Великі помилки великого Галілея
Перенесемося з античних часів у доньютонівську епоху, де над механікою «панував» великий Галілей. Розвиток динаміки як науки пов'язаний з ім'ям великого італійського вченого епохи Відродження Галілео Галілея(1564-1642). Найбільшою заслугою Галілея як вченого-механіка було те, що він першим заклав основи наукової динаміки, що завдала нищівного удару по динаміці Аристотеля. Галілей називав динаміку "наукою про рух щодо місця". Його твір «Розмови та математичні докази, що стосуються двох нових наук» складається з трьох частин: перша частина присвячена рівномірному руху, друга – рівномірно прискореному, третя – примушеному руху кинутих тіл.
В античній механіці терміна «швидкість» був. Розглядалися більш менш швидкі руху, і навіть «рівношвидкі», але кількісно характеристики цих рухів як швидкості не існувало. Галілей вперше підійшов до вирішення питання про рівномірний та прискорений рух масивних тіл і розглянув рух тіл за інерцією.
Галілею приписують відкриття закону інерції. Роблять це навіть у підручниках – шкільних і не лише. Закон цей Галілей висловлював так: "Рух тіла, на яке не діють сили (звичайно, зовнішні) або рівнодіюча їх дорівнює нулю, є рівномірним рухом по колу". Так, на думку Галілея, рухалися небесні тіла, «надані самим собі». Насправді ж рух за інерцією, як відомо, може бути лише рівномірним та прямолінійним. Що ж до небесних тіл, то їх із цього руху «збиває» зовнішня сила – сила всесвітнього тяжіння.
Розглядаючи погляд Галілея на інерцію, переконуємось у його неправомірності: помилка у міркуваннях виникла через те, що Галілей не знав про закон всесвітнього тяжіння, відкритого пізніше Ньютоном.
Доводячи принцип відносності, Галілей стверджував, що й корабель рухається рівномірно і без хитавиці (мал. 23), то жодним механічним експериментом не можна виявити цього руху. Він пропонував подумки розмістити в трюмі корабля судини з водою, що з них випливає, з плаваючими в них рибками, літаючих мух і метеликів і стверджував, що варто корабель або рухається рівномірно - їх дії не змінюються. Не треба при цьому забувати, що рух корабля не прямолінійний, а круговий (щоправда, по колу великого радіусу, який є той чи інший переріз Землі).
Рис. 23. Корабель Галілея (видно, що він пливе коло)
Зараз ми знаємо, що в системі, що рухається кривою, якою є і коло, неможливе дотримання закону інерції: ця система не є інерційною. Справді, у принципі Галілея величина швидкості відносного руху не має ролі, як і швидкість руху однієї інерційної системи щодо іншої.
Але якщо кораблю надати першу космічну швидкість (8 км/с), всі предмети у його трюмі, як і сам корабель, стануть невагомими. Механічний експеримент, проведений з достатньою точністю, покаже, що і для реальних швидкостей руху переміщення тіл у трюмі корабля, що рухається, і корабля нерухомого будуть відрізнятися між собою. Більше того, рух тіл зміниться, якщо корабель йтиме з тією самою швидкістю, але різними курсами – припустимо, за меридіаном і екватором. Не тільки ті, що рухаються в трюмі, будуть збиватися з передбачуваної траєкторії, але й сам корабель у Північній півкулі відноситиме вправо по курсу, а в Південному – вліво. Цікаво, що ці відхилення, спричинені обертанням Землі як неінерційної системи, не залежать навіть від напрямку руху.
В іншій своїй роботі – «Діалог про дві найголовніші системи світу…» – Галілей стверджує, що світ є тіло дуже досконале, і щодо його частин повинен панувати найвищий і найдосконаліший порядок. З цього Галілей робить висновок, що небесні тіла за своєю природою не можуть рухатися прямолінійно, оскільки якби вони рухалися прямолінійно, то безповоротно віддалялися б від своєї вихідної точки і початкове місце для них не було б природним, а частини Всесвіту не були б розташовані в "Вдосконаленому порядку". Отже, небесним тілам неприпустимо змінювати місця, тобто рухатися прямолінійно. Зникни раптом закон всесвітнього тяжіння, це б і сталося! Саме він утримує небесні тіла у стійкому русі, не допускаючи їх хаотичного розбігання (мал. 24). Крім того, прямолінійний рух нескінченний, бо пряма лінія нескінченна, а отже, невизначена. Галілей вважав, що за суттю природи неможливо, щоб щось рухалося по прямій лінії до недосяжної мети.
Рис. 24. Природний, або інерційний рух Галілеєм на прикладі обертання Місяця навколо Землі
Але якщо порядок досягнуто і небесні тіла розміщені якнайкраще, неможливо, щоб у них залишалася природна схильність до прямолінійного руху, в результаті якого вони відхилилися б від належного місця. Як стверджував Галілей, прямолінійний рух може лише «доставляти матеріал для споруди», але, коли останнє готове, воно або залишається нерухомим, або якщо і має рух, то лише кругове. Більш того, Галілей стверджував, що якщо тіло кинути ковзати як по льоду горизонтальною площиною, то, впавши з неї, тіло обов'язково перетне свою траєкторію з центром Землі (рис. 25, а). Але оскільки рух за інерцією постійно видаляє кинуте тіло від цієї траєкторії, воно ніяк не може перетнути свій шлях з центром Землі. Це дуже поширена помилка, автору доводилося навіть у сучасних шкільних підручниках з фізики (в сімдесятих роках) зустрічати подібне твердження та бачити відповідні малюнки: наприклад, як ядро, що вилетіло з гармати, продовжуючи свій політ, перетинає центр Землі.
Рис. 25. Падіння тіл, що рухаються по дотичній до поверхні Землі: а – по Галілею; б – за Ньютоном
Крім того, рух по горизонтальній слизькій площині такий, що тіло, відходячи від точки перетину найкоротшого радіусу Землі з цією площиною, починає віддалятися від центру Землі. Значить, і наближаючись, і віддаляючись від центру Землі, тіло не може рухатися рівномірно, оскільки на нього весь час (крім однієї точки в центрі Землі) діятиме сила.
Як бачимо, Галілей у своїй думці на інерцію, а отже, і на механіку взагалі, помилявся дуже суттєво. Пророче формулювання законів інерції, дуже близьке до ньютонівської і прийняте з незначними змінами в сучасній механіці, дав французький філософ і математик Р. Декарт (1596-1650), сучасник Галілея. Пророчу тому, що Декарт теж не знав про сили тяжіння і сформулював цей закон з натхнення.
У своїй книзі «Початки філософії», що вийшла друком у 1644 р., він так формулює закони інерції. Перший закон: «Будь-яка річ продовжує по можливості перебувати в тому самому стані і змінює його не інакше як від зустрічі з іншим». Другий закон: «Кожна матеріальна частка окремо прагне продовжувати подальший рух не по кривій, а виключно по прямій». Тому замість того, щоб називати перший закон Ньютона, або закон інерції, законом Галілея - Ньютона, що і роблять іноді в підручниках, або говорити, що закон інерції був відкритий раніше Ньютона, слід було б відзначити те, що раніше Ньютона його досить точно сформулював Декарт, але не Галілей.
Отже, рух за інерцією – обов'язково прямолінійний, рівномірний; цей рух можна прирівняти до спокою, змінивши інерційну систему відліку на таку, яка рухалася б теж рівномірно і прямолінійно зі швидкістю нашого тіла, що рухається.
Хто стояв на плечах гігантів?
Отже, Галілей не вніс особливої ясності в сакраментальні питання, які так і залишилися не вирішеними з давніх-давен: як поводяться тіла, коли на них діють сили, і як вони поводяться, коли на них сили не діють?
Намагаючись відповісти хоча б на останнє з поставлених питань, Галілей, як відомо, дійшов висновку, що тіла, надані самі собі, тобто на які ніякі сили не діють... ходять по колах! Та це й Арістотель так думав два тисячоліття тому! І так само помилявся. Тому дивно, коли школярам підносять те, чого не було. Наприклад, таке: «Італійська вчений ГалілеоГалілей перший показав, що… без зовнішніх впливів тіло може лише спочивати, а й рухатися прямолінійно і поступово» . Не показував цього Галілей, тим паче першим, що ми вже знаємо. Чомусь Галілею приписують багато з того, чого він не робив взагалі: не кидав він куль з Пізанської вежі, не винаходив телескопа, не був судимий інквізицією і не тупав ногою, кажучи: «І все-таки вона крутиться!». Про це ще поговоримо пізніше, а поки повернемося до того, що до Ньютона в умах учених не було ясності у питанні про рух тіл, а отже, і взагалі про механіку.
Тільки великому англійцю Ісааку Ньютону (1643-1727) вдалося привести механічний світ у належний порядок. Короткий перелік заслуг Ньютона висічено на камені на його могилі:
Тут спочиває
Сер Ісаак Ньютон,
Який майже божественною силою свого розуму
Вперше пояснив
Допомогою свого математичного методу
Рухи та форми планет,
Шляхи комет, припливи та відливи океану.
Він перший досліджував різноманітність світлових променів
І що виникають звідси особливості кольорів,
Яких на той час ніхто навіть не підозрював.
Дбайливий, проникливий і вірний тлумач.
Природи, старовини та священного писання,
Він прославив у своєму вченні Всемогутнього Творця.
Потрібну Євангелієм простоту він довів своїм Життям.
Нехай смертні радіють, що в їхньому середовищі
Жила така прикраса людського роду.
Усі покоління вчених досі вражала і продовжує вражати велична і цілісна картина світу, створена Ньютоном.
Згідно з Ньютоном весь світ складається з «твердих, вагомих, непроникних, рухливих частинок». Ці «первинні частинки абсолютно тверді: вони незмірно твердіші, ніж тіла, які з них складаються, настільки тверді, що вони ніколи не зношуються і не розбиваються вщент». Все багатство, все якісне різноманіття світу – це результат відмінностей у русі частинок. Основним у його картині світу є рух. Внутрішня сутність частинок залишається другому плані: головне – як ці частинки рухаються.
