Kvant. Галилей
Васильев А. И все-таки она вертится //Квант. — 2003. — № 4. — С. 17-19.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Один из основоположников современного естествознания Галилео Галилей родился 15 февраля 1564 года в итальянском городе Пизе в обедневшей дворянской семье (его отец был видным теоретиком музыки и математиком). Еще подростком Галилей познакомился с трудами греческих и латинских философов в монастырской школе во Флоренции. В 17 лет он поступил в Пизанский университет для получения медицинского образования, однако основным его занятием стало изучение физики Аристотеля, сочинений Евклида и Архимеда. В 1584 году он оставил медицину и уже через два года опубликовал оригинальную работу об изобретенных им гидростатических весах и геометрическое исследование о центрах тяжести телесных фигур. Известность и научный авторитет Галилея быстро росли, чему способствовали не только его обширные знания, но и редкая способность по-новому увидеть, казалось, давно знакомые вещи и, как писал Лагранж, «извлечь законы из явлений, постоянно совершающихся перед глазами и все же никем не объясненных».
С 25 лет Галилей — профессор физики и математики в крупнейших итальянских университетах: сначала в Пизанском (1589-1592) и Падуанском (1592-1610), а затем в университете Флоренции, где он занимал почетную должность первого математика и придворного философа при Тосканском герцоге Козимо II Медичи. Большим авторитетом Галилей пользовался также среди высших духовных лиц Флоренции.
Такова была внешняя сторона жизни Галилея до 1632 года, до выхода его знаменитой книги «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой», которая обессмертила его имя, но при жизни принесла ему много унижений и лишений.
Уже в ранние годы своей преподавательской деятельности в письмах к друзьям и ученикам, получавших затем распространение в копиях, в своих заметках, долгое время остававшихся в рукописях, Галилей начал наступление на старую и догматизированную физику Аристотеля, на узаконенное католической церковью представление о строении мира — геоцентрическую систему Птолемея. Физика в то время сводилась по существу к механике, проблемами которой Галилей занимался в течение всей жизни, но вместе с тем охватывала и широкий круг общих мировоззренческих проблем. До Галилея в физике господствовали представления аристотелевской школы о принципиальном различии «земных» и «небесных» явлений, о существовании «насильственных» и «естественных» движений, определяемых якобы самой природой тела. Так, согласно Аристотелю, для «совершенных» идеально гладких небесных тел «естественным» было равномерное движение по окружностям, тогда как на Земле одни тела в силу своей природы, например из-за присущего им свойства тяжести, обладали «естественным» для них движением вниз, а другие, не имеющие такого свойства (например, огонь), — движением вверх. Причем тела «тяжелые» должны были, по мнению Аристотеля, падать с различной скоростью в зависимости от их веса. К «насильственным» движениям относились движения под действием некоторой силы (например, стрела, выпущенная из лука), однако закономерности таких движений изучены не были.
Вместо этих приблизительных, а порой даже неправильных и наивных представлений Галилей построил точную науку о движении — кинематику, законы которой впервые были выведены им как обобщение научного эксперимента. Сравнивая движение тел по наклонной плоскости и их свободное падение, Галилей установил единство этих движений, открыл закон свободного падения тел - если тело, выйдя из состояния покоя, падает равномерно ускоренно, то расстояния, проходимые им за определенные промежутки времени, относятся между собой как квадраты времен — и построил теорию равномерно ускоренного движения. Своими исследованиями в механике он заложил фундамент нового научного метода выявления общих законов природы путем анализа наблюдаемых частных явлений, постепенного мысленного приближения этих явлений к некоторым идеальным условиям, в которых законы, управляющие ими, могли бы проявиться, так сказать, в чистом виде. Такой метод получил название индуктивного метода познания.
Начав с небольшой работы «Диалог о движении», Галилей завершил исследования по механике в своем последнем труде «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению, с приложением о центрах тяжести различных тел» (1638 г.). Это сочинение явилось итогом и вершиной творчества Галилея- физика. Главными его достижениями были: открытие основных законов равномерно ускоренного и ряда более сложных видов движения (например, качание маятника); установление основных понятий кинематики и динамики и некоторых общих принципов классической механики, например принципа относительности. В современной формулировке принцип относительности Галилея звучит так: все механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Галилей понимал его как независимость (инвариантность) уравнений механики относительно преобразований координат движущейся материальной точки и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.
