Галилео Галилей - итальянский ученый, физик, механик и астроном, один из основоположников естествознания; поэт, филолог и критик. Боролся против схоластики, считал основой познания опыт. Заложил основы современной механики: выдвинул идею об относительности движения, установил законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной плоскости, сложения движений; открыл изохронность колебаний маятника; первым исследовал прочность балок.
Родился 15 февраля 1564 в Пизе в семье, принадлежавшей к знатному, но обедневшему флорентийскому роду. Отец Галилео, Винценцо, был известным музыковедом, но, чтобы содержать семерых детей, был вынужден не только давать уроки музыки, но и заниматься торговлей сукном. Начальное образование Галилео получил дома.
В 1575, когда семья перебралась во Флоренцию, где он был направлен в школу при монастыре Валломброса, где изучал тогдашние «семь искусств», в частности грамматику, риторику, диалектику, арифметику, познакомился с работами латинских и греческих писателей. Опасаясь, что сын станет монахом, отец забрал его из монастыря в возрасте 15 лет под предлогом тяжелой болезни глаз, и следующие полтора года Галилео учился дома. Винценцо обучал его музыке, литературе, живописи, но желал видеть сына врачом, полагая, что медицина – занятие почтенное и прибыльное.
В 1581 Галилео поступил по воле отца в Пизанский университет, где должен был учиться медицине. Однако лекции в университете он посещал нерегулярно, предпочитая им самостоятельные занятия геометрией и практической механикой. В это время он впервые познакомился с физикой Аристотеля, с работами древних математиков – Евклида и Архимеда (последний стал его настоящим учителем). В Пизе Галилей пробыл четыре года, а затем, увлекшись геометрией и механикой, оставил университет.
К тому же у его отца нечем было платить за дальнейшее обучение. Галилей вернулся во Флоренцию. Здесь ему удалось найти прекрасного учителя математики Остилио Риччи, который на своих занятиях обсуждал не только чисто математические проблемы, но и применял математику к практической механике, в особенности к гидравлике. Результатом четырехлетнего флорентийского периода жизни Галилея стало небольшое сочинение Маленькие гидростатические весы.
Работа преследовала чисто практические направления: усовершенствовав уже известный метод гидростатического взвешивания, Галилей применил его для определения плотности металлов и драгоценных камней. Он изготовил несколько рукописных копий своей работы и попытался их распространить. Таким образом он познакомился с известным математиком того времени – маркизом Гвидо Убальдо дель Монте, автором Учебника по механике.
Монте сразу отметил выдающиеся способности молодого ученого и, занимая высокий пост генерал-инспектора всех крепостей и укреплений в герцогстве Тосканском, смог оказать Галилею очень важную услугу: по его рекомендации в 1589 последний получил место профессора математики в том самом Пизанском университете, где ранее был студентом. Ко времени пребывания Галилея на кафедре в Пизе относится его труд О движении (De Motu, 1590). В нем он впервые приводит доводы против аристотелевского учения о падении тел. Позже эти доводы были сформулированы им в виде закона о пропорциональности пути, пройденного телом, квадрату времени падения (по утверждению Аристотеля, «в безвоздушном пространстве все тела падают бесконечно быстро»).
В 1591 скончался отец Галилея, и ему пришлось взять на себя заботу об остальных членах семьи. К счастью, маркиз дель Монте добился для своего протеже места, более соответствовавшего его способностям: в 1592 Галилей занял кафедру математики Падуанского университета в Венецианской республике. Он должен был преподавать геометрию, механику, астрономию. Курс астрономии он читал, оставаясь в рамках официально принятых воззрений Аристотеля – Птолемея, и даже написал краткий курс геоцентрической астрономии.
Однако его действительные взгляды на систему мироздания были совершенно иными, о чем говорят следующие строки из письма к Кеплеру (4 августа 1597): «К мнению Коперника (о гелиоцентрической системе) я пришел много лет назад и, исходя из него, нашел причины многих естественных явлений». В первые годы своего профессорства Галилей занимался главным образом разработкой новой механики, построенной не по принципам Аристотеля. Он сформулировал более четко «золотое правило механики», которое вывел из открытого им более общего принципа, сформулированного в Трактате по механике (Le Meccaniche, 1594).
В этом трактате, написанном для студентов, Галилей изложил основы теории простых механизмов, пользуясь понятием момента силы. Этот труд и записки по астрономии, распространившись среди студентов, создали автору славу не только в Италии, но и в других странах Европы. Кроме того, в устном преподавании Галилей часто пользовался итальянским языком, что привлекало на его лекции многочисленных студентов. В Падуанский период жизни Галилея (1592–1610) созрели его основные работы из области динамики: о движении тела по наклонной плоскости и тела, брошенного под углом к горизонту; к этому же времени относятся исследования о прочности материалов. Однако из всех своих работ того времени Галилей опубликовал только небольшую брошюру об изобретенном им пропорциальном циркуле, позволявшем производить различные расчеты и построения.
В 1608 до Галилея дошли вести о новых инструментах для наблюдения за отдаленными объектами – «голландских трубах». Используя свои познания в геометрической оптике, Галилей посвятил «все свои труды изысканию научных начал и средств, которые делали бы возможным устройство инструментов подобного рода, и скоро нашел желаемое, основываясь на законах преломления света». Историки науки почти единодушно считают, что Галилей если не изобрел, то усовершенствовал телескоп.
Он изготовил трубу с увеличением в 30 раз и в августе 1609 продемонстрировал ее сенату Венеции. С помощью своей трубы Галилей начал наблюдение ночного неба. Он обнаружил, что поверхность Луны очень напоминает земную – она такая же неровная и гористая; что Млечный Путь состоит из мириадов звезд; что у Юпитера есть по крайней мере четыре спутника («луны»). Эти спутники Галилей назвал «светилами Медичи» в честь герцога Тосканского Козимо II Медичи.
В марте 1610 вышло небольшое сочинение Галилея на латинском языке, содержавшее обзор всех его телескопических открытий. Оно называлось Звездный вестник (Siderius Nuncius) и было издано очень большим по тому времени тиражом: 550 экземпляров, разошедшихся в течение нескольких дней. Галилей не только демонстрировал в телескоп небесные объекты своим согражданам, но и разослал экземпляры зрительной трубы по дворам многих европейских правителей. «Медичейские звезды» сделали свое дело: в 1610 Галилей был пожизненно утвержден в должности профессора Пизанского университета с освобождением от чтения лекций, и ему было назначено втрое большее жалование, чем он получал прежде.
В том же 1610 Галилей перебрался во Флоренцию. Тому было множество причин. И его желание получить место при дворе герцога Тосканского (им к этому времени стал Козимо II Медичи), и семейные проблемы, и напряженные отношения с некоторыми коллегами в университете, не прощавшими его научных успехов и высокого жалования. Закончился 18-летний период пребывания Галилея в Падуе, по его признанию – самый спокойный и плодотворный.
Мысли, высказанные Галилеем в Звездном вестнике, никак не вписывались в рамки аристотелевского мировоззрения. Они совпадали со взглядами Коперника и Бруно. Так, Галилей считал Луну сходной по своей природе с Землей, а с точки зрения Аристотеля (и церкви) не могло быть и речи о подобии «земного» и «небесного». Далее, Галилей объяснял природу «пепельного света» Луны тем, что ее темная сторона в это время освещается светом Солнца, отраженным от Земли, а отсюда следовало, что Земля – лишь одна из планет, обращающихся вокруг Солнца.
Аналогичные выводы Галилей делает и из своих наблюдений за движением спутников Юпитера: «...теперь имеется не только одна планета, вращающаяся вокруг другой и вместе с ней – вокруг Солнца, но целых четыре, путешествующих вокруг Юпитера и вместе с ним – вокруг Солнца».
В октябре 1610 Галилей сделал новое сенсационное открытие: он наблюдал фазы Венеры. Объяснение этому могло быть только одно: движение планеты вокруг Солнца и изменение положения Венеры и Земли относительно Солнца.
Против астрономических открытий Галилея посыпались возражения. Его оппоненты – немецкий астролог Мартин Хорки, итальянец Коломбе, флорентиец Францеско Сицци – выдвигали чисто астрологические и богословские аргументы, соответствовавшие учению «великого Аристотеля» и взглядам церкви. Однако вскоре открытия Галилея получили подтверждение. Существование спутников Юпитера констатировал Иоганн Кеплер; в ноябре 1610 Пейреск во Франции начал регулярные наблюдения за ними.
А к концу 1610 Галилей сделал еще одно замечательное открытие: он усмотрел на Солнце темные пятна. Их видели и другие наблюдатели, в частности иезуит Христофер Шейнер, но последний считал пятна небольшими телами, обращающимися вокруг Солнца. Заявление Галилея о том, что пятна должны находиться на самой поверхности Солнца, противоречило представлениям Аристотеля об абсолютной нетленности и неизменности небесных тел. Спор с Шейнером поссорил Галилея с иезуитским орденом. В ход пошли рассуждения об отношении Библии к астрономии, споры по поводу пифагорейского (т.е. коперниканского) учения, выпады озлобленного духовенства против Галилея. Даже при дворе великого герцога Тоскансого стали холоднее относиться к ученому.
23 марта 1611 Галилей едет в Рим. Здесь находился влиятельный центр католической учености, т.н. Римская коллегия. Она состояла из ученых-иезуитов, среди которых были хорошие математики. Отцы-иезуиты сами вели астрономические наблюдения. Римская коллегия подтвердила, с некоторыми оговорками, действительность телескопических наблюдений Галилея, и на некоторое время ученого оставили в покое.
По возвращении во Флоренцию Галилей вступил в еще один научный спор – о плавании тел. По предложению герцога Тосканского он написал по этому вопросу специальный трактат – Рассуждение о телах, пребывающих в воде. В своем труде Галилей обосновывал закон Архимеда строго математически и доказывал ошибочность утверждения Аристотеля о том, что погружение тел в воду зависит от их формы. Католическая церковь, поддерживавшая учение Аристотеля, расценила печатное выступление Галилея как выпад против церкви.
Ученому припомнили и его приверженность теории Коперника, которая, по мнению схоластов, не соответствовала Священному Писанию. Галилей ответил двумя письмами, носящими явно коперниканский характер. Одно из них – к аббату Кастелли (ученику Галилея) – послужило поводом к прямому доносу на Галилея в инквизицию. В этих письмах Галилей призывал придерживаться буквальной интерпретации любого фрагмента Библии, если только из какого-нибудь другого источника не следует «явное доказательство» того, что буквальное толкование приводит к ложным выводам.
