"Loodusseaduste eraldamine konkreetsetest nähtustest, mis olid alati kõigi silme all, kuid mille selgitamine jäi filosoofide uuriva pilgu eest siiski kõrvale, nõudis erakordset meelekindlust," kirjutas kuulus prantsuse matemaatik ja astronoom Lagrange Galilei kohta.
Galileo Galilei avastused astronoomias
1609. aastal ehitas Galileo Galilei iseseisvalt oma esimese kumera läätse ja nõgusa okulaariga teleskoobi. Alguses suurendas tema teleskoop ligikaudu 3 korda. Peagi õnnestus tal ehitada teleskoop, mis andis 32-kordse suurenduse. Termin ise teleskoop Galileo tutvustas seda ka teaduses (Federico Cesi ettepanekul). Avaldusele aitasid kaasa mitmed Galileo teleskoobi abil tehtud avastused heliotsentriline süsteem maailmas, mida Galileo aktiivselt propageeris ning mis lükkas ümber geotsentristide Aristotelese ja Ptolemaiose seisukohad.
Galileo teleskoobil oli objektiivina üks koonduv lääts ja okulaariks lahknev lääts. See optiline disain loob mittepööratud (maapealse) kujutise. Galilei teleskoobi peamisteks puudusteks on selle väga väike vaateväli.Seda süsteemi kasutatakse siiani teatribinoklites ja mõnikord ka isetehtud amatöörteleskoobides.
Galileo tegi esimesed taevakehade teleskoopvaatlused 7. jaanuaril 1610. aastal. Need näitasid, et Kuul, nagu ka Maa, on keeruka topograafiaga – kaetud mägede ja kraatritega. Galileo selgitas iidsetest aegadest tuntud Kuu tuhavalgust Maalt peegeldunud päikesevalguse tulemusena. Kõik see lükkas ümber Aristotelese õpetuse "maise" ja "taevase" vastandamise kohta: Maast sai taevakehadega põhimõtteliselt samasugune keha ja see oli kaudne argument Koperniku süsteemi kasuks: kui teised planeedid liiguvad, siis on loomulik eeldada, et ka Maa liigub. Galileo avastas ka libreerimine Kuust (selle aeglane vibratsioon) ja hindas üsna täpselt Kuu mägede kõrgust.
Planeet Veenus paistis Galileole teleskoobis mitte läikiva punktina, vaid kuuga sarnase heleda poolkuuna.
Kõige huvitavam oli ereda planeedi Jupiteri vaatlus. Läbi teleskoobi ei paistnud Jupiter astronoomile enam ereda punktina, vaid üsna suure ringina. Selle ringi lähedal oli taevas kolm tähte ja nädal hiljem avastas Galileo neljanda tähe.
Pilti vaadates võib imestada, miks Galileo ei avastanud kohe kõiki nelja satelliiti: need on ju fotol nii selgelt nähtavad! Kuid me peame meeles pidama, et Galileo teleskoop oli väga nõrk. Selgus, et kõik neli tähte mitte ainult ei järgi Jupiteri liikumist taevas, vaid tiirlevad ka ümber selle suure planeedi. Niisiis leiti Jupiterist korraga neli kuud - neli satelliiti. Nii lükkas Galileo ümber ühe heliotsentrismi vastaste argumendi: Maa ei saa tiirelda ümber Päikese, kuna Kuu ise pöörleb ümber selle. Jupiter pidi ju ilmselgelt tiirlema kas ümber Maa (nagu geotsentrilises süsteemis) või ümber Päikese (nagu heliotsentrilises süsteemis). Galileo jälgis nende satelliitide orbitaalperioodi poolteist aastat, kuid hinnangu täpsus saavutati alles Newtoni ajastul. Galileo tegi ettepaneku kasutada Jupiteri satelliitide varjutuste vaatlusi, et lahendada merel pikkuskraadi määramise kriitiline probleem. Ta ise ei suutnud sellise lähenemise rakendust välja töötada, kuigi töötas selle kallal oma elu lõpuni; Esimesena saavutas edu Cassini (1681), kuid merevaatluste raskuste tõttu kasutati Galileo meetodit peamiselt maismaaekspeditsioonidel ning pärast merekronomeetri leiutamist (18. sajandi keskpaik) oli probleem lahendatud.
Galileo avastas ka (Fabriciusest ja Herriotist sõltumatult) päikeselaigud(Päikese tumedad alad, mille temperatuur on ümbritsevaga võrreldes umbes 1500 K võrra madalam).
Täppide olemasolu ja nende pidev varieeruvus lükkas ümber Aristotelese teesi taeva täiuslikkusest (vastandina "allmaailmale"). Nende tähelepanekute põhjal järeldas Galileo selle Päike pöörleb ümber oma telje, hinnanguliselt selle pöörlemise perioodi ja Päikese telje asendi.
Galileo tegi ka kindlaks, et Veenus muudab faase. Ühest küljest tõestas see, et see särab Päikeselt peegeldunud valgusega (mille kohta eelmise perioodi astronoomias selgust polnud). Teisest küljest vastas faasimuutuste järjekord heliotsentrilisele süsteemile: Ptolemaiose teoorias oli Veenus kui "alumine" planeet Maale alati lähemal kui Päike ja "täis Veenus" oli võimatu.
Galileo märkis ka Saturni kummalisi "lisandeid", kuid rõnga avastamist takistas teleskoobi nõrkus. 50 aastat hiljem avastas Saturni rõnga ja kirjeldas seda Huygens, kelle käsutuses oli 92-kordne teleskoop.
Galileo väitis, et läbi teleskoobi vaadeldes on planeedid nähtavad ketastena, mille näivad suurused erinevates konfiguratsioonides muutuvad samas suhtes, nagu Koperniku teooriast järeldub. Kuid tähtede läbimõõt teleskoobiga vaadeldes ei suurene. See lükkas ümber hinnangud tähtede näilise ja tegeliku suuruse kohta, mida mõned astronoomid kasutasid heliotsentrilise süsteemi vastu argumendina.
Linnutee, mis palja silmaga näeb välja nagu pidev helendus, ilmus Galileole üksikute tähtede kujul, mis kinnitas Demokritose oletust ja nähtavaks sai tohutu hulk senitundmatuid tähti.
Galileo kirjutas raamatu "Dialogue Concerning the Two World Systems", milles ta selgitas üksikasjalikult, miks ta nõustus Koperniku süsteemiga, mitte Ptolemaiosega. Selle dialoogi põhipunktid on järgmised:
- Veenus ja Merkuur ei ole kunagi opositsioonis, mis tähendab, et nad tiirlevad ümber Päikese ja nende orbiit on Päikese ja Maa vahel.
- Marsil on vastandid. Marsi liikumise ajal toimunud heleduse muutuste analüüsist järeldas Galileo, et ka see planeet tiirleb ümber Päikese, kuid sel juhul asub Maa sees selle orbiit. Ta tegi sarnased järeldused Jupiteri ja Saturni kohta.
Jääb üle valida kahe maailma süsteemi vahel: Päike (koos planeetidega) tiirleb ümber Maa või Maa tiirleb ümber Päikese. Mõlemal juhul on täheldatud planeetide liikumise muster sama, see tagab relatiivsuspõhimõte sõnastas Galileo ise. Seetõttu on valikuks vaja täiendavaid argumente, mille hulgas Galileo toob välja Koperniku mudeli suurema lihtsuse ja loomulikkuse (ta aga lükkas tagasi Kepleri süsteemi planeetide elliptiliste orbiitidega).
Galileo selgitas, miks maakera telg ei pöörle, kui Maa tiirleb ümber päikese; Selle nähtuse selgitamiseks tutvustas Kopernik Maa spetsiaalset "kolmandat liikumist". Galileo näitas seda eksperimentaalselt vabalt liikuva tipu telg hoiab oma suunda iseenesest(“Kirjad Ingolile”):
„Sarnane nähtus esineb ilmselt igas kehas, mis on vabalt hõljuvas olekus, nagu ma olen paljudele näidanud; ja saate seda ise kontrollida, asetades veeanumasse ujuva puupalli, mille võtate oma kätesse ja seejärel neid välja sirutades hakkate enda ümber pöörlema; näete, kuidas see pall pöörleb enda ümber teie pöörlemisele vastupidises suunas; see lõpetab oma täieliku pöörlemise samal ajal, kui teie oma.