Великий геній народився одному з провінційних англійських міст – Вулстропі у ній фермера. Дитина була така мала, що, кажуть, її хрестили в пивному кухлі. У початкових класах школи він навчався посередньо (радійте, трієчники, вам ще нічого не втрачено!). Потім у нього сталося моральне потрясіння – його побили та образили, причому зробив це найкращий учень у класі. Ось тут у юного Ньютона прокинувся інтерес до навчання, і він легко сам став найкращим учнем, а потім і вступив до найкращого університету Англії – Кембриджського. А через чотири роки після закінчення він уже був професором математики цього ж університету. У 1696 р. він переїхав до Лондона, де жив до самої смерті в 1727 р., що настала на 85-му році життя. З 1703 він президент Лондонського королівського товариства, а за наукові заслуги йому був наданий титул лорда. Ось так і став він членом палати лордів, засідання якої відвідував найрегулярнішим чином. Але на відміну від інших лордів, які, як і наші «думці», любили поговорити з трибуни, багато років Ньютон не промовив і слова. І ось, нарешті, велика людинараптом попросив слова. Усі завмерли – чекали, що ж такого розумного скаже геній усіх часів та народів. У труновій тиші Ньютон проголосив свою першу та останню промову в парламенті: «Пане, я прошу закрити вікно, інакше я можу застудитися!»
Останні роки життя Ньютон впритул зайнявся богослов'ям і під великим секретом писав книгу, про яку висловлювався, як про найбільшу свою працю, яка повинна рішуче змінити життя людей. Але з вини улюбленого собаки Ньютона, що перекинув лампу, сталася пожежа, в якій крім самого будинку і всього майна згорів великий рукопис. Ось вам і воландівське: "Рукописи не горять!" Ще як горять.
Незабаром після цього великого вченого не стало.
То що ж такого чудового зробив Ньютон у механіці? А те, що він відкрив і сформулював свої закони: три закони руху та один – всесвітнє тяжіння.
Коротко основна ідея законів руху Ньютона у тому, зміна швидкості тіл викликається їх взаємним дією друг на друга. Та повноті, невже люди раніше не знали таких простих речей? Уявіть собі, що ні, а багато хто не знає і досі.
Візьмемо перший закон Ньютона (це той, що іноді несправедливо приписують Галілею). Сам Ньютон сформулював його дуже мудро, як, до речі, і в багатьох шкільних підручниках. Автор вважає, що коротше і найпростіше говорити так: «Тіло перебуває у спокої чи рухається рівномірно і прямолінійно, якщо рівнодіюча зовнішніх сил, прикладених щодо нього, дорівнює нулю». Начебто й причепитися тут нема до чого. Бо пишуть у деяких підручниках: «...якщо на тіло не діють сили або інші тіла...». Неправильно це, і ось вам підтверджує приклад.
По чудовому рівному шосе їде автомобіль з вимкненим двигуном (як кажуть, «накатом»), повільно зменшуючи швидкість. І ревучи двигуном від натуги, бульдозер тягне перед собою цілу гору піску, але рухається рівномірно і по прямій, хоч і повільно (мал. 26). Який із цих рухів можна назвати рухом за інерцією? Так, звичайно, друге, хоча так і хочеться вказати на перше. Найголовніше, що тіло рухається рівномірно та прямолінійно. Все, цього вже достатньо, більше нічого не потрібно. Автомобіль у першому прикладі хоч і повільно, але сповільнюється. Отже, сили, які на нього діють, не скомпенсовані: опір є, а сили тяги – ні. А на бульдозер діють багато тіл, кожне зі своєю силою, але всі сили компенсовані, їхня рівнодіюча дорівнює нулю. Ось чому він і продовжує рухатися рівномірно та прямолінійно, тобто за інерцією.
Рис. 26. Рух автомобіля накатом та завантаженого бульдозера
Тепер зрозуміло, чому зупинився автомобіль полковника Ціллергута: тому що рух його з вимкненим двигуном не має жодного відношення до руху за інерцією. На цей автомобіль діє неврівноважена система сил, рівнодіюча спрямована назад. Ось і сповільнюється автомобіль, доки зовсім не зупиниться.
На жаль, багато хто з нас часто неправильно тлумачить термін «по інерції».
По інерції крутиться маховик, по інерції я вдарився лобом у скло, коли автомобіль загальмував… Все це побутові поняття інерції. Суворе ж лише те, що визначається першим законом Ньютона. Який до нього, може, не так точно, але сформулював… ні, не Галілей – Декарт!
Отже, Ньютон зрозумів одну з потаємних таємниць природи і продовжував осягати ці таємниці. «Господь Бог витончений, але не зловмисний!» - любив говорити Ейнштейн і навіть вигравіював ці слова у себе на каміні. Це означає, що при належному старанні людина осягає-таки одну за одною таємниці Творця, який не забороняє геть-чисто їй це робити. І такою людиною, яка розгадала найбільше цих таємниць, поки, мабуть, був і залишається Ньютон. А коли його питали, яким чином він міг бачити так далеко в науці, він скромно відповідав: «Якщо я бачив далі за інших, то тому, що стояв на плечах гігантів!»
Що тягне тіла одне до одного?
Ньютон не назвав конкретних імен та прізвищ цих гігантів, але принаймні одного з них можна назвати точно. Здається, що це був ... ні, знову не вгадали, хоча це ім'я і згадують зазвичай першим серед гігантів, це не Галілей. Здається, це був Йоган Кеплер (1571-1630). Пару слів про гіганта, якого вчені назвали «законодавцем неба».
«Законодавець неба» народився у 1571 р. у Південній Німеччині у бідній сім'ї, але зумів закінчити школу та університет у м. Тюбінгені. Треба сказати, що й помер він також у бідності в 1630 р., і після нього сім'ї залишилося одне зношене плаття, дві сорочки, кілька мідних монет і майже 13 тисяч гульденів невиплаченої платні! І ще кажуть, що раніше вченим платили вчасно і багато… Автор, ризикуючи, що його поб'ють колеги, стверджує, що погано, коли вчені живуть багато – голова таких думає не про те, про що треба. Не про нові закони природи вони дбають, а про те, в який банк і під які відсотки покласти свої скарби. «Бо де скарб ваш, там буде й серце ваше», – сказав Господь. Ще поет Петрарка помітив, що багатство, як, до речі, і крайня бідність, заважає творчості. Тому якщо науку продовжуватимуть тримати на голодному пайку, то одне (на жаль, лише одне!) вже точно буде добре: туди не будуть рватися хапуги та комерсанти. Та з історії науки і важко назвати вченого (справжнього, а не комерсанта з вченим ступенем!), який був би по-справжньому багатим. Виключаючи королів-науковців, які, до речі, теж бували.
Отже, Кеплеру довелося за життя сьорбнути чимало горя і турбот. Він був болючим, страждав дивною хворобою – множинністю зору. (Яке для астронома, а? Все одно що глухий музикант, але й такі бували, Бетховен, наприклад!) Знову ж таки бідність, хоча працював він придворним астрономом і астрологом. Та й матуся йому підсунула сюрприз – візьми та й скажи своїй сусідці єретичні слова: «Немає ні раю, ні пекла, від людини залишається те саме, що й від тварин!» Дійшло це до «кого треба», і не минули б їй багаття (а на батьківщині Кеплера в маленькому містечку Вейлі лише за 14 років було спалено 38 єретичок!), якби не 6 років «адвокатства» Кеплера!
І ось серед таких турбот і турбот Кеплер ввів у механіку поняття «інерція» та «гравітація», причому останню визначив як силу взаємного тяжіння тіл. Все майже правильно, якби тільки Кеплер не пов'язував це тяжіння з магнетизмом і не вважав, що Сонце, обертаючись, постійними поштовхами захоплює планети в обертання. І тільки інерція заважає цим планетам точно слідувати обертанню Сонця». Виявляється, «планети змішують відсталість своєї маси зі швидкістю руху»… Загалом, мішанина вийшла неабиякою. Але закони Кеплера рух планет – це шедевр, і вони підштовхнули Ньютона до осмислення закону всесвітнього тяжіння.
Перший закон Кеплера – про еліптичний рух планет. Раніше всі думали, що планети рухаються по колах (знову ці магічні кола: і Коперника, і Галілея збивали з пантелику!). Кеплер довів, що це не так і планети рухаються еліпсами, у фокусі яких знаходиться Сонце.
Другий закон - це про те, що, підходячи ближче до Сонця, планети (та й комети!) рухаються швидше, а відходячи від нього - повільніше (мал. 27). А третій закон уже суворо кількісний: Квадрати періодів обігу будь-яких двох планет відносяться між собою як куби їх середніх відстаней від Сонця.
Рис. 27. Ілюстрація другого закону Кеплера
Тут уже трохи залишилося і до осмислення, які ж сили керують рухом планет. Сучасник Ньютона і старший його колега, а може, один з тих гігантів, на плечах яких стояв Ньютон, Роберт Гук в 1674 р. писав, що «…все без винятку небесні тіла мають спрямованим до їхнього центру тяжіння… і ці сили тяжіння діють тим більше, що ближче до них знаходяться тіла, куди вони діють». Дивуєшся, наскільки близьким був Гук до відкриття закону всесвітнього тяжіння, але сам не захотів цим займатися, посилаючись на зайнятість іншими роботами.
Вперше думка про точне визначення гравітації виникла ще у Ньютона-студента (згадайте міф про падіння яблука на його голову!), але обчислення не дали бажаної точності. Річ у тім, що з обчислень Ньютон використовував величину земного радіусу, неточно визначену голландським ученим Снелліусом, і, отримавши значення прискорення Місяця на 15 % менше спостережуваного, з гіркотою відклав цю роботу.
Потім уже, через 18 років, коли французький астроном Пікар точніше визначив величину радіуса Землі, Ньютон заново взявся за свої відкладені обчислення та довів правильність свого припущення. Але після цього Ньютон не поспішав публікувати своє відкриття. Він ретельно перевірив новий закон на русі планет навколо Сонця, на русі супутників Юпітера і Сатурна, також на русі комет і зважився-таки опублікувати закон всесвітнього тяжіння у своїй знаменитій книзі «Математичні початки натуральної філософії» в 1687 р., де викладено і три його закону руху.
Ось як цей закон можна простіше і зрозуміліше сформулювати: «Всяке тіло притягує інше тіло з силою, прямо пропорційною масам цих тіл і обернено пропорційною квадрату відстані між ними».
