Текст книги "Страницы истории науки и техники"
Автор книги: Владимир Кириллин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 34 страниц)
Экспедиция Магеллана, кроме географических открытий, о наиболее важных из которых было сказано, убедительно подтвердила, что Земля имеет форму шара, доказала, что большая часть поверхности Земли покрыта водой океанов и морей, составляющих в совокупности единый мировой океан.
ГалилейВсе сказанное до сих пор о развитии науки представляет собой лишь предысторию современной пауки. А. Эйнштейн и Л. Инфельд пишут: «Попытки прочитать великую повесть о тайнах природы так же стары, как и само человеческое мышление. Однако лишь немногим более трех столетий назад ученые начали понимать язык этой повести. С того времени, т. е. со времени Галилея и Ньютона, чтение продвигалось быстро». И далее: «Самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за сложности, – это проблема движения»[93]93
Цит. по: Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1065, с. 8.
[Закрыть].
Первая руководящая идея современной науки, современного естествознания принадлежит Галилею и касается она проблемы движения.
До Галилея в науке общепринятой была точка зрения, что скорость движения тела тем больше, чем больше толкающая его сила, а если действие этой силы прекращается, тело остановится. Это положение было четко сформулировано Аристотелем, и на первый взгляд оно отвечает опыту.
Галилей показал, что эта точка зрения ошибочна. Рассмотрим пример с тачкой, толкаемой человеком по горизонтальному пути. Если человек перестает толкать тачку, она прокатится некоторое расстояние и остановится. Казалось бы, Аристотель прав. Не будем, однако, торопиться с выводами. Ну, а если мы сделаем путь, по которому катится тачка, более ровным и уменьшим трение между осями и втулками колес тачки, например за счет лучшей смазки. Очевидно, свободное движение тачки после снятия толкающего ее усилия будет продолжаться дольше, тачка прокатится большее расстояние.
Допустим, что мы сумели сделать путь совершенно ровным и, конечно, абсолютно горизонтальным, трение в колесах тачки упразднили вовсе и даже уничтожили трение между окружающим воздухом и стенками тачки. На самом деле сделать все это невозможно, но предположить можно. Что было бы тогда? Ответим на этот вопрос словами Галилея: «…скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены внешние причины ускорения или замедления, – условие, которое обнаруживается только на горизонтальной плоскости, ибо в случае движения по наклонной плоскости вниз уже существует причина ускорения, в то время как при движении по наклонной плоскости вверх налицо замедление; из этого следует, что движение по горизонтальной плоскости вечно, ибо, если скорость будет постоянной, движение не может быть уменьшено или ослаблено, а тем более уничтожено»[94]94
Цит. по: Эйнштейн А., Инфельд Л. Там же, с. 12.
[Закрыть].
Следовательно, вместо аристотелевской точки зрения: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия – Галилей ввел новый, совершенно другой принцип: если на тело не производится никакого внешнего воздействия, то оно либо находится в состоянии покоя, либо движется прямолинейно с неизменной скоростью. Вот как оценили А. Эйнштейн и Л. Инфельд это открытие Галилея: «Открытие, сделанное Галилеем, и применение им методов научного рассуждения были одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому, что интуитивным выводам, базирующимся на непосредственном наблюдении, не всегда можно доверять, так как они иногда ведут по ложному следу»[95]95
Эйнштейн Л., Инфельд Л. Там же, с. 10.
[Закрыть].
Прежде чем продолжить рассказ о том, что сделал Галилей в науке, мы хотим познакомить читателя с биографией и некоторыми чертами характера этого гениального человека.
Галилео Галилей родился 15 февраля 1564 г. (в том же году, что и У. Шекспир) в г. Пизе. Его отец, Винченцо, был музыкантом. Семья была аристократической, но небогатой. В 1574 г. семья переехала из Пизы во Флоренцию. Здесь Галилей был принят в монашеский орден послушником, учился в монастыре; главное, что он узнал за это время и что в дальнейшем было для него весьма полезно, – произведения греческих и латинских писателей. По настоянию отца Галилей покинул монастырь (по причине якобы тяжелой болезни глаз), а в 1581 г. опять-таки под влиянием отца поступил в Пизанский университет для изучения медицины.