Galileo tegi tõsise vea, uskudes, et loodete nähtus tõestas Maa pöörlemist ümber oma telje. Kuid ta toob ka muid tõsiseid argumente Maa igapäevase pöörlemise kasuks:
- Raske on nõustuda sellega, et kogu Universum teeb igapäevase pöörde ümber Maa (eriti arvestades kolossaalseid kaugusi tähtedeni); loomulikum on vaadeldavat pilti seletada ainuüksi Maa pöörlemisega. Planeetide sünkroonne osalemine igapäevases pöörlemises rikuks ka vaadeldavat mustrit, mille kohaselt mida kaugemal on planeet Päikesest, seda aeglasemalt ta liigub.
- Isegi tohutul Päikesel on leitud aksiaalne pöörlemine.
Maa pöörlemise tõestamiseks soovitab Galileo mõttes kujutleda, et kahurimürsk või langev keha kaldub kukkumise ajal vertikaalist veidi kõrvale, kuid tema arvutus näitab, et see kõrvalekalle on tühine.
Galileo tegi ka õige tähelepaneku, et Maa pöörlemine peab mõjutama tuulte dünaamikat. Kõik need mõjud avastati palju hiljem.
Galileo Galilei muud saavutused
Ta leiutas ka:
- Hüdrostaatilised kaalud tahkete ainete erikaalu määramiseks.
- Esimene termomeeter, endiselt ilma skaalata (1592).
- Koostamisel kasutatud proportsionaalne kompass (1606).
- Mikroskoop (1612); Tema abiga uuris Galileo putukaid.
Tema huvide ring oli väga lai: kaasatud oli ka Galileo optika, akustika, värviteooria ja magnetism, hüdrostaatika(teadus, mis uurib vedelike tasakaalu) materjalide vastupidavus, kindlustusprobleemid(kunstlike sulgemiste ja tõkete sõjateadus). Üritasin mõõta valguse kiirust. Ta mõõtis katseliselt õhu tihedust ja andis väärtuseks 1/400 (võrdle: Aristoteles – 1/10, tõeline tänapäevane väärtus on 1/770).
Galileo sõnastas ka mateeria hävimatuse seaduse.
Olles tutvunud kõigi Galileo Galilei saavutustega teaduses, on võimatu mitte tunda huvi tema isiksuse vastu. Seetõttu räägime teile tema elutee peamistest etappidest.
Galileo Galilei eluloost
Tulevane Itaalia teadlane (füüsik, mehaanik, astronoom, filosoof ja matemaatik) sündis 1564. aastal Pisas. Nagu te juba teate, on ta silmapaistvate astronoomiliste avastuste autor. Kuid tema järgimine maailma heliotsentrilisest süsteemist viis tõsiste konfliktideni katoliku kirikuga, mis tegi tema elu väga keeruliseks.
Ta sündis aadliperekonnas, tema isa oli kuulus muusik ja muusikateoreetik. Tema kirg kunsti vastu kandus edasi pojale: Galileo õppis muusikat ja joonistamist ning tal oli ka kirjanduslik anne.
Haridus
Alghariduse sai ta kodule lähimas kloostris, õppis kogu elu suure innuga – õppis Pisa ülikoolis arstiteadust ja samal ajal tundis huvi geomeetria vastu. Ülikoolis õppis ta vaid umbes 3 aastat – isa ei saanud enam poja õpingute eest maksta, kuid teade andekast noormehest jõudis kõrgete ametnikeni, teda patroneerisid markii del Monte ja Toscana hertsog Ferdinand I de' Medici.
Teaduslik tegevus
Galileo õpetas hiljem Pisa ülikoolis ja seejärel mainekamas Padova ülikoolis, kus algasid tema teadusliku karjääri viljakamad aastad. Siin tegeleb ta aktiivselt astronoomiaga – leiutab oma esimese teleskoobi. Ta nimetas neli Jupiteri satelliiti, mille ta avastas oma patrooni Medici poegade järgi (nüüd nimetatakse neid Galilea satelliitideks). Galileo kirjeldas oma esimesi avastusi teleskoobiga oma essees “Tähesõnum”, sellest raamatust sai oma aja tõeline bestseller ja Euroopa elanikud ostsid endale kiiresti teleskoobid. Galileost saab Euroopa kuulsaim teadlane, tema auks kirjutatakse oodid, mis võrdlevad teda Columbusega.
Nende aastate jooksul sõlmis Galileo tsiviilabielu, kus tal sündisid poeg ja kaks tütart.
Muidugi on sellistel inimestel lisaks oma järgijatele alati piisavalt pahatahtlikke ja Galileo ei pääsenud sellest. Eriti nördinud olid taunijad maailma heliotsentrilise süsteemi propaganda üle, sest Maa liikumatuse kontseptsiooni üksikasjalik põhjendus ja selle pöörlemise hüpoteeside ümberlükkamine sisaldusid Aristotelese traktaadis “Taevast” ja Ptolemaiose “Almagestis”. ”.
1611. aastal otsustas Galileo minna Rooma, et veenda paavst Paulus V, et Koperniku ideed on katoliiklusega täielikult kooskõlas. Teda võeti hästi vastu ja ta näitas neile oma teleskoopi, andes hoolikaid ja hoolikaid selgitusi. Kardinalid lõid komisjoni, et selgitada, kas patt on vaadata läbi toru taevasse, kuid jõudsid järeldusele, et see on lubatud. Rooma astronoomid arutasid avameelselt küsimust, kas Veenus liigub ümber Maa või ümber Päikese (Veenuse muutuvad faasid rääkisid selgelt teise variandi kasuks).
Kuid inkvisitsiooni denonsseerimine algas. Ja kui Galileo avaldas 1613. aastal raamatu “Kirjad päikeselaikudest”, milles ta võttis avalikult sõna Koperniku süsteemi poolt, alustas Rooma inkvisitsioon Galileo vastu esimest kohtuasja ketserluses süüdistatuna. Galilei viimane viga oli tema üleskutse Rooma väljendada oma lõplikku suhtumist Koperniku õpetusse. Siis otsustas katoliku kirik tema õpetuse keelata selgitusega, et " kirik ei vaidle vastu kopernikaani kui mugava matemaatilise vahendi tõlgendamisele, kuid selle reaalsusena aktsepteerimine tähendaks tunnistamist, et piibliteksti varasem traditsiooniline tõlgendus oli ekslik».
5. märts 1616 Rooma määratleb heliotsentrismi ametlikult ohtliku ketserlusena. Koperniku raamat keelustati.
Kiriku heliotsentrismi keeld, mille tõesuses Galileo oli veendunud, oli teadlasele vastuvõetamatu. Ta hakkas mõtlema, kuidas jätkata tõe kaitsmist ilma ametlikult keeldu rikkumata. Ja ma otsustasin avaldada raamatu, mis sisaldab neutraalset arutelu erinevate seisukohtade üle. Ta kirjutas seda raamatut 16 aastat, kogudes materjale, lihvides oma argumente ja oodates õiget hetke. Lõpuks (aastal 1630) sai see valmis, see raamat - “Dialoog kahe maailma kõige olulisema süsteemi – Ptolemaiose ja Koperniku – üle” , kuid ilmus alles 1632. Raamat on kirjutatud dialoogi vormis kolme teadussõbra vahel: Koperniklane, neutraalne osaleja ning Aristotelese ja Ptolemaiose pooldaja. Kuigi raamat ei sisalda autori järeldusi, räägib Koperniku süsteemi kasuks räägitavate argumentide tugevus enda eest. Kuid neutraalses osalejas tundis paavst ennast ja oma argumente ära ning muutus maruvihaseks. Mõne kuu jooksul keelati raamat ja see eemaldati müügilt ning Galileo kutsuti Rooma, et inkvisitsioon tema üle kohut mõistaks kahtlustatuna ketserluses. Pärast esimest ülekuulamist võeti ta vahi alla. Arvatakse, et tema vastu kasutati piinamist, et Galileot ähvardati surmaga, teda kuulati üle piinamisruumis, kus vangi silme all laotati kohutavaid tööriistu: nahast lehtreid, mille kaudu kallati tohutul hulgal vett. inimese kõht, raudsaapad (need keerati piinatavale jalga), näpitsad luude murdmiseks...
