"Det krævede enestående styrke at udvinde naturlovene fra konkrete fænomener, der altid var for alles øjne, men hvis forklaring alligevel undgik filosoffers nysgerrige blik," skrev den berømte franske matematiker og astronom Lagrange om Galileo.
Galileo Galileis opdagelser inden for astronomi
I 1609 byggede Galileo Galilei uafhængigt sit første teleskop med en konveks linse og et konkavt okular. Først gav hans teleskop cirka 3 gange forstørrelse. Snart lykkedes det ham at bygge et teleskop, der gav en forstørrelse på 32 gange. Selve udtrykket teleskop Galileo introducerede det også i videnskaben (efter forslag fra Federico Cesi). En række opdagelser, som Galileo gjorde ved hjælp af et teleskop, bidrog til udtalelsen verdens heliocentriske system, som Galileo aktivt fremmede, og tilbageviste geocentristernes synspunkter Aristoteles og Ptolemæus.
Galileos teleskop havde en konvergerende linse som objektiv og en divergerende linse som okular. Dette optiske design producerer et ikke-inverteret (terrestrisk) billede. De største ulemper ved det galilæiske teleskop er dets meget lille synsfelt. Dette system bruges stadig i teaterkikkerter og nogle gange i hjemmelavede amatørteleskoper.
Galileo foretog de første teleskopiske observationer af himmellegemer den 7. januar 1610. De viste, at Månen ligesom Jorden har en kompleks topografi - dækket af bjerge og kratere. Galileo forklarede Månens askelys, kendt siden oldtiden, som et resultat af sollys, der reflekteres af Jorden, der rammer den. Alt dette tilbageviste Aristoteles' lære om modsætningen mellem "jordisk" og "himmelsk": Jorden blev en krop af grundlæggende samme natur som himmellegemerne, og dette tjente som et indirekte argument til fordel for det kopernikanske system: hvis andre planeter bevæger sig, så er det naturligt at antage, at Jorden også bevæger sig. Galileo opdagede også librering af Månen (dens langsomme vibration) og estimerede ganske nøjagtigt højden af månebjergene.
Planeten Venus viste sig for Galileo i teleskopet ikke som et skinnende punkt, men som en let halvmåne, der ligner månen.
Det mest interessante var observationen af den lyse planet Jupiter. Gennem teleskopet viste Jupiter sig ikke længere for astronomen som en lys prik, men som en ret stor cirkel. Der var tre stjerner på himlen nær denne cirkel, og en uge senere opdagede Galileo en fjerde stjerne.
Når man ser på billedet, kan man undre sig over, hvorfor Galileo ikke straks opdagede alle fire satellitter: De er trods alt så tydeligt synlige på fotografiet! Men vi skal huske, at Galileos teleskop var meget svagt. Det viste sig, at alle fire stjerner ikke kun følger Jupiter i dens bevægelser hen over himlen, men også kredser om denne store planet. Så fire måner blev fundet på én gang på Jupiter - fire satellitter. Galileo afviste således et af argumenterne fra modstandere af heliocentrisme: Jorden kan ikke dreje rundt om Solen, da Månen selv roterer omkring den. Jupiter skulle jo åbenbart enten dreje rundt om Jorden (som i det geocentriske system) eller om Solen (som i det heliocentriske system). Galileo observerede omløbsperioden for disse satellitter i halvandet år, men nøjagtigheden af estimatet blev kun opnået i Newtons æra. Galileo foreslog at bruge observationer af formørkelserne af Jupiters satellitter til at løse det kritiske problem med at bestemme længdegraden til søs. Han var selv ude af stand til at udvikle en implementering af en sådan tilgang, selvom han arbejdede på den indtil slutningen af sit liv; Cassini var den første til at opnå succes (1681), men på grund af vanskelighederne med observationer til søs blev Galileos metode hovedsageligt brugt af landekspeditioner, og efter opfindelsen af marinekronometeret (midten af 1700-tallet) blev problemet lukket.
Galileo opdagede også (uafhængigt af Fabricius og Herriot) solpletter(mørke områder på Solen, hvis temperatur er sænket med omkring 1500 K sammenlignet med de omkringliggende områder).
Eksistensen af pletter og deres konstante variation tilbageviste Aristoteles' tese om himlens perfektion (i modsætning til den "sublunære verden"). Ud fra deres observationer konkluderede Galileo det Solen roterer omkring sin akse, estimerede perioden for denne rotation og positionen af Solens akse.
Galileo konstaterede også, at Venus skifter faser. På den ene side beviste dette, at det skinner med reflekteret lys fra Solen (som der ikke var nogen klarhed over i astronomien fra den foregående periode). På den anden side svarede rækkefølgen af faseændringer til det heliocentriske system: I Ptolemæus' teori var Venus som den "lavere" planet altid tættere på Jorden end Solen, og "fuld Venus" var umulig.
Galileo bemærkede også de mærkelige "vedhæng" af Saturn, men opdagelsen af ringen blev forhindret af teleskopets svaghed. 50 år senere blev Saturns ring opdaget og beskrevet af Huygens, som havde et 92-dobbelt teleskop til sin rådighed.
Galileo hævdede, at når de observeres gennem et teleskop, er planeterne synlige som skiver, hvis tilsyneladende størrelser i forskellige konfigurationer ændres i samme forhold som følger af den kopernikanske teori. Stjernernes diameter øges dog ikke, når de observeres med et teleskop. Dette tilbageviste estimater af den tilsyneladende og faktiske størrelse af stjerner, som blev brugt af nogle astronomer som et argument mod det heliocentriske system.
Mælkevejen, der for det blotte øje ligner en kontinuerlig glød, blev åbenbaret for Galileo i form af individuelle stjerner, hvilket bekræftede Democritus' gæt, og et stort antal hidtil ukendte stjerner blev synlige.
Galileo skrev en bog, Dialog vedrørende de to verdenssystemer, hvori han forklarede i detaljer, hvorfor han accepterede det kopernikanske system frem for Ptolemæus. Hovedpunkterne i denne dialog er som følger:
- Venus og Merkur er aldrig i opposition, hvilket betyder, at de kredser om Solen, og deres kredsløb er mellem Solen og Jorden.
- Mars har oppositioner. Fra en analyse af ændringer i lysstyrke under Mars' bevægelse konkluderede Galileo, at denne planet også drejer rundt om Solen, men i dette tilfælde er Jorden placeret inde dens bane. Han gjorde lignende konklusioner for Jupiter og Saturn.
Det er tilbage at vælge mellem to verdenssystemer: Solen (med planeter) kredser om Jorden eller Jorden kredser om Solen. Det observerede mønster af planetbevægelser i begge tilfælde er det samme, dette garanterer relativitetsprincippet formuleret af Galileo selv. Derfor er der behov for yderligere argumenter for valget, blandt hvilke Galileo citerer den større enkelhed og naturlighed af den kopernikanske model (han afviste dog Keplers system med planeternes elliptiske baner).
Galileo forklarede, hvorfor jordens akse ikke roterer, når jorden drejer rundt om solen; For at forklare dette fænomen introducerede Copernicus en særlig "tredje bevægelse" af Jorden. Galileo viste det eksperimentelt aksen af en frit bevægelig top fastholder sin retning af sig selv("Breve til Ingoli"):
“Et lignende fænomen findes åbenbart i ethvert legeme, der er i en frit suspenderet tilstand, som jeg har vist for mange; og du kan selv verificere dette ved at placere en flydende trækugle i et kar med vand, som du tager i dine hænder, og så, strække dem ud, begynder du at rotere rundt om dig selv; du vil se, hvordan denne bold vil rotere rundt om sig selv i den modsatte retning af din rotation; den vil fuldføre sin fulde rotation på samme tid som du fuldfører din.”
Galileo begik en alvorlig fejl ved at tro, at fænomenet tidevand beviste Jordens rotation om sin akse. Men han giver også andre seriøse argumenter til fordel for Jordens daglige rotation:
- Det er svært at blive enige om, at hele universet foretager en daglig revolution rundt om Jorden (især taget de kolossale afstande til stjernerne i betragtning); det er mere naturligt at forklare det observerede billede med Jordens rotation alene. Den synkrone deltagelse af planeter i daglig rotation ville også krænke det observerede mønster, ifølge hvilket jo længere en planet er fra Solen, jo langsommere bevæger den sig.
- Selv den enorme sol har vist sig at have aksial rotation.
For at bevise Jordens rotation foreslår Galileo mentalt at forestille sig, at en kanon eller et faldende legeme afviger lidt fra lodret under faldet, men hans beregning viser, at denne afvigelse er ubetydelig.
Galileo gjorde også den korrekte observation, at Jordens rotation skal påvirke vindens dynamik. Alle disse effekter blev opdaget meget senere.
Andre præstationer af Galileo Galilei
Han opfandt også:
- Hydrostatiske vægte til bestemmelse af faste stoffers vægtfylde.
- Det første termometer, stadig uden skala (1592).
- Proportionalt kompas brugt til tegning (1606).
- Mikroskop (1612); Med dens hjælp studerede Galileo insekter.
Rækken af hans interesser var meget bred: Galileo var også involveret optik, akustik, farveteori og magnetisme, hydrostatik(videnskab, der studerer væskes ligevægt) modstand af materialer, befæstningsproblemer(militærvidenskab om kunstige lukninger og barrierer). Jeg prøvede at måle lysets hastighed. Han målte eksperimentelt luftens tæthed og gav en værdi på 1/400 (sammenlign: Aristoteles - 1/10, den sande moderne værdi er 1/770).
Galileo formulerede også loven om stoffets uforgængelighed.
Efter at have stiftet bekendtskab med alle resultaterne af Galileo Galilei inden for videnskab, er det umuligt ikke at blive interesseret i hans personlighed. Derfor vil vi fortælle dig om hovedstadierne i hans livsvej.
Fra biografien om Galileo Galilei
Den fremtidige italienske videnskabsmand (fysiker, mekaniker, astronom, filosof og matematiker) blev født i 1564 i Pisa. Som du allerede ved, er han forfatteren til fremragende astronomiske opdagelser. Men hans tilslutning til verdens heliocentriske system førte til alvorlige konflikter med den katolske kirke, hvilket gjorde hans liv meget vanskeligt.
Han blev født i en adelig familie, hans far var en berømt musiker og musikteoretiker. Hans passion for kunst blev givet videre til hans søn: Galileo studerede musik og tegning og havde også litterært talent.
Uddannelse
Han modtog sin grunduddannelse i klosteret tættest på sit hjem, studerede hele sit liv med stor iver - han studerede medicin på universitetet i Pisa, og interesserede sig samtidig for geometri. Han studerede på universitetet i kun omkring 3 år - hans far kunne ikke længere betale for sin søns studier, men nyheden om den talentfulde unge mand nåede høje embedsmænd, han blev patroniseret af markisen del Monte og den toscanske hertug Ferdinand I de' Medici.
Videnskabelig aktivitet
Galileo underviste senere på universitetet i Pisa og derefter på det mere prestigefyldte universitet i Padua, hvor de mest frugtbare år af hans videnskabelige karriere begyndte. Her er han aktivt involveret i astronomi - han opfinder sit eget første teleskop. Han opkaldte Jupiters fire satellitter, som han opdagede, efter sønnerne af hans protektor Medici (nu kaldes de de galilæiske satellitter). Galileo beskrev sine første opdagelser med et teleskop i sit essay "The Starry Messenger"; denne bog blev en rigtig bestseller af sin tid, og indbyggerne i Europa købte hurtigt teleskoper til sig selv. Galileo bliver den mest berømte videnskabsmand i Europa, og der bliver skrevet odes til hans ære og sammenligner ham med Columbus.
I disse år indgik Galileo et borgerligt ægteskab, hvor han havde en søn og to døtre.
Selvfølgelig har sådanne mennesker, ud over deres tilhængere, altid nok dårlige ønsker, og Galileo undslap ikke dette. Fortalere var især forargede over hans propaganda om verdens heliocentriske system, fordi en detaljeret underbygning af konceptet om jordens ubevægelighed og en tilbagevisning af hypoteser om dens rotation var indeholdt i Aristoteles' afhandling "On Heaven" og i Ptolemæus' "Almagest". ”.
I 1611 besluttede Galileo at tage til Rom for at overbevise pave Paul V om, at Copernicus' ideer var fuldstændig forenelige med katolicismen. Han blev modtaget godt og viste dem sit teleskop og gav omhyggelige og omhyggelige forklaringer. Kardinalerne oprettede en kommission for at afklare spørgsmålet om, hvorvidt det var syndigt at se på himlen gennem et rør, men kom til den konklusion, at dette var tilladt. Romerske astronomer diskuterede åbent spørgsmålet om, hvorvidt Venus bevægede sig rundt om Jorden eller rundt om Solen (Venus' skiftende faser talte klart til fordel for den anden mulighed).
Men opsigelser til inkvisitionen begyndte. Og da Galileo i 1613 udgav bogen "Breve om solpletter", hvor han åbent talte til fordel for det kopernikanske system, indledte den romerske inkvisition sin første sag mod Galileo anklaget for kætteri. Galileos sidste fejl var hans opfordring til Rom for at udtrykke sin endelige holdning til Copernicus' lære. Så besluttede den katolske kirke at forbyde hans undervisning med den forklaring, at " kirken protesterer ikke mod fortolkningen af kopernikanismen som en bekvem matematisk anordning, men at acceptere den som en realitet ville betyde at indrømme, at den tidligere, traditionelle fortolkning af den bibelske tekst var fejlagtig».
5. marts 1616 Rom definerer officielt heliocentrisme som et farligt kætteri. Copernicus' bog blev forbudt.
Kirkens forbud mod heliocentrisme, som Galileo var overbevist om, var uacceptabelt for videnskabsmanden. Han begyndte at tænke på, hvordan han kunne fortsætte med at forsvare sandheden uden formelt at overtræde forbuddet. Og jeg besluttede at udgive en bog, der indeholder en neutral diskussion af forskellige synspunkter. Han skrev denne bog i 16 år, indsamlede materialer, finpudsede sine argumenter og ventede på det rigtige tidspunkt. Endelig (i 1630) blev den færdig, denne bog - "Dialog om de to vigtigste systemer i verden - ptolemæisk og kopernikansk" , men udkom først i 1632. Bogen er skrevet i form af en dialog mellem tre elskere af videnskab: en kopernikaner, en neutral deltager og en tilhænger af Aristoteles og Ptolemæus. Selvom bogen ikke indeholder forfatterens konklusioner, taler styrken af argumenterne til fordel for det kopernikanske system for sig selv. Men i den neutrale deltager genkendte paven sig selv og sine argumenter og blev rasende. Inden for få måneder blev bogen forbudt og trukket tilbage fra salg, og Galileo blev indkaldt til Rom for at blive retsforfulgt af inkvisitionen på mistanke om kætteri. Efter den første afhøring blev han varetægtsfængslet. Der er en opfattelse af, at tortur blev brugt mod ham, at Galileo blev truet på livet, han blev forhørt i torturrummet, hvor forfærdelige redskaber blev lagt ud foran fangens øjne: lædertragte, gennem hvilke en enorm mængde vand blev hældt ind i en persons mave, jernstøvler (de blev skruet ind i benene på den torturerede person), tang brugt til at brække knogler...
Under alle omstændigheder stod han over for et valg: enten ville han omvende sig og give afkald på sine "vrangforestillinger", eller også ville han lide Giordano Brunos skæbne. Han kunne ikke holde truslerne ud og gav afkald på sit forfatterskab.
Men Galileo forblev en fange af inkvisitionen indtil sin død. Han var strengt forbudt at tale med nogen om Jordens bevægelse. Og alligevel arbejdede Galileo i al hemmelighed på et essay, hvori han hævdede sandheden om Jorden og himmellegemerne. Efter dommen blev Galileo bosat i en af Medici-villaerne, og fem måneder senere fik han lov til at tage hjem, og han slog sig ned i Arcetri, ved siden af det kloster, hvor hans døtre var. Her tilbragte han resten af sit liv i husarrest og under konstant overvågning af inkvisitionen.
Nogen tid senere, efter sin elskede datters død, mistede Galileo fuldstændigt synet, men fortsatte videnskabelig forskning, afhængig af sine trofaste elever, blandt hvilke Torricelli var. Kun én gang, kort før hans død, tillod inkvisitionen den blinde og alvorligt syge Galileo at forlade Arcetri og slå sig ned i Firenze til behandling. På samme tid, under smerte af fængsel, blev han forbudt at forlade huset og diskutere den "forbandede mening" om Jordens bevægelse.
Galileo Galilei døde den 8. januar 1642 i en alder af 78 år i sin seng. Han blev begravet i Arcetri uden hæder; paven tillod ham heller ikke at opføre et monument.
Senere blev Galileos eneste barnebarn også munk og brændte videnskabsmandens uvurderlige manuskripter, som han opbevarede som ugudelige. Han var den sidste repræsentant for den galilæiske familie.
Efterord
I 1737 blev Galileos aske, som han anmodede om, overført til basilikaen Santa Croce, hvor han den 17. marts højtideligt blev begravet ved siden af Michelangelo.
I 1835 blev bøger, der forsvarede heliocentrisme, fjernet fra listen over forbudte bøger.