Однако к медицине Галилей большого интереса не проявил. Зато он увлекся математикой, механикой, физикой и астрономией. В этом главную роль сыграл друг отца Остилио Риччи, по его совету Галилей читал труды Евклида и Аристотеля. Но, чем ближе Галилей знакомился с трудами Аристотеля, прежде всего механикой и физикой, тем больше сомнений и возражений они у него вызывали.
Научные интересы Галилея окончательно определились. Он целиком посвятил себя занятиям математикой, геометрией, механикой и физикой, оставил Пизанский университет и переселился во Флоренцию.
Имя Галилея стало известно среди итальянских математиков после того, как им были написаны сочинения, в которых приведен способ определения состава сплавов металлов на основе использования гидростатических весов и даны методы вычисления центра тяжести тел различной формы (это было продолжение работ Архимеда).
С 1589 г. Галилей занимал кафедру математики Пизанского университета, а с 1592 г. – Падуанского. По мнению биографов, преподавательскую работу Галилей за время пребывания в Пизанском университете вынужден был вести общепринятым тогда методом, т. е. «по Аристотелю». Что касается его научной деятельности, то дело обстояло иначе. В Пизе Галилеем было написано сохранившееся в рукописи сочинение «О движении», в котором, в частности, рассмотрен вопрос о вращении Земли вокруг собственной оси: не называя имени Коперника, которое он тогда, несомненно, знал, Галилей отстаивал его позицию.
Рис. 1. Циркуль пропорциональный.
В Падуе Галилей прожил около 18 лет (1592–1610 гг.). Его преподавательская работа в Падуанском университете по-прежнему строилась на установленных и строго поддерживаемых в то время позициях. Галилей вынужден был, например, рассказывать в лекциях о системе Птолемея и доказывать якобы несостоятельность взглядов Коперника. Нс будем забывать при этом, что именно в падуанский период жизни Галилея был казнен Джордано Бруно. За эти 18 лет Галилей опубликовал, кроме «Звездного Вестника», только одну научную статью – описание так называемого пропорционального циркуля[96]96
Пропорциональный циркуль – простой, остроумный инструмент, позволяющий изменять масштаб снимаемых размеров. Достигается это тем, что ось вращения ножек циркуля относительно друг друга является подвижной (устанавливается в соответствии с желаемым изменением масштаба и закрепляется), а измерение размера и нанесение его в измененном масштабе ведутся противоположными концами ножек циркуля. Если ось вращения ножек циркуля находится точно в среднем положении, т. е. длина всех четырех частей ножек циркуля одинакова, изменения масштаба не будет. Если переместить центр вращения, например, так, что две части ножек циркуля будут в 3 раза длиннее двух других, то соотношение масштабов будет 1: 3
[Закрыть] (рис. 1), пользование которым облегчает геометрические построения и решение многих задач.
Годы, проведенные Галилеем в Падуе, оказались для него наиболее творческими. Именно в это время Галилей пришел к своим законам падения и окончательно убедился в правильности коперниканской теории, т. е. занимался теми самыми проблемами, которым в дальнейшем были посвящены его главные сочинения.
Большое значение в жизни Галилея имели последние годы его жизни в Падуе. В это время он построил свой первый оптический телескоп, дававший трехкратное увеличение, а затем телескоп с 32-кратным увеличением, провел наблюдения ночного неба. Результаты этих наблюдений (о них сказано ниже) имели огромное значение.
Авторитет Галилея намного вырос в результате его астрономических исследований. Он принял предложение великого герцога Тосканского, переехал во Флоренцию и занял пост придворного философа и придворного математика, а также профессора математики Пизанского университета (должность, не обязывавшая читать лекции). Это дало Галилею возможность завершить преподавательскую работу и все своз время отдать научным исследованиям.
В 1615 г. Галилей был вызван инквизицией в Рим для объяснений по поводу его работ, имевших явный прокоперниковский и антиаристотелевский характер. В 1616 г. конгрегация индекса[97]97
Конгрегации – религиозные организации, состоящие как из духовных, так и из светских лиц, руководимые монашескими орденами; проводили политическую линию католической церкви. Конгрегация индекса – одна из них, она ведала цензурой Й составляла «Список запрещенных книг» – но латыни «Index librorum prohibitorum», откуда и название.