Igal juhul seisis ta valiku ees: kas ta kahetseb ja loobub oma "pettekujutlustest" või tabab teda Giordano Bruno saatus. Ta ei suutnud ähvardusi taluda ja loobus oma kirjutamisest.
Kuid Galileo jäi inkvisitsiooni vangiks kuni oma surmani. Tal oli rangelt keelatud kellegagi Maa liikumisest rääkida. Ja ometi töötas Galileo salaja essee kallal, milles ta väitis tõde Maa ja taevakehade kohta. Pärast kohtuotsust paigutati Galileo ühte Medici villasse ja viis kuud hiljem lubati tal koju minna ning ta asus elama Arcetrisse, kloostri kõrvale, kus olid tema tütred. Siin veetis ta oma ülejäänud elu koduarestis ja inkvisitsiooni pideva jälgimise all.
Mõni aeg hiljem, pärast armastatud tütre surma, kaotas Galileo täielikult nägemise, kuid jätkas teaduslikku uurimistööd, tuginedes oma ustavatele õpilastele, kelle hulgas oli ka Torricelli. Vaid üks kord, vahetult enne tema surma, lubas inkvisitsioon pimedal ja raskelt haigel Galileol Arcetrist lahkuda ja Firenzesse ravi saamiseks elama asuda. Samal ajal keelati tal vanglavalu tõttu majast lahkuda ja arutada "neetud arvamust" Maa liikumise kohta.
Galileo Galilei suri 8. jaanuaril 1642 78-aastaselt oma voodis. Ta maeti Arcetrisse ilma auavaldusteta, ka paavst ei lubanud tal monumenti püstitada.
Hiljem sai ka Galileo ainus lapselaps mungaks ja põletas teadlase hindamatud käsikirjad, mida ta pidas jumalakartmatuteks. Ta oli Galilea perekonna viimane esindaja.
Järelsõna
1737. aastal viidi Galilei põrm, nagu ta soovis, Santa Croce basiilikasse, kus ta 17. märtsil pidulikult Michelangelo kõrvale maeti.
1835. aastal eemaldati heliotsentrismi kaitsnud raamatud keelatud raamatute nimekirjast.
Aastatel 1979–1981 töötas paavst Johannes Paulus II eestvõttel komisjon Galileo rehabiliteerimise nimel ja 31. oktoobril 1992 tunnistas paavst Johannes Paulus II ametlikult, et inkvisitsioon 1633. aastal tegi vea, sundides teadlast jõuliselt loobuma. Koperniku teooria.
Eessõna
Interneti-elanikud - ja see on juba umbes kolmandik inimkonnast - puutuvad sõnaga "teadus" sagedamini kokku kui sõnadega "ema" või "õhk". Pole ka ime: kõik kasutavad Internetis teaduse vilju. Ja peamine teadus Interneti leiutamise taga on füüsika.
Kui nimetada teaduseks kõike seda, mida teisele õpetada saab, siis on selle sugupuu põimunud inimese sugupuuga. Geneetikute sõnul põlvnesid kõik kaasaegsed inimesed ühest naisest, kes elas umbes kaks tuhat sajandit tagasi. Teda kutsuti Mitokondriaalseks Eevaks – Piibli ja pärilikkuse mehhanismiga seotud põhjustel. Geneetilised eelised ja õnn aitasid selle esiema järglastel elada kauem kui tema järeltulijad ja moodustada meie liigi - Homo Sapiens, see tähendab Homo sapiens. Üks meie esiema tugevusi oli ilmselt tema uudishimulik meel.
Aastatuhandete jooksul omandasid uudishimuliku Eve Sapiensi järeltulijad tänu õnnelikele õnnetustele kasulikke teadmisi ja andsid neid koos tööriistade valmistamise tehnikate, kulinaarsete retseptide ja muude rahvatarkuste aaretega edasi uutele põlvkondadele.
Kaasaegne teadus töötab täiesti erinevalt ja see ilmus alles hiljuti Homo sapiens'i ajastu skaalal - vaid neli sajandit tagasi, Suure teadusrevolutsiooni ajastul. Selle peategelased on hästi tuntud – Nicolaus Copernicus, Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton. Selle revolutsiooni põhjustel ja selle mitte-Euroopa analoogide puudumisel pole siiani veenvat seletust. Kuid neli sajandit tagasi toimunu radikaalsus on selge ka seda mõistatust lahendamata – teaduslike teadmiste avardumine ja süvendamine on sada korda kiirenenud.
Einsteini sõnul oli Galileo "kaasaegse füüsika ja tegelikult kogu kaasaegse loodusteaduse isa".
"Ideede draama" - ütles sama Einstein teaduse ajaloo kohta. Teadust eristab võime teha täpseid ennustusi, kuid selle peamised avastused on täiesti ettearvamatud, mis tähendab inimlikku draamat. Need kaks draamat põimuvad teaduselu pöördepunktidel. Räägime sellistest hetkedest. Alustame sellest, kuidas Galileo leiutas kaasaegse füüsika.
1. peatükk
Kuidas Galileo leiutas kaasaegse füüsika?
Archimedesega versus Aristoteles
Galileod nimetatakse mõnikord esimeseks füüsikuks. See pole nii ja ta ise oleks tõenäoliselt vastu. Ta uuris Archimedest hoolikalt ja austas teda väga. Ta oli tõeline füüsik. Kuulus Archimedese seadus kehade ujutamise kohta töötab tänapäevalgi ilma täiendusteta ja on teada igale koolilapsele. Kui Galileo ülikoolis õppis, austati teist vanakreeklast kui esimest ja peamist füüsikut – Aristotelest, kes elas sajand enne Archimedest ja kakskümmend sajandit enne Galileot. Just Archimedes aitas Galileol Aristotelese füüsikas kahelda.
Enne selle dramaatilise kolmnurga mõistmist mõistame erinevust. Kaks tuhat aastat lahutas Galileot tema eelkäijatest, kelle järeldused ta nõustus või vaidlustas. Ja Galileo kaasjärgijad tegid tema järeldused – kontrollisid, selgitasid, parandasid, arendasid – peaaegu kohe. Mida ta leiutas, kui teaduse tempo on nii palju kiirenenud?
Galileo kahtles oma üliõpilasaastatel, kuueteistkümnendal sajandil, mil füüsikat peeti filosoofia osaks, kus valitses Aristoteles. Archimedese teosed toona õppekavasse ei kuulunud ja võib aru saada, miks: ta lahendas vaid üksikuid ülesandeid, põhiküsimustele andis Aristoteles üldised vastused. Lisaks oli Archimedes tollal kummalisel kombel uudne – tema teostest oli ilmunud mitte kaua aega varem raamat, kuid Aristotelest oli ülikoolides sajandeid uuritud, pealegi Püha Thomas Aquino õnnistusega.
Aristoteles (fragment Raphaeli freskost, 1509) ja Archimedes (D. Fetty, 1620). Galileo oleks võinud mõlemat pilti näha.
Üliõpilase Galileo jaoks ei kõlanud üldfilosoofilised vastused veenvalt ja nimede autoriteet ei muutnud suurt midagi. Matemaatika oli palju veenvam ja huvitavam, kuigi seda oli õppekavas vähe. Üliõpilane hakkas otsima mõtteainet väljaspool programmi ja väljaspool ülikooli. Ja ta leidis Archimedese raamatu, olles selle saanud professionaalselt matemaatikult, kuid samast raamatust leidis Galileo lisaks kaunitele teoreemidele matemaatiliste figuuride kohta väiteid reaalsete nähtuste kohta - kangi toimimise, raskuskeskme kohta. , ujumisest. Need väited ei olnud vähem veenvad oma matemaatilise täpsuse poolest ja pealegi sai neid katseliselt kontrollida.
