Классики-физики

В.В.РАНДОШКИН, Д.Ф.-М.Н.
ИОФАН, г. Москва
Классики-физики
Первый физик-экспериментатор
Истина - дитя времени, а не властей
Бертольд Брехт. Жизнь Галилея
Галилео Галилей (1564-1642) сыграл вслед за Николаем Коперником (1473-1543) и Иоганном Кеплером (15711630) выдающуюся роль в историческом развитии естествознания от Аристотеля (384-322 до н.э.) к Исааку Ньютону
(1643-1727) и далее к Альберту Эйнштейну (1879-1955). “Тот,
кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи
математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять
то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является”, - писал Галилей. Его
имя стало легендарным благодаря проведенному против него процессу инквизиции. Хотя
в 1600 г. Джордано Бруно был даже сожжен заживо на площади Цветов в Риме за вероотступничество и ересь, имя Галилея все же прочнее запечатлелось в памяти потомков. Дело
в том, что он широко подтверждал свои утверждения экспериментом, завоевывая тем самым всеобщее признание у ученых. По прошествии веков связанные с ним факты и легенды порой причудливо переплетаются. Доказано, что ни светильники в Пизанском соборе,
ни наклонная Пизанская башня не сыграла в его научной жизни той роли, которую им
приписывают. Не было и той заключительной сцены перед трибуналом инквизиции, в
которой Галилей, несмотря ни на что, сказал: ”А
все-таки она движется!” (Eppur si
2
muove!). Напротив, верно, что Галилей защищал от церковных догм копернианское учение, а затем отрекся от него, когда его жизни угрожал мученический конец, и что он тем
не менее сохранил приверженность этому учению до конца своих дней.
Метод расширения познания в физике с помощью эксперимента и математики,
продемонстрированный на примере движения свободно падающего тела, и его главные
труды [“Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo tolemaico e copernicano” (“Диалог о
двух главнейших системах мира, птоломеевой и коперниковой”), Флоренция, 1632] и
[“Discorsi e dimonstrazioni matematichi intorno a due muove scienze attenenti alla mecanica ed
movimenti locali” (“Беседы и математические доказательства о двух новых науках, касающихся механики и законов падения”), Лейден, 1638] создали Галилею славу творца и проповедника физического метода нового времени. “Требовалась исключительная сила духа,
чтобы извлечь законы природы из конкретных явлений, которые всегда были у всех перед
глазами, но объяснение которых тем не менее ускользало от пытливого взгляда философов”, - так отозвался о важнейшем вкладе Галилея в учение о движении великий математик и физик Жозеф Луи Лагранж .
Галилей с сенсационным успехом ввел в астрономию зрительную трубу как наблюдательный эксперимент и направил ее на Луну и созвездия. Тем самым он положил начало
научному исследованию космоса в то время, когда многие еще страшились погубить свою
душу тем, чтобы соучаствовать в таком “кощунственном” использовании зрительной трубы.
Теоретические идеи Галилея указали технике пути развития учения о прочности.
Он столь мастерски владел своим родным языком, что многие из его публикаций даже
занимают видное место в национальной литературе Италии.
Среди предшественников Галилея упомянем следующих:
Французский писатель Николя Оресм, переводя труды Аристотеля, для движения
тела с постоянным ускорением изобразил на диаграмме графически скорость при таком
3
движении как функцию времени, получив при этом прямую линию. Этот вывод, конечно,
нельзя рассматривать как чисто математическое высказывание, но не исключено, что Галилей мог знать об этой диаграмме Оресма.
Блазиус из Пармы в 1397 г., формулируя в виде тезисов ряд аксиом о боге, о роли
реальной существующей действительности в процессе человеческого познания, о равномерном движении в мире, об изменении движения вследствие действующих причин и пр.,
пришел к закону инерции.
Особенно выдающееся значение имела деятельность Николая из Кузы (Кузанского
- по месту рождения). Будучи епископом, он в своих книгах, в частности
в “Docta
ignorania” (“Ученое невежество”) , переходя от чисто теологического учения к философскому, приходит к признанию бесконечности Вселенной во времени и пространстве, где
звезды представляют собой небесные тела (отвергая представление о них как о точках,
прикрепленных к небесной сфере). Он высказывает мысль о вращении Земли вокруг оси,
считается наблюдателем солнечных пятен и инициатором улучшения календаря. Его
стиль мышления типично диалектический. Для него бог - coincidentia oppositorum (единство противоположностей) самого малого и самого большого.
Несмотря на эти явно сформулированные идеи зарождавшегося коперниканства,
Николай Кузанский умер кардиналом, не пострадав от инквизиции. По-видимому, его
идеи, высказанные со свойственной тому времени нечеткостью формулировок, не были
по-настоящему осознаны церковниками.
