилея. Пока тело движется с постоянной скоростью, рассчитать пройденное им расстояние труда не составляет — достаточно умножить скорость на время движения. Сложности возникают, как только объект начинает двигаться с переменной скоростью. Эта проблема — описание движения с ускорением долгое время представлялась неразрешимой задачей. Галилей подошел к ней новаторски и фактически задал направление всего дальнейшего развития современной методологии естествознания. Вместо того чтобы сидеть и умозрительно решать вопрос о движении ускоряющихся тел, он придумал гениальные по своей простоте опыты, позволяющие экспериментально проследить, что в действительности происходит с ускоряющимися телами. (Может показаться, что ничего особенно новаторского в таком подходе нет, однако до Галилея основным методом решения проблем «натурфилософии» — о чем говорит само название тогдашней естественной науки — было умозрительное осмысление происходящего, а не его экспериментальная проверка; сама идея проведения физических экспериментов была в то время по-настоящему радикальной).
Сегодня измерить динамику падения предмета не сложно — можно с большой точностью зафиксировать время от начала падения до любой промежуточной точки. Однако во времена Галилея точных секундомеров не было, да и любые механические часы по современным стандартам были весьма примитивны и неточны. Поэтому ученый первым делом разработал экспериментальный аппарат, позволяющий обойти эту проблему. Во-первых, он «разбавил» силу тяжести, замедлив время падения до разумных с точки зрения имеющихся инструментов измерения пределов, а именно — заставил тела скатываться по наклонной плоскости, а не просто падать отвесно. Затем он придумал, как обойти неточность современных ему механических часов, натянув на пути скатывающегося по наклонной поверхности шара ряд струн, чтобы он задевал их по дороге и можно было хронометрировать его движение по извлекаемым звукам. Раз за разом спуская шар по наклонной под рядом струн, Галилей перемещал струны, пока не добился, чтобы шар на всем своем пути, задевая натянутые струны, извлекал звуки через равные промежутки времени. В конце концов Галилею удалось накопить достаточный объем экспериментальной информации о равноускоренном движении. Его опыты показали, что тело, отпущенное из состояния покоя, проходит за время t по направлению к поверхности Земли расстояние d, равное: d = 0,5gt2; и движется со скоростью v = gt, где g — ускорение свободного падения.
Экстраполировав результаты, полученные им при наблюдении скатывающихся по наклонной плоскости предметов, Галилей сумел определить ускорение свободного падения тела на поверхность Земли. Оно равняется (приблизительно): g = 9,8 м/с; (метра в секунду за секунду). То есть, если уронить предмет из состояния покоя, за каждую секунду падения его скорость будет возрастать на 9,8 метра в секунду. На исходе первой секунды падения тело будет двигаться со скоростью 9,8 м/с, на исходе второй — со скоростью 2 x 9,8 = 18,6 м/с и так далее. Величина g определяет коэффициент ускорения падения тела, находящегося в непосредственной близости от земной поверхности, в связи с чем g принято называть гравитационным ускорением. Здесь следует сделать два важных замечания относительно полученных Галилеем результатов. Во-первых, ученый получил чисто экспериментальное значение величины g, ни на каких теоретических прогнозах не основывающееся. Второй важнейший момент состоит в том, что ускорение свободного падения не зависит от массы падающего тела. По сути, сила притяжения пропорциональна массе тела, но это полностью компенсируется большей инерцией, присущей более массивному телу (его нежеланию двигаться, если хотите), а посему (если не учитывать сопротивление воздуха) все тела падают с одинаковым ускорением. Это практическое заключение вступало в полное противоречие с умозрительными предсказаниями древних и средневековых натурфилософов, которые были уверены, что всякой вещи свойственно стремиться к центру мироздания (коим им, естественно, представлялся центр Земли) и что чем массивнее предмет, тем с большей скоростью он к этому центру устремляется.
