كتب عالم الرياضيات والفلكي الفرنسي الشهير لاغرانج عن غاليليو: "لقد تطلب الأمر ثباتًا استثنائيًا لاستخراج قوانين الطبيعة من الظواهر الملموسة التي كانت دائمًا أمام أعين الجميع، لكن تفسيرها استعصى على النظرة الفضولية للفلاسفة".
اكتشافات جاليليو جاليلي في علم الفلك
في عام 1609، قام جاليليو جاليلي بشكل مستقل ببناء أول تلسكوب له مع عدسة محدبة وعدسة مقعرة. في البداية، أعطى التلسكوب الخاص به تكبيرًا يصل إلى 3 مرات تقريبًا. وسرعان ما تمكن من بناء تلسكوب أعطى تكبيرًا قدره 32 مرة. المصطلح نفسه تلسكوب كما أدخله جاليليو إلى العلم (بناءً على اقتراح فيديريكو تشيسي). ساهم في هذا البيان عدد من الاكتشافات التي قام بها غاليليو بمساعدة التلسكوب نظام مركزية الشمس في العالمالتي روج لها جاليليو بنشاط ودحض آراء أرسطو وبطليموس من مركزية الأرض.
كان لتلسكوب جاليليو عدسة واحدة متقاربة كهدف، وعدسة متباعدة كعدسة عينية. ينتج هذا التصميم البصري صورة غير مقلوبة (أرضية). تتمثل العيوب الرئيسية للتلسكوب الجليلي في مجال رؤيته الصغير جدًا، ولا يزال هذا النظام يستخدم في مناظير المسرح، وأحيانًا في تلسكوبات الهواة محلية الصنع.
قام جاليليو بأول ملاحظات تلسكوبية للأجرام السماوية في 7 يناير 1610. لقد أظهروا أن القمر، مثل الأرض، لديه تضاريس معقدة - مغطاة بالجبال والحفر. وأوضح جاليليو أن الضوء الرمادي للقمر، المعروف منذ القدم، هو نتيجة لانعكاس ضوء الشمس على الأرض عند اصطدامها به. كل هذا دحض تعاليم أرسطو حول معارضة "الأرضي" و"السماوي": أصبحت الأرض جسمًا له نفس طبيعة الأجرام السماوية، وكان هذا بمثابة حجة غير مباشرة لصالح النظام الكوبرنيكي: إذا كانت الكواكب الأخرى تتحرك، فمن الطبيعي أن نفترض أن الأرض تتحرك أيضًا. كما اكتشف جاليليو الميسانالقمر (اهتزازه البطيء) وقدّر بدقة ارتفاع الجبال القمرية.
وظهر كوكب الزهرة لجاليليو بالتلسكوب ليس كنقطة لامعة، بل كهلال خفيف يشبه القمر.
الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو مراقبة كوكب المشتري المشرق. ومن خلال التلسكوب، لم يعد المشتري يظهر لعالم الفلك كنقطة مضيئة، بل كدائرة كبيرة إلى حد ما. كان هناك ثلاثة نجوم في السماء بالقرب من هذه الدائرة، وبعد أسبوع اكتشف جاليليو نجمًا رابعًا.
بالنظر إلى الصورة، قد يتساءل المرء لماذا لم يكتشف غاليليو على الفور جميع الأقمار الصناعية الأربعة: بعد كل شيء، فهي مرئية بوضوح في الصورة! لكن يجب أن نتذكر أن تلسكوب جاليليو كان ضعيفًا جدًا. وتبين أن النجوم الأربعة لا تتبع كوكب المشتري في تحركاته عبر السماء فحسب، بل تدور أيضًا حول هذا الكوكب الكبير. لذلك، تم العثور على أربعة أقمار في وقت واحد على كوكب المشتري - أربعة أقمار صناعية. وهكذا، دحض جاليليو إحدى حجج معارضي مركزية الشمس: لا يمكن للأرض أن تدور حول الشمس، لأن القمر نفسه يدور حولها. بعد كل شيء، من الواضح أن كوكب المشتري كان عليه أن يدور إما حول الأرض (كما هو الحال في نظام مركزية الأرض) أو حول الشمس (كما هو الحال في نظام مركزية الشمس). ورصد جاليليو الفترة المدارية لهذه الأقمار لمدة عام ونصف، إلا أن دقة التقدير لم تتحقق إلا في عهد نيوتن. اقترح جاليليو استخدام عمليات رصد خسوف أقمار المشتري الصناعية لحل المشكلة الحاسمة المتمثلة في تحديد خط الطول في البحر. هو نفسه لم يتمكن من تطوير تنفيذ مثل هذا النهج، رغم أنه عمل عليه حتى نهاية حياته؛ كانت كاسيني أول من حقق النجاح (1681)، ولكن بسبب صعوبات الرصد في البحر، تم استخدام طريقة غاليليو بشكل رئيسي في البعثات البرية، وبعد اختراع الكرونومتر البحري (منتصف القرن الثامن عشر)، تم حل المشكلة.
اكتشف جاليليو أيضًا (بشكل مستقل عن فابريسيوس وهيريوت) البقع الشمسية(المناطق المظلمة في الشمس والتي تنخفض درجة حرارتها بحوالي 1500 كلفن مقارنة بالمناطق المحيطة بها).
إن وجود البقع وتقلبها المستمر يدحض أطروحة أرسطو حول كمال السماوات (على عكس "العالم تحت القمر"). ومن ملاحظاتهم استنتج جاليليو ذلك تدور الشمس حول محورها، ويتم تقدير فترة هذا الدوران وموقع محور الشمس.
أثبت جاليليو أيضًا أن كوكب الزهرة يتغير في مراحله. فمن ناحية، أثبت ذلك أنه يضيء بالضوء المنعكس عن الشمس (وهو ما لم يكن هناك وضوح فيه في علم الفلك في الفترة السابقة). من ناحية أخرى، فإن ترتيب تغيرات الطور يتوافق مع نظام مركزية الشمس: في نظرية بطليموس، كان كوكب الزهرة باعتباره الكوكب "السفلي" دائمًا أقرب إلى الأرض من الشمس، وكان "الزهرة الكاملة" مستحيلًا.
كما لاحظ جاليليو "الزوائد" الغريبة لزحل، لكن اكتشاف الحلقة حال دونه ضعف التلسكوب. وبعد مرور 50 عامًا، تم اكتشاف ووصف حلقة زحل من قبل هيغنز، الذي كان تحت تصرفه تلسكوب ذو 92 ضعفًا.
جادل جاليليو أنه عند مراقبتها من خلال التلسكوب، تظهر الكواكب على شكل أقراص، وتتغير أحجامها الظاهرية في التكوينات المختلفة بنفس النسبة كما يلي من النظرية الكوبرنيكية. ومع ذلك، فإن قطر النجوم لا يزيد عند مشاهدتها بالتلسكوب. وقد دحض هذا تقديرات الحجم الظاهري والفعلي للنجوم، والتي استخدمها بعض علماء الفلك كحجة ضد نظام مركزية الشمس.
إن مجرة درب التبانة، التي تبدو للعين المجردة وكأنها وهج مستمر، تم الكشف عنها لجاليليو على شكل نجوم منفردة، مما أكد تخمين ديموقريطوس، وأصبح مرئيا عدد كبير من النجوم غير المعروفة سابقا.
كتب جاليليو كتابًا بعنوان «حوار حول النظامين العالميين»، شرح فيه بالتفصيل سبب قبوله للنظام الكوبرنيكي بدلًا من بطليموس. وأهم نقاط هذا الحوار هي كما يلي:
- الزهرة وعطارد ليسا في تعارض أبدًا، أي أنهما يدوران حول الشمس ومدارهما يقع بين الشمس والأرض.
- المريخ لديه معارضة. ومن تحليل التغيرات في السطوع أثناء حركة المريخ، خلص جاليليو إلى أن هذا الكوكب يدور أيضًا حول الشمس، ولكن في هذه الحالة تقع الأرض داخل مدارها. لقد توصل إلى استنتاجات مماثلة بالنسبة لكوكب المشتري وزحل.
يبقى الاختيار بين نظامين للعالم: الشمس (مع الكواكب) تدور حول الأرض أو الأرض تدور حول الشمس. إن النمط الملحوظ لحركات الكواكب في كلتا الحالتين هو نفسه، وهذا يضمن مبدأ النسبيةصاغها غاليليو نفسه. لذلك، هناك حاجة إلى حجج إضافية للاختيار، من بينها يستشهد غاليليو بالبساطة والطبيعية الأكبر للنموذج الكوبرنيكي (ومع ذلك، فقد رفض نظام كبلر ذو المدارات الإهليلجية للكواكب).
وأوضح جاليليو سبب عدم دوران محور الأرض عندما تدور الأرض حول الشمس؛ لشرح هذه الظاهرة، قدم كوبرنيكوس "حركة ثالثة" خاصة للأرض. وقد أظهر جاليليو ذلك تجريبيا يحافظ محور القمة المتحركة بحرية على اتجاهه من تلقاء نفسه("رسائل إلى إنجولي"):
«من الواضح أن هناك ظاهرة مماثلة في أي جسم يكون في حالة تعليق حر، كما أوضحت للكثيرين؛ ويمكنك أنت بنفسك التحقق من ذلك عن طريق وضع كرة خشبية عائمة في وعاء به ماء، والتي تأخذها بين يديك، ثم تمدها، وتبدأ في الدوران حول نفسك؛ سترى كيف ستدور هذه الكرة حول نفسها في الاتجاه المعاكس لدورانك؛ ستكمل دورتها الكاملة في نفس الوقت الذي تكمل فيه دورتك.
لقد أخطأ جاليليو خطأً فادحاً عندما اعتقد أن ظاهرة المد والجزر تثبت دوران الأرض حول محورها. لكنه يقدم أيضًا حججًا جدية أخرى لصالح الدوران اليومي للأرض:
- من الصعب أن نتفق على أن الكون بأكمله يقوم بثورة يومية حول الأرض (خاصة بالنظر إلى المسافات الهائلة التي تفصلنا عن النجوم)؛ ومن الطبيعي تفسير الصورة المرصودة من خلال دوران الأرض وحده. إن المشاركة المتزامنة للكواكب في الدوران اليومي من شأنها أيضًا أن تنتهك النمط المرصود، والذي بموجبه كلما ابتعد الكوكب عن الشمس، كلما كان تحركه أبطأ.
- حتى الشمس الضخمة وُجد أن لها دورانًا محوريًا.
لإثبات دوران الأرض، يقترح غاليليو أن نتخيل عقليًا أن قذيفة مدفع أو جسم ساقط ينحرف قليلاً عن الوضع الرأسي أثناء السقوط، لكن حساباته تظهر أن هذا الانحراف لا يكاد يذكر.
كما قدم جاليليو الملاحظة الصحيحة وهي أن دوران الأرض يجب أن يؤثر على ديناميكيات الرياح. تم اكتشاف كل هذه التأثيرات في وقت لاحق.
إنجازات أخرى لجاليليو جاليلي
كما اخترع:
- الموازين الهيدروستاتيكية لتحديد الثقل النوعي للمواد الصلبة.
- أول مقياس حرارة بدون مقياس (1592).
- البوصلة التناسبية المستخدمة في الصياغة (1606).
- المجهر (1612) ؛ وبمساعدتها، درس جاليليو الحشرات.
كان نطاق اهتماماته واسعًا جدًا: كان جاليليو متورطًا أيضًا بصريات, الصوتيات ونظرية اللون والمغناطيسية, الهيدروستاتيكا(العلم الذي يدرس توازن السوائل) مقاومة المواد، مشاكل التحصين(العلم العسكري للإغلاقات والحواجز الاصطناعية). حاولت قياس سرعة الضوء. قام بقياس كثافة الهواء بشكل تجريبي وأعطى قيمة 1/400 (قارن: أرسطو - 1/10، القيمة الحديثة الحقيقية هي 1/770).
كما صاغ جاليليو قانون عدم قابلية المادة للتدمير.
بعد التعرف على جميع إنجازات جاليليو جاليلي في العلوم، من المستحيل عدم الاهتمام بشخصيته. ولذلك سنخبركم عن المراحل الرئيسية في رحلة حياته.
من سيرة غاليليو غاليلي
ولد العالم الإيطالي المستقبلي (فيزيائي وميكانيكي وفلكي وفيلسوف وعالم رياضيات) عام 1564 في بيزا. كما تعلمون، فهو مؤلف الاكتشافات الفلكية المتميزة. لكن تمسكه بنظام مركزية الشمس في العالم أدى إلى صراعات خطيرة مع الكنيسة الكاثوليكية، مما جعل حياته صعبة للغاية.
ولد في عائلة نبيلة، وكان والده موسيقيا مشهورا ومنظر الموسيقى. انتقل شغفه بالفن إلى ابنه: درس جاليليو الموسيقى والرسم، وكان يتمتع أيضًا بموهبة أدبية.
تعليم
تلقى تعليمه الابتدائي في الدير الأقرب إلى منزله، ودرس طوال حياته بشغف شديد - درس الطب في جامعة بيزا، وفي الوقت نفسه كان مهتماً بالهندسة. درس في الجامعة لمدة 3 سنوات فقط - لم يعد والده قادرًا على دفع تكاليف دراسة ابنه، لكن أخبار الشاب الموهوب وصلت إلى كبار المسؤولين، وقد رعاه ماركيز ديل مونتي والدوق التوسكاني فرديناند الأول دي ميديشي. .
النشاط العلمي
قام جاليليو بعد ذلك بالتدريس في جامعة بيزا ثم في جامعة بادوا المرموقة، حيث بدأت أكثر السنوات المثمرة في مسيرته العلمية. هنا يشارك بنشاط في علم الفلك - فهو يخترع أول تلسكوب خاص به. أطلق على أقمار كوكب المشتري الأربعة التي اكتشفها اسم أبناء راعيه ميديشي (يُطلق عليهم الآن اسم أقمار الجليل). وصف جاليليو اكتشافاته الأولى باستخدام التلسكوب في مقالته "The Starry Messenger"؛ وأصبح هذا الكتاب من أكثر الكتب مبيعًا في عصره، وسرعان ما اشترى سكان أوروبا التلسكوبات لأنفسهم. أصبح جاليليو أشهر عالم في أوروبا؛ وكُتبت قصائد غنائية تكريمًا له، ومقارنته بكولومبوس.
خلال هذه السنوات، دخل جاليليو في زواج مدني، حيث كان لديه ابن وابنتان.
بالطبع، هؤلاء الأشخاص، إلى جانب أتباعهم، لديهم دائما ما يكفي من المهنئين، ولم يفلت غاليليو من هذا. كان المنتقدون غاضبين بشكل خاص من دعايته لنظام مركزية الشمس في العالم، لأن الإثبات التفصيلي لمفهوم ثبات الأرض ودحض الفرضيات حول دورانها ورد في أطروحة أرسطو "في السماء" وفي "المجسطي" لبطليموس. ".
في عام 1611، قرر جاليليو الذهاب إلى روما لإقناع البابا بولس الخامس بأن أفكار كوبرنيكوس متوافقة تمامًا مع الكاثوليكية. لقد تم استقباله بشكل جيد وأظهر لهم التلسكوب الخاص به، وقدم تفسيرات دقيقة ومتأنية. أنشأ الكرادلة لجنة لتوضيح مسألة ما إذا كان النظر إلى السماء عبر الأنبوب خطيئة، لكنهم توصلوا إلى استنتاج مفاده أن هذا مسموح به. ناقش علماء الفلك الرومان علنًا مسألة ما إذا كان كوكب الزهرة يتحرك حول الأرض أم حول الشمس (من الواضح أن المراحل المتغيرة لكوكب الزهرة تحدثت لصالح الخيار الثاني).
لكن الإدانات أمام محاكم التفتيش بدأت. وعندما نشر جاليليو كتاب «رسائل حول البقع الشمسية» عام 1613، والذي تحدث فيه علنًا لصالح النظام الكوبرنيكي، بدأت محاكم التفتيش الرومانية قضيتها الأولى ضد جاليليو بتهمة الهرطقة. كان خطأ غاليليو الأخير هو دعوته إلى روما للتعبير عن موقفها النهائي تجاه تعاليم كوبرنيكوس. ثم قررت الكنيسة الكاثوليكية حظر تعاليمه مع توضيح ذلك " لا تعترض الكنيسة على تفسير الكوبرنيكية كأداة رياضية ملائمة، لكن قبولها كواقع يعني الاعتراف بأن التفسير التقليدي السابق للنص الكتابي كان خاطئًا.».
5 مارس 1616 عرّفت روما رسميًا مركزية الشمس بأنها بدعة خطيرة.تم حظر كتاب كوبرنيكوس.
إن حظر الكنيسة لمركزية الشمس، الذي كان غاليليو مقتنعا بالحقيقة، كان غير مقبول بالنسبة للعالم. بدأ يفكر في كيفية الاستمرار في الدفاع عن الحقيقة دون انتهاك الحظر رسميًا. وقررت نشر كتاب يحتوي على مناقشة محايدة لوجهات النظر المختلفة. لقد كتب هذا الكتاب لمدة 16 عامًا، يجمع المواد ويشحذ حججه وينتظر اللحظة المناسبة. أخيرًا (في عام 1630) تم الانتهاء من هذا الكتاب - "حوار حول أهم نظامين في العالم: النظام البطلمي والكوبرنيقي" ولكن تم نشره فقط في عام 1632. الكتاب مكتوب في شكل حوار بين ثلاثة من محبي العلم: كوبرنيكوس، ومشارك محايد، وأتباع أرسطو وبطليموس. على الرغم من أن الكتاب لا يحتوي على استنتاجات المؤلف، إلا أن قوة الحجج المؤيدة للنظام الكوبرنيكي تتحدث عن نفسها. لكن في المشارك المحايد، تعرف البابا على نفسه وعلى حججه فغضب. وفي غضون بضعة أشهر، تم حظر الكتاب وسحب من البيع، وتم استدعاء غاليليو إلى روما لمحاكمته من قبل محاكم التفتيش بتهمة الهرطقة. وبعد الاستجواب الأول تم احتجازه. هناك رأي مفاده أنه تم استخدام التعذيب ضده، وأن غاليليو تعرض للتهديد بالقتل، وتم استجوابه في غرفة التعذيب، حيث تم وضع أدوات رهيبة أمام أعين السجين: قمع جلدي تم من خلاله سكب كميات هائلة من الماء في جسد الشخص. المعدة، والأحذية الحديدية (التي كانت تُثبت في أرجل الشخص المعذب)، وكماشة تستخدم لكسر العظام...
على أية حال، كان أمامه خيار: إما أن يتوب ويتخلى عن "أوهامه"، أو أن يعاني من مصير جيوردانو برونو. ولم يتحمل التهديدات وتخلى عن كتاباته.
لكن غاليليو ظل سجيناً لدى محاكم التفتيش حتى وفاته. كان ممنوعا منعا باتا التحدث مع أي شخص عن حركة الأرض. ومع ذلك، عمل جاليليو سرًا على مقال أكد فيه حقيقة الأرض والأجرام السماوية. بعد صدور الحكم، استقر غاليليو في إحدى فيلات ميديشي، وبعد خمسة أشهر سُمح له بالعودة إلى منزله، واستقر في أرسيتري، بجوار الدير الذي كانت فيه بناته. هنا أمضى بقية حياته تحت الإقامة الجبرية وتحت المراقبة المستمرة من قبل محاكم التفتيش.
بعد مرور بعض الوقت، بعد وفاة ابنته الحبيبة، فقد جاليليو بصره تمامًا، لكنه واصل البحث العلمي، معتمدًا على طلابه المخلصين، ومن بينهم توريتشيلي. مرة واحدة فقط، قبل وقت قصير من وفاته، سمحت محاكم التفتيش لجاليليو الأعمى والمصاب بمرض خطير بمغادرة أرسيتري والاستقرار في فلورنسا لتلقي العلاج. وفي الوقت نفسه، وتحت طائلة السجن، مُنع من مغادرة المنزل ومناقشة "الرأي اللعين" حول حركة الأرض.
توفي جاليليو جاليلي في 8 يناير 1642، عن عمر يناهز 78 عامًا، في سريره. ودفن في أرسيتري دون مرتبة الشرف كما لم يسمح له البابا بإقامة نصب تذكاري.
وفي وقت لاحق، أصبح الحفيد الوحيد لجاليليو أيضًا راهبًا وأحرق مخطوطات العالم التي لا تقدر بثمن والتي احتفظ بها باعتباره غير مقدس. وكان آخر ممثل لعائلة الجليل.
خاتمة
في عام 1737، تم نقل رماد جاليليو، كما طلب، إلى كنيسة سانتا كروس، حيث تم دفنه رسميًا في 17 مارس بجوار مايكل أنجلو.
في عام 1835، تمت إزالة الكتب التي تدافع عن مركزية الشمس من قائمة الكتب المحظورة.
ومن عام 1979 إلى عام 1981، وبمبادرة من البابا يوحنا بولس الثاني، عملت لجنة على إعادة تأهيل غاليليو، وفي 31 أكتوبر 1992، اعترف البابا يوحنا بولس الثاني رسميًا بأن محاكم التفتيش في عام 1633 ارتكبت خطأً بإجبار العالم بالقوة على التخلي عن غاليليو. النظرية الكوبرنيكية.