Fra 1979 til 1981 arbejdede en kommission på initiativ af pave Johannes Paul II for at rehabilitere Galileo, og den 31. oktober 1992 indrømmede pave Johannes Paul II officielt, at inkvisitionen i 1633 begik en fejl ved kraftigt at tvinge videnskabsmanden til at give afkald på Kopernikansk teori.
Forord
Indbyggerne på internettet - og det er allerede omkring en tredjedel af menneskeheden - støder oftere på ordet "videnskab" end ordene "mor" eller "luft". Ikke underligt: alle bruger videnskabens frugter på internettet. Og hovedvidenskaben bag opfindelsen af internettet er fysik.
Hvis vi kalder videnskab alt, hvad der kan læres til en anden, så er dens stamtavle sammenflettet med menneskets stamtavle. Ifølge genetikere stammede alle moderne mennesker fra en kvinde, der levede for omkring to tusinde århundreder siden. Hun blev kaldt mitokondriel Eva - af årsager relateret til Bibelen og arvelighedens mekanisme. Genetiske fordele og held hjalp efterkommerne af denne formoder til at overleve alle ikke-hendes efterkommere og danne vores art - Homo Sapiens, det vil sige Homo sapiens. En af vores formors styrker var nok hendes nysgerrige sind.
I mange årtusinder erhvervede efterkommerne af den nysgerrige Eve Sapiens nyttig viden takket være lykkelige ulykker og gav den videre til nye generationer sammen med værktøjsfremstillingsteknikker, kulinariske opskrifter og andre skatte af folkevisdom.
Moderne videnskab fungerer helt anderledes, og den dukkede først for nylig op på skalaen af Homo sapiens tidsalder - for bare fire århundreder siden, under den store videnskabelige revolutions æra. Dens hovedpersoner er velkendte - Nicolaus Copernicus, Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton. Årsagerne til denne revolution og fraværet af dens ikke-europæiske analoger har stadig ingen overbevisende forklaring. Men den radikale karakter af det, der skete for fire århundreder siden, er klar, selv uden at løse denne gåde - udvidelsen og uddybningen af videnskabelig viden er accelereret hundrede gange.
Ifølge Einstein var Galileo "faderen til moderne fysik og faktisk til al moderne naturvidenskab."
"Idéernes drama" - sagde den samme Einstein om videnskabens historie. Videnskaben er kendetegnet ved sin evne til at lave nøjagtige forudsigelser, men dens vigtigste opdagelser er fuldstændig uforudsigelige, hvilket betyder menneskelig drama. Disse to dramaer flettes sammen ved vendepunkter i videnskabens liv. Vi vil tale om sådanne øjeblikke. Lad os starte med, hvordan Galileo opfandt moderne fysik.
Kapitel 1
Hvordan opfandt Galileo moderne fysik?
Med Arkimedes mod Aristoteles
Galileo kaldes undertiden den første fysiker. Sådan er det ikke, og han ville nok selv protestere. Han studerede Arkimedes omhyggeligt og ærede ham højt. Han var en rigtig fysiker. Arkimedes' berømte lov om flydende kroppe fungerer stadig i dag uden ændringer og er kendt af ethvert skolebarn. Da Galileo studerede på universitetet, blev en anden gammel græker æret som den første og vigtigste fysiker - Aristoteles, der levede et århundrede før Arkimedes og tyve århundreder før Galileo. Det var Arkimedes, der hjalp Galileo med at tvivle på Aristoteles' fysik.
Før vi forstår denne dramatiske trekant, lad os forstå forskellen. To tusinde år adskilte Galileo fra hans medforgængere, hvis konklusioner han accepterede eller bestridte. Og Galileos medfølgere tog hans konklusioner op - kontrollerede, præciserede, korrigerede, udviklede - næsten med det samme. Hvad opfandt han, hvis videnskabens tempo er accelereret så meget?
Galileo var i tvivl i sine studieår, tilbage i det sekstende århundrede, hvor fysik blev betragtet som en del af filosofien, hvor Aristoteles regerede. Arkimedes' værker var ikke inkluderet i læseplanen på det tidspunkt, og man kan forstå hvorfor: han løste kun individuelle problemer, mens Aristoteles gav generelle svar på hovedspørgsmålene. Derudover var Arkimedes dengang mærkeligt nok en nyhed - en bog med hans værker var blevet udgivet ikke længe før, men Aristoteles var i øvrigt blevet studeret på universiteter i århundreder med St. Thomas Aquinas velsignelse.
Aristoteles (fragment af en fresko af Raphael, 1509) og Archimedes (D. Fetty, 1620). Begge billeder kunne godt have været set af Galileo.
For den studerende Galileo lød generelle filosofiske svar ikke overbevisende, og navnenes autoritet gjorde ingen forskel. Matematik var meget mere overbevisende og interessant, selvom der var lidt af det i pensum. Den studerende begyndte at lede efter stof til eftertanke uden for uddannelsen og uden for universitetet. Og han fandt Arkimedes' bog, efter at have modtaget den fra en professionel matematiker, men i den samme bog fandt Galileo foruden smukke sætninger om matematiske figurer udsagn om virkelige fænomener - om virkningen af en løftestang, om tyngdepunktet , om svømning. Disse udsagn var ikke mindre overbevisende for deres matematiske nøjagtighed, og desuden kunne de verificeres eksperimentelt.
Galileo lavede sin første opfindelse under indtryk af Archimedes' mest berømte problem. Kongen stillede opgaven, da han modtog den bestilte guldkrone fra guldsmeden. Kongen var ganske tilfreds med produktets form, og kronen vejede så meget, som den skulle, men mon ikke guldsmeden erstattede noget af guldet med sølv? Med denne tvivl vendte kongen sig til Arkimedes. Ifølge legenden kom løsningen på problemet til den lærde mand, da han blev nedsænket i badet, og hans glade udråb af "Eureka!" er nu kendt selv for dem, der ikke ved, at det på græsk betyder "fundet!" Essensen af løsningen, der er fundet, ifølge Galileo, er at sammenligne kronen og en guldbarre med samme vægt som den, ved at placere dem på vægte nedsænket i vand: Hvis barren opvejer kronen i vand, betyder det, at guldsmeden har snydt.
Sådan fungerer Arkimedes' store lov, eller mere præcist, den arkimedeiske flydekraft, eller endnu mere præcist, forskellen i flydekræfter. Og for at måle en sådan forskel med præcision (og samtidig guldsmeders ærlighed) kom 22-årige Galileo med specielle skalaer med en skala i form af en tråd, jævnt viklet med ringe på vippearmens arm. Det sted, hvor du skal fastgøre vægten, så den er afbalanceret, vil give antallet af ringe og værdien af den målte værdi.
Ydmyg begyndelse for grundlæggeren af moderne fysik?
Ikke så beskedent. I sin opfindelse kombinerede Galileo den matematiske præcision af en teoretisk lov med en fysisk måling - ved at kombinere de to vigtigste værktøjer i moderne fysik.
Og dette kan næppe kaldes begyndelsen. Ikke kun fordi den unge Galileo allerede havde løst andre problemer med Archimedes. Begyndelsen af personligheden er dannelsen af et syn på verden og sig selv i barndommen. Unge Galileo var heldig at have en far, der var en dygtig musiker og musikteoretiker, som også studerede musik som et naturligt fænomen.
Selv Pythagoras i det antikke Grækenland lyttede til lyden af strenge afhængigt af deres længder og gjorde en forbløffende opdagelse: hvis længderne af strengene er relateret som heltal 1:2, 2:3, 3:4, så er deres kombinerede lyd harmonisk. Pythagoras generaliserede sin opdagelse til princippet "Alt er et tal", og proklamerede matematikkens nøglerolle i verdens struktur. Hvad angår musikalsk harmoni, blev det siden Pythagoræernes tid antaget, at "harmoniske" tal skulle være små. Galileos far stolede imidlertid på sine egne ører i vurderingen af konsonanser, og efter at have opdaget, at forholdet 16:25 også frembringer eufoni, afviste han dristigt den autoritative udtalelse. Og sønnen fik af sin far en lektion i at søge efter sandheden, hvor eksperimenter, matematik, tankefrihed og tillid til egne følelser og fornuft kom sammen.
Den fremtidige fysiker var heldig med sin far, ikke kun i denne henseende. Hans far betalte for hans uddannelse i håb om, at hans ældste søn ville blive læge og hjælpe ham med at forsørge deres store familie - musikerens indtjening var knap nok. Man kan forestille sig ærgrelsen af faderen, der lærte, at hans søn i stedet for medicinsk visdom dykkede ned i matematik, som ikke lovede noget praktisk erhverv og derfor pålidelig indkomst. Men før han traf en beslutning, talte faderen med matematikeren, der gav sin søn bøgerne. Matematikeren overbeviste ham om, at hans søn havde et talent, der fortjente støtte. Faderen lyttede til matematikerens argumenter og sønnens kald. Og sønnen retfærdiggjorde tilliden - efter sin fars død blev han familiens støtte og forherligede desuden deres familienavn.
Vejen til verdensberømmelse begyndte med tvivl og fiaskoer.
Tvivl opstod i hans studieår, da Galileo studerede Aristoteles. Ved første øjekast er Archimedes ikke sammenlignelig med Aristoteles, da han opnåede sine resultater for en snæver række af fænomener. Nå, hvad er loven om gearing?! Selv ordet "lov" lyder akavet her. Hvem forstår ikke, at belastningerne på vippen er afbalancerede, hvis produktet af størrelsen af belastningen på armen er det samme på begge sider?! Ja, ved hjælp af denne simple lov fandt Archimedes tyngdepunkterne for snedige figurer, der ræsonnerede matematisk. Men resultatet kan tjekkes ved at hænge figuren ved det teoretisk fundne tyngdepunkt og se, at den ikke bevæger sig. Dette er allerede fysik, og generelt betyder det matematisk fysik. Og dog, i den uendelige række af naturfænomener, studerede Archimedes kun nogle få. Han foregav ikke at forklare verdens struktur. Han lovede kun at vende verden, det vil sige kloden, hvis han fik det rette omdrejningspunkt og stærke løftestang.
Aristoteles begrænsede ikke sine ambitioner – han skrev om det jordiske og himmelske, om levende og livløse ting, om etik og politik og endelig om fysik og metafysik. Ordet "fysik" blev introduceret af Aristoteles selv, der stammer fra det græske ord "natur". Men ordet "metafysik" blev opfundet af udgiveren af Aristoteles' værker, der kalder bindet ud for "Fysik", Hvad " meta-fysik” og betyder på græsk. Faktisk taler Aristoteles der om Før-fysik, eller om første filosofi - om det mest generelle grundlag for enhver viden.
En sådan bredde er betagende. Men bredden kræver ikke dybde, som Aristoteles' fysik viser. I århundreder blev det betragtet som videnskabens højdepunkt. En af grundene til en sådan langsigtet autoritet er denne videnskabs overensstemmelse med hverdagens sunde fornuft. Aristoteles afviste for eksempel tanken om, at naturen er lavet af usynlige atomer, der bevæger sig og interagerer i tomhed – da ingen har set atomer, betyder det, at de ikke eksisterer, ligesom der ikke er nogen tomhed. Han udforskede faktisk ikke naturen, men bragte orden i dens beskrivelse, idet han stolede på sin sunde fornuft. Og jeg kom til den konklusion, at bevægelserne i himlen og på jorden er fundamentalt forskellige. I den himmelske verden er al bevægelse naturlig, evig og cirkulær. I den jordiske verden bestemmes voldelig bevægelse af magt, og den naturlige bevægelse vil helt sikkert ophøre før eller siden. Aristoteles mente, at kroppe i sagens natur er tunge eller lette: en tung krop bevæger sig naturligt nedad, og en let krop, som ild eller røg, bevæger sig naturligt opad. Det ser plausibelt ud, hvis man ikke ser særligt nøje på fysiske fænomener.
Galileo kiggede og brugte Arkimedes nøjagtige fysik som model. Og han henledte opmærksomheden på Aristoteles' udtalelse, som hævder at være nøjagtig: "En tungere krop falder hurtigere end en lettere krop med det samme antal gange, det er så mange gange tungere." Denne sætning gav Galileo et omdrejningspunkt, hvormed han vendte kursen i videnskabens historie og endda verdenshistorien.
Hvordan Galileo vendte historiens gang
Det var ikke svært at tilbagevise Aristoteles. Når man observerer faldet af kugler, der er ens i størrelse, men afviger i vægt, f.eks. ti gange, er det let at se, at faldtidspunktet ikke afviger med en faktor ti. Det ser ud til, at Galileo allerede i begyndelsen af sin tvivl gættede på, at faldets hastighed ikke var bestemt af selve tyngdekraftsforskellen. Spørgsmålet var: hvad bestemmer?
Vi skal også hylde Aristoteles, som ikke uden grund regnes for en af de største tænkere. Han var den første til at stille spørgsmålet. Så jeg vovede at foreslå, at et sådant spørgsmål kan besvares. Svaret var forkert, men der var allerede noget at bygge videre på. Galileo havde mistanke om ukorrektheden på ræsonnementets niveau. Hvis faldhastigheden er proportional med kroppens tyngdekraft, så hvis du deler kroppen i to dele mentalt eller faktisk og efterlader delene i umiddelbar nærhed, skal du forvente, at hver af delene vil falde langsommere end helheden. En absurd konklusion viser, at Aristoteles tager fejl, men det følger slet ikke heraf, at spørgsmålet i sig selv er rigtigt, at et bestemt svar er muligt på det. For at retfærdiggøre Aristoteles kan vi sige, at han talte om faldet af kroppe, der kun adskiller sig i tyngdekraften. Men snarere, han havde simpelthen ikke tid. For ham var kroppens fald kun et spørgsmål i en af de mange videnskaber, han studerede. Hans vigtigste resultater omfatter skabelsen af logik som en disciplin for tænkning. I løbet af hans studieår gik Galileo og alle videnskabsfolk fra den æra gennem hans logiske skole. Ser vi på Aristoteles fra vor tid, kan vi sige, at den magtfulde tænker klyngede sig for hårdt til sin "sunde fornuft", som sædvanligt baseret på sine egne livsobservationer. Og du kan komme videre ved ikke kun at stole på jorden under dine fødder, men også på luften under dine vinger, som fugle gør. Så kan du overvinde et ufremkommeligt, f.eks. meget sumpet, stykke jord. Galileo opfandt faktisk en sådan bevinget metode til støtte i søgen efter videnskabelig sandhed.
Portræt af Galileo Galilei. Kunstner Ottavio Leoni, 1624 G.
Galileos videnskabelige ambitioner var ikke ringere end Aristoteles, men han stræbte ikke så meget i bredden som i dybden og højden. Han hævdede ikke at beherske alle videnskaberne, men han mente, at der på grundlag af al universets fysik - både sublunar og supralunar - er visse generelle grundlæggende love, og han troede, at han kunne finde ud af loven om frit fald . Det tog årtiers forskning at finde ud af. Og det tog flere år at præsentere deres resultater overbevisende.
Hans vigtigste opdagelse var det i et vakuum falder alle legemer, uanset deres tyngdekraft, med samme hastighed, men denne hastighed bestemmes ikke af selve hastigheden, men af hastigheden for ændring af hastigheden, det vil sige acceleration. Hans resultater, skrev han, "er så nye og ved første øjekast så langt fra sandheden, at hvis [han] ikke havde fundet måder at oplyse dem på og gøre dem klarere end solen, ville han hellere tie om dem end at udtrykke dem. ”
Den vigtigste nyhed ligger i "tomheden". Ikke nok med det, ifølge Aristoteles, eksisterer og kan tomhed ikke eksistere, som han "beviste" på forskellige måder (for eksempel ved at sige, at "tomhed" er "intet", og intet fortjener nogen diskussion). Endnu vigtigere så Galileo aldrig tomhed - ikke i nogen af sine eksperimenter. Hvordan kunne han finde ud af noget om hende?!
Dette var sværere end blot at modbevise Aristoteles' gamle lov baseret på det åbenlyse resultat af direkte erfaring. Og Aristoteles stolede på beviser. Og Galileo vidste, at „de fleste mennesker, selv med et godt syn, ikke ser, hvad andre opdager gennem studier og observationer, og adskiller sandhed fra løgn og hvad der forbliver skjult for flertallet“.
Så skrev Galileo i sin sidste bog, klog på et halvt århundredes erfaring med videnskabelig tankegang og eksperimentering. Men da han, 25, begyndte sin forskning, håbede han på en simpel direkte test - en test ikke så meget af Aristoteles som af hans egen hypotese.
Inspireret af Arkimedes' fysik foreslog Galileo, at faldhastigheden, ligesom opdrift, ikke bestemmes af et legemes vægt, men af dets tæthed, det vil sige vægten af en enhedsvolumen. Hvis du tager to kugler af samme størrelse, lavet af træ og bly, og slipper dem fra dine hænder i vand, så vil trækuglen ikke kun falde langsommere end blykuglen, den vil begynde at stige. Hvad hvis du lader dem falde i luften? Det viste sig, at trækuglen først var lidt foran blykuglen, men så indhentede den tunge den og overhalede den. Galileo registrerede dette i sit manuskript "On Motion", som ... han ikke offentliggjorde - resultatet af hans eksperiment modbeviste både Aristoteles' lov og hans egen hypotese. Her skulle vi tænke.