Такой заключительный вывод не противоречил мнению, высказанному ведущим римским теологом, кардиналом Беллармином, согласно которому, если бы было найдено «реальное доказательство» движения Земли, то в буквальную интерпретацию Библии следовало бы внести изменения. Поэтому против Галилея не было предпринято никаких действий. Тем не менее до него дошли слухи о доносе, и в декабре 1615 он едет в Рим.
Защититься от обвинений в ереси Галилею удалось: прелаты и кардиналы, даже сам папа Павел V принимали его как ученую знаменитость. Тем временем, однако, был подготовлен удар по учению Коперника: 5 марта 1616 был опубликован декрет Священной Конгрегации по вопросам веры, в котором учение Коперника объявлялось еретическим, а его сочинение О вращении небесных сфер вносилось в «Индекс запрещенных книг».
Имя Галилея не упоминалось, однако Священная Конгрегация поручила Беллармину «увещевать» Галилея и внушить ему необходимость отказаться от взгляда на теорию Коперника как на реальную модель, а не как на удобную математическую абстракцию. Галилей вынужден был подчиниться. Отныне он фактически не мог проводить какую бы то ни было научную работу, поскольку в рамках аристотелевских традиций он эту работу не мыслил. Но Галилей не смирился и продолжал осторожно собирать доводы в пользу учения Коперника.
В 1632 после долгих мытарств был опубликован его замечательный труд Диалоги о двух важнейших системах мира – Птолемеевой и Коперниковой (Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo ptolemaico e copernicano). Согласие на издание книги дал папа Урбан VIII (друг Галилея, бывший кардинал Маффео Барберини, вступивший на папский престол в 1623), а Галилей в предисловии к книге, усыпляя бдительность цензуры, заявлял, что хотел лишь подтвердить справедливость запрещения учения Коперника. Свой знаменитый труд Галилей написал в виде бесед: три персонажа обсуждают различные доводы в пользу двух систем мироздания – геоцентрической и гелиоцентрической. Автор не становится на сторону ни одного из собеседников, но у читателя не остается сомнений в том, что победителем в споре является коперниканец.
Враги Галилея, ознакомившись с книгой, сразу поняли, что именно хотел сказать автор. Через несколько месяцев после выходы книги был получен приказ из Рима прекратить ее продажу. Галилей по требованию инквизиции прибыл в феврале 1633 в Рим, где против него начался процесс. Его признали виновным в нарушении церковных запретов и приговорили к пожизненному тюремному заключению. 22 июня 1633 он был вынужден, стоя на коленях, публично отречься от учения Коперника. Ему было предложено подписать акт о своем согласии впредь никогда не утверждать ничего, что могло бы вызвать подозрения в ереси. С учетом этих выражений покорности и раскаяния трибунал заменил тюремное заключение домашним арестом, и Галилей 9 лет оставался «узником инквизиции».
Сначала Галилей жил в доме своего друга архиепископа Сиены, где продолжил исследования по динамике, а затем возвратился на свою виллу под Флоренцией. Здесь, несмотря на папский запрет, он написал трактат Беседы и математические обоснования двух новых наук, касающихся механики и законов падения (Discorsi e dimonstrazioni mathematiche intorno a due nuove scienze attenenti alla meccanica ed movimenti locali), который в 1638 был опубликован в протестантской Голландии. Беседы по своей структуре похожи на Диалоги.
В них фигурируют те же персонажи, один из которых является олицетворением старой науки, не укладывающейся в рамки науки, развиваемой Галилеем и другими передовыми учеными его эпохи. Этот труд подытожил мысли Галилея по различным проблемам физики; он содержал основные положения динамики, оказавшие огромное влияние на развитие физической науки в целом. Уже после выхода Бесед Галилей сделал свое последнее астрономическое открытие – он обнаружил либрацию Луны (небольшие периодические покачивания Луны относительно центра).
В 1637 зрение Галилея стало ухудшаться, и в 1638 он полностью ослеп. Окруженный учениками (В.Вивиани, Э.Торричелли и др.), он тем не менее продолжал работать над приложениями к Беседам и над некоторыми экспериментальными проблемами. В 1641 здоровье Галилея резко ухудшилось, он умер в Арчетри 8 января 1642.
В 1737 была исполнена последняя воля Галилея – его прах был перенесен во Флоренцию, в церковь Санта-Кроче.
Только в ноябре 1979 года папа римский Иоанн-Павел II официально признал, что инквизиция в 1633 году совершила ошибку, силой вынудив отречься ученого от теории Коперника.
Это был первый и единственный в истории католической церкви случай публичного признания несправедливости осуждения еретика, совершенный спустя 337 лет после его смерти.
Научные достижения Галилея
Галилей по праву считается основателем не только экспериментальной, но - в значительной мере - и теоретической физики. В своём научном методе он осознанно сочетал продуманный эксперимент с его рациональным осмыслением и обобщением, и лично дал впечатляющие примеры таких исследований. Иногда из-за недостатка научных данных Галилей ошибался (например, в вопросах о форме планетных орбит, природе комет или причинах приливов), но в подавляющем большинстве случаев его метод приводил к цели. Характерно, что Кеплер, располагавший более полными и точными данными, чем Галилей, сделал правильные выводы в тех случаях, когда Галилей ошибался.
До Галилея научные методы мало отличались от теологических; Галилей же провозгласил, что законы Вселенной постижимы усилиями человеческого разума, и судьёй в научных спорах должен выступать эксперимент. Тем самым наука получала свой собственный критерий истины и светский характер. Отсюда берёт начало универсальный рационализм Декарта.
Эйнштейн назвал Галилея «отцом современной науки» и дал ему такую характеристику
Перед нами предстаёт человек незаурядной воли, ума и мужества, способный в качестве представителя рационального мышления выстоять против тех, кто, опираясь на невежество народа и праздность учителей в церковных облачениях и университетских мантиях, пытается упрочить и защитить своё положение. Необычайное литературное дарование позволяет ему обращаться к образованным людям своего времени на таком ясном и выразительном языке, что ему удаётся преодолеть антропоцентрическое и мифическое мышление своих современников и вновь вернуть им объективное и причинное восприятие космоса, утраченное с упадком греческой культуры.
Галилей изобрёл:
Гидростатические весы для определения удельного веса твёрдых тел.
Пропорциональный циркуль, используемый в чертёжном деле.
Первый термометр, ещё без шкалы.
Усовершенствованный компас для применения в артиллерии.
Микроскоп, плохого качества (1612); с его помощью Галилей изучал насекомых.
Занимался также оптикой, акустикой, теорией цвета и магнетизма, гидростатикой, сопротивлением материалов, проблемами фортификации. Определил удельный вес воздуха. Провёл эксперимент по измерению скорости света, которую считал конечной (безрезультатно).
Ученики Галилея
Среди учеников Галилея были:
Борелли, продолживший изучение спутников Юпитера; он одним из первых сформулировал закон всемирного тяготения. Основоположник биомеханики.
Вивиани, первый биограф Галилея, талантливый физик и математик.
Кавальери, предтеча математического анализа, в судьбе которого поддержка Галилея сыграла огромную роль.
Кастелли, создатель гидрометрии.
Торричелли, ставший выдающимся физиком и изобретателем.
В честь Галилея названы:
Открытые им «галилеевы спутники» Юпитера.
Кратер на Луне (-63?, +10?).
Кратер на Марсе (27?, +6?).
Астероид 697 Галилея .
Принцип относительности и преобразование координат в классической механике.
Космический зонд НАСА «Галилео» (1989-2003).
Европейский проект «Galileo» спутниковой системы навигации.
Внесистемная единица ускорения «Гал» (Gal), равная 1 см/сек?.
В ознаменование 400-летия первых наблюдений Галилея Генеральная Ассамблея ООН объявила 2009 год годом астрономии.
Прошло около десяти лет после героической смерти Бруно, и в 1610 г. по всему миру разнеслась весть о поразительных астрономических открытиях итальянского ученого Галилео Галилея .
Имя Галилея и до этого было известно ученым. прославился своими открытиями в физике и механике , но он с юных лет интересовался также астрономией и был убежденным сторонником учения Коперника.
Считал, что наблюдения и опыт - вернейшее средство познания природы. Поэтому в астрономии он придавал особенное значение наблюдениям неба.
Коперник, Бруно и их современники могли увидеть на небе только то, что доступно невооруженному глазу. был первым ученым, начавшим наблюдения неба при помощи построенных им зрительных труб.
Какими крохотными были эти трубы Галилея по сравнению с современными мощными телескопами, увеличивающими изображение в тысячи раз! Первая труба, с которой начал свои наблюдения, увеличивала только в три раза. Позднее ему удалось построить трубу с увеличением в тридцать два раза. Но какими волнующими, буквально потрясавшими современников были открытия, сделанные Галилеем при помощи этих самодельных инструментов!
Каждое из этих открытий было наглядным подтверждением учения гениального Николая Коперника . Наблюдая Луну, убедился, что на ней есть горы, равнины и глубокие впадины. А это означало, что лунная поверхность по своему устройству похожа на земную.
Открыл четыре спутника Юпитера, обращающиеся вокруг этой планеты. Это открытие неопровержимо доказало, что не только Земля может быть центром обращения небесных светил.
Наблюдая солнечные пятна, обнаружил , что они перемещаются по солнечной поверхности, и сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси. После этого легки было допустить, что вращение вокруг оси свойственно всем небесным телам, а не только Земле.
Но это было еще не все. Наблюдая звездное небо, убедился , что число звезд гораздо больше, чем может видеть невооруженный глаз.
Огромная белая полоса на небе - Млечный Путь - при рассмотрении ее в зрительную трубу отчетливо разделялась на отдельные звезды.
Так подтверждалась смелая мысль Бруно о том, что звезд - солнц - бесконечное множество, а значит, просторы Вселенной безграничны и неисчерпаемы.
Эти открытия Галилея были встречены восторженным удивлением современников. Вслед за Галилеем астрономы в разных странах начали наблюдать небо в астрономические трубы и полностью подтвердили открытия Галилея. Таким образом, для всех передовых людей становилось ясно, что правы Коперник и Бруно, что мнение о какой-то исключительной роли Земли в мироздании не выдерживает никакой критики.
Легко понять, какую бешеную злобу "отцов церкви" должны были вызвать открытия Галилея, наносившие еще более сокрушительный удар по религиозным вымыслам, чем в свое время вдохновенные идеи Бруно.
Передовая наука, подтвердившая правоту Коперника, была страшна для церкви . Злоба римских церковников обрушилась на всех последователей Коперника, и в первую очередь на Галилея. Специальным указом римского папы книга Коперника была изъята, а пропаганда его учения запрещена. Но не только не подчинился этому запрещению, а, наоборот, продолжал разрабатывать учение Коперника.