Был ли Коперник знаком с трудами Николая Кузанского, неизвестно. Однако он в
студенческие годы много путешествовал и, по-видимому, познакомился с идеями античного писателя Аристарха Самосского, который уже около 250 г. до н.э. учил, что Земля
шарообразна и не находится в центре Вселенной, а движется вокруг Солнца вместе с другими небесными телами, прикрепленными к прозрачным небесным сферам на расстояни-
4
ях, отвечающих гармоническим тонам. Звезды он рассматривал как геометрические объекты.
Коперник в своем главном труде “De revolutionibus orbium coelestium” (“Об обращении небесных сфер”) объявил центром Вселенной Солнце, вокруг которой по круговым
орбитам обращаются планеты. Замечательно, что он, приводя стихи Вергилия: ”Мы выходим из гавани, и страны и города убегают от нас”, высказывает мысль об относительности
движения - будь оно относительно Земли или Солнца. Коперник, отводя привычное возражение противников движения Земли, что в случае движения вокруг Солнца на ней должен свирепствовать ураган, отвечает им, что воздух должен двигаться вместе с Землей и
что поэтому явления, протекающие в атмосфере, не могут служить доказательством движения или неподвижности Земли, и ссылается, по сути, на закон инерции, не формулируя
его в явном виде.
Так как выход в свет главного труда Коперника, который, по его словам, “пролежал
скрытый не каких-нибудь девять лет, а уже целых четыре десятка”, совпал по времени с
его смертью (1543), то между Коперником и церковью не было конфликта. Свою роль
сыграло и анонимное предисловие (написанное, по-видимому, издателем Осиандером),
представляющее книгу как математическую гипотезу (“не требуется, чтобы эта гипотеза
была истинной или хотя бы правдоподобной, но достаточно лишь того, чтобы она при
расчетах давала результаты, согласующиеся с наблюдениями”). Тем самым против желания Коперника отвергалось его собственное стремление рассматривать свое учение как
истинное знание, но зато на следующие 73 года было обеспечено распространение его
книги.
Еще дальше Коперника пошел Джордано Бруно, который рассматривал Вселенную
как единственно сущее и вечное, а неподвижные звезды как физические объекты в бесконечном пространстве, подобные Солнцу и планетам. Злодеяние, совершенное на “Площади цветов”, так запугало и потрясло современников и последующие поколения, что про-
5
стое упоминание его имени на долгое время превратилось в политический акт. У Галилея,
которому во время сожжения Бруно было 36 лет, нельзя встретить ни единого упоминания
о нем, хотя к тогда еще не запрещенному Копернику Галилей открыто выражал свое глубокое уважение.
Галилео Галилей родился 15 февраля 1564 г. (в год смерти Микеланджело Буонарроти и в год рождения Уильяма Шекспира) в Пизе в небогатой семье ученого-музыковеда,
происходящей от знатного флорентийского рода. Образование он получил в бенедиктинском монастыре близ Флоренции. Как только Галилею исполнилось 18 лет, отец послал
его для изучения медицины в Тосканский университет в Пизе (к тому времени семья переехала во Флоренцию). Но ни медицина, ни аристотелева философия (ее изучение было
обязательным для медиков) не отвечали истинному призванию Галилея. Во флорентийской национальной библиотеке хранятся 23 листа с его конспектами лекций, прочитанными почти забытым теперь Остилио Риччи, как можно выразиться, “прикладным механиком и математиком”. Галилей распрощался с гарантирующей безбедное существование
медициной и в короткое время изучил “Элементы” Евклида и все превосходнейшие геометрические сочинения древних.
Галилей, не доведя до конца университетское образование, в 1585 г. вернулся в родительский дом во Флоренции и продолжил там свои математические занятия. Тогдашняя
математика включала в себя технические науки, астрономию и физику. Ему особенно нравилось изучать труды Архимеда, доказавшего с помощью своих опытов по гидростатике
ошибочность представлений Аристотеля о существовании абсолютно тяжелых тел (элементы Земли), испытывающих влечение к центру Земли, и абсолютно легких тел (элементы огня), испытывающих влечение к небесной сфере. Все это подводило базу под критическое отношение к наследию Аристотеля. В 1586 г. Галилей написал два рукописных
труда (о конструкции гидростатических весов и о центре тяжести твердых тел), привлекших внимание инспектора тосканских укреплений маркиза Гидобальдо дель Монте. Ре-
6
шив ряд задач по определению центра тяжести для этого заказчика, Галилей приобрел в
его лице влиятельного покровителя.