[Закрыть] приняла решение о запрещении книги Коперника «Об обращениях небесных сфер» и отнесении его учения к числу еретических. Хотя Галилей в этом решении упомянут не был, но оно непосредственно его касалось – он был вынужден отказаться от печатной и публичной поддержки учения Коперника.
Тем не менее Галилей продолжал свои научные исследования. Им были написаны две основные работы: «Диалог о двух системах мира– Птолемеевой и Коперниковой» (коротко «Диалог») и «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящейся к механике и местному движению» (коротко «Беседы»). Оба сочинения, «Диалог» и «Беседы», написаны в форме разговора между тремя лицами – Сальвиати, Сагредо и Симпличио. Все они не вымышленные лица: Сальвиати и Сагредо – друзья Галилея, его последователи, Симпличио – один из комментаторов Аристотеля, перипатетик, схоласт.
Сам Галилей характеризует этих людей следующими словами: «Тому уже много лет я не раз посещал удивительный город Венецию, где вел беседы с синьором Джиован Франческо Сагредо, человеком высокого происхождения и весьма острого ума. Одновременно находился там и приехавший из Флоренции синьор Филиппо Сальвиати, наименьшим украшением которого являлись чистота крови и блестящее состояние, – благородный ум, не знавший наслаждения более высокого, чем исследование и размышление. С этими двумя лицами я часто имел случай обсуждать упомянутые выше вопросы[98]98
Галилей имеет в виду главным образом вопросы систем мира Птолемея и Коперника.
[Закрыть] в присутствии одного философа перипатетика, которому, как кажется, ничто так не препятствовало в познании истины, как слава, приобретенная им в истолковании Аристотеля»[99]99
Галилео Галилей. Избр. тр. М.: Наука, т. 1, с. 103.
[Закрыть].
О содержании этих двух замечательных книг Галилея говорится ниже. Одна из них, «Диалог», была даже издана в 1632 г. на итальянском языке во Флоренции. Однако выход в свет «Диалога» был началом тяжелых испытаний для Галилея. Несмотря на возраст и поддержку влиятельных друзей, ему пришлось ехать в Рим и предстать перед судом инквизиции. После длительных допросов Галилей вынужден был отречься от учения Коперника, а 22 июня 1633 г. принести публичное покаяние. На «Диалог» был наложен запрет, а сам Галилей почти до самой смерти, последовавшей 8 января 1642 г. (в 1637 г. он ослеп), был вынужден вести уединенный образ жизни на вилле в Арчетри, недалеко от Флоренции.
Латинский перевод «Диалога» был издан в ряде стран (главным образом протестантских), а в 1638 г. в Голландии вышли в свет «Беседы». Книги Галилея были встречены с огромным интересом.
Говоря о личности Галилея, о его человеческих чертах, необходимо отметить нетерпимость в отношении схоластики и бездумного поклонения научным авторитетам. Покажем это па примере трех отрывков из сочинения Галилея «Диалог». Устами Сагредо Галилей говорит: «Как-то был я в доме одного весьма уважаемого в Венеции врача, куда иногда собирались – одни, чтобы поучиться, а другие из любопытства – посмотреть на рассечение трупа, производимое рукою этого не только ученого, но искусного и опытного анатома. Как раз в тот день ему случилось заняться изысканием происхождения и зарождения нервов, по каковому вопросу существует известное разногласие между врачами-галенистами[100]100
Гален – римский врач и естествоиспытатель.
[Закрыть] и врачами-перипатетиками. Анатом показал, как нервы выходят из мозга, проходят в виде мощного ствола через затылок, затем тянутся вдоль позвоночника, разветвляются по всему телу и в виде только одной тончайшей нити достигают сердца. Тут он обернулся к одному дворянину, которого знал как философа-перипатетика и в присутствии которого он с исключительной тщательностью раскрыл и показал все это, и спросил его, удовлетворен ли он теперь и убедился ли, что нервы идут от мозга, а не от сердца. И этот философ, задумавшись на некоторое время, ответил: „Вы мне показали все это так ясно и ощутимо, что если бы текст Аристотеля не говорил обратного, а там прямо сказано, что нервы зарождаются в сердце, – то необходимо было бы признать это истиной!“»[101]101
Галилео Галилей. Избр. тр., т. 1, с. 206.