Много лет работал над большим трудом "Диалог о двух главнейших системах мира, Птолемеевой и Коперниковой". В этой книге, которую с огромными трудностями ему удалось издать в 1632 г., он, обобщая свои открытия, убедительно показывал безусловную правильность учения Коперника и полную несостоятельность системы Птолемея. Изданием этой книги как бы заявлял всему миру, что ему не страшны угрозы церкви, что он полон решимости до конца бороться за торжество науки против суеверия и предрассудков.
В ответ на появление этой книги римская церковь привлекла Галилея к суду инквизиции . В расправе над великим ученым "святые отцы" церкви видели единственный путь для спасения своего авторитета, разрушаемого успехами науки.
Трудно представить себе что-либо более позорное, чем судилище, перед которым пришлось предстать Галилею. Его силой заставили отречься от учения, что Земля вращается.
Осудив Галилея, инквизиция сделала все, чтобы отравить и последние годы его жизни . Он жил под домашним арестом, а постигшая его слепота не давала ему возможности продолжать заниматься наукой. В 1642 г. умер. Замечательный физик, механик, продолжатель дела Коперника, мужественный борец за науку против религиозного суеверия и невежества - таков был этот великий ученый.
НЕ МОЖЕТ ЗАБЛУЖДАТЬСЯ ПИСАНИЕ, НО ЗАБЛУЖДАТЬСЯ МОГУТ НЕКОТОРЫЕ ЕГО ИСТОЛКОВАТЕЛИ И ИЗЪЯСНИТЕЛИ
Пятнадцатого февраля исполняется 450 лет со дня рождения Галилео Галилея (†1642) — итальянского физика, астронома и математика, одним из первых, как написано в любой энциклопедии, применившего телескоп для наблюдения неба. Многим рассказывали в школе, что этот ученый открыл фазы Венеры, вращение Солнца вокруг своей оси, формы лунного рельефа, Млечный Путь как скопление звезд, а за распространение учения Коперника был преследуем инквизицией. Что из наследия этого теперь уже далекого предшественника современных ученых может оказаться нам полезным? В чем Галилей обогнал свое время, а в чем непоправимо заблуждался? На эти вопросы нам отвечает историк науки профессор философского факультета Санкт-Петербургского государственного университета, доктор химических наук Игорь Дмитриев.
— Игорь Сергеевич, часто говорят о революционном влиянии Галилея на развитие не только точных и естественных наук, но и на развитие современной цивилизации. Так ли это, на ваш взгляд?
— Галилею принадлежит ряд замечательных открытий в физике: закон равноускоренного движения, закон движения тела, брошенного под углом к горизонту, закон независимости периода собственных колебаний маятника от амплитуды этих колебаний (закон изохронности колебаний маятника) и т.д. Кроме того, с помощью сконструированного им телескопа он сделал несколько важных астрономических открытий: фазы Венеры, спутники Юпитера и др. Однако, сколь бы ни были велики его заслуги в конкретных науках, не менее, а в исторической перспективе даже более значимо другое — в его трудах рождалась методология новой науки, стиль современного научного мышления. Достижения Галилея — это не просто совокупность, пусть и очень важных, открытий в области астрономии и механики, но труд, запечатлевший глубокие изменения в отношении теоретика к своему предмету во всей его радикальности и культурной обусловленности.
В основе Галилеевой методологии лежит представление о том, что исследователь изобретает нереальные (часто экстремальные) ситуации, к которым применимы его понятия (масса, скорость, мгновенная скорость и т.д.) и тем самым понимает физическую суть реальных процессов и явлений. Опираясь на этот подход, Галилей выстраивал здание классической механики. Если обратиться к трактату Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира», сразу обращает на себя внимание: речь в нем идет о принципиальном разрыве с прошлым, что, кстати, проявилось не только в содержании и фразеологии трактата, но и в выборе гравюры для титульного листа, особенно во втором и последующих его изданиях (1635, 1641, 1663 и 1699/1700). Если в первом издании (1632) на титульном листе были изображены три персонажа (Аристотель, Птолемей и Коперник), беседующие на равных на фоне Венецианского арсенала, то в лейденском издании 1699/1700 года престарелый и немощный Аристотель сидит на скамье, Птолемей стоит в тени, а перед ними стоит моложавый Коперник в позе победителя в споре.
Традиционно натурфилософ изучал то, что стояло за реальностью, и потому его главная задача состояла в том, чтобы эту реальность (уже данную!) объяснить в причинно-следственных терминах, а не описывать ее. Описание — дело различных (конкретных) дисциплин. Однако по мере открытия новых объектов и явлений (географических открытий Колумба, астрономических открытий Тихо, Кеплера и Галилея и т.д.) выяснилось, что далеко не все они могут быть удовлетворительно объяснены с помощью традиционных схем. Поэтому нараставший эпистемологический кризис был прежде всего кризисом натурфилософским: традиционный объяснительный потенциал оказался недостаточным для охвата новой реальности (точнее, ее фрагментов, ранее неизвестных). Когда же в научных кругах Западной Европы заговорили об альтернативе «Птолемей — Коперник», речь уже шла не только о выборе между двумя (или тремя, если учесть теорию Тихо Браге) астрономическими (космологическими) теориями, но и о двух соперничавших натурфилософских системах, поскольку «новая астрономия» стала частью — и символом! — «новой натурфилософии (новой физики)», а шире — нового мировоззрения. Решающим событием, в корне изменившим ситуацию, на мой взгляд, следует считать телескопические открытия Галилея. Формально они не имели отношения к космологической тематике (во всяком случае из них никак не следовала физическая истинность теории Коперника), однако они заставили современников Галилея почти в буквальном смысле взглянуть на небеса другими глазами. Предметом дискуссий стали не движения светил, но сама «природа небес». Чисто математические аргументы отошли на второй план.
— Как повлияли идеи, исследования и открытия Галилея на осознание индивидуумом своей роли в мироздании? Сохраняется ли в мире, на ваш взгляд, это осознание сейчас?
— Начало Нового времени, XVI-XVII века — эпоха бунта. Человек стал своевольным и опасным, о чем блестяще писал российский искусствовед Александр Якимович. Творческому человеку Нового времени всего мало. Он тянется к новым смыслам, ценностям, фактам, образам, системам, но не для того, чтобы на них успокоиться, а для того, чтобы их тоже подвергнуть своей убийственной неудовлетворенности и в конечном счете уничтожить. И это неверие в способности человека, осознание его моральной, интеллектуальной и эмоциональной недостаточности стало движущей силой новоевропейской культуры. Да, человек плох, он слаб, неспособен ни познать истину, ни достойно устроить свою жизнь. А теперь за дело! Будем исправлять положение, раз уж у нас хватило мужества увидеть себя такими, какие мы есть! Надо рисковать, дерзать и дерзить! И если вернуться к Галилею, то он является результатом («продуктом») этой антропологической революции Нового времени. Он, как никто, умел и дерзать, и дерзить, нарушая традиции и подрывая устои.
Но есть и другая сторона. Галилей, закладывая основы новой науки и научной методологии, создавал модель мира природы, в котором человеку отводится роль внешнего, стороннего наблюдателя, который, познавая мир, отказывается черпать истины исключительно из трудов древних авторитетов — Аристотеля, Птолемея и др. Познавательный импульс выводит человека из мира традиционной книжной учености, но куда? В вольную природу? Нет, там можно многое увидеть, подметить кое-какие закономерности, но не познать глубинные законы явлений. Галилей выстраивает воображаемый мир, мир идеализированных объектов, который является порождением человека, но в котором человеку места нет. Это мир мысленных конструкций (материальных точек, абсолютно твердых тел и т.п.).
По мере развития науки и философии роль познающего субъекта изменилась. Многие мыслители нашего времени говорят о существовании фундаментальной согласованности основных законов и свойств Вселенной с существованием в ней жизни и разума. Это утверждение называется антропным принципом, который имеет множество формулировок. Исследования в астрофизике показывают: если бы в самые первые доли секунды Вселенная расширялась со скоростью, отличающейся от той, с которой она расширялась миллионы лет назад, то людей не было бы, поскольку не хватило бы углерода.
— Галилей много сделал для отделения науки от лженауки. Какова его роль в формировании современно-критичного отношения к научным версиям, требующего от них оформления в виде гипотез, подтверждения экспериментом и встраивания в научную теорию? Можно ли говорить, что Галилей и здесь стал реформатором, или же он следовал общему дискурсу познания мира своей эпохи?
— Галилей был скептиком и полемистом. Как любой ученый, он отстаивал свои идеи с привлечением всех доступных аргументов. При этом он не боялся идти против устоявшихся мнений и против мнений, представлявшихся ему ложными. Оба главных сочинения Галилея — «Диалог о двух главнейших системах мира» и «Беседы и математические доказательства» — пример его полемики с аристотелианцами по разным вопросам. Если говорить о лженауке и отделении ее от науки, то для Галилея лженаука — прежде всего перипатетическая натурфилософия. И, вступая в полемику, Галилей обращался к трем основным типам аргументов: к реальным наблюдениям и экспериментам (своим и чужим), мысленным экспериментам и математическим (прежде всего геометрическим) доводам. Такое сочетание аргументов было для многих его современников новым и непривычным. Поэтому многие оппоненты Галилея предпочитали переносить центр тяжести полемики в теологическую плоскость.
— Насколько серьезно, на ваш взгляд, Галилей повлиял на мировоззрение церковных людей? Был ли он верующим христианином или бунтарем-одиночкой?
— Галилей был правоверным католиком. Вместе с тем он искренне полагал, что его миссия (возложенная на него Богом) — открыть людям новый взгляд на мир и уберечь Католическую Церковь от поспешного осуждения гелиоцентрической теории Коперника по теологическим основаниям. В теологической полемике по поводу гелиоцентризма, в которую Галилей был вовлечен вопреки своей воле, он опирался на два положения: тезис кардинала Чезаре Баронио (C.Baronio; 1538-1607) «Дух Святой научает не тому, как перемещаются небеса, а тому, как нам туда переместиться» и тезис святого Августина «Истина заключена в сказанном Божественным авторитетом, а не в том, что полагается слабым человеческим разумением. Но если кто-либо невзначай сможет поддержать это утверждение таким доказательством, в коем невозможно усомниться, то тогда мы должны будем доказать, что сказанное в наших книгах о шатре небесном не противоречит этим истинным утверждениям» . При этом первый тезис используется Галилеем для обоснования второго в контексте представления о данных Всевышним двух книгах — Книге Божественного откровения, то есть Библии, и Книге Божественного творения, то есть Книге природы.