В 1587 г. Галилей поехал в Рим, чтобы получить рекомендации от самого видного
астронома и математика Италии Христофора Клавиуса. Когда ему было 24 года, он дерзко
пытался получить ставшее вакантным место профессора математики в Болонье, но потерпел неудачу. В 1589 г. он получил место доцента в Пизанском университете с окладом 60
эскудо в год (полный профессор медицины зарабатывал 2000 эскудо). В 1592 г. по рекомендации маркиза дель Монте Галилей был назначен на шесть лет ординарным официальным профессором математики в Падуанском университете. Твердый заработок 75 эскудо несущественно превышал пизанский, но здесь были несравненно больше возможностей читать выгодные частные лекции. В то время было обычным, чтобы профессора университетов для увеличения своих скромных доходов принимали в свой дом на полный
пансион платежеспособных учеников. В 1602-1609 гг. у Галилея жило около дюжины
немецких студентов. Из-за хронического безденежья Галилей частным образом преподавал астрологию и составлял гороскопы по круглой цене 10 эскудо. С каждым продлением
срока службы (в 1599 и 1606 гг.) он получал заметное повышение жалованья, но никогда в
его жизни оно не превышало 1000 эскудо. Тем не менее 18-летний падуанский период в
жизни Галилея как ученого был самым плодотворным и, вероятно, самым счастливым.
Это, к сожалению, не относится, как теперь говорим, к личной жизни.
В университете Падуи для Галилея, прекрасного дидактика и оратора, даже самые
большие аудитории часто оказывались слишком тесными. В дискуссиях он с большим
мастерством расправлялся с оппонентами. Галилей читал обычные курсы того времени, не
выступая ни против аристотелевой физики, ни в поддержку коперниканского учения. Его
частными учениками были дворяне, интересы которых лежали в области строительства
укреплений, баллистики и других военных дисциплин, что способствовало развитию его
интереса к техническим дисциплинам.
7
Галилей уже в письме из Падуи от 4 августа 1597 г., в котором он благодарит
Кеплера за труд “Mysterium cosmographicum” (1596 г.), выступает в поддержку коперниканской системы: “... я уже много лет как пришел ко взглядам Коперника и с этих позиций
открыл причины многих природных явлений, несомненно необъяснимых на основе обычных представлений. На сей счет я многое ... еще не решился опубликовать, страшась судьбы самого Коперника, который является нашим учителем. ... Я отважился бы выступить со
своими рассуждениями перед обществом, если бы больше было людей Вашего образа
мыслей. Коль скоро это все же не так, я воздерживаюсь”.
В ответном письме Кеплер призывал Галилея “объединенными усилиями довести
дело до цели”, имея в виду, что “среди значительных математиков Европы найдутся лишь
немногие, кто от нас отстранятся”. Сверхоптимистичный протестант из Граца и не подозревал, каким отчаянным будет сопротивление консерваторов.
Галилей почти не занимался астрономией до 1609 г., когда он познакомился со
зрительной трубой. Все же первое астрономическое открытие он совершил в 1604 г., обнаружив в созвездии Змееносца внезапно вспыхнувшую звезду, никак не укладывающуюся в вечно неизменную картину звездного неба, принятую схоластами.
В Падуе Галилей написал два неопубликованных (рукописных) научных труда “De
motu” (“О движении”) (1590 г) и “Le meccaniche” (“Механика”) (1593 г.), важных для суждения об истоках дальнейшего развития Галилея как ученого. В “Механике” он обобщил
закон рычага и показал, что машина не может служить тому, чтобы “каким-либо образом
обманывать природу, т.е. действовать в обход ее строгого и неизменного порядка”. В это
время он изобрел приспособление для подъема воды с помощью тягловой силы животных
(1594 г.), принесшее ему патент на использование в Венеции, и пропорциональный циркуль для геометрических и военных нужд (1597 г.).
Основные интересы Галилея в Падуе касались проблем поступательного движения
и прочности тел. Хотя эти результаты стали общеизвестными в 1638 г., войдя в “Discorsi”,
8
но его переписка свидетельствует о том, что он в основном решил эти задачи в 1609 г. В
особенности это касается выяснения того факта, что свободное падение представляет собой такое ускоренное движение, при котором скорость падающего тела получает равные
приращения за равные промежутки времени. Галилею принадлежит и количественная
формулировка закона свободного падения (пропорциональность пройденного пути квадрату времени падения).
Галилей решает также задачу движения тела, брошенного под углом к горизонту, в
случае отсутствия силы трения. При этом он опирается на закон инерции и принцип разложения движения на две составляющие: движение в горизонтальном направлении с постоянной скоростью и вертикальное движение по закону падения тел. Следуя этому принципу, Галилей приходит к правильному выводу, что траектория движения в этом случае
представляет собой параболу. При этом он показал, что наибольшая дальность полета при
равных начальных скоростях имеет место при угле бросания, равном 450.