مقدمة
سكان الإنترنت - وهذا بالفعل حوالي ثلث البشرية - يصادفون كلمة "علم" أكثر من عبارة "الأم" أو "الهواء". لا عجب: الجميع يستخدم ثمار العلم على شبكة الإنترنت. والعلم الرئيسي وراء اختراع الإنترنت هو الفيزياء.
إذا كنا نسمي العلم كل ما يمكن تدريسه لآخر، فإن نسبه متشابك مع نسب الإنسان. وفقا لعلماء الوراثة، فإن جميع الأشخاص المعاصرين ينحدرون من امرأة واحدة عاشت منذ حوالي ألفي قرن. وقد أطلق عليها اسم حواء الميتوكوندريا - لأسباب تتعلق بالكتاب المقدس وآلية الوراثة. ساعدت المزايا الجينية والحظ أحفاد هذه الأم على البقاء بعد جميع أحفادها وتشكيل جنسنا البشري - الإنسان العاقل، أي الإنسان العاقل. ربما كان عقلها الفضولي أحد نقاط قوة جدتنا.
لعدة آلاف السنين، اكتسب أحفاد حواء العاقل الفضوليين معرفة مفيدة بفضل الحوادث السعيدة ونقلوها إلى الأجيال الجديدة إلى جانب تقنيات صنع الأدوات ووصفات الطهي وغيرها من كنوز الحكمة الشعبية.
ويعمل العلم الحديث بطريقة مختلفة تماما، ولم يظهر إلا مؤخرا على نطاق عصر الإنسان العاقل - قبل أربعة قرون فقط، في عصر الثورة العلمية الكبرى. شخصياتها الرئيسية معروفة جيدا - نيكولاي كوبرنيكوس، جاليليو جاليلي، يوهانس كيبلر، إسحاق نيوتن. ولا تزال أسباب هذه الثورة وغياب نظيراتها غير الأوروبية بلا تفسير مقنع. لكن الطبيعة الجذرية لما حدث قبل أربعة قرون واضحة حتى بدون حل هذا اللغز - فقد تسارع توسع المعرفة العلمية وتعميقها مائة مرة.
ووفقا لأينشتاين، كان جاليليو "أبو الفيزياء الحديثة، وفي الواقع، كل العلوم الطبيعية الحديثة".
قال أينشتاين نفسه عن تاريخ العلم: "دراما الأفكار". يتميز العلم بقدرته على تقديم تنبؤات دقيقة، لكن اكتشافاته الرئيسية لا يمكن التنبؤ بها على الإطلاق، مما يعني الدراما الإنسانية. تتشابك هاتان الدراماتان عند نقاط تحول في حياة العلم. سنتحدث عن مثل هذه اللحظات. لنبدأ بكيفية اختراع جاليليو للفيزياء الحديثة.
الفصل 1
كيف اخترع جاليليو الفيزياء الحديثة؟
مع أرخميدس مقابل أرسطو
يُطلق على جاليليو أحيانًا لقب الفيزيائي الأول. الأمر ليس كذلك، ومن المحتمل أن يعترض هو نفسه. لقد درس أرخميدس بعناية وكان يحترمه بشدة. لقد كان فيزيائيًا حقيقيًا. لا يزال قانون أرخميدس الشهير بشأن طفو الجثث يعمل حتى يومنا هذا دون أي تعديلات وهو معروف لدى كل تلميذ. عندما درس جاليليو في الجامعة، تم تبجيل يوناني قديم آخر باعتباره الفيزيائي الأول والرئيسي - أرسطو، الذي عاش قبل قرن من أرخميدس وعشرين قرنًا قبل غاليليو. لقد كان أرخميدس هو من ساعد غاليليو على الشك في فيزياء أرسطو.
قبل أن نفهم هذا المثلث الدرامي، دعونا نفهم الفرق. ألفي سنة تفصل غاليليو عن أسلافه، الذين قبل أو اعترض على استنتاجاتهم. وقد تبنى رفاق جاليليو من أتباعه استنتاجاته - للتحقق منها، والتوضيح، والتصحيح، والتطوير - على الفور تقريبًا. ماذا اخترع إذا تسارعت وتيرة العلم إلى هذا الحد؟
كانت لدى غاليليو شكوك خلال سنوات دراسته، في القرن السادس عشر، عندما كانت الفيزياء تعتبر جزءًا من الفلسفة، حيث كان أرسطو صاحب السيادة. لم تكن أعمال أرخميدس مدرجة في المنهج الدراسي في ذلك الوقت، ويمكن للمرء أن يفهم السبب: لقد حل المهام الفردية فقط، بينما أعطى أرسطو إجابات عامة على الأسئلة الرئيسية. بالإضافة إلى ذلك، كان أرخميدس آنذاك، بشكل غريب بما فيه الكفاية، حداثة - تم نشر كتاب عن أعماله قبل وقت قصير من ذلك، لكن أرسطو درس في الجامعات لعدة قرون، علاوة على ذلك، بمباركة القديس توما الأكويني.
أرسطو (جزء من لوحة جدارية لرافائيل، 1509) وأرخميدس (د. فيتي، 1620). كان من الممكن أن يكون غاليليو قد شاهد كلتا الصورتين.
بالنسبة لطالب غاليليو، بدت الإجابات الفلسفية العامة غير مقنعة ولم تحدث سلطة الأسماء أي فرق يذكر. وكانت الرياضيات أكثر إقناعا وإثارة للاهتمام، على الرغم من وجود القليل منها في المنهج الدراسي. بدأ الطالب بالبحث عن غذاء للفكر خارج البرنامج وخارج الجامعة. ووجد كتاب أرخميدس، بعد أن حصل عليه من عالم رياضيات محترف، ولكن في نفس الكتاب، بالإضافة إلى النظريات الجميلة حول الأشكال الرياضية، وجد جاليليو بيانات حول الظواهر الحقيقية - حول عمل الرافعة، حول مركز الثقل ، عن السباحة. لم تكن هذه العبارات أقل إقناعا من حيث دقتها الرياضية، وعلاوة على ذلك، يمكن التحقق منها تجريبيا.
قام جاليليو بأول اختراع له تحت انطباع مشكلة أرخميدس الأكثر شهرة. حدد الملك المهمة عندما حصل على التاج الذهبي المطلوب من الصائغ. كان الملك راضيًا تمامًا عن شكل المنتج، وكان وزن التاج بالقدر المفترض، لكن ألم يستبدل الصائغ بعضًا من الذهب بالفضة؟ وبهذا الشك التفت الملك إلى أرخميدس. وفقًا للأسطورة، جاء حل المشكلة إلى الرجل المتعلم بينما كان مغمورًا في الحمام، وصرخ به بهيج "يوريكا!" أصبح معروفًا الآن حتى لأولئك الذين لا يعرفون أن الكلمة اليونانية تعني "تم العثور عليه!" وجوهر الحل الذي تم التوصل إليه، بحسب غاليليو، هو مقارنة التاج وسبيكة الذهب المساوية له في الوزن، ووضعهما على ميزان مغمور في الماء: إذا كانت السبيكة تفوق التاج في الماء، فهذا يعني أن الصائغ غش.
هكذا يعمل قانون أرخميدس العظيم، أو بتعبير أدق، قوة الطفو الأرخميدية، أو بشكل أكثر دقة، الفرق في قوى الطفو. ومن أجل قياس هذا الاختلاف بدقة بالغة (وفي نفس الوقت صدق الصائغين)، توصل جاليليو البالغ من العمر 22 عامًا إلى مقاييس خاصة بمقياس على شكل سلك، ملفوف بالتساوي بحلقات على ذراع ذراع الكرسي الهزاز. المكان الذي تريد إرفاق المقاييس فيه بحيث يكون متوازنًا سيعطي عدد الحلقات وقيمة القيمة المقاسة.
بدايات متواضعة لمؤسس الفيزياء الحديثة؟
ليس متواضعا جدا. في اختراعه، جمع جاليليو بين الدقة الرياضية للقانون النظري والقياس الفيزيائي - حيث جمع بين الأداتين الرئيسيتين للفيزياء الحديثة.
وهذا بالكاد يمكن أن يسمى البداية. ليس فقط لأن الشاب غاليليو كان قد حل بالفعل مشاكل أرخميدس الأخرى. بداية الشخصية هي تكوين نظرة للعالم والنفس في مرحلة الطفولة. كان الشاب جاليليو محظوظًا لأن لديه أبًا كان موسيقيًا ماهرًا ومنظرًا للموسيقى، والذي درس الموسيقى أيضًا كظاهرة طبيعية.
حتى فيثاغورس في اليونان القديمة استمع إلى صوت الأوتار اعتمادًا على أطوالها وقام باكتشاف مذهل: إذا كانت أطوال الأوتار مرتبطة مثل الأعداد الصحيحة 1:2، 2:3، 3:4، فإن صوتها المدمج يكون متناغمًا. عمّم فيثاغورس اكتشافه على مبدأ "كل شيء رقم"، معلنا الدور الرئيسي للرياضيات في بنية العالم. أما بالنسبة للتناغم الموسيقي، فمنذ زمن فيثاغورس، كان يُعتقد أن الأعداد "المتناغمة" يجب أن تكون صغيرة. ومع ذلك، فقد وثق والد غاليليو بأذنيه في تقييم النغمات، وبعد أن اكتشف أن النسبة 16:25 تنتج أيضًا نشوة، رفض بجرأة الرأي الرسمي. وتلقى الابن من أبيه درسا في البحث عن الحقيقة، اجتمعت فيه التجربة والرياضيات وحرية الفكر والثقة في المشاعر والعقل.
كان الفيزيائي المستقبلي محظوظًا مع والده ليس فقط في هذا الصدد. دفع والده تكاليف تعليمه، على أمل أن يصبح ابنه الأكبر طبيبا ويساعده في إعالة أسرته الكبيرة - وكانت أرباح الموسيقي بالكاد كافية. يمكن للمرء أن يتخيل استياء الأب الذي علم أن ابنه كان يتعمق في الرياضيات بدلاً من الحكمة الطبية، والتي لم تعد بأي مهنة عملية، وبالتالي دخل موثوق. ومع ذلك، قبل اتخاذ القرار، تحدث الأب مع عالم الرياضيات الذي أعطى ابنه الكتب. أقنعه عالم الرياضيات بأن ابنه لديه موهبة تستحق الدعم. استجاب الأب لحجج عالم الرياضيات ودعوة ابنه. وبرر الابن الثقة - بعد وفاة والده، أصبح دعم الأسرة، وعلاوة على ذلك، تمجد اسم عائلتهم.
بدأ الطريق إلى الشهرة العالمية بالشكوك والفشل.
نشأت الشكوك خلال سنوات دراسته عندما درس جاليليو أرسطو. للوهلة الأولى، لا يمكن مقارنة أرخميدس بأرسطو، لأنه حصل على نتائجه لمجموعة ضيقة من الظواهر. طيب ما هو قانون الرافعة المالية؟! حتى كلمة "قانون" تبدو غريبة هنا. من منا لا يفهم أن الأحمال الموجودة على الكرسي المتأرجح تكون متوازنة إذا كان حاصل ضرب حجم الحمل على الذراع هو نفسه في كلا الجانبين؟! نعم، بمساعدة هذا القانون البسيط، وجد أرخميدس مراكز ثقل الشخصيات الماكرة، والتفكير رياضيا. ولكن يمكن التحقق من النتيجة من خلال تعليق الشكل على مركز الثقل الموجود نظريًا ورؤية أنه لا يتحرك. هذه بالفعل فيزياء، وبشكل عام، تعني الفيزياء الرياضية. ومع ذلك، في التنوع اللامتناهي للظواهر الطبيعية، لم يدرس أرخميدس سوى عدد قليل منها. ولم يتظاهر بتفسير بنية العالم. لقد وعد فقط بقلب العالم، أي الكرة الأرضية، إذا تم منحه نقطة الارتكاز المناسبة والنفوذ القوي.
لم يحد أرسطو من طموحاته - فقد كتب عن ما هو أرضي وسماوي، وعن الأشياء الحية وغير الحية، وعن الأخلاق والسياسة، وأخيراً عن الفيزياء والميتافيزيقا. إن كلمة "فيزياء" هي التي أدخلها أرسطو نفسه، وهي مشتقة من الكلمة اليونانية "طبيعة". لكن كلمة "الميتافيزيقا" صاغها ناشر أعمال أرسطو، وأطلق على المجلد اسم "الميتافيزيقا". بجوار "الفيزياء"، ماذا " ميتا- فيزياء" وتعني باللغة اليونانية. في الواقع، يتحدث أرسطو عن ذلك قبل- الفيزياء، أو عن الفلسفة الأولى - عن الأسس الأكثر عمومية لأي معرفة.
هذا الاتساع يخطف الأنفاس. لكن الاتساع لا يتطلب العمق، كما تظهر فيزياء أرسطو. لعدة قرون كان يعتبر قمة العلم. أحد أسباب هذه السلطة طويلة الأمد هو توافق هذا العلم مع الفطرة السليمة اليومية. أرسطو، على سبيل المثال، رفض فكرة أن الطبيعة مكونة من ذرات غير مرئية تتحرك وتتفاعل في الفراغ - وبما أن أحدا لم يرى الذرات، فهذا يعني أنها غير موجودة، تماما كما لا يوجد فراغ. فهو، في الواقع، لم يدرس الطبيعة، بل جلب النظام لوصفها، معتمدًا على حسه السليم. وتوصلت إلى استنتاج مفاده أن الحركات في السماء وعلى الأرض مختلفة بشكل أساسي. في العالم السماوي، كل حركة طبيعية وأبدية ودائرية. في العالم الأرضي، يتم تحديد الحركة العنيفة بالقوة، ومن المؤكد أن الحركة الطبيعية ستتوقف عاجلاً أم آجلاً. يعتقد أرسطو أن الأجسام ثقيلة أو خفيفة بطبيعتها: فالجسم الثقيل يتحرك بشكل طبيعي إلى الأسفل، والجسم الخفيف، مثل النار أو الدخان، يتحرك بشكل طبيعي إلى الأعلى. يبدو الأمر معقولًا إذا لم تنظر عن كثب إلى الظواهر الفيزيائية.
أطل جاليليو مستخدمًا فيزياء أرخميدس الدقيقة كنموذج. ولفت الانتباه إلى مقولة أرسطو التي تدعي صحتها: “الجسم الأثقل يسقط أسرع من الجسم الأخف بنفس المقدار من المرات، فهو أثقل عدة مرات”. أعطت هذه العبارة غاليليو نقطة ارتكاز قلب بها مسار تاريخ العلم، بل وحتى تاريخ العالم.
كيف قلب جاليليو مجرى التاريخ؟
لم يكن من الصعب دحض أرسطو. وبملاحظة سقوط الكرات المتماثلة في الحجم ولكنها تختلف في الوزن، مثلًا عشر مرات، فمن السهل أن نرى أن وقت السقوط لا يختلف بمعامل عشرة. يبدو أنه بالفعل في بداية شكوكه، خمن جاليليو أن سرعة السقوط لم يتم تحديدها من خلال الاختلاف في الجاذبية نفسها. وكان السؤال: ما الذي يحدد؟
ويجب علينا أيضًا أن نشيد بأرسطو، الذي لا يعتبر عبثًا أحد أعظم المفكرين. وكان أول من طرح السؤال. لذلك، تجرأت على اقتراح أن مثل هذا السؤال يمكن الإجابة عليه. كانت الإجابة خاطئة، ولكن كان هناك بالفعل شيء يمكن البناء عليه. اشتبه غاليليو في الخطأ على مستوى الاستدلال. إذا كانت سرعة السقوط متناسبة مع جاذبية الجسم، فإذا قسمت الجسم إلى قسمين عقليًا أو فعليًا وتركت الأجزاء متقاربة، يجب أن تتوقع أن كل جزء سيسقط بشكل أبطأ من الكل. يظهر الاستنتاج السخيف أن أرسطو مخطئ، لكنه لا يتبع على الإطلاق أن السؤال نفسه صحيح، وأن الإجابة المحددة ممكنة عليه. ولتبرير أرسطو يمكن القول إنه تحدث عن سقوط أجسام تختلف في الجاذبية فقط. ولكن بدلاً من ذلك، ببساطة... لم يكن لديه وقت. بالنسبة له، كان سقوط الأجساد مجرد مسألة واحدة في أحد العلوم العديدة التي درسها. تشمل إنجازاته الرئيسية إنشاء المنطق كنظام للتفكير. خلال سنوات دراسته، مر جاليليو وجميع أهل العلم في ذلك العصر بمدرسته في المنطق. بالنظر إلى أرسطو من عصرنا، يمكننا القول إن المفكر القوي تشبث بشدة بـ "حسه السليم"، المبني، كالعادة، على ملاحظاته الحياتية. ويمكنك المضي قدمًا من خلال الاعتماد ليس فقط على الأرض تحت قدميك، بل أيضًا على الهواء تحت أجنحتك، كما تفعل الطيور. بعد ذلك يمكنك التغلب على قطعة أرض غير سالكة ، على سبيل المثال ، مستنقعات للغاية. لقد اخترع جاليليو بالفعل مثل هذه الطريقة المجنحة للدعم في البحث عن الحقيقة العلمية.
صورة لجاليليو جاليلي. الفنان أوتافيو ليوني 1624 ز.
لم تكن طموحات جاليليو العلمية أدنى من طموحات أرسطو، لكنه لم يجتهد في الاتساع بقدر ما سعى في العمق والارتفاع. لم يزعم أنه يتقن جميع العلوم، لكنه كان يعتقد أنه في أساس كل فيزياء الكون - سواء تحت القمر أو فوق القمر - هناك قوانين أساسية عامة معينة، وكان يعتقد أنه يستطيع اكتشاف قانون السقوط الحر . استغرق الأمر عقودًا من البحث لمعرفة ذلك. واستغرق الأمر المزيد من السنوات لتقديم نتائجها بشكل مقنع.
كان اكتشافه الرئيسي هو ذلك في الفراغ، تسقط جميع الأجسام، بغض النظر عن جاذبيتها، بنفس السرعة، لكن هذه السرعة لا تتحدد بالسرعة نفسها، بل بمعدل تغير السرعة، أي التسارع.وكتب أن نتائجه «جديدة جدًا، وهي للوهلة الأولى بعيدة جدًا عن الحقيقة، لدرجة أنه لو لم يجد طرقًا لإلقاء الضوء عليها وجعلها أكثر وضوحًا من الشمس، فإنه يفضل الصمت عنها بدلاً من التعبير عنها.» "
الجدة الرئيسية تكمن في "الفراغ". وليس هذا فحسب، بحسب أرسطو، فإن الفراغ لا يوجد ولا يمكن أن يوجد، فهو "أثبت" بطرق مختلفة (على سبيل المثال، بالقول إن "الفراغ" هو "لا شيء"، ولا شيء يستحق أي نقاش). والأهم من ذلك، أن جاليليو لم يرى الفراغ أبدًا، ولا في أي من تجاربه. كيف يمكن أن يعرف أي شيء عنها؟!
وكان هذا أصعب من مجرد دحض قانون أرسطو القديم المبني على النتيجة الواضحة للتجربة المباشرة. واعتمد أرسطو على الأدلة. وعلم غاليليو أن “معظم الناس، حتى ذوي البصر الجيد، لا يرون ما يكتشفه الآخرون بالدراسة والملاحظة، وفصل الحق عن الباطل، وما يبقى مخفياً عن الأغلبية”.
هكذا كتب جاليليو في كتابه الأخير، حكيمًا بخبرة نصف قرن في الفكر العلمي والتجريب. ولكن عندما بدأ بحثه، وهو في الخامسة والعشرين من عمره، كان يأمل في إجراء اختبار مباشر بسيط، وهو اختبار لا يتعلق بأرسطو بقدر ما يتعلق بفرضيته الخاصة.
مستوحى من فيزياء أرخميدس، اقترح جاليليو أن سرعة السقوط، مثل الطفو، لا يتم تحديدها من خلال وزن الجسم، ولكن من خلال كثافته، أي وزن وحدة الحجم. إذا أخذت كرتين من نفس الحجم، مصنوعتين من الخشب والرصاص، وأطلقتهما من يديك في الماء، فإن الكرة الخشبية لن تسقط بشكل أبطأ من كرة الرصاص فحسب، بل ستبدأ في الارتفاع. ماذا لو تركتهم يسقطون في الهواء؟ اتضح أن الكرة الخشبية كانت في البداية متقدمة قليلاً على الكرة الأمامية، ولكن بعد ذلك أمسكت بها الكرة الثقيلة وتجاوزتها.سجل جاليليو ذلك في مخطوطته "On Motion" التي لم ينشرها، فنتيجة تجربته تدحض قانون أرسطو وفرضيته. وهنا كان علينا أن نفكر.
هذه النتيجة الغريبة المكتوبة بخط اليد دفعت أحد المؤرخين المشهورين إلى القول بأن غاليليو لم يقم بمثل هذه التجربة على الإطلاق؛ كان من المفترض أن يكون أداة بلاغية. لكن في عصرنا هذا أعيدت التجربة، وتطابقت النتيجة مع تجربة غاليليو. ولم يكن التفسير جسديًا، بل فسيولوجيًا. اليد التي تمسك الكرة الثقيلة تضغط عليها بشكل أقوى من اليد الأخرى التي تمسك الكرة الخفيفة، واليد التي تمسك الكرة الثقيلة تستغرق وقتًا أطول قليلاً لتحريرها عندما تتلقى أمرًا من الرأس. ولذلك فإن الكرة الخفيفة تبدأ سقوطها مبكراً "قليلاً".