Galileo tegi oma esimese leiutise Archimedese kuulsaima probleemi mulje all. Kuningas seadis ülesande paika, kui sai juveliirilt tellitud kuldse krooni. Kuningas jäi toote kujuga üsna rahule ja kroon kaalus nii palju kui pidi, aga kas juveliir ei asendanud osa kullast hõbedaga? Selle kahtlusega pöördus kuningas Archimedese poole. Legendi järgi jõudis probleemile lahendus vanni kastetud meheni ja tema rõõmus hüüatus "Eureka!" on nüüd teada isegi neile, kes ei tea, et kreeka keeles tähendab see "leitud!" Leitud lahenduse olemus seisneb Galileo sõnul võrrelda krooni ja sellega võrdse kaaluga kullakangi, asetades need vette kastetud kaaludele: kui valuplokk kaalub vees krooni üles, tähendab see juveliiri pettust.
Nii toimib Archimedese suur seadus ehk täpsemalt Archimedese üleslükkejõud ehk veelgi täpsemalt üleslükkejõudude erinevus. Ja selleks, et mõõta sellist erinevust täpse täpsusega (ja samal ajal juveliiride ausust), tuli 22-aastane Galileo välja spetsiaalsed kaalud, mille skaala oli traadi kujul, mis oli ühtlaselt rõngastega keritud. nookurvarre käsi. Koht, kuhu peate kaalu kinnitama nii, et see oleks tasakaalus, näitab rõngaste arvu ja mõõdetud väärtuse väärtust.
Kaasaegse füüsika rajaja tagasihoidlik algus?
Mitte nii tagasihoidlik. Galileo ühendas oma leiutises teoreetilise seaduse matemaatilise täpsuse füüsikalise mõõtmisega – ühendades kaks kaasaegse füüsika peamist tööriista.
Ja vaevalt saab seda alguseks nimetada. Mitte ainult sellepärast, et noor Galileo oli juba lahendanud teised Archimedese probleemid. Isiksuse algus on maailma- ja enesevaate kujunemine lapsepõlves. Noorel Galileol vedas isa, kes oli osav muusik ja muusikateoreetik, kes õppis ka muusikat kui loodusnähtust.
Isegi Vana-Kreeka Pythagoras kuulas keelpillide heli sõltuvalt nende pikkusest ja tegi hämmastava avastuse: kui keelte pikkused on omavahel seotud nagu täisarvud 1:2, 2:3, 3:4, siis on nende kombineeritud kõla harmooniline. Pythagoras üldistas oma avastuse põhimõttele "Kõik on arv", kuulutades matemaatika võtmerolli maailma struktuuris. Mis puudutab muusikalist harmooniat, siis Pythagoreanide ajast arvati, et "harmoonilised" numbrid peaksid olema väikesed. Galilei isa usaldas aga kaashäälikute hindamisel oma kõrvu ja avastanud, et suhe 16:25 tekitab ka eufooniat, lükkas autoriteetse arvamuse julgelt tagasi. Ja poeg sai isalt tõe otsimise õppetunni, milles said kokku eksperiment, matemaatika, mõttevabadus ning usaldus oma tunnete ja mõistuse vastu.
Tulevasel füüsikul vedas isaga mitte ainult selles osas. Tema isa maksis tema hariduse eest, lootes, et tema vanimast pojast saab arst ja ta aitab tal nende suurt perekonda ülal pidada - muusiku sissetulekutest piisas napilt. Võib ette kujutada isa kurbust, kes sai teada, et poeg süvenes arstitarkuse asemel matemaatikasse, mis ei tõotanud mitte mingit praktilist ametit ja seega ka usaldusväärset sissetulekut. Enne otsuse tegemist vestles isa aga matemaatikuga, kes pojale raamatud kinkis. Matemaatik veenis teda, et tema pojal on anne, mis väärib toetust. Isa võttis kuulda matemaatiku argumente ja poja kutset. Ja poeg õigustas usaldust - pärast isa surma sai temast pere tugi ja pealegi ülistas nende perekonnanime.
Tee maailmakuulsuseni algas kahtluste ja ebaõnnestumistega.
Kahtlused tekkisid tema tudengiaastatel, kui Galileo õppis Aristotelest. Esmapilgul pole Archimedes võrreldav Aristotelesega, kuna ta sai oma tulemused kitsa nähtuste spektri kohta. No mis on võimenduse seadus?! Isegi sõna "seadus" kõlab siin kohmakalt. Kes ei saaks aru, et nookuri koormused on tasakaalus, kui käe koormuse suuruse korrutis on mõlemal küljel sama?! Jah, selle lihtsa seaduse abil leidis Archimedes matemaatiliselt arutledes kavalate kujundite raskuskeskmed. Aga tulemust saab kontrollida, riputades kuju teoreetiliselt leitud raskuskeskme külge ja vaadates, et see ei liiguks. See on juba füüsika ja üldiselt tähendab see matemaatilist füüsikat. Ja ometi uuris Archimedes vaid mõnda loodusnähtuste lõpmatust mitmekesisusest. Ta ei pretendeerinud maailma ülesehituse selgitamisele. Ta lubas maailma ehk maakera pöörata vaid siis, kui talle antakse õige toetuspunkt ja tugev hoob.
Aristoteles ei piiranud oma ambitsioone – ta kirjutas maisest ja taevasest, elavatest ja elututest asjadest, eetikast ja poliitikast ning lõpuks füüsikast ja metafüüsikast. Sõna "füüsika" võttis kasutusele Aristoteles ise, tuletades selle kreekakeelsest sõnast "loodus". Kuid sõna "metafüüsika" võttis kasutusele Aristotelese teoste kirjastaja, nimetades köidet "Füüsika" kõrval, Mida " meta-füüsika” ja tähendab kreeka keeles. Tegelikult räägib Aristoteles seal sellest enne-füüsika või esimese filosoofia kohta - mis tahes teadmiste kõige üldisemate aluste kohta.
Selline laius on hingemattev. Kuid laius ei nõua sügavust, nagu näitab Aristotelese füüsika. Sajandeid peeti seda teaduse tipuks. Sellise pikaajalise autoriteedi üheks põhjuseks on selle teaduse kokkusobivus igapäevase terve mõistusega. Aristoteles näiteks lükkas tagasi mõtte, et loodus koosneb nähtamatutest aatomitest, mis liiguvad ja vastastikku toimivad tühjuses – kuna keegi pole aatomeid näinud, tähendab see, et neid pole olemas, nagu pole ka tühjust. Tegelikult ta ei uurinud loodust, vaid viis selle kirjeldamisse korra, toetudes oma tervele mõistusele. Ja jõudsin järeldusele, et liikumised taevas ja maa peal on põhimõtteliselt erinevad. Taevases maailmas on igasugune liikumine loomulik, igavene ja ringikujuline. Maises maailmas on vägivaldne liikumine jõuga määratud ja loomulik liikumine lakkab kindlasti varem või hiljem. Aristoteles uskus, et kehad on oma olemuselt rasked või kerged: raske keha liigub loomulikult allapoole ja kerge keha, nagu tuli või suits, liigub loomulikult ülespoole. See tundub usutav, kui te ei vaata füüsilisi nähtusi eriti tähelepanelikult.
Galileo vaatas, kasutades mudelina Archimedese täpset füüsikat. Ja ta juhtis tähelepanu Aristotelese väitele, mis väidab end olevat täpne: "Raskem keha kukub sama palju kordi kiiremini kui kergem, see on mitu korda raskem." See fraas andis Galileole toetuspunkti, millega ta pööras teaduse ja isegi maailma ajaloo kulgu.
Kuidas Galileo ajaloo kulgu pööras
Aristotelese ümberlükkamine polnud keeruline. Jälgides sama suurusega, kuid erineva kaaluga kuulide kukkumist, ütleme kümme korda, on hästi näha, et kukkumise aeg ei erine kümnekordselt. Näib, et Galileo aimas juba oma kahtluste alguses, et kukkumise kiirust ei määra gravitatsiooni erinevus ise. Küsimus oli: mis määrab?