Нужен был действительно великий ум, чтобы преодолеть “аристотелевый барьер” и
взглянуть на проблему движения по-новому. Галилей вынашивал мысль о проверке логических заключений экспериментом. Какое наслаждение он должен быть испытывать, когда его идеи подтверждались экспериментом, а экспериментальные результаты подсказывали новые идеи! И как он, наверное, был подавлен и расстроен, видя, что воздвигнутое
им солидное здание из фактов и теории являются объектом подозрительного отношения
со стороны его коллег.
Первым достижением Галилея было выдвинутое им представление о том, что движение само по себе не важно. В самом деле, человек, находящийся в закрытой со всех
сторон камере, не может вообще знать, движется он или нет, пока камера находится в состоянии равномерного прямолинейного движения; человек способен воспринимать только
изменение в движении: ускорение - вот что существенно. По-видимому, Галилей считал
это само собой разумеющимся, поскольку нигде в дошедших до нас его трудах это не за-
9
фиксировано. Дошедшее до нас утверждение, означающее решительный отход от взглядов Аристотеля, написано более чем обыденно: тело, движущееся без трения по горизонтальной плоскости, будет продолжать двигаться с постоянной скоростью. Важное для
понимания сути дополнение в конце предыдущего предложения (после запятой) сделал
потом Христиан Гюйгенс (1629-1695): “пока оно не встретит какое-нибудь препятствие”.
Но утверждение, что тело движется с постоянной скоростью, пока на него не воздействует
внешняя сила, еще предстояло сформулировать Ньютону.
Галилей первым допустил, что вблизи земной поверхности тела получают постоянное ускорение, направленное вертикально вниз. Именно это допущение позволило ему
сформулировать законы падения.
Надо понять стоявшую перед Галилеем дилемму: что следует понимать под ускорением - изменение скорости со временем (для нас как может быть по другому?) или с
пройденным расстоянием (для схоластиков по Аристотелю: тяжелые тела стремятся к
центру Земли). Галилей поставил целью найти связь между проходимым при падении
расстоянием и временем с точки зрения обоих определений ускорения, чтобы проверить
свой вывод (тело при свободном падении движется с постоянным ускорением) путем эксперимента. Он смог отказаться от второго определения ускорения в результате чисто логических рассуждений (как и все древнегреческие философы: как до, так и после Аристотеля). Он (смешивая понятия конечной и средней скоростей) говорил, что если скорость
тела пропорциональна проходимому ему расстоянию, то его скорость в конце некоторого
отрезка пути будет вдвое меньше скорости в конце вдвое большего отрезка пути, т.е. тело
пройдет удвоенный путь за то же самое время, что и данный отрезок пути. Вряд ли
найдутся возражения против нелепости.
При изучении свободного падения тел Галилей столкнулся с трудной задачей измерения времени. Он “замедлил” время, заставив тело двигаться по наклонной плоскости с
небольшим уклоном. Зная теоретически, что при этом должен меняться лишь масштаб
10
движения, он провел следующий эксперимент. Галилей прорезал в куске твердой древесины строго прямолинейный желоб с хорошо отполированными стенками и, установив
его под углом к горизонту (рис.2), скатывал вниз по желобу первоначально покоящийся
бронзовый шар. Он измерял время прохождения отрезков пути различной длины. Поскольку точные часы в то время еще не были изобретены, Галилей взвешивал воду, вытекающую из большого резервуара через тонкую трубку за время перемещения шара от одной точки желоба до другой. Он обнаружил, что это время было в точности пропорционально корню квадратному из пройденного расстояния в согласии с предположением о
постоянном ускорении, т.е. подтвердил свое предсказание. Основной результат, полученный им таков: “Степени скорости, приобретенные одним и тем же телом при движении по
наклонным плоскостям, равны между собой, если высоты этих наклонных плоскостей
одинаковы”.
Рассматривая движение тела по наклонной плоскости, Галилей выдвигает идею
связи движения тела с силой, вызывающей это движение. При этом он использует понятие
“импульса”, двояко понимая его и как величину, характеризующую движение тела, и как
величину, характеризующую стремление тела к движению. Во-первых, величина “импульса” определяется скоростью тела, поскольку при сравнении “импульсов” сравниваются
пути, проходимые телом за один и тот же промежуток времени с начала движения. Вовторых, “импульс” измеряется силой, необходимой для того, чтобы не допустить движение тела. Галилей пишет: “Совершенно ясно, что импульс тела к падению столь же велик,
как то наименьшее сопротивление или та наименьшая сила, которая достаточна для того,
чтобы воспрепятствовать падению и удержать тело”. В качестве такой силы Галилей рассматривает тяжесть. Если два связанных тела (рис.3), из которых одно (G) помещено на
наклонной плоскости, а другое (H) подвешено вертикально, находятся в равновесии, т.е.