[Закрыть].
В адрес людей, слепо верящих в авторитет Аристотеля, Галилей говорит также словами Сальвиати: «Я много раз удивлялся, как могло получиться, что эти люди, стремящиеся поддерживать буквально каждое слово Аристотеля, не замечают того вреда, который они наносят репутации Аристотеля, и как они, вместо того чтобы увеличивать его авторитет, подрывают к нему доверие. Ибо, когда я вижу, как они упорно стараются поддержать те положения, ложность которых, на мой взгляд, совершенно очевидна, как они стремятся убедить меня в том, что именно так и надлежит поступать истинному философу и что именно так поступил бы и сам Аристотель, то у меня сильно уменьшается уверенность в том, что он правильно рассуждал и в других областях, для меня более далеких».[102]102
Галилео Галилей. Избр. тр., т. 1, С. 209.
[Закрыть].
И наконец, приведем еще одну выдержку из «Диалога» Галилея, касающуюся отношения к научным авторитет там. Дискуссия ведется между философом-перипатетиком Симпличио, уже исчерпавшим свои доказательства в защиту позиции Аристотеля, и сторонником Галилея Сальвиати:
«Симпличио. Но если мы оставим Аристотеля, то кто же будет служить нам проводником в философии? Назовите какого-нибудь автора.
Сальвиати. Проводник нужен в странах неизвестных и диких, а на открытом и гладком месте поводырь необходим лишь слепому. А слепой хорошо сделает, если останется дома. Тот же, у кого есть глаза во лбу и разум, должен ими пользоваться в качестве проводников. Однако я не говорю, что не следует слушать Аристотеля, наоборот, я хвалю тех, кто всматривается в него и прилежно его изучает. Я порицаю только склонность настолько отдаваться во власть Аристотеля, чтобы вслепую подписываться под каждым его словом и, не надеясь найти других оснований, считать его слова нерушимым законом. Это – злоупотребление, и оно влечет за собой большое зло, заключающееся в том, что другие уже больше и не пытаются понять силу доказательств Аристотеля»[103]103
Галилео Галилей. Избр. тр., т. 1, С. 210.
[Закрыть].
Галилей считал, и в этом был важнейший источник его успеха, что исходным пунктом познания природы служит наблюдение, опыт. По этому поводу Эйнштейн и Инфельд пишут[104]104
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 48.
[Закрыть]: «Законы природы, устанавливающие связь следующих друг за другом событий, были неизвестны грекам. Наука, связывающая теорию и эксперимент, фактически началась с работ Галилея».
Огромна заслуга Галилея в астрономии, в обосновании и утверждении гелиоцентрической системы Коперника. С помощью построенных им телескопов, о которых сказано выше, Галилей открыл, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна; у самой большой планеты солнечной системы – Юпитера имеются подобные Луне спутники (Галилей обнаружил 4 самых крупных спутника из 13 известных в настоящее время); поверхность Луны гористого строения, а сама Луна имеет либрацию, т. е. видимые периодические колебания маятникового характера вокруг центра; фазы Венеры, которые, впрочем, люди с острым зрением могут заметить невооруженным глазом; необычный вид планеты Сатурн, создаваемый (как теперь известно) его кольцами, представляющими совокупность твердых тел. Галилей обнаружил огромное количество звезд, невидимых невооруженным глазом и с помощью недостаточно мощных инструментов (зрительных труб); увидел, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из отдельных звезд.
Эти наблюдения, имеющие огромное значение и вызвавшие небывалый интерес, Галилей описал в сочинении «Звездный вестник». Интересно отметить, что с поступившим в Прагу «Звездным вестником» ознакомился Кеплер – один из крупнейших математиков и астрономов XVI–XVII вв. Кеплер очень высоко оценил наблюдения Галилея; это видно из его сочинения «Рассуждение о „Звездном вестнике“».