Наприклад, два людські тіла на відстані між ними в 1 м притягуються з силою приблизно в одну сорокову частку міліграма-сили. Це менш ніж одна мільярдна частка тієї сили, яка потрібна, щоб зрушити нас з місця. Два кораблі масою 25 000 т кожен на відстані 100 м притягуються з нікчемною силою 4 Н, і безглузді пояснення зіткнення суден через їхнє взаємне тяжіння позбавлені сенсу.
Від сили тяжіння не рятують жодні перешкоди чи екрани. Хоча багато хто мріяв знайти такий екран: час від часу чуєш, що, мовляв, у ХХІ ст. вчені знайдуть засіб позбавлятися гравітації. Вже креслять проекти будинків без фундаменту та машин-гравілетів, що літають без палива.
Пошуки ці не нові – ще англійський фантаст Герберт Уеллс скористався ідеєю «гравітаційного щита», нібито виготовленого з особливого матеріалу, названого на честь автора – винахідника Кевора – кеворитом. Якщо цей щит підвести під якийсь предмет, він звільниться від тяжіння Землі і притягатиметься лише небесними тілами, т. е. злетить. Герої Уеллса споруджують міжпланетний корабель, покритий кеворитом; відкриваючи і закриваючи відповідні штори, вони притягуються до частини простору, куди хочуть летіти, і таким чином переміщаються в космосі.
Доводи фантаста звучать переконливо: ми знаємо, що екран з якогось провідника (наприклад, лист металу) є непроникним для електричного поля; надпровідник виштовхує з себе магнітне поле і т. д. Тим більше, що з'явилося в друку повідомлення про виміри французького астронома Аллена підтвердили, що Місяць, затуляючи нас від Сонця, створює і деяку «гравітаційну тінь». Але виявилося, що ця «тінь» стала лише помилкою приладів.
Висловлювалися думки, що гравітація, мовляв, діє лише на небесні тіла, але не на нас із вами. Так, англійський фізик Генрі Кавендіш побудував спеціальні дуже точні так звані крутильні ваги і одним із перших у 1798 р. виміряв гравітацію на Землі. У цих вагах на тонкій та міцній нитці на коромислі були підвішені вантажі, які притягувалися двома масивними кулями із свинцю масою 50 кг (рис. 28). Прилад Кавендіша був поміщений у повітронепроникну камеру, а рух коромисла вловлювався оптичними приладами. Так було визначено «гравітаційну постійну», яка виявилася рівною 6,67·10 – 11 Н⋅м2/кг2, інакше кажучи, дві кулі масою 1 000 кг кожна, що знаходяться на відстані 1 м одна від одної, притягуються з силою 6,67 стотисячних часток Ньютона!
Рис. 28. «Крутильна вага» Г. Кавендіша для визначення гравітації
Ось як слабкі, нікчемні гравітаційні сили, і водночас саме вони й «рухають світом», визначаючи політ планет, зірок, комет та інших небесних тіл. Падіння тіл на Землі, до речі, теж справа «рук» гравітації, так що вона не тільки всесвітня, а й всюдисуща!
Все сказане досі про розвиток науки є лише передісторією сучасної науки. А. Ейнштейн та Л. Інфельд пишуть: «Спроби прочитати велику повість про таємниці природи так само старі, як і саме людське мислення. Однак лише трохи більше трьох століть тому вчені почали розуміти мову цієї повісті. З того часу, тобто з часу Галілея та Ньютона, читання просувалося швидко». І далі: «Найосновніша проблема, що залишалася протягом тисячі років невирішеною через складність, - це проблема руху» ( Цит. Проте: Ейнштейн А., Пнфельд Л. Еволюція фізики. М., 1965, с. 8.).
Перша керівна ідеясучасної науки, сучасного природознавства належить Галілею і стосується її проблеми руху.
До Галілея у науці загальноприйнятою була думка, що швидкість руху тіла тим більше, що більше штовхає його сила, і якщо дія цієї сили припиняється, тіло зупиниться. Це становище було чітко сформульовано Аристотелем, і на перший погляд воно відповідає досвіду.
Галілей показав, що ця думка помилкова. Розглянемо приклад із тачкою, що штовхається людиною по горизонтальному шляху. Якщо людина перестає штовхати тачку, вона прокотиться певну відстань і зупиниться. Здавалося б, Арістотель має рацію. Не поспішатимемо з висновками. Ну, а якщо ми зробимо шлях, яким котиться тачка, більш рівним і зменшимо тертя між осями і втулками коліс тачки, наприклад за рахунок кращого мастила. Очевидно, вільний рух тачки після зняття зусилля, що штовхає її, триватиме довше, тачка прокотиться більшу відстань.
Припустимо, що ми зуміли зробити шлях абсолютно рівним і, звичайно, абсолютно горизонтальним, тертя в колесах тачки скасували зовсім і навіть знищили тертя між навколишнім повітрям та стінками тачки. Насправді зробити все це неможливо, але можна припустити. Що було б тоді? Відповімо на це запитання словами Галілея: «...швидкість, одного разу повідомлена тілу, що рухається, буде суворо зберігатися, оскільки усунуті зовнішні причини прискорення або уповільнення,- умова, яка виявляється тільки на горизонтальній площині, бо в разі руху по похилій площині вниз вже існує причина прискорення, у той час як при русі по похилій площині вгору є уповільнення; з цього випливає, що рух по горизонтальній площині вічний, бо, якщо швидкість буде постійною, рух не може бути зменшеним або ослабленим, а тим більше знищеним» ( Цит. по: Ейнштейн Л., Інфельд Л. Там же, с. 12.)
Отже, замість арістотелівської точки зору: тіло рухається тільки за наявності зовнішнього на нього впливу- Галілей запровадив новий, зовсім інший принцип: якщо тіло немає ніякого зовнішнього впливу, воно або перебуває у стані спокою, або рухається прямолінійно з постійною швидкістю.Ось як оцінили А. Ейнштейн та Л. Інфельд це відкриття Галілея: «Відкриття, зроблене Галілеєм, та застосування ним методів наукової міркування були одним із найважливіших досягнень в історії людської думки, і воно відзначає дійсний початок фізики. Це відкриття вчить нас тому, що інтуїтивним висновкам, що базуються на безпосередньому спостереженні, не завжди можна довіряти, тому що вони іноді ведуть помилковим слідом» ( Ейнштейн А., Інфельд Л. Там же, с. 10.) .
Перш ніж продовжити розповідь про те, що зробив Галілей у науці, ми хочемо познайомити читача з біографією та деякими рисами характеру цієї геніальної людини.
Галілео Галілей народився 15 лютого 1564 (у тому ж році, що і У. Шекспір) в м. Пізі. Його батько Вінченцо був музикантом. Сім'я була аристократичною, але небагатою. У 1574 р. сім'я переїхала з Пізи до Флоренції. Тут Галілей був прийнятий до чернечого ордену послушником, навчався в монастирі; головне, що він дізнався за цей час і що надалі було йому дуже корисно, - твори грецьких та латинських письменників. На вимогу отця Галілей покинув монастир (через тяжку хворобу очей), а в 1581 р. знову-таки під впливом батька вступив до Пізанського університету для вивчення медицини.
Проте до медицини Галілей великого інтересу не виявив. Натомість він захопився математикою, механікою, фізикою та астрономією. У цьому головну роль зіграв друг отця Остіліо Річчі, за його порадою Галілей читав праці Евкліда та Аристотеля. Але що ближче Галілей знайомився з працями Аристотеля, передусім механікою і фізикою, то більше сумнівів і заперечень вони викликали.
Наукові інтереси Галілея остаточно визначились. Він цілком присвятив себе заняттям математикою, геометрією, механікою та фізикою, залишив Пізанський університет та переселився до Флоренції.
Ім'я Галілея стало відоме серед італійських математиків після того, як їм були написані твори, в яких наведено спосіб визначення складу сплавів металів на основі використання гідростатичних терезів і дано методи обчислення центру важкості тіл різної форми (це було продовження робіт Архімеда).
З 1589 Галілей займав кафедру математики Пізанського університету, а з 1592 - Падуанського. На думку біографів, викладацьку роботу Галілей під час перебування у Пизанському університеті змушений був вести загальноприйнятим тоді методом, тобто. «за Арістотелем». Що стосується його наукової діяльності, то справа була інакша. У Пізі Галілеєм було написано твір «Про рух», що зберігся в рукописі, в якому, зокрема, розглянуто питання про обертання Землі навколо власної осі: не називаючи імені Коперника, яке він тоді, безсумнівно, знав, Галілей відстоював його позицію.
У Падуї Галілей прожив близько 18 років (1592 – 1610 рр.). Його викладацька робота в Падуанському університеті, як і раніше, будувалася на встановлених і строго підтримуваних на той час позиціях. Галілей змушений був, наприклад, розповідати в лекціях про систему Птолемея і доводити нібито неспроможність поглядів Коперника. Не забуватимемо у своїй, що у падуанський період життя Галілея був страчений Джордано Бруно. За ці 18 років Галілей опублікував, крім «Зоряного Вісника», лише одну наукову статтю – опис так званого пропорційного циркуля ( Пропорційний циркуль - простий, дотепний інструмент, що дозволяє змінювати масштаб розмірів, що знімаються. Досягається це тим, що вісь обертання ніжок циркуля щодо один одного є рухомою (встановлюється відповідно до бажаної зміни масштабу та закріплюється), а вимірювання розміру та нанесення його в зміненому масштабі ведуться протилежними кінцями ніжок циркуля. Якщо вісь обертання ніжок циркуля знаходиться точно в середньому положенні, тобто довжина всіх чотирьох частин ніжок циркуля однакова, зміни масштабу не буде. Якщо перемістити центр обертання, наприклад, так, що дві частини ніжок циркуля будуть в 3 рази довші двох інших, співвідношення масштабів буде 1:3.) (рис. 1), користування яким полегшує геометричні побудови та вирішення багатьох завдань.
Роки, проведені Галілеєм у Падуї, виявилися йому найбільш творчими. Саме в цей час Галілей дійшов своїх законів падіння і остаточно переконався в правильності коперніканської теорії, тобто займався тими самими проблемами, яким надалі були присвячені його головні твори.
Велике значення у житті Галілея мали Останніми рокамийого життя в Падуї. У цей час він побудував свій перший оптичний телескоп, що давав триразове збільшення, а потім телескоп із 32-кратним збільшенням, провів спостереження нічного неба. Результати цих спостережень (про них сказано нижче) мали велике значення.