Исследования Галилея в области механики, которые он сам считал основными в своей деятельности, в значительной степени определили дальнейшее развитие этой науки. Однако первостепенную роль в формировании нового, современного мировоззрения в области естествознания сыграли астрономические открытия Галилея. Во времена Галилея птолемеева система мира с неподвижной Землей в центре Вселенной превратились в догму, поддерживаемую авторитетом церкви. Новое, гелиоцентрическое учение Коперника все еще оставалось теорией. Даже тех немногих, кто начинал склоняться к признанию этой системы, по причине ее большой простоты и логичности, немало смущал тот факт, что только у Земли имеется спутник — Луна — и это как-то выделяет Землю среди других планет.
Свои астрономические наблюдения Галилей начал в 1609 году, когда он узнал об изобретении в Голландии зрительной трубы, значительно приближающей удаленные предметы. Заинтересовавшись этим сообщением, Галилей самостоятельно сконструировал зрительную трубу с двумя стеклянными линзами: плоско-выпуклым объективом и плоско-вогнутым окуляром. Она давала мнимое прямое увеличенное изображение предмета. Увеличение трубы, первоначально равное 3, было затем доведено Галилеем до 32. Галилей сразу же использовал этот инструмент для наблюдения неба — так зрительная труба стала телескопом, положившим начало современной телескопической астрономии.
Впервые Галилей направил зрительную трубу на звездное небо 7 января 1610 года. Он увидел лунный пейзаж с кратерами и холмами, который поразил его своей необычной красотой. При этом Галилеем, уже давно стремящимся к физическому обоснованию гелиоцентризма, овладевает мысль о том, что Луна очень похожа на Землю. Наблюдаемые холмы и хребты на Луне были видимым опровержением аристотелева противопоставления небесных тел, которые он считал идеальными и неизменными, Земле. Галилей писал, что Луна «не имеет гладкой полированной поверхности, но представляет неровности и возвышения подобно земной поверхности, покрыта огромными горами, глубокими пропастями, обрывами». Он же впервые оценил высоту самых больших лунных гор (около 7 км, что близко к современным данным) и отметил характерные для Луны кольцевые горы (цирки).
Галилей обнаружил также в сплошном свечении Млечного Пути огромное скопление звезд, невидимых невооруженным глазом, что подтвердило древнюю гениальную догадку Демокрита о звездном составе этой бледной полосы. Позже он обнаружил и в других частях неба существование скоплений звезд, которые простому глазу представлялись маленькими млечными пятнами (Ясли в созвездии Рака, скопление возле звезды Ориона). Таким образом, на основе непосредственных наблюдений Галилей впервые сделал вывод о звездном составе наблюдавшихся туманностей, которые до того принимались за более плотные части твердой небесной сферы, якобы отражавшей солнечные лучи.
Разложение отдельных туманностей на звезды явилось первым реальным свидетельством колоссальных размеров звездной Вселенной. К этому выводу Галилея приводили и другие наблюдения. Он отметил, что в то время как планеты в поле зрения его телескопа имели вид кружков, звезды оставались точками, лишь увеличиваясь в яркости. Это было вторым, после отмеченной Коперником ненаблюдаемости параллаксов у звезд (углов, под которыми со звезды виден диаметр земной орбиты), свидетельством огромной удаленности звезд по сравнению с планетами.
Еще большее впечатление на Галилея произвело открытие им спутников у Юпитера и фаз у Венеры. Уже во время первых наблюдений в 1610 году Галилей убедился, что обнаруженные им вблизи Юпитера четыре маленькие звездочки, расположенные на одной прямой, изменяют свое положение относительно планеты. Продолжив свои наблюдения, он установил периодичность в движении этих тел, оказавшихся, таким образом, спутниками планеты. Открытые им звезды Галилей назвал в честь герцога Козимо II Медичи и его братьев медичейскими.
Теперь Земля перестала быть единственной планетой, у которой имелся спутник. Луна более не была исключением в системе Коперника, а Земля - единственным центром, вокруг которого должны были, согласно Птолемею, обращаться все небесные тела.