Однако все эти замечательные рассуждения имели мало ценности в глазах теологов. Фактически Галилей, при всей его искренней правоверности, когда речь заходила о демаркации между наукой и религией (точнее, теологией), отводил последней весьма скромную роль: теологические воззрения должны были временно заполнять пробелы в нашем познании мира. Теологи быстро разглядели, куда могут завести выступления «рысьеглазого» флорентийского патриция. Церковь видела в науке ту сформировавшуюся в контексте христианской культуры универсализирующую силу, которой была она сама, силу, посягающую на изучение и объяснение всего, что есть в мире. Идея разделения сфер компетенции науки и религии, которую отстаивал Галилей — мол, Дух Святой научает не тому, как перемещаются небеса, а тому, как нам туда переместиться, а следовательно, «весьма благоразумно не позволять никому использовать каким-либо образом священный текст для доказательства истинности любых натурфилософских утверждений», — теологически была совершенно неприемлема.
Вопросы о «перемещении неба» и о перемещении души на небо разделить, конечно, можно. Но остается реальная угроза, что рано или поздно найдется какой-нибудь кандидат физико-математических наук, который заявит, что и по поводу второго вопроса у него есть кое-какие соображения, и начнет писать формулы. А почему бы и нет, если Галилей в Dialogo убеждал читателя, что «хотя Божественный разум знает в них [в математических науках] бесконечно больше истин, ибо он объемлет их все, но в тех немногих, которые постиг человеческий разум, его познание по объективной достоверности равно Божественному». Был ли он бунтарем-одиночкой? Не сказал бы. Многие даже среди прелатов сочувствовали его взглядам, не говоря уже о многих математиках и астрономах в разных странах Европы, но предпочитали помалкивать. Как писал Евгений Евтушенко,
Ученый, сверстник Галилея,
Был Галилея не глупее.
Он знал, что вертится земля,
но у него была семья.
— Внес ли Галилей вклад в секуляризацию сознания, сопутствующую наступившей затем эпохе Просвещения? Можно ли назвать его предтечей просветителей?
— Думаю, внес. Действительно, обратимся к тексту его знаменитого письма своему ученику и другу Бенедетто Кастелли от 21 декабря 1613 года. В нем Галилей четко и ясно формулирует свои взгляды: «Хотя не может заблуждаться Писание, но заблуждаться могут иной раз некоторые его истолкователи и изъяснители. Ошибки эти могут быть различными, и одна из них является очень серьезной и очень распространенной; именно ошибочно было бы, если б мы захотели держаться буквального смысла слов, ибо, таким образом, получились бы не только различные противоречия, но и тяжкие ереси и даже богохульства, ибо тогда пришлось бы с необходимостью предположить, что Бог имеет руки, ноги, уши, что Он подвержен человеческим страстям, как, например, гневу, раскаянию, ненависти; что Он также иногда забывает прошлое и не знает будущего.
Итак, в Писании, правда, содержатся многие предложения, которые, взятые в буквальном смысле слова, кажутся ложными, но они выражены таким образом для того, чтобы приспособиться к невосприимчивости простонародья. Поэтому для тех немногих, которые достойны подняться над чернью, ученые истолкователи должны разъяснять истинный смысл этих слов и приводить основания, по которым этот смысл преподносится именно в таких словах.
Таким образом, если Писание, как мы выяснили, во многих местах не только допускает, но и с необходимостью требует истолкования, отличного от кажущегося смысла его слов, то мне представляется, что в научных спорах оно [Писание] должно привлекаться в последнюю очередь; ибо от слова Божия произошли и Священное Писание и Природа, первое как дар Святого Духа, а вторая во исполнение предначертаний Господа; но, как мы приняли, в Писании, чтобы приноровиться к пониманию большинства людей, высказываются многие положения, несогласные с истиной, если судить по внешности и брать буквально его слова, тогда как Природа, напротив, непреклонна и неизменна, и совершенно не заботится о том, будут или не будут ее скрытые основы и образ действия доступны пониманию людей, так что она никогда не преступает пределы законов, на нее наложенных».
Иными словами, Галилей предлагал в случае несоответствия научных утверждений буквальному смыслу священного текста отойти от его буквального понимания и воспользоваться иными (метафорическими, аллегорическими и прочими) его толкованиями. Однако теологам все эти остроумные рассуждения Галилея представлялись малоубедительными. Их контраргументы могли сводиться (и сводились) к следующему: возможно, буквалистское истолкование библейского текста и наивно, но это всё же текст Святого Духа, а не спекулятивные утверждения Галилея, в риторике которого никаких доводов, «обладающих силой необходимости и доказательности», не просматривается. Да, «две истины никогда не могут друг другу противоречить», но пока-то в наличии только одна — Священное Писание, тогда как утверждение, будто движение Солнца по небосводу — не более, чем иллюзия, еще нельзя считать «достоверным в силу опыта и неопровержимых доказательств». Я напомню, что гелиоцентрическая теория Коперника в то время еще не получила убедительных доказательств и Галилей явно переоценивал убедительность своих аргументов. Ведь что, собственно, он хотел сказать? Что геоцентрическая теория Птолемея противоречит буквальному смыслу Писания, а потому следует принять недоказанную теорию Коперника, которая тоже противоречит буквальному смыслу священного текста; к тому же, чтобы свести концы с концами, предлагается принять также некое аллегорическое толкование ряда фрагментов Библии. А чего ради?
Однако позиция Церкви по отношению к теории Коперника и науке вообще не была монолитной. Кардинал Беллармино, к примеру, делал акцент на недоказанности гелиоцентрической теории. А Папа Урбан VIII — на недоказуемости любой научной теории. Урбана VIII не устраивала не сама по себе теория Коперника и даже не то, что кто-то предпочитал ее системе Птолемея, но то, как Галилей трактовал любую научную теорию. В глазах Урбана VIII Галилей был виновен не в том, что теории Птолемея он предпочитал теорию Коперника, а в том, что он посмел утверждать, будто научная теория (любая!) может описывать реальность и раскрывать реальные причинно-следственные связи, что, по мнению Верховного понтифика, прямо вело к тяжкой доктринальной ереси — отрицанию важнейшего атрибута Бога: Его всемогущества (Potentia Dei absoluta), а если вдуматься, то и Его всеведения. В силу этого он обвинялся Церковью в распространении формальной ереси, поскольку налицо все необходимые условия для такого обвинения: «error intellectus contra aliquam fidei veritatem» («ошибка разума против какой-либо истины веры», причем ошибка, допущенная по собственной воле, — «voluntarius»), а также отягчающее обстоятельство: «cum pertinacia assertus», то есть упорство в ереси.
Не существует, по глубокому убеждению Урбана, физически истинных (и, соответственно, физически ложных) — актуально или потенциально — утверждений и теорий. Есть теории, которые лучше «спасают явления» и которые делают это хуже, есть теории более удобные для вычислений и менее удобные, есть теории, в которых больше внутренних противоречий и в которых их меньше, и т.д. Урбан полемизировал не с Галилеем (точнее, не только с ним)! Он на заре того, что часто называют научной революцией Нового времени, вел диалог (разумеется, по обстоятельствам эпохи и своего статуса, с позиции силы и в теологических терминах), если можно так выразиться, с самой методологией зарождающейся классической науки. Галилей спасал атрибуты новой науки, Урбан — атрибуты Бога. Вот что лежало в основе процесса над Галилеем 1633 года.
Папа, стоя на позициях «теологического скептицизма», требовал от Галилея признания:
— необходимости учета наряду с естественной причинностью также «причинности» иного рода, а именно учета действия некой сверхъестественной (Божественной) «каузальности», причем речь фактически шла не просто об эксклюзивном нарушении Богом «обычного хода Природы», но о детерминации естественного хода вещей сверхъестественными факторами;
— принципиальной непознаваемости истинных причин природных явлений (а не только ограниченности человеческого понимания природной реальности).
Получалось, по Урбану VIII, что даже если существует единственная непротиворечивая теория, «спасающая» явления, то есть описывающая их так, как мы их наблюдаем, то ее истинность всё равно остается в принципе недоказуемой в силу догмата о Божественном всемогуществе, который фактически лишал любую теорию ее когнитивной значимости. Человеку не дано построить истинную «систему мира». Поэтому, если натурфилософское утверждение противоречит библейскому тексту и это противоречие оказывается неразрешимым для человеческого разума, в этом случае, по мнению Папы, следует отдать предпочтение теории, наилучшим образом согласующейся с текстом Священного Писания и с теологической традицией, ибо Библия является единственным источником достоверного знания.
Вместе с тем, хотя аргумент Урбана и был облечен в теологическую форму (что естественно для Верховного понтифика), он не является чисто богословским. Если рассуждать отвлеченно-логически, позиция Папы сводилась к следующему: сколько бы наблюдаемых данных ни свидетельствовало в пользу некоторой теории, всегда можно представить некий мир, в котором все эти наблюдения будут истинными, но теория — ложной. Галилей в принципе понимал это затруднение, но ученого смущало обращение Папы именно к сверхъестественному миру. И смущало Галилея это обстоятельство, разумеется, не в силу его якобы недостаточной крепости в вере, а в силу убежденности, что Бог не иллюзионист и не обманщик, что Он создал упорядоченный мир, явления которого подчинены определенным, математически выражаемым законам, и задача науки — постичь эти законы (историк философии, разумеется, сразу уловит здесь картезианскую тему и будет прав). Если же ход естественных явлений определяется сверхъестественными причинами, то тогда в «естестве» (то есть в Природе) не остается ничего «естественного».
Подробности Категория: Этапы развития астрономии Опубликовано 19.09.2012 16:28 Просмотров: 19178
«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 писал о Галилее известный французский математик и астроном Лагранж.
Открытия Галилео Галилея в астрономии
В 1609 г. Галилео Галилей самостоятельно построил свой первый телескоп с выпуклым объективом и вогнутым окуляром. Сначала его телескоп давал увеличение примерно в 3 раза. Вскоре ему удалось построить телескоп, дающий увеличение в 32 раза. Сам термин телескоп ввёл в науку тоже Галилей (по предложению Федерико Чези). Ряд открытий, которые сделал Галилей при помощи телескопа, способствовали утверждению гелиоцентрической системы мира , которую Галилей активно пропагандировал, и опровержению взглядов геоцентристов Аристотеля и Птолемея.
Телескоп Галилея в качестве объектива имел одну собирающую линзу, а окуляром служила рассеивающая линза. Такая оптическая схема даёт неперевернутое (земное) изображение. Главными недостатками галилеевского телескопа являются очень малое поле зрения.Такая система все ещё используется в театральных биноклях, и иногда в самодельных любительских телескопах.