тяжесть тела H уравновешивается стремлением тела G двигаться по наклонной плоскости
и является мерой его “импульса”,
11
Изучая ускорение свободно падающего тела, Галилей “позволил” себе опровергнуть утверждение Аристотеля, что скорость падающего тела пропорциональна его весу,
прийдя к этому с помощью следующих рассуждений. Рассмотрим два тела разного веса и
предположим, что тяжелое тело падает быстрее, чем легкое. Теперь жестко скрепим оба
тела, получив третье тело большей массы. Теперь, с одной стороны, легкое тело должно
тормозить тяжелое, а, с другой стороны, третье, самое тяжелое тело, должно падать быстрее всех. Единственный выход из этого тупика: все тела должны падать с одинаковой скоростью. Заметим, что здесь Галилей, как было принято у древнегреческих натурфилософов, провел, как мы теперь говорим, “мысленный” эксперимент.
Но выводы он под-
твердил опытом, взяв пушечное ядро массой 80 кг и мушкетную пулю массой 0,2 кг и
сбросив их с высоты примерно 60 м: оба тела достигли поверхности земли одновременно.
Согласно легенде, Галилей использовал для этого эксперимента падающую башню в Пизе.
Но ссылаясь несколько раз в своих “Диалогах” на этот, возможно, самый важный эксперимент в своей жизни, Галилей не упоминает Пизанскую башню.
Галилей ясно понимал, что законы движения тел относятся не к системе отсчета,
связанной с Землей, а к коперниканской системе отсчета. Говоря о падении или, более
общо, о движении по направлению к Земле, он уточняет, что об этом можно говорить
только приближенным образом, так как, строго говоря, свободно падающее тело вследствие вращения Земли отклоняется от вертикали.
Нельзя не сказать об экспериментах Галилея с маятником. По его словам он, будучи еще студентом, как и все остальные прихожане, регулярно посещавшие храм, тысячи раз наблюдал раскачивание светильников в Пизанском соборе (столь же малозначительное событие, как падение ньютонова яблока). Но только у него это событие возбудило
воображение. Ему всегда казалось, что период колебания был неизменным. Чтобы проверить это, Галилей в качестве эталона времени воспользовался биением своего сердца (до
чего может додуматься физик!). Оказалось, что период колебаний постоянен. Колеблю-
12
щийся маятник стал намного более точным прибором для измерения времени, чем сердце. Потом Галилей пользовался им во многих опытах для измерения времени при изучении движения тел. Имеются все основания считать, что именно Галилей изобрел маятниковые часы.
Галилей дал решающий толчок и для дальнейшего развития акустики - довольно
самостоятельно развивавшейся ветви механики. Уже в древности поняли, что чистые тона
(в противоположность шумам) основаны на периодических колебаниях источника звука.
Пифагор (570-496 до н.э.) знал, кроме того (может быть из египетских источников), что
длины струн, которые настроены на гармонические интервалы (октавы, квинты м т.д.)
относятся между собой как 1 : 2, 2 : 3 и т.д. Знали это и изобретатели органов (непременно
наличиствующихся инструментов католических храмов, широко распространившихся с в
IX столетии). Галилей в своих “Discorsi” пишет о частоте как о физическом коррелате
ощущения высоты тона. Он характеризует относительную высоту двух звуков посредством отношения их частот и выводит зависимость частоты колебания струн от их длины,
массы и механического напряжения. Галилей наблюдал возбуждение колебаний посредством резонанса и объяснил это явление. Он также показал особенность стоячих волн на
поверхности воды в сосудах.
Эта история демонстрирует сразу несколько качеств блестящего ученого. Вопервых, способность понять важное значение ничем не примечательного факта. Вовторых, особенность постоянно размышлять над проблемами своей науки. В третьих,
изобретательность ученого в отыскании средств измерения, когда, казалось бы, ничем
нельзя воспользоваться.
Эксперименты с маятником Галилей продолжил и за стенами собора. В последствии они дали ему возможность утверждать, что период колебаний остается постоянным
при изменении размаха колебаний от 4’ до 90 0. Он показал, используя грузики из свинца
и пробки, что период колебаний не зависит от массы грузика, заметив, тем не менее, что
13
колебания маятника из пробки затухают намного быстрее. Галилей ввел представление о
резонансе, показав, что амплитуду колебаний тяжелого маятника можно постепенно увеличивать, если дуть на маятник в такт с его колебаниями. Расположив гвоздь на пути нити
маятника (рис.4), он показал, что груз, несмотря на длину нити, всегда достигает высоты,
с которой он начал двигаться. Этим Галилей заложил основы наших представлений о кинетической и потенциальной энергии.