Dette mærkelige håndskrevne resultat fik en berømt historiker til at sige, at Galileo slet ikke udførte et sådant eksperiment; det var angiveligt et retorisk virkemiddel. Men i vores tid blev eksperimentet gengivet, og resultatet faldt sammen med Galileev. Forklaringen var ikke fysisk, men fysiologisk. Hånden, der holder den tunge bold, klemmer den fastere end den anden hånd, der holder den lette, og hånden, der holder den tunge bold, tager lidt længere tid at slippe, når den modtager en kommando fra hovedet. Derfor begynder lyskuglen sit fald "lidt" tidligere.
Galileo kunne næppe have gættet om en sådan klodsethed af sine hænder; han tænkte på fysik. Jeg tænkte over det i ti år og indså, at det ikke ville være muligt at studere frit fald direkte – det sker for hurtigt. Hvis en bold falder fra en lille højde, har du ikke tid til at blinke med et øje, meget mindre måle den. Og falder bolden fra en stor højde, vil bolden få større hastighed, og derfor vil luftmodstanden stige. Enhver, der har holdt en ventilator i hænderne, ved: Jo hurtigere du vifter med den, jo sværere er det.
Galileo fandt på to måder at "sænke" frit fald på.
Den ene er at kaste bolde ned ad et skråplan. Jo mindre hældningsvinklen er, jo mere udvidet bevægelsen og jo lettere er den at studere. Men kan det at rulle ned kaldes et frit fald? Du kan kalde det hvad du vil. Vigtigere er det virkelige fysiske forhold. Jo glattere flyet er, jo friere er bevægelsen. Og jo større hældningsvinklen er, jo mere ligner bevægelsen et fald, og bliver til et regulært fald, når flyet bliver lodret. Ved at udføre sådanne eksperimenter med et skråplan blev Galileo først overbevist om, hvor forkert hans oprindelige hypotese var. Når alt kommer til alt, antog han, at ethvert legeme falder med en bestemt konstant hastighed, hvilket antyder, at hastighedsmålet er den tilbagelagte distance pr. tidsenhed. Det kunne han kun mene, fordi et almindeligt frit fald varer for kort. Ved at forlænge faldet i bevægelse langs et let skråplan er det lettere at bemærke, at kroppen i begyndelsen af bevægelsen bevæger sig langsommere end ved slutningen. Betyder det, at bevægelseshastigheden stiger?
Hvad er det overhovedet? hurtighed? I almindeligt sprog er dette - hastighed, hurtighed, og hvis endnu hurtigere, så kan vi sige lynets hastighed og endda øjeblikkelighed. Alle disse ord i dagligsproget er synonymer. Men i videnskabens sprog - for at dens udsagn er bestemt og for at teste dem eksperimentelt - er der brug for klart definerede ord - videnskabelige begreber. Et eksempel på klar definition af ord blev givet af matematik, men kun et eksempel: i matematik er der ingen tid, bevægelse, hastighed, tyngdekraft. For at sige dit nye ord i videnskab, er det ofte nødvendigt at introducere nye ord og begreber i videnskaben. Videnskabelige begreber manglede især, da Galileo begyndte moderne fysik. Han var nødt til at præcisere, at hastighed er ændringen i position pr. tidsenhed. Og acceleration er ændringen i hastighed per tidsenhed. Det må siges, at så var den nøjagtige måling af tid i sig selv et problem. Galileo vejede tid: han åbnede en vandstrøm i begyndelsen og lukkede den i slutningen af det målte interval og bestemte, hvor lang tid der var gået på vægten. Vægt var det mest præcise instrument dengang.
En anden måde at studere frit fald på blev født fra Galileo i kirken, men ikke i forbindelse med Evas fald. Under en gudstjeneste, hvor han så ud over præsten, opdagede han et fantastisk fænomen. En lysekrone hang ovenover og svajede - efter udkastets vilje - nu stærkere, nu svagere. Galileo sammenlignede varigheden af individuelle svingninger, målte tiden ved hans egen pulsslag, og fandt ud af, at en stor vibration af en lysekrone varede lige så længe som en lille. Det var her, hans forskning begyndte på pendulet, som er enhver vægt, der hænger på en tråd. Galileo observerede svingningerne af et pendul ved at ændre vægten, længden af strengen og den indledende afbøjning.
Da han observerede to penduler på én gang, bekræftede han overbevisende sin kirkelige iagttagelse. Hvis du tager to identiske pendler, afbøjer vægtene lidt i forskellige vinkler og slipper dem, så vil pendulerne svinge i tide, fuldstændig synkront: Perioden for den lille svingning er den samme som den store. Nå, "hvis du fra en eller anden bjælke sænker to snore af lige længde, fastgør en kugle bly til enden af den ene og en kugle bomuld til enden af den anden, bøjer begge lige meget og overlader dem så til sig selv"? Oscillationsperioden er igen den samme, selvom svingningsamplituden falder hurtigere for en let bold. I bevægelsen af lettere kroppe er mediets modstand mere mærkbar. Dette er tydeligt, hvis vi sammenligner bevægelser i luften og i vand: ”et marmoræg synker i vand hundrede gange hurtigere end et hønseæg; når den falder i luften fra en højde af tyve alen, er den knap fire fingre foran et hønseæg." Et penduls frie sving minder ikke meget om frit fald, men begge er bestemt af tyngdekraften. Og når svingningen af svingninger aftager, vil pendulets hastighed falde, og derfor vil rollen som mediets modstand falde.
Galileo opsummerede resultaterne af sine eksperimenter og ræsonnement i en ny naturlov: i vakuum falder alle kroppe frit med samme acceleration.
Nå, hvad med den berømte historie om, hvordan Galileo angiveligt tabte bolde fra det skæve tårn i Pisa? Og den videnskabelige offentlighed, der så dette, angiveligt umiddelbart efter den samtidige landing af forskellige bolde, anerkendte Galileos triumferende sejr over Aristoteles.
Dette er en legende. Der var ingen sådan triumf. Og forskellige bolde kunne ikke lande på samme tid på grund af luftmodstand. Og vores lærde kolleger beskyttede med få undtagelser Aristoteles' autoritet, som de havde lært som studerende og undervist til nye generationer. Det var afvisningen af hans ideer, der fik Galileo til, udover moderne fysik, også at engagere sig i populærvidenskabelig litteratur. Hans hovedbøger tager form af samtaler mellem tre karakterer. Den ene - Simplicio - repræsenterer synspunkter fra beundrere af Aristoteles. Den anden - Salviati - er en uafhængig forsker, der ligner Galileo. Og den tredje - Sagredo - ligner en fornuftig person, måske ikke sofistikeret i videnskaben, men klar til at lytte til begge modstandere og stille opklarende spørgsmål, før man beslutter sig for, hvem der har ret. Det var til sådanne læsere, Galileo skrev. For deres skyld skiftede han fra latin - den daværende lærdoms sprog - til det levende italienske sprog for at tale om idédramaet, han selv deltog i, om den blinde tillid hos dem, for hvem alt er klart, om tvivlens ånd i søgen efter sandhed og om metoderne til at etablere de sande naturlove.
Historien om det "skæve tårn" blev først fortalt af Galileos elev i en biografi skrevet et årti efter lærerens død og et halvt århundrede efter de påståede eksperimenter. Eleven var fysiker, ikke historiker, og da han kom til videnskaben, stod det allerede helt klart, hvem der havde ret. Han så ud til at se Galileos selvbiografiske beviser i hans litterære karakters ord:
Salviati. Aristoteles siger, at "en bold, der vejer 100 pund, falder fra en højde på 100 alen, vil nå jorden, før en bold på et pund har kørt en alen." Jeg påstår, at de kommer på samme tid. Når du laver eksperimentet, vil du se, at når den største når jorden, vil den mindre sakke bagud med to fingres bredde. Aristoteles' nioghalvfems alen kan ikke skjules bag disse to fingre.
Galileo selv påstod aldrig, at han tabte bolde fra det skæve tårn i Pisa. For ham var den nye lov om frit fald meget vigtigere end tilbagevisningen af den gamle. Og bevægelsen af bolde på et skråplan og små svingninger af penduler var meget mere overbevisende end spektakulære offentlige demonstrationer.
Den første moderne fysiker?
Øjeblikket er kommet for en læser som Sagredo, der har lykønsket Galileo med opdagelsen af en ny lov, til at spørge: hvordan er den så forskellig fra Archimedes' lov, og hvordan fortjente Galileo i virkeligheden titlen "moderne fysiks fader" ?
Fordelen ved Archimedes' lov er indlysende. Svømning er et praktisk vigtigt fænomen, men frit fald er et sjældent, kortvarigt og... fatalt fænomen. Hvem gider vide præcis, hvor mange sekunder det tager at falde fra taget til jorden?! Derudover giver Galileos lov kun en nøjagtig værdi for et fald i tomheden, som ingen så på det tidspunkt, og Galileo tog ikke højde for luftens indflydelse.
I forklaringen af Galileos bidrag siges det, at han grundlagde eksperimentel eller eksperimentel-matematisk videnskab, at han "matematiserede" naturen og opfandt den "hypotetisk-deduktive" metode. Alle disse udtalelser gælder imidlertid for Arkimedes, fra hvis bøger Galileo studerede, og som han kaldte "det mest guddommelige". Fysikeren Archimedes var også en stor matematiker og ingeniør-opfinder, og hypoteser og logisk deduktion fungerede som redskaber til at tænke selv før Arkimedes. Desuden var både Galileos eksperimenter og den matematik, han brugte, inden for grænserne af, hvad der var muligt med Archimedes.
Hvad gjorde Galileo til "den moderne fysiks fader", som Einstein udtrykte det, eller mere enkelt, den første moderne fysiker? Den læser, der gerne selv vil finde svaret på dette spørgsmål, bør reflektere over loven om frit fald i tomheden og tage højde for, at Galileo ikke udførte eksperimenter i tomhed - kun i luft og vand.
Efter Galileos død lærte hans elev Torricelli at skabe et (næsten fuldstændigt) tomrum, kaldet "Torricelli". For at gøre dette har du brug for et reagensglas, siger cirka en meter langt, fyldt med kviksølv. Ved at vende reagensglasset på hovedet og sænke dets åbne ende ned i en beholder med kviksølv opnår vi cirka 24 centimeters tomhed nær bunden af reagensglasset, som er i toppen (hvis lufttrykket er normalt - 760 mm Hg) . I en sådan tomhed falder et stykke fnug og en mønt nøjagtigt ens.
Tre århundreder senere, i 1971, blev et lignende billede set af millioner af tv-seere, da en deltager i Apollo 15-måneekspeditionen, astronauten Dave Scott, på deres tv-skærme, mens han var på Månens overflade, udløste en hammer og en fjer fra hans hænder, og de landede på månen på samme tid - helt i overensstemmelse med Galileos lov, da der ikke er luft der. Rapporten om dette måneeksperiment tog kun 40 sekunder:
Så i min venstre hånd har jeg en fjer, og i min højre hånd har jeg en hammer. En af grundene til, at vi kom hertil, skyldes en herre ved navn Galileo, som for længe siden gjorde en vigtig opdagelse om kroppes fald i gravitationsfelter. Vi troede, at det bedste sted at vise dig sin opdagelse ville være på Månen. Nu vil jeg slippe pennen og hammeren, og forhåbentlig når de overfladen på samme tid... Det var det!.. [bifald i Houston]<…>hvilket beviser, at hr. Galileo har ret.
Under bifaldet i Houston ville en videnskabshistoriker bemærke, at Galileo ikke havde noget begreb om "tyngdefelter", men blot talte om frit fald. Og at for fysikere blev Galileos lov fuldt ud bekræftet af små svingninger af pendulet, da deres periode ikke afhænger af, hvilken slags belastning der hænger på tråden.
Tomhed var den første vigtige" Ikke-visuelt" koncept i fysik. Så dukkede andre op - universel tyngdekraft, det elektromagnetiske felt, atomer, elektroner, lyskvanter... Ingen så eller rørte ved dem, men kun på basis af disse elskede begreber blev tekniske opfindelser mulige, der transformerede hverdagen. Og moderne fysikere bruger disse begreber lige så selvsikkert som de mest almindelige ord "bord" og "stol", "kærlighed" og "venskab".
Galileo fik hjælp til at opfinde fundamental fysik af sine naturlige talenter og tro på verdens kendte, på universets grundlæggende natur.
Nu hvor videnskaben og den teknologi, der er baseret på den, har opnået gigantiske succeser, synes verdens kendelighed indlysende, men før alle disse succeser - i det sekstende århundrede - var situationen en helt anden. På det tidspunkt var selve naturlovenes magt på ingen måde almindelig anerkendt. Omkring et halvt århundrede gik fra begyndelsen af Galileos tanker og hans første eksperimenter til offentliggørelsen af resultaterne af hans arbejde. Et halvt århundredes vedholdende søgen efter sandhed - og en så simpel lov, "a no brainer", som nutidens skolebørn vil sige.
Og Galileo mente, at "han kun åbnede vejen og metoderne til forskning, som vil blive brugt af mere indsigtsfulde hjerner til at trænge ind i de mere fjerntliggende områder af en stor og fremragende videnskab", og at "på denne måde kan viden dække alle områder af naturfænomener."
kapitel 2
Den første astrofysiker i universet
Galileos samtidige ville have været meget overrasket over at høre, at hans astronomiske opdagelser ikke blev nævnt i historien om hans vigtigste videnskabelige bedrift. Opdagelserne er virkelig store, men de blev ikke gjort af en astronom, men astrofysiker Galileo, den allerførste astrofysiker, og længe før dette ords fremkomst. Den anden var Newton. Og det ville være bedre at kalde deres medskyldige i den store videnskabelige revolution - Copernicus og Kepler astromatematikere, og langt fra den første: fra umindelige tider har astronomi støttet sig på matematik. Astronomen stræber efter præcist at beskrive, hvad der sker på stjernehimlen, og fysikeren ønsker at forklare, hvad der observeres af årsager, der er tilgængelige for eksperimentel forskning. Vi taler om to gensidigt frugtbare, men forskellige syn på verden, og hvert syn kan føre til succes i én situation og til forlegenhed i en anden.
Før vi taler om den første astrofysikers bemærkelsesværdige opdagelser og misforståelser, så lad os huske billedet af universet, som astronomer så det dengang.
Astronomiske malerier
Dette billede kom fra antikken og blev kaldt det ptolemæiske verdenssystem, opkaldt efter astronomen, der opsummerede datidens viden. I de bøger, Galileo studerede fra, blev dette billede af verden afbildet som et sæt koncentriske cirkler, hvor den mindste cirkel i midten repræsenterer Jorden. Dette system kaldes geocentrisk, fordi dets centrum er Gaia, som på græsk betyder Jorden. Fagfolk vidste selvfølgelig, at dette flade billede forsimplede Ptolemæus' tredimensionelle design, som ikke engang var helt geocentrisk: Jorden er ikke i centrum, men i en vis afstand fra den. Omkring det tomme centrum er der otte koncentriske himmelsfærer. På den ydre sfære er der utallige fiksstjerner, og på resten er der stjerner individuelt. vandrer, på græsk planeter: Merkur, Venus, Mars, Jupiter og Saturn, og to lyskilder - Solen og Månen. Hver af kuglerne roterer rundt om sin akse med sin egen hastighed. Kuglen af fiksstjerner roterer som en helhed og laver præcis én omdrejning om dagen. Og planeterne bevæger sig på en mere snedig måde - hver er fikseret på en bestemt lille kugle kaldet en "epicykel" med et center knyttet til sin store himmelkugle. Så hver planet deltager i to rotationer på én gang. Alle store og små kugler er helt gennemsigtige og forstyrrer på en eller anden måde ikke hinanden.
Årsagerne til disse snedige arrangementer og rotationer blev erstattet af en henvisning til Aristoteles, ifølge hvem himmelfænomener er fundamentalt forskellige fra jordiske: På himlen er alt lavet af et særligt himmelsk materiale - æter, og alle himmelbevægelser er cirkulære. Og den eneste superårsag til hele den himmelske struktur blev erklæret at være dens Skaber.
Hvordan genkendte folk denne enhed, og svarer den til virkeligheden? Hertil ville en astronom fra det sekstende århundrede have reageret ved at henvise til Ptolemæus' guddommelige geni og evnen til ved hjælp af hans system at beregne himmellegemernes position på ethvert givet tidspunkt. Til sådanne beregninger var der imidlertid hverken brug for æter eller Gud; det var nok kun at kende planeternes position på et givet tidspunkt, himmelkuglernes radier og rotationshastigheder. Sådan forudsagde de sol- og måneformørkelser og forklarede planeternes mærkelige retrograde bevægelser, når planeten stopper og bevæger sig i den modsatte retning.