Доказательство справедливости гелиоцентрической системы Коперника имело во время Галилея очень большое значение. Дело в том, что концепция Коперника подвергалась нападкам. С одной стороны, это были церковные, главным образом католические, круги, догмы которых никак не уживались со взглядами Коперника. С другой же стороны, это были сомнения в верности гелиоцентрической системы мира, высказываемые рядом ученых. Сомнения сводились главным образом к тому, что в случае вращения Земли вокруг своей оси или движения по орбите вокруг Солнца на поверхности Земли должен был бы, по мнению этих ученых, возникнуть очень сильный (ураганный) ветер, направленный в противоположную сторону, предметы, подброшенные вверх, должны были бы оставаться позади и падать па поверхность Земли далеко не в том месте, где они были подброшены. На самом же деле ничего этого не происходит.
Галилей в «Диалоге» формулирует словами Сальвиати эти сомнения и возражения следующим образом:
«Сальвиати. В качестве самого сильного довода все приводят опыт с тяжелыми телами: падая сверху вниз, тела идут по прямой линии, перпендикулярной к поверхности Земли; это считается неопровержимым аргументом в пользу неподвижности Земли. Ведь если бы она обладала суточным обращением, то башня, с вершины которой дали упасть камню, перенесется обращением Земли, пока падает камень, на много сотен локтей[105]105
Локоть – существовавшая раньше мера длины, равная приблизительно длине локтевой кости (455–475 мм).
[Закрыть] к востоку, и на таком расстоянии от подножия башни камень должен был бы удариться о Землю»[106]106
Галилео Галилей. Избр. тр., т. I, с. 224.
[Закрыть].
И далее: «Птолемей и его последователи приводят другой опыт, подобный опыту с брошенными телами; они указывают на такие предметы, которые, будучи разобщены с Землей, держатся высоко в воздухе, как, например, облака и летающие птицы; и так как про них нельзя сказать, что они увлекаются Землей, поскольку они с ней не соприкасаются, то представляется невозможным, чтобы они могли сохранять ее скорость, и нам должно было бы казаться, что все они весьма быстро движутся к западу; если бы мы, несомые Землей, проходили нашу параллель в двадцать четыре часа – а это составляет по меньшей мере шестнадцать тысяч миль, – как могли бы птицы поспевать за такого рода движением? Между тем на самом деле мы видим, что они летят в любом направлении без малейшего ощутимого различия как па восток, так и на запад»[107]107
Галилео Галилей. Избр. тр., т. 1, с. 230.
[Закрыть].
Действительно, какая интересная наука механика, какой сложный предмет движение и какие трудные задачи приходилось решать 400 лет назад наиболее талантливым и образованным людям! Заметим, однако, правды ради что современные ученые стоят лицом к лицу отнюдь не с менее сложными проблемами (об этом пойдет речь ниже).
На первый взгляд может показаться, что высказанные в отношении гелиоцентрической системы мира сомнения и возражения основательны, что Птолемей и его последователи правы. Но это, конечно, не так. Предоставим слово Галилею (Сальвиати):
«Сальвиати. Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в поставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно. Прыгая, вы переместитесь по полу на то же расстояние, что и раньше, и не будете делать больших прыжков в сторону кормы, чем в сторону носа, на том основании, что корабль быстро движется, хотя за то время, как вы будете в воздухе, пол под вами будет двигаться в сторону, противоположную вашему прыжку, и, бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать ее с большей силой, когда он будет находиться на носу, а вы на корме, чем когда ваше взаимное положение будет обратным; капли, как и ранее, будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдет много пядей[108]108
Пядь – старинная мера длины, равная приблизительно расстоянию между концами разведенных большого и указательного пальцев руки взрослого человека.