لم يكن من الممكن أن يخمن جاليليو بمثل هذه الخراقة في يديه، فقد كان يفكر في الفيزياء. لقد فكرت في الأمر لمدة عشر سنوات وأدركت أنه لن يكون من الممكن دراسة السقوط الحر مباشرة - فهو يحدث بسرعة كبيرة. إذا سقطت كرة من ارتفاع صغير، فلن يكون لديك الوقت لتغمض عينك، ناهيك عن قياسها. والسقوط من ارتفاع كبير، ستكتسب الكرة سرعة أكبر، وبالتالي ستزداد مقاومة الهواء. أي شخص يحمل مروحة بين يديه يعرف: كلما لوحت بها بشكل أسرع، أصبح الأمر أكثر صعوبة.
توصل جاليليو إلى طريقتين "لإبطاء" السقوط الحر.
أحدهما هو رمي الكرات على مستوى مائل. كلما كانت زاوية الميل أصغر، كلما اتسعت الحركة وأصبح من الأسهل دراستها. ولكن هل يمكن أن يسمى التدحرج بالسقوط الحر؟ يمكنك أن نسميها ما تريد. الأهم من ذلك هو العلاقة الجسدية الحقيقية. كلما كانت الطائرة أكثر سلاسة، كانت الحركة أكثر حرية. وكلما زادت زاوية الميل، أصبحت الحركة أشبه بالسقوط، ليصبح سقوطاً منتظماً عندما يصبح المستوى عمودياً. من خلال إجراء مثل هذه التجارب على مستوى مائل، أصبح غاليليو مقتنعًا لأول مرة بمدى خطأ فرضيته الأصلية. ففي نهاية المطاف، افترض أن كل جسم يسقط بسرعة ثابتة معينة، مما يعني أن قياس السرعة هو المسافة المقطوعة لكل وحدة زمنية. لا يمكنه أن يعتقد ذلك إلا لأن السقوط الحر العادي يستمر لفترة قصيرة جدًا. من خلال تمديد السقوط إلى الحركة على طول مستوى مائل لطيف، من الأسهل ملاحظة أنه في بداية الحركة يتحرك الجسم بشكل أبطأ منه في النهاية. هل هذا يعني زيادة سرعة الحركة؟
ما هو على أي حال؟ سرعة؟في اللغة العادية هذا هو - السرعة، السرعة،وإذا كان أسرع، فيمكننا أن نقول سرعة البرقوحتى لحظة. كل هذه الكلمات في اللغة اليومية هي مرادفات. لكن في لغة العلم -لتحديد عباراته واختبارها تجريبيا- هناك حاجة إلى كلمات محددة بوضوح - مفاهيم علمية. قدمت الرياضيات مثالا على تعريف واضح للكلمات، ولكن مثال فقط: في الرياضيات لا يوجد وقت، حركة، سرعة، خطورة. لتقول كلمتك الجديدة في العلوم، غالبًا ما يكون من الضروري إدخال كلمات ومفاهيم جديدة في العلوم. كانت المفاهيم العلمية مفقودة بشكل خاص عندما بدأ جاليليو الفيزياء الحديثة. وكان عليه أن يوضح أن السرعة هي التغير في الموضع لكل وحدة زمنية. والتسارع هو التغير في السرعة لكل وحدة زمنية. ويجب القول أن القياس الدقيق للوقت كان في حد ذاته مشكلة. قام غاليليو بوزن الوقت: فقد فتح مجرى ماء في البداية وأغلقه في نهاية الفترة المقاسة، وحدد مقدار الوقت المنقضي على الميزان. وكانت المقاييس هي الأداة الأكثر دقة في ذلك الوقت.
طريقة أخرى لدراسة السقوط الحر ولدت من غاليليو في الكنيسة، ولكن ليس فيما يتعلق بسقوط حواء. أثناء خدمة الكنيسة، نظر إلى الكاهن، اكتشف ظاهرة مذهلة. ثريا معلقة في الأعلى وتمايلت - حسب إرادة المسودة - تارة أقوى وتارة أضعف. قارن جاليليو مدة التأرجحات الفردية، وقاس الوقت من خلال نبضات نبضه، ووجد أن الاهتزاز الكبير للثريا يستمر بقدر اهتزاز صغير. وبهذا بدأ بحثه عن البندول، وهو أي وزن معلق على خيط. لاحظ جاليليو اهتزازات البندول عن طريق تغيير الأوزان، وطول الخيط، والانحراف الأولي.
من خلال مراقبة بندولين في وقت واحد، أكد بشكل مقنع ملاحظته الكنسية. إذا أخذت بندولين متطابقين، وقمت بتحريف الأوزان قليلاً بزوايا مختلفة ثم حررتهما، فسوف يتأرجح البندول في الوقت المناسب، بشكل متزامن تمامًا: فترة التذبذب الصغير هي نفس فترة التذبذب الكبير. حسنًا، "إذا قمت بإنزال سلكين متساويين الطول من بعض العوارض، وربطت كرة من الرصاص بنهاية أحدهما، وكرة من القطن بنهاية الآخر، ثم ثنيهما بالتساوي، ثم تركتهما لأنفسهما"؟ مرة أخرى، تظل فترة التذبذب هي نفسها، على الرغم من أن سعة الاهتزاز تتناقص بشكل أسرع بالنسبة للكرة الخفيفة. وفي حركة الأجسام الأخف، تكون مقاومة الوسط أكثر وضوحًا. وهذا واضح إذا قارنا الحركات في الهواء وفي الماء: "تغرق بيضة رخامية في الماء أسرع مائة مرة من بيضة الدجاجة؛ وبيضة رخامية تغوص في الماء أسرع مائة مرة من بيضة الدجاجة". فإذا سقط في الهواء من ارتفاع عشرين ذراعاً، فإنه لا يكاد يتقدم على بيضة دجاجة إلا بأربعة أصابع. إن التأرجح الحر للبندول لا يشبه كثيرًا السقوط الحر، لكن كلاهما يتحدد بالجاذبية. ومع انخفاض تأرجح الذبذبات، تقل سرعة البندول، وبالتالي يتناقص دور مقاومة الوسط.
لخص جاليليو نتائج تجاربه واستدلاله في قانون جديد للطبيعة: في الفراغ تسقط جميع الأجسام سقوطا حرا بنفس التسارع.
حسنًا، ماذا عن القصة الشهيرة حول قيام جاليليو بإسقاط الكرات من برج بيزا المائل؟ ويزعم أن الجمهور العلمي، الذي يراقب هذا، على الفور، بعد الهبوط المتزامن لكرات مختلفة، اعترف بانتصار غاليليو على أرسطو.
هذه أسطورة. لم يكن هناك مثل هذا الانتصار. ولا يمكن للكرات المختلفة أن تهبط في نفس الوقت بسبب مقاومة الهواء. وقام زملاؤنا المتعلمون، مع استثناءات قليلة، بحماية سلطة أرسطو، الذي تعلموه عندما كانوا طلابًا وعلموه للأجيال الجديدة. لقد كان رفض أفكاره هو الذي دفع جاليليو، بالإضافة إلى الفيزياء الحديثة، إلى الانخراط أيضًا في الأدبيات العلمية الشعبية. تتخذ كتبه الرئيسية شكل محادثات بين ثلاث شخصيات. واحد - Simplicio - يمثل آراء المعجبين بأرسطو. والثاني - سالفياتي - باحث مستقل، على غرار غاليليو. والثالث - ساغريدو - يبدو وكأنه شخص عاقل، ربما ليس متطورا في العلوم، ولكنه مستعد للاستماع إلى كلا الخصمين وطرح أسئلة توضيحية قبل أن يقرر من هو على حق. لقد كتب غاليليو لمثل هؤلاء القراء. ومن أجلهم، تحول من اللاتينية - لغة التعلم آنذاك - إلى اللغة الإيطالية الحية ليتحدث عن دراما الأفكار التي شارك فيها هو نفسه، عن الثقة العمياء لأولئك الذين يتضح لهم كل شيء، عن روح الشك في البحث عن الحقيقة وعن طرق إنشاء قوانين الطبيعة الحقيقية.
قصة "البرج المائل" رواها تلميذ غاليليو لأول مرة في سيرة ذاتية كتبت بعد عقد من وفاة المعلم ونصف قرن من التجارب المزعومة. كان الطالب فيزيائيا، وليس مؤرخا، وعندما جاء إلى العلوم، كان من الواضح تماما من كان على حق. وبدا أنه يرى الدليل على سيرة غاليليو الذاتية في كلمات شخصيته الأدبية:
سالفياتي. يقول أرسطو: «إن الكرة التي تزن مائة رطل، والتي تسقط من ارتفاع مائة ذراع، ستصل إلى الأرض قبل أن تقطع الكرة التي يبلغ وزنها رطلًا واحدًا ذراعًا واحدة». أزعم أنهم سيصلون في نفس الوقت. من خلال إجراء التجربة، سترى أنه عندما يصل الأكبر إلى الأرض، فإن الأصغر سوف يتخلف بمقدار عرض إصبعين. ولا يمكن إخفاء ذراع أرسطو التسعة والتسعين خلف هذين الإصبعين.
لم يزعم جاليليو نفسه مطلقًا أنه أسقط كرات من برج بيزا المائل. بالنسبة له، كان قانون السقوط الحر الجديد أكثر أهمية بكثير من دحض القانون القديم. وكانت حركة الكرات على مستوى مائل والتذبذبات الصغيرة للبندول أكثر إقناعًا من المظاهرات العامة المذهلة.
أول عالم فيزياء حديث؟
لقد حان الوقت لقارئ مثل ساجريدو، بعد أن هنأ جاليليو على اكتشاف قانون جديد، أن يتساءل: كيف يختلف هذا القانون عن قانون أرخميدس وكيف استحق جاليليو في الواقع لقب "أبو الفيزياء الحديثة"؟ ؟
إن ميزة قانون أرخميدس واضحة. تعتبر السباحة ظاهرة مهمة من الناحية العملية، لكن السقوط الحر ظاهرة نادرة وقصيرة الأمد و... مميتة. من يهتم بمعرفة كم ثانية بالضبط يستغرق السقوط من السطح إلى الأرض؟! بالإضافة إلى ذلك، فإن قانون جاليليو يعطي قيمة دقيقة فقط للسقوط في الفراغ، وهو ما لم يره أحد في ذلك الوقت، ولم يأخذ جاليليو في الاعتبار تأثير الهواء.
في شرح مساهمات غاليليو، يقال إنه أسس علم الرياضيات التجريبي أو التجريبي، وأنه "حاسب" الطبيعة واخترع الطريقة "الاستنتاجية الافتراضية". ومع ذلك، فإن كل هذه العبارات تنطبق على أرخميدس، الذي درس جاليليو من كتبه والذي وصفه بأنه "الأكثر إلهية". كان الفيزيائي أرخميدس أيضًا عالم رياضيات ومهندسًا مخترعًا عظيمًا، وكانت الفرضية والاستنتاج المنطقي بمثابة أدوات للتفكير حتى قبل أرخميدس. علاوة على ذلك، فإن تجارب جاليليو والرياضيات التي استخدمها كانت في حدود ما كان ممكنًا مع أرخميدس.
ما الذي جعل غاليليو "أبو الفيزياء الحديثة"، على حد تعبير أينشتاين، أو ببساطة، أول فيزيائي حديث؟ يجب على القارئ الذي يرغب في العثور على إجابة لهذا السؤال بنفسه أن يفكر في قانون السقوط الحر في الفراغ ويأخذ في الاعتبار أن جاليليو لم يقم بإجراء تجارب في الفراغ - فقط في الهواء والماء.
بعد وفاة جاليليو، تعلم تلميذه توريتشيلي خلق فراغ (شبه كامل) يسمى "توريسيلي". للقيام بذلك، تحتاج إلى أنبوب اختبار، طوله حوالي متر، مملوء بالزئبق. من خلال قلب أنبوب الاختبار رأسًا على عقب وخفض نهايته المفتوحة إلى وعاء به زئبق، نحصل على ما يقرب من 24 سم من الفراغ بالقرب من قاع أنبوب الاختبار، وهو في الأعلى (إذا كان ضغط الهواء طبيعيًا - 760 ملم زئبق) . في مثل هذا الفراغ، تسقط قطعة من الزغب والعملة المعدنية بنفس الطريقة تمامًا.
وبعد ثلاثة قرون، في عام 1971، شاهد الملايين من مشاهدي التلفزيون صورة مماثلة عندما أطلق على شاشاتهم أحد المشاركين في رحلة أبولو 15 القمرية، رائد الفضاء ديف سكوت، أثناء وجوده على سطح القمر، مطرقة ومطرقة. ريشة من يديه، وهبطوا على القمر في نفس الوقت - بما يتفق تمامًا مع قانون جاليليو، حيث لا يوجد هواء هناك. استغرق التقرير عن هذه التجربة القمرية 40 ثانية فقط:
لذا، في يدي اليسرى لدي ريشة، وفي يدي اليمنى لدي مطرقة. أحد أسباب مجيئنا إلى هنا يرجع إلى رجل نبيل يُدعى جاليليو، والذي قام منذ فترة طويلة باكتشاف مهم حول سقوط الأجسام في مجالات الجاذبية. لقد اعتقدنا أن أفضل مكان لإظهار اكتشافه سيكون على القمر. الآن سأترك القلم والمطرقة، وآمل أن يصلا إلى السطح في نفس الوقت... هذا كل شيء!.. [تصفيق في هيوستن]<…>مما يثبت حق السيد جاليليو.
وقد لاحظ أحد مؤرخي العلوم، بعد أن انضم إلى التصفيق في هيوستن، أن غاليليو لم يكن لديه مفهوم "مجالات الجاذبية" ولكنه كان يتحدث ببساطة عن السقوط الحر. وهذا بالنسبة للفيزيائيين، تم تأكيد قانون غاليليو بالكامل من خلال تذبذبات البندول الصغيرة، لأن فترةها لا تعتمد على نوع الحمل المعلق على الخيط.
وكان الفراغ هو الأهم الأول " لا-مفهوم "مرئي" في الفيزياء. ثم ظهرت أشياء أخرى - الجاذبية العالمية، والمجال الكهرومغناطيسي، والذرات، والإلكترونات، وكميات الضوء... لم يرها أحد أو يلمسها، ولكن فقط على أساس هذه المفاهيم المحبوبة أصبحت الاختراعات التقنية التي غيرت الحياة اليومية ممكنة. ويستخدم الفيزيائيون المعاصرون هذه المفاهيم بثقة مثل الكلمات الأكثر شيوعًا "الطاولة" و"الكرسي" و"الحب" و"الصداقة".
وقد ساعد جاليليو على اختراع الفيزياء الأساسية من خلال مواهبه الطبيعية وإيمانه بمعرفة العالم، وبالطبيعة الأساسية للكون.
والآن بعد أن حقق العلم والتكنولوجيا المبنية عليه نجاحات هائلة، تبدو إمكانية معرفة العالم واضحة، لكن قبل كل هذه النجاحات -في القرن السادس عشر- كان الوضع مختلفا تماما. في ذلك الوقت، لم يكن هناك أي اعتراف عام بقوة القوانين في الطبيعة. لقد مر حوالي نصف قرن منذ بداية أفكار جاليليو وتجاربه الأولى حتى نشر نتائج عمله. نصف قرن من البحث الدؤوب عن الحقيقة ـ ومثل هذا القانون البسيط، "الذي لا يحتاج إلى تفكير"، كما سيقول تلاميذ المدارس اليوم.
ويرى جاليليو أنه “لم يفتح إلا طريق وأساليب البحث، التي ستستخدمها العقول الأكثر بصيرة للتغلغل في المناطق النائية من علم واسع وممتاز”، وأنه “بهذه الطريقة يمكن للمعرفة أن تغطي جميع مجالات المعرفة”. ظاهرة طبيعية."
الفصل 2
أول عالم فيزياء فلكية في الكون
كان من الممكن أن يتفاجأ معاصرو جاليليو للغاية عندما يعلمون أن اكتشافاته الفلكية لم يتم ذكرها في قصة إنجازه العلمي الرئيسي. الاكتشافات رائعة بالفعل، لكنها لم تتم بواسطة عالم فلك، ولكن عالم فيزياء فلكيةجاليليو، أول عالم فيزياء فلكية، وقبل وقت طويل من ظهور هذه الكلمة. والثاني كان نيوتن. وسيكون من الأفضل تسمية شركائهم في الثورة العلمية الكبرى - كوبرنيكوس وكيبلر علماء الرياضياتوبعيدًا عن الأول: منذ زمن سحيق اعتمد علم الفلك على الرياضيات. يسعى عالم الفلك إلى وصف ما يحدث في السماء المرصعة بالنجوم بدقة، ويريد الفيزيائي شرح ما يتم رصده بأسباب يمكن الوصول إليها بالبحث التجريبي. نحن نتحدث عن وجهتي نظر مثمرتين بشكل متبادل، ولكن مختلفتين للعالم، وكل وجهة نظر يمكن أن تؤدي إلى النجاح في موقف واحد، وإلى الإحراج في موقف آخر.
وقبل الحديث عن الاكتشافات الرائعة والمفاهيم الخاطئة لدى عالم الفيزياء الفلكية الأول، دعونا نتذكر صورة الكون كما رآها علماء الفلك آنذاك.
اللوحات الفلكية
جاءت هذه الصورة من العصور القديمة وكان يطلق عليها اسم النظام العالمي البطلمي نسبة إلى العالم الفلكي الذي لخص المعرفة في ذلك الوقت. في الكتب التي درس جاليليو منها، تم تصوير هذه الصورة للعالم على أنها مجموعة من الدوائر متحدة المركز، مع أصغر دائرة في المركز تمثل الأرض. ويسمى هذا النظام بمركزية الأرض لأنه يوجد في مركزه جايا، والتي تعني الأرض في اليونانية. كان المحترفون، بطبيعة الحال، يعلمون أن هذه الصورة المسطحة بالغت في تبسيط تصميم بطليموس ثلاثي الأبعاد، الذي لم يكن مركزيًا بالكامل حول الأرض: فالأرض ليست في المركز تمامًا، بل على مسافة معينة منه. حول المركز الفارغ توجد ثمانية مجالات سماوية متحدة المركز. يوجد في الكرة الخارجية عدد لا يحصى من النجوم الثابتة، وفي الباقي هناك نجوم منفردة. تجول،باليوناني الكواكب: عطارد والزهرة والمريخ والمشتري وزحل ونجمان لامعان - الشمس والقمر. وتدور كل كرة حول محورها بسرعتها الخاصة. يدور مجال النجوم الثابتة ككل ويقوم بدورة واحدة بالضبط في اليوم. وتتحرك الكواكب بطريقة أكثر دهاءً - فكل منها مثبت على كرة صغيرة معينة تسمى "فلك التدوير" مع مركز متصل بمجالها السماوي الكبير. لذلك يشارك كل كوكب في دورتين في وقت واحد. جميع المجالات الكبيرة والصغيرة شفافة تمامًا ولا تتداخل مع بعضها البعض بطريقة أو بأخرى.
تم استبدال أسباب هذه الترتيبات والدورانات الماكرة بالإشارة إلى أرسطو، الذي بموجبه تختلف الظواهر السماوية بشكل أساسي عن الظواهر الأرضية: في السماء، كل شيء مصنوع من مادة سماوية خاصة - الأثير، وجميع الحركات السماوية دائرية. وأعلن أن السبب الفائق الوحيد للبنية السماوية بأكملها هو خالقها.
كيف تعرف الناس على هذا الجهاز وهل يتوافق مع الواقع؟ كان من الممكن أن يجيب عالم فلك من القرن السادس عشر على ذلك بالإشارة إلى عبقرية بطليموس الإلهية وقدرته، بمساعدة نظامه، على حساب مواقع الأجرام السماوية في أي وقت. ومع ذلك، لإجراء مثل هذه الحسابات، لم تكن هناك حاجة إلى الأثير ولا إلى الله؛ وكان يكفي معرفة موقع الكواكب في لحظة معينة من الزمن، وأنصاف الأقطار وسرعات دوران الأجرام السماوية. وهكذا تنبأوا بخسوف الشمس والقمر وشرحوا الحركات التراجعية الغريبة للكواكب، عندما يتوقف الكوكب ويتحرك في الاتجاه المعاكس.
لقد خدم نظام بطليموس علماء الفلك جيدًا لعدة قرون قبل أن يقلبه كوبرنيكوس رأسًا على عقب، في منتصف القرن السادس عشر، في رأي الغالبية العظمى من زملائه، أو رأسًا على عقب، كما اعتقد القليل جدًا. تساءل كوبرنيكوس بشكل أساسي عن الشكل الذي ستبدو عليه السماء المرصعة بالنجوم عند رؤيتها من الشمس. وأجاب بنظام مركزية الشمس، واصفًا الحركات في السماء تمامًا مثل النظام البطلمي. استخدم كوبرنيكوس نفس طريقة الوصف - المجالات السماوية الكبيرة والصغيرة، فقط وضع الشمس في المركز، وليس الأرض. تغيرت صورة الحركات السماوية بشكل جذري: أصبح مجال النجوم الثابتة نفسه بلا حراك، ودارت الأرض حول محورها وحول الشمس، لتصبح أحد الكواكب التي تدور أيضًا حول الشمس. بقي القمر فقط في دوره السابق - فهو يدور أيضًا حول الأرض. وبطبيعة الحال، ظلت صورة السماء التي تم رصدها من الأرض كما هي. لقد فهم علماء الفلك فقط أن هذه الصورة المرصودة بالفعل تم حسابها من خلال نظريتين رياضيتين مختلفتين.