Ptolemæus' system tjente astronomerne godt i mange århundreder, før Copernicus i midten af det sekstende århundrede vendte det på hovedet, efter det store flertal af hans kollegers mening, eller på hovedet, som meget få troede. Copernicus spurgte i det væsentlige, hvordan stjernehimlen ville se ud, set fra Solen. Og han svarede med det heliocentriske system og beskrev bevægelserne på himlen lige så fuldstændigt som det ptolemæiske system. Copernicus brugte den samme beskrivelsesmetode - store og små himmelsfærer, kun han placerede Solen i centrum, ikke Jorden. Billedet af himmelbevægelser ændrede sig radikalt: selve fiksstjernesfæren blev ubevægelig, Jorden roterede rundt om sin akse og rundt om Solen og blev en af de planeter, der også roterede rundt om Solen. Kun Månen forblev i sin tidligere rolle – den kredsede også om Jorden. Og billedet af himlen observeret fra Jorden forblev selvfølgelig det samme. Kun astronomer forstod, at dette faktisk observerede billede blev beregnet af to forskellige matematiske teorier.
Det kopernikanske system er så forskelligt fra det ptolemæiske system, at den meget originale idé virker uforståelig: at se på universet fra et solsynspunkt. Det ser ud til, at Copernicus blev hjulpet af sin humanitære uddannelse. Han kendte det antikke græske sprog perfekt, og Ptolemæus' værk var for ham blot en af de gamle bøger. Fra andre bøger kendte han til den antikke græske Aristarchos fra Samos, som var i stand til at kvantificere Solens størrelse, meget større end Jordens størrelse, og foreslog, at Jorden kredser om Solen - en lille omkring en stor. en. For Ptolemæus, ligesom andre gamle astronomer, opvejede dette argument ikke Jordens åbenlyse ubevægelighed, og han overvejede ikke engang den heliocentriske idé. Hvorfor og hvordan Copernicus besluttede at udforske denne idé, hvorfor hans intuition steg til så mærkelige højder, forklarede han ikke selv. Hvad der er klart er, at han i den store Ptolemæus så en kollega og ikke et ufejlbarligt geni.
For at udforske den heliocentriske idé, måtte Copernicus gøre en masse arbejde: beskrive designet af det heliocentriske system i detaljer, så positionen af enhver planet kunne beregnes. Han trak adskillige bemærkelsesværdige konsekvenser af sit system: Planeterne holdt op med at "bakke tilbage", banerne var næsten cirkulære, og omdrejningsperioderne blev længere jo længere væk fra Solen. Efter at have afsluttet mange års arbejde, forsinkede han udgivelsen i lang tid. De astronomiske fordele - først og fremmest fraværet af planeternes retrograde bevægelser - blev ikke givet forgæves: I det kopernikanske system bevæger Jorden sig sammen med dens indbyggere med enorm hastighed - tusindvis af kilometer i timen. Prisen var for høj for dem, der kun var interesserede i himlen til morgendagens vejr: hvordan kan du skynde dig med sådan en vanvittig hastighed uden at bemærke det?! Prisen var også for høj for uddannede mennesker, der ikke ønskede at forbedre deres uddannelse.
Der var dog andre.
Den første, der bliver navngivet, er Tycho Brahe, som fik titlen "King of Astronomers" for antallet og nøjagtigheden af sine observationer. Han accepterede det kopernikanske system og... tog et skridt i den modsatte retning, hvilket ikke på nogen måde påvirkede beregninger og observationer, men annullerede Jordens hastighed. Han foreslog at se på verden fra Jorden i det kopernikanske system. Så er Jorden igen universets ubevægelige centrum, og Solen roterer, som alle de andre planeter kredser om. Det var et heliocentrisk system fra et geocentrisk synspunkt. Astronom-observatøren var ikke flov over, at noget meget større i størrelse drejede rundt om Jorden. Ligesom den Almægtige skabte universet, så roterer det. Hvis Copernican-systemet uærbødigt sammenlignes med en oprullet legetøjsbil, så kan vi sige, at Tycho Brahe holdt den opviklede bil ved hjulet i luften: hjulet bevægede sig ikke, men bilen roterede rundt om den. Det er akavet, men det er det samme legetøj.
Ptolemæus' geocentriske system, Copernicus' heliocentriske system og Tycho Brahes geoheliocentriske system.
For astromatematikeren Kepler opvejede den matematiske harmoni i det kopernikanske system alle jordiske problemer. Og for astrofysikeren Galileo var det mest interessante spørgsmål netop det jordiske spørgsmål: hvorfor er planetarisk bevægelse umærkelig? Gennem begges indsats udvidedes og uddybes indholdet af Copernicus’ verdensbillede. Og et uventet "biprodukt" af dette var fødslen af moderne videnskab. Derfor betragtes Copernicus' arbejde som begyndelsen på den videnskabelige revolution.
Deltagerne i denne revolution, set fra vores oplyste fremtid, adskilte ikke deres nederlag fra deres sejre, som digteren Pasternak anbefalede. Og de gjorde det rigtige. I videnskabens historie er menneskeliv normalt ikke nok til klart at skelne nederlag fra sejr. Og vigtigst af alt, i moderne videnskab, som fysikeren Einstein forklarede, ved sindet, der frit tager afsted fra faktas solide grund, ikke på forhånd, hvordan flyvningen vil ende, og om den bliver nødt til at lette igen, i en anden retning.
Keplers heliocentriske kop med seks planeter.
Den første bog af den 25-årige Kepler, "Det kosmografiske mysterium" (1596), blev den første udgivelse til forsvar for det kopernikanske system, hvor Kepler kun så det første skridt mod at forklare billedet af kosmos. Han var sikker på, at han havde taget det næste skridt – han forklarede antallet af planeter som seks. Forklaret ved hjælp af præcis og smuk matematik. Selv gamle matematikere vidste, at der kun er fem regulære polyedre(hvis alle sider er lige). Kepler bemærkede, at hvis disse fem polyedre er arrangeret i en matryoshka-dukke, så hver rører to sfærer - med sine kanter rører den den indskrevne sfære, og med sine spidser - den omskrevne, så får du præcis seks sfærer. Seks planetsfærer! Det eneste, der var tilbage, var at vælge den krævede rækkefølge af polyedre, så sfærernes størrelse faldt sammen med de observerede. Og det lykkedes, hvilket overbeviste ham om, at hans gæt var korrekt. Han tillod derfor ikke tanken om, at mindst en planet mere ville blive opdaget, sandsynligvis baseret på det faktum, at alle seks planeter har været kendt siden umindelige tider.
Kepler sendte sin bog til Galileo. Han svarede med brev og støttede fuldt ud heliocentrisme:
Ligesom dig har jeg for længe siden accepteret Copernicus' ideer og opdagede på grundlag af deres årsager til naturfænomener, der er uforklarlige af nuværende teorier. Jeg har skrevet mange begrundelser og gendrivelser ned, men har endnu ikke besluttet at offentliggøre dem, af frygt for Copernicus, vores lærers skæbne, som opnåede udødelig berømmelse blandt nogle få og blev latterliggjort af skarer af tåber.
I Jordens bevægelse så Galileo ikke kun et problem, men også en mulighed for at forklare et velkendt og mystisk fænomen - havvande. Han fandt sporet ved at observere en pram, der transporterede (fersk) vand. Han bemærkede, at når en pram accelererer eller bremser, stiger vandet ved tankens bag- eller forvæg, og hvis prammen flyder med konstant hastighed, ser vandet i tanken nøjagtigt det samme ud som på prammen, stationært. For at sammenligne en pram med Jorden og vand i en beholder med havet, skal du være en modig fysiker, der tror på universets loves enhed. Galileo var bare sådan, hvilket i sig selv dog ikke garanterede succes for hver sindeflugt.
Sammenligningen af prammen med Jorden var begyndelsen på hans vej til det store relativitetsprincip og inertiloven, som befriede det kopernikanske system fra dets største vanskelighed. Hvis vandet i tanken "ikke bemærker" prammens konstante hastighed, så er dette sandt ved enhver hastighed, endda tusindvis af kilometer i timen, og denne hastighed kan ikke detekteres på nogen anden intern måde - ved at udføre eksperimenter på pram i en kahyt med lukkede vinduer. Således blev det største fysiske problem med det kopernikanske system fordrevet: i jordisk erfaring er Jordens astronomiske hastighed ikke mærkbar.
Og ved at ændre hastigheden på den "store pram" - jordens overflade - påtog Galileo sig at forklare havvande. Denne ændring - acceleration og deceleration - opstår på grund af det faktum, at Jordens rotationshastigheder omkring Solen og omkring dens akse lægges til på Jordens natside, men trækkes fra på dagsiden.
Galileo betragtede denne forklaring af tidevandet som et vigtigt argument til fordel for Copernicus, men han var aldrig i stand til at omdanne sin idé til en reel teori. Han indså aldrig, at hans plan var en vildfarelse. Kun fyrre år efter sin død ville Newton opdage den sande årsag til tidevandet - månens tyngdekraft. Tilføjet til dette idédrama er historiens ironi. Faktum er, at Galileo hørte mere end én gang om en mulig forbindelse mellem Månen og tidevandet, men han afviste kategorisk en sådan mulighed:
Blandt de store mennesker, der diskuterede tidevandet, overrasker Kepler mig mere end nogen anden, udstyret med et frit og skarpt sind, godt klar over de bevægelser, der tilskrives Jorden, men indrømmer Månens særlige kraft over vand, hemmelige egenskaber og lignende barnlighed.
Astrofysik, astronomi og astrologi
Når man læser Kepler med nutidens øjne, er det let at blive overrasket over både Galileos hårde ord og det faktum, at forklaringen på tidevandet tilskrives Newton. Når alt kommer til alt skrev Kepler allerede: "Månen, der er over havet, tiltrækker vand fra alle sider, og kysterne er blotlagte," og det ser ud til, at dette er et resumé af den nuværende teori om tidevand. Vi skal imidlertid forstå afstanden mellem et dagligdags ord og et videnskabeligt begreb, der betegnes med det samme ord. På Galileos tid havde ordet "tiltrækning", som det blev brugt af Kepler til at forklare planetsystemet, og ordet "tyngdekraften" som årsagen til kroppens fald kun en grammatisk rod til fælles, og ikke den fysiske natur af de fænomener, de betegnede. Den generelle fysiske natur af disse to fænomener - himmelske og jordiske - vil blive fastslået af Newton i loven om universel gravitation. Og i Keplers forklaring så Galileo kun ord, uden nogen antydning af kvantitativ vurdering og verifikation: hvor længe præcist vandet vil stige mod månen, og kysterne vil blive blotlagt - en tomme eller en mil?
Som et resultat af sin forskning lærte Galileo mere om tyngdekraftens fysik end nogen af sine samtidige, og han indså, at Kepler ikke ville besvare et sådant spørgsmål. Ved at forbinde havets ebbe og flod med havbundens accelererede og langsomme bevægelse, kunne Galileo heller ikke endnu kvantificere tidevandet, men i det mindste kunne han lede efter svaret ved at lave eksperimenter med vand i et fartøj og ændre formen på fartøj og accelerationens størrelse. Men Keplers ord gav kun en slags "kunstnerisk" beskrivelse af observationerne.
Galileo vidste også godt, at forbindelsen mellem Månens position og tidevandet var blevet talt om længe før Kepler. Selv i den gamle afhandling af Ptolemæus om astrologi det siges om Månens indflydelse på hele den jordiske verden: på levende og livløse kroppe, floder og have, planter og dyr.
Moderne forfattere, efter at have bebrejdet Galileo, at de ikke lagde mærke til det "sunde korn" i Keplers beskrivelser, retfærdiggør straks denne "blindhed" med Galileos modvilje mod astrologiens "pseudovidenskab". Det er forkert. Både Kepler og Galileo var professionelle astrologer, der tegnede horoskoper både for kunder og deres kære. Så var det en almindelig praksis for astronomer og læger, ikke pseudovidenskab, men snarere en kunst. Og det havde lidt til fælles med den nuværende astrologi "for masserne", når hundredvis af millioner af "Stenbukken" får universelle anbefalinger om, hvordan man undgår fiaskoer og opnår succes.
I Galileos tid - Kepler, for at give prognoser og anbefalinger, blev der udarbejdet et horoskop for et givet øjeblik i tid og sted - for eksempel for tid og sted for en given persons fødsel. Et horoskop er placeringen af buen af fiksstjerner og syv bevægelige stjerner - planeter. Det er klart, at sådanne data blev leveret af videnskaben om astronomi. Og astrologi, som kom fra dybet af århundreder, gav hver planet og hver konstellation af stjernetegn dens indflydelse. For at sætte alle disse påvirkninger ind i en forudsigelse, stolede astrologen - bevidst eller ubevidst - ud over astronomiske data på sin forståelse af "patientens" jordiske forhold og på sin fantasi, kort sagt på sin astrologiske kunst.
Men troede Galileo og hans andre astronomer virkelig, at denne "kunst" havde noget med virkeligheden at gøre?! Lad os tage deres plads. Fra den store Ptolemæus modtog de en dobbelt arv: en afhandling om astronomi (Almagest) og en afhandling om astrologi (Tetrabiblos). Ptolemæus' astronomiske teori blev bekræftet af observationer i mange århundreder, og Copernicus' teori overgik den ikke i nøjagtighed. Det er næsten umuligt at bekræfte astrologi med observationer. En astrologisk prognose er altid probabilistisk og taler om en unik situation. Derfor, hvis en eller anden prognose ikke gik i opfyldelse, er det lettere at tvivle på en given astrologs kunst end astrologien selv. Helbredelseskunsten ligner hinanden: en given læge, der er afhængig af medicinsk viden, helbreder muligvis ikke en given patient, men dette ophæver ikke selve medicinen og vil ikke nødvendigvis engang underminere lægens omdømme. I øvrigt skulle en læge på Galileos tid være i stand til at lave et horoskop for en patient for at kunne vurdere udsigterne til den påtænkte behandling. Og lægen vidste, at der var kræfter højere end hans lægekunst og højere end astrologi.
Hovedsøjlen i astrologi var folks, især de velhavendes, ønske om at øge deres chancer for succes i livet. Og dette understøttede fuldstændig økonomisk astronomiske observationer af stjerner og planeter. Fremkomsten af den kopernikanske model førte til konkurrence mellem to teoretiske beskrivelser af den samme observerbare astronomiske virkelighed. Nederlaget for Ptolemæus' astronomi underminerede også hans astrologis autoritet.
Den første astrofysiker viste sig at være den sidste astrolog blandt astronomer. Galileo, i modsætning til Kepler, syntes ved slutningen af sit liv at have formået at udelukke astrologi fra sit verdensbillede. Det er dog ikke det, der adskilte deres tilgange til naturfænomener. Efter Keplers død bemærkede Galileo i et brev: "Jeg har altid værdsat Keplers sind - skarpt og frit, måske endda for frit, men vores måder at tænke på er helt anderledes."
For frit sind?! Hvad betyder det? Det er forskellige måder at tænke på for en astrofysiker og en astromatematiker. Lad os huske Keplers løsning på det "kosmografiske mysterium" ved hjælp af almindelige polyedre. Galileo accepterede ikke denne løsning. Hvorfor polyedre og hvorfor i denne rækkefølge? Hvis vi overvejer, at fem polyedre giver 120 mulige kombinationer, så er nærheden af radierne af indskrevne og omskrevne kugler - i en af disse kombinationer - til de observerede baner ikke længere så slående.
Galileo søgte ikke at beskrive universet med en smuk formel, han ledte efter grundlæggende fysiske love, der bestemmer universets struktur og mangfoldigheden af dets former. Til sådan en søgning er den astronomiske himmel, som er unikt struktureret, ikke det bedste laboratorium for en forsker. Der kan du ikke ændre betingelserne for at udføre eksperimentelle observationer; i bedste fald kan du vente på, at disse forhold ændrer sig selv. I et jordisk laboratorium er der meget mere frihed til at opstille eksperimenter og afprøve teoretiske ideer.
Selvfølgelig har stjernehimlen - med dens bestandighed og cykliske ændringer - inspireret søgen efter mønstre siden oldtiden. Det var en skøn problembog, hvor alle problemerne havde stjerner. I dette tilfælde blev en vigtig rolle spillet af astromatematikere, som stillede problemer med matematisk sikkerhed på trods af alle de fysiske usikkerheder og usandsynligheder. Copernicus stillede med sit heliocentriske system problemet med at vælge mellem to verdenssystemer. Fysikeren Galileo påtog sig denne opgave. Ved fysisk at underbygge det nye astro-matematiske billede reducerede han det komplekse kopernikanske system til faktisk det enkleste system af to legemer - meget store og små, hvor den lille krop bevæger sig ensartet i en perfekt cirkulær bane omkring den store (planeten omkring Solen, Månen rundt om Jorden). Dette var, kan man sige, Galileos model af solsystemet.
Denne forenkling undrer mange og virker næsten som en tilbagevenden af Galileo til tiden før Ptolemæus, hvor man troede, at alle himmelbevægelser var rent cirkulære og ensartede. Både Ptolemæus og Kopernikus havde trods alt planetbaner, der ikke var cirkulære: begge systemer brugte yderligere små sfærer - epicykler - til at beskrive planeternes bevægelse. Det er især foruroligende, at Galileo ignorerede Keplers vigtigste opdagelse, som han gik over i historien - de tre elegante love for planetariske bevægelser, baseret på talrige og meget nøjagtige observationer foretaget af Tycho Brahe og hans assistenter.