Первые телескопические наблюдения небесных тел Галилей провёл 7 января 1610 года. Они показали, что Луна, как и Земля, имеет сложный рельеф - покрыта горами и кратерами. Известный с древних времен пепельный свет Луны Галилей объяснил результатом попадания на нее солнечного света, отражённого Землёй. Всё это опровергало учение Аристотеля о противоположности «земного» и «небесного»: Земля стала телом принципиально той же природы, что и небесные светила, а это служило косвенным доводом в пользу системы Коперника: если другие планеты движутся, то естественно предположить, что движется и Земля. Галилей обнаружил также либрацию Луны (медленное ее колебание) и довольно точно оценил высоту лунных гор.
Планета Венера представилась Галилею в телескопе не блестящей точкой, а светлым серпом, подобным лунному.
Интереснее всего оказалось наблюдение яркой планеты Юпитер. В зрительную трубу Юпитер показался астроному уже не яркой точкой, а довольно большим кружком. Около этого кружка на небе были три звездочки, а через неделю Галилей открыл и четвертую звездочку.
Глядя на рисунок, можно удивиться, почему Галилей не сразу открыл все четыре спутника: ведь они так хорошо видны на фотографии! Но нужно вспомнить, что телескоп у Галилея был очень слабым. Оказалось, что все четыре звездочки не только следуют за Юпитером в его движений по небу, но и обращаются вокруг этой большой планеты. Итак, у Юпитера было найдено сразу четыре луны - четыре спутника. Тем самым Галилей опроверг один из доводов противников гелиоцентризма: Земля не может вращаться вокруг Солнца, поскольку вокруг неё самой вращается Луна. Ведь Юпитер заведомо должен был вращаться либо вокруг Земли (как в геоцентрической системе), либо вокруг Солнца (как в гелиоцентрической). Полтора года наблюдал Галилей период обращения этих спутников, но точность оценки была достигнута только в эпоху Ньютона. Галилей предложил использовать наблюдения затмений спутников Юпитера для решения важнейшей проблемы определения долготы на море. Сам он не смог разработать реализацию подобного подхода, хотя работал над ней до конца жизни; первым успеха добился Кассини (1681), однако из-за трудностей наблюдений на море метод Галилея применялся в основном сухопутными экспедициями, а после изобретения морского хронометра (середина XVIII века) проблема была закрыта.
Галилей открыл также (независимо от Фабрициуса и Хэрриота) солнечные пятна (тёмные области на Солнце, температура которых понижена примерно на 1500 К по сравнению с окружающими участками).
Существование пятен и их постоянная изменчивость опровергали тезис Аристотеля о совершенстве небес (в отличие от «подлунного мира»). По результатам их наблюдений Галилей сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси, оценил период этого вращения и положение оси Солнца.
Галилей установил также, что Венера меняет фазы. С одной стороны, это доказывало, что она светит отражённым светом Солнца (насчёт чего в астрономии предшествующего периода не было ясности). С другой стороны, порядок смены фаз соответствовал гелиоцентрической системе: в теории Птолемея Венера как «нижняя» планета была всегда ближе к Земле, чем Солнце, и «полновенерие» было невозможно.
Галилей отметил также странные «придатки» у Сатурна, но открытию кольца помешали слабость телескопа. 50 лет спустя кольцо Сатурна открыл и описал Гюйгенс, в распоряжении которого был 92-кратный телескоп.
Галилей утверждал, что при наблюдении в телескоп планеты видны как диски, видимые размеры которых в различных конфигурациях меняются в таком соотношении, какое следует из теории Коперника. Однако диаметр звёзд при наблюдениях с телескопом не увеличивается. Это опровергало оценки видимого и реального размера звезд, которые использовались некоторыми астрономами как аргумент против гелиоцентрической системы.
Млечный путь, который невооружённым глазом выглядит как сплошное сияние, открылся Галилею в виде отдельных звёзд, что подтвердило догадку Демокрита, и стало видно громадное количество неизвестных ранее звёзд.
Галилей написал книгу «Диалог о двух системах мира», в которой подробно обосновал, почему он принимает систему Коперника, а не Птолемея. Основные положения этого диалога следующие:
- Венера и Меркурий никогда не оказываются в противостоянии, а это означает, что они вращаются вокруг Солнца, и их орбита проходит между Солнцем и Землёй.
- У Марса противостояния бывают. Из анализа изменений яркости при движении Марса Галилей сделал вывод, что эта планета тоже вращается вокруг Солнца, но в данном случае Земля находится внутри её орбиты. Аналогичные выводы он сделал для Юпитера и Сатурна.
Осталось выбрать между двумя системами мира: Солнце (с планетами) вращается вокруг Земли или Земля вращается вокруг Солнца. Наблюдаемая картина движений планет в обоих случаях одна и та же, это гарантирует принцип относительности , сформулированный самим Галилеем. Поэтому для выбора нужны дополнительные доводы, в числе которых Галилей приводит бо́льшую простоту и естественность модели Коперника (однако отверг систему Кеплера с эллиптическими орбитами планет).
Галилей разъяснил, отчего земная ось не поворачивается при обращении Земли вокруг Солнца; для объяснения этого явления Коперник ввёл специальное «третье движение» Земли. Галилей показал на опыте, что ось свободно движущегося волчка сохраняет своё направление сама собой («Письма к Инголи»):
«Подобное явление очевидным образом обнаруживается у всякого тела, находящегося в свободно подвешенном состоянии, как я показывал многим; да и вы сами можете в этом убедиться, положив плавающий деревянный шар в сосуд с водою, который вы возьмете в руки, и затем, вытянув их, начнете вращаться вокруг самого себя; вы увидите, как этот шар будет поворачиваться вокруг себя в сторону, обратную вашему вращению; он закончит свой полный оборот в то же самое время, как вы закончите ваш».
Галилей сделал серьёзную ошибку, полагая, что явление приливов доказывает вращение Земли вокруг оси. Но он приводит и другие серьёзные аргументы в пользу суточного вращения Земли:
- Трудно согласиться с тем, что вся Вселенная совершает суточный оборот вокруг Земли (особенно учитывая колоссальные расстояния до звёзд); более естественно объяснить наблюдаемую картину вращением одной Земли. Синхронное участие планет в суточном вращении нарушало бы также наблюдаемую закономерность, согласно которой, чем дальше планета от Солнца, тем медленнее она движется.
- Даже у огромного Солнца обнаружено осевое вращение.
Чтобы доказать вращение Земли, Галилей предлагает мысленно представить, что пушечный снаряд или падающее тело за время падения немного отклоняются от вертикали, но приведенный им расчёт показывает, что это отклонение ничтожно.
Галилей также сделал верное замечание, что вращение Земли должно влиять на динамику ветров. Все эти эффекты были обнаружены много позже.
Другие достижения Галилео Галилея
Он изобрел также:
- Гидростатические весы для определения удельного веса твёрдых тел.
- Первый термометр, ещё без шкалы (1592).
- Пропорциональный циркуль, используемый в чертёжном деле (1606).
- Микроскоп (1612); с его помощью Галилей изучал насекомых.
Круг его интересов был очень широк: Галилей занимался также оптикой , акустикой, теорией цвета и магнетизма , гидростатикой (наука, изучающая равновесие жидкостей), сопротивлением материалов, проблемами фортификации (военная наука об искусственных закрытиях и преградах). Пытался измерить скорости света. Он опытным путём измерил плотность воздуха и дал значение 1/400 (сравните: у Аристотеля – 1/10, истинное современное значение 1/770).
Галилей также сформулировал закон неуничтожимости вещества.
Познакомившись со всеми достижениями Галилео Галилея в науке, невозможно не заинтересоваться его личностью. Поэтому расскажем об основных этапах его жизненного пути.
Из биографии Галилео Галилея
Родился будущий итальянский ученый (физик, механик, астроном, философ и математик) в 1564 году в Пизе. Как вы уже знаете, он является автором выдающихся астрономических открытий. Но его приверженность к гелиоцентрической системе мира привела к серьезным конфликтам с католической церковью, что очень осложняло его жизнь.
Родился он в дворянской семье, его отец был известным музыкантом и теоретиком музыки. Увлечение искусством передалось и сыну: Галилео занимался музыкой и рисованием, а также имел литературный талант.
Образование
Начальное образование он получил в ближайшем от дома монастыре, учился всю жизнь с большой охотой – в Пизанском университете изучал медицину, одновременно увлекался геометрией. В университете он проучился только около 3 лет – отец не мог больше оплачивать учебу сына, но весть о талантливом юноше дошла до высших лиц, ему покровительствовали маркиз дель Монте и тосканский герцог Фердинанд I Медичи.
Научная деятельность
Позже Галилео преподавал в Пизанском университете, а затем в более престижном Падуанском университете, где начались наиболее плодотворные годы его научной деятельности. Здесь же он активно занимается астрономией – изобретает первый собственный телескоп. Обнаруженные им четыре спутника Юпитера он назвал именами сыновей своего покровителя Медичи (сейчас их называют галилеевыми спутниками). Первые открытия с телескопом Галилей описал в сочинении «Звёздный вестник», эта книга стала настоящим бестселлером своего времени, а жители Европы спешно приобретали себе телескопы. Галилей становится самым знаменитым учёным Европы, в его честь сочиняются оды, где он сравнивается с Колумбом.
В эти годы Галилей вступает в гражданский брак, в котором у него рождаются сын и две дочери.
Конечно, у таких людей, кроме приверженцев, всегда достаточно недоброжелателей, не избежал этого и Галилей. Особенно недоброжелателей возмущала его пропагандагелиоцентрической системы миры, ведь подробное обоснование концепции неподвижности Земли и опровержение гипотез о её вращении содержалось в трактате Аристотеля «О небе» и в «Альмагесте» Птолемея.
В 1611 г. Галилей решил отправиться в Рим, чтобы убедить Папу Павла V , что идеи Коперника вполне совместимы с католицизмом. Его приняли хорошо, он продемонстрировал им свой телескоп, давая осторожные и осмотрительные пояснения. Кардиналы создали комиссию для выяснения вопроса, не грешно ли смотреть на небо в трубу, но пришли к выводу, что это позволительно. Римские астрономы открыто обсуждали вопрос, движется ли Венера вокруг Земли или вокруг Солнца (смена фаз Венеры ясно говорила в пользу второго варианта).