В конце 1610 года Галилей сообщил об открытии фаз Венеры. В письме Джулиано Медичи он писал: «Я посылаю Вам шифрованное сообщение о еще одном моем новом необычном наблюдении, которое приводит к разрешению важнейших споров в астрономии и которое содержит решающий аргумент в пользу пифагорейской и коперниковой системы». Наблюдаемые у Венеры фазы были подобны лунным — последовательные периодические изменения видимой формы планеты, зависящие от ее положения по отношению к Солнцу и Земле. Впоследствии, в 1613 году, Галилей решительно говорил: «Эти явления — фазы Венеры — не оставляют места для какого-либо сомнения в том, как происходит обращение Венеры; мы с абсолютной неизбежностью приходим к выводу, соответствующему положениям пифагорейцев и Коперника, что она обращается вокруг Солнца, подобно тому, как вокруг него же, как центра, обращаются и прочие планеты». Еще до открытия фаз Венеры Галилей и его друзья предполагали, что из системы Коперника вытекает существование фаз и наблюдения их станут решающим доказательством идеи гелиоцентризма.
К тому времени общепринятая догма об особом, мире совершенных небесных тел была поколеблена и другими наблюдателями, в числе первых воспользовавшимися телескопами. Речь идет об открытии солнечных пятен. Летом 1611 года голландский астроном Фабрициус первый со всей определенностью установил существование темных пятен на поверхности Солнца (которое он, как и другие в его время, считал твердым) и открыл по их видимому перемещению вращение Солнца. В этом же году наблюдал темные пятна на Солнце и Галилей. В отличие от ранее открытых изменений пятен за счет эффекта перспективы (при приближении их к краю диска), Галилей впервые отметил реальные и довольно быстрые изменения формы солнечных пятен и уподобил их поэтому облакам в земной атмосфере. Солнце, таким образом, также не выдержало испытания на «совершенство» и «неизменность». Для окончательного подтверждения вращения Солнца чрезвычайно важным было открытие Галилеем в конце 1612 года маленьких ярких образований, которые перемещались по диску Солнца, подобно темным пятнам. Эти свои наблюдения Галилей описал в знаменитом письме «О солнечных пятнах» (1613 г.).
Как видно из писем и комментариев Галилея, он был совершенно убежден в истинности гелиоцентрической системы Коперника. Однако открыто провозгласить это в Италии XVII века значило повторить трагическую судьбу сожженного на костре Джордано Бруно. Поэтому прежде всего необходимо было убедить в благонамеренности своих открытий католическую церковь. Но уже опубликованный Галилеем «Звездный вестник» и особенно письмо о солнечных пятнах, где автор утверждал первостепенную роль чувственного опыта в исследовании окружающего мира, вызвали резкие нападки на ученого и обвинения его в отступлении от священного писания. Галилей неоднократно ездил в Рим для объяснения с папой, высшим духовенством и инквизицией. Несмотря на официальный запрет в 1616 году пропаганды системы Коперника, Галилей все еще надеялся на приемлемость для католической церкви его взглядов, правда изложенных в осторожной форме. Система Коперника должна была при этом представляться лишь одной из возможных и чисто абстрактных математических теорий.
В 1632 году Галилей напечатал, с разрешения римской духовной цензуры, свой основной астрономический труд «Диалог о двух главнейших системах мира — птолемеевой и коперниковой». Его форма крайне осторожна на первый взгляд: трое друзей ведут неторопливую беседу, причем каждый искренне старается понять точку зрения другого, допуская сначала ее справедливость. Однако, несмотря на это, догмы аристотелевой физики, которые лежали в основе мировоззрения, принятого католической церковью, как и сама система Птолемея, терпят в «Диалоге» очевидный крах, а новые идеи Коперника, дополненные еще более революционными идеями Джордано Бруно о бесконечности Вселенной, предстают перед читателями во всей своей очевидности. Поэтому уже через несколько месяцев после выхода «Диалог» был изъят из продажи и внесен в папский «Индекс» запрещенных книг, а над Галилеем в 1633 году инквизицией был учинен суд, завершившийся торжественным покаянием и публичным отречением Галилея от «заблуждений», а затем и домашним арестом.
Последние годы жизни ученый провел под надзором инквизиции в своем доме близ Флоренции, но и здесь он продолжал свой научный труд. Доказательством тому были изданные им «Беседы» о механике. Умер Галилей 8 января 1642 года. Его могила находится во Флоренции рядом с могилами двух других великих сынов Италии — Микеланджело и Данте.
Существует легенда, что после отречения от теории Коперника Галилей воскликнул: «Eppur si muove» (и все-таки она вертится). В действительности подобные слова ни в день отречения, ни позже не были произнесены. И тем не менее, несказанная легендарная фраза выражает действительный смысл жизни и творчества Галилео Галилея.