Авторитет Галілея набагато зріс унаслідок його астрономічних досліджень. Він прийняв пропозицію великого герцога Тосканського, переїхав до Флоренції і зайняв посаду придворного філософа та придворного математика, а також професора математики Пізанського університету (посада, яка не зобов'язувала читати лекції). Це дало Галілею можливість завершити викладацьку роботу і весь час віддати науковим дослідженням.
У 1615 р. Галілей був викликаний інквізицією до Риму для пояснень щодо його робіт, що мали явний прокоперніковський та антиарістотелівський характер. 3 1616 р. конгрегація індексу ( Конгрегації - релігійні організації, які з духовних, і зі світських осіб, керовані чернечими орденами; проводили політичну лінію католицької церкви. Конгрегація індексу - одна з них, вона знала цензурою і складала «Список заборонених книг» - латинською мовою «Index librorum prohibitorum», звідки і назва.) прийняла рішення про заборону книги Коперника «Про звернення небесних сфер» і віднесення його вчення до єретичних. Хоча Галілей у цьому рішенні згаданий не був, але воно безпосередньо його стосувалося - він був змушений відмовитися від друкованої та публічної підтримки вчення Коперника.
Проте Галілей продовжував свої наукові дослідження. Їм були написані дві основні роботи: «Діалог про дві системи світу-Птолемеєвої та Коперникової» (коротко «Діалог») та «Бесіди та математичні докази, що стосуються двох нових галузей науки, що відноситься до механіки та місцевого руху» (коротко «Бесіди» »). Обидва твори, «Діалог» та «Бесіди», написані у формі розмови між трьома особами – Сальвіаті, Сагредо та Сімплічіо. Всі вони не вигадані особи: Сальвіаті та Сагредо – друзі Галілея, його послідовники, Сімплічіо – один з коментаторів Арістотеля, перипатетик, схоласт.
Сам Галілей характеризує цих людей такими словами: Тому вже багато років я не раз відвідував дивовижне місто Венецію, де вів бесіди з синьйором Джиован Франческо Сагредо, людиною високого походження і дуже гострого розуму. Одночасно знаходився там і приїхав із Флоренції синьйор Філіппе Сальвіаті, найменшою окрасою якого були чистота крові і блискучий стан, - благородний розум, який не знав задоволення більш високого, ніж дослідження і роздуми. З цими двома особами я часто мав нагоду обговорювати згадані вище питання ( Галілей має на увазі головним чином питання систем світу Птолемея та Коперника.)в присутності одного філософа перипатетика, якому, як здається, ніщо так не перешкоджало у пізнанні істини, як слава, набута ним у тлумаченні Аристотеля» ( Галілео Галілей. Ізбр. тр. М: Наука, т. 1, с. 103.) .
Про зміст цих двох чудових книг Галілея йдеться нижче. Одна з них, «Діалог», була навіть видана в 1632 р. італійською мовою у Флоренції. Однак вихід у світ «Діалогу» був початком важких випробувань для Галілея. Незважаючи на вік та підтримку впливових друзів, йому довелося їхати до Риму та постати перед судом інквізиції. Після тривалих допитів Галілей змушений був зректися навчання Коперника, а 22 червня 1633 р. принести публічне, покаяння. На «Діалог» було накладено заборону, а сам Галілей майже до самої смерті, що відбулася 8 січня 1642 (в 1637 він осліп), був змушений вести відокремлений спосіб життя на віллі в Лрчетрі, недалеко від Флоренції.
Латинський переклад «Діалогу» був виданий у ряді країн (головним чином протестантських), а в 1638 р. в Голландії побачили світ «Бесіди». Книги Галілея зустріли з величезним інтересом.
Говорячи про особистість Галілея, про його людські риси, необхідно відзначити нетерпимість щодо схоластики та бездумного поклоніння науковим авторитетам. Покажемо це на прикладі трьох уривків із твору Галілея «Діалог». Вустами Сагредо Галілей каже: «Якось був я в будинку одного вельми шанованого у Венеції лікаря, куди іноді збиралися - одні, щоб повчитися, а інші з цікавості - подивитися на розтин трупа, виробленого рукою цього не тільки вченого, але майстерного та досвідченого анатомії. Якраз того дня йому довелося зайнятися пошуком походження та зародження нервів, з якого питання існує відома розбіжність між лікарями-галеністами. Галей - римський лікар і натураліст.) та лікарями-перипатетиками. Анатом показав, як нерви виходять з мозку, проходять у вигляді потужного стовбура через потилицю, потім тягнуться вздовж хребта, розгалужуються по всьому тілу і у вигляді лише найтоншої нитки досягають серця. Тут він обернувся до одного дворянина, якого знав як філософа-перипатетика і в присутності якого він з винятковою ретельністю розкрив і показав усе це, і запитав його, чи він тепер задоволений і переконався, що нерви йдуть від мозку, а не від серця. І цей філософ, замислившись на деякий час, відповів: «Ви мені показали все це так ясно і відчутно, що якби текст Аристотеля не говорив протилежного, а там прямо сказано, що нерви зароджуються в серці, то необхідно було б визнати це істиною !»» ( Галілео Галілей. Ізбр. тр., т. 1, с. 206.).
На адресу людей, які сліпо вірять в авторитет Аристотеля, Галілей говорить також словами Сальвіаті: «Я багато разів дивувався, як могло вийти, що ці люди, які прагнуть підтримувати буквально кожне слово Аристотеля, не помічають тієї шкоди, яку вони завдають репутації Аристотеля, і як вони, замість того, щоб збільшувати його авторитет, підривають до нього довіру. Бо, коли я бачу, як вони вперто намагаються підтримати ті положення, хибність яких, на мій погляд, цілком очевидна, як вони прагнуть переконати мене в тому, що саме так і належить чинити істинному філософу і що саме так вчинив би і сам Аристотель, то у мене сильно зменшується впевненість у тому, що він правильно міркував і в інших областях, для мене більш далеких» ( Галілео Галілей. Ізбр. тр., т. 1, с. 209.).
І нарешті, наведемо ще одну витримку з «Діалогу» Галілея, що стосується відношення до наукових авторитетів. Дискусія ведеться між філософом-перипатетиком Сімплічіо, що вже вичерпав свої докази на захист позиції Аристотеля, та прихильником Галілея Сальвіаті:
« Сімплічіо. Але якщо ми залишимо Аристотеля, то хто ж служитиме нам провідником у філософії? Назвіть якогось автора.
Сальвіаті.Провідник потрібен у країнах невідомих та диких, а на відкритому та гладкому місці поводир необхідний лише сліпому. А сліпий добре зробить, якщо лишиться вдома. Той же, хто має очі на лобі і розум, повинен ними користуватися як провідники. Однак я не кажу, що не слід слухати Аристотеля, навпаки, я хвалю тих, хто вдивляється в нього і старанно вивчає його. Я засуджую лише схильність настільки віддаватися у владу Аристотеля, щоб наосліп підписуватися під кожним його словом і, не сподіваючись знайти інших підстав, вважати його слова непорушним законом. Це - зловживання, і воно тягне за собою велике зло, що полягає в тому, що інші вже більше і не намагаються зрозуміти силу доказів Аристотеля» ( Галілео Галілей. Ізбр. тр., т. 1, с. 210.).
Галілей вважав, і в цьому було найважливіше джерело його успіху, що вихідним пунктом пізнання природи є спостереження, досвід. З цього приводу Ейнштейн та Інфельд пишуть ( Ейнштейн Л., Інфельд Л. Еволюція фізики, с. 48.): «Закони природи, що встановлюють зв'язок наступних один за одним подій, були невідомі грекам. Наука, що пов'язує теорію та експеримент, фактично розпочалася з робіт Галілея».
Величезна заслуга Галілея в астрономії, в обґрунтуванні та утвердженні геліоцентричної системиКоперник. З допомогою побудованих ним телескопів, про які сказано вище, Галілей відкрив, що Сонце обертається навколо своєї осі, але в його поверхні є плями; у найбільшої планети сонячної системи - Юпітера є подібні Місяцю супутники (Галілей виявив 4 найбільші супутники з 13 відомих в даний час); поверхня Місяця гористої будови, а сам Місяць має лібрацію, тобто видимі періодичні коливання маятникового характеру навколо центру; фази Венери, які, втім, люди з гострим зором можуть помітити неозброєним оком; Незвичайний вид планети Сатурн, створюваний (як тепер відомо) його кільцями, що становлять сукупність твердих тіл. Галілей виявив безліч зірок, невидимих неозброєним оком і за допомогою недостатньо потужних інструментів (зорових труб); побачив, що Чумацький Шлях складається з окремих зірок.
Ці спостереження, що мають велике значення і викликали небувалий інтерес, Галілей описав у творі "Зоряний вісник". Цікаво відзначити, що з «Зоряним вісником», що надійшли в Прагу, ознайомився Кеплер - один з найбільших математиків і астрономів XVI-XVII ст. Кеплер дуже високо зачепив спостереження Галілея; це видно з його твору «Міркування про «Зоряного вісника»».
Доказ справедливості геліоцентричної системи Коперника мало під час Галілея дуже велике значення. Справа в тому, що концепція Коперника піддавалася нападкам. З одного боку, це були церковні, переважно католицькі, кола, догми яких не уживалися з поглядами Коперника. З іншого боку, це були сумніви у вірності геліоцентричної системи світу, висловлювані поруч учених. Сумніви зводилися головним чином тому, що у разі обертання Землі навколо своєї осі чи руху по орбіті навколо Сонця лежить на поверхні Землі мав би, на думку цих учених, виникнути дуже сильний (ураганний) вітер, спрямований у протилежний бік, предмети, підкинуті вгору , мали б залишатися позаду і падати на поверхню Землі далеко не в тому місці, де вони були підкинуті. Насправді нічого цього не відбувається.
Галілей у «Діалозі» формулює словами Сальвіаті ці сумніви та заперечення таким чином:
« Сальвіаті. Як найсильніший довод всі наводять досвід з важкими тілами: падаючи зверху вниз, тіла йдуть по прямій лінії, перпендикулярній поверхні Землі; це вважається незаперечним аргументом на користь нерухомості Землі. Адже якби вона мала добове звернення, то вежа, з вершини якої дали впасти каменю, перенесеться зверненням Землі, поки падає камінь, на багато сотень ліктів. Лікоть - міра довжини, що існувала раніше, рання приблизно довжині ліктьової кістки (455 - 475 мм).) на схід, і на такій відстані від підніжжя вежі камінь мав би вдаритися про Землю» ( Галілео Галілей. Ізбр. тр., т. 1, с. 224.).