Но начались доносы в инквизицию. А когда Галилей в 1613 г. Галилей выпустил книгу «Письма о солнечных пятнах», в которой открыто высказался в пользу системы Коперника, римская инквизиция начала первое дело против Галилея по обвинению в ереси. Последней ошибкой Галилея стал призыв к Риму высказать окончательное отношение к учению Коперника. Тогда католическая церковь решила запретить его учение с пояснением, что «церковь не возражает против трактовки коперниканства как удобного математического приёма, но принятие его как реальности означало бы признание того, что прежнее, традиционное толкование библейского текста было ошибочным ».
5 марта 1616 г. Рим официально определяет гелиоцентризм как опасную ересь. Книга Коперника была запрещена.
Церковный запрет гелиоцентризма, в истинности которого Галилей был убеждён, был неприемлем для учёного. Он стал размышлять, как, формально не нарушая запрета, продолжать защиту истины. И решил издать книгу, содержащую нейтральное обсуждение разных точек зрения. Он писал эту книгу 16 лет, собирая материалы, оттачивая аргументы и выжидая благоприятного момента. Наконец (в 1630 г.) она была закончена, эта книга - «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой» , но вышла только в 1632 г. Книга написана в форме диалога между тремя любителями науки: коперниканцем, нейтральным участником и приверженцем Аристотеля и Птолемея. Хотя в книге нет авторских выводов, сила аргументов в пользу системы Коперника говорит сама за себя. Но в нейтральном участнике Папа римский узнал себя и свои аргументы и пришел в ярость. Уже через несколько месяцев книга была запрещена и изъята из продажи, а Галилея вызвали в Рим на суд Инквизиции по подозрению в ереси. После первого допроса его взяли под арест. Существует мнение, что по отношению к нему применялись пытки, что Галилею угрожали смертью, его допрашивали в зале пыток, где перед глазами узника были разложены страшные орудия: кожаные воронки, через которые в желудок человека вливали огромное количество воды, железные сапоги (в них завинчивались ноги пытаемого), клещи, которыми ломали кости...
Во всяком случае, он был поставлен перед выбором: либо он покается и отречётся от своих «заблуждений», либо его постигнет участь Джордано Бруно. Он не вынес угроз и отрекся от своего сочинения.
Но Галилей остался узником инквизиции до самой смерти. Ему строго запретили разговаривать с кем бы то ни было о движении Земли. И все-таки Галилей тайно работал над сочинением, где утверждал истину о Земле и небесных светилах. После вынесения приговора Галилея поселили на одной из вилл Медичи, а спустя пять месяцев ему было разрешено отправиться на родину, и он поселился в Арчетри, рядом с монастырём, где находились его дочери. Здесь он провёл остаток жизни под домашним арестом и под постоянным надзором инквизиции.
Через некоторое время, после смерти любимой дочери, Галилей полностью потерял зрение, но продолжал научные исследования, опираясь на верных учеников, среди которых был Торричелли. Только один раз, незадолго до смерти, инквизиция разрешила слепому и тяжело больному Галилею покинуть Арчетри и поселиться во Флоренции для лечения. При этом ему под страхом тюрьмы было запрещено выходить из дома и обсуждать «про́клятое мнение» о движении Земли.
Галилео Галилей умер 8 января 1642 года, на 78-м году жизни, в своей постели. Похоронили его в Арчетри без почестей, ставить памятник Папа тоже не позволил.
Позже единственный внук Галилея тоже постригся в монахи и сжёг хранившиеся у него бесценные рукописи учёного как богопротивные. Он был последним представителем рода Галилеев.
Послесловие
В 1737 г. прах Галилея, как он и просил, был перенесён в базилику Санта Кроче, где 17 марта он был торжественно погребён рядом с Микеланджело.
В 1835 г. книги, защищавшие гелиоцентризм, были вычеркнуты из списка запрещенных.
С 1979 по 1981 годы по инициативе Римского Папы Иоанна Павла II работала комиссия по реабилитации Галилея, и 31 октября 1992 года Папа Иоанн Павел II официально признал, что инквизиция в 1633 году совершила ошибку, силой вынудив учёного отречься от теории Коперника.
Глава 7 Галилео Галилей и его последователи
Галилео Галилей родился в Пизе, в дворянской семье. Его отец Винченцо преподавал музыку (и разрабатывал ее математическую теорию), а также помогал семье жены в их небольшом бизнесе. Он желал своему сыну лучшей, чем их скромная, если не сказать бедная, жизни. Но вместо того, чтобы делать карьеру в бизнесе, как советовал ему отец, 17-летний Галилео поступил в Пизанский университет, собираясь изучать медицину. Спустя четыре года он покинул университет без диплома, но с багажом знаний по математике и физике Аристотеля. Возвратившись домой к родителям, которые в то время жили во Флоренции, Галилео начал писать работы по математике, давать частные уроки и читать публичные лекции. Он помогал своему отцу в музыкальных опытах со струнами различной длины, толщины и натяжения. Интересно, что основатель экспериментальной физики занимался опытами, похожими на первые известные количественные опыты ранних пифагорейцев, обнаруживших, что при целочисленном отношении длин струн у лиры повышается ее благозвучие.
Галилей познакомился с трудами Архимеда, переведенными на латинский язык в XVI веке. Это побудило его к изучению разделов статистической механики, например вопроса о центре тяжести тела. Благодаря небольшой работе, написанной на эту тему, он был временно назначен на должность профессора математики в Пизанском университете. Через три года в возрасте 28 лет он переехал в Падую для преподавания математики и астрономии. Галилей прожил там 18 лет, проделав большинство своих знаменитых работ по изучению движения тел (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Галилео Галилей (1564–1642), основатель экспериментальной физики и первый наблюдатель небесных объектов с помощью телескопа.
Наблюдение и эксперимент.
Книги Галилея демонстрируют современный подход к изучению природы. В древности очень ценились наблюдения, но не возникало идеи проведения эксперимента с определенной целью. Вспомним главу 2: Аристотель утверждал, что мы понимаем явление только в том случае, если знаем его особую причину, окончательную цель. Только зная «мотивацию», мы можем сказать, почему это случилось. Например, камень падает, потому что его цель - приблизиться к своему естественному положению, к центру Вселенной. По мнению Аристотеля, наблюдение случайных, а не специально созданных процессов важно для их понимания.
Современная наука, напротив, считает, что если известно начальное состояние системы и все действующие силы, то можно понять, каким будет последующее состояние, не предполагая какого-либо естественного конца. Эта причинная связь делает эксперимент эффективным средством изучения природы. Изменяя в эксперименте начальное состояние, можно изучить законы, связывающие причину с результатом. Важнейшей задачей эксперимента является проверка теории, пытающейся объяснить явление. Эксперимент и теория идут рука об руку в том смысле, что хорошая теория имеет практическое значение, поскольку способна предсказывать ход природных явлений в разных ситуациях. Если говорить о прикладном значении, то взять хотя бы телевизор: мы подтверждаем лежащую в его основе теорию каждый раз, когда нажимаем кнопку «Вкл.».
Основные результаты опытов Галилея в области динамики можно сформулировать в виде нескольких законов.
1. Свободное горизонтальное движение происходит с постоянной скоростью, без изменения направления.
В нашей повседневной жизни на Земле трение всегда останавливает движение любого тела, например катящегося по ровной поверхности шара. Но благодаря своим экспериментам и интуиции Галилей пришел к заключению, что шар никогда бы не остановился, если бы трение можно было полностью устранить, то есть если бы движение было «свободным».
2. Свободно падающее тело испытывает постоянное ускорение.
Ускорением называют изменение скорости тела за единицу времени. У равномерно ускоряющегося тела, которое вначале было неподвижным, через некоторое время скорость и становится равной ускорению а, умноженному на время t (v = at). Для тела, падающего у поверхности Земли, ускорение равно 9,8 м/с 2 . Через 1 секунду скорость тела будет равна 9,8 м/с, через 2 секунды - 19,6 м/с, и т. д. В результате исследований в колледже Мертон (Оксфорд) еще в XIV веке возникло предположение, что расстояние s, пройденное равномерно ускоренным телом за время t равно половине произведения ускорения на квадрат времени (s = 1 / 2 at 2). Галилео показал, что эта формула верна, изучая движение шара, катящегося с малым ускорением вниз по наклонной плоскости. Экстраполируя этот опыт на случай вертикального движения, он пришел к выводу, что свободно падающее тело подчиняется этому же закону, то есть имеет постоянное (но большее) ускорение. Вернемся к ускорению 9,8 м/с 2 . Через 1 секунду тело упадет на 4,4 м. Через 2 секунды оно уже пройдет расстояние 17,6 м, вчетверо большее, чем за первую секунду, и т. д.
3. Все тела падают одинаково быстро.
Результат, обычно приписываемый опыту Галилея, бросавшего предметы с наклонной Пизанской башни, в действительности был получен раньше датско-бельгийским математиком Симоном Стевином. В 1586 году он заявил, что тела с различными массами падают с одинаковым ускорением. Галилей был согласен с этим мнением и мог попытаться провести подобный эксперимент с двумя плотны-ми телами различной массы. Конечно, если бы можно было убрать воздух, то молоток и перо падали бы с одинаковой скоростью и одновременно упали бы на землю. Астронавты из экспедиции «Аполлон» на безвоздушной поверхности Луны доказали, что это действительно так.
4. Принцип относительности Галилея. Траектория и скорость движения тела зависят от системы отсчета, в которой они наблюдаются.
Одним из аргументов, которые приводились против вращения Земли, было утверждение, что если бы Земля вращалась, то тело, брошенное с вершины башни, не должно было бы упасть прямо к подножию, поскольку поверхность вращающейся Земли должна немного передвинуться за время падения. Обоснованность этого аргумента можно проверить в аналогичной ситуации, бросив камень с верхушки мачты плывущего корабля. Отклонится ли траектория камня к корме корабля? Французский философ Пьер Гассенди (1592–1655) проделал такой опыт и обнаружил, что камень всегда падает на палубу рядом с основанием мачты и никакого отклонения нет! Даже падая, объект перемещается вместе с кораблем. Галилей заключил, что наблюдатель, участвующий в равномерном движении, не может обнаружить это движение в эксперименте со свободным падением. Интересно, что, с точки зрения наблюдателя, стоящего на берегу, падающий камень движется по параболической траектории. Какая же из этих траекторий «настоящая» - прямая вертикальная линия или кривая парабола? Галилей говорил, что обе траектории правильные, так как они зависят от системы отчета, которую можно связать либо с берегом, либо с равномерно движущимся кораблем, в зависимости от положения наблюдателя.