På udkig efter harmoni i planetariske bevægelser stolede Kepler på den samme astro-matematiske måde at tænke på, hvormed han "optrevlede" det kosmografiske mysterium om planeternes placering i sin ungdom. I mange astronomiske observationer ledte Kepler efter det, han troede, var universets matematiske harmoni gemt der. Men hvis den første hemmelighed, som viste sig at være et fatamorgana, blev "afsløret" af 25-årige Kepler med et inspireret hurtigt angreb, så tog det mange år at søge efter Keplers tre love.
Foran ham var lange kolonner af tal - omfattende data fra astronomiske observationer, og han søgte utrætteligt efter et matematisk mønster bag disse tørre tal. Han vidste, at baner er ovale, men i matematik er der forskellige ovaler. Otte års hypoteser og test førte ham til den konklusion, at banens form er en ellipse. En cirkel beskrives med et tal - afstanden fra dens punkter til centrum, og en ellipse - med to: afstanden mellem to brændpunkter og en konstant sum af afstande fra dens punkter til brændpunkterne. Jo mindre afstanden er mellem brændpunkterne, jo tættere er ellipsen på en cirkel. Dette er let at forstå, hvis du tegner en cirkel ikke med et kompas, men ved at binde ledningen i begge ender til et søm på flyet, trækker du den resulterende løkke med en blyant og tegner en linje. En ellipse opnås, hvis du tegner en streg ved at binde en snor til to forskellige negle.
Keplers første to love siger, at banen er en ellipse, hvor et af fokuspunkterne er Solen, og at jo tættere planeten er på Solen, jo større er dens hastighed. I 1609 udgav Kepler disse love i bogen "New Astronomy" og sendte den til Galileo. Han svarede ikke et ord.
Hvad betyder det? Faktisk, i modsætning til de "kosmografiske" polyedre, gættet i seks tal, er Keplers nye mønstre baseret på datidens mest omfattende og nøjagtige observationer. Og beviste den opdagede matematiske elegance ikke rigtigheden af Copernicus' solidé? Baner er jo kun elliptiske, hvis man ser på planeterne fra et solsynspunkt.
Galileos tekster giver ikke direkte svar på disse spørgsmål. Et svar kan foreslås baseret på hans ord om hans og Keplers "meget forskellige måder at tænke på."
Galileo kendte og værdsatte ikke kun matematik, han troede på videnskaben
skrevet i Universets store bog - en bog, der konstant er åben for vores blik, men den kan kun forstås af dem, der lærer at forstå dens sprog. Denne bog er skrevet på matematikkens sprog, og dens bogstaver er trekanter, cirkler og andre geometriske figurer, uden hvis hjælp en person ikke ville forstå et ord i den, vandrer i mørket gennem labyrinten.
Men i matematik så Galileo kun et instrument til viden. Han forsøgte at forstå indhold bøger om universet, og først og fremmest finde ud af, hvilket grundlag universet står på. Dette kræver ikke, at matematik er elegance eller sofistikeret, men snarere for at hjælpe med at opfinde fysiske begreber og udføre imaginære eksperimenter.
Einstein: "Galileo er faderen til moderne fysik og faktisk til al moderne naturvidenskab." "Alt skal gøres så enkelt som muligt, men ikke enklere, end det burde være." "Herren er subtil, men ikke ondsindet."
Selvfølgelig vidste Galileo, at nogle planetariske baner ikke er cirkulære. Men han vidste også, at de andre nærmest var cirkulære. Dette betyder, at for at studere det fysiske grundlag for astronomi er en cirkulær bane en rimelig forenkling. Ligeledes i sin søgen efter loven om frit fald forenklede Galileo situationen ved at eliminere luftmodstanden. Einsteins bud handler om dette: "Alt skal gøres så enkelt som muligt, men ikke enklere, end det burde være." Sådan tænker fysikere.
Ja, med denne metode og hans model for planetarisk bevægelse lykkedes det ikke Galileo at skabe en teori om tidevand – fænomenet viste sig at være længere fra fundamentet, end han troede. Men denne kreative fiasko betalte sig med forskningens "biprodukter" - relativitetsprincippet og nøglebegrebet acceleration.
Fødslen af eksperimentel astrofysik
Efter at have sendt sin "nye astronomi" til Galileo i 1609, havde Kepler ikke tid til at blive fornærmet over sin italienske kollegas tavshed. I foråret 1610 lærte han fantastiske nyheder:
Nyheden kom til Tyskland, at du, min Galileo, i stedet for at læse en andens bog, tog dit eget og mest utrolige indhold op - om fire hidtil ukendte planeter fundet ved hjælp af to brilleglas, at denne bog allerede er på tryk og vil kom med de næste budbringere. Nyheden overraskede mig så meget, at jeg næsten ikke kunne falde til ro. Faktisk, i min bog "The Cosmographic Mystery", udgivet for tretten år siden, tillader fem regulære polyedre ikke mere end seks planeter omkring Solen. Men hvis der er en måne, der ikke er en af disse seks, der kredser om Jorden, hvorfor kan der så ikke være måner omkring Jupiter? Og hvis fire planeter har været skjult indtil nu, kan vi så forvente opdagelsen af mange nye?
Til venstre er planetens baner, set fra det jordiske synspunkt (med sløjfer af retrograd bevægelse) og solenergi (Keplers første lov). Til højre ses Galileos fysiske model
I foråret 1610 eksisterede udtrykket "satellit" endnu ikke, og der var ikke behov for det, mens Månen var enestående. I bogen "Starry Messenger", udgivet i marts, kaldte Galileo de "planeter", han opdagede, simpelthen stjerner, som de så ud for hans øje, bevæbnet med to brilleglas placeret på en usædvanlig måde.
Efter at have modtaget denne bog, erfarede Kepler, at Galileo i løbet af få uger, ud over Jupiters fire måner, opdagede flere flere fantastiske fakta. På det nærmeste astronomiske objekt - Månen - opdagede han bjerge og lavninger, og de fjerneste - "faste" - stjerner viste sig at være mange flere end antaget. Nogle astronomiske objekter, tværtimod, forsvandt, eller rettere, transformeret: tåger, inklusive den største - Mælkevejen, dukkede op som enorme samlinger af stjerner.
Alle disse opdagelser blev de første resultater af eksperimentel astrofysik - astronomiske fakta opnået ved hjælp af en fysisk enhed - et teleskop.
For Galileo var det en skæbnegave, eller en lykkelig ulykke eller en gave fra Himlen – alt efter hvordan man ser på verden. Hvis man ser gennem en historikers øjne, så er gaven velfortjent - for forskerens hårde arbejde.
Selve teleskopet blev opfundet langt fra Italien – i Holland. Og det blev ikke opfundet af fysikere, men af brillespecialister. Af en eller anden ukendt årsag eller fordi der ikke var noget at gøre, så de gennem to linser, placeret på den forkerte måde, men den ene efter den anden - konveks efter konkav, så de, at fjerne objekter mærkbart havde nærmet sig. Opfindelsen fandt straks vigtige anvendelser. For eksempel at opdage fjendens tilgang på forhånd for at forberede sig til mødet. Eller bare tilfredsstil din nysgerrighed ved at spionere på afstand for at se, hvem der gør hvad.
Galileos nysgerrighed var rettet ikke så meget til siderne - til jordiske anliggender - som opad. Derfor, efter at have lært om den nyeste opfindelse i de mest generelle vendinger, lavede Galileo selv adskillige rør, øgede forstørrelsen til tredive gange og pegede enheden mod himlen, på objekter fjernt, men tæt på hans tanker. Sådan blev teleskopet til.
Det første han gjorde var at opdage og skitsere Månens bjergrige landskaber. Så var han heldig at opdage helt ukendte små stjerner nær Jupiter, og næste nat bemærkede han, at disse stjerners position havde ændret sig. Et sådant held krævede selvfølgelig at kende stjernehimlen som sin egen bukselomme samt ekstraordinær opmærksomhed. Ved at fortsætte sine observationer opdagede Galileo, at de nye stjerner forblev i nærheden af Jupiters "vandrende stjerne" hele tiden, og at deres positioner i forhold til Jupiter blev gentaget med jævne mellemrum. Det mindede om Månens bevægelse rundt om Jorden. Galileo indså, at han havde opdaget fire "måner" af Jupiter, og fuldendte sin opdagelse ved at måle deres omløbsperioder.
Således dukkede et nyt og klart argument op til støtte for Copernicus' hovedidé: små kredser om et stort himmellegeme - Jupiter, som planeter omkring Solen og som Månen omkring Jorden. Galileo og Kepler havde allerede nok tillid til, at Copernicus havde ret, men for andre astronomer, og endnu mere for Ikke For astronomer kunne en sådan klarhed allerede opveje Ptolemæus' bogautoritet. Hvis du selvfølgelig ser med åbne øjne. Og dette var ikke så let, som det kan ses af Galileos brev seks måneder efter udgivelsen af Starry Messenger:
Lad os le, min Kepler, af menneskets store dumhed. De lokale videnskabsmænd kiggede aldrig på planeterne, Månen eller teleskopet på trods af mine tusinde gange invitationer. For dem er fysik en slags bog, hvor man skal lede efter sandheden – ikke i naturen, men ved at sammenligne tekster. Hvor ville du grine af at lytte til den første lokale filosof, som prøvede sit bedste for at fjerne nye planeter fra himlen med logiske argumenter, som magiske besværgelser!
Her er argumenterne, for eksempel givet af en vis filosofisk astronom:
Der er syv vinduer i dyrets hoved, hvorigennem luft tilføres det kropslige mikrokosmos for at oplyse, varme og nære det: to næsebor, to øjne, to ører og en mund. Ligeledes er der i det himmelske makrokosmos to gunstige stjerner, to ugunstige, to lyskilder og Merkur - vage og ligegyldige. Herfra og fra mange andre lignende arrangementer af naturen, såsom de syv metaller osv., som er kedelige at nævne, forstår vi, at der er præcis syv planeter. Desuden er disse Jupiters satellitter usynlige for det blotte øje og kan derfor ikke have indflydelse på jorden, derfor er de ubrugelige og eksisterer derfor ikke. Derudover inddelte jøderne og andre gamle folk ligesom moderne europæere ugen i syv dage, opkaldt efter navnene på de syv planeter. Så hvis vi øger antallet af planeter, vil hele dette holistiske og smukke system kollapse.
Galileo havde intet at sige til dette. Og han havde ikke tid til at grine blandt lignende astronomer, der, da de så det uoverbevisende i deres argumenter og ikke ville skille sig af med det, de havde lært i deres ungdom, ledte efter teologiske mangler i det nye verdensbillede. Hvem søger vil altid finde. Og de fandt linjer i Bibelen, der, hvis de tages bogstaveligt, talte om jordens ubevægelighed. Dette er blevet et formidabelt våben i hænderne på dem, der ikke ønsker at søge sandheden i naturen. Lærde mænd anklagede Galileo og Copernicus for at modsige de hellige skrifter og appellerede til kirkens myndigheder.
Galileo besluttede at komme sine modstandere foran og i 1611 tog han selv til Rom og tog et teleskop med sig. Han havde grund til at tro på styrken af sine argumenter og overbevisningsevnen i sine astronomiske opdagelser: få måneder efter udgivelsen af Starry Messenger modtog han den ærefulde og højt betalte stilling som chefvidenskabsmand ved hertugen af Medicis hof, herskeren af Firenze.
I Rom blev han hædret af Accademia dei Lancei (Lynx-Eyed Academy), et af de første videnskabelige selskaber, der blev skabt flere år tidligere af elskere og mæcener af videnskab. Galileo tog imod invitationen til at melde sig ind i dette samfund og skrev efterfølgende sine bøger med fokus på læsere som medlemmerne af dette akademi - ikke hævdede at være professionelle inden for astronomi eller fysik, men med åbne øjne og ser med stor interesse på nye videnskabelige ideer og fakta.
Ikke mindre succes ventede Galileo ved pavens hof. Dette var en periode med særlig opmærksomhed på astronomi fra den katolske kirkes side, på hvis initiativ den vestlige verden for nylig havde skiftet til en ny - gregoriansk - kalender. Udviklingen af kalenderreformen blev ledet af astronomen og matematikeren Clavius, som tilhørte jesuiterordenen sammen med andre højt kvalificerede astronomer. Hovedopgaven for denne orden, oprettet kort før (som svar på reformationens kætteri), var oplysning og uddannelse. Kalenderreformen var baseret på Kopernikus' nye astromatematik. Og Galileo tilføjede et nyt argument til fordel for det kopernikanske system, da han i sine teleskopiske observationer opdagede Venus' faser, svarende til Månens faser. I modsætning til Månen blev Venus set som en lille skive, når den var langt væk, og en stor halvmåne, når den var tæt på. Dette beviste Venus' rotation omkring Solen, ikke Jorden.
Paradoksal kontrast: universitetsastronomprofessorer, der holder fast i oldtidens myndigheders sædvanlige tekster, benægter både teleskopet og observationsopdagelserne af Galileo, mens pavelige astronomer godkender begge dele?! Hovedforskellen her ligger ikke i nærheden af den pavelige trone, men i det praktiske, som pavelige astronomer var involveret i i kalenderreformen, mens universitetsprofessorer kun fortolkede gamle tekster.
Venus' faser, skitseret af Galileo og afbildet skematisk.
Galileo var engageret i en anden praktisk sag - han undersøgte den grundlæggende fysik i det virkelige univers. De pavelige astronomers godkendelse af hans astronomiske opdagelser havde et vigtigt "men". For dem var det kopernikanske system korrekt matematik, da dets resultater svarede til observationer, men de accepterede dette system i den geoheliocentriske version af Tycho Brahe, hvor Jorden er ubevægelig - i fuld overensstemmelse med alle da kendte observationer starter med hverdagserfaring. Når alt kommer til alt, for jordbaserede astronomiske beregninger er det eneste vigtige, hvordan himmellegemer bevæger sig i forhold til Jorden. For pavelige astronomer betød det kopernikanske system kun et andet skema til mellemregninger.
Galileo og Kepler var sikre på, at Jorden kredsede om Solen som andre planeter, men der var endnu ingen direkte beviser for dette, kun indirekte, hypotetiske. Derfor kunne Kepler ikke overbevise Tycho Brahe, som han samarbejdede med, selvom begge blev betragtet som de første astronomer i deres tid. Men Galileo kunne ikke overbevise de pavelige astronomer, som værdsatte hans astronomiske opdagelser højt. For førsteklasses astronom-observatører var ægte heliocentrisme ikke kun en tvivlsom hypotese, men også ubrugelig: Alligevel skulle beregninger bringes til en jordisk observatørs synsvinkel - til et geocentrisk billede. Sådanne astronomer, fast på jorden, lyttede nøje til Galileo og forventede at lære om de observerbare manifestationer af Jordens bevægelse, men modtog kun argumenter om universets struktur (det vil sige solsystemet), forklaringer på hvorfor rotationen af Jorden er så umærkelig, såvel som tvivlsomme analogier og ord om harmoni universet.
Men er analogien mellem Jorden under dine fødder og fjerne "vandrende" stjerner, som intet er kendt om undtagen deres bevægelse hen over himlen, virkelig så overbevisende? Og beviser bjergene opdaget på den nærliggende måne, at fjerne planeter er opbygget på samme måde? Hvorfor gå så langt for at retfærdiggøre hvorfor ikke certificere jordens rotation direkte på Jorden? Når alt kommer til alt, når du snurrer på en karrusel, mærker du rotationen selv med lukkede øjne?! Selvfølgelig, hvis karrusellen laver en omdrejning om dagen eller om året, er det svært at bemærke rotationen, men Jupiters satellitter var usynlige før opfindelsen af teleskopet. Så vi er nødt til at finde en måde at være vidne til denne rotation, hvis den virkelig eksisterer. Ellers vil heliocentrisme forblive en succesfuld matematisk hypotese, nyttig til beregninger, men intet mere.
En astronom solidt plantet på Jorden kunne have fortalt Galileo noget af denne art. Og ganske vist var der i begyndelsen af det syttende århundrede intet at svare på. Visuelt direkte bevis på Jordens rotation (om dens akse og omkring Solen) dukkede kun to århundreder senere op: Foucaults pendul, Beers lov (ifølge hvilken en flod skyller sin højre bred på den nordlige halvkugle væk), forskydningen af "fast" stjerner på grund af Jordens bevægelse. Men længe før det havde astrofysikere ikke brug for sådanne beviser - siden slutningen af det syttende århundrede, hvor Newton, efter at have afsluttet det arbejde, der blev påbegyndt af Galileo, formulerede fysikkens grundlæggende love, der styrer alle bevægelser i solsystemet. Konsekvensen af disse love er Jordens bevægelse omkring Solen. En anden konsekvens er den meget bestemte lillehed af manifestationerne af denne bevægelse på selve Jorden, kun en brøkdel af en procent.
Tro og viden
Hvorfor blev Galileo i slutningen af det sekstende århundrede overbevist om Jordens bevægelse? Hvorfor stolede han så meget på indirekte argumenter og hans generelle ideer om universets struktur, og hvorfor tillagde han ikke realistiske astronomers nøgterne indvendinger betydning? Historikere har ikke et klart svar på disse spørgsmål, men det er klart, at Galileos strålende fordomme - tro på universets grundlæggende lov og på menneskets evne til at forstå denne lov - hjalp ham med at opfinde grundlæggende fysik.