[Закрыть]; рыбы в воде не с большим усилием будут плыть к передней, чем к задней части сосуда; настолько же проворно они бросятся к пище, положенной в какой угодно части сосуда; наконец, бабочки и мухи по-прежнему будут летать во всех направлениях, и никогда не случится того, чтобы они собрались у стенки, обращенной к корме, как если бы устали, следуя за быстрым движением корабля, от которого они были совершенно обособлены, держась долгое время в воздухе; и если от капли зажженного ладана образуется немного дыма, то видно будет, как он восходит вверх и держится наподобие облачка, двигаясь безразлично, в одну сторону не более, чем в другую. И причина согласованности всех этих явлений заключается в том, что движение корабля обще всем находящимся на нем предметам, так же как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой, так как если бы вы были на ней, т. е. на открытом воздухе, не следующим за бегом корабля, то должны были бы видеть более или менее заметные различия в некоторых из названных явлений: дым, несомненно, стал бы отставать вместе с воздухом, мухи и бабочки вследствие сопротивления воздуха равным образом не могли бы следовать за движением корабля в тех случаях, когда они отделились бы от него на довольно заметное расстояние; если же они будут держаться вблизи, то, поскольку сам корабль представляет собой сооружение неправильной формы и захватывает с собой ближайшие к нему части воздуха, они без особого усилия будут следовать за кораблем; подобным же образом мы видим при езде на почтовых, как надоедливые мухи и слепни следуют за лошадьми, подлетая то к одной, то к другой части их тела; в падающих же каплях различие будет незначительным, а в прыжках или брошенных телах – совершенно неощутимым»[109]109
Галилео Галилей. Избр. тр., т. 1, с. 286–287.
[Закрыть].
Как мы помним, Птолемей утверждал, что птицы и облака не должны поспевать за движением Земли. Теперь же, как следует из этого опыта Галилея, устанавливающего принцип относительности движения, и птицы, и облака, и сама Земля участвуют в одном и том лее движении – движении Земли (которое в данном случае аналогично движению корабля) – и потому друг относительно друга смещаться не будут.
Невозможно дать более ясный и убедительный ответ на возражения приверженцев Птолемея, чем основанный на простом опыте ответ Галилея. Говоря современным языком и используя современную научную терминологию, мы сказали бы, что Галилей установил независимость протекания механических явлений от избранных инерциальных систем отсчета. Хотя об этих вещах речь еще будет идти ниже, сделаем все же некоторые пояснения. Под системой отсчета понимается система тел (может быть, даже одно тело), относительно которых (которого) рассматривается движение. Система считается инерциальной в том случае, когда в ней выполняется установленное Галилеем положение: если на тело не производится никакого воздействия (на тело не действует какая-либо сила, сказали бы теперь), оно либо находится в состоянии покоя, либо движется прямолинейно по горизонтальной плоскости с постоянной скоростью. Другими словами, система считается инерциальной в том случае, когда тело свободно от взаимодействия с другими телами. Таких систем на самом деле не существует (всегда на тело действуют какие-либо силы), но можно их себе представить и к ним приблизиться.
Прямолинейное и равномерное движение тела по горизонтальной плоскости без воздействия на него каких-либо внешних сил называется движением по инерции[110]110
Инерция от латинского слова inertia – покой, бездействие; под инерцией или инертностью тела понимается свойство тела сохранять свое состояние в случае, если на него не действуют внешние силы.
[Закрыть]. Отсюда произошло название инерциальных систем; Галилей установил: хотя положение движущегося тела (его координаты), его скорость, характер траектории[111]111
Траектория – линия, которую проходит центр массы движущегося тела.
[Закрыть] движения зависят от выбора инерциальной системы отсчета (например, неподвижный корабль, т. е. Земля, или корабль, движущийся в отношении Земли прямолинейно и равномерно), законы механики, протекание механических явлений не зависят от того, в какой именно инерциальной системе отсчета рассматривается изучаемое механическое движение.
Другими словами, механические явления, как уже было сказано, протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Это положение названо принципом относительности Галилея. Его никак нельзя путать с теорией относительности Эйнштейна, о которой речь пойдет ниже. Говоря современным научным языком, можно сформулировать принцип относительности Галилея так: законы механики инвариантны[112]112
Инвариантность – неизменность, независимость какой-либо величины (величин, уравнений) по отношению к некоторым преобразованиям; например, независимость уравнений механики относительно преобразований координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.
[Закрыть] в отношении выбора инерциальной системы отсчета.
Галилей в «Диалоге» показал, что утверждения сторонников Птолемея о якобы невозможности суточного вращения Земли вокруг своей оси и движения ее по орбите вокруг Солнца являются неосновательными. Это явилось важнейшим доводом в пользу гелиоцентрической системы мира Коперника.