يختلف النظام الكوبرنيكي تمامًا عن النظام البطلمي لدرجة أن الفكرة الأصلية تبدو غير مفهومة: النظر إلى الكون من وجهة نظر شمسية. يبدو أن كوبرنيكوس قد ساعده تعليمه الإنساني. كان يعرف اللغة اليونانية القديمة تمامًا، وكان عمل بطليموس بالنسبة له مجرد أحد الكتب القديمة. ومن كتب أخرى، عرف عن أرسطرخوس اليوناني القديم من ساموس، الذي تمكن من تحديد حجم الشمس، وهو أكبر بكثير من حجم الأرض، واقترح أن الأرض تدور حول الشمس - صغيرة حول كوكب كبير. واحد. بالنسبة لبطليموس، مثل غيره من علماء الفلك القدماء، فإن هذه الحجة لم تتفوق على الجمود الواضح للأرض، ولم يفكر حتى في فكرة مركزية الشمس. لماذا وكيف قرر كوبرنيكوس دراسة هذه الفكرة، ولماذا ارتفع حدسه إلى هذه المرتفعات الغريبة، ولم يشرح هو نفسه. والواضح أنه رأى في بطليموس العظيم زميلًا، وليس عبقريًا معصومًا من الخطأ.
لاستكشاف فكرة مركزية الشمس، كان على كوبرنيكوس القيام بالكثير من العمل: وصف تصميم نظام مركزية الشمس بالتفصيل حتى يمكن حساب موقع أي كوكب. لقد استخلص عدة نتائج ملحوظة من نظامه: توقفت الكواكب عن "التراجع"، وأصبحت مداراتها دائرية تقريبًا، وأصبحت فترات الدوران أطول كلما ابتعدت عن الشمس. بعد أن أكمل سنوات عديدة من العمل، قام بتأخير النشر لفترة طويلة. المزايا الفلكية - أولاً وقبل كل شيء، عدم وجود حركات رجعية للكواكب - لم تذهب سدى: في النظام الكوبرنيكي، تتحرك الأرض مع سكانها بسرعة هائلة - آلاف الكيلومترات في الساعة. كان السعر باهظًا جدًا بالنسبة لأولئك الذين كانوا مهتمين بالسماء فقط لطقس الغد: كيف يمكنك الاندفاع بهذه السرعة المجنونة دون أن تلاحظ ذلك؟! وكان الثمن باهظًا أيضًا بالنسبة للأشخاص المتعلمين الذين لا يريدون تحسين تعليمهم.
ومع ذلك، كان هناك آخرون.
أول من تم تسميته هو تايكو براهي، الذي حصل على لقب "ملك علماء الفلك" لعدد ودقة ملاحظاته. لقد قبل بالنظام الكوبرنيكي و... اتخذ خطوة في الاتجاه المعاكس، الأمر الذي لم يؤثر بأي شكل من الأشكال على الحسابات والملاحظات، بل أبطل سرعة الأرض. اقترح أن ننظر إلى العالم من الأرض في النظام الكوبرنيكي. ثم تصبح الأرض مرة أخرى مركز الكون الثابت، وتدور الشمس، والتي تدور حولها جميع الكواكب الأخرى. لقد كان نظامًا مركزيًا شمسيًا من وجهة نظر مركزية الأرض. لم يكن المراقب الفلكي محرجًا من أن شيئًا أكبر حجمًا يدور حول الأرض. فكما خلق الله الكون فهو يدور. إذا تمت مقارنة النظام الكوبرنيكي بشكل غير لائق بسيارة لعبة ذات محرك متحرك، فيمكننا القول إن تايكو براهي أمسك السيارة الممزقة من العجلة في الهواء: العجلة لم تتحرك، لكن السيارة دارت حولها. إنه أمر محرج، لكنها نفس اللعبة.
نظام مركزية الأرض لبطليموس، ونظام مركزية الشمس لكوبرنيكوس ونظام مركزية الأرض لتيكو براهي.
بالنسبة لعالم الرياضيات الفلكية كيبلر، فإن التناغم الرياضي للنظام الكوبرنيكي يفوق كل المشاكل الأرضية. وبالنسبة لعالم الفيزياء الفلكية جاليليو، كان السؤال الأكثر إثارة للاهتمام هو السؤال الأرضي على وجه التحديد: لماذا تكون حركة الكواكب غير محسوسة؟ ومن خلال جهود كليهما، اتسع محتوى الصورة التي رسمها كوبرنيكوس للعالم وتعمق. وكانت "النتيجة الثانوية" غير المتوقعة لذلك هي ميلاد العلم الحديث. ولهذا يعتبر عمل كوبرنيكوس بداية الثورة العلمية.
إن المشاركين في هذه الثورة، كما يُرى من مستقبلنا المستنير، لم يميزوا هزائمهم عن انتصاراتهم، كما أوصى الشاعر باسترناك. وقد فعلوا الشيء الصحيح. في تاريخ العلم، لا تكفي حياة الإنسان عادةً للتمييز بوضوح بين الهزيمة والنصر. والأهم من ذلك، في العلم الحديث، كما أوضح الفيزيائي أينشتاين، أن العقل، الذي ينطلق بحرية من أرض الحقائق الصلبة، لا يعرف مقدمًا كيف ستنتهي الرحلة وما إذا كان سيتعين عليه الإقلاع مرة أخرى، في مكان مختلف اتجاه.
كوب كيبلر مركزية الشمس المكون من ستة كواكب.
أصبح الكتاب الأول لكيبلر البالغ من العمر 25 عامًا، "الغموض الكوني" (1596)، أول منشور دفاعًا عن النظام الكوبرنيكي، حيث رأى كيبلر فقط الخطوة الأولى نحو شرح صورة الكون. لقد كان على يقين من أنه اتخذ الخطوة التالية - فقد أوضح عدد الكواكب بستة. وأوضح باستخدام الرياضيات دقيقة وجميلة. حتى علماء الرياضيات القدماء عرفوا أن هناك خمسة فقط متعددات الوجوه العادية(جميع جوانبها متساوية). لاحظ كيبلر أنه إذا تم ترتيب هذه الأشكال المتعددة الوجوه الخمسة في دمية ماتريوشكا بحيث تلامس كل منها مجالين - بحوافها تلامس الكرة المنقوشة، وبرؤوسها - الكرة المقيدة، فستحصل على ستة مجالات بالضبط. ستة مجالات الكواكب! كل ما بقي هو اختيار الترتيب المطلوب لمتعددات الوجوه بحيث تتطابق أحجام المجالات مع الأحجام المرصودة. ونجح مما أقنعه بأن تخمينه كان صحيحا. ولذلك، فهو لم يسمح بفكرة أنه سيتم اكتشاف كوكب آخر على الأقل، ربما بناء على حقيقة أن الكواكب الستة كلها معروفة منذ زمن سحيق.
أرسل كيبلر كتابه إلى جاليليو. أجاب برسالة يدعم فيها مركزية الشمس بشكل كامل:
لقد قبلت مثلك منذ فترة طويلة أفكار كوبرنيكوس، وعلى أساسها اكتشفت أسباب الظواهر الطبيعية التي لا يمكن تفسيرها بالنظريات الحالية. لقد دونت الكثير من المبررات والتفنيدات، لكنني لم أقرر بعد نشرها، خوفا من مصير كوبرنيكوس معلمنا الذي نال شهرة خالدة بين القلة وسخر منه جموع الحمقى.
في حركة الأرض، رأى جاليليو ليس فقط مشكلة، ولكن أيضا فرصة لشرح ظاهرة معروفة وغامضة - المد والجزر البحرية. لقد وجد الدليل من خلال مراقبة بارجة تحمل مياهًا (عذبة). ولاحظ أنه عندما تتسارع البارجة أو تتباطأ، يرتفع الماء عند الجدار الخلفي أو الأمامي للخزان، وإذا طفت البارجة بسرعة ثابتة، فإن الماء الموجود في الخزان يبدو تمامًا كما هو الحال في البارجة، ثابتة. لمقارنة البارجة بالأرض، والمياه في الحاوية بالمحيط، يجب أن تكون فيزيائيًا شجاعًا يؤمن بوحدة قوانين الكون. كان جاليليو على هذا النحو تمامًا، وهو الأمر الذي في حد ذاته لا يضمن النجاح في كل رحلة يقوم بها عقله.
وكانت مقارنة البارجة بالأرض هي بداية طريقه نحو مبدأ النسبية العظيم وقانون القصور الذاتي، الذي حرر النظام الكوبرنيكي من صعوبته الرئيسية. إذا كانت المياه الموجودة في الخزان "لا تلاحظ" السرعة الثابتة للبارجة، فهذا صحيح عند أي سرعة، حتى آلاف الكيلومترات في الساعة، ولا يمكن اكتشاف هذه السرعة بأي طريقة داخلية أخرى - عن طريق إجراء تجارب على بارجة في مقصورة ذات نوافذ مغلقة. وهكذا تم تبديد المشكلة الفيزيائية الرئيسية للنظام الكوبرنيكي: في التجربة الأرضية، فإن السرعة الفلكية للأرض ليست ملحوظة.
ومن خلال تغيير سرعة "البارجة الكبيرة" - سطح الأرض - تولى جاليليو تفسير ظاهرة المد والجزر البحرية. ويحدث هذا التغير -التسارع والتباطؤ- بسبب أن سرعات دوران الأرض حول الشمس وحول محورها تضاف على الجانب الليلي من الأرض، وتطرح على الجانب النهاري.
واعتبر جاليليو هذا التفسير للمد والجزر حجة مهمة لصالح كوبرنيكوس، لكنه لم يتمكن أبدًا من تحويل فكرته إلى نظرية حقيقية. لم يدرك أبدًا أن خطته كانت مجرد وهم. وبعد مرور أربعين عامًا فقط على وفاته، اكتشف نيوتن السبب الحقيقي لظاهرة المد والجزر: الجاذبية القمرية. تضاف إلى دراما الأفكار هذه سخرية التاريخ. والحقيقة أن جاليليو سمع أكثر من مرة عن احتمال وجود صلة بين القمر والمد والجزر، لكنه رفض هذا الاحتمال بشكل قاطع:
من بين العظماء الذين ناقشوا مسألة المد والجزر، أدهشني كيبلر أكثر من أي شخص آخر، حيث يتمتع بعقل حر وحاد، ويدرك جيدًا الحركات المنسوبة إلى الأرض، لكنه يعترف بالقوة الخاصة للقمر على الماء، وخصائصه السرية وما شابه ذلك. طفولية.
الفيزياء الفلكية وعلم الفلك والتنجيم
عند قراءة كبلر بعيون اليوم، من السهل أن نتفاجأ بكلمات جاليليو القاسية وحقيقة أن تفسير المد والجزر يُنسب إلى نيوتن. بعد كل شيء، كتب كيبلر بالفعل: "القمر، كونه فوق المحيط، يجذب الماء من جميع الجوانب، والشواطئ مكشوفة"، ويبدو أن هذا ملخص لنظرية المد والجزر الحالية. ومع ذلك، يجب علينا أن نفهم المسافة بين الكلمة اليومية والمفهوم العلمي الذي تدل عليه نفس الكلمة. في زمن جاليليو، كانت كلمة "الجاذبية"، كما استخدمها كيبلر لشرح نظام الكواكب، وكلمة "الجاذبية" كسبب لسقوط الأجسام، لم يكن لها سوى جذر نحوي مشترك، وليس الطبيعة الفيزيائية للأجسام. الظواهر التي أشاروا إليها. الطبيعة الفيزيائية العامة لهاتين الظاهرتين - السماوية والأرضية - سيحددها نيوتن في قانون الجاذبية العالمية. وفي تفسير كيبلر، رأى جاليليو الكلمات فقط، دون أي إشارة إلى التقييم الكمي والتحقق: إلى متى بالضبطفيرتفع الماء نحو القمر وتنكشف الشواطئ شبرًا أم ميلًا؟
ونتيجة لأبحاثه، تعلم جاليليو المزيد عن فيزياء الجاذبية أكثر من أي من معاصريه، وأدرك أن كيبلر لن يجيب على مثل هذا السؤال. من خلال ربط مد وجزر البحر بالحركة المتسارعة والبطيئة لقاع البحر، لم يتمكن جاليليو أيضًا من تحديد حجم المد، لكنه على الأقل كان بإمكانه البحث عن الإجابة عن طريق إجراء تجارب على الماء في سفينة، وتغيير شكل المد والجزر. السفينة وحجم التسارع. لكن كلمات كيبلر لم تقدم سوى نوع من الوصف «الفني» للملاحظات.
كان غاليليو يعلم جيدًا أيضًا أن العلاقة بين موقع القمر والمد والجزر قد تم الحديث عنها قبل وقت طويل من كيبلر. حتى في أطروحة بطليموس القديمة حول علم التنجيميقال عن تأثير القمر على العالم الأرضي بأكمله: على الأجسام الحية وغير الحية والأنهار والبحار والنباتات والحيوانات.
في بعض الأحيان، يبرر المؤلفون المعاصرون، بعد أن لوموا غاليليو لأنه لم يلاحظ "الحبوب السليمة" في أوصاف كيبلر، هذا "العمى" من خلال نفور غاليليو من "علم التنجيم الزائف". هذا خطأ. كان كل من كيبلر وجاليليو منجمين محترفين، حيث كانا يرسمان الأبراج للعملاء وأحبائهم. ثم كانت ممارسة شائعة لدى علماء الفلك والأطباء، وليست علمًا زائفًا، بل فنًا. ولم يكن لديها الكثير من القواسم المشتركة مع علم التنجيم الحالي "للجماهير"، عندما يتم إعطاء مئات الملايين من "الجدي" توصيات عالمية حول كيفية تجنب الفشل وتحقيق النجاح.
في زمن غاليليو - كيبلر، من أجل تقديم التنبؤات والتوصيات، تم وضع برجك في لحظة معينة في الزمان والمكان - على سبيل المثال، لوقت ومكان ميلاد هذا الشخص. الطالع هو موضع قوس النجوم الثابتة وسبعة نجوم متحركة - الكواكب. ومن الواضح أن مثل هذه البيانات قدمها علم الفلك. وعلم التنجيم، الذي جاء من أعماق القرون، وهب تأثيره لكل كوكب وكل كوكبة من الأبراج. ولوضع كل هذه المؤثرات في التنبؤ، اعتمد المنجم -بوعي أو بغير وعي- بالإضافة إلى البيانات الفلكية، على فهمه للظروف الأرضية لـ«المريض» وعلى خياله، باختصار، على فنه الفلكي.
لكن هل كان غاليليو ورفاقه من علماء الفلك يعتقدون حقاً أن هذا "الفن" له علاقة بالواقع؟! دعونا نأخذ مكانهم. لقد حصلوا من بطليموس العظيم على ميراث مزدوج: رسالة في علم الفلك (المجسطي) ورسالة في علم التنجيم (تترابيبلوس). تم تأكيد نظرية بطليموس الفلكية من خلال الملاحظات لعدة قرون، ولم تتجاوزها نظرية كوبرنيكوس في الدقة. يكاد يكون من المستحيل تأكيد علم التنجيم بالملاحظات. دائمًا ما تكون التوقعات الفلكية احتمالية وتتحدث عن موقف فريد. لذلك، إذا لم تتحقق بعض التوقعات، فمن الأسهل الشك في فن هذا المنجم أكثر من علم التنجيم نفسه. فن الشفاء مشابه: طبيب معين، يعتمد على المعرفة الطبية، قد لا يعالج مريضًا معينًا، لكن هذا لا ينفي الطب نفسه ولن يؤدي بالضرورة إلى تقويض سمعة الطبيب. بالمناسبة، في زمن غاليليو، كان على الطبيب أن يكون قادرًا على رسم خريطة للمريض من أجل تقييم احتمالات العلاج المقصود. وعلم الطبيب أن هناك قوى أعلى من فنه الطبي وأعلى من علم التنجيم.
كان الركيزة الأساسية لعلم التنجيم هي رغبة الناس، وخاصة الأثرياء، في زيادة فرص نجاحهم في الحياة. وهذا يدعم ماليًا بالكامل الملاحظات الفلكية للنجوم والكواكب. أدى ظهور النموذج الكوبرنيكي إلى التنافس بين وصفين نظريين لنفس الواقع الفلكي الملحوظ. كما أدت هزيمة علم الفلك عند بطليموس إلى تقويض سلطة علم التنجيم الخاص به.
تبين أن عالم الفيزياء الفلكية الأول هو آخر منجم بين علماء الفلك. يبدو أن غاليليو، على عكس كيبلر، تمكن بحلول نهاية حياته من استبعاد علم التنجيم من نظرته للعالم. لكن ليس هذا ما ميز مقارباتهم للظواهر الطبيعية. بعد وفاة كيبلر، علق جاليليو في رسالة: "لقد كنت أقدر دائمًا عقل كيبلر - فهو حاد وحر، وربما حر جدًا، لكن طرق تفكيرنا مختلفة تمامًا".
عقل حر جدا؟! ماذا يعني ذلك؟ هذه طرق مختلفة للتفكير بين عالم الفيزياء الفلكية وعالم الرياضيات الفلكية. دعونا نتذكر حل كيبلر لـ "الغموض الكوني" بمساعدة متعددات الوجوه العادية. ولم يقبل جاليليو هذا الحل. لماذا متعددات الوجوه ولماذا بهذا الترتيب؟ إذا اعتبرنا أن خمسة متعددات وجوه تعطي 120 مجموعة محتملة، فإن قرب أنصاف أقطار المجالات المنقوشة والمحددة - في إحدى هذه المجموعات - من المدارات المرصودة لم يعد ملفتًا للنظر.
لم يسعى جاليليو إلى وصف الكون بأي صيغة واحدة جميلة، بل كان يبحث عن القوانين الفيزيائية الأساسية التي تحدد بنية الكون وتنوع أشكاله. لمثل هذا البحث، فإن السماء الفلكية، ذات البنية الفريدة، ليست أفضل مختبر للباحث. هناك لا يمكنك تغيير شروط إجراء الملاحظات التجريبية، وفي أحسن الأحوال، يمكنك الانتظار حتى تتغير هذه الشروط من تلقاء نفسها. في المختبر الأرضي، هناك حرية أكبر بكثير في إجراء التجارب واختبار الأفكار النظرية.
وبطبيعة الحال، فإن السماء المرصعة بالنجوم - بثباتها وتغيراتها الدورية - ألهمت البحث عن الأنماط منذ العصور القديمة. لقد كان كتابًا رائعًا للمشكلات، حيث كانت كل المشكلات بها نجوم. في هذه الحالة، لعب علماء الرياضيات الفلكية دورًا مهمًا، حيث طرحوا مشكلات تتعلق باليقين الرياضي، على الرغم من كل الشكوك والاحتمالات الفيزيائية. طرح كوبرنيكوس، بنظامه الشمسي المركزي، مشكلة الاختيار بين نظامين للعالم. تولى الفيزيائي جاليليو هذه المهمة. ولإثبات الصورة الرياضية الفلكية الجديدة، قام باختزال النظام الكوبرنيكي المعقد إلى أبسط نظام لجسمين - كبير جدًا وصغير جدًا، حيث يتحرك الجسم الصغير بشكل موحد في مدار دائري تمامًا حول الجسم الكبير (الكوكب الذي يدور حول الشمس، القمر حول الأرض). كان هذا، كما يمكن للمرء أن يقول، نموذج غاليليو للنظام الشمسي.
هذا التبسيط يحير الكثيرين ويبدو تقريبًا وكأنه عودة لجاليليو إلى عصور ما قبل بطليموس، عندما كان يُعتقد أن جميع الحركات السماوية كانت دائرية وموحدة تمامًا. ففي نهاية المطاف، كان لكل من بطليموس وكوبرنيكوس مدارات كوكبية لم تكن دائرية: فكلا النظامين استخدما مجالات إضافية صغيرة - أفلاك التدوير - لوصف حركة الكواكب. ومن المثير للقلق بشكل خاص أن غاليليو تجاهل اكتشاف كيبلر الرئيسي الذي دخل به التاريخ - القوانين الثلاثة الأنيقة لحركات الكواكب، بناءً على الملاحظات العديدة والدقيقة للغاية التي أدلى بها تايكو براهي ومساعديه.
بحثًا عن الانسجام في حركات الكواكب، اعتمد كيبلر على نفس طريقة التفكير الرياضية الفلكية التي "كشف" بها اللغز الكوني لمواقع الكواكب في شبابه. في العديد من الملاحظات الفلكية، بحث كيبلر عما كان يعتقد أنه الانسجام الرياضي للكون المختبئ هناك. ولكن إذا كان السر الأول، الذي تبين أنه سراب، قد "كشفه" كيبلر البالغ من العمر 25 عامًا بهجوم سريع ملهم، فقد استغرق البحث عن قوانين كيبلر الثلاثة سنوات عديدة.