Peame avaldama austust ka Aristotelesele, keda ei peeta põhjuseta üheks suurimaks mõtlejaks. Ta oli esimene, kes selle küsimuse esitas. Seega julgesin soovitada, et sellisele küsimusele saab vastata. Vastus oli vale, aga juba oli, millest edasi ehitada. Galileo kahtlustas ebakorrektsust arutluskäigu tasandil. Kui kukkumise kiirus on võrdeline keha raskusjõuga, siis kui jagate keha mõtteliselt või tegelikult kaheks osaks ja jätate osad üksteise lähedusse, peaksite eeldama, et iga osa langeb aeglasemalt kui tervik. Absurdne järeldus näitab, et Aristoteles eksib, kuid sellest ei järeldu sugugi, et küsimus ise on õige, et sellele on võimalik kindel vastus. Aristotelese õigustamiseks võime öelda, et ta rääkis kehade kukkumisest, mis erinevad ainult gravitatsiooni poolest. Aga pigem... tal lihtsalt... polnud aega. Tema jaoks oli kehade kukkumine vaid üks probleem ühes paljudest teadustest, mida ta õppis. Tema peamiste saavutuste hulka kuulub loogika kui mõtlemise distsipliini loomine. Üliõpilasaastatel läbisid Galileo ja kõik selle ajastu teadusinimesed tema loogikakoolist. Vaadates Aristotelest meie ajast, võib öelda, et võimas mõtleja klammerdus liiga tugevalt oma "terve mõistuse külge", tuginedes, nagu tavaliselt, omaenda eluvaatlustele. Ja edasi saab liikuda mitte ainult maapinnale oma jalge all, vaid ka tiibade all olevale õhule toetudes, nagu seda teevad linnud. Siis võid ületada näiteks väga soise maatüki. Galileo leiutas tegelikult sellise tiivulise toetusmeetodi teadusliku tõe otsimisel.
Galileo Galilei portree. Kunstnik Ottavio Leoni, 1624 G.
Galilei teaduslikud ambitsioonid ei jäänud alla Aristotelesele, kuid ta püüdles mitte niivõrd laiuse kui sügavuse ja kõrguse poole. Ta ei väitnud, et valdab kõiki teadusi, kuid ta uskus, et kogu Universumi füüsika – nii alam- kui ka kuuülese – füüsika aluseks on teatud üldised põhiseadused ning ta uskus, et suudab välja mõelda vaba langemise seaduse. . Selle väljaselgitamiseks kulus aastakümneid uuringuid. Ja nende tulemuste veenvaks esitamiseks kulus rohkem aastaid.
Tema peamine avastus oli see vaakumis langevad kõik kehad, olenemata nende raskusjõust, ühesuguse kiirusega, kuid selle kiiruse ei määra mitte kiirus ise, vaid kiiruse muutumise kiirus ehk kiirendus. Ta kirjutas, et tema tulemused on nii uued ja esmapilgul nii kaugel tõest, et kui [ta] poleks leidnud viise, kuidas neid valgustada ja muuta need päikesest selgemaks, siis ta pigem vaikib neist kui väljendab neid. ”
Peamine uudsus peitub "tühjuses". Vähe sellest, et tühjust Aristotelese järgi ei ole ega saagi eksisteerida, nagu ta mitmel moel “tõestas” (näiteks öeldes, et “tühjus” on “mitte midagi” ja miski ei vääri mingit diskussiooni). Veelgi olulisem on see, et Galileo ei näinud kunagi tühjust – mitte üheski oma katses. Kuidas ta sai temast midagi teada?!
See oli keerulisem kui lihtsalt Aristotelese vana seaduse ümberlükkamine otsese kogemuse ilmselge tulemuse põhjal. Ja Aristoteles toetus tõenditele. Ja Galileo teadis, et "enamik inimesi, isegi hea nägemisega, ei näe seda, mida teised avastavad uurimise ja vaatluse kaudu, eraldades tõe valest ja mis jääb enamusele varjatuks."
Nii kirjutas Galileo oma viimases raamatus, olles tark poole sajandi pikkuse teadusliku mõtlemise ja katsetamise kogemuse poolest. Kuid kui ta, 25-aastane, oma uurimistööd alustas, lootis ta lihtsale otsesele testile – mitte niivõrd Aristotelese kui tema enda hüpoteesi testile.
Archimedese füüsikast inspireerituna soovitas Galileo, et kukkumiskiirust, nagu ka ujuvust, ei määra mitte keha kaal, vaid selle tihedus, see tähendab ruumalaühiku kaal. Kui võtta kaks ühesuurust puidust ja pliist valmistatud palli ning need vees käest lasta, siis puidust pall mitte ainult ei lange aeglasemalt kui pliipall, vaid hakkab tõusma. Mis siis, kui lased neil õhku kukkuda? Selgus, et puupall oli algul juhtpallist veidi ees, kuid siis jõudis raske järele ja möödus sellest. Galileo jäädvustas selle oma käsikirjas “On Motion”, mida... ta ei avaldanud – tema katse tulemus lükkas ümber nii Aristotelese seaduse kui ka tema enda hüpoteesi. Siin tuli mõelda.
See kummaline käsitsi kirjutatud tulemus ajendas üht kuulsat ajaloolast väitma, et Galileo ei teinud sellist eksperimenti üldse; see oli väidetavalt retooriline vahend. Meie ajal katset aga korrati ja tulemus langes kokku Galilejeviga. Seletus polnud füüsiline, vaid füsioloogiline. Rasket palli hoidev käsi pigistab seda tugevamini kui teine kerget palli hoidev käsi ning peast käskluse saamisel kulub rasket palli hoidva käe vabastamiseks veidi kauem aega. Seetõttu hakkab valguspall langema “natuke” varem.
Vaevalt võis Galileo oma käte sellist kohmakust aimata, ta mõtles füüsikale. Ma mõtlesin sellele kümme aastat ja sain aru, et vabalangemist poleks võimalik otseselt uurida - see juhtub liiga kiiresti. Kui pall kukub väikeselt kõrguselt, pole sul aega silma pilgutada, veel vähem seda mõõta. Ja suurelt kõrguselt kukkudes omandab pall suurema kiiruse ja seetõttu suureneb õhutakistus. Kes on lehvikut käes hoidnud, see teab: mida kiiremini lehvitad, seda raskem on.
Galileo pakkus välja kaks võimalust vaba langemise aeglustamiseks.
Üks on pallide viskamine kaldtasapinnast alla. Mida väiksem on kaldenurk, seda pikendatud on liikumine ja seda lihtsam on uurida. Aga kas allarullumist saab nimetada vabalangemiseks? Sa võid seda nimetada kuidas tahad. Olulisem on tõeline füüsiline suhe. Mida sujuvam on tasapind, seda vabam on liikumine. Ja mida suurem on kaldenurk, seda enam meenutab liikumine kukkumist, muutudes tasapinna vertikaalseks muutumisel korrapäraseks kukkumiseks. Selliseid katseid kaldtasandiga tehes veendus Galileo esmalt, kui vale oli tema esialgne hüpotees. Lõppude lõpuks eeldas ta, et iga keha langeb teatud konstantse kiirusega, mis viitab sellele, et kiiruse mõõt on ajaühikus läbitud vahemaa. Ta võis ainult nii mõelda, sest tavaline vabalangemine kestab liiga lühikest aega. Piki õrna kaldega tasapinda liikumist pikendades on kergem märgata, et liikumise alguses liigub keha aeglasemalt kui lõpus. Kas see tähendab, et liikumiskiirus suureneb?
Mis see ikkagi on? kiirus? Tavakeeles on see - kiirus, kiirus, ja kui veel kiiremini, siis võib öelda välgukiirus ja isegi hetkelisus. Kõik need sõnad igapäevakeeles on sünonüümid. Kuid teaduskeeles - selle väidete määratluseks ja nende katseliseks kontrollimiseks - on vaja selgelt määratletud sõnu - teaduslikke mõisteid. Näite sõnade selgest määratlusest tõi matemaatika, kuid ainult näite: matemaatikas pole aega, liikumist, kiirust, gravitatsiooni. Oma uue sõna ütlemiseks teaduses on sageli vaja teadusesse uusi sõnu ja mõisteid juurutada. Teaduslikud kontseptsioonid puudusid eriti siis, kui Galileo alustas kaasaegset füüsikat. Ta pidi selgitama, et kiirus on asendi muutus ajaühikus. Ja kiirendus on kiiruse muutus ajaühikus. Peab ütlema, et siis oli aja täpne mõõtmine omaette probleem. Galileo kaalus aega: avas veejoa alguses ja sulges mõõdetud intervalli lõpus ning tegi kaalul kindlaks, kui palju aega oli möödunud. Kaalud olid tollal kõige täpsem instrument.