Интересно отметить еще одну аргументацию Галилея в пользу гелиоцентрической системы мира. Астрономические наблюдения за перемещением небесных тел, видимом с Земли, могут в принципе получить объяснение как с позиций гелиоцентрической системы мира и суточного вращения Земли вокруг своей оси, так и с позиций геоцентрической системы мира, согласно которой все небесные тела обращаются вокруг неподвижной Земли. В первом случае, приняв за основу гелиоцентрическую систему мира, объяснение астрономических наблюдений за перемещением небесных тел получается относительно простым – все планеты Солнечной системы (включая Землю)’ обращаются вокруг Солнца по близким к круговым (как думало большинство сторонников гелиоцентрической системы во времена Галилея) орбитам. Во втором случае, т. е. приняв геоцентрическую систему мира, объяснение наблюдаемого с Земли движения небесных тел получается очень искусственным: траектории небесных тел оказались бы невероятно сложными, а скорости должны были бы изменяться от фантастически больших до очень малых.
Вот что пишет Галилей по поводу суточного вращения Земли вокруг своей оси.
«Салвиати. Если мы примем во внимание огромный объем звездной сферы по сравнению с ничтожностью земного шара, содержащегося в ней много и много миллионов раз, а затем подумаем о скорости движения, которое за день и ночь должно проделать полное обращение, то я не могу убедить себя, что может найтись кто-либо, считающий более правильным и вероятным, что такое обращение проделывает звездная сфера, тогда как земной шар остается неподвижным.
Сагредо. Если решительно все явления природы, могущие стоять в зависимости от таких движений, порождают как в одном, так и в другом случае без всякого различия одни и те же следствия, то я сразу признал бы того, кто считает более правильным заставить двигаться всю Вселенную, лишь бы сохранить неподвижность Земли, еще более неразумным, чем того человека, который взобравшись на вершину купола вашей виллы, чтобы посмотреть на город и его окрестности, потребовал, чтобы вокруг него вращалась вся местность и ему не пришлось трудиться, поворачивая голову»[113]113
Галилео Галилей. Избр. тр., т. 1, с. 213.
[Закрыть].
Выше уже было сказано об открытиях Галилея в области механики, благодаря которым он (вместе с Ньютоном) справедливо считается основоположником современной науки. Сверх того, о чем уже было упомянуто, необходимо назвать некоторые другие важные достижения Галилея.
Очень большое значение имеют исследования свободного падения тел и движения их по наклонной плоскости. Галилей установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы, как думал Аристотель, а пройденный падающими телами путь пропорционален квадрату времени падения. Это было великое открытие. Оно позволило в дальнейшем установить численное равенство гравитационной и инертной масс тел, о чем еще будет сказано.
Галилей создал теорию параболического движения и определил, что траектория бросаемого тела, т. е. тела, движущегося под действием начального толчка и земного притяжения, является параболой.
Много было сделано Галилеем в области теории прочности и сопротивления материалов. Очень интересны соображения, высказанные Галилеем о механическом подобии и о том, что в случае, когда значительна тяжесть тела, подобие в отношении прочности тел отсутствует.
Вот что пишет Галилей по этому вопросу: «Если мы возьмем деревянное бревно некоторой толщины, вделанное, скажем, в стену под прямым углом так, что оно располагается параллельно горизонту, и предположим, что длина его достигнет крайнего предела, при котором оно может еще держаться, т. е. что при увеличении длины его еще на волос оно ломается от собственной тяжести, то бревно это явится единственным в своем роде на свете. Если длина его, предположим, превышает его толщину в сто раз, то мы не сможем найти ни одного бревна из того же дерева, которое при длине, превышающей его толщину в сто раз, было бы способно выдержать ровно столько же, сколько взятое для примера: все бревна большего размера сломаются, меньшего же – будут способны, помимо собственной тяжести, выдержать и еще некоторую нагрузку. То, что сказано мною о способности выдержать свой собственный вес, применимо и к другим сооружениям[114]114
Цит. по: Седов Л. И. Галилей и основы механики. М.; Наука, 1964, с. 36–37.
[Закрыть].
В этой связи Галилей высказал очень интересные соображения о преимуществах в отношении «прочности» и подвижности малых животных по сравнению с большими и о существовании предела их размеров. Точное решение этих вопросов было найдено только спустя примерно триста лет.