Решив проблему свободного падения, Галилей перешел к решению следующего элемента головоломки, а именно к проблеме пущенного снаряда. Здесь у него и возникла идея распределенного движения. По сути, он осознал, что движение снаряда можно разделить на два независимых компонента. По вертикали снаряд летит сначала вверх, а затем вниз, как если бы его просто подбросили строго вверх. По горизонтали же снаряд просто движется с постоянной скоростью, которая ему была придана в начале траектории, поскольку в этом направлении никакие силы на него не воздействуют (за исключением силы сопротивления воздуха, конечно, которой на начальном этапе можно пренебречь). Проще говоря, движение свободно летящего тела по вертикали и по горизонтали никак не связаны одно с другим. Тем самым сложная задача расчета траектории полета снаряда сводится к двум простым (и не зависящим друг от друга) задачам, каждая из которых по отдельности легко решается. (Возьмем в качестве иллюстрации простой пример. Для полной простоты представим, что ядро из пушки, стоящей над, обрывом, вылетело строго горизонтально. Через секунду ядро будет ниже жерла пушки на 4,9 м, через две секунды — на 19,6 м и т. д. При этом, пока ядро не достигнет поверхности земли, по горизонтали оно будет двигаться с той же скоростью, с какой вылетело из ствола. Если, например, начальная скорость ядра по горизонтали равнялась 100 м/с, то через секунду ядро окажется на удалении 100 м от пушки по горизонтали и на 4,9 м ниже жерла ее ствола. Немногим сложнее и техника расчета траектории полета снаряда, пущенного с горизонтальной поверхности под углом к горизонту. По вертикали ядро будет двигаться так, будто его подбросили строго вверх. Оно будет набирать высоту, но все медленнее из-за земного притяжения, пока не достигнет верхней точки траектории, где на какое-то мгновение его вертикальная скорость станет равной нулю. Затем снаряд устремится к земле в точности так же, как если бы его просто отпустили с достигнутой им максимальной высоты). И вот при помощи такого анализа Галилей пришел к выводу, что пущенное под углом к земле тело движется по кривой, которая называется парабола. (Одно из следствий распределенного характера движения может показаться несколько парадоксальным и противоречащим нашим интуитивным представлениям, поэтому остановимся на нем особо. Если в нашем примере одновременно выстрелить из пушки над обрывом по горизонтали и бросить второе ядро из состояния покоя отвесно вниз, согласно принципу распределения движения оба ядра упадут на поверхность земли одновременно, поскольку характер их движения по вертикали не отличается, и это несмотря на то, что одно ядро пролетит за это время гораздо большее расстояние, чем другое).
Отталкиваясь от теории внешней силы, созданной критиковавшими Аристотеля схоластиками Буриданом и Оремом, Галилей пришел к идее инерции, которой суждено было сыграть в дальнейшем важную роль. В отличие от Аристотеля, полагавшего, будто все тела стремятся достичь места, отведенного им природой, и будто всякое иное движение прекращается, если отсутствует некий постоянно возобновляемый внешний импульс,— Галилей утверждал, что подобно тому, как покоящееся тело стремится по-прежнему пребывать в покое, если при этом отсутствует внешний импульс, точно так же и движущееся тело стремится пребывать в постоянном движении, если только какая-нибудь внешняя причина не остановит его или не отклонит от пути. Сила требовалась только для того, чтобы объяснить перемену в движении, но никак не само постоянное движение. Таким образом, он отразил одно из главнейших возражений, выдвигавшихся последователями Аристотеля против теории планетарной Земли: они утверждали, что предметы, находящиеся на поверхности Земли, в случае ее движения неизбежно оказались бы сброшены с нее и что любой метательный снаряд, запускаемый вверх под прямым углом, обязательно приземлялся бы на некотором расстоянии от исходной точки броска. Поскольку не наблюдалось ни того, ни другого, они заключали, что Земля должна быть неподвижной. Однако Галилей, вооружившись понятием инерции, доказывал, что пребывающая в движении Земля автоматически передает свое собственное движение всем находящимся на ней предметам или же метательным снарядам и, следовательно, общее инерционное движение остается незаметным наблюдателю, также находящемуся на Земле.
Галилей горячо отстаивал гелиоцентрическую систему; он переписывался с Кеплером и соглашался с его открытиями. Услышав, что некий голландец изобрел телескоп, Галилей в 1609 г. сам изготовил телескоп (http://proza.ru/2012/04/01/474).
Несмотря на то, что Галилея нельзя считать изобретателем зрительной трубы, он, несомненно, был первым, кто создал ее на научной основе, пользуясь теми знаниями, которые были известны оптике к началу XVII века. И он был первым человеком, посмотревшим сквозь телескоп на ночное небо. Поэтому он увидел то, что до него еще не видел никто. Прежде всего Галилей постарался рассмотреть Луну. На ее поверхности оказались горы и долины. Вершины гор и цирков серебрились в солнечных лучах, а длинные тени чернели в долинах. Измерение длины теней позволило Галилею вычислить высоту лунных гор. На ночном небе он обнаружил множество новых звезд. Например, в созвездии Плеяд оказалось более 30 звезд, в то время как прежде числилось всего семь. В созвездии Ориона – 80 вместо 8. Млечный Путь, который рассматривали раньше, как светящиеся пары, рассыпался в телескопе на громадное количество отдельных звезд. К великому удивлению Галилея, звезды в телескопе казались меньше по размерам, чем при наблюдении простым глазом, так как они лишились своих ореолов. Зато планеты представлялись крошечными дисками, подобным Луне. Направив трубу на Юпитер, Галилей заметил четыре небольших светила, перемещающихся в пространстве вместе с планетой и изменяющих относительно нее свои положения. Через два месяца наблюдений Галилей догадался, что это – спутники Юпитера и предположил, что Юпитер своими размерами во много раз превосходит Землю (он также установил, что движения этих спутников подчиняются законам Кеплера). Рассматривая Венеру, Галилей открыл, что она имеет фазы, подобные лунным и потому должна вращаться вокруг Солнца. Наконец, наблюдая сквозь фиолетовое стекло Солнце, он обнаружил на его поверхности пятна, а по их движению установил, что солнце вращается вокруг своей оси.