كانت أمامه أعمدة طويلة من الأرقام - بيانات واسعة النطاق من الملاحظات الفلكية، وكان يبحث بلا كلل عن نمط رياضي وراء هذه الأرقام الجافة. كان يعلم أن المدارات بيضاوية، لكن في الرياضيات هناك أشكال بيضاوية مختلفة. ثماني سنوات من الفرضيات والاختبارات قادته إلى استنتاج مفاده أن شكل المدار هو شكل بيضاوي. توصف الدائرة برقم واحد - المسافة من نقاطها إلى المركز، والقطع الناقص - برقمين: المسافة بين مركزين بؤريين ومجموع ثابت للمسافات من نقاطها إلى البؤرتين. كلما كانت المسافة بين البؤرتين أصغر، كلما كان القطع الناقص أقرب إلى الدائرة. من السهل أن نفهم ذلك إذا قمت برسم دائرة ليس بالبوصلة، ولكن عن طريق ربط الحبل من كلا الطرفين بمسمار على المستوى، وسحب الحلقة الناتجة بقلم رصاص ورسم خط. سيتم الحصول على شكل بيضاوي إذا قمت برسم خط عن طريق ربط الحبل بمسمارين مختلفين.
ينص أول قانونين لكبلر على أن المدار عبارة عن شكل بيضاوي، تقع الشمس في أحد بؤرته، وأنه كلما اقترب الكوكب من الشمس، زادت سرعته. وفي عام 1609، نشر كيبلر هذه القوانين في كتاب “علم الفلك الجديد” وأرسلها إلى غاليليو. ولم يرد بكلمة.
ماذا يعني ذلك؟ في الواقع، وعلى النقيض من متعددات الوجوه «الكونية»، التي تم تخمينها بستة أرقام، فإن أنماط كيبلر الجديدة تعتمد على الملاحظات الأكثر شمولاً ودقة في ذلك الوقت. وألم تثبت الأناقة الرياضية المكتشفة صحة فكرة كوبرنيكوس الشمسية؟ بعد كل شيء، تكون المدارات بيضاوية الشكل فقط إذا نظرت إلى الكواكب من وجهة نظر شمسية.
نصوص جاليليو لا تجيب بشكل مباشر على هذه الأسئلة. يمكن اقتراح إجابة بناءً على كلماته حول "طرق تفكيره المختلفة جدًا" و"كيبلر".
لم يكن جاليليو يعرف الرياضيات ويقدرها فحسب، بل كان يعتقد أن العلم كذلك
مكتوب في كتاب الكون العظيم - كتاب مفتوح باستمرار لنظرتنا، ولكن لا يمكن فهمه إلا من قبل أولئك الذين يتعلمون فهم لغته. هذا الكتاب مكتوب بلغة الرياضيات، وحروفه عبارة عن مثلثات ودوائر وأشكال هندسية أخرى، لولاها لا يفهم الإنسان فيها كلمة، ويتجول في الظلام في المتاهة.
ومع ذلك، في الرياضيات، رأى جاليليو فقط أداة للمعرفة. لقد حاول أن يفهم محتوىكتب الكون، وقبل كل شيء، اكتشف الأساس الذي يقوم عليه الكون. وهذا لا يتطلب أن تكون الرياضيات أناقة أو تعقيدا، بل أن تساعد في اختراع المفاهيم الفيزيائية وإجراء التجارب الخيالية.
أينشتاين: "جاليليو هو أبو الفيزياء الحديثة، وفي الواقع، كل العلوم الطبيعية الحديثة." "يجب أن يتم كل شيء ببساطة قدر الإمكان، ولكن ليس أبسط مما ينبغي." "الرب خفي لكنه غير خبيث".
بالطبع، عرف جاليليو أن بعض مدارات الكواكب ليست دائرية. لكنه كان يعلم أيضًا أن الآخرين كانوا تقريبًا دائريين. وهذا يعني أنه لدراسة الأساس الفيزيائي لعلم الفلك، فإن المدار الدائري يعد تبسيطًا معقولًا. وبالمثل، في بحثه عن قانون السقوط الحر، قام جاليليو بتبسيط الموقف من خلال القضاء على مقاومة الهواء. إن وصية أينشتاين تدور حول هذا الأمر: "يجب أن يتم كل شيء ببساطة قدر الإمكان، ولكن ليس أبسط مما ينبغي". هكذا يفكر الفيزيائيون.
نعم، بهذه الطريقة ونموذجه لحركة الكواكب، فشل جاليليو في إنشاء نظرية للمد والجزر - فقد تبين أن هذه الظاهرة أبعد ما تكون عن الأساس مما كان يعتقد. لكن هذا الفشل الإبداعي أتى بثماره من خلال "المنتجات الثانوية" للبحث، وهي مبدأ النسبية والمفهوم الأساسي للتسارع.
ولادة الفيزياء الفلكية التجريبية
بعد أن أرسل "علم الفلك الجديد" إلى جاليليو في عام 1609، لم يكن لدى كيبلر الوقت للإهانة من صمت زميله الإيطالي. وفي ربيع عام 1610، علم بأخبار مذهلة:
وصلت الأخبار إلى ألمانيا أنك يا غاليليو، بدلاً من قراءة كتاب شخص آخر، تناولت المحتوى الخاص بك والأكثر روعة - حول أربعة كواكب غير معروفة حتى الآن تم العثور عليها بمساعدة عدستين للنظارات، وأن هذا الكتاب مطبوع بالفعل وسيظل كذلك. تعال مع الرسل المقبلين. لقد أذهلتني الأخبار كثيرًا لدرجة أنني بالكاد أستطيع أن أهدأ. وفي كتابي "اللغز الكوني"، الذي نشر قبل ثلاثة عشر عاما، فإن خمسة متعددات وجوه منتظمة لا تسمح لأكثر من ستة كواكب بالدوران حول الشمس. لكن إذا كان هناك قمر ليس أحد هذه القمرات الستة التي تدور حول الأرض، فلماذا لا يكون هناك أقمار حول المشتري؟ وإذا كانت هناك أربعة كواكب مخفية حتى الآن، فهل يمكننا أن نتوقع اكتشاف العديد من الكواكب الجديدة؟
على اليسار توجد مسارات الكوكب، من وجهة النظر الأرضية (مع حلقات الحركة التراجعية) والشمسية (قانون كبلر الأول). على اليمين يوجد النموذج المادي لجاليليو
وفي ربيع عام 1610، لم يكن مصطلح “القمر الصناعي” موجودًا بعد، ولم تكن هناك حاجة إليه بينما كان القمر فريدًا من نوعه. وفي كتابه "Starry Messenger" الصادر في مارس/آذار، أطلق غاليليو على الكواكب التي اكتشفها اسم "النجوم" ببساطة، كما ظهرت لعينه، مسلحة بعدستين موضوعتين بطريقة غير عادية.
بعد استلام هذا الكتاب، علم كيبلر أنه في غضون أسابيع، اكتشف جاليليو، بالإضافة إلى أقمار كوكب المشتري الأربعة، عدة حقائق مذهلة. في أقرب جسم فلكي - القمر - اكتشف الجبال والمنخفضات، وتبين أن النجوم الأبعد - "الثابتة" - أكثر بكثير مما كان يعتقد. على العكس من ذلك، اختفت بعض الأجسام الفلكية، أو بالأحرى، تحولت: ظهرت السدم، بما في ذلك الأكبر - درب التبانة، كمجموعات ضخمة من النجوم.
أصبحت كل هذه الاكتشافات النتائج الأولى للفيزياء الفلكية التجريبية - الحقائق الفلكية التي تم الحصول عليها بمساعدة جهاز مادي - التلسكوب.
بالنسبة لجاليليو، كانت هدية من القدر، أو حادثًا سعيدًا، أو هدية من السماء - اعتمادًا على الطريقة التي تنظر بها إلى العالم. إذا نظرت من خلال عيون المؤرخ، فإن الهدية مستحقة جيدا - للعمل الشاق الذي قام به الباحث.
تم اختراع التلسكوب نفسه بعيدًا عن إيطاليا - في هولندا. ولم يخترعها الفيزيائيون، بل اخترعها متخصصون في النظارات. لسبب غير معروف أو لأنه لم يكن هناك ما يمكن فعله، نظروا من خلال عدستين تم وضعهما بطريقة خاطئة، ولكن واحدة تلو الأخرى - محدبة بعد مقعرة، ورأوا أن الأشياء البعيدة قد اقتربت بشكل ملحوظ. وجد الاختراع على الفور تطبيقات مهمة. على سبيل المثال، الكشف عن اقتراب العدو مسبقًا من أجل الاستعداد للقاء. أو فقط قم بإشباع فضولك بالتجسس من بعيد لمعرفة من يفعل ماذا.
لم يكن فضول جاليليو موجهًا إلى الجوانب - إلى الشؤون الأرضية - بقدر ما كان موجهًا إلى الأعلى. لذلك، بعد أن تعلم عن أحدث اختراع في المصطلحات الأكثر عمومية، قام جاليليو بنفسه بصنع عدة أنابيب، وزاد التكبير إلى ثلاثين مرة ووجه الجهاز إلى السماء، نحو أشياء بعيدة، ولكنها قريبة من أفكاره. هكذا ظهر التلسكوب إلى الوجود.
أول شيء فعله هو اكتشاف ورسم المناظر الطبيعية الجبلية للقمر. ثم كان محظوظا باكتشاف نجوم صغيرة غير معروفة تماما بالقرب من كوكب المشتري، وفي الليلة التالية لاحظ أن مواقع هذه النجوم قد تغيرت. وبطبيعة الحال، يتطلب هذا الحظ معرفة السماء المرصعة بالنجوم مثل ظهر يدك، فضلاً عن الاهتمام الاستثنائي. وواصل جاليليو ملاحظاته، واكتشف أن النجوم الجديدة ظلت طوال الوقت بالقرب من "النجم الهائم" للمشتري، وأن مواقعها بالنسبة للمشتري تتكرر على فترات منتظمة. وكان يذكرنا بحركة القمر حول الأرض. أدرك جاليليو أنه اكتشف أربعة "أقمار" لكوكب المشتري، وأكمل اكتشافه بقياس فترات مداراتها.
وهكذا ظهرت حجة جديدة وواضحة تدعم فكرة كوبرنيكوس الرئيسية: الأجسام الصغيرة تدور حول جرم سماوي كبير - كوكب المشتري، مثل الكواكب حول الشمس ومثل القمر حول الأرض. كان لدى جاليليو وكيبلر بالفعل ما يكفي من الثقة في أن كوبرنيكوس كان على حق، ولكن بالنسبة لعلماء الفلك الآخرين، وحتى أكثر من ذلك بالنسبة للفلكيين الآخرين. لابالنسبة لعلماء الفلك، قد يفوق هذا الوضوح بالفعل سلطة كتاب بطليموس. إذا نظرت بالطبع بعيون مفتوحة. ولم يكن الأمر بهذه السهولة، كما يتبين من رسالة غاليليو بعد ستة أشهر من نشر كتاب Starry Messenger:
دعونا نضحك يا كيبلر على الغباء الكبير للإنسان. العلماء المحليون، على الرغم من دعواتي الألف، لم ينظروا قط إلى الكواكب، أو القمر، أو التلسكوب. بالنسبة لهم، الفيزياء هي نوع من الكتاب، حيث من الضروري البحث عن الحقيقة - ليس في الطبيعة، ولكن من خلال مقارنة النصوص. كم ستضحك وأنت تستمع إلى الفيلسوف المحلي الأول، الذي بذل قصارى جهده لإزالة كواكب جديدة من السماء بحجج منطقية، مثل التعاويذ السحرية!..
وإليكم الحجج، على سبيل المثال، التي قدمها أحد علماء الفلك الفلسفيين:
هناك سبع نوافذ في رأس الحيوان يدخل من خلالها الهواء إلى الصورة الجسدية المصغرة لتنويره وتدفئته وتغذيته: فتحتا أنف وعينان وأذنان وفم. وبالمثل، يوجد في الكون السماوي نجمان مناسبان، ونجمان غير مواتيان، ونجمان لامعان، وعطارد - غامض وغير مبال. ومن هنا ومن العديد من الترتيبات الأخرى المشابهة للطبيعة، مثل المعادن السبعة وغيرها، التي يصعب حصرها، نفهم أن هناك سبعة كواكب بالضبط. علاوة على ذلك، فإن أقمار كوكب المشتري هذه غير مرئية للعين المجردة، وبالتالي لا يمكن أن يكون لها تأثير على الأرض، وبالتالي فهي عديمة الفائدة، وبالتالي غير موجودة. بالإضافة إلى ذلك، فإن اليهود وغيرهم من الشعوب القديمة، مثل الأوروبيين المعاصرين، قسموا الأسبوع إلى سبعة أيام، سميت بأسماء الكواكب السبعة. لذلك، إذا قمنا بزيادة عدد الكواكب، فإن هذا النظام الشامل والجميل بأكمله سوف ينهار.
ولم يكن لدى جاليليو ما يقوله عن هذا. ولم يكن لديه وقت للضحك بين علماء الفلك المماثلين الذين، بعد أن رأوا عدم إقناع حججهم وعدم الرغبة في التخلي عما تعلموه في شبابهم، بحثوا عن العيوب اللاهوتية في الصورة الجديدة للعالم. من يسعى سيجد دائما. ووجدوا سطورًا في الكتاب المقدس تتحدث، إذا تم أخذها حرفيًا، عن جمود الأرض. لقد أصبح هذا سلاحًا هائلاً في أيدي أولئك الذين لا يريدون البحث عن الحقيقة في الطبيعة. اتّهم العلماء غاليليو وكوبرنيكوس بمناقضة الكتاب المقدس، فالجأ العلماء إلى سلطات الكنيسة.
قرر جاليليو التقدم على خصومه وفي عام 1611 ذهب هو نفسه إلى روما حاملاً معه تلسكوبًا. كان لديه سبب للاعتقاد بقوة حججه ومدى إقناع اكتشافاته الفلكية: بعد أشهر قليلة من نشر كتاب Starry Messenger، حصل على منصب فخري مدفوع الأجر ككبير العلماء في بلاط دوق ميديشي، حاكم فلورنسا.
في روما، تم تكريمه من قبل Accademia dei Lancei (أكاديمية Lynx-Eyed)، وهي واحدة من أولى الجمعيات العلمية التي أنشأها عشاق ورعاة العلوم قبل عدة سنوات. قبل جاليليو الدعوة للانضمام إلى هذه الجمعية، ثم ألف كتبه، مركزًا على القراء مثل أعضاء هذه الأكاديمية - لا يدعي أنهم محترفون في علم الفلك أو الفيزياء، ولكن بعيون مفتوحة وينظرون باهتمام كبير إلى الأفكار والحقائق العلمية الجديدة.
لم يكن هناك نجاح أقل ينتظر جاليليو في بلاط البابا. كانت هذه فترة اهتمام خاص بعلم الفلك من جانب الكنيسة الكاثوليكية، التي تحول العالم الغربي مؤخرًا بمبادرة منها إلى التقويم الغريغوري الجديد. قاد تطوير إصلاح التقويم عالم الفلك والرياضيات كلافيوس، الذي كان ينتمي إلى الرهبنة اليسوعية إلى جانب علماء فلك آخرين من ذوي المؤهلات العالية. كانت المهمة الرئيسية لهذا النظام، الذي تم إنشاؤه قبل فترة وجيزة (ردًا على هرطقة الإصلاح)، هي التنوير والتعليم. استند إصلاح التقويم إلى الرياضيات الفلكية الجديدة لكوبرنيكوس. وأضاف جاليليو حجة جديدة لصالح النظام الكوبرنيكي عندما اكتشف في ملاحظاته التلسكوبية أطوار كوكب الزهرة المشابهة لأطوار القمر. وعلى عكس القمر، كان يُنظر إلى كوكب الزهرة كقرص صغير عندما يكون بعيدًا، وهلالًا كبيرًا عندما يكون قريبًا. وهذا يثبت أن كوكب الزهرة يدور حول الشمس وليس الأرض.
التناقض المتناقض: أساتذة الفلك الجامعيون، المتمسكون بالنصوص المعتادة للمراجع القديمة، ينكرون كلاً من التلسكوب والاكتشافات الرصدية لجاليليو، بينما يوافق علماء الفلك البابويون على كليهما؟! والفرق الرئيسي هنا ليس في القرب من العرش البابوي، بل في الأمر العملي، الذي تناوله علماء الفلك البابويون في إصلاح التقويم، بينما اكتفى أساتذة الجامعة بتفسير النصوص القديمة فقط.
مراحل كوكب الزهرة، التي رسمها جاليليو وتم تصويرها بشكل تخطيطي.
كان جاليليو منخرطًا في أمر عملي آخر، إذ كان يدرس الفيزياء الأساسية للكون الحقيقي. كان لموافقة علماء الفلك البابويين على اكتشافاته الفلكية "لكن" مهمة. بالنسبة لهم، كان النظام الكوبرنيكي رياضيات صحيحة، حيث أن نتائجه تتوافق مع الملاحظات، لكنهم قبلوا هذا النظام في نسخة مركزية الأرض من تايكو براهي، حيث تكون الأرض بلا حراك - بما يتفق تماما مع جميع الملاحظات المعروفة آنذاكبدءًا من التجربة اليومية. بعد كل شيء، بالنسبة للحسابات الفلكية الأرضية، الشيء الوحيد المهم هو كيفية تحرك الأجرام السماوية بالنسبة للأرض. بالنسبة لعلماء الفلك البابويين، كان النظام الكوبرنيكي يعني فقط مخططًا آخر للحسابات الوسيطة.
لقد كان غاليليو وكيبلر متأكدين من أن الأرض تدور حول الشمس كباقي الكواكب، لكن لم يكن هناك دليل مباشر على ذلك حتى الآن، فقط افتراض غير مباشر. ولذلك، لم يتمكن كيبلر من إقناع تايكو براهي، الذي تعاون معه، على الرغم من أن كلاهما كانا يعتبران أول علماء الفلك في عصرهما. لكن غاليليو لم يتمكن من إقناع علماء الفلك البابويين، الذين قدروا تقديراً عالياً اكتشافاته الفلكية. بالنسبة لمراقبي الفلك من الدرجة الأولى، لم تكن مركزية الشمس الحقيقية مجرد فرضية مشكوك فيها، ولكنها كانت عديمة الفائدة أيضًا: ومع ذلك، كان لا بد من إحضار الحسابات إلى وجهة نظر مراقب أرضي - إلى صورة مركزية الأرض. استمع علماء الفلك هؤلاء، بثبات على الأرض، بعناية إلى غاليليو، متوقعين التعرف على المظاهر التي يمكن ملاحظتها لحركة الأرض، لكنهم لم يتلقوا سوى الحجج حول بنية الكون (أي النظام الشمسي)، وتفسيرات لماذا دوران الأرض. الأرض غير محسوسة للغاية، وكذلك القياسات والكلمات المشكوك فيها حول عالم الانسجام.
لكن هل التشبيه بين الأرض تحت قدميك والنجوم "المتجولة" البعيدة، التي لا يُعرف عنها شيء سوى حركتها عبر السماء، مقنع حقًا؟ وهل الجبال المكتشفة على القمر القريب تثبت أن الكواكب البعيدة مبنية بنفس الطريقة؟ لماذا نذهب بعيدا لتبرير لماذا لا نشهد دوران الأرض مباشرة على الأرض؟ بعد كل شيء، عندما تدور على دائري، تشعر بالدوران حتى مع إغلاق عينيك؟! بالطبع، إذا قام الكاروسيل بدورة واحدة يوميًا أو سنويًا، فمن الصعب ملاحظة الدوران، لكن أقمار كوكب المشتري كانت غير مرئية قبل اختراع التلسكوب. لذا، نحن بحاجة إلى إيجاد طريقة ما لنشهد هذا التناوب بشكل مباشر، إذا كان موجودًا بالفعل. وإلا فإن مركزية الشمس ستبقى فرضية رياضية ناجحة، ومفيدة للحسابات، ولكن ليس أكثر.
كان بإمكان عالم فلكي راسخ في الأرض أن يخبر غاليليو بشيء من هذا النوع. ومن المسلم به أنه في بداية القرن السابع عشر لم يكن هناك ما يجيب على هذا السؤال. لم يظهر الدليل المرئي المباشر على دوران الأرض (حول محورها وحول الشمس) إلا بعد قرنين من الزمان: بندول فوكو، وقانون بير (الذي بموجبه يجرف النهر ضفته اليمنى في نصف الكرة الشمالي)، وإزاحة "الثابت" النجوم بسبب حركة الأرض. ومع ذلك، قبل ذلك بوقت طويل، لم يكن علماء الفيزياء الفلكية بحاجة إلى مثل هذا الدليل - منذ نهاية القرن السابع عشر، عندما قام نيوتن، بعد أن أكمل العمل الذي بدأه غاليليو، بصياغة القوانين الأساسية للفيزياء التي تحكم جميع الحركات في النظام الشمسي. ونتيجة هذه القوانين هي حركة الأرض حول الشمس. والنتيجة الأخرى هي الصغر الواضح جدًا لمظاهر هذه الحركة على الأرض نفسها، ولا تتجاوز جزءًا من المئة.