I midten af det tyvende århundrede forsøgte digteren-publicisten at svare for historikere:
Det rimende svar modsiger desværre den virkelige historie. For det første vidste Galileos videnskabelige kammerater, med få undtagelser, fast, at Jorden var ubevægelig. For det andet behandlede den katolske kirkes ærkepræster ham ganske gunstigt i mange år, vel vidende om hans synspunkter. Så længe vi kun talte om videnskabelige hypoteser, fik de lov til at blive diskuteret.
Situationen ændrede sig, da Galileos videnskabelige modstandere, efter at have udtømt jordiske argumenter, tog de hellige skrifter op. Der er selvfølgelig ingen astronomi, ingen planeter, ikke et ord om, hvorvidt Jorden er flad eller sfærisk. Men glemmer du betydningen af den bibelske historie, kan du finde sætninger, der udtrykker hverdagens ideer om, at solen bevæger sig - står op og går ned, og jordens himmelhvælving er i ro. Galileos modstandere bevæbnede sig med de passende citater og holdt Bibelen som et skjold. Hvis han ikke havde været opmærksom på sådanne modstandere, kunne han roligt have forfulgt sin videnskab. Dette er hvad hans velvillige blandt "hyrderne" rådede ham til.
Galileo fulgte dog ikke dette råd. Han tænkte ikke kun frit, men troede også frit på Gud. Bibelen talte om mennesket, skabt i Guds lignelse; det var hans indre støtte, men ikke en kilde til viden om den ydre verden - bortset fra at denne verden er skabt til mennesket og er tilgængelig for viden. Derfor var Galileo sikker på, at Bibelen ikke kan modsige resultaterne af videnskabelig forskning og især Jordens bevægelse. Han kom til denne konklusion ved at bruge sin egen fornuft på samme måde som i sin fysiske forskning.
Denne forståelse af Bibelen, må man sige, var også til stede i den kirkelige tradition. Galileo citerede en kardinal han talte med: „Bibelen lærer, hvordan man kommer til himlen, ikke hvordan himlen bevæger sig. Bibelen lærer også ikke at lyve, og Galileo lyttede ikke til råd fra velvillige, men sagde ærligt sin forståelse af Bibelen og sin tro på, at Jorden bevægede sig. Hans astronomiske opdagelser og deres anerkendelse øgede hans selvtillid.
Hvad en kardinal må sige om Bibelen i privat samtale, er ikke tilladt for en lægmand, selv om den lægmand er en berømt astronom. Især når de troende vagtsomt sender fordømmelser. I 1616 fastslog eksperter fra inkvisitionen, at udtalelsen om jordens bevægelse var "absurd i videnskabelige termer og i modstrid med de hellige skrifter." Det officielle dekret lød mildere, men tre bøger blev forbudt, begyndende med Copernicus-bogen, 70 år før den gik ind i historien. Galileo blev ikke nævnt i dette dekret - respekten for ham var så stor, at ærkepræsterne begrænsede sig til verbale formaninger. Senere forklarede paven ham selv, at selvom Jordens bevægelse ikke kan angives som sandhed, kan Ptolemæus og Kopernikus systemer diskuteres og sammenlignes som matematiske hypoteser. Og Copernicus-bogen blev kun forbudt i et stykke tid, indtil den blev rettet, hvilket understregede, at det kopernikanske system kun er en matematisk hypotese.
Den opfindsomme Galileo fandt ud af, hvordan man forbliver ærlig og ikke overtræder kirkens advarsel. Da han fik lov til at diskutere og sammenligne hypoteserne om Ptolemæus og Kopernikus, ville han skrive en bog i form af en samtale mellem tre karakterer, hvor to præsenterede Copernicus og Ptolemæus' holdninger, og den tredje præsenterede upartisk sund fornuft. Og lad læseren bestemme, hvem der har ret.
Galileo færdiggjorde bogen "Dialogue on the Two Chief Systems of the World" halvandet årti senere. Ikke uden besvær fik han kirkecensurens godkendelse, og i 1632 kom de første eksemplarer af bogen ud af trykkeriet. Snart greb den katolske kirke dog ind i videnskabens historie - ved dens beslutning blev bøgerne konfiskeret, og Galileo blev indkaldt til inkvisitionen. Den berømt glorværdige retssag varede flere måneder. Galileo blev anklaget for at have overtrådt kirkeinstruktionen fra 1616 om kun at behandle det kopernikanske system som en hypotese: fra hans bog var det for tydeligt, hvilken hypotese der var korrekt. Retten forbød bogen og idømte Galileo livsvarigt fængsel.
Bag efterforskningens kulisser og under retssagen var både personlige motiver og kirkepolitiske faktorer på spil, men på baggrund af disse begivenheder kan man skelne... en stærk inertilov. Galileo, som opdagede den fysiske lov om inerti, oplevede fuldt ud virkningen af menneskelig inerti. Kirkens præster kunne naturligvis ikke dybt ned i systemet af astrofysiske argumenter til fordel for Jordens bevægelse og holdt sig simpelthen - af træghed - til de ideer, de havde mestret i deres ungdom. Trods alt holdt fremragende videnskabsfolk sig til disse ideer, især "astronomernes konge" - Tycho Brahe.
Det ville være muligt ikke at fordømme kirkedommere for deres videnskabelige træghed, hvis de ikke havde påtaget sig rollen videnskabelig eksperter: I kirkelige dekreter fra 1616 og 1633 blev jordens bevægelse for det første anerkendt som videnskabeligt falsk og kun for det andet i strid med Bibelen. Dommer-inkvisitorerne brugte således deres officielle stilling til personlige formål – for at bevare den sædvanlige idé. Det var ikke et spørgsmål om religion som sådan: blandt Galileos studerende og ivrige tilhængere var der folk af præster. Og selv retten var ikke enig – kun syv ud af ti dommere skrev under på dommen.
Fuldbyrdelsen af dommen, såvel som den højeste magt i Kirken, var dengang i hænderne på én person - pave Urban VIII. Mens han stadig var kardinal, beundrede han Galileos astronomiske opdagelser, og efter at være blevet pave viste han ham også gunst, hvilket gav ham mulighed for at diskutere det kopernikanske system sammen med det ptolemæiske system. Men han havde sin egen grund til, at begge systemer for altid vil forblive blot hypoteser: Selvom en eller anden hypotese tilfredsstillende forklarer et bestemt fænomen, kan den almægtige Gud frembringe dette fænomen på en helt anden måde, utilgængelig for den menneskelige fornuft, og hans almagt kan ikke begrænses til mulighederne for menneskelig forståelse. Paven præsenterede sit argument for Galileo, og hvad gjorde han?! Han lagde dette argument i munden på en karakter, der repræsenterede Aristoteles' forældede filosofi og så meget stødende ud over for paven:
Simplicio.<…>Jeg ved, at på spørgsmålet om, hvorvidt den almægtige Gud kunne have givet vand den observerbare variable bevægelse [ebbe og strømning af tidevandet] på anden måde end ved at flytte vandmasser, er der kun ét svar muligt: Han kunne have gjort dette i mange ufattelige måder for vores sind. Og hvis det er tilfældet, så ville det være overdreven uforskammethed at begrænse den guddommelige kraft ved enhver menneskelig opfindelse.
Så vi må også takke Hans Hellighed for at erstatte fængselsstraffe med husarrest. Og en videnskabshistoriker kan endda, glemme alt om anstændighed, takke det faktum, at Galileo var under konstant overvågning af inkvisitionen, som besluttede, hvem han kunne mødes med. Fysikerens sprudlende temperament havde kun én udvej - arbejdet med den anden og vigtigste bog, hvori han underbyggede loven om frit fald - fysikkens første grundlæggende lov.
Hvad angår det pavelige argument, brugte Galileo det ikke af skade. Det handlede om essensen af ny - fundamental - fysik. Argumentet byggede tilsyneladende på den bibelske sætning "Herrens veje er mystiske," i moderne oversættelse: "Hans beslutninger er uforståelige og hans veje er uransagelige." Hvad kunne Galileo sige til dette med sin utvivlsomme tro på Gud og fuldstændige tillid til Guds ord?
Han kunne sige, at konteksten af denne sætning ikke taler om universets struktur, men om Guds holdning til mennesket og om menneskets indre verden med dets frihed og unikke karakter. Og den ydre verden - universet - allerede med stjernehimlen giver en person et eksempel på konstans og regelmæssighed. Det er ikke for ingenting, at Gud har udstyret mennesket med evnen til at vide. Galileo mærkede det selv. Og han vidste fra sin egen erfaring, at en person ikke kun er i stand til at fremsætte plausible hypoteser, men også afprøve dem, afvise eller bekræfte dem, etablere deres korrespondance med universets struktur skabt af Skaberen. Bibelen siger ikke noget om svømningsloven, men det lykkedes Arkimedes at opdage denne lov. Og Galileo, i sin søgen efter de grundlæggende naturlove, stolede på troen på universets love.
Ved at udforske Herrens veje i universets struktur og vide, hvordan erfaring og matematikkens sprog gør det muligt at forstå denne struktur, forsvarede Galileo Bibelen fra opgaver fremmede for den og følgelig mod modsætninger med resultaterne af videnskabelig viden . Han havde en bedre opfattelse af Skaberen end pave Urban VIII, og i forhold til sandheden - helligere end paven af Rom.
Lysets hastighed er den første grundlæggende konstant
Blandt Galileos fiaskoer er man så lærerig, at man ikke kan vove at kalde det en fiasko.
I sin sidste bog talte Galileo om at prøve at måle lysets hastighed, og årsagen var tilsyneladende at måle en anden hastighed - lydens hastighed. Det er selvfølgelig "to store forskelle." Efter at have hørt ekkoet af din stemme, er det let at forstå, at lyden vendte tilbage efter en kort, men mærkbar tid, og derfor spredes den ikke med det samme, men med en vis - omend høj - hastighed. I dagligdagen er der dog ingen beviser for, at lys tager nogen tid at rejse fra lyskilden til det oplyste objekt. Aristoteles opsummerede det filosofisk: "Lys er tilstedeværelsen af noget, ikke bevægelsen af noget." Alle Galileos samtidige mente det samme. Han var den første til at bruge udtrykket "lysets hastighed".
Lysets øjeblikkelighed - eller uendelige hastighed - blev også antaget i de første målinger af lydens hastighed. Da de observerede et kanonskud langvejs fra og troede, at glimtet fra skuddet blev set med det samme, målte de tiden mellem blitzen og lyden af skuddet. Ved at dividere afstanden til pistolen på dette tidspunkt bestemte de, at lydens hastighed er omkring 500 meter i sekundet (hvilket kun er halvanden gange den sande værdi).
Galileo mente imidlertid, at lysets øjeblikkelighed kun var en hypotese, og han fandt ud af, hvordan man testede det. For at gøre dette skal du bruge to personer med lanterner, der kan åbnes og lukkes – nu ville de sige: tænd og sluk. Først når de er tæt på, øver de sig i at tænde en lommelygte, når de ser lyset fra en anden lommelygte. Så spredes de over en lang afstand. Den første tænder lanternen og ser lyset af hvilken den anden tænder på sin lanterne. Og den første måler tiden fra det øjeblik, han tændte sin lanterne, til det øjeblik, han så lyset fra den anden lanterne. I løbet af denne tid rejste lyset frem og tilbage.
Hvis den anden lanterne åbner sig så hurtigt som på kort afstand, skriver Galileo, så kommer lyset med det samme, og hvis lyset tager tid, så ville en afstand på tre miles være nok til at opdage forsinkelsen. Hvis eksperimentet udføres i en afstand af for eksempel 8-10 miles, så kan du se det svage lys fra en fjern lommelygte ved hjælp af et teleskop.
At dømme efter Galileos ord udførte han et sådant eksperiment kun i en afstand af en mile og bemærkede ikke forsinkelsen. Og alligevel formodede han, at lys ikke rejser med det samme, selvom det spredes usædvanligt hurtigt.
Faderen til moderne fysik forklarede ikke, hvorfor tre miles ville være nok til at opdage Ikke-lysets øjeblikkelighed, og hvorfor så øge afstanden til 10 miles. Hvis et pulsslag betragtes som minimumsperioden, betød eksperimentet, han udførte, at lyset rejste to miles på mindre end et sekund, det vil sige med en hastighed på mindst 10 gange lydens hastighed. Og hvis forsinkelsen ikke blev opdaget selv på en afstand af 10 miles, ville det betyde, at lysets hastighed er mindst 100 gange hurtigere end lydens hastighed.
Det er ikke Galileos skyld, at lysets hastighed faktisk er en million gange hurtigere end lydens hastighed. Hvis han havde haft mistanke om dette, ville han måske have indset, at jordiske miles ikke var nok til hans eksperiment, og han ville have husket Jupiters satellitter, som han havde opdaget. Når alt kommer til alt, når den roterer, spiller satellitten rollen som en lanterne, som åbner sig, når den forlader skyggen af Jupiter og lukker, når den kommer ind i dens skygge. Selvfølgelig er sådan en lanterne ikke direkte egnet til Galileos eksperiment - den åbner uden nogen kommando med jævne mellemrum. Men oplevelsen kan ændres ved at bemærke, at den jordiske observatør ikke sidder stille, selv kigger ind i teleskopet: sammen med teleskopet og planeten Jorden bevæger han sig rundt om Solen. Når observatøren nærmer sig Jupiter, observeres hver efterfølgende "stigning" af satellitten tidligere end den "positionerede" (gennemsnitlige), fordi den første stråle fra satellitten skal rejse en kortere afstand til Jorden. Den første stråle vil ankomme tidligere med en brøkdel af en periode proportional med Jordens hastighed og omvendt proportional med lysets hastighed. Det betyder, at lysets hastighed kan beregnes ved at måle fremrykningen (eller forsinkelsen) af Jupiters satellits stigning.
Galileo selv tænkte ikke på en sådan metode, selvom der i hans ånd var både jordiske anvendelser af astronomi og anvendelse af jordisk fysik til forståelsen af himmelfænomener. Han foreslog også at bruge teleskopet i et jordisk eksperiment til at måle lysets hastighed. Og efter at have opdaget Jupiters satellitter og målt deres omdrejningsperioder, så jeg i dette et himmelsk ur "slå" i det øjeblik, hvor hver satellit rejste sig. Sådan et ur, tilgængeligt for alle (der har et teleskop), indså Galileo, kunne bruges til at bestemme geografisk længdegrad. Og det var af afgørende betydning for langdistancenavigationen og for økonomien.
Så den moderne fysiks fader opfandt det ikke kun, men demonstrerede også sammenhængen mellem videnskab, teknologi og økonomi.
Galileos fysik afslørede det geniale samspil mellem teori og eksperimenter i søgen efter de grundlæggende naturlove. Det er tydeligt, hvor vigtigt det er at teste loven med stigende præcision. Men ofte var den lave nøjagtighed af målingerne med til at gøre opdagelser. For eksempel opfyldes den vigtigste lov for Galileo, at et penduls svingningsperiode ikke afhænger af svingningernes amplitude, mere præcist, jo mindre amplituden er. Derfor, hvis Galileo ikke havde testet denne lov med sin puls, men med et meget præcist kronometer, ville det have været vanskeligere for ham.
Ligeledes med Jupiters satellitter. Efter at have målt deres revolutionsperioder overlod Galileo deres videre studier til astronomer. Han efterlod dem også som en arv sin idé om at bruge disse satellitter som universelle ure til at bestemme længdegraden. For at gøre dette var det nødvendigt at kende satellitternes revolutionsperioder eller tidsplanen for deres formørkelser, så nøjagtigt som muligt, hvilket er, hvad astronomer gjorde, og stræbte efter deres iboende astronomiske nøjagtighed. Tredive år efter Galileos død havde astronomerne samlet nok observationer til at opdage en mærkelig uregelmæssighed i det kosmiske ur. Satellittens omløbsperiode var nogle gange kortere, nogle gange længere. Denne ujævnhed afslørede sit eget mønster: perioden blev kortere, når Jorden nærmede sig Jupiter, og længere, når den bevægede sig væk. Det var dengang, at astronomer, der studerede de galilæiske satellitter, huskede Galileos tillid til, at lys rejser med en enorm, men begrænset hastighed. Ved at kombinere observationer af satellitperioder med viden om planetbevægelser opnåede vi for første gang lysets hastighed - 220 tusinde kilometer i sekundet, hvilket er tæt på den sande værdi - omkring 300 tusinde kilometer i sekundet.
Således var Galileos intuition overraskende berettiget. Og det er meget overraskende. Der var trods alt ingen observerbare beviser for lysets endelige hastighed. Og Galileos fremragende samtidige, som var engageret i videnskaben om lys, Kepler og Descartes, anså lysets hastighed for at være uendelig. Hvorfor var Galileo mere indsigtsfuld end sine kolleger? Fordi han var et geni og en fundamental fysiker.
Da han tænkte på lysets hastighed, så Galileo hele verden af fysiske fænomener og troede på denne verdens dybe enhed. Da han vidste, at sollys opsamlet i et konkavt spejl er i stand til at smelte bly, sammenlignede han denne "voldelige" virkning af lys med et lynudladning og en eksplosion af krudt, som er "ledsaget af bevægelse og desuden meget hurtig." Og han konkluderede: "Derfor kan jeg ikke forestille mig, at lysets handling kan klare sig uden bevægelse, og den hurtigste bevægelse derved."