Заметим, что с наших позиций, Галилей не был столь же скрупулезным ученым как
родившийся на следующий год после его смерти Ньютон. Например, Галилей категорически утверждал, что однородный шнур, подвешенный между двумя точками, принимает
форму параболы (на самом деле получается цепная линия).
Еще до работ по механике Галилей положил начало изучению атмосферы. Он
предположил (это многие отрицали), что атмосфера - вид материи, а, значит, должна
иметь вес. Заметим, что “весомой” атмосферу считал еще Аристотель, “угадав” ее плотность как 1/10 плотности воды. Галилей поставил себе задачей измерить плотность атмосферы. Для нахождения этой плотности он, располагая примитивными нагнетательными
насосами, придумал несколько экспериментов, включая следующий. Два сосуда А, заполненный воздухом при высоком давлении, и В, наполненный водой (рис.5) , сообщаются
кожаной трубкой.. В сосуде В имеется кран, через который может выходить вода. Вначале
Галилей взвешивал сосуд А, содержащий сжатый воздух. Затем этот сосуд он соединял с
сосудом В и открывал кран. Избыточное давление вытесняло часть воды из сосуда В, которая потом собиралась и взвешивалась. После этого вновь взвешивался сосуд А. Зная
после двух взвешиваний вес воздуха, вышедшего из сосуда А, и вес вытесненной воды,
Галилей получил для плотности воздуха значение 1/400 плотности воздуха (правильная
цифра около 1/700).
Попутно он установил факт, что ни один из всасывающих насосов не может поднять воду на высоту более 10 м. Мимоходом Галилей предположил, что этот факт может
14
быть связан с давлением, производимым атмосферой, выразив его на присущем тому
времени законом как “отвращение природы к пустоте”.
С именем Галилея связывают изобретение устройства, показывающего “градус”
тепла нагретого тела. В 1592 г. он впервые во время своих лекций демонстрировал прибор
- прообраз термометра, состоящий из стеклянной трубки, верхний конец которой заканчивался шариком. Шарик слегка нагревался (например, от тепла руки), а затем трубка открытым концом помещалась в сосуд с водой. При охлаждении шарика вода поднималась
по трубке и устанавливалась выше уровня воды в сосуде. При нагревании шарика воздух в
трубке расширялся и уровень воды в нем опускался. (по крайней мере, качественно можно
было судить об изменении температуры тела (рис. 6). Таким образом, Галилея можно считать первым ученым, не только высказавшим мысль о том, что изменение температуры
тела связаны с изменением его физических свойств (в данном случае - объема), но и практически реализовавшим ее в форме прибора - термоскопа.
Заметим, что еще Герону Александрийскому и Филону из Византии было известно
свойство воздуха расширяться при нагревании.
Работы Галилея по механике прервались в 1609 г., когда он увлекся астрономией,
которая через два года сделала его самым знаменитым ученым Италии. В 1608 г. фламандцами Захарией Янсеном. Хансом Липперсгеем и др. была изобретена зрительная труба, слухи о которой дошли до Италии в апреле-мае следующего года. Галилей незамедлительно занялся изготовлением подобного инструмента, о чем через 10 месяцев писал в
“Siderius Nuncius” (“Звездный вестник”): “Сначала изготовил я трубу из свинца, на концах
которой установил две стеклянные линзы (рис.7), обе с одной стороны плоские, с другой
же одна сферически выпуклая, а другая вогнутая. Когда я затем поднес трубу к глазу вогнутым стеклом, то увидел предметы заметно увеличенными и приближенными; они
представлялись втрое ближе и вдевятеро крупнее, чем если смотреть на них смотреть невооруженным глазом ”. Его главной бессмертной заслугой остается то, что он первым
15
направил трубу на небо, создав первый телескоп (рис.8). Позднее Галилею удалось повысить линейное увеличение своих телескопов до 30, чего никто в то время не смог добиться. Используя это преимущество, ему удалось сделать ряд замечательнейших астрономических открытий, например, обнаружить спутники Юпитера и кольца Сатурна (истолкованные им как звездообразные придатки, наблюдаемые из-за недостаточного разрешения
как тройная звезда). Он начал показывать свое изделие не только друзьям, но и тем, от
кого можно было ждать вознаграждения за разработку инструмента, столь ценного и на
суше и на воде. Передав дожу в Совете Венеции одну из лучших своих зрительных труб,
он был 25 августа 1609 г. пожизненно утвержден в своей должности, и при этом ему было
назначено жалованье втрое большее, чем то, которое он получал прежде. Позднее ему
удалось добиться от великого герцога Флоренции Козимодо II, бывшего своего ученика,
указания зачислить его экстраординарным профессором математики Пизанского университета без обязанностей чтения лекций с жалованьем 1000 эскудо.