الإيمان والمعرفة
لماذا اقتنع غاليليو في نهاية القرن السادس عشر بحركة الأرض؟ لماذا وثق بالكثير من الحجج غير المباشرة وأفكاره العامة حول بنية الكون ولماذا لم يعلق أهمية على الاعتراضات الرصينة لعلماء الفلك الواقعيين؟ ليس لدى المؤرخين إجابة واضحة على هذه الأسئلة، لكن من الواضح أن تحيزات جاليليو الرائعة - الإيمان بالقانون الأساسي للكون وبقدرة الإنسان على فهم هذا القانون - ساعدته على اختراع الفيزياء الأساسية.
وفي منتصف القرن العشرين حاول الشاعر العلني أن يجيب للمؤرخين:
الجواب القافية، للأسف، يتناقض مع القصة الحقيقية. أولاً، كان أقران جاليليو العلميون، مع استثناءات قليلة، يعرفون يقينًا أن الأرض كانت ثابتة. ثانيا، كان رؤساء الكنيسة الكاثوليكية، الذين يعرفون آرائه، يعاملونه بشكل إيجابي للغاية لسنوات عديدة. وطالما كنا نتحدث فقط عن فرضيات علمية، فقد سمح بمناقشتها.
لقد تغير الوضع عندما تناول المعارضون العلميون لجاليليو، بعد أن استنفدوا الحجج الأرضية، الكتاب المقدس. هناك، بالطبع، لا يوجد علم فلك، ولا كواكب، ولا كلمة حول ما إذا كانت الأرض مسطحة أم كروية. ولكن، نسيان معنى القصة الكتابية، يمكنك العثور على عبارات تعبر عن الأفكار اليومية التي تتحركها الشمس - تشرق وتغرب، وسماء الأرض في حالة راحة. وقد سلح معارضو غاليليو أنفسهم بالاقتباسات المناسبة، متخذين الكتاب المقدس درعا لهم. إذا لم ينتبه لمثل هؤلاء المعارضين، فيمكنه متابعة علومه بهدوء. وهذا ما نصحه به المهنئون من "الرعاة".
لكن غاليليو لم يتبع هذه النصيحة. لم يكن يفكر بحرية فحسب، بل آمن أيضًا بالله بحرية. لقد تحدث الكتاب المقدس عن الإنسان المخلوق على شبه الله؛ فهو كان سندًا داخليًا له، لكنه ليس مصدرًا للمعرفة عن العالم الخارجي - باستثناء أن هذا العالم قد خُلق للإنسان ويمكن الوصول إليه للمعرفة. لذلك، كان جاليليو متأكدا من أن الكتاب المقدس لا يمكن أن يتعارض مع نتائج البحث العلمي، وعلى وجه الخصوص، حركة الأرض. لقد توصل إلى هذا الاستنتاج باستخدام سببه الخاص بنفس الطريقة التي استخدمها في بحثه الجسدي.
ولا بد من القول إن هذا الفهم للكتاب المقدس كان موجودًا أيضًا في تقليد الكنيسة. اقتبس غاليليو عن كاردينال كان يتحدث معه: «الكتاب المقدس يعلِّمنا كيف نصل الى السماء، وليس كيف تتحرك السماء.» ويعلمنا الكتاب المقدس أيضًا عدم الكذب، ولم يستمع جاليليو لنصائح المهنئين، بل صرح بصدق عن فهمه للكتاب المقدس واعتقاده بأن الأرض تحركت. وقد زادت اكتشافاته الفلكية والاعتراف بها من ثقته بنفسه.
ما يُسمح للكاردينال أن يقوله عن الكتاب المقدس في محادثة خاصة غير مسموح به لشخص عادي، حتى لو كان هذا الشخص العادي عالمًا فلكيًا مشهورًا. خاصة عندما يرسل المؤمنون بيقظة التنديدات. في عام 1616، قرر خبراء محاكم التفتيش أن البيان حول حركة الأرض كان "سخيفا من الناحية العلمية ويتعارض مع الكتاب المقدس". بدا المرسوم الرسمي أكثر اعتدالا، ولكن تم حظر ثلاثة كتب، بدءا بكتاب كوبرنيكوس، قبل 70 عاما من دخوله التاريخ. لم يتم ذكر جاليليو في هذا المرسوم - فقد كان الاحترام له كبيرًا لدرجة أن رؤساء القساوسة اقتصروا على الإرشاد اللفظي. وفي وقت لاحق، أوضح له البابا نفسه أنه على الرغم من أنه لا يمكن القول بحركة الأرض كحقيقة، إلا أنه يمكن مناقشة أنظمة بطليموس وكوبرنيكوس ومقارنتها كفرضيات رياضية. ولم يُمنع كتاب كوبرنيكوس إلا لفترة حتى تم تصحيحه، مع التأكيد على أن النظام الكوبرنيكي ما هو إلا فرضية رياضية.
لقد اكتشف جاليليو المبتكر كيف يظل صادقًا ولا ينتهك تحذير الكنيسة. وبما أنه كان مسموحًا له بمناقشة فرضيات بطليموس وكوبرنيكوس والمقارنة بينها، فإنه كان يكتب كتابًا على شكل محادثة بين ثلاث شخصيات، اثنان يعرضان مواقف كوبرنيكوس وبطليموس، والثالث يقدم الفطرة السليمة غير المتحيزة. ودع القارئ يقرر من هو على حق.
أكمل جاليليو كتاب "الحوار حول النظامين الرئيسيين للعالم" بعد عقد ونصف من ذلك. ليس من دون صعوبة، حصل على موافقة الرقابة الكنسية، وفي عام 1632 خرجت النسخ الأولى من الكتاب من بيت الطباعة. ومع ذلك، سرعان ما تدخلت الكنيسة الكاثوليكية في تاريخ العلوم - بقرارها، تمت مصادرة الكتب، واستدعى جاليليو إلى محاكم التفتيش. استمرت المحاكمة المشهورة والمشينة عدة أشهر. اتُهم جاليليو بانتهاك تعليمات الكنيسة لعام 1616 للتعامل مع النظام الكوبرنيكي كفرضية فقط: من كتابه كان من الواضح جدًا أي الفرضيات كانت صحيحة. منعت المحكمة الكتاب وحكمت على غاليليو بالسجن مدى الحياة.
خلف كواليس التحقيق وأثناء المحاكمة، كانت الدوافع الشخصية وعوامل سياسة الكنيسة تعمل، ولكن في أساس تلك الأحداث يمكن للمرء أن يميز... قانون القصور الذاتي القوي. جاليليو، الذي اكتشف القانون الفيزيائي للقصور الذاتي، اختبر بشكل كامل تأثير القصور الذاتي البشري. بالطبع، لم يتمكن وزراء الكنيسة من الخوض بعمق في نظام الحجج الفيزيائية الفلكية لصالح حركة الأرض وببساطة - بسبب القصور الذاتي - تمسكوا بالأفكار التي أتقنوها في شبابهم. بعد كل شيء، التزم أهل العلم المتميزون بهذه الأفكار، وخاصة "ملك علماء الفلك" - تايكو براهي.
سيكون من الممكن عدم إدانة قضاة الكنيسة بسبب جمودهم العلمي إذا لم يتولوا هذا الدور علميالخبراء: في مراسيم الكنيسة الصادرة عام 1616 و1633، تم الاعتراف بحركة الأرض، أولاً، على أنها خاطئة علميًا، وثانيًا فقط، تتعارض مع الكتاب المقدس. وهكذا استخدم قضاة التحقيق مناصبهم الرسمية لأغراض شخصية - حفاظًا على الفكرة المعتادة. لم يكن الأمر يتعلق بالدين في حد ذاته: فمن بين طلاب غاليليو وأنصاره المتحمسين كان هناك رجال دين. وحتى المحكمة لم تكن بالإجماع - فقد وقع الحكم سبعة قضاة فقط من أصل عشرة.
كان تنفيذ الجملة، وكذلك أعلى سلطة في الكنيسة، في يد شخص واحد - البابا أوربان الثامن. بينما كان لا يزال كاردينالًا، أعجب باكتشافات جاليليو الفلكية، وبعد أن أصبح البابا، أبدى أيضًا استحسانًا له، مما سمح له بمناقشة النظام الكوبرنيكي جنبًا إلى جنب مع النظام البطلمي. لكن كان لديه سببه الخاص الذي يجعل كلا النظامين سيظلان إلى الأبد مجرد فرضيات: حتى لو كانت بعض الفرضيات تشرح ظاهرة معينة بشكل مُرضٍ، فإن الله القدير يمكنه إنتاج هذه الظاهرة بطريقة مختلفة تمامًا، لا يمكن للعقل البشري الوصول إليها، ولا يمكن أن تقتصر قدرته المطلقة على إمكانيات الفهم البشري.البابا قدم حجته لجاليليو فماذا فعل؟! لقد وضع هذه الحجة على لسان شخصية تمثل فلسفة أرسطو التي عفا عليها الزمن وبدت مسيئة للغاية للبابا:
البساطة.<…>أعلم أن السؤال عما إذا كان الله تعالى قد منح الماء الحركة المتغيرة الملحوظة [المد والجزر] بطريقة أخرى غير تحريك المسطحات المائية، هناك إجابة واحدة محتملة فقط: أنه كان بإمكانه فعل ذلك في طرق عديدة لا يمكن تصورها لعقولنا. وإذا كان الأمر كذلك، فسيكون من الوقاحة المفرطة تقييد القدرة الإلهية بأي اختراع بشري.
لذا يجب علينا أيضًا أن نشكر قداسته على استبدال أحكام السجن بالإقامة الجبرية. ويمكن لمؤرخ العلوم أن ينسى الحشمة، ويشكر حقيقة أن جاليليو كان تحت المراقبة المستمرة من قبل محاكم التفتيش، التي قررت من يمكنه مقابلته. لم يكن لدى مزاج الفيزيائي المتحمس سوى مخرج واحد - العمل على الكتاب الثاني والأكثر أهمية، الذي أثبت فيه قانون السقوط الحر - أول قانون أساسي للفيزياء.
أما الحجة البابوية فإن غاليليو لم يستخدمها من باب الأذى. كان الأمر يتعلق بجوهر الفيزياء الأساسية الجديدة. من الواضح أن الحجة اعتمدت على عبارة الكتاب المقدس "طرق الرب غامضة"، في الترجمة الحديثة: "قراراته غير مفهومة وطرقه لا يمكن فحصها". ماذا يمكن أن يقول جاليليو لهذا، مع إيمانه الذي لا شك فيه بالله وثقته الكاملة في كلمة الله؟
ويمكنه القول إن سياق هذه العبارة لا يتحدث عن بنية الكون، بل عن موقف الله تجاه الإنسان وعن عالم الإنسان الداخلي بحريته وتفرده. والعالم الخارجي - الكون - مع السماء المرصعة بالنجوم يعطي الإنسان مثالاً على الثبات والانتظام. ليس عبثًا أن وهب الله الإنسان القدرة على المعرفة. لقد شعر غاليليو بهذا بنفسه. وكان يعلم من تجربته الخاصة أن الشخص قادر ليس فقط على طرح فرضيات معقولة، ولكن أيضًا لاختبارها أو رفضها أو تأكيدها، وإثبات توافقها مع بنية الكون التي أنشأها الخالق. لا يذكر الكتاب المقدس شيئًا عن قانون الملاحة، لكن أرخميدس تمكن من اكتشاف هذا القانون. وجاليليو اعتمد في بحثه عن القوانين الأساسية للطبيعة على الإيمان بقوانين الكون.
استكشاف طرق الرب في بنية الكون ومعرفة كيف تتيح الخبرة ولغة الرياضيات فهم هذا الهيكل، دافع جاليليو عن الكتاب المقدس ضد المهام الغريبة عنه، وبالتالي، من التناقضات مع نتائج المعرفة العلمية . كان لديه رأي أفضل عن الخالق من البابا أوربان الثامن، وفيما يتعلق بالحقيقة - أكثر قداسة من بابا روما.
سرعة الضوء هي الثابت الأساسي الأول
من بين إخفاقات جاليليو، يمكن للمرء أن يكون مفيدًا للغاية لدرجة أنه لا يمكن للمرء أن يجرؤ على تسميته بالفشل.
تحدث جاليليو في كتابه الأخير عن محاولته قياس سرعة الضوء، ويبدو أن السبب كان قياس سرعة أخرى - سرعة الصوت. وهذان بالطبع "اختلافان كبيران". بعد أن سمعت صدى صوتك، من السهل أن تفهم أن الصوت عاد بعد وقت قصير ولكن ملحوظ، وبالتالي، لا ينتشر على الفور، ولكن في بعض السرعة - وإن كانت عالية. ومع ذلك، في الحياة اليومية لا يوجد دليل على أن الضوء يستغرق أي وقت للانتقال من مصدر الضوء إلى الجسم المضيء. وقد لخصها أرسطو فلسفيا: "الضوء هو حضور شيء ما، وليس حركة شيء ما". وكان جميع معاصري جاليليو يعتقدون نفس الشيء. وهو أول من استخدم عبارة "سرعة الضوء".
كما تم افتراض لحظية الضوء - أو سرعته اللانهائية - في القياسات الأولى لسرعة الصوت. ولاحظوا إطلاق مدفع من بعيد واعتقدوا أن وميض الطلقة قد شوهد على الفور، وقاموا بقياس الوقت بين الفلاش وصوت الطلقة. وبتقسيم المسافة إلى البندقية على هذا الوقت، توصلوا إلى أن سرعة الصوت تبلغ حوالي 500 متر في الثانية (وهو ما يعادل مرة ونصف فقط القيمة الحقيقية).
ومع ذلك، اعتقد جاليليو أن لحظية الضوء كانت مجرد فرضية، واكتشف كيفية اختبارها. للقيام بذلك، تحتاج إلى شخصين مع الفوانيس التي يمكن فتحها وإغلاقها - الآن سيقولون: تشغيل وإيقاف. أولاً، كونهم قريبين، يتدربون على تشغيل مصباح يدوي عندما يرون ضوء مصباح يدوي آخر. ثم يتفرقون على مسافة طويلة. الأول يشعل الفانوس فيرى نوره الذي يشعل الثاني فانوسه. والأول يقيس الزمن من لحظة إشعال فانوسه إلى لحظة رؤية نور الفانوس الثاني. خلال هذا الوقت، سافر الضوء ذهابًا وإيابًا.
إذا انفتح الفانوس الثاني بالسرعة نفسها من مسافة قريبة، كما يكتب جاليليو، فإن الضوء يصل على الفور، وإذا استغرق الضوء وقتًا، فإن مسافة ثلاثة أميال ستكون كافية لاكتشاف التأخير. إذا تم إجراء التجربة على مسافة 8-10 أميال، على سبيل المثال، فيمكنك رؤية الضوء الخافت من مصباح يدوي بعيد باستخدام التلسكوب.
انطلاقا من كلمات جاليليو، أجرى مثل هذه التجربة على مسافة ميل واحد فقط ولم يلاحظ التأخير. ومع ذلك فقد توقع أن الضوء لا ينتقل على الفور، على الرغم من أنه ينتشر بسرعة غير عادية.
ولم يوضح أبو الفيزياء الحديثة لماذا تكفي ثلاثة أميال للكشف لا-لحظية الضوء، ولماذا إذن تزيد المسافة إلى 10 أميال. فإذا كانت نبضة واحدة تعتبر الحد الأدنى لفترة زمنية، فإن التجربة التي أجراها تعني أن الضوء يسافر ميلين في أقل من ثانية، أي بسرعة لا تقل عن 10 أضعاف سرعة الصوت. وإذا لم يتم اكتشاف التأخير حتى على مسافة 10 أميال، فهذا يعني أن سرعة الضوء أسرع 100 مرة على الأقل من سرعة الصوت.
ليس خطأ جاليليو أن سرعة الضوء هي في الواقع أسرع بمليون مرة من سرعة الصوت. ولو كان يشك في ذلك، لربما أدرك أن الأميال الأرضية لم تكن كافية لتجربته، ولتذكر أقمار كوكب المشتري التي اكتشفها. بعد كل شيء، أثناء دورانه، يلعب القمر الصناعي دور الفانوس، الذي يفتح عند مغادرة ظل كوكب المشتري ويغلق عند دخول ظله. وبطبيعة الحال، فإن مثل هذا الفانوس ليس مناسبًا بشكل مباشر لتجربة جاليليو - فهو يفتح دون أي أمر على فترات منتظمة. لكن يمكن تغيير التجربة من خلال ملاحظة أن الراصد الأرضي لا يجلس ساكناً، حتى لو نظر إلى التلسكوب: فهو يتحرك حول الشمس مع التلسكوب وكوكب الأرض. عندما يقترب الراصد من المشتري، يتم ملاحظة كل "شروق" لاحق للقمر الصناعي في وقت أبكر من "الموضعي" (المتوسط)، لأن الشعاع الأول من القمر الصناعي يجب أن يسافر مسافة أقصر إلى الأرض. سيصل الشعاع الأول مبكرًا بجزء من الفترة يتناسب مع سرعة الأرض ويتناسب عكسيًا مع سرعة الضوء. وهذا يعني أنه يمكن حساب سرعة الضوء عن طريق قياس تقدم (أو تأخير) صعود القمر الصناعي لكوكب المشتري.
لم يفكر جاليليو نفسه في مثل هذه الطريقة، على الرغم من وجود تطبيقات أرضية لعلم الفلك وتطبيق الفيزياء الأرضية لفهم الظواهر السماوية. كما اقترح استخدام التلسكوب في تجربة أرضية لقياس سرعة الضوء. وبعد اكتشاف أقمار المشتري وقياس فترات دورانها، رأيت في ذلك "ضربة" الساعة السماوية لحظة صعود كل قمر. أدرك غاليليو أن مثل هذه الساعة، التي يمكن للجميع الوصول إليها (من لديه تلسكوب)، يمكن استخدامها لتحديد خط الطول الجغرافي. وكان هذا مهمًا جدًا للملاحة لمسافات طويلة وللاقتصاد.
لذلك فإن أبو الفيزياء الحديثة لم يخترعها فحسب، بل أظهر أيضًا العلاقة المتبادلة بين العلوم والتكنولوجيا والاقتصاد.
كشفت فيزياء جاليليو عن التفاعل المبتكر بين النظرية والتجربة في البحث عن القوانين الأساسية للطبيعة. ومن الواضح مدى أهمية اختبار القانون بدقة متزايدة. ومع ذلك، غالبًا ما ساعدت الدقة المنخفضة للقياسات في تحقيق الاكتشافات. على سبيل المثال، فإن القانون الأكثر أهمية بالنسبة لغاليليو، وهو أن فترة اهتزاز البندول لا تعتمد على سعة الاهتزازات، يتم تحقيقه بشكل أكثر دقة كلما كانت سعة الاهتزاز أصغر. لذلك، لو اختبر جاليليو هذا القانون ليس بنبضه، بل باستخدام الكرونومتر الدقيق للغاية، لكان الأمر أكثر صعوبة بالنسبة له.
وبالمثل مع أقمار كوكب المشتري. بعد أن قام جاليليو بقياس فترات دورانها، ترك دراستها الإضافية لعلماء الفلك. كما ترك لهم أيضًا إرثًا بفكرته المتمثلة في استخدام هذه الأقمار الصناعية كساعات عالمية لتحديد خطوط الطول. وللقيام بذلك، كان لا بد من معرفة فترات دوران الأقمار الصناعية، أو جدول خسوفاتها، بأكبر قدر ممكن من الدقة، وهو ما فعله علماء الفلك، جاهدين من أجل دقتها الفلكية المتأصلة. بعد مرور ثلاثين عامًا على وفاة جاليليو، جمع علماء الفلك ما يكفي من الملاحظات لاكتشاف عدم انتظام غريب في الساعة الكونية. كانت الفترة المدارية للقمر الصناعي أقصر أحيانًا، وأحيانًا أطول. وكشف هذا التفاوت عن نمطه الخاص: أصبحت الفترة أقصر عندما اقتربت الأرض من المشتري، وأطول عندما ابتعدت عنه. عندها تذكر علماء الفلك الذين يدرسون الأقمار الصناعية الجاليلية ثقة جاليليو بأن الضوء ينتقل بسرعة هائلة ولكن محدودة. ومن خلال الجمع بين ملاحظات فترات الأقمار الصناعية ومعرفة حركات الكواكب، حصلنا لأول مرة على سرعة الضوء - 220 ألف كيلومتر في الثانية، وهي قريبة من القيمة الحقيقية - حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية.
وهكذا، كان حدس جاليليو مبررًا بشكل مدهش. وهذا مفاجئ للغاية. ففي النهاية، لم يكن هناك أي دليل يمكن ملاحظته على سرعة الضوء المحدودة. ومعاصرو جاليليو البارزون، الذين شاركوا في علم الضوء، كبلر وديكارت، اعتبروا سرعة الضوء لا حصر لها. لماذا كان جاليليو أكثر بصيرة من زملائه؟ لأنه كان عبقري وعالم فيزياء أساسي.
بالتفكير في سرعة الضوء، رأى جاليليو عالم الظواهر الفيزيائية بأكمله وآمن بالوحدة العميقة لهذا العالم. ومع العلم أن ضوء الشمس المتجمع في مرآة مقعرة قادر على إذابة الرصاص، فقد قارن هذا الفعل "العنيف" للضوء مع تفريغ البرق وانفجار البارود، الذي "يصاحبه حركة، علاوة على ذلك، سريع جدًا". وختم: “لذلك لا أستطيع أن أتخيل أن فعل الضوء يمكن أن يتم دون حركة، وأسرع حركة في ذلك”.