Galileo var sikker på, at Naturens Bog var "skrevet på matematikkens sprog", men han vidste, at indholdet af denne bog var fysik. Derfor, idet han lyttede til sin intuition, tog han ikke hendes ord for det, men fandt ud af, hvordan man testede det på den mest pålidelige måde for en fysiker - gennem måleeksperimenter. Han undlod at gøre dette med lys - nøjagtigheden af målingerne var for lav. Men han formåede at give fysikken selve ideen om en endelig lyshastighed. Denne idé, takket være en anden gave - de galilæiske måner af Jupiter - blev en pålidelig kendsgerning i videnskaben kun få årtier efter hans død, helt i begyndelsen af hans udødelige berømmelse.
Lad os nu lytte til et fragment af en samtale fra Galileos sidste bog, "Conversations and Mathematical Proofs Concerning Two New Sciences", hvor spørgsmålet om lysets hastighed først blev rejst:
Om den hurtigste bevægelse af lys
Sagredo. Jeg så, hvordan sollys, opsamlet af et konkavt spejl omkring tre palmer i diameter, hurtigt smeltede bly og antændte forskellige brændbare materialer. Er så voldsom en lyspåvirkning mulig uden bevægelse?
Salviati. I andre tilfælde - såsom et lynudladning og en eksplosion af krudt - er forbrænding og henfald ledsaget af bevægelse og meget hurtig bevægelse. Derfor kan jeg ikke forestille mig, at lysets handling kan ske uden bevægelse, og den hurtigste bevægelse dertil.
Sagredo. Men hvor hurtig skal denne bevægelse være? Er det øjeblikkeligt eller opstår over tid, ligesom andre bevægelser? Er det muligt gennem erfaring at finde ud af, hvordan det er?
Simplicio. Hverdagserfaring viser, at lys rejser med det samme. Hvis vi ser en kanon affyre på afstand, når glimtet fra skuddet vores øjne med det samme, og lyden når først vores ører efter et mærkbart tidsinterval.
Sagredo. Ud fra sådanne eksperimenter kan vi kun konkludere, at lyd bevæger sig langsommere end lys, men ikke at lys kommer med det samme.
Salviati. Det uendelige ved sådanne observationer fik mig til at finde på en måde at finde ud af, om lys virkelig rejser øjeblikkeligt.
Lad to forsøgsledere holde hver en lanterne, der kan åbnes og lukkes. Først når de står side om side, øver de sig i at åbne deres lanterne og bemærker lyset fra en anden. Derefter spredes de omkring tre miles og, efter at have ventet på natten, gentager de deres blink med deres lanterner. Hvis den anden lanterne åbner lige så hurtigt, som den gjorde i nærheden, så kommer lyset med det samme, men hvis lyset tager tid, så ville en afstand på tre miles være nok til at opdage forsinkelsen. Når man laver et eksperiment på en afstand af for eksempel ti miles, kan teleskoper bruges til at se det svage lys fra en fjern lanterne.
Jeg selv lavede dette eksperiment kun på en afstand af en kilometer og var ikke overbevist om, hvorvidt lyset vendte tilbage med det samme. Det er kun tydeligt, at det er ekstremt hurtigt, næsten øjeblikkeligt. Jeg vil sammenligne det med lynet, der er synligt 8-10 miles væk. Vi ser begyndelsen af et glimt, eller dets kilde, på et bestemt sted blandt skyerne og ser, hvordan lynet gennemborer naboskyerne. Det betyder, at det tager lidt tid at sprede sig. Når alt kommer til alt, hvis der opstod et lyn i alle dele på én gang, kunne vi ikke skelne dets kilde, midterste og fjerne dele. Hvilket hav har vi befundet os i ubemærket?! Tomhed og uendelighed, udelelige atomer og øjeblikkelige bevægelser - vil vi være i stand til at nå kysten, selv efter tusinde diskussioner?
På det patetiske spørgsmål i slutningen af fragmentet svarede Galileo modigt og optimistisk med sin bog. Men selve spørgsmålet afslører fysikeren - den fundamentale fysiker. Hans fremragende kolleger med en matematisk tankegang - Kepler og Descartes - satte sig frimodigt til opgaven fuldstændigt og endelig at omfavne den virkelige fysiske verden med et enkelt matematisk princip eller lille sæt, og troede, at de havde nået deres mål: Kepler havde en kop seks. planeter, Descartes - syv fysikprincipper. Og Galileo forstod, at han kun var i begyndelsen af en stor rejse, hvor der ville være arbejde nok til alle, der havde frihed og mod nok til at stille spørgsmål om universets struktur og lede efter overbevisende - målende - svar på dem.
Ladet med hans mod vil jeg rigtig gerne stille spørgsmål til ham selv.
Hvorfor tror han, at lysets hastighed ikke kun er begrænset, men også den "hurtigste"? Hvordan kan enhver hastighed være maksimal? Er han klar over, at lysets hastighed er en fundamental naturkonstant, involveret i ethvert fysisk fænomen, selv opstår i buldermørke?
Videnskaben besvarede disse spørgsmål tre århundreder efter Galileos liv, efter adskillige dramatiske transformationer af fundamental fysik forbundet med navnene på Newton, Maxwell og Einstein. Man kan kun undre sig over, at opfinderen af fundamental fysik åbnede vejen for historiens første fundamentale konstant.
Kapitel 3
Tyngdekraften er den første grundlæggende kraft
Fra himlen til jorden og tilbage
I moderne fysik taler man om fire grundlæggende kræfter. Tyngdekraften var den første, der blev opdaget. Kendt af skolebørn loven om universel gravitation bestemmer tiltrækningskraften F mellem eventuelle masser m Og M, adskilt af afstand R:
F = GmM/R 2 .
Skolebørn får normalt ikke at vide, at Newton ikke selv har skrevet sådan en formel. Han argumenterede kun for, at tiltrækning er proportional med mængden af stof og omvendt proportional med kvadratet af afstanden. Proportionaliteten til mængden af stof er ikke overraskende, men hvordan gættede Newton på, at kraften afhænger af afstanden i kvadratet, og f.eks. ikke i terningen?
Skolebørn får normalt heller ikke at vide, at han ikke var den første, der gættede. Newtons opdagelse af tyngdeloven kan endda kaldes en lukning. Han afsluttede spørgsmålet ved at bekræfte formodningen med astronomiske observationer, opsummeret af Kepler i hans planetariske love. Newtons største succes i hans samtidiges øjne var, at han udledte Keplers love fra tyngdeloven. For at gøre dette var han nødt til at gøre noget stort i verdenshistoriens øjne: skabe en generel teori om bevægelse - mekanik, opfinde et nyt matematisk sprog til det. Hovedloven om bevægelse relateret til acceleration -en masser m med kraften, der virker på den F
og det opfundne matematiske apparat (differentialregning) gjorde det muligt at løse ethvert problem om bevægelser af kroppe på himlen og på jorden.
Det første himmelske problem blev løst af astronomen Edmond Haley (Halley). Baseret på bevægelsesloven og tyngdeloven forudsagde han, at kometen fra 1682 ville vende tilbage om 76 år. Og hun kom på det rigtige tidspunkt! Før det kunne man stadig tvivle på Newtons teori, som "kun" udledte Keplers gamle love fra de nye love for bevægelse og tyngdekraft. Men fysikkens himmelske triumf lovede den også sejr i jordiske problemer.
Ved denne lejlighed bemærkede en historiker: „Moderne videnskab steg ned fra himlen til jorden langs Galileos skråplan. Der er ikke mindre grund til at sige, at - langs det samme skråplan - er den jordiske fysik steget til himlen. Galileo modtog kun ét spørgsmål fra himlen: hvorfor er Jordens bevægelse omkring sin akse og omkring Solen så umærkelig ved enorme hastigheder på tusindvis af kilometer i timen? Han ledte efter svaret på dette spørgsmål - og fandt det - på Jorden, hvor han studerede bevægelse ved hjælp af sine to hovedredskaber - eksperiment og matematisk præcist sprog. Hans svar – inertiloven og relativitetsprincippet – kaldte Newton for Mekanikkens første lov. Og Galileos lov om frit fald, efter at have opdaget accelerationens nøglerolle, gav et hint til den anden lov - hovedloven om bevægelse.
Kun i tyngdeloven er Galileos rolle ikke synlig. For at rette op på denne uretfærdighed to århundreder efter hans død lavede en vis håndværker med en antikvarisk tilbøjelighed en samling af historiske dokumenter, som blev modtaget af det franske videnskabsakademi. Aviserne - med navnene Galileo, Pascal, Newton og andre prominente personer - malede et sådant billede. I de sidste år af sit liv har (italienske) Galileo angiveligt teoretisk udledt fra Keplers anden lov, at himmellegemer tiltrækker sig omvendt proportionalt med kvadratet af afstanden. Han rapporterede denne opdagelse til (fransk) Pascal, som byggede himmelmekanik på dette grundlag, og beregnede også planeternes masse, hvilket han rapporterede til (engelsk) Newton. Og han offentliggjorde uden skam eller samvittighed andres resultater som sine egne.
Det Franske Akademi, som nidkært fulgte briternes succeser, studerede begejstret opsigtsvækkende dokumenter, indtil de opdagede, at et af brevene i samlingen var adresseret til Newton, da han kun var 10 år gammel. Forfatteren af samlingen kom ikke overens med kronologi. Og jeg kom slet ikke overens med videnskabshistorien.
Historien afhænger selvfølgelig af overlevende dokumentariske beviser - breve, manuskripter, publikationer. Men når der er mange beviser om en person, er det meget svært at forfalske et helt nyt bevis. Kun de, der ikke har læst deres bøger og slet ikke forstår, hvordan man kan udlede det ene fra det andet, kan tro, at 75-årige Galileo udledte tyngdeloven fra Keplers anden lov.
Galileo tillagde ikke Keplers love betydning, og endnu mindre til hans udtalelser om Solen som kilden til den kraft, der bevæger planeterne, at denne kraft aftager i omvendt proportion med afstanden (og ikke dens kvadrat) og om Tyngdekraften som "sympati for beslægtede kroppe", deres "ønske om forbindelse." Kepler sammenlignede nogle gange kun denne "stræben" med magnetisme og identificerede den nogle gange med den. Det er uklart ud fra hans tekster, om han mente en kraft eller to. Det er kun tydeligt, at han håbede på fysikere, da han skrev: "Lad fysikerne tjekke ..."
I 1600 udgav englænderen Gilbert bogen "On the Magnet, Magnetic Bodies and the Great Magnet - the Earth", hvor han blandt andet udtrykte ideen om, at Jorden er en kæmpe magnet, og eksperimentelt underbyggede dette ved hjælp af en model. af Jorden - en sfærisk magnet, der følger kompasnålens opførsel på boldens overflade. Imponeret over denne bog skrev Kepler om magnetiske kræfter i planetsystemet og introducerede fysikkens sidste ord i astronomi. Men i modsætning til Hilbert gav Kepler ingen specifikke, endog kvalitative, argumenter og forbandt på ingen måde magnetisk fysik, hverken med hans hypotese om planetkræfter, der aftager i omvendt proportion med afstanden, eller med hans egne nøjagtige love for planetarisk bevægelse. I denne behandling af videnskaben så fysikeren Galileo en manifestation af et "for frit" sind, eller simpelthen letsind. Med hensyn til Hilberts forskning satte han stor pris på den og ønskede, at han var "lidt mere af en matematiker." Ikke fordi Galileo elskede matematik, men fordi et matematisk præcist sprog åbner vejen for eksperimentel verifikation og derfor til nøjagtig viden.
Den fundamentale fysiker Galileo kunne se på Keplers love som matematiske forhold, ikke mindre elegante end den unge Keplers planeters kosmografi, men ikke mere gennemtrængende til planetsystemets fysiske essens. Gennem to punkter kan du kun tegne en lige linje og gennem mange punkter af planetariske observationer - et vilkårligt antal forskellige kurver, herunder måske elegante. Du kan ikke eksperimentere med planeter ved at ændre parametrene for deres bevægelse. Derfor forsøgte Galileo at trænge ind i planetfysikkens grundlæggende love, idet han stolede på et jordisk eksperiment, der skulle opfindes, og ved at bruge den enklest mulige bane - en cirkulær, især da Jordens og Venus' baner er næsten nøjagtigt cirkulære.
For at udlede tyngdeloven var det nødvendigt at gøre ordet "tiltrækning" til et fysisk begreb tilgængeligt for eksperimentel forskning. Det var nødvendigt at forbinde dette koncept med målbare størrelser, primært med selve bevægelsen. Dette er, hvad Newton gjorde. Og før det kunne man kun tale om planetariske kræfter og deres afhængighed af afstand.
Den tidligste "snak" om en kraft proportional med 1/ R 2, fandt sted i den franske astronom Buyots bog i 1645. Forfatteren ærede Copernicus, Galileo og Kepler, men den planetariske kraft - ikke ifølge Kepler - blev sammenlignet med belysning, der aftog med afstanden fra lyskilden nøjagtigt som 1/ R 2. Men så, i samme bog, afviste Buyo selve eksistensen af en drivkraft. Alene ud fra dette er den uoverbevisende karakter af Keplers hypotese klar. Det er let at forestille sig, at Galileo ville have betragtet Bouillots samtaler som barnlige: hvor kommer analogien mellem lys og planetariske kræfter fra?! Men da den franske astronoms bog blev udgivet, var Galileo allerede gået ind i historien for tre år siden. Og de ikke-overbevisende ord om en kraft, der er omvendt proportional med kvadratet på afstanden, gik alligevel over i historien. Og vi nåede Newtons tid.
Hvad der sker?! Den vigtigste fysiske idé blev født ulovligt og levede som hittebarn i lang tid?! Og den moderne fysiks fader modsatte sig mest af alt hendes fødsel?! Ja, men ikke helt. For det første gælder digterens ord for videnskabelige ideer: "Hvis du bare vidste, af hvilket affald poesi vokser, uden at kende til skam ..." Fødslen af noget nyt er altid et mirakel. Og for det andet idé 1 /R 2 blev først vigtig, når den blev kombineret med andre ideer, der dukkede op årtier senere.
Videnskabens historie er ligesom enhver interessant historie et unikt begivenhedsforløb. Deraf den klichéagtige sætning om, at historien ikke kender den konjunktive stemning. Historien ved det ikke, men fysikeren, der kigger ind i historien, gør det normalt tankeeksperimenter, skiftende - inden for de mulige grænser- historiske personers handlinger og udfoldelse af en ny kæde af begivenheder for at vurdere sandsynligheder og usandsynligheder for, hvad der faktisk skete. For denne måde at tænke på må vi takke Galileo, som, da han skabte moderne fysik, brugte den mesterligt. Et tankeeksperiment er et eksperimentelt design, der er tilladt af kendte fakta, uanset omkostningerne. Ved frit at ændre de eksperimentelle forhold er det lettere at stille spørgsmål og besvare dem ved hjælp af kendte fakta og naturlove.
Ved at overføre denne teknik fra fysik til dens historie, lad os stille spørgsmålet: "Kunne Galileo have kendt lysets hastighed?", selvfølgelig inden for grænserne af hans historisk reelle evner - hans viden, måde at tænke på og hans fordomme. Historien giver os mulighed for at besvare dette spørgsmål benægtende. I et eksperiment af den type, han opfandt, manglede det åbenbart nøjagtighed, selv om det blev givet alle datidens teknologis ressourcer. Og for at komme med et eksperiment, der involverede Jupiters satellitter, måtte han forlade fysikken, blive observationsastronom og udføre observationer i mindst et år, af en eller anden grund for at afklare perioderne for de satellitter, som han allerede havde målt. Det virker utroligt. Så han kunne ikke opdage lysets hastighed, selvom han var forudindtaget af, at den var endelig.
Galileo var også fordomsfuld om, at der ikke er nogen planetarisk attraktion. Men det betyder ikke, at svaret på spørgsmålet er klart:
Kunne Galileo have opdaget loven om universel gravitation?
Den eminente fysiker og sjove mand Richard Feynman skitserede baggrunden for tyngdeloven:
På Keplers tid troede nogle, at planeterne bevægede sig rundt om solen, fordi usynlige engle skubbede dem langs deres bane. Dette er ikke så langt fra sandheden: Engle skubber planeterne, ikke langs, men på tværs af kredsløbet, mod dets centrum.
I et forsøg på at være kortfattet udelod Feynman et vigtigt mellemtrin. Galileo klarede sig overhovedet uden engle, idet han betragtede planetens cirkulære bevægelse omkring Solen som en naturlig, fri bevægelse. Spørgsmålet om størrelsen af banerne og planeternes hastigheder forblev åbent, men Galileo så en masse åbne spørgsmål, som ikke forstyrrede eller forvirrede ham, men kun provokerede ham. Ligesom Kepler troede Galileo, at andre planeter i naturen lignede Jorden, og hans tro blev styrket ved at se månens bjergrige overflade gennem et teleskop. Hans tro gav ham håb om, at studiet af naturlovene på Jorden ville hjælpe med at forstå lovene for planetariske bevægelser.
