Галиле́о Галиле́й

Галилей опроверг и  второй из приведённых законов Аристотеля, сформулировав первый закон механики (закон инерции): при отсутствии внешних  сил тело либо покоится, либо равномерно движется. То, что мы называем инерцией, Галилей поэтически назвал «неистребимо запечатлённое движение». Правда, он допускал свободное движение не только по прямой, но и по окружности (видимо, из астрономических соображений). Правильную формулировку закона позднее дали Декарт и Ньютон; тем не менее общепризнанно, что само понятие «движение по инерции» впервые введено Галилеем, и первый закон механики по справедливости носит его имя.[79]

Галилей является одним  из основоположников принципа относительности в классической механике, который также был позже назван в его честь. В «Диалоге о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом:[80]

Для предметов, захваченных  равномерным движением, это последнее  как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.

Эти открытия Галилея, кроме всего прочего, позволили  ему опровергнуть многие доводы противников  гелиоцентрической системы мира, утверждавших, что вращение Земли  заметно сказалось бы на явлениях, происходящих на её поверхности. Например, по мнению геоцентристов, поверхность вращающейся Земли за время падения любого тела уходила бы из-под этого тела, смещаясь на десятки или даже сотни метров. Галилей уверенно предсказал: «Будут безрезультатны любые опыты, которые должны были бы указывать более против, чем за вращение Земли».[81]

Галилей опубликовал  исследование колебаний маятника и  заявил, что период колебаний не зависит от их амплитуды (это приблизительно верно для малых амплитуд) [82]. Он также обнаружил, что периоды колебаний маятника соотносятся как квадратные корни из его длины. Результаты Галилея привлекли внимание Гюйгенса, который изобрёл часы с маятниковым регулятором (1657); с этого момента появилась возможность точных измерений в экспериментальной физике.

Многие рассуждения  Галилея представляют собой наброски открытых много позднее физических законов. Например, в «Диалоге» он сообщает, что вертикальная скорость шара, катящегося по поверхности сложного рельефа, зависит только от его текущей высоты, и иллюстрирует этот факт несколькими мысленными экспериментами;[83] сейчас мы бы сформулировали этот вывод как закон сохранения энергии в поле тяжести. Аналогично он объясняет (теоретически незатухающие) качания маятника.

В статике Галилей  ввёл фундаментальное понятие момента  силы (итал. momento).

Астрономия

В 1609 году Галилей  самостоятельно построил свой первый телескоп с выпуклым объективом и  вогнутым окуляром. Труба давала приблизительно трёхкратное увеличение. Вскоре ему удалось построить телескоп, дающий увеличение в 32 раза. Отметим, что термин телескоп ввёл в науку именно Галилей (сам термин предложил ему Федерико Чези, основатель «Академии деи Линчеи»).[85] Ряд телескопических открытий Галилея способствовали утверждению гелиоцентрической системы мира, которую Галилей активно пропагандировал, и опровержению взглядов геоцентристов Аристотеля и Птолемея.

Первые телескопические  наблюдения небесных тел Галилей  провёл 7 января 1610 года.[1][86] Эти наблюдения показали, что Луна, подобно Земле, имеет сложный рельеф — покрыта горами и кратерами. Известный с древних времен пепельный свет Луны Галилей объяснил как результат попадания на наш естественный спутник 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, в свою очередь, служило косвенным доводом в пользу системы Коперника: если другие планеты движутся, то естественно предположить, что движется и Земля. Галилей обнаружил также либрацию Луны и довольно точно оценил высоту лунных гор.

У Юпитера обнаружились собственные 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 наблюдений позволили Галилею оценить период обращения этих спутников (1612), хотя приемлемая точность оценки была достигнута только в эпоху Ньютона. Галилей предложил использовать наблюдения затмений спутников Юпитера для решения важнейшей проблемы определения долготы на море.[88] 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 Иоганна Фабрициуса и Хэрриота) солнечные пятна. Существование  пятен и их постоянная изменчивость опровергали тезис Аристотеля о  совершенстве небес (в отличие от «подлунного мира»).[31] По результатам их наблюдений Галилей сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси, оценил период этого вращения и положение оси Солнца.