كان جاليليو على يقين من أن كتاب الطبيعة «مكتوب بلغة الرياضيات»، لكنه كان يعلم أن محتوى هذا الكتاب هو الفيزياء. لذلك، عند الاستماع إلى حدسه، لم يصدق كلامها، ولكنه اكتشف كيفية اختباره بالطريقة الأكثر موثوقية بالنسبة للفيزيائي - من خلال تجارب القياس. لقد فشل في القيام بذلك باستخدام الضوء، حيث كانت دقة القياسات منخفضة للغاية. لكنه تمكن من إعطاء الفيزياء فكرة سرعة الضوء المحدودة. أصبحت هذه الفكرة، بفضل هدية أخرى - أقمار كوكب المشتري الجليلية - حقيقة موثوقة للعلم بعد عقود قليلة فقط من وفاته، في بداية شهرته الخالدة.
لنستمع الآن إلى جزء من محادثة من كتاب جاليليو الأخير "محادثات وبرهان رياضي في علمين جديدين" حيث أثيرت لأول مرة مسألة سرعة الضوء:
حول أسرع حركة للضوء
ساجريدو. رأيت كيف أن ضوء الشمس، المجمع بواسطة مرآة مقعرة يبلغ قطرها حوالي ثلاثة نخيل، يذيب الرصاص بسرعة ويشعل العديد من المواد القابلة للاشتعال. هل مثل هذا العمل العنيف للضوء ممكن بدون حركة؟
سالفياتي. وفي حالات أخرى - مثل تفريغ البرق وانفجار البارود - يكون الاحتراق والتحلل مصحوبين بالحركة، وبسرعة كبيرة في ذلك. ولذلك لا أتصور أن فعل الضوء يمكن أن يحدث بدون حركة، وأسرع حركة في ذلك.
ساجريدو. ولكن ما مدى السرعة التي ينبغي أن تكون بها هذه الحركة؟ وهل هي لحظية أم تحدث بمرور الوقت كباقي الحركات؟ هل يمكن معرفة ذلك من خلال التجربة؟
البساطة. تظهر التجارب اليومية أن الضوء ينتقل على الفور. إذا شاهدنا إطلاق مدفع من مسافة بعيدة، فإن وميض الطلقة يصل إلى أعيننا على الفور، ولا يصل الصوت إلى آذاننا إلا بعد فترة زمنية ملحوظة.
ساجريدو. من هذه التجارب لا يمكننا إلا أن نستنتج أن الصوت يتحرك أبطأ من الضوء، ولكن ليس أن الضوء يصل على الفور.
سالفياتي. إن عدم حسم مثل هذه الملاحظات دفعني إلى التوصل إلى طريقة لمعرفة ما إذا كان الضوء ينتقل بشكل فوري أم لا.
اطلب من اثنين من المجربين أن يحمل كل منهما فانوسًا يمكن فتحه وإغلاقه. أولاً، يقفون جنبًا إلى جنب، ويتدربون على فتح فانوسهم، وملاحظة ضوء الآخر. ثم يتفرقون لمسافة ثلاثة أميال تقريبًا، وبعد انتظار الليل، يكررون وميض فوانيسهم. إذا فتح الفانوس الثاني بنفس السرعة التي اقترب بها، فإن الضوء يصل على الفور، أما إذا استغرق الضوء وقتًا، فإن مسافة ثلاثة أميال ستكون كافية لاكتشاف التأخير. عند إجراء تجربة على مسافة عشرة أميال، على سبيل المثال، يمكن استخدام التلسكوبات لرؤية الضوء الخافت الصادر من فانوس بعيد.
لقد قمت بنفسي بهذه التجربة على مسافة ميل واحد فقط ولم أكن مقتنعًا بما إذا كان الضوء قد عاد على الفور أم لا. من الواضح أنه سريع للغاية، على الفور تقريبًا. أود أن أقارنه بوميض البرق الذي يمكن رؤيته على بعد 8-10 أميال. نرى بداية الوميض أو مصدره في مكان معين بين السحب ونرى كيف يخترق البرق السحب المجاورة. وهذا يعني أن الأمر يستغرق بعض الوقت للانتشار. ففي نهاية المطاف، إذا حدث وميض البرق في جميع الأجزاء في وقت واحد، فلن نتمكن من تمييز مصدره وأجزائه الوسطى والبعيدة. في أي محيط وجدنا أنفسنا فيه دون أن يلاحظنا أحد؟! الفراغ واللانهاية، الذرات غير القابلة للتجزئة والحركات اللحظية – هل سنتمكن من الوصول إلى الشاطئ، ولو بعد ألف نقاش؟
رد جاليليو على السؤال المثير للشفقة في نهاية القطعة بكتابه بشجاعة وتفاؤل. لكن السؤال نفسه يفضح الفيزيائي - الفيزيائي الأساسي. زملاءه المتميزون ذوو العقلية الرياضية - كيبلر وديكارت - وضعوا لأنفسهم بجرأة مهمة احتضان العالم المادي الحقيقي بشكل كامل وأخير بمبدأ رياضي واحد أو مجموعة صغيرة، واعتقدوا أنهم قد حققوا هدفهم: حصل كيبلر على كأس الستة الكواكب، ديكارت - سبعة مبادئ في الفيزياء. وفهم جاليليو أنه كان فقط في بداية رحلة عظيمة، حيث سيكون هناك ما يكفي من العمل لكل من لديه ما يكفي من الحرية والشجاعة لطرح أسئلة حول بنية الكون والبحث عن إجابات مقنعة - قياس - لها.
مشحونًا بشجاعته، أود حقًا أن أطرح عليه الأسئلة بنفسه.
لماذا يعتقد أن سرعة الضوء ليست محدودة فحسب، بل هي "الأسرع" أيضًا؟ كيف يمكن لأي سرعة أن تكون الحد الأقصى؟ هل يدرك أن سرعة الضوء هي أحد الثوابت الأساسية في الطبيعة، وتدخل في أي ظاهرة فيزيائية، حتى لو حدثت في الظلام الدامس؟
أجاب العلم على هذه الأسئلة بعد ثلاثة قرون من حياة جاليليو، وبعد عدة تحولات مثيرة في الفيزياء الأساسية المرتبطة بأسماء نيوتن وماكسويل وأينشتاين. لا يسع المرء إلا أن يندهش من أن مخترع الفيزياء الأساسية فتح الطريق أمام أول ثابت أساسي في التاريخ.
الفصل 3
الجاذبية هي القوة الأساسية الأولى
من السماء إلى الأرض والعودة
في الفيزياء الحديثة يتحدثون عن أربع قوى أساسية. وكانت قوة الجاذبية أول من اكتشف. معروف لدى تلاميذ المدارس قانون الجاذبية العالميةيحدد قوة الجذب Fبين أي الجماهير مو م، مفصولة بالمسافة ر:
F = جمم/R 2 .
عادة لا يتم إخبار أطفال المدارس أن نيوتن نفسه لم يكتب مثل هذه الصيغة. لقد جادل فقط بأن الجذب يتناسب مع كمية المادة ويتناسب عكسيا مع مربع المسافة. إن التناسب مع كمية المادة ليس مفاجئا، ولكن كيف خمن نيوتن أن القوة تعتمد على المسافة في المربع، وليس في المكعب، على سبيل المثال؟
عادة لا يتم إخبار تلاميذ المدارس أيضًا أنه لم يكن أول من خمن. يمكن حتى أن يسمى اكتشاف نيوتن لقانون الجاذبية بالإغلاق. وأغلق السؤال بتأكيد التخمين من خلال الملاحظات الفلكية، التي لخصها كيبلر في قوانينه الكوكبية. أعظم نجاح حققه نيوتن في نظر معاصريه هو أنه استمد قوانين كبلر من قانون الجاذبية. للقيام بذلك، كان عليه أن يفعل شيئًا عظيمًا في نظر تاريخ العالم: إنشاء نظرية عامة للحركة - الميكانيكا، واختراع لغة رياضية جديدة لها. القانون الرئيسي للحركة المتعلقة بالتسارع أالجماهير ممع القوة المؤثرة عليه F
والجهاز الرياضي المخترع (حساب التفاضل والتكامل) جعل من الممكن حل أي مشكلة تتعلق بحركة الأجسام في السماء وعلى الأرض.
تم حل المشكلة السماوية الأولى من قبل عالم الفلك إدموند هالي (هالي). واستنادا إلى قانون الحركة وقانون الجاذبية، توقع أن يعود المذنب عام 1682 بعد 76 عاما. وفعلاً ظهرت في الوقت المناسب! قبل ذلك، كان لا يزال بوسع المرء أن يشكك في نظرية نيوتن، التي استمدت قوانين كيبلر القديمة «فقط» من القوانين الجديدة للحركة والجاذبية. لكن الانتصار السماوي للفيزياء وعدها بالنصر في المشاكل الأرضية أيضًا.
وفي هذه المناسبة، لاحظ احد المؤرخين: «لقد نزل العلم الحديث من السماء الى الارض على طول مستوى غاليليو المائل.» لا يوجد سبب أقل للقول بأن الفيزياء الأرضية قد ارتفعت إلى السماء - على نفس المستوى المائل. لم يتلق جاليليو سوى سؤال واحد من السماء: لماذا تكون حركة الأرض حول محورها وحول الشمس غير محسوسة بسرعات هائلة تصل إلى آلاف الكيلومترات في الساعة؟ لقد بحث عن إجابة هذا السؤال -ووجده- على الأرض، حيث كان يدرس الحركة بمساعدة أداتيه الرئيسيتين: التجربة واللغة الدقيقة رياضيًا. جوابه - قانون القصور الذاتي ومبدأ النسبية - أطلق عليه نيوتن القانون الأول للميكانيكا. وقانون السقوط الحر لجاليليو، بعد أن اكتشف الدور الرئيسي للتسارع، أعطى تلميحًا للقانون الثاني - القانون الرئيسي للحركة.
فقط في قانون الجاذبية لا يكون دور جاليليو مرئيًا. ولتصحيح هذا الظلم بعد قرنين من وفاته، قام أحد الحرفيين ذوي النزعة الأثرية بإعداد مجموعة من الوثائق التاريخية، والتي تلقتها الأكاديمية الفرنسية للعلوم. وقد رسمت الصحف - التي تحمل أسماء جاليليو وباسكال ونيوتن وغيرهم من الشخصيات البارزة - مثل هذه الصورة. في السنوات الأخيرة من حياته، يُزعم أن غاليليو (الإيطالي) استنتج نظريًا من قانون كيبلر الثاني أن الأجرام السماوية تتجاذب بشكل عكسي مع مربع المسافة. وقد أبلغ هذا الاكتشاف إلى (الفرنسي) باسكال، الذي بنى الميكانيكا السماوية على هذا الأساس، وقام أيضًا بحساب كتل الكواكب، وهو ما أبلغه إلى (الإنجليزي) نيوتن. وقام، دون خجل أو ضمير، بنشر نتائج الآخرين على أنها نتائجه.
الأكاديمية الفرنسية، التي تابعت بغيرة نجاحات البريطانيين، درست بحماس الوثائق المثيرة حتى اكتشفت أن إحدى الرسائل في المجموعة كانت موجهة إلى نيوتن عندما كان عمره 10 سنوات فقط. مؤلف المجموعة لم يتوافق مع التسلسل الزمني. ولم يتوافق على الإطلاق مع تاريخ العلم.
يعتمد التاريخ، بالطبع، على الأدلة الوثائقية الباقية - الرسائل والمخطوطات والمنشورات. ولكن عندما يكون هناك الكثير من الأدلة حول شخص ما، فمن الصعب جدًا تزوير دليل جديد تمامًا. فقط أولئك الذين لم يقرأوا كتبهم ولا يفهمون على الإطلاق كيف يمكن استنتاج أحدهما من الآخر، يمكنهم أن يصدقوا أن غاليليو البالغ من العمر 75 عامًا استنتج قانون الجاذبية من قانون كبلر الثاني.
لم يعلق جاليليو أهمية على قوانين كبلر، وأقل أهمية على تصريحاته حول الشمس كمصدر للقوة التي تحرك الكواكب، وأن هذه القوة تتناقص بشكل عكسي مع المسافة (وليس مربعها)، وعن قوة الجاذبية باعتبارها "تعاطف الهيئات ذات الصلة"، و "رغبتهم في الاتصال". في بعض الأحيان، كان كيبلر يشبه هذا "السعي" بالمغناطيسية، وفي بعض الأحيان كان يربطه بها. وليس من الواضح من نصوصه ما إذا كان يقصد قوة واحدة أم اثنتين. ومن الواضح أنه كان يأمل في وجود فيزيائيين، لأنه كتب: "فليتحقق الفيزيائيون..."
في عام 1600، نشر الإنجليزي جيلبرت كتابًا بعنوان "حول المغناطيس والأجسام المغناطيسية والمغناطيس العظيم - الأرض"، حيث أعرب، من بين أمور أخرى، عن فكرة أن الأرض مغناطيس ضخم، وأثبت ذلك تجريبيًا باستخدام نموذج الأرض - مغناطيس كروي، يتبع سلوك إبرة البوصلة على سطح الكرة. أعجب كيبلر بهذا الكتاب، فكتب عن القوى المغناطيسية في نظام الكواكب، مقدمًا الكلمة الأخيرة للفيزياء في علم الفلك. ولكن، على عكس هيلبرت، لم يقدم كيبلر أي حجج محددة، حتى نوعية، ولم يربط الفيزياء المغناطيسية بأي شكل من الأشكال بفرضيته حول انخفاض قوى الكواكب بشكل عكسي مع المسافة، ولا بقوانينه الدقيقة لحركة الكواكب. في هذه المعالجة للعلم، رأى الفيزيائي جاليليو مظهرًا من مظاهر العقل "الحرة جدًا"، أو ببساطة الرعونة. وفيما يتعلق ببحث هيلبرت، فقد أعرب عن تقديره الكبير له وتمنى أن يكون "عالم رياضيات أكثر قليلاً". ليس لأن غاليليو أحب الرياضيات، ولكن لأن اللغة الدقيقة رياضيا تفتح الطريق أمام التحقق التجريبي، وبالتالي المعرفة الدقيقة.
يمكن لعالم الفيزياء الأساسي جاليليو أن ينظر إلى قوانين كيبلر كعلاقات رياضية، لا تقل أناقة عن علم الكونيات للكواكب الذي رسمه كيبلر الشاب، ولكنها ليست أكثر تغلغلًا في الجوهر المادي لنظام الكواكب. من خلال نقطتين، يمكنك رسم خط مستقيم واحد فقط، ومن خلال العديد من نقاط الملاحظات الكوكبية - أي عدد من المنحنيات المختلفة، بما في ذلك، ربما، أنيقة. لا يمكنك تجربة الكواكب عن طريق تغيير معالم حركتها. لذلك، حاول جاليليو اختراق القوانين الأساسية لفيزياء الكواكب، معتمدًا على تجربة أرضية كان لا بد من اختراعها، وباستخدام أبسط مدار ممكن - وهو مدار دائري، خاصة وأن مدارات الأرض والزهرة دائرية تقريبًا.
لاشتقاق قانون الجاذبية، كان من الضروري جعل كلمة "الجاذبية" مفهومًا فيزيائيًا في متناول البحث التجريبي. وكان من الضروري ربط هذا المفهوم بكميات قابلة للقياس، وبالدرجة الأولى بالحركة نفسها. وهذا ما فعله نيوتن. وقبل ذلك، كان من الممكن التحدث فقط عن قوى الكواكب واعتمادها على المسافة.
أقدم "حديث" عن القوة المتناسبة مع 1/ ر 2، وقعت في كتاب الفلكي الفرنسي بويو سنة 1645. لقد كرم المؤلف كوبرنيكوس وجاليليو وكبلر، ولكن قوة الكواكب - وليس حسب كبلر - شبهتها بالإضاءة، التي تتناقص مع البعد عن مصدر الضوء مثل 1/ تمامًا. ر 2. ولكن بعد ذلك، في نفس الكتاب، رفض بويو مجرد وجود قوة دافعة. ومن هذا وحده تتضح الطبيعة غير المقنعة لفرضية كبلر. من السهل أن نتخيل أن غاليليو كان سيعتبر محادثات بويو طفولية: من أين يأتي القياس بين قوى الضوء والكواكب؟! ومع ذلك، بحلول الوقت الذي نُشر فيه كتاب عالم الفلك الفرنسي، كان غاليليو قد دخل التاريخ بالفعل منذ ثلاث سنوات. والكلمات غير المقنعة حول القوة التي تتناسب عكسيا مع مربع المسافة دخلت التاريخ. ووصلنا إلى زمن نيوتن.
ما يحدث؟! أهم فكرة جسدية ولدت بطريقة غير شرعية وعاشت لقيطاً لمدة طويلة؟! وأبو الفيزياء الحديثة عارض ولادتها أكثر من أي شيء آخر؟! نعم، ولكن ليس تماما. أولاً، كلام الشاعر ينطبق على الأفكار العلمية: «لو تعلمون من أي هراء ينبت الشعر، ولا تعرفون الخجل...». إن ميلاد الجديد دائماً معجزة. وثانيا الفكرة 1 / ر 2 لم تصبح مهمة إلا عندما اقترنت بأفكار أخرى ظهرت بعد عقود.
إن تاريخ العلم، مثل أي تاريخ مثير للاهتمام، هو مسار فريد من نوعه للأحداث. ومن هنا جاءت العبارة المبتذلة القائلة بأن التاريخ لا يعرف المزاج الشرطي. التاريخ لا يعرف، لكن الفيزيائي، عندما ينظر إلى التاريخ، يعرف ذلك عادة تجارب الفكر، تغيير - في حدود الممكن- تصرفات الشخصيات التاريخية وكشف سلسلة جديدة من الأحداث من أجل تقييم احتمالات واستحالة ما حدث بالفعل. على طريقة التفكير هذه يجب أن نشكر غاليليو، الذي استخدمها ببراعة عند إنشاء الفيزياء الحديثة. التجربة الفكرية هي تصميم تجريبي تسمح به الحقائق المعروفة، بغض النظر عن التكاليف. ومن خلال تغيير الظروف التجريبية بحرية، يصبح من الأسهل طرح الأسئلة والإجابة عليها باستخدام الحقائق المعروفة وقوانين الطبيعة.
ولننقل هذه التقنية من الفيزياء إلى تاريخها، لنطرح السؤال: «هل كان بإمكان غاليليو أن يعرف سرعة الضوء؟»، طبعاً، في حدود قدراته الحقيقية تاريخياً - معرفته وطريقة تفكيره وأحكامه المسبقة. التاريخ يسمح لنا بالإجابة على هذا السؤال بالنفي. وفي تجربة من النوع الذي اخترعه، حتى لو أخذنا بعين الاعتبار جميع موارد التكنولوجيا في ذلك الوقت، فمن الواضح أنها كانت تفتقر إلى الدقة. ومن أجل التوصل إلى تجربة تشمل أقمار كوكب المشتري، كان عليه أن يترك الفيزياء، ويصبح عالم فلك رصدي ويقوم بالمراقبة لمدة عام على الأقل، لسبب ما يوضح فترات الأقمار الصناعية التي قام بقياسها بالفعل. يبدو لا يصدق. ولذلك لم يتمكن من اكتشاف سرعة الضوء، مع أنه كان متحيزا بأنها محدودة.
كان غاليليو أيضًا متحاملًا على عدم وجود جاذبية كوكبية. لكن هذا لا يعني أن إجابة السؤال واضحة:
هل تمكن جاليليو من اكتشاف قانون الجاذبية الكونية؟
حدد الفيزيائي البارز والرجل المضحك ريتشارد فاينمان خلفية قانون الجاذبية:
وفي زمن كيبلر، اعتقد البعض أن الكواكب تتحرك حول الشمس لأن ملائكة غير مرئية تدفعها على طول مدارها. وهذا ليس بعيدًا عن الحقيقة: فالملائكة تدفع الكواكب، ليس على طول مدارها، بل عبر مدارها، نحو مركزها.
وفي محاولة للإيجاز، أهمل فاينمان خطوة وسيطة مهمة. لقد فعل جاليليو بدون ملائكة على الإطلاق، معتبرا أن الحركة الدائرية للكوكب حول الشمس هي حركة طبيعية وحرة. ظلت مسألة حجم المدارات وسرعات الكواكب مفتوحة، لكن غاليليو رأى الكثير من الأسئلة المفتوحة، التي لم تزعجه أو تربكه، بل استفزته فقط. ومثل كيبلر، اعتقد جاليليو أن الكواكب الأخرى تشبه الأرض في طبيعتها، وتعزز اعتقاده من خلال رؤية سطح القمر الجبلي من خلال التلسكوب. أعطاه إيمانه الأمل في أن دراسة قوانين الطبيعة على الأرض ستساعد في فهم قوانين حركات الكواكب.