På Jorden opdagede Galileo loven om frit fald, såvel som loven om bevægelse af et legeme kastet i en vinkel mod horisonten. Banen for en sådan bevægelse, som skolebørn ved nu, er en parabel. Galileo offentliggjorde ikke denne opdagelse i lang tid. Han forstod, at resultatet blev opnået i den "flade Jord"-tilnærmelse: parablen beskriver banen mere præcist, jo mindre dens størrelse sammenlignet med Jordens radius, det vil sige, jo lavere starthastigheden er, eller den mindre del af bane overvejes. Han vidste ikke, hvad formen af banen ville være i tilfælde af en "stor bevægelse", når starthastigheden var tilstrækkelig høj til, at Jordens sfæriskhed ikke længere kunne negligeres.
Vanskeligheden var teoretisk, og eksperimentet kunne ikke hjælpe: For at kunne bemærke Jordens sfæricitet i laboratoriet skal laboratoriets dimensioner være sammenlignelige med Jordens radius. Galileo kunne dog godt bruge et tankeeksperiment, som han var en stor ekspert i. Alt du skulle gøre var at komme med et spørgsmål til tankeeksperimenteren.
For eksempel denne. Hvis du kaster en bold vandret med lav hastighed, vil den falde til jorden i nærheden og bevæge sig i en stejl parabel. Hvis starthastigheden øges, bliver parablen fladere. Og med hvilken hastighed skal bolden kastes, så den, når den falder, forbliver i samme afstand fra jordens overflade, som går "ned" på grund af dens kugleform?
Galileo kunne løse dette problem ved at bruge matematik, der ikke er mere kompliceret end Pythagoras sætning, ved at kende Jordens radius R og frit faldsacceleration g, målt af ham. Den nødvendige hastighed, som en nuværende elev kan se,
V= (gR) 1/2 ~ 8 km/sek.
Dette er selvfølgelig første flugthastighed, altså den hastighed, hvormed bolden skal kastes, for at den bliver jordens kunstige satellit. Dette blev først gjort i Rusland i 1957, men i det syttende århundredes Italien kendte man ikke sådanne ord, og hastigheden ville være blevet kaldt astronomisk. Det var ret astrofysisk. Men for astrofysiker Galileo ville en mental bold, der flyver i konstant afstand fra Jordens overflade, selvfølgelig ligne Månen.
Han kunne dog let overbevises om, at det resulterende forhold for Månen desværre ikke holder stik, og meget stærkt. Månens hastighed er 60 gange mindre, end den burde være. Da Månens hastighed og dens afstand var velkendt, ville Galileo have tænkt på tyngdeaccelerationen g, som jeg selv målte. Men han målte det på Jordens overflade og ikke i Månens højde. Forholdet ville være opfyldt, hvis accelerationen af frit fald på Månens højde er 3600 gange mindre end på Jorden. Afstanden til Månen er 60 gange Jordens radius. Dette giver anledning til hypotesen: tyngdeaccelerationen ændres med afstanden fra Jorden i omvendt proportion til kvadratet af afstanden. Galileo kunne bekræfte denne hypotese både på Jupiters satellitter og på Solens satellitter - planeterne. Som et resultat ville han modtage en ny naturlov - almindelig lov om frit fald, som bestemmer accelerationen af frit fald g(R) på et punkt fjernt R fra et himmellegeme af masse M
g(R) = GM/R 2 ,
her er G en konstant, det samme for ethvert himmellegeme, hvilket betyder, at det er en fundamental konstant.
Hvordan Galileo kunne opdage den generelle lov om frit fald
Mens han studerede frit fald, fandt Galileo ud af, at en bold, der kastes vandret i rummet, falder langs en parabel, hvis form er bestemt af starthastigheden V og acceleration af frit fald g: den vandrette hastighed opretholdes V G = V, og øges lodret med tiden V V = gt.
Lad os lave et tankeeksperiment ved at bestige det legendariske tårn med den mentale Galileo. Vi vil kaste boldene vandret med stigende hastighed. Hvis kastehastigheden er lav, vil bolden falde - langs en stejl parabel - til jorden nær tårnet. Og hvis hastigheden er meget høj, bliver parablen meget flad, og bolden vil flyve meget langt fra Jorden.
Spørgsmålet er, med hvilken hastighed skal bolden kastes, så den, når den falder frit, forbliver i samme højde fra jordens overflade, som går rundet "nedad"?
Selv et skolebarn kan nu besvare dette spørgsmål ved at tegne det angivne diagram, anvende Pythagoras sætning og tage højde for, at jordens radius R
Galileo Galilei (1564-1642) bekræftede i praksis rigtigheden af Nicolaus Copernicus og Giordano Brunos ideer:
- - opfandt teleskopet;
- - udforsket himmellegemer ved hjælp af et teleskop;
- - bevist, at himmellegemer bevæger sig ikke kun langs en bane, men også samtidig omkring deres akse;
- - opdagede pletter på Solen og et varieret landskab (bjerge og ørkener - "hav") på Månen;
- - opdagede satellitter omkring andre planeter;
- - studeret dynamikken i faldende kroppe;
- - beviste pluraliteten af verdener i universet.
Galileo fremlagde en metode til videnskabelig forskning, som bestod af:
- - observation;
- - fremsætte en hypotese;
- - beregninger af implementeringen af hypotesen i praksis;
- - eksperimentel (eksperimentel) afprøvning i praksis af den fremsatte hypotese.
Og han blev efterfølgeren til Copernicus og Brunos arbejde. Han er bedst kendt som grundlæggeren af moderne fysik.
Han var den første af videnskabsmændene, der lavede hovedmetoden for videnskabelig forskning, ikke ræsonnement eller observation, men eksperimenter. Han opnåede bred, endog skandaløs berømmelse på det tidspunkt ved at kaste bolde af forskellig størrelse fra toppen af det "faldende" skæve tårn i Pisa. Tidligere troede alle på Aristoteles, at en tungere bold ville falde hurtigere end en lettere, og ingen tænkte på at teste dette i praksis. Galileo var den første til at tjekke. Og det viste sig, at i modsætning til Aristoteles faldt begge bolde på samme tid. Galileo forklarer: Der er erfaringsmæssigt kendte tilfælde, hvor fx en fjer falder meget langsommere i luften, end en sten falder - det skyldes modstand i luften. I et vakuum (sådanne eksperimenter blev efterfølgende udført) falder både en sten og en fjer lige meget.
Ved at måle tidspunktet for fald fra forskellige højder kommer Galileo til den konklusion, at kuglerne ikke falder med konstant hastighed, men med acceleration. Ved at udføre eksperimenter med bevægelige kroppe ser Galileo, at der er forskel på bevægelse under påvirkning af kraft og bevægelse under påvirkning af inerti. Som et resultat af kraftpåvirkningen bevæger kroppen sig med acceleration, ændrer hastighed eller bevægelsesretning. Hvis kraften ikke virker, så forbliver kroppen enten ubevægelig (hvis den var ubevægelig) eller fortsætter med at bevæge sig under påvirkning af inerti (hvis den tidligere var i bevægelse).
Herfra drager Galileo en konklusion, som er almindelig kendt i dag, men på det tidspunkt virkede besynderlig - at der ikke er nogen grundlæggende forskel mellem hviletilstanden og tilstanden af ensartet retlinet bevægelse. Og denne konklusion blev det første argument til fordel for den kopernikanske teori. Tidligere sagde kritikere af Copernicus, at hvis Jorden bevægede sig, ville vi mærke det, Jorden ville bevæge sig væk fra under vores fødder. Galileo beviste, at der ikke var noget af den slags. Selvom Jorden bevæger sig i en cirkulær bane, er radius af denne bane så stor, at i vores sædvanlige længdeskalaer er denne bevægelse næsten retlinet og derfor ikke mærkes.
Det andet uigendrivelige bevis på, at Galileo havde ret, var teleskopet. På det tidspunkt var de "forstørrende" og "aftagende" egenskaber ved konvekse og konkave glas allerede blevet opdaget. Det var netop i de år, at forskellige mennesker uafhængigt af hinanden opdagede, at det fra en kombination af konvekst og konkavt glas var muligt at samle et teleskop, der bragte fjerne objekter tættere på. I 1610 var Galileo den første til at rette det teleskop, han lavede, mod himlen. Dette var det første teleskop. Straks gjorde Galileo mange opdagelser utrolige for den tid. Månen viste sig at være dækket af bjerge - derfor er der ingen forskel på det jordiske og det himmelske, og på andre himmellegemer er relieffet ikke fundamentalt anderledes end det jordiske.
Jupiter viste sig at have 4 satellitter - hvilket betyder, at Månen, der drejer rundt om Jorden, ikke er nogen undtagelse i planeternes verden, og derfor er Jorden den samme planet som alle de andre. Venus, da den blev observeret gennem et teleskop, viste sig at være en halvmåne, der ligner månen, og dens faser ændrede sig konstant - dette kunne kun ske, hvis både Jorden og Venus kredser om Solen. Selv Solen havde pletter - derfor er den ikke noget guddommeligt, men et almindeligt himmellegeme. Mælkevejen viste sig at bestå af mange stjerner - det viste sig, at universets grænser er meget bredere end hidtil antaget.
Galileo er fuld af lyse håb, når han tager sin "Dialog om verdens to hovedsystemer" til Rom. Ethvert fornuftigt menneske vil i det se det fuldstændige sammenbrud af det ptolemæiske system og vil forstå Copernicus' store logik. Riccardi, det hellige palads butler, godkender manuskriptet til trykning, men pludselig, skræmt over noget, tager han sin tilladelse tilbage og anbefaler en anden censor, allerede i Firenze. Der udgav den 68-årige Galileo i 1632 sit livs hovedbog.
Vatikanet var rasende. Galileo blev dømt, retssagen varede mere end to måneder. "Den store mands ydmygelse var dyb og fuldstændig," skrev en af Galileos franske biografer. "I denne ydmygelse blev han bragt til at give afkald på en videnskabsmands mest glødende overbevisning og til pine af en mand, der var overvundet af lidelse og frygt for ilden ..."
Den 22. juni 1633, i kirken i klostret St. Minerva, i overværelse af alle hoffets prælater og kardinaler, adlød dommen, knælende, læste han abdikationen. De hævder, at da Galileo rejste sig fra sine knæ, råbte han: "Men stadig snurrer hun!" Men det var næppe tilfældet. Inkvisitionen ville aldrig tilgive ham for en rent formel abdikation. Det, der forventedes af ham, var omvendelse og ydmyghed; det, der krævedes, var ikke at bøje sig, men at bryde hans tanker...
Galileo blev født i den italienske by Pisa i 1564, hvilket betyder, at han i Brunos dødsår var 36 år gammel og i fuldt flor af styrke og sundhed.
Den unge Galileo opdagede ekstraordinære matematiske evner; han slugte værker om matematik som underholdende romaner.
Galileo arbejdede ved universitetet i Pisa i omkring fire år, og i 1592 flyttede han til stillingen som professor i matematik ved universitetet i Padua, hvor han forblev indtil 1610.
Det er umuligt at formidle alle Galileos videnskabelige resultater; han var en usædvanlig alsidig person. Han kendte musik og maleri godt, gjorde meget for udviklingen af matematik, astronomi, mekanik, fysik...
Galileos præstationer inden for astronomi er fantastiske.
...Det hele startede med et teleskop. I 1609 hørte Galileo, at der et eller andet sted i Holland var dukket en vidtrækkende enhed op (sådan er ordet "teleskop" oversat fra græsk). Ingen i Italien vidste, hvordan det fungerede; det var kun kendt, at dets grundlag var en kombination af optiske briller.
Dette var nok for Galileo med hans fantastiske opfindsomhed. Flere ugers eftertanke og eksperimenter, og han samlede sit første teleskop, som bestod af et forstørrelsesglas og bikonkavt glas (nu er kikkerter bygget efter dette princip). Først forstørrede enheden kun objekter 5-7 gange og derefter 30 gange, og det var allerede meget for de gange.
Galileos største bedrift er, at han var den første til at rette et teleskop mod himlen. Hvad så han der?
Sjældent har en person den lykke at opdage en ny, ukendt verden. Mere end hundrede år tidligere oplevede Columbus en sådan lykke, da han første gang så den nye verdens kyster. Galileo kaldes himlens Columbus. Universets ekstraordinære vidder, ikke bare én ny verden, men utallige nye verdener, åbnede sig for den italienske astronoms blik.
De første måneder efter opfindelsen af teleskopet var selvfølgelig de lykkeligste i Galileos liv, så lykkelig som en videnskabsmand kunne ønske sig. Hver dag, hver uge bragte noget nyt... Alle tidligere ideer om Universet kollapsede, alle bibelske historier om verdens skabelse blev til eventyr.
Så Galileo peger sit teleskop mod Månen og ser ikke et æterisk legeme af lysgasser, som filosoffer forestillede sig det, men en planet, der ligner Jorden, med store sletter, med bjerge, hvis højde videnskabsmanden vittigt bestemmer af længden af den skygge, de kaster.
Men foran ham står planeternes majestætiske konge - Jupiter. Så hvad sker der? Jupiter er omgivet af fire satellitter, der kredser omkring det, og gengiver en mindre version af solsystemet.
Piben er rettet mod Solen (selvfølgelig gennem røget glas). Den Guddommelige Sol, det reneste eksempel på perfektion, er dækket af pletter, og deres bevægelse viser, at Solen roterer om sin akse, ligesom vores Jord. Giordano Brunos gæt blev bekræftet, og hvor hurtigt!
Teleskopet er vendt mod den mystiske Mælkevej, denne tågestribe krydser himlen, og den bryder op i utallige stjerner, der hidtil har været utilgængelige for det menneskelige øje! Er det ikke det, den modige seer Roger Bacon talte om for tre og et halvt århundrede siden? Alt har sin tid i videnskaben, du skal bare kunne vente og kæmpe.
Det er svært for os, samtidige til kosmonauterne, overhovedet at forestille os, hvilken revolution Galileos opdagelser gjorde i menneskers verdensbilleder. Det kopernikanske system er majestætisk, men lidt forstået af den almindelige mands sind; det krævede bevis. Nu er beviset dukket op, det blev givet af Galileo i en bog med den vidunderlige titel "The Starry Messenger". Nu kunne enhver, der tvivlede, se på himlen gennem et teleskop og blive overbevist om gyldigheden af Galileos udsagn.
Den fremragende italienske fysiker og astronom Galileo Galilei blev født den 15. februar 1564 i byen Pisa (nordvestlige Italien). I hans familie, hvis overhoved var en fattig adelsmand, var der foruden Galileo selv fem børn mere. Da drengen var 8 år gammel, flyttede familien til Firenze, hvor unge Galileo gik i skole i et af de lokale klostre. Dengang var han mest interesseret i kunst, dog klarede han sig også godt inden for naturvidenskab. Derfor, efter at have afsluttet skolen, var det ikke svært for ham at komme ind på universitetet i Pisa, hvor han begyndte at studere medicin. Men samtidig var han også tiltrukket af geometri, et forelæsningskursus, som han deltog i på eget initiativ.
Galileo studerede på universitetet i tre år, men han kunne ikke tage eksamen, fordi hans families økonomiske situation blev forværret. Så måtte han vende hjem og prøve at finde et arbejde. Heldigvis lykkedes det ham takket være sine evner at opnå protektion af hertug Ferdinand I de' Medici, som gik med til at betale for fortsættelsen af hans studier. Efter dette, i 1589, vendte Galileo tilbage til universitetet i Pisa, hvor han snart blev professor i matematik. Dette gav ham mulighed for at undervise og samtidig engagere sig i selvstændig forskning. Et år senere blev videnskabsmandens første arbejde med mekanik offentliggjort. Den hed "On Movement".
Det var her, den mest frugtbare periode af den store videnskabsmands liv gik. Og takket være ham bragte 1609 en reel revolution inden for astronomi. I juli indtraf en begivenhed, der ville gå over i historien for altid - de første observationer af himmellegemer blev foretaget ved hjælp af et nyt instrument - et optisk teleskop. Det første rør, lavet af Galileo selv, gav en stigning på kun tre gange. Noget senere dukkede en forbedret version op, som forbedrede menneskets syn med 33 gange. Opdagelserne gjort med dens hjælp chokerede den videnskabelige verden. I det allerførste år blev fire Jupiters satellitter opdaget, og det faktum, at der var mange flere stjerner på himlen, end man kunne se med det blotte øje, blev opdaget. Galileo gjorde observationer af Månen og opdagede bjerge og lavland på den. Alt dette var nok til at blive berømt i hele Europa.
Efter at have flyttet til Firenze i 1610 fortsatte videnskabsmanden sin forskning. Her opdagede de pletter på Solen, dens rotation omkring dens akse, samt faserne af planeten Venus. Alt dette bragte ham berømmelse og gunst fra mange højtstående personer i Italien og videre.
Men på grund af sit åbne forsvar for Kopernikus' lære, som blev klassificeret som kætteri af den katolske kirke, havde han alvorlige problemer i forholdet til Rom. Og efter udgivelsen i 1632 af et stort værk med titlen "Dialog om de to vigtigste systemer i verden - Ptolemaic og Copernican", blev han åbenlyst anklaget for at støtte kætteri og blev indkaldt til en retssag. Som et resultat blev Galileo tvunget til offentligt at give afkald på sin støtte til et heliocentrisk verdenssystem. Sætningen tilskrevet ham: "Men stadig snurrer den!" har ingen dokumentation...