І далі: «Птолемей і його послідовники наводять інший досвід, подібний до досвіду з покинутими тілами; вони вказують на такі предмети, які, будучи роз'єднані із Землею, тримаються високо в повітрі, як, наприклад, хмари та літаючі птахи; і оскільки про них не можна сказати, що вони захоплюються Землею, оскільки вони з нею не стикаються, то неможливе, щоб вони могли зберігати її швидкість, і нам мало б здаватися, що всі вони дуже швидко рухаються на захід; якби ми, несомі Землею, проходили нашу паралель у двадцять чотири години - а це становить щонайменше шістнадцять тисяч миль, - як могли б птахи встигати за таким рухом? Тим часом насправді ми бачимо, що вони летять у будь-якому напрямку без найменшої відчутної різниці як на схід, так і на захід» ( Галілео Галілей. Ізбр. пр., т. 1, с. 230) .
Справді, яка цікава наука механіка, який складний предмет рух і які важкі завдання доводилося вирішувати 400 років тому найталановитішим та найосвіченішим людям! Зауважимо, однак, заради правди що сучасні вчені стоять віч-на-віч аж ніяк не з менш складними проблемами (про це йтиметься нижче).
На перший погляд може здатися, що висловлені щодо геліоцентричної системи світу сумніви та заперечення є ґрунтовними, що Птолемей та його послідовники мають рацію. Але це, звісно, негаразд. Надаємо слово Галілею (Сальвіаті):
« Сальвіаті.Усамітніться з кимось із друзів у просторе приміщення під палубою якого-небудь корабля, запасіться мухами, метеликами та іншими подібними дрібними комахами; нехай буде у вас там також велика посудина з водою та плаваючими в ньому маленькими рибками; підвісьте, далі, нагорі відерце, з якого вода падатиме крапля за краплею в іншу посудину з вузьким шийкою, підставлений внизу. Поки корабель стоїть нерухомо, спостерігайте старанно, як дрібні літаючі тварини з тією самою швидкістю рухаються на всі боки приміщення; риби, як ви побачите, плаватимуть байдуже у всіх напрямках; всі краплі, що падають, потраплять у поставлену посудину, і вам, кидаючи якийсь предмет, не доведеться кидати його з більшою силою в один бік, ніж в інший, якщо відстані будуть одні й ті самі; і якщо ви стрибатимете відразу двома ногами, то зробите стрибок на однакову відстань у будь-якому напрямку. Дбайливо спостерігайте все це, хоча у пас не виникає жодного сумніву в тому, що поки корабель стоїть нерухомо, все має відбуватися саме так. Змусіть тепер корабель рухатися з будь-якою швидкістю, і тоді (якщо тільки рух буде рівномірним і без хитавиці в той і інший бік) у всіх названих явищах ви не виявите жодної зміни і по жодному з них не зможете встановити, чи рухається корабель чи варто нерухомо. Стрибаючи, ви переміститесь по підлозі на ту ж відстань, що й раніше, і не будете робити більших стрибків у бік корми, ніж у бік носа, на тій підставі, що корабель швидко рухається, хоча за той час, як ви будете в повітрі, підлога під вами буде рухатися в бік, протилежний вашому стрибку, і, кидаючи якусь річ товаришу, ви не повинні будете кидати її з більшою силою, коли він перебуватиме на носі, а ви на кормі, ніж коли ваше взаємне становище буде зворотним ; краплі, як і раніше, будуть падати в нижню посудину, і жодна не впаде ближче до корми, хоча поки крапля знаходиться в повітрі, корабель пройде багато п'ядей ( Пядь - старовинна міра довжини, що дорівнює приблизно відстань між кінцями розведених великого та вказівного пальців руки дорослої людини.); риби у воді не з великим зусиллям плитимуть до передньої, ніж до задньої частини судини; настільки ж швидко вони кинуться до їжі, покладеної в будь-якій частині судини; нарешті, метелики і мухи, як і раніше, літатимуть у всіх напрямках, і ніколи не станеться того, щоб вони зібралися біля стінки, зверненої до корми, як би втомилися, слідуючи за швидким рухом корабля, від якого вони були зовсім відокремлені, тримаючись довге час у повітрі; і якщо від краплі запаленого ладану утворюється трохи диму, то видно буде, як він піднімається вгору і тримається на зразок хмаринки, рухаючись байдуже, в один бік не більше, ніж у Другу. І причина узгодженості всіх цих явищ полягає в тому, що рух корабля загально всім предметам, що знаходяться на ньому, так само як і повітрі; тому-то я й сказав, що ви повинні знаходитися під палубою, тому що якби ви були на ній, тобто на відкритому повітрі, не слідуючи за бігом корабля, то повинні були б бачити більш менш помітні відмінності в деяких з названих-явлений: дим, безсумнівно, став відставати разом із повітрям, мухи і метелики внаслідок опору повітря і могли б йти за рухом корабля у випадках, що вони відокремилися від нього досить помітне відстань; якщо ж вони будуть триматися поблизу, то, оскільки сам корабель є спорудою неправильної форми і захоплює з собою найближчі до нього частини повітря, вони без особливих зусиль слідуватимуть за кораблем; подібним чином ми бачимо при їзді на поштових, як набридливі мухи і сліпці слідують за кіньми, підлітаючи то до однієї, то до іншої частини їх тіла; у краплях, що падають, різниця буде незначною, а в стрибках або кинутих тілах - абсолютно невідчутною» ( Галілео Галілей. Ізбр. тр., т. 1, с. 286 – 287.).
Як ми пам'ятаємо, Птолемей стверджував, що птахи та хмари не повинні встигати за рухом Землі. Тепер же, як випливає з цього досвіду Галілея, що встановлює принцип відносності руху, і птиці, і хмари, і сама Земля беруть участь в тому самому русі - русі Землі (яке в даному випадку аналогічно руху корабля) - і тому один щодо одного зміщуватися не будуть.
Неможливо дати більш ясну і переконливу відповідь на заперечення прихильників Птолемея, ніж заснована на простому досвіді відповідь Галілея. Говорячи сучасною мовою та використовуючи сучасну наукову термінологію, ми сказали б, що Галілей встановив незалежність перебігу механічних явищ від обраних інерційних систем відліку.Хоча про ці речі ще йтиметься нижче, зробимо все ж таки деякі пояснення. Під системою відліку розуміється система тіл (можливо, навіть одне тіло), щодо яких (якого) розглядається рух. Система вважається інерційною у тому випадку, коли в ній виконується встановлене Галілеєм положення: якщо на тіло не виробляється жодного впливу (на тіло не діє будь-яка сила, сказали б тепер), воно або перебуває у стані спокою, або рухається прямолінійно горизонтальною площиною із постійною швидкістю. Іншими словами, система вважається інерційною у тому випадку, коли тіло вільне від взаємодії з іншими тілами. Таких систем насправді не існує (завжди на тіло діють будь-які сили), можна їх собі уявити і до них наблизитися.
Прямолінійний та рівномірний рух тіла по горизонтальній площині без впливу на нього будь-яких зовнішніх сил називається рухом за інерцією ( Інерція від латинського слова inertia – спокій, бездіяльність; під інерцією чи інертністю тіла розуміється властивість тіла зберігати свій стан у разі, якщо на нього не діють зовнішні сили.). Звідси походить назва інерційних систем. Галілей встановив: хоча положення тіла, що рухається (його координати), його швидкість, характер траєкторії ( Траєкторія - лінія, яку проходить центр маси тіла, що рухається.) рухузалежать від вибору інерційної системи відліку (наприклад, нерухомий корабель, тобто Земля, або корабель, що рухається щодо Землі прямолінійно і рівномірно), закони механіки, перебіг механічних явищ не залежать від того, в якій саме іперціальній системі відліку розглядається рух.
Інакше кажучи, механічні явища, як було зазначено, протікають однаково переважають у всіх інерційних системах відліку. Це становище названо принципом відносності Галілея. Його ніяк не можна плутати з теорією відносності Ейнштейна, про яку йдеться нижче. Говорячи сучасною науковою мовою, можна сформулювати принцип відносності Галілея так: закони механіки інваріантні (Інваріантність - незмінність, незалежність будь-якої величини (величин, рівнянь) по відношенню до деяких перетворень; наприклад, незалежність рівнянь механіки щодо перетворень координат та часу при переході від однієї інерційної системи відліку до іншої.) щодо вибору інерційної системи відліку.
Галілей у «Діалозі» показав, що твердження прихильників Птолемея про нібито неможливість добового обертанняЗемлі навколо своєї осі та руху її по орбіті навколо Сонця є безпідставними. Це було найважливішим аргументом на користь геліоцентричну систему світу Коперника.
Цікаво відзначити ще одну аргументацію Галілея на користь геліоцентричної системи світу, Астрономічні спостереження за переміщенням небесних тіл, видимому із Землі, можуть у принципі отримати пояснення як з позицій геліоцентричної системи світу та добового обертання Землі навколо своєї осі, так і з позицій геоцентричної системи світу, згідно з якою всі небесні тіла обертаються навколо нерухомої Землі. У першому випадку, прийнявши за основу геліоцентричну систему світу, пояснення астрономічних спостережень за переміщенням небесних тіл виходить відносно простим – всі планети Сонячної системи(включаючи Землю) звертаються навколо Сонця близькими до кругових (як думали більшість прихильників геліоцентричної системи за часів Галілея) орбіт. У другому випадку, тобто прийнявши геоцентричну систему світу, пояснення спостережуваного із Землі руху небесних тіл виходить дуже штучним: траєкторії небесних тіл виявилися б неймовірно складними, а швидкості мали б змінюватися від фантастично великих до дуже малих.
Ось що пише Галілей щодо добового обертання Землі навколо своєї осі.
« Сальвіаті. Якщо ми візьмемо до уваги величезний обсяг зоряної сфери в порівнянні з нікчемністю земної кулі, що міститься в пей багато і багато мільйонів разів, а потім подумаємо про швидкість руху, який за день і ніч має зробити повне звернення, то я не можу переконати себе, що може знайтись хтось, який вважає більш правильним і ймовірним, що таке звернення робить зоряна сфера, тоді як земну кулюзалишається нерухомим.