على الأرض، اكتشف جاليليو قانون السقوط الحر، وكذلك قانون حركة الجسم المقذوف بزاوية مع الأفق. إن مسار مثل هذه الحركة، كما يعرف أطفال المدارس الآن، هو عبارة عن قطع مكافئ. لم ينشر جاليليو هذا الاكتشاف لفترة طويلة. لقد فهم أنه تم الحصول على النتيجة بتقريب "الأرض المسطحة": يصف القطع المكافئ المسار بدقة أكبر، فكلما كان حجمه أصغر مقارنة بنصف قطر الأرض، أي كلما انخفضت السرعة الأولية، أو كان الجزء الأصغر من الأرض مسطحًا. يعتبر المسار. ولم يكن يعرف كيف سيكون شكل المسار في حالة "الحركة الكبيرة"، عندما تكون السرعة الأولية عالية بما يكفي بحيث لا يمكن إهمال كروية الأرض.
كانت الصعوبة نظرية، ولم يكن من الممكن أن تساعد التجربة: لكي نلاحظ كروية الأرض في المختبر، يجب أن تكون أبعاد المختبر قابلة للمقارنة مع نصف قطر الأرض. ومع ذلك، كان بإمكان جاليليو استخدام تجربة فكرية، وهو ما كان خبيرًا كبيرًا فيها. كل ما عليك فعله هو طرح سؤال لمختبر الفكر.
على سبيل المثال، هذا واحد. إذا رميت كرة أفقيًا بسرعة منخفضة، فسوف تسقط على الأرض القريبة، وتتحرك في قطع مكافئ شديد الانحدار. إذا تمت زيادة السرعة الأولية، فسيصبح القطع المكافئ مسطحًا. وبأي سرعة يجب رمي الكرة بحيث تبقى عند سقوطها على نفس المسافة من سطح الأرض الذي "يهبط" بسبب كرويتها؟
تمكن غاليليو من حل هذه المشكلة باستخدام رياضيات ليست أكثر تعقيدًا من نظرية فيثاغورس، حيث يعرف نصف قطر الأرض روتسارع السقوط الحر ز، يقاس عليه. السرعة المطلوبة كما يرى الطالب الحالي
الخامس = (غرام) 1/2 ~ 8 كم/ثانية.
هذا بالطبع سرعة الهروب الأولىأي السرعة التي يجب أن يتم بها رمي الكرة حتى تصبح القمر الاصطناعي للأرض.تم القيام بذلك لأول مرة في روسيا عام 1957، لكن مثل هذه الكلمات لم تكن معروفة في إيطاليا في القرن السابع عشر، وكان من الممكن وصف السرعة بأنها فلكية. لقد كانت فيزيائية فلكية إلى حد ما. لكن بالنسبة لعالم الفيزياء الفلكية جاليليو، فإن الكرة العقلية التي تطير على مسافة ثابتة من سطح الأرض ستشبه القمر بالطبع.
ومع ذلك، يمكن بسهولة أن يقتنع بأن العلاقة الناتجة بالنسبة للقمر، للأسف، لا تصدق، وبقوة شديدة. سرعة القمر أقل بـ 60 مرة مما ينبغي. وبما أن سرعة القمر وبعده معروفان، كان جاليليو يفكر في تسارع الجاذبية ز، والذي قمت بقياسه بنفسي. لكنه قاسها على سطح الأرض، وليس على ارتفاع القمر. وتتحقق العلاقة إذا كان تسارع السقوط الحر على ارتفاع القمر أقل بـ 3600 مرة من تسارعه على الأرض. المسافة إلى القمر تساوي 60 مرة نصف قطر الأرض. وهذا يطرح الفرضية: يتغير تسارع الجاذبية مع المسافة من الأرض بما يتناسب عكسيا مع مربع المسافة. تمكن جاليليو من تأكيد هذه الفرضية سواء على أقمار كوكب المشتري أو على أقمار الشمس - الكواكب. ونتيجة لذلك، سيحصل على قانون جديد للطبيعة - القانون العام للسقوط الحرالذي يحدد تسارع السقوط الحر ز (ص)في نقطة بعيدة رمن جرم سماوي ذو كتلة م
ز(R) = GM/R 2 ,
هنا G ثابت، وهو نفس الشيء بالنسبة لأي جرم سماوي، مما يعني أنه ثابت أساسي.
كيف استطاع جاليليو اكتشاف القانون العام للسقوط الحر؟
أثناء دراسة السقوط الحر، وجد جاليليو أن الكرة المقذوفة أفقيًا في الفضاء تسقط على طول القطع المكافئ، الذي يتحدد شكله بالسرعة الأولية الخامسوتسارع السقوط الحر ز: يتم الحفاظ على السرعة الأفقية الخامس ز = الخامس، ويزداد عموديا مع مرور الوقت الخامس الخامس = جي تي.
دعونا نقوم بتجربة فكرية من خلال تسلق البرج الأسطوري مع جاليليو العقلي. سنقوم برمي الكرات أفقيًا بسرعة متزايدة. إذا كانت سرعة الرمي منخفضة، فسوف تسقط الكرة - على طول قطع مكافئ شديد الانحدار - على الأرض بالقرب من البرج. وإذا كانت السرعة عالية جدًا، فسيصبح القطع المكافئ مسطحًا جدًا، وستطير الكرة بعيدًا جدًا عن الأرض.
والسؤال هو، بأي سرعة يجب رمي الكرة بحيث تظل، عند سقوطها بحرية، على نفس الارتفاع عن سطح الأرض، الذي يدور بشكل دائري "لأسفل"؟
يمكن لتلميذ المدرسة الآن الإجابة على هذا السؤال من خلال رسم المخطط المشار إليه وتطبيق نظرية فيثاغورس ومراعاة نصف قطر الأرض ر
أكد جاليليو جاليلي (1564-1642) عمليًا صحة أفكار نيكولاس كوبرنيكوس وجيوردانو برونو:
- - اخترع التلسكوب.
- - استكشاف الأجرام السماوية باستخدام التلسكوب؛
- - أثبت أن الأجرام السماوية تتحرك ليس فقط على طول المسار، ولكن أيضًا في نفس الوقت حول محورها؛
- - البقع المكتشفة على الشمس والمناظر الطبيعية المتنوعة (الجبال والصحاري - "البحار") على القمر؛
- - اكتشف الأقمار الصناعية حول الكواكب الأخرى؛
- - درس ديناميكيات الأجسام المتساقطة.
- - أثبت تعدد العوالم في الكون.
طرح جاليليو طريقة للبحث العلمي تتكون من:
- - ملاحظة؛
- - طرح فرضية؛
- - حسابات تنفيذ الفرضية في الممارسة العملية؛
- - الاختبار التجريبي (التجريبي) في ممارسة الفرضية المطروحة.
وأصبح خليفة أعمال كوبرنيكوس وبرونو. اشتهر بأنه مؤسس الفيزياء الحديثة.
وكان أول العلماء الذين جعلوا الطريقة الرئيسية للبحث العلمي ليست الاستدلال أو الملاحظة، بل التجربة. لقد اكتسب شهرة واسعة وحتى فاضحة في ذلك الوقت من خلال رمي كرات بأحجام مختلفة من أعلى برج بيزا المائل "الساقط". في السابق، اعتقد الجميع أرسطو أن الكرة الثقيلة ستسقط بشكل أسرع من أخف وزنا، ولم يفكر أحد في التحقق من ذلك في الممارسة العملية. كان جاليليو أول من قام بالتحقق. واتضح أنه، على عكس أرسطو، سقطت الكرتان في نفس الوقت. يشرح جاليليو: هناك حالات معروفة من التجربة، عندما تسقط ريشة في الهواء، على سبيل المثال، بشكل أبطأ بكثير من سقوط الحجر - وهذا بسبب المقاومة في الهواء. في الفراغ (تم إجراء مثل هذه التجارب لاحقًا) يسقط الحجر والريشة بالتساوي.
بقياس وقت السقوط من ارتفاعات مختلفة، توصل جاليليو إلى نتيجة مفادها أن الكرات لا تسقط بسرعة ثابتة، بل بتسارع. من خلال إجراء تجارب على الأجسام المتحركة، يرى جاليليو أن هناك فرقًا بين الحركة تحت تأثير القوة والحركة تحت تأثير القصور الذاتي. نتيجة لفعل القوة، يتحرك الجسم بتسارع، ويتغير سرعته أو اتجاه حركته. إذا لم تعمل القوة، فإن الجسم إما يظل بلا حراك (إذا كان بلا حراك) أو يستمر في التحرك تحت تأثير القصور الذاتي (إذا كان يتحرك سابقًا).
ومن هنا يتوصل جاليليو إلى نتيجة معروفة بشكل عام اليوم، لكنها بدت غريبة في تلك الأيام، وهي أنه لا يوجد فرق جوهري بين حالة السكون وحالة الحركة المستقيمة المنتظمة. وأصبح هذا الاستنتاج الحجة الأولى لصالح النظرية الكوبرنيكية. في السابق، قال منتقدو كوبرنيكوس إنه إذا تحركت الأرض، فسنشعر بها، ستتحرك الأرض من تحت أقدامنا. أثبت جاليليو أنه لا يوجد شيء من هذا القبيل. على الرغم من أن الأرض تتحرك في مدار دائري، إلا أن نصف قطر هذا المدار كبير جدًا بحيث تكون هذه الحركة في مقاييس الطول المعتادة لدينا شبه مستقيمة، وبالتالي لا نشعر بها.
الدليل القاطع الثاني على أن غاليليو كان على حق هو التلسكوب. بحلول ذلك الوقت، تم بالفعل اكتشاف خصائص "التكبير" و"التصغير" للنظارات المحدبة والمقعرة. في تلك السنوات بالتحديد، اكتشف أشخاص مختلفون بشكل مستقل أنه من خلال مزيج من الزجاج المحدب والمقعر، كان من الممكن تجميع تلسكوب يجعل الأشياء البعيدة أقرب. في عام 1610، كان غاليليو أول من وجّه التلسكوب الذي صنعه نحو السماء. وكان هذا التلسكوب الأول. على الفور، قام جاليليو بالعديد من الاكتشافات المذهلة في ذلك الوقت. تبين أن القمر مغطى بالجبال - لذلك لا يوجد فرق بين الأرض والسماوية، وعلى الأجرام السماوية الأخرى لا يختلف التضاريس بشكل أساسي عن الأرض.
تبين أن كوكب المشتري لديه 4 أقمار صناعية - مما يعني أن القمر الذي يدور حول الأرض ليس استثناءً في عالم الكواكب، وبالتالي فإن الأرض هي نفس الكوكب مثل جميع الكواكب الأخرى. عندما تم رصد كوكب الزهرة من خلال التلسكوب، تبين أنه هلال، مشابه للقمر، وكانت أطواره تتغير باستمرار - وهذا لا يمكن أن يحدث إلا إذا كانت الأرض والزهرة تدوران حول الشمس. حتى الشمس نفسها كانت بها بقع - وبالتالي فهي ليست شيئًا إلهيًا، ولكنها جرم سماوي عادي. اتضح أن درب التبانة تتكون من العديد من النجوم - وتبين أن حدود الكون أوسع بكثير مما كان يُعتقد سابقًا.
كان جاليليو مليئًا بالآمال المشرقة عندما أخذ "حواره حول النظامين الرئيسيين للعالم" إلى روما. وكل إنسان عاقل سيرى فيه الانهيار الكامل للنظام البطلمي، ويفهم منطق كوبرنيكوس العظيم. ريكاردي، كبير خدم القصر المقدس، يؤيد المخطوطة للطباعة، ولكن فجأة، خائفًا من شيء ما، يسحب إذنه، ويوصي برقابة أخرى، موجودة بالفعل في فلورنسا. هناك، في عام 1632، نشر جاليليو البالغ من العمر 68 عامًا الكتاب الرئيسي لحياته.
كان الفاتيكان غاضبا. تمت محاكمة جاليليو، واستمرت المحاكمة أكثر من شهرين. كتب أحد كتاب سيرة غاليليو الفرنسيين: "إن إذلال الرجل العظيم كان عميقًا وكاملاً". "في هذا الإذلال، تم دفعه إلى التخلي عن أكثر قناعات العالم حماسة وإلى عذاب رجل تغلب عليه المعاناة والخوف من النار ..."
في 22 يونيو 1633، في كنيسة دير القديس مينيرفا، بحضور جميع الأساقفة والكرادلة في البلاط، قرأ التنازل راكعًا. ويزعمون أنه عندما نهض جاليليو من ركبتيه، صرخ قائلاً: "لكنها لا تزال تدور!" ولكن من غير المرجح أن يكون هذا هو الحال. لن تغفر له محاكم التفتيش أبدًا التنازل الرسمي البحت عن العرش. ما كان متوقعًا منه هو التوبة والتواضع، ولم يكن المطلوب أن ينحني، بل أن ينكسر أفكاره...
ولد جاليليو في مدينة بيزا الإيطالية عام 1564، مما يعني أنه في عام وفاة برونو كان يبلغ من العمر 36 عامًا وفي كامل قوته وصحته.
اكتشف جاليليو الشاب قدرات رياضية غير عادية، وكان يلتهم الأعمال المتعلقة بالرياضيات مثل الروايات المسلية.
عمل جاليليو في جامعة بيزا لمدة أربع سنوات تقريبًا، وفي عام 1592 انتقل إلى منصب أستاذ الرياضيات في جامعة بادوا، حيث بقي حتى عام 1610.
من المستحيل نقل جميع الإنجازات العلمية لجاليليو؛ لقد كان شخصا متعدد الاستخدامات بشكل غير عادي. كان يعرف الموسيقى والرسم جيدًا، وفعل الكثير لتطوير الرياضيات وعلم الفلك والميكانيكا والفيزياء...
إن إنجازات جاليليو في مجال علم الفلك مذهلة.
...لقد بدأ كل شيء بالتلسكوب. في عام 1609، سمع جاليليو أن جهازًا للرؤية البعيدة قد ظهر في مكان ما في هولندا (هذه هي الطريقة التي تُترجم بها كلمة "تلسكوب" من اليونانية). لم يكن أحد في إيطاليا يعرف كيف يعمل؛ كان من المعروف فقط أن أساسه كان عبارة عن مزيج من النظارات البصرية.
كان هذا كافياً لجاليليو ببراعته المذهلة. عدة أسابيع من التفكير والتجريب، وقام بتجميع أول تلسكوب له، والذي يتكون من عدسة مكبرة وزجاج ثنائي التقعر (الآن يتم بناء المناظير على هذا المبدأ). في البداية، قام الجهاز بتكبير الكائنات فقط 5-7 مرات، ثم 30 مرة، وكان هذا كثيرًا بالفعل في تلك الأوقات.
أعظم إنجازات غاليليو هو أنه كان أول من وجّه التلسكوب نحو السماء. ماذا رأى هناك؟
نادرًا ما يتمتع الإنسان بسعادة اكتشاف عالم جديد غير معروف. قبل أكثر من مائة عام، شهد كولومبوس هذه السعادة عندما رأى لأول مرة شواطئ العالم الجديد. جاليليو يسمى كولومبوس السماء. إن المساحات غير العادية للكون، وليس مجرد عالم جديد واحد، ولكن عوالم جديدة لا تعد ولا تحصى، انفتحت أمام أنظار عالم الفلك الإيطالي.
كانت الأشهر الأولى التي أعقبت اختراع التلسكوب، بالطبع، هي الأسعد في حياة جاليليو، بقدر ما يمكن أن يتمناه رجل العلم لنفسه. كل يوم، كل أسبوع جلب شيئا جديدا... لقد انهارت جميع الأفكار السابقة حول الكون، وأصبحت جميع قصص الكتاب المقدس حول خلق العالم حكايات خرافية.
لذلك يوجه جاليليو تلسكوبه نحو القمر فلا يرى جسمًا أثيريًا من الغازات الخفيفة كما تصوره الفلاسفة، بل كوكبًا شبيهًا بالأرض، به سهول واسعة، به جبال، حدد العالم ارتفاعها بطول الأرض. الظل الذي يلقيونه.
ولكن أمامه ملك الكواكب المهيب - كوكب المشتري. فماذا يحدث؟ كوكب المشتري محاط بأربعة أقمار صناعية تدور حوله، لتشكل نسخة أصغر من النظام الشمسي.
يستهدف الأنبوب الشمس (بالطبع من خلال الزجاج المدخن). إن الشمس الإلهية، أنقى مثال للكمال، مغطاة بالبقع، وحركتها تدل على أن الشمس تدور حول محورها، مثل أرضنا. تم تأكيد التخمين الذي قدمه جيوردانو برونو، وبأي سرعة!
يتحول التلسكوب إلى مجرة درب التبانة الغامضة، هذا الشريط الضبابي الذي يعبر السماء، وينقسم إلى عدد لا يحصى من النجوم، التي لا يمكن حتى الآن الوصول إليها بالعين البشرية! أليس هذا ما تحدث عنه الرائي الشجاع روجر بيكون قبل ثلاثة قرون ونصف؟ كل شيء له وقته في العلم، ما عليك سوى أن تكون قادرًا على الانتظار والقتال.
من الصعب علينا، معاصري رواد الفضاء، حتى أن نتخيل مدى الثورة التي أحدثتها اكتشافات غاليليو في وجهات نظر الناس حول العالم. إن النظام الكوبرنيكي مهيب، لكن عقل الرجل العادي لا يفهمه إلا قليلاً؛ فهو يحتاج إلى دليل. والآن ظهرت الأدلة، قدمها جاليليو في كتاب بعنوان رائع "الرسول النجمي". الآن يمكن لأي شخص يشك أن ينظر إلى السماء من خلال التلسكوب ويقتنع بصحة تصريحات جاليليو.
ولد عالم الفيزياء والفلكي الإيطالي المتميز جاليليو جاليلي في 15 فبراير 1564 في مدينة بيزا (شمال غرب إيطاليا). في عائلته، كان رئيسها نبيل فقير، بالإضافة إلى غاليليو نفسه، كان هناك خمسة أطفال آخرين. عندما كان الصبي يبلغ من العمر 8 سنوات، انتقلت العائلة إلى فلورنسا، حيث التحق الشاب جاليليو بالمدرسة في أحد الأديرة المحلية. في ذلك الوقت، كان أكثر اهتمامًا بالفن، لكنه كان جيدًا أيضًا في العلوم الطبيعية. لذلك، بعد تخرجه من المدرسة، لم يكن من الصعب عليه الالتحاق بجامعة بيزا، حيث بدأ دراسة الطب. ومع ذلك، في الوقت نفسه كان منجذبًا أيضًا إلى الهندسة، وهي دورة من المحاضرات حضرها بمبادرة منه.
درس جاليليو في الجامعة لمدة ثلاث سنوات، لكنه لم يتمكن من التخرج بسبب تدهور وضع عائلته المالي. ثم كان عليه العودة إلى المنزل ومحاولة العثور على عمل. لحسن الحظ، وبفضل قدراته، تمكن من الحصول على رعاية الدوق فرديناند الأول دي ميديشي، الذي وافق على دفع تكاليف مواصلة دراسته. بعد ذلك، في عام 1589، عاد جاليليو إلى جامعة بيزا، حيث سرعان ما أصبح أستاذًا للرياضيات. وقد منحه هذا الفرصة للتدريس وفي نفس الوقت المشاركة في البحث المستقل. وبعد ذلك بعام، تم نشر أول عمل للعالم في مجال الميكانيكا. كان يطلق عليه "في الحركة".
هنا مرت الفترة الأكثر مثمرة في حياة العالم العظيم. وبفضله أحدث عام 1609 ثورة حقيقية في علم الفلك. في يوليو، حدث حدث سيسجل في التاريخ إلى الأبد - تم إجراء الملاحظات الأولى للأجرام السماوية باستخدام أداة جديدة - تلسكوب بصري. الأنبوب الأول، الذي صنعه غاليليو بنفسه، أعطى زيادة ثلاث مرات فقط. وبعد ذلك بقليل ظهرت نسخة محسنة عززت الرؤية البشرية بمقدار 33 مرة. الاكتشافات التي تمت بمساعدتها صدمت العالم العلمي. في السنة الأولى، تم اكتشاف أربعة أقمار صناعية لكوكب المشتري، وتم اكتشاف حقيقة أن عدد النجوم في السماء أكبر بكثير مما يمكن رؤيته بالعين المجردة. قام جاليليو بمراقبة القمر واكتشاف الجبال والأراضي المنخفضة عليه. كل هذا كان كافياً ليصبح مشهوراً في جميع أنحاء أوروبا.
بعد أن انتقل إلى فلورنسا في عام 1610، واصل العالم بحثه. اكتشفوا هنا بقعًا على الشمس، ودورانها حول محورها، بالإضافة إلى مراحل كوكب الزهرة. كل هذا جلب له الشهرة والتفضيل من العديد من الأشخاص رفيعي المستوى في إيطاليا وخارجها.
ومع ذلك، وبسبب دفاعه الصريح عن تعاليم كوبرنيكوس، التي صنفتها الكنيسة الكاثوليكية على أنها هرطقة، فقد واجه مشاكل خطيرة في العلاقات مع روما. وبعد نشر عمل كبير بعنوان "حوار حول أهم نظامين في العالم - البطلمي والكوبرنيقي" عام 1632، اتُهم علانية بدعم الهرطقة وتم استدعاؤه للمحاكمة. ونتيجة لذلك، اضطر غاليليو إلى التخلي علناً عن دعمه للنظام العالمي الذي يركز على الشمس. العبارة المنسوبة إليه: "لكنها لا تزال تدور!" ليس لها أي دليل مستندي..