Во времена Галилея важность этих законов движения определялась двумя обстоятельствами. Во-первых, они четко отрицали старые взгляды, основанные на физике Аристотеля. Во-вторых, они помогали понять, что Земля может быть подвижной без каких-либо драматических последствий кроме ежедневных восходов и заходов Солнца и других небесных светил. Атмосфера может двигаться вместе с Землей, не производя сильного ветра и не улетая в космос.
Первые шаги в глубокий космос.
Уже то было замечательно, что Галилей показал, как можно использовать эксперименты для проверки философских идей о материи и движении и как они могут открывать новые законы природы на Земле. Но это было еще не все. Он смог взглянуть на небо с помощью нового инструмента, возможности которого намного превысили способность невооруженного глаза и позволили обнаружить новые явления во Вселенной.
Галилео услышал, что в Нидерландах шлифовщик линз построил прибор, приближающий далекие объекты. Летом 1609 года он сам сделал такой же инструмент, который мы теперь называем телескопом. В первую очередь Галилей думал о том, что прибор может быть использован моряками и что продажа телескопов могла бы улучшить его материальное положение. Он показал свой инструмент правителям Венеции, которые с удивлением обнаружили, что можно увидеть далекий корабль в Венецианском заливе и еще до его приближения распознать, друг это или враг. Галилео представил свой телескоп верховному правителю Венеции - дожу. Тот был настолько впечатлен, что продажи Галилея увеличились вдвое, а его временная должность профессора стала пожизненной. Два телескопа, изготовленные Галилеем, демонстрируются в Музее истории науки (Institute е Museo di Storia della Scienza) во Флоренции. Линзы их объективов имеют диаметры 16 и 26 мм. По современным стандартам телескоп Галилея был, конечно, не самым лучшим. Но он радикально усилил возможности человеческого глаза при наблюдении небольших, тусклых и далеких объектов. Направив телескоп в небо, Галилей сделал неожиданные открытия. В книге «Звездный вестник», опубликованной в 1610 году, Галилей рассказал о своих новых космических открытиях.
Луна, которая кажется ровной сферой, в действительности имеет неровную поверхность с горами, ямами и долинами, наряду с большими плоскими районами.
Многие новые звезды, невидимые невооруженным глазом, появляются на небе при наблюдении в телескоп, особенно Млечный Путь - огромное облако тусклых звезд.
У Юпитера четыре обращающихся вокруг него спутника.
Позднее, в 1610 году, Галилей совершил новые открытия.
Венера имеет фазы наподобие Луны.
На Солнце есть пятна, движение которых по диску отражает его вращение с периодом около месяца (возможно, это открытие независимо сделали и другие астрономы).
Все это было настолько ново и радикально, что многие не смогли сразу принять и согласиться, тем более что кроме слов самого Галилея никаких других доказательств не было. А наблюдение в телескоп не очень-то помогало: размазанное дрожащее изображение первых телескопов не пользовалось доверием. Современный маленький бинокль дает гораздо лучшее изображение. Быть может, вам захочется с помощью бинокля найти на небе Юпитер и заметить один из его четырех крупных спутников. В конце концов вам, вероятно, удастся увидеть один или даже несколько спутников, но для этого понадобится прочный и устойчивый современный штатив, вроде тех, что у фотоаппаратов.
Открытия Галилео стали сенсацией, а его книга - бестселлером. Бе первые 550 экземпляров оказались быстро распроданы. Слава автора не ограничилась Европой: через четыре года книга была издана в Китае священником-иезуитом, описывающим новые небесные явления, открытые в далекой экзотической Италии.
Рис. 7.2. Фазы Венеры ясно показывают, что она действительно обращается вокруг Солнца, а не бродит туда-сюда между Землей и Солнцем, как утверждалось в древней системе мира. Рисунок: NASA.
Открытия Галилея, сделанные при помощи телескопа, поддержали идею Коперника. Ее оппоненты утверждали, что если бы Земля обращалась вокруг Солнца, то Луна должна была бы отстать. Теперь же стало видно, что спутники Юпитера обращаются вокруг него и не отстают при движении Юпитера по орбите. Венера, как и Луна, меняет фазы, и это означает, что она при движении вокруг Солнца выходит из-за Солнца и оказывается между Землей и Солнцем (рис. 7.2). Наконец, кратеры на Луне и солнечные пятна указывают, что эти тела состоят из вещества, похожего на вещество «несовершенной» Земли (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Галилей был одним из первых, кто заметил пятна на Солнце. Это современное фото показывает группу огромных пятен, наблюдавшихся на Солнце в 2001 году. Солнечные пятна - это временные образования: одни пятна со временем исчезают, другие появляются. Теперь мы знаем, что причиной появления пятен служат сильные магнитные поля, выходящие из внутренних областей Солнца. Пятна кажутся темными, потому что они немного холоднее окружающей поверхности.
Кеплер и Галилей были совершенно разными людьми, и это отразилось в их подходе к науке. Кеплер был тихим, глубоким теоретиком, с хрупким здоровьем и слабым телом. Галилей, крупный и здоровый, имел горячий нрав, ясный ум и острый язык. Поэтому он часто конфликтовал с другими учеными. Хотя Галилей не принял кеплеровскую теорию движения планет (он рассматривал круговые движения как естественные), их работы дополняли друг друга на протяжении всего времени, пока мостилась дорога к новой физике Земли и небесных объектов.
Борьба на два фронта.
В 1616 году католическая церковь объявила учение о движении Земли абсурдным и еретическим. Этому предшествовала сложная цепь событий. Определенную роль сыграли зависть малограмотных профессоров, споры между вспыльчивым Галилеем и начальством университета, а также желание втянуть Галилея в спор о системе мира и положениях Библии. В результате книга Коперника и ряд других книг были «задержаны, пока не будут исправлены». Ну а, к примеру, книга Фоскарини была вообще запрещена - монах ордена кармелитов пытался доказать, что движение Земли не противоречит Библии. В 1620 году были запрещены и «все другие книги, утверждающие то же самое». И так было вплоть до издания «Индекса запрещенных книг» 1835 года, после которого идеи Коперника более не преследовались.
Один из веских аргументов в пользу запрета - как со стороны религии, так и со стороны науки - состоял в том, что движение Земли все еще не было доказано. Эта чрезвычайно смелая теория вынуждена была вести борьбу на двух взаимосвязанных фронтах - в науке и в обществе. В 1632–1633 годах перед трибуналом инквизиции в Риме состоялся суд над Галилеем. Причиной судебного разбирательства послужила книга «Диалог о двух главнейших системах мира». Папа Урбан VIII, который проявлял интерес к космологии, уговорил своего друга Галилея написать новую книгу. Но он сказал Галилею, что система Коперника должна быть представлена только как гипотеза (это позволял Декрет 1616 года), и Галилей согласился. Но когда книга была издана, оказалось, что в ней Галилей пытается доказать, что Земля движется. Положение усугубилось еще и тем, что не очень умный персонаж книги - Симпличио, приверженец геоцентрической картины мира, был явной карикатурой на папу. Вердикт суда принудил Галилея публично объявить, что Земля неподвижна. К счастью, во время суда с 70-летним ученым обращались хорошо, его не поместили в камеру и не пытали.
Злоключения Галилея, подобно казням Сократа и Бруно, стали символом борьбы за свободу мысли. Но было бы слишком просто считать это столкновением науки и религии. Революционеры в науке - Коперник, Кеплер и Галилей, а затем и Ньютон - верили в Бога, как и большинство их современников в Европе, и не утверждали, что Библия противоречит науке. Новые идеи были враждебно встречены религиозными лидерами, которые приспособили систему Птолемея для своих догм, что позже назвали «незаконным браком науки и религии».
Картезианская физика
Суд над Галилеем стал частью коперниканской революции и вынудил учен. ых искать дополнительные доказательства в пользу новой системы мира. Однако история с Галилеем заставила на некоторое время прекратить открытые дискуссии на эту тему. Одним из тех, кого в 1633 году встревожили новости из Рима, был Рене Декарт (1596–1650), французский философ и математик, только что закончивший работу «Мир». В этой книге он представил свою физическую систему мира, включающую гелиоцентризм. Декарт решил отложить рукопись, и она была опубликована лишь после его смерти.
Впрочем, Декарт сделал и многое другое, что повлияло на философию, физику и математику еще при его жизни. Отправной точкой «картезианской физики» был закон инерции. Он обсуждался Галилеем, но только Декарт сформулировал его для идеальной частицы в бесконечном пространстве. Если частица не соприкасается с другой частицей, то она будет либо сохранять начальное состояние покоя, либо двигаться с постоянной скоростью по прямой. Закон Декарта о движении свободной частицы по инерции очень похож на первый закон движения Ньютона, который мы обсудим позднее. Однако, в отличие от гравитационного притяжения сквозь пустое пространство, в физике Декарта ничего не происходит, пока частица не отклонится при столкновении с другой частицей; иными словами - изменения в нашем мире вызываются столкновениями. Нет загадочного взаимодействия на расстоянии; все тела постоянно находятся в контакте с другими телами. Даже пространство между звездами не пустое, а заполнено частицами эфира.
Исходя из этих предположений, Декарт объяснял различные явления, включая движение планет: вместо гравитации их движение вызвано частицами эфира, роящимися вокруг Солнца. Подобные же вихри существуют и вокруг других звезд. Солнечный вихрь смог захватить оказавшиеся поблизости мертвые звезды, так появились планеты, в том числе и Земля.
Описывая движение планет, картезианская физика смогла предложить только качественное, туманное объяснение этого явления. Ньютон же с помощью своих новых законов движения, включая гравитационное притяжение сквозь пустое пространство, смог построить количественную математическую физику, которая заменила декартовскую физику. Тем не менее исследовательская позиция Декарта влияла на научное мышление в течение всего периода коперниканской революции. Декарта часто называют отцом современной математики. Он объединил геометрию с алгеброй, создав аналитическую геометрию, в которой положение точки на математической плоскости определяется двумя координатами - x и у . Говорили, что корни этой идеи уходят в его детство, когда он наблюдал за мухой, ползавшей по потолку над его кроватью. Как описать путь мухи? Это можно сделать, если каждую точку потолка описать парой чисел (x:, у). В качестве примера можно привести прямоугольную систему координат. В ней расстояние между любыми двумя точками можно определить просто из разности координат: (расстояние) 2 = (расстояние по x ) 2 + (расстояние по y ) 2 .
Введение точного времени.