Сагредо. Якщо рішуче всі явища природи, які можуть стояти залежно від таких рухів, породжують як в одному, так і в іншому випадку без жодної різниці одні й ті ж наслідки, то я відразу визнав би того, хто вважає правильнішим змусити рухатися весь Всесвіт, лише б зберегти нерухомість Землі, ще більш нерозумною, ніж ту людину, яка піднявшись на вершину купола вашої вілли, щоб подивитися на місто та його околиці, зажадав, щоб навколо його оберталася вся місцевість і йому не довелося трудитися, повертаючи голову» ( Галілео Галілей. Ізбр. тр., т. 1, с. 213.).
Вище вже було сказано про відкриття Галілея в галузі механіки, завдяки яким він (разом з Ньютоном) справедливо вважається основоположником сучасної науки. Понад те, що вже було згадано, необхідно назвати деякі інші важливі досягнення Галілея.
Дуже велике значення мають дослідження вільного падіння тіл та рухи їх по похилій площині. Галілей встановив, що швидкість вільного падіння тіл не залежить від їхньої маси, як думав Аристотель, а пройдений падаючими тілами шлях пропорційний квадрату часу падіння. Це було велике відкриття. Воно дозволило надалі встановити чисельну рівність гравітаційної та інертної мас тіл, що ще буде сказано.
Галілей створив теорію параболічного руху і визначив, що траєкторія тіла, що кидається, тобто тіла, що рухається під дією початкового поштовху і земного тяжіння, є параболою.
Багато було зроблено Галілеєм у галузі теорії міцності та опору матеріалів. Дуже цікаві міркування, висловлені Галілеєм про механічну подобу і про те, що у випадку, коли значна тяжкість тіла, подібності щодо міцності тіл відсутня.
Ось що пише Галілей з цього питання: «Якщо ми візьмемо дерев'яну колоду деякої товщини, вставлену, скажімо, у стіну під прямим кутом так, що вона розташовується паралельно горизонту, і припустимо, що довжина її досягне крайньої межі, при якій вона може ще триматися , тобто що при збільшенні довжини його ще на волосся воно ламається від власної тяжкості, то колода це стане єдиним у своєму роді на світі. Якщо довжина його, припустимо, перевищує його товщину в сто разів, то ми не зможемо знайти жодної колоди з того ж дерева, яке при довжині, що перевищує його товщину в сто разів, було б здатне витримати рівно стільки ж, скільки взяте для прикладу: всі колоди більшого розміру зламаються, меншого ж - будуть здатні, крім власної тяжкості, витримати ще деяке навантаження. Те, що сказано мною про здатність витримати свою власну вагу, застосовно і до інших споруд ( Цит. по: Сєдов Л. І. Галілей та основи механіки. М: Павука, 1961, с. 36-37).
У зв'язку з цим Галілей висловив дуже цікаві міркування про переваги щодо «міцності» та рухливості малих тварин у порівнянні з великими та про існування межі їх розмірів. Точне вирішення цих питань було знайдено лише приблизно через триста років.
Галілео Галілей та його роль у становленні класичної науки
Робота з обґрунтування геліоцентризму була розпочата Галілео Галілеєм, праці якого визначили весь вигляд класичної, а багато в чому і сучасної науки. Саме їм було закладено основи нового типу світогляду, а також нової науки – математичного досвідченого природознавства. Щоб глибше проникнути в математичні закони і осягнути істинний характер природи, Галілей удосконалив і винайшов безліч технічних приладів та інструментів - лінзу, телескоп, мікроскоп, магніт, повітряний термометр, барометр та ін. Колишні роздуми про Всесвіт поступилися місцем експериментальному дослідженню з метою осягнення діючих у ній універсальних математичних законів.
Г. Галілей (1564-1642)
Дуже важливо, що свою систематичну орієнтацію на досвід Галілей поєднував із прагненням його математичного осмислення. І ставив його так високо, що вважав за можливе повністю замінити традиційну логіку як марну зброю мислення математикою, яка тільки й здатна навчити людину мистецтву доказу.
Математичний аналітичний метод Галілея привів його до механістичного тлумачення буття, дозволив йому сформулювати поняття фізичного закону у його сучасному розумінні. Можна вважати, що, починаючи з робіт цього вченого, наука повністю порвала із суто якісним тлумаченням природи. Особливого значення для затвердження науки нового типу мали відкриття Галілея у галузі механіки та астрономії. Саме вони заклали міцний фундамент в обґрунтування геліоцентризму.
Геліоцентризм - картина світу, що представляє центр Всесвіту Сонце, навколо якого обертаються всі планети, у тому числі і Земля.
Однією з найсерйозніших проблем, що перешкоджають утвердженню нового світогляду, було давнє переконання, яке склалося ще в античності і підтримувалося протягом Середньовіччя, що між земними та небесними явищами та тілами існує принципова різниця. З часів Арістотеля вважалося, що небеса - місце знаходження ідеальних тіл, що складаються з ефіру і обертаються по ідеальних кругових орбіт навколо Землі. Земні тіла виникають і функціонують зовсім за іншими законами. Тому перш ніж створювати всеосяжні теорії та відкривати закони природи, вчені Нового часу мали спростувати розподіл на земне та небесне. Перший крок у цьому напрямі було зроблено Галілеєм.
Після того, як у 1608 р . була винайдена зорова труба, Галілей удосконалив її і перетворив на телескоп із 30-кратним збільшенням. З його допомогою він зробив низку видатних астрономічних відкриттів. Серед них - гори на Місяці, плями на Сонці, фази Венери, чотири найбільші супутники Юпітера. Він же перший побачив, що Чумацький Шлях є скупченням безлічі зірок. Всі ці факти доводили, що небесні тіла – це не ефірні створіння, а цілком матеріальні предмети та явища. Адже не може бути на ідеальному тілі гір, як на Місяці, або плям, як на Сонці.
За допомогою своїх відкриттів у механіці Галілей зруйнував догматичні побудови Арістотелівської фізики, яка панувала майже протягом двох тисяч років. Галілей виступив проти мислителя, авторитет якого вважався безперечним, і вперше перевірив багато його тверджень досвідченим шляхом, заклавши тим самим основи нового розділу фізики - динаміки - науки про рух тіл під дією прикладених сил. До цього єдиним більш менш розробленим розділом фізики була статика.
Статика - наука про рівновагу тіл під дією прикладених сил, заснована Архімедом.
Також Галілей вивчав вільне падіння тіл і на підставі своїх спостережень з'ясував, що воно не залежить від ваги або складу тіла. Після цього він сформулював поняття швидкості, прискорення, показав, що результатом дії сили на тіло не швидкість, а прискорення.
Проаналізував Галілей і метальний рух, на підставі чого прийшов до ідеї інерції, поки що не сформульованої точно, але зіграла величезну роль у подальшому розвитку природознавства. На відміну від Аристотеля, який думав, ніби всі тіла прагнуть досягти місця, відведеного їм природою, після чого рух припиняється, Галілей вважав, що тіло, що рухається, прагне перебувати в постійному рівномірному прямолінійному русі або в спокої, якщо тільки яка-небудь зовнішня сила не зупинить його або не відхиляє від напряму його руху. Ідея інерції дозволила спростувати одне з заперечень противників геліоцентризму, які стверджували, що предмети, що знаходяться на поверхні Землі, у разі її руху неминуче виявилися б скинутими з неї, і що будь-який метальний снаряд, що запускається вгору під прямим кутом, обов'язково приземлявся б на певній відстані від вихідної точки кидка. Поняття інерції пояснювало, що Земля, що рухається, автоматично передавала свій рух усім тілам, що перебувають на ній.
Ще одним запереченням противників геліоцентризму було те, що ми не відчуваємо руху Землі. Відповідь на нього також була дана Галілеєм у сформульованому ним класичному принципі відносності. Відповідно до цього принципу, жодними механічними дослідами, проведеними всередині системи, неможливо встановити, спочиває система або рухається рівномірно та прямолінійно. Також класичний принцип відносності стверджує, що між спокоєм і рівномірним прямолінійним рухом немає жодної різниці, вони описуються одними й тими самими законами. Рівноправність руху та спокою, тобто. інерційних систем - тих, хто спочиває або рухається один щодо одного рівномірно і прямолінійно, Галілей доводив міркуваннями і численними прикладами. Наприклад, мандрівник у каюті корабля з повною підставою вважає, що книга, що лежить на його столі, спочиває. Але людина на березі бачить, що корабель пливе, і він має всі підстави стверджувати, що книга рухається і до того ж з такою ж швидкістю, як і корабель. Так насправді рухається книга чи спочиває? На це питання, очевидно, не можна відповісти просто так чи ні. Суперечка між мандрівником і людиною на березі була б марною тратою часу, якби кожен з них відстоював лише свою точку зору та заперечував точку зору партнера. Вони обидва мають рацію, і щоб узгодити позиції, їм потрібно тільки визнати, що в один і той же час книга спочиває щодо корабля і рухається щодо берега разом з кораблем.
Закони механіки разом із його астрономічними відкриттями підводили ту фізичну основу під гіпотезу Коперника, якої її творець ще мав. З гіпотези геліоцентрична доктрина тепер починала набувати статусу теорії.
Але ще був остаточно вирішено питання про співвідношенні земних і небесних рухів, був пояснено рух самої Землі. Реальний рух планет також мало відповідав їх опису в геліоцентричну гіпотезу Коперника (круговий рух), як і в геоцентризмі Птолемея.
Великий італійський вчений Галілео Галілей (1564-1642) вів рішучу боротьбу за визнання вчення Коперника. Одночасно він розгорнув наступ по всьому фронту на середньовічну думку попів, ченців і схоластів, закладаючи основи наукового способу пізнання природи. Галілей - один із засновників експериментальної науки про природу - природознавство.Галілей народився у місті Пізі у сім'ї музиканта. Батько Галілея хотів зробити його лікарем, навіщо направив у 1581 р. до Пізанського університету. Однак інтереси Галілея лежали в іншій області, і він, покинувши вчення, переїжджає до Флоренції. Тут Галілей зайнявся вивченням математики та механіки та написав кілька робіт, присвячених механіці. У 1589 р. Галілей отримав кафедру в Пізанському університеті, а в 1592 р. - в університеті міста Падуя, де він працював до 1610 р. Протягом усього цього часу Галілей займався науковими дослідженнями в галузі фізико-математичних наук, а також технічними проблемами свого часу.