С помощью своей зрительной трубы Галилей не только открыл три спутника (этот
термин ввел Кеплер) Юпитера (позднее к ним был присоединен четвертый), но и обнаружил гористое строение Луны, оценив высоту лунных гор в 7 км, а также установил, что
Млечный Путь - не что иное, как огромное скопление звезд. Сверх известных ранее он
открыл 80 звезд в созвездии Ориона и 36 - в Плеядах. Галилей показал, что спутники
Юпитера образуют миниатюрную планетную систему, подобную системе Коперника.
Большинство современников Галилея, не обладая его возможностями, с недоверием встретили его сообщения. Самыми опасными стали так называемые парипатетики, которые напрочь отказывались посмотреть в зрительную трубу. Ему очень благоприятствовала поддержка Кеплера в борьбе против псевдоученых, опиравшихся на авторитет Аристотеля. Тем не менее, Галилей рассматривал Кеплера как серьезного научного соперника,
не пожелав под благовидным предлогом передать ему одну из зрительных труб для подтверждения своих же открытий. Кеплеру все же удалось заполучить ее на короткое время:
16
Галилей послал хороший инструмент в Кельн курфюсту Эрнсту, а тот привез его в начале
августа 1610 г. в Прагу императору Рудольфу и ссудил с 29 августа по 9 сентября Кеплеру,
что дало ему возможность подтвердить существование спутников Юпитера.
12 сентября 1610 г. Галилей явился во Флоренцию и был там встречен и принят
его высочеством, учеными и флорентийской знатью со всеми знаками уважения и любви.
Так он стал придворным философом герцога Козимодо II Медичи.
Во Флоренции он открыл фазы Венеры, сообщив об этом друзьям и коллегам,
включая Кеплера, с помощью латинских анаграмм, перевод которых в расшифрованном
виде таков: “Высочайшую планету имеется в виду Сатурн] тройною наблюдал, а Мать
Любви [имеется в виду Венера] подражает виду Цинтии [Луне]”. Используя фазы Венеры
Галилей неопровержимо доказал, что эта планета совершает круговое движение вокруг
Солнца. К этому же времени относится и открытие Галилеем того факта, что планеты ведут себя в лучах Солнца как отражающие его свет диски, чем и отличаются принципиально от звезд, обладающих собственным свечением. Пепельно-серый свет части Луны, не
освещаемой Солнцем, был для него доказательством того, что Земля (если смотреть на нее
извне) подобно другим планетам кажется светящейся. Строгое определение периодов обращения спутников Юпитера позволило ему предложить метод определения географической долготы кораблей в море. Важным для признания коперниканской картины мира
было его фундаментальное заключение, что центр, вокруг которого обращаются спутники
Юпитера, движется и сам.
В 1613 г. Галилей в труде “Istoria e dimostrazione intiorno alle macchie solari” (“История и демонстрация солнечных пятен”), сообщая о солнечных пятнах, определенно высказался в пользу истинности коперниканской системы. В 1623 г. Галилей в трактате ”Il
Saggiatore” (“Пробирщик золота”), где он неверно трактует три наблюдавшиеся в 1618 г.
кометы как испарения, возникающие на Земле, тем не менее, утверждает о неуничтожимости вещества.
17
Любопытно, что наблюдение солнечных пятен и выводы из этого были встречены с
одобрением в самых высоких церковных кругах, включая кардинала Маффео Барберини
(впоследствии папа Урбан VIII). Однако в это же время начали действовать противники и
завистники Галилея. В конце концов это привело к идеологическому конфликту между
Галилеем и церковными властями и его отречению на процессе инквизиции 1633 г., на
которых мы не будем останавливаться. Заметим только, что главой римской церкви в это
время был тот самый папа Урбан VIII, взошедший на папский престол 6 августа 1623 г.
Галилей и его сторонники сочли это благоприятным. Барберини неоднократно проявлял
благожелательный интерес к астрономическим наблюдениям Галилея и поздравлял его с
успехами в одобрительных письмах и полной пафоса оде. Став папой, он также одобрил
галилеева “Пробирщика”, приняв посвящение себе этого трактата.
Поводом к этому процессу послужило учение Коперника о движении Земли и других планет вокруг Солнца - учение, настолько противоречившее тогда общепринятым воз-
18
зрениям, что производило сенсацию и вызывало постоянное возбуждение, подобно тому,
как в нашем столетии это имело место в отношении теории относительности. Галилей был
не только единственным, но и творческим защитником этой теории, т.к. он смог укрепить
ее благодаря своим замечательным открытиям спутников Юпитера, фаз Венеры и собственного вращения Солнца. Процесс закончился осуждением. Галилей должен был отречься от учения Коперника и был осужден на пожизненное заключение. Правда ограничение его свободы постепенно смягчили, заменив заключение на домашний арест на вилле “Il Gioiello” (“Украшение”) в поместье Арчетри под Флоренцией, где прошли последние восемь лет жизни Галилея. Этот дом он не имел права оставить и в котором не имел
права никого принимать без разрешения.