Время в современном смысле ввел в науку Галилей. В своих опытах с шаром, катящимся вниз по наклонной плоскости, он вместо часов использовал биение собственного сердца. Кроме того, он измерял время, взвешивая воду, вытекшую через отверстие в сосуде, но затем он понял, что для этой цели можно использовать маятник. Рассказывают, что в возрасте 20 лет, когда он оказался на мессе в кафедральном соборе, его внимание привлекли люстры, свисающие с потолка на длинных цепях. От сквозняка они величественно раскачивались. Люстры были подвешены на цепях одинаковой длины, но имели разный вес. Однако раскачивались они при этом с одинаковой частотой. Это подтолкнуло Галилея к опыту, показавшему, что в действительности период качания зависит не от веса груза у маятника, а от его длины. Галилею пришла идея, что можно собрать часовой механизм, используя постоянные колебания маятника, если умудриться поддерживать эти колебания и механически считать их количество. С уменьшением длины маятника период становится короче, поэтому можно точно измерять короткие интервалы времени.
Идею маятниковых часов реализовал голландский физик Христиан Гюйгенс (1625–1695). В его маятниковых часах была решена проблема поддержания колебаний, а измерение времени происходило с ошибкой около 10 секунд в сутки, в отличие от существовавших до этого механических часов, дававших ошибку около 15 минут в сутки.
Возвращаясь к вопросу о движении Земли и имея в виду более поздние работы Ньютона по гравитации, укажем, что именно Гюйгенс в 1659 году определил, каким должно быть ускорение к центру, чтобы тело двигалось по круговой орбите. Он показал, как вычислить ускорение к центру: нужно разделить квадрат круговой скорости на радиус окружности. Например, на экваторе Земли скорость равна 464 м/с, а радиус Земли равен 6,380 x 10 6 м. Таким образом, центростремительное ускорение, необходимое для того, чтобы удержать воздух у поверхности Земли, равно (464 х 464)/6 380 000 = 0,0337 м/с 2 . С другой стороны, притяжение Земли придает телу центростремительное ускорение 9,8 м/с 2 , что гораздо больше необходимого значения. Прежде боялись, что вращение Земли может стать причиной ветра и сдуть воздух в космическое пространство. Приведенные выше вычисления показывают, что ускорение, вызванное гравитацией, гораздо больше, чем требуется для удержания воздуха у поверхности вращающейся Земли. Поэтому нет никакого риска, что воздух улетит в космос.
Эволюция телескопа.
Первые астрономические наблюдения Галилея показали, насколько сильно даже маленький телескоп увеличивает возможности человеческого глаза. Телескоп собирает намного больше света, чем глаз. Это дает возможность увидеть гораздо более тусклые объекты, чем доступные невооруженному глазу. Например, в области Плеяд Галилей увидел 36 звезд вместо обычных 6. На фотографиях, полученных с помощью современных телескопов, в этой группе видны сотни звезд. Большой объектив значительно улучшает и разрешение. Это означает, что две близкие звезды, сливающиеся для невооруженного глаза в одно пятнышко, можно увидеть по отдельности в телескоп. Способность собирать больше света, чем глаз, и высокое разрешение дают возможность увидеть больше структур и тусклых объектов на звездном небе. Высокое разрешение позволяет более точно определять положения (координаты) звезд. А это очень важно при измерении расстояний до звезд, о чем мы расскажем в следующей главе.
Конструкцию телескопа Галилея вскоре улучшил Кеплер, предложив оптическую схему, используемую по сей день. В «кеплеровском» телескопе большая объективная линза дает изображение небесного объекта на большом расстоянии от объектива. Детали этого изображения рассматривают с помощью увеличивающей выпуклой окулярной линзы.
Качество изображения первых телескопов было плохим. Простые линзы отягощены цветовыми ошибками (хроматическая аберрация), вызванными тем, что световые лучи разного цвета не фокусируются в одной точке, поэтому изображение звезды получается размытым пятнышком, окруженным цветными разводами. В определенной степени линза действует как призма. Изобретение ахроматических объективов в XVIII веке намного улучшило изображения. Прежде для этого были вынуждены сооружать очень длинные телескопы. Когда отношение диаметра объективной линзы и ее фокусного расстояния мало, лучи света лишь слегка преломляются, цветовая погрешность меньше, а изображение резче. На рис. 7.4 показаны такие длинные телескопы Парижской обсерватории.
Рис. 7.4. «Воздушные телескопы» Парижской обсерватории XVII века. Даже при том, что они были очень неудобными в работе, с их помощью были сделаны открытия.
Христиан Гюйгенс тоже строил телескопы, самый большой из которых имел в длину 37 м. Невозможно было сделать такую гигантскую сплошную трубу, поэтому объективная линза устанавливалась на верхушке шеста или на коньке кровли, а управляли ее положением с помощью длинной веревки, стоя на земле и удерживая окуляр перед глазом. Судя по всему, очень неудобно было работать с таким инструментом, следя за вращающимся звездным небом. Тем не менее при помощи этих инструментов получали интересные наблюдательные данные. Например, Гюйгенс обнаружил, что странные отростки у Сатурна, замеченные Галилеем, в действительности являются тонким плоским диском вокруг планеты в ее экваториальной плоскости.
Другим знаменитым наблюдателем эпохи длинных телескопов был поляк Ян Гевелий (1611–1687), имевший собственную обсерваторию в Гданьске. Это была первая в мире обсерватория, оснащенная телескопом. Наблюдениями занималась и его жена Елизавета. Инструмент Гевелия имел 45 м в длину! Его сложная система канатов и реек напоминала оснащение парусного судна и для управления определенно нуждалась в сноровке моряка. С помощью этого телескопа Гевелий исследовал поверхность Луны и составил ее хорошие карты. Когда мы говорим о лунных «морях», следует помнить, что так их назвал Гевелий. Теперь мы знаем, что это низины, наполненные застывшей лавой.
После изобретения в XVIII веке ахроматических линзовых телескопов, в изображении которых цветные разводы сильно ослаблены, эра длинных линзовых телескопов завершилась. До конца XIX века еще строили крупные линзовые телескопы с объективами диаметром вплоть до 1 метра, но уже были разработаны телескопы другого типа, которые постепенно стали основными инструментами современных исследований. В 1671 году Исаак Ньютон построил первый рефлектор, где не линза, как в рефракторе, а вогнутое зеркало собирало свет. Опыты с преломлением лучей в стеклянной призме привели Ньютона к выводу, что цветовые ошибки телескопов-рефракторов полностью устранить невозможно. Это заставило его обратиться к альтернативному способу фокусировки световых лучей путем отражения, угол которого не зависит от цвета. Изображение, сформированное в фокусе зеркала, не имеет цветных разводов. Если поверхность вогнутого зеркала параболическая, то все лучи, отраженные как от центральной части зеркала, так и от его краев, будут собираться в один фокус. Сохранился телескоп, собственноручно изготовленный Ньютоном. Его металлическое зеркало имеет диаметр 3,5 см. Ньютон использовал маленькое плоское зеркало для отклонения лучей вбок, в дырочку на трубе телескопа, где расположен увеличивающий окуляр.
Большие современные телескопы-рефлекторы часто имеют отверстие в центре главного зеркала, сквозь которое лучи, отраженные от вторичного зеркала, попадают на детектор излучения. Сегодня изображение регистрируют уже не глазом или фотопластинкой, а высокочувствительной ПЗС-камерой или спектрографом. Телескоп описанного типа называется кассегреновским рефлектором, поскольку его изобрел француз Г. Кассегрен (о котором очень мало известно) вскоре после создания рефлектора Ньютона. Впрочем, телескоп Кассегрена, на самом деле, был усовершенствованной версией телескопа, предложенного Джеймсом Грегори еще до Ньютона. Но Грегори не построил свой телескоп. В телескопе Кассегрена в качестве вторичного используют выпуклое зеркало; это приводит к уменьшению длины телескопа.
Важное преимущество телескопа-рефлектора состоит в том, что размер главного зеркала можно сделать гораздо больше, чем у линзы рефрактора. При этом собирается больше света и можно наблюдать более тусклые и далекие объекты. Зеркало можно поддерживать сзади по всей поверхности, в то время как линзу можно держать только по краям. После разработки методов нанесения серебра, а затем и алюминирования, вместо использовавшегося Ньютоном металла, стали применять стекло, которому даже не нужно быть прозрачным. Вообще свободный от хроматической аберрации рефлектор большого диаметра можно построить за те же деньги, что и рефрактор меньшего размера.
Хотя рефлекторы в астрономии начали успешно конкурировать с рефракторами еще в XIX веке, оставалось много задач, при решении которых предпочтение отдавалось рефракторам. Например, их использовали для точного определения положений звезд. Большие проблемы создавало наличие хроматической аберрации, но в конце концов ее удалось устранить. Это позволило осуществить мечту об измерениях расстояний до звезд.
Сегодня телескопы усложнились еще больше. Наряду с работой в визуальной области, они могут работать в рентгеновском, ультрафиолетовом, радио- и инфракрасном диапазонах, недоступных человеческому глазу. Некоторые телескопы работают в космосе, и им не мешает атмосфера, размывающая оптическое изображение и поглощающая излучение на многих длинах волн (исключая визуальный свет и радиоволны). На рис. 7.5 представлено большое зеркало, предназначенное для космического телескопа. Для радиотелескопов вместо зеркала используют вогнутую тарелку, а радиоприемник устанавливают в фокусе этой тарелки. Большая длина радиоволн делает их разрешение ниже, чем у оптического телескопа того же размера, поэтому тарелка радиотелескопа очень крупная. Бывают тарелки диаметром 100 м и даже больше, тогда как диаметр зеркала современного оптического телескопа не превышает 10 м. Радиоастрономы научились объединять сигналы с разных тарелок, имитируя одну тарелку, сравнимую с размером Земли. Это называется интерферометрией. Уровень современной электроники позволяет сделать то же самое и в оптическом диапазоне, используя несколько телескопов одной обсерватории.
Рис. 7.5. Зеркало диаметром 3,5 м, созданное финской оптической фирмой Opteon для европейского космического телескопа «Гершель». Сейчас это самый большой космический телескоп. Поверхность зеркала так отполирована, что неровности на ней не превышают нескольких тысячных долей миллиметра. Фото: Opteon.
Наконец, некоторые современные телескопы стали трудноузнаваемыми. Разработаны приборы, способные регистрировать субатомное нейтринное излучение Солнца и сверхновых звезд. Созданы детекторы гравитационных волн для обнаружения изменений полей при орбитальном движении черных дыр или их рождений в сверхновых.
Исследовательский дух очень силен в астрономии. Велико желание продвигаться все глубже и глубже в бездну Вселенной, чтобы увидеть то, чего никто никогда ранее не видел. Для обнаружения и дальнейшего исследования всех этих неожиданных небесных тел и явлений требуются телескопы все большего и большего размера.