Все эти поразительные открытия были сделаны Галилеем за сравнительно короткий промежуток времени благодаря телескопу. На современников они произвели ошеломляющие впечатление. Казалось, что покров тайны спал с мироздания и оно готово открыть перед человеком свои сокровенные глубины. Насколько велик был в то время интерес к астрономии видно из того, что только в Италии Галилей сразу получил заказ на сто инструментов своей системы.
В 1616 году Галилей опубликовал книгу «Звездный вестник», в которой обобщил телескопические наблюдения и привел сильные доводы в пользу системы Коперника. В самом деле, если Луна, как и Земля, обладает неровной поверхностью, и если на Солнце то появляются, то исчезают пятна, то оказывалось, что эти небесные тела вовсе не являются совершенными, непогрешимыми и неизменными объектами, как утверждала аристотелевско-птолемеевская космология. Сходным образом, если Юпитер является движущимся телом, вокруг которого вращаются четыре луны, и вся эта система целиком вращается по еще большей орбите, тогда то же самое может происходить и с Землей, сопровождаемой собственной луной: так было отвергнуто традиционное возражение, что Земля не может вращаться вокруг Солнца, ибо в таком случае Луна давным-давно «соскочила» бы со своей орбиты. Опять-таки, если видны фазы Венеры, то Венера должна вращаться вокруг Солнца. И если Млечный Путь, невооружённому взгляду представлявшийся просто туманным свечением, состоял, как оказывалось ныне, из множества новых звезд, то предположение Коперника о том, что пределы Вселенной в действительности намного шире (высказанное с целью объяснить отсутствие звездного параллакса, который должен был бы ежегодно наблюдаться при движении Земли вокруг Солнца), казалось значительно более правдоподобным. И если теперь, как выяснилось с помощью телескопа, планеты представляют собой твердые тела с обширной поверхностью, а вовсе не световые точки, к тому же в поле зрения попадали все новые звезды, то и это говорило в пользу того, что размеры Вселенной неизмеримо превосходят прежние представления о них традиционной космологии.
«Звездный вестник» был написан на итальянском, а не на латыни, что сделало его доступным не только ученым, но и широкому кругу образованных читателей. Книга стала настоящей сенсацией в европейских интеллектуальных кругах. Телескоп Галилея явил наглядные доказательства того, что гелиоцентрическую теорию уже невозможно считать некой условностью, облегчающей вычисления. Ныне она получила зримое физическое подтверждение. Кроме того, телескоп являл взору небеса во всей их грубой материальности: якобы трансцендентные точки небесного света оказались на поверку материальными субстанциями, вполне доступными эмпирическому исследованию — очно так же, как и земные природные явления. Освященная веками академическая практика доказательств и наблюдений, приводящихся исключительно в границах аристотелевской мысли, вынуждена была уступить место непредвзятому изучению эмпирических явлений и критическому к ним подходу. Многие люди, прежде далекие от научных занятий, заглянули в теле-скоп и воочию узрели новую Коперникову вселенную. И хотя культурные последствия открытия Коперника и Галилея проявлялись постепенно и совокупно, на самом деле средневековой модели Вселенной был нанесен смертельный удар. Западное мышление праздновало эпохальный триумф коперниковской революции.
В ответ на упреки, что книга якобы противоречит церковным канонам, Коллегия кардиналов вызвала в 1616 г. Галилея на свое заседание. Согласно официальной версии, Галилею было указано на недопустимость дальнейших публичных обсуждений идей Коперника в иной форме, кроме как с указанием на то, что это всего лишь гипотеза, пока не будут представлены неопровержимые доказательства ее правильности. Галилей же утверждал позже, что подобного предупреждения не получал. Как бы то ни было, в 1632 году Галилей опубликовал новую работу «Диалог о двух главнейших системах мира», где привел развернутые аргументы в пользу гелиоцентрической системы Коперника, вложив при этом официальные возражения Папы в уста персонажа по имени Симпличо (по-итальянски «простак»). Тогда в 1633 г. против Галилея было впервые выдвинуто обвинение в «подозрении на ересь". Чтобы очиститься от этих подозрений Галилею пришлось публично объявить, что он сам не верит в то, что написал. Ученого выпустили из заключения (в общей сложности его арест продолжался 18 дней). Остаток жизни Галилей провел под домашним арестом у себя во Флоренции. (В 1992 году Римско-католическая церковь официально пересмотрела приговор суда на том основании, что судьи не сумели отделить вопросов веры от научных фактов).
Уже после суда Галилей написал еще один фундаментальный труд «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки», где обобщаются его открытия в областях, которые сегодня принято называть материаловедением и кинематикой. Как и во всех других трудах ученого, в этой работе Галилей подчеркивает важность эксперимента как средства проверки теории.
История науки http://proza.ru/2013/01/17/420