Teine võimalus vaba langemise uurimiseks sündis Galileost kirikus, kuid mitte seoses Eeva langemisega. Jumalateenistuse ajal avastas ta preestrit vaadates hämmastava nähtuse. Üleval rippus lühter ja kõikus - vastavalt tõmbe tahtele - nüüd tugevamalt, nüüd nõrgemalt. Galileo võrdles üksikute kõikumiste kestust, mõõtes aega omaenda pulsi löökide järgi ja leidis, et lühtri suur vibratsioon kestab sama kaua kui väike. Siit sai alguse tema uurimine pendli kohta, mis on mis tahes niidil rippuv raskus. Galileo jälgis pendli võnkumisi, muutes raskusi, nööri pikkust ja esialgset läbipainde.
Kaht pendlit korraga vaadeldes kinnitas ta veenvalt oma kiriklikku vaatlust. Kui võtta kaks identset pendlit, pöörata raskused erinevate nurkade all veidi kõrvale ja need lahti lasta, siis pendlid võnguvad ajas, täiesti sünkroonselt: väikese võnke periood on sama, mis suurel. Noh, "kui mõnest talast langetate kaks võrdse pikkusega nööri, kinnitate ühe otsa pliipalli ja teise otsa puuvillapalli, painutage mõlemat võrdselt ja jätate need siis endale"? Võnkeperiood on jällegi sama, kuigi võnke amplituud väheneb kerge palli puhul kiiremini. Kergemate kehade liikumisel on meediumi takistus rohkem märgatav. See on selge, kui võrrelda liikumisi õhus ja vees: „marmormuna vajub vette sada korda kiiremini kui kanamuna; kahekümne küünart kõrguselt õhku kukkudes on see kanamunast vaevalt neli sõrme eespool. Pendli vaba kõikumine ei ole väga sarnane vabalangemisega, kuid mõlemad on määratud gravitatsiooniga. Ja kui võnkumiste kõikumine väheneb, väheneb pendli kiirus ja seetõttu väheneb ka keskkonna takistuse roll.
Galileo võttis oma katsete ja arutluste tulemused kokku uues loodusseaduses: vaakumis langevad kõik kehad vabalt ühesuguse kiirendusega.
Kuidas on lood kuulsa looga sellest, kuidas Galileo väidetavalt Pisa tornist palle kukkus? Ja seda väidetavalt jälgiv teaduspublik tundis kohe pärast erinevate kuulide samaaegset maandumist ära Galilei võiduka võidu Aristotelese üle.
See on legend. Sellist triumfi polnud. Ja erinevad pallid ei saanud õhutakistuse tõttu korraga maanduda. Ja meie õppinud kolleegid, välja arvatud väheste eranditega, kaitsesid Aristotelese autoriteeti, keda nad olid õppinud õpilastena ja õpetanud uutele põlvkondadele. Just tema ideede tagasilükkamine ajendas Galileod lisaks kaasaegsele füüsikale tegelema ka populaarteadusliku kirjandusega. Tema peamised raamatud toimuvad kolme tegelase vestluste vormis. Üks – Simplicio – esindab Aristotelese austajate seisukohti. Teine – Salviati – on sõltumatu uurija, sarnane Galileiga. Ja kolmas – Sagredo – näeb välja nagu mõistlik inimene, kes võib-olla pole teaduses kogenud, kuid on valmis kuulama mõlemat vastast ja esitama täpsustavaid küsimusi, enne kui otsustab, kellel on õigus. Just sellistele lugejatele kirjutas Galileo. Nende huvides vahetas ta ladina keele - tollase õppekeele - üle elava itaalia keele vastu, et rääkida ideede draamast, milles ta ise osales, nende pimedast enesekindlusest, kellele kõik on selge, kahtluse vaim tõe otsimisel ja tõeliste loodusseaduste kehtestamise meetodite osas.
"Kalva torni" lugu rääkis esmakordselt Galileo õpilane eluloos, mis oli kirjutatud kümme aastat pärast õpetaja surma ja pool sajandit pärast väidetavaid katseid. Üliõpilane oli füüsik, mitte ajaloolane ja teaduse juurde jõudes oli juba täiesti selge, kellel on õigus. Ta näis nägevat Galilei autobiograafilisi tõendeid tema kirjandusliku iseloomu sõnades:
Salviati. Aristoteles ütleb, et "sada naela kaaluv pall, mis kukub saja küünra kõrguselt alla, jõuab maapinnani enne, kui ühekilone pall on ühe küünart läbinud." Väidan, et nad jõuavad kohale samal ajal. Eksperimenti tehes näete, et kui suurem jõuab maapinnale, jääb väiksem kahe sõrme laiuselt maha. Aristotelese üheksakümmend üheksat küünart ei saa nende kahe sõrme taha peita.
Galileo ise ei väitnud kunagi, et oleks Pisa tornist palle kukkunud. Tema jaoks oli uus vabalangemise seadus palju olulisem kui vana ümberlükkamine. Ja pallide liikumine kaldtasandil ja väikesed pendlivõnked olid palju veenvamad kui suurejoonelised avalikud demonstratsioonid.
Esimene kaasaegne füüsik?
Saabus hetk, mil lugeja nagu Sagredo, kes on Galileot uue seaduse avastamise puhul õnnitlenud, küsib: kuidas see nii erineb Archimedese seadusest ja kuidas Galileo õigupoolest vääris tiitlit "kaasaegse füüsika isa" ?
Archimedese seaduse eelis on ilmne. Ujumine on praktiliselt oluline nähtus, vabalangemine aga haruldane, lühiajaline ja... saatuslik nähtus. Keda huvitab täpselt teada, mitu sekundit kulub katuselt maapinnale kukkumiseks?! Lisaks annab Galilei seadus täpse väärtuse ainult tühjuse langusele, mida sel ajal keegi ei näinud ja Galileo ei võtnud õhu mõju arvesse.
Galileo panust selgitades öeldakse, et ta pani aluse eksperimentaalsele või eksperimentaal-matemaatikateadusele, et ta “matematiseeris” looduse ja leiutas “hüpoteetilise-deduktiivse” meetodi. Kõik need väited kehtivad aga Archimedese kohta, kelle raamatuid Galileo uuris ja keda ta nimetas "kõige jumalikumaks". Füüsik Archimedes oli ka suur matemaatik ja insener-leiutaja ning hüpotees ja loogiline deduktsioon toimisid mõtlemisvahenditena juba enne Archimedest. Pealegi jäid nii Galilei katsed kui ka tema kasutatud matemaatika Archimedese puhul võimaliku piiridesse.
Mis tegi Galileost "kaasaegse füüsika isa", nagu Einstein ütles, või lihtsamalt öeldes esimese kaasaegse füüsiku? Lugeja, kes soovib sellele küsimusele ise vastust leida, peaks mõtisklema tühjuse vaba langemise seaduse üle ja arvestama, et Galileo ei teinud katseid tühjuses – ainult õhus ja vees.
Pärast Galileo surma õppis tema õpilane Torricelli looma (peaaegu täieliku) tühjuse, nimega "Torricelli". Selleks vajate elavhõbedaga täidetud, näiteks umbes meetri pikkust katseklaasi. Katseklaasi tagurpidi keerates ja selle lahtise otsa elavhõbedaga anumasse langetades saame umbes 24 sentimeetrit tühjust katseklaasi põhja lähedal, mis asub üleval (kui õhurõhk on normaalne - 760 mm Hg) . Sellises tühjuses kukuvad tükk kohevust ja münt täpselt samamoodi.
Kolm sajandit hiljem, 1971. aastal, nägid sarnast pilti miljonid televaatajad, kui Apollo 15 kuuekspeditsioonis osaleja, astronaut Dave Scott, lasi oma teleriekraanidel Kuu pinnal välja haamri ja sulg tema kätest ja nad maandusid Kuule samal ajal - täiesti kooskõlas Galilei seadusega, kuna seal pole õhku. Selle Kuu katse aruanne kestis vaid 40 sekundit:
Niisiis, mul on vasakus käes sulg ja paremas käes on haamer. Üks põhjusi, miks me siia tulime, on tingitud Galileo-nimelisest härrasmehest, kes juba ammu tegi olulise avastuse kehade kukkumise kohta gravitatsiooniväljadesse. Arvasime, et parim koht selle avastamiseks on Kuu. Nüüd lasen pliiatsi ja haamri lahti ja loodetavasti jõuavad nad sama ajaga pinnale... See on kõik!.. [aplaus Houstonis]<…>mis tõestab, et hr Galileol on õigus.