Галілео Галілей
Галілей досить рано став супротивником механіки та астрономії Арістотеля. Учень Галілея-Вівіані свідчить, що Галілей, будучи ще в Пізі, спростовував вчення Аристотеля у тому, що важкі тіла падають швидше, ніж легкі. За його свідченням, Галілей нібито навіть проводив досліди, кидаючи різні тіла з похилої вежі в Пізі. експериментального підтвердженняхибності думки Аристотеля 1 . Про раннє критичне ставлення до астрономії Арістотеля свідчить лист Галілея до Кеплера, написаний 1597 р. У цьому листі він пише:
«Я вважаю себе щасливим, що у пошуках істини знайшов такого великого союзника. Справді, боляче бачити, що є так мало людей, які прагнуть істини і готові відмовитися від хибного способу філософствування. Але тут не місце скаржитися на сумний стан нашого часу, я хочу лише побажати тобі удачі у твоїх чудових дослідженнях. Я роблю це тим охочіше, що вже багато років є прихильником вчення Коперника. Воно пояснило мені причину багатьох явищ, зовсім незрозумілих з погляду загальноприйнятих поглядів. Для спростування останніх я зібрав безліч аргументів, але я не наважуюсь опублікувати їх. Звичайно, я наважився б на це, якби було більше таких людей, як ти. Але оскільки цього немає, то я тримаю себе обережно» 2 .
Аргументами на захист вчення Коперника, про які говорить у листі Галілей, були, ймовірно, його нові відкриття в галузі механіки (пізніше він наводитиме їх на захист цього вчення).
Через 13 років Галілей мав нові аргументи, що підтверджують вчення Коперника. Вони ґрунтувалися вже на астрономічних відкриттях Галілея. У 1608 чи 1609 р.
Галілей дізнався про винахід голландськими майстрами зорової труби і в 1609 сам сконструював таку трубу. Труба-телескоп Галілея мала опуклу лінзу-об'єктив та увігнуту лінзу-окуляр.
Вона давала більш як тридцятикратне збільшення (рис. 11). Спостерігаючи за небом за допомогою цього телескопа, Галілей зробив низку найважливіших спостережень. Він відкрив, що поверхня Місяця - небесного тіла-нічим принципово не відрізняється на вигляд земної поверхні. Подібно до Землі, Місяць має гірські височини і западини. Далі Галілей встановив, що планети, на відміну від нерухомих зірок подібні до Місяця і видно в трубу у вигляді круглих дисків, що світяться. Венера ж, зовсім як Місяць, з часом змінює свій вигляд від круглого диска до вузького серпа. Галілей відкрив також супутники Юпітера. Він помітив, що навколо Юпітера обертаються чотири маленькі зірочки (супутники), подібно до того, як навколо Землі обертається Місяць. Галілей також встановив, що кількість нерухомих зірок набагато більша, ніж видно неозброєним оком.
Спираючись на свої відкриття, Галілей обережно, але наполегливо вступив на шлях поширення та обґрунтування вчення Коперника як теорії дійсної будови Всесвіту. Відразу він зустрів опір з боку богословів, які або заперечували відкриття Галілея, або посилалися на авторитет священного писання. Проте Галілей майстерно вів боротьбу, намагався не торкатися суто богословських питань. У 1516 р. стурбована церква офіційно засудила вчення Коперника, книга його була внесена до списку заборонених, і Галілей був попереджений, що відтепер він не сміє дотримуватись цього вчення та пропагувати його. Галілей змушений був на якийсь час замовкнути. Однак зібраний ним фактичний матеріал з галузі механіки та астрономії, що є підтвердженням системи Коперника, змусив Галілея, незважаючи на заборону церкви, шукати способи будь-що виступити на захист Коперника. Галілей знав, що міг при цьому розраховувати на свій авторитет вченого, який на той час був великий, а також прихильність деяких кіл вищого духовенства. Проте прямо на захист «копернікіанської єресі» виступити було неможливо, не будучи негайно схопленим інквізицією. Оцінивши всю обстановку, Галілей вирішив написати книгу, в якій по суті обґрунтовувалася система Коперника, але так, щоб автора книги формально не можна було звинуватити в захисті її. Ця книга побачила світ у 1632 р. під назвою «Діалог про дві найголовніші системи світу: птолемеєву і коперникову». Вона була написана у формі бесіди чи дискусії між прихильником вчення Коперника – сеньйором Сальвіаті та захисником системи Птолемея – Сімплічіо. У диспуті брала участь також третя особа - Сагредо, який по суті стояв на боці Сальвіаті. Щоб убезпечити себе від звинувачення в брехні, Галілей у передмові вказував, що вчення про рух Землі заборонено церквою і що в книзі це вчення лише обговорюється, а не затверджується. Проте ні передмова, ні форма твору було неможливо нікого обдурити. Захисник системи Птолемея - Сімплічіо виглядав дуже блідо і безперервно був побитий аргументами та жартами його супротивників. Читач ясно уявляв, на чиєму боці автор і яку насправді ціль він переслідував. Незабаром після появи цієї книги проти Галілея був порушений судовий процес. На початку 1633 Галілей був викликаний в Рим, де йому було пред'явлено звинувачення в тому, що він не послухався постанови про заборону дотримуватися і пропагувати вчення Коперника. Галілей відкинув це звинувачення, вказавши, що він ніде не стверджує істинності цього вчення, а говорить про нього лише як про гіпотезу. Проте йому довелося зізнатися, що, захопившись, він надто переконливо викладав умовні аргументи за те становище, яке хотів спростувати. Інквізиція задовольнилася цим поясненням, але зажадала громадського зречення вчення Коперника, що й довелося зробити Галілею. Після процесу Галілей, перебуваючи під наглядом інквізиції, продовжував займатися науковою діяльністю та написав нову наукову працю «Бесіди та математичні докази про дві нові науки», присвячений питанням механіки, акустики та деяким іншим. Рукопис цього твору було надруковано в Голландії в 1638 р. У 1642 р. Галілей помер. При його смерті були присутні два представники інквізиції.
З зовнішнього боку процес Галілея виглядав як перемога церкви, насправді це була її поразка. В результаті діяльності Галілея та його боротьби геліоцентричне вчення стало широко відомим і оволоділо умами культурних людей Європи. Щоправда, книга Галілея, як і книга Коперника, тривалий час (до 1822 р.) перебувала у списку заборонених. Проте вже у другій половині XVII ст. на цю заборону перестали звертати увагу.
У «Діалозі» на захист теорії Коперника наводиться два типи аргументів. По-перше, Галілей спирається на свої астрономічні відкриття, які підтверджували, що Земля таке ж тіло, як інші планети, і говорити про її винятковість не можна. По-друге, аргументи, засновані на його відкриттях у галузі механіки. Вони спростовували теорію Аристотеля про рух та знімали заперечення проти руху Землі, які висловив ще Птолемей. Вже Коперник відкидає ці заперечення, стверджуючи, що рух тіл разом із Землею слід вважати природним рухом. Галілей йде ще далі, стверджуючи, що будь-який рух по горизонтальній поверхні Землі, якщо виключити сили тертя, є, використовуючи термінологію Аристотеля, природним, т. е. рухом, які потребують дії сили. Воно відбувається вічне, зберігаючи свою швидкість. У цьому Галілей непросто стверджує це становище, а звертається до досвіду. Учасники «Діалогу» обговорюють такий досвід. Розглядається рух тіла по зовсім гладкій (тобто виключає тертя) похилій площині. Якщо тіло рухається вгору по похилій площині, його швидкість зменшується, якщо вниз - то збільшується. Постає питання, як рухається тіло по горизонтальній площині? Відповідь напрошується сама собою: тіло рухається з постійною швидкістю. Пізніше Галілей сформулює цей висновок у більш спільній формі:
«Коли тіло рухається горизонтальною площині, не зустрічаючи жодних опорів руху, то, як ми знаємо з усього того, що було викладено вище, рух його є рівномірним і тривало б постійно, якби площина сягала в просторі без кінця» 3 .
У такому вигляді Галілей формулює закон інерції. Це ще не загальне формулювання закону інерції, яке було дано пізніше. Але тут, звісно, зроблено принципово новий крок. У такому формулюванні під рівномірним рухом розуміється прямолінійний рух із постійною швидкістю і цей закон вже принципово відрізняється від формулювань теорій «імпетусу». З іншого боку, слід зазначити, що Галілей хоч і сформулював закон інерції для горизонтального руху, але розумів його ширше. Про це можна судити з того, як обговорюється Галілеєм питання, чому з Землі, що обертається, не розлітаються предмети, як це має місце для колеса, що швидко обертається. Галілей безперечно каже, що відкинуте з обода колеса тіло прагне потім рухатися прямолінійно по дотичній з постійною швидкістю, незалежно від того, чи відлітає воно в горизонтальному або іншому напрямку, і тільки сила тяжкості заважає цьому.
Одночасно виникає питання, чому ж тіла, що знаходяться на Землі, при її обертанні не розлітаються з її поверхні? Галілей не вирішує це питання, він думав, говорячи сучасною мовою, що відцентрове прискорення мізерно мало проти прискоренням сили тяжкості.
Отже, бачимо, що, з одного боку, Галілей ширше розумів закон інерції, ніж його формулював, з другого боку, він, мабуть, розумів, що рух Землі не можна вважати суворо інерційним.
Одночасно із законом інерції Галілей використовує інше основне положення класичної механіки, Так званий закон незалежності дії сил, знову-таки у застосуванні до руху тіл у полі сили тяжіння Землі. Тіло прагне, за Галілеєм, зберегти свою горизонтальну швидкість не лише коли підтримується горизонтальною площиною, Але й коли вільно падає, тобто якщо тіло падає, то на горизонтальну складову швидкості сила тяжіння, що діє вертикально, не має жодного впливу. З іншого боку, зміна вертикальної складової швидкості під дією сили тяжіння не залежить від того, при цьому знаходиться тіло в горизонтальному русі чи ні.