Галилей установил, 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 и поворот кольца, скрывший его от земного наблюдателя.[89] Полвека  спустя кольцо Сатурна открыл и описал Гюйгенс, в распоряжении которого был 92-кратный телескоп.

Галилей показал, 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, распался на отдельные звёзды (что подтвердило догадку Демокрита), и стало видно громадное количество неизвестных ранее звёзд.

В «Диалоге о двух системах мира» Галилей подробно обосновал (устами персонажа Сальвиати), почему он предпочитает систему Коперника, а не Птолемея:[90]

Венера и Меркурий никогда не оказываются в противостоянии, то есть в стороне неба, противоположной  Солнцу. Это означает, что они  вращаются вокруг Солнца, и их орбита проходит между Солнцем и Землёй.

У Марса противостояния бывают. Кроме того, Галилей не выявил у Марса фаз, заметно отличных от полной освещённости видимого диска. Отсюда и 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.

Таким образом, 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. Будучи пламенным сторонником Коперника, Галилей, однако, отверг систему Кеплера с эллиптическими орбитами планет.[91]

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»):[39]

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.

Вместе с тем, Галилей  сделал серьёзную ошибку, полагая, что  явление приливов доказывает вращение Земли вокруг оси.[72] Впрочем, он приводит и другие серьёзные аргументы в пользу суточного вращения Земли:[92]

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.

Галилей описывает  здесь же мысленный эксперимент, который мог бы доказать вращение Земли: пушечный снаряд или падающее тело за время падения немного отклоняются от вертикали; однако приведенный им расчёт показывает, что это отклонение ничтожно.[93] Он сделал верное замечание, что вращение Земли должно влиять на динамику ветров.[94] Все эти эффекты были обнаружены много позже.

Математика

К теории вероятности  относится его исследование об исходах  при бросании игральных костей. В  его «Рассуждении об игре в кости» («Considerazione sopra il giuoco dei dadi», время написания неизвестно, опубликовано в 1718 году) проведён довольно полный анализ этой задачи.

В «Беседах о двух новых науках» он сформулировал  «парадокс Галилея»: натуральных  чисел столько же, сколько их квадратов, хотя бо́льшая часть чисел не являются квадратами.[95] Это подтолкнуло в дальнейшем к исследованию природы бесконечных множеств и их классификации; завершился процесс созданием теории множеств.

Другие  достижения

Галилей изобрёл:

Гидростатические  весы для определения удельного веса твёрдых тел. Галилей описал их конструкцию в трактате «La bilancetta» (1586).[96]

Первый термометр, ещё без шкалы (1592).[97]

Пропорциональный  циркуль, используемый в чертёжном  деле (1606).[98][99]

Микроскоп, плохого  качества (1612); с его помощью Галилей изучал насекомых.[100][101]

Занимался также  оптикой, акустикой, теорией цвета  и магнетизма, гидростатикой, сопротивлением материалов[102], проблемами фортификации. Провёл эксперимент по измерению  скорости света, которую считал конечной (без успеха). [103] Он первым опытным путём измерил плотность воздуха, которую Аристотель считал равной 1/10 плотности воды; эксперимент Галилея дал значение 1/400, что намного ближе к истинному значению (около 1/770).[104] Ясно сформулировал закон неуничтожимости вещества.[105]

Ученики

• Среди учеников Галилея были:
• Борелли, продолживший изучение спутников Юпитера; он одним из первых сформулировал закон всемирного тяготения.[106] 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.

Память

• В честь Галилея названы:
• Открытые им «галилеевы спутники» Юпитера.
• Кратер на Луне (-63º, +10º).
• Кратер на Марсе (6º с.ш., 27º з.д.)[107]
• Астероид 697 Галилея[108].
• Принцип относительности и преобразование координат в классической механике.
• Космический зонд НАСА «Галилео» (1989—2003).
• Европейский проект «Galileo» спутниковой системы навигации.
• Единица ускорения «Гал» (Gal) в системе СГС, равная 1 см/сек².
• Научная развлекательно-познавательная телепрограмма Galileo, показываемая в нескольких странах. В России она идёт с 2007 года на СТС.
• Аэропорт в Пизе.
• В ознаменование 400-летия первых наблюдений Галилея Генеральная Ассамблея ООН объявила 2009 год годом астрономии