Ühinedes Houstonis toimunud aplausiga, märgib teadusajaloolane, et Galileol polnud "gravitatsiooniväljade" mõistet, vaid ta rääkis lihtsalt vabast langemisest. Ja füüsikute jaoks kinnitasid Galilei seadust täielikult pendli väikesed võnked, kuna nende periood ei sõltu sellest, milline koormus niidil ripub.
Tühjus oli esimene oluline" Mitte-visuaalne” mõiste füüsikas. Siis ilmusid teised - universaalne gravitatsioon, elektromagnetväli, aatomid, elektronid, valguskvandid... Keegi ei näinud ega puudutanud neid, kuid ainult nende armastatud kontseptsioonide põhjal said võimalikuks tehnilised leiutised, mis muutsid igapäevaelu. Kaasaegsed füüsikud kasutavad neid mõisteid sama enesekindlalt kui kõige levinumaid sõnu "laud" ja "tool", "armastus" ja "sõprus".
Galileol aitasid fundamentaalset füüsikat leiutada tema loomulikud anded ja usk maailma tunnetamisse, universumi põhiolemusse.
Nüüd, mil teadus ja sellel põhinev tehnoloogia on saavutanud hiiglaslikke edusamme, näib maailma tunnetatavus ilmselge, kuid enne kõiki neid õnnestumisi – kuueteistkümnendal sajandil – oli olukord hoopis teine. Sel ajal ei tunnustatud seaduste jõudu looduses sugugi üldiselt. Galileo mõtete algusest ja esimestest katsetest kuni tema töö tulemuste avaldamiseni möödus umbes pool sajandit. Pool sajandit järjekindlat tõeotsingut – ja nii lihtne seadus, “a no brainer”, nagu ütlevad tänapäeva koolilapsed.
Ja Galileo uskus, et "ta avas ainult uurimistee ja -meetodid, mida läbinägelikumad meeled kasutavad, et tungida tohutu ja suurepärase teaduse kaugematesse piirkondadesse" ja et "sel viisil saavad teadmised hõlmata kõiki teaduse valdkondi. looduslik fenomen."
2. peatükk
Esimene astrofüüsik universumis
Galilei kaasaegsed oleksid olnud väga üllatunud, kui said teada, et tema astronoomilisi avastusi tema peamise teadussaavutuse loos ei mainita. Avastused on tõepoolest suurepärased, kuid neid ei teinud mitte astronoom, vaid astrofüüsik Galileo, kõige esimene astrofüüsik ja ammu enne selle sõna ilmumist. Teine oli Newton. Ja õigem oleks nimetada nende kaasosalisi Suures Teadusrevolutsioonis - Kopernikuks ja Kepleriks astromatemaatikud, ja kaugeltki mitte esimene: astronoomia on ammusest ajast tuginenud matemaatikale. Astronoom püüab tähistaevas toimuvat täpselt kirjeldada ja füüsik tahab vaadeldavat seletada eksperimentaaluuringutele ligipääsetavatel põhjustel. Räägime kahest vastastikku viljakast, kuid erinevast maailmavaatest ja iga vaade võib ühes olukorras viia eduni, teises aga piinlikkuseni.
Enne kui räägime esimese astrofüüsiku tähelepanuväärsetest avastustest ja väärarusaamadest, meenutagem pilti universumist sellisena, nagu astronoomid seda tollal nägid.
Astronoomilised maalid
See pilt pärines antiikajast ja seda kutsuti Ptolemaiose maailmasüsteemiks, mis sai nime tolleaegse teadmised kokku võtnud astronoomi järgi. Raamatutes, millest Galileo õppis, kujutati seda maailmapilti kontsentriliste ringidena, mille keskmes olev väikseim ring tähistab Maad. Seda süsteemi nimetatakse geotsentriliseks, kuna selle keskmes on Gaia, mis kreeka keeles tähendab Maad. Professionaalid muidugi teadsid, et see lame pilt lihtsustas Ptolemaiose kolmemõõtmelist kujundust, mis polnud isegi täiesti geotsentriline: Maa ei asu mitte päris keskel, vaid sellest teatud kaugusel. Tühja keskpunkti ümber on kaheksa kontsentrilist taevasfääri. Välissfääril on lugematu arv fikseeritud tähti ja ülejäänutel on tähed üksikult. uitamine, kreeka keeles planeedid: Merkuur, Veenus, Marss, Jupiter ja Saturn ning kaks valgustit – Päike ja Kuu. Iga sfäär pöörleb ümber oma telje oma kiirusega. Fikseeritud tähtede sfäär pöörleb tervikuna ja teeb täpselt ühe pöörde päevas. Ja planeedid liiguvad kavalamal viisil - igaüks on kinnitatud teatud väikesele sfäärile, mida nimetatakse "epitsükliks", mille keskpunkt on kinnitatud selle suure taevasfääri külge. Seega osaleb iga planeet korraga kahes pöördes. Kõik suured ja väikesed kerad on täiesti läbipaistvad ja kuidagi ei sega üksteist.
Nende kavalate korralduste ja pöörlemiste põhjused asendati viitega Aristotelesele, kelle sõnul erinevad taevanähtused maistest põhimõtteliselt: taevas on kõik valmistatud erilisest taevasest materjalist - eetrist ja kõik taevased liikumised on ringikujulised. Ja kogu taevastruktuuri ainsaks ülipõhjuseks kuulutati selle Looja.
Kuidas inimesed selle seadme ära tundsid ja kas see vastab tegelikkusele? Sellele oleks kuueteistkümnenda sajandi astronoom vastanud, viidates Ptolemaiose jumalikule geeniusele ja võimele tema süsteemi abil arvutada välja taevakehade asukoht igal ajahetkel. Sellisteks arvutusteks polnud aga vaja ei eetrit ega Jumalat, piisas ainult planeetide asukohast antud ajahetkel, taevasfääride raadiuste ja pöörlemiskiiruste teadmisest. Nii ennustasid nad päikese- ja kuuvarjutust ning selgitasid planeetide kummalisi retrograadseid liikumisi, mil planeet peatub ja liigub vastassuunas.
Ptolemaiose süsteem teenis astronoomid hästi palju sajandeid, enne kui kuueteistkümnenda sajandi keskel pööras Kopernik selle pea peale, nagu arvas enamik kolleege, või pea peale, nagu vähesed arvasid. Kopernik küsis sisuliselt, milline näeb tähistaevas välja Päikese poolt vaadatuna. Ja ta vastas heliotsentrilise süsteemiga, kirjeldades liikumisi taevas sama täielikult kui Ptolemaiose süsteemi. Kopernik kasutas kirjeldamiseks sama meetodit – suured ja väikesed taevasfäärid, ainult et tema paigutas keskele Päikese, mitte Maa. Pilt taeva liikumistest muutus kardinaalselt: fikseeritud tähtede kera ise muutus liikumatuks, Maa pöörles ümber oma telje ja ümber Päikese, muutudes üheks Päikese ümber pöörlevatest planeetidest. Vaid Kuu jäi oma varasemasse rolli – seegi tiirles ümber Maa. Ja pilt Maalt vaadeldavast taevast jäi muidugi samaks. Ainult astronoomid mõistsid, et see tegelikult vaadeldud pilt arvutati kahe erineva matemaatilise teooria abil.
Koperniku süsteem erineb Ptolemaiose süsteemist niivõrd, et väga algne idee tundub arusaamatu: vaadelda universumit päikese vaatenurgast. Näib, et Kopernikut aitas humanitaarharidus. Ta oskas suurepäraselt vanakreeka keelt ja Ptolemaiose teos oli tema jaoks vaid üks iidsetest raamatutest. Teistest raamatutest teadis ta iidse kreeklase Aristarhose Samose kohta, kes suutis kvantifitseerida Päikese suuruse, mis on palju suurem kui Maa suurus, ja tegi ettepaneku, et Maa tiirleb ümber Päikese – väike ümber suure. üks. Ptolemaiose, nagu ka teiste iidsete astronoomide jaoks ei kaalunud see argument üles Maa ilmset liikumatust ja ta ei kaalunud isegi heliotsentrilist ideed. Miks ja kuidas otsustas Kopernik seda ideed uurida, miks tema intuitsioon nii kummalistesse kõrgustesse tõusis, ta ise ei selgitanud. Selge on see, et suures Ptolemaioses nägi ta kolleegi, mitte eksimatut geeniust.