З встановлених законів Галілей пояснює, чому ми помічаємо рух Землі, перебуваючи у ньому. Так, наприклад, камінь, що вільно падає, падає вертикально, тому що в момент кидання має ту ж швидкість, що і поверхня Землі в місці кидання. Цю швидкість він зберігає під час падіння. Галілей наводить для підтвердження досвід із киданням каменю з щогли рухається корабля. Він розбирає й інші досліди з киданням тіл Землі і показує, що з допомогою не можна спростувати гіпотезу руху Землі. Узагальнюючи пояснення, Галілей формулює класичний принцип відносності. Він підкреслює, що рух за інерцією можна помітити, тільки не беручи участь у цьому русі, оскільки він не впливає на речі, що перебувають у такому русі. Пояснюючи це положення, Галілей наводить такий приклад:
«Усаміттесь з ким-небудь із друзів, - пише він, - у просторе приміщення під палубою якого-небудь корабля, запасіться мухами, метеликами та іншими подібними дрібними комахами, що літають; нехай буде у вас там також велика посудина з водою та плаваючими в ньому маленькими рибками; підвісьте далі, нагорі відро, з якого вода падатиме крапля за краплею в іншу посудину з вузьким шийкою, підставлений внизу. Поки корабель стоїть нерухомо, спостерігайте старанно, як дрібні літаючі тварини з тією самою швидкістю рухаються на всі боки приміщення; риби, як ви побачите, плаватимуть байдуже у всіх напрямках; всі краплі, що падають, потраплять у підставку, і вам, кидаючи якийсь предмет, не доведеться кидати його з більшою силою в один бік, ніж в інший, якщо відстані будуть одні й ті самі, і якщо ви стрибатимете відразу двома ногами, то зробите стрибок на однакову відстань у будь-якому напрямку. Дбайливо спостерігайте все це, хоча у вас не виникає жодного сумніву в тому, що поки корабель стоїть нерухомо, все має відбуватися саме так. Змусіть тепер корабель рухатися з будь-якою швидкістю, і тоді (якщо тільки рух буде рівномірним і без хитавиці в той чи інший бік) у всіх названих явищах ви не виявите жодної зміни і по жодному з них не зможете встановити, чи рухається корабель чи варто нерухомо» 4 .
Відкриття Галілея у сфері механіки були безпосередньо пов'язані з його обгрунтуванням вчення Коперника, але, звісно, мали самостійне значення (т. е. у розвиток механіки взагалі). Власне, з робіт Галілея і починається, по суті, розвиватися механіка як вчення про механічному русі. Про інші дослідження з механіки Галілея буде сказано нижче.
Галілею, видному представнику наукової революції, належить заслуга у боротьбі обгрунтування геліоцентричної системи світу і як основоположнику механіки. Він намітив новий експериментальний метод дослідження природи, який став основним методом експериментального природознавства. Джерелом пізнання, за Галілеєм, є досвід і лише досвід. Він засуджує схоластику, відірвану від дійсності, що спирається виключно на авторитети. Заслуга Галілея у тому, що вважає досвід джерелом пізнання. Досвід як джерело пізнання проголошувався до Галілея, і наука фактично будувалася на досвіді і до нього. Аристотель, як слушно підкреслює Галілей, визнавав, що досвід - джерело пізнання. Для науки, що розвивається, було важливо, як з досвіду має будуватися пізнання, тобто знайти правильний науковий метод досвідченого пізнання: Галілей якраз і зробив це. До Галілея досвід був лише, якщо можна сказати, вихідним пунктом пізнання. Метод дослідження загалом складався головним чином із двох ланок: безпосередніх спостережень (дуже часто - випадкових) і побудови загальної теорії виходячи з цих спостережень. Третя ж ланка, що полягає в перевірці висновків побудованої теорії, або зовсім була відсутня, або перебувала в зародковому стані, не було скільки-небудь розвинене. Тому наука у давнину мала споглядальний характер. Такою ж вона залишилася і в рамках середньовічної схоластики, а це визначало, з одного боку, її грубо емпіричний, з другого боку, спекулятивний характер. Таким було вчення Аристотеля про небо та його динаміка. В основі лежали найпростіші безпосередні] спостереження, не проаналізовані докладно. Повсякденна практика давнини і середньовіччя показувала, наприклад, що для того, щоб везти один і той самий візок з більшою швидкістю, потрібно докласти й більшого зусилля, або що часто-важчі тіла падають швидше, ніж легені. Цих та подібних спостережень Аристотелю здавалося достатньо, щоб побудувати систему всієї динаміки, що мала фантастичний характер. Ні Аристотелю, ні його учням не спадало на думку спробувати не просто узгодити теорію руху з фактами, що спостерігаються, а вивести слідства з цієї теорії і на спеціально поставлених експериментах переконатися в її правильності або неправильності.
Інакше чинить Галілей: досліджуючи рух, він відривається від безпосередніх результатів поодиноких дослідів. Закони та положення, на які він спирається, є науковими абстракціями і не випливають з поодиноких фактів, що спостерігаються. Так, закон інерції безпосередньо було перевірено Галилеем.на досвіді. Не можна було безпосередньо спостерігати рух тіла, виключивши тертя. І закон, що тіло падає рівноприскореним, також не міг бути, строго кажучи, перевірений у той час на досвіді. Однак наукова абстракція більш глибоко проникає в сутність явищ, ніж проста констатація фактів, що є виразом того загального, що ховається у цих фактах, виходить за рамки явищ, при дослідженні яких вона вперше виникає. Наукова абстракція виявляється у формі гіпотези. Гіпотеза дозволяє передбачати нові факти та явища на основі висновків з неї. Тому наукова гіпотеза стає керівною ідеєю у подальших наукових дослідженнях. Одночасно перевірка висновків з її наслідків та передбачень перетворює гіпотезу на науковий закон.
Експериментальний метод Галілея особливо чітко видно з прикладу дослідження ним законів падіння тел. Галілей починає з припущення, що тіла падають з постійним прискоренням. Це ще є гіпотеза; хоча вона і заснована на безпосередніх спостереженнях і деяких міркуваннях, все ж таки є здогадом. З цих припущень Галілей виводить наслідки. Він доводить, що й тіло падає рівноприскорено, т. е. якщо v~t, Пройдений шлях пропорційний t 2 . Техніка експерименту не дозволяла безпосередньо перевірити цей висновок (тоді не було ще навіть звичайних маятникових годин). Тому Галілей вирішує перевірити цей закон для випадку руху тіл похилою площиною. Він бере довгу дошку із жолобом, вистеленим пергаментом. Під один кінець дошки укріплює підставку так, щоб дошка утворила похилу площину. Примушуючи ковзати кульку по жолобу, він вимірює час, за який кулька проходить певну відстань по жолобу. Час руху кульки Галілей вимірює за кількістю води, що витік через малий отвір з судини. Зробивши вимірювання, Галілей виявив, що по похилій площині тіло рухається рівноприскорено, причому це справедливо для похилих площин з різними кутами нахилу. Звідси Галілей робить висновок, що це положення є правильним і для вільного падіння, так як вертикальне рух тіла вниз можна розглядати як граничний випадок руху його по похилій площині, коли кут нахилу прагне до 90 °. Отже, експеримент підтверджує основну гіпотезу і тепер вважатимуться, що закон падіння встановлено. У цьому вся дослідженні цілком чітко міститься нове ланка: обгрунтування висловленої гіпотези, висновок із неї з допомогою спеціально поставленого експериментального дослідження.
Таким чином, метод наукового дослідження Галілея можна охарактеризувати так: зі спостережень і дослідів встановлюється припущення - гіпотеза, яка хоч і є узагальненням дослідів, але включає щось нове, що безпосередньо не міститься в кожному конкретному досвіді. Гіпотеза дає можливість вивести строго математичним та логічним шляхом певні наслідки, передбачити деякі нові факти, які можна перевірити на досвіді. Перевірка наслідків і підтверджує гіпотезу – перетворює її на фізичний закон. В основних рисах цей метод і стає основним методом, за яким розвивається природознавство.
У своїх творах Галілей намітив також основні риси нового уявлення про природу матерії, рух та закономірності матеріального світу - механічного матеріалізму. Галілей був противником вчення Аристотеля про матерію та форму і у своїх творах відроджував ідеї давніх атомістів. Матеріальні речі, за Галілеєм, складаються з безлічі найдрібніших частинок, між якими є порожнечі. Зміни у природі відбуваються внаслідок руху та перерозподілу цих частинок, які не знищуються та не створюються знову. Відроджуючи атомістичну гіпотезу, Галілей визначає основні риси кількісного механічного розуміння природи. Він заперечує незліченні приховані якості, що вводяться схоластами (прагнення, антипатії тощо), і сміється з їхньої методології. Матерія, за Галілеєм, має лише прості геометричні та механічні властивості.
«Ніколи, - пише Галілей, - я не стану від зовнішніх тіл вимагати що-небудь інше, ніж величина, фігури, кількість і більш менш швидкі рухи, для того щоб пояснити виникнення відчуттів смаку, запаху і звуку; і думаю, що якби ми усунули вуха, язики, носи, то залишилися б тільки фігури, число і рухи, але не запахи, смаки та звуки, які на нашу думку, поза живою істотою є не чим іншим, як тільки порожніми іменами» 5 .
Таким чином, в особі Галілея наука розгорнула по всьому фронту наступ на світогляд середньовічних богословів, попів, ченців та схоластів, внаслідок якого йому було завдано нищівного удару. Одночасно Галілей заклав основи нового експериментального методу дослідження природи, став одним з основоположників природознавства і нового світогляду - механічного матеріалізму, який став основним світоглядом фізиків і дослідників природи взагалі. Нарешті Галілей заклав основи динаміки; з його досліджень, власне, починає розвиватися ця галузь фізичних наук.
1 З питання справедливості цього свідчення Вівіані нині висловлюють різні думки. Одні історики заперечують достовірність цих дослідів, інші вважають, що свідченням Вівіані слід вірити.
2 Данеман Ф. Історія природознавства. Т. ІІ. М.-Л., ОНТІ, 1933, с. 29.
3 Галілей Галілео. Вибрані праці. Т. ІІ. М., "Наука", 1964, с. 304.
4 Галілей Галілео, Вибрані праці. Т. I. М., "Наука", 1964, с. 286.
5 Антологія світової філософії. Т. ІІ. М., «Думка», 1970, с. 224-225.