Об осуждении Галилея сложилась известная легенда, будто-бы он, присягая и подписывая опровержение учения о движении Земли, сказал: “А все-таки она движется!”. Эта
легенда, исторически недоказуемая и в сущности не имеющая внутренней вероятности,
однако, неискоренима в народной молве. Ее жизненная сила покоится на том, что Галилей
в течение всего процесса должен был задавать себе вопрос: “что все это должно означать?
Ведь в фактах ничего не изменяется от того, что я или какой-нибудь другой человек чтолибо утверждает или опровергает, от того, согласны с этим или против этого политические или церковные силы. Как бы познание этих фактов не задерживалось какой-либо
силой, все равно оно когда-нибудь пробьет себе дорогу”. И так действительно произошло.
Даже церковь, осудившая Галилея, должна была в конце концов снять сопротивление в
любой форме, хотя это произошло лишь через 200 лет.
19
Коленопреклонённый Галилей
В последующем еще не раз были плохие времена для науки. В России такое время
мы переживаем сейчас. Но при любом гнете ученые умели и сумеют подняться до победоносной уверенности, которая выражается в простом предложении: “А все-таки она движется!”.
Для правильной оценки Галилея как ученого нельзя не сказать о его двух упомянутых основных трудах. “Dialogo”, где многословные споры ведут исторические лица Сальвиати (друг Галилея, умерший в 1614 г. и высказывающий мысли самого автора), Сагредо
(венецианский друг Галилея, умерший в 1620 г, выполняющий роль объективного судьи)
и перипатетик Симпличио (имя которого в переводе означает “простак” - также один из
знакомых Галилея под вымышленным именем, играющий роль сторонника Аристотеля) ,
делится на четыре дня, которые упрощенно можно тематически разделить на проблемы:
1) подобие земного и космического мира;
2) вращение Земли вокруг ее оси;
3) движение Земли вокруг Солнца;
4) приливные явления.
20
В этом труде с подчеркнутой натурфилософской направленностью описано множество явлений природы и сделана попытка их согласования с коперниканской системой
мира. Галилей предлагает словесное описание целого ряда новых по сравнению с аристотелевской физикой представлений. При этом в доказательствах используются геометрические фигуры, но читатель не встречает математических формул типа уравнений.
В отличие от “Dialogo”, “Discorsi” написаны скорее в стиле учебника физики, к тому же первого вообще. Здесь собрано воедино все, что сделал в физике этот мыслитель первый физик-универсал. Хотя в заглавии указывается на механику и законы падения,
этот труд намного шире и глубоко затрагивает также математику, особенно в леммах теории множеств и геометрических построениях.
Как и “Dialogo”, он написан в форме дискуссии и делится на четыре дня, но во втором издании после смерти автора сюда были включены из его наследия еще два дня. Пять
дней в дискуссии участвуют те же собеседники, что и в “Dialogo”, но на шестой день
Симпличио, не сориентировавшегося в некоторых доказательствах, касающихся учения о
движении и о центре тяжести, заменил дворянин из Тревизо Паоло Апронио, посещавший
лекции Галилея и бывший его другом в падуанский период.
Галилей получил книгу, изданную в протестантском Лейдене (Голландия), в 1638
г., но прочесть ее он уже не смог - длительные наблюдения Солнца и пятен на нем без соответствующей “техники безопасности” привели его к полной слепоте.
Читая “Discorsi”, глубоко проникаешься удивлением, сколь обширен вклад Галилея
в науку, сделанный им в глубокой и несмотря на перенесенное им осуждение со всеми его
последствиями. В корне ложен образ Галилея, когда представляют, будто после своего
отречения он преисполнился покорности или даже занимался самообвинениями как изменивший делу науки.
21
Литература
1. Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики Физической науки. М.: Высшая школа,
1989.
2. Храмов Ю.А. Физики / Биографический справочник. М.: Наука, 1983.
3. Кудрявцев П.С. История физики. М.: 1956, т.1.
4. Спасский Б.И. История физики. М.: Высшая школа, 1977, т.1.
5. Лауэ М. История физики. М.: Государственное издательство техникотеоретической литературы, 1956.
6. Кузнецов В.Г. Развитие научной картины мира в физике XVII-XVIII вв. м.: Издво Академии наук СССР, 1955.
7. Липсон Г. Великие эксперименты в физике. М.: Мир, 1972.
8. Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики.
М.: Высшая школа, 1981.
9. Шмутцер Э., Шютц В. Галилео Галилей. М.: Мир, 1987.