Heliotsentrilise idee uurimiseks pidi Kopernik tegema palju tööd: kirjeldama üksikasjalikult heliotsentrilise süsteemi ülesehitust, et oleks võimalik välja arvutada mis tahes planeedi asukoht. Ta tegi oma süsteemist mitmeid märkimisväärseid tagajärgi: planeedid lakkasid "taganemast", orbiidid olid peaaegu ümmargused ja pöördeperioodid muutusid Päikesest kaugemaks. Pärast paljude aastatepikkust tööd viivitas ta avaldamisega kaua. Astronoomilisi eeliseid - esiteks planeetide retrograadsete liikumiste puudumist - ei antud asjata: Koperniku süsteemis liigub Maa koos oma elanikega tohutu kiirusega - tuhandeid kilomeetreid tunnis. Hind oli taevahuvilistele liiga kõrge ainult homse ilma jaoks: kuidas saab nii hullu kiirusega märkamatult kihutada?! Hind oli liigne ka haritud inimestele, kes ei soovinud oma haridust parandada.
Siiski oli ka teisi.
Esimesena nimetati Tycho Brahe, kes pälvis oma vaatluste arvu ja täpsuse eest tiitli "Astronoomide kuningas". Ta aktsepteeris Koperniku süsteemi ja... astus sammu vastupidises suunas, mis ei mõjutanud kuidagi arvutusi ja vaatlusi, kuid tühistas Maa kiiruse. Ta tegi ettepaneku vaadata maailma Koperniku süsteemis Maalt. Siis on Maa taas Universumi liikumatu kese ja pöörleb Päike, mille ümber tiirlevad kõik teised planeedid. See oli geotsentrilisest vaatepunktist heliotsentriline süsteem. Astronoom-vaatleja ei tundnud piinlikkust, et ümber Maa tiirles midagi palju suuremat. Nii nagu Kõigevägevam lõi universumi, nii see pöörleb. Kui Copernicani süsteemi võrrelda lugupidamatult üleskeeratava mänguautoga, siis võib öelda, et Tycho Brahe hoidis üleskeritud autot rattast õhus: ratas ei liikunud, vaid auto pöörles selle ümber. See on ebamugav, kuid see on sama mänguasi.
Ptolemaiose geotsentriline süsteem, Koperniku heliotsentriline süsteem ja Tycho Brahe geoheliotsentriline süsteem.
Astromatemaatik Kepleri jaoks kaalus Koperniku süsteemi matemaatiline harmoonia üles kõik maised probleemid. Ja astrofüüsik Galileo jaoks oli kõige huvitavam küsimus just maapealne küsimus: miks on planeetide liikumine märkamatu? Mõlema jõupingutuste kaudu avardus ja süvenes Koperniku maailmapildi sisu. Ja selle ootamatu "kõrvalsaadus" oli kaasaegse teaduse sünd. Seetõttu peetakse Koperniku tööd teadusrevolutsiooni alguseks.
Sellest revolutsioonist osavõtjad meie valgustatud tulevikust nähtuna ei eristanud oma kaotusi võitudest, nagu soovitas poeet Pasternak. Ja nad tegid õigesti. Teaduse ajaloos ei piisa tavaliselt inimelust, et selgelt eristada lüüasaamist võidust. Ja mis kõige tähtsam, kaasaegses teaduses, nagu selgitas füüsik Einstein, ei tea faktide kindlast alusest vabalt õhku tõusev mõistus ette, kuidas lend lõpeb ja kas ta peab teistsugusel ajal uuesti õhku tõusma. suunas.
Kepleri heliotsentriline tass kuuest planeedist.
25-aastase Kepleri esimene raamat “Kosmograafiline mõistatus” (1596) sai esimeseks väljaandeks Koperniku süsteemi kaitseks, milles Kepler nägi alles esimest sammu Kosmose pildi selgitamisel. Ta oli kindel, et on astunud järgmise sammu – ta selgitas planeetide arvuks kuus. Selgitatakse täpse ja ilusa matemaatika abil. Isegi iidsed matemaatikud teadsid, et neid on ainult viis tavaline hulktahukas(mille kõik küljed on võrdsed). Kepler märkas, et kui need viis hulktahukat on paigutatud matrjoškasse nii, et igaüks puudutab kahte sfääri - servadega puudutab see sissekirjutatud sfääri ja selle tippudega - piiritletud sfääri, siis saate täpselt kuus sfääri. Kuus planeedi sfääri! Jäi vaid valida polüheedrite vajalik järjekord nii, et sfääride suurused ühtiksid vaadeldavatega. Ja see tal õnnestus, mis veenis teda, et tema oletus oli õige. Seetõttu ei lubanud ta arvata, et avastatakse veel vähemalt üks planeet, mis põhines ilmselt asjaolul, et kõik kuus planeeti on olnud teada juba ammusest ajast.
Kepler saatis oma raamatu Galileole. Ta vastas kirjaga, toetades täielikult heliotsentrismi:
Nagu sina, võtsin mina juba ammu omaks Koperniku ideed ja avastasin nende põhjal loodusnähtuste põhjused, mida praeguste teooriatega ei seletata. Olen kirja pannud palju õigustusi ja ümberlükkamisi, kuid pole veel otsustanud neid avaldada, kartes meie õpetaja Koperniku saatust, kes pälvis väheste seas surematu kuulsuse ja keda lollide hulgas naeruvääristati.
Maa liikumises ei näinud Galileo mitte ainult probleemi, vaid ka võimalust selgitada tuntud ja salapärast nähtust – mere loodete. Ta leidis vihje, jälgides (värsket) vett kandvat praami. Ta märkas, et kui praam kiirendab või aeglustub, tõuseb vesi paagi taga- või esiseinale ja kui praam ujub ühtlase kiirusega, näeb paagis olev vesi paigal täpselt samasugune välja nagu praamil. Selleks, et võrrelda praami Maaga ja anumas olevat vett ookeaniga, peate olema julge füüsik, kes usub universumi seaduste ühtsusse. Galileo oli just selline, mis aga iseenesest ei taganud igale tema mõttelennule edu.
Praami võrdlemine Maaga oli tema tee algus suure relatiivsusprintsiibi ja inertsiseaduseni, mis vabastas Koperniku süsteemi peamisest raskusest. Kui paagis olev vesi “ei märka” praami konstantset kiirust, siis on see tõsi igal kiirusel, isegi tuhandetel kilomeetritel tunnis ja seda kiirust ei saa tuvastada muul sisemisel viisil - katseid tehes praam suletud akendega kajutis. Nii hajus Koperniku süsteemi peamine füüsiline probleem: maises kogemuses pole Maa astronoomilist kiirust märgata.
Ja muutes "suure praami" - maapinna - kiirust, asus Galileo selgitama mere loodeid. See muutus – kiirendus ja aeglustus – tuleneb asjaolust, et Maa pöörlemiskiirused ümber Päikese ja ümber selle telje liidetakse Maa ööpoolel, kuid lahutatakse päeval.
Galileo pidas seda loodete selgitust oluliseks argumendiks Koperniku kasuks, kuid ta ei suutnud kunagi muuta oma ideed tõeliseks teooriaks. Ta ei saanud kunagi aru, et tema plaan oli pettekujutelm. Alles nelikümmend aastat pärast oma surma avastas Newton loodete tõelise põhjuse - Kuu gravitatsiooni. Sellele ideedraamale lisandub ajaloo iroonia. Fakt on see, et Galileo kuulis rohkem kui korra võimalikust seosest Kuu ja loodete vahel, kuid ta lükkas sellise võimaluse kategooriliselt tagasi:
Loodete üle arutlenud suurepärastest inimestest üllatab Kepler mind rohkem kui kedagi teist, kellel on vaba ja terav mõistus, kes on hästi teadlik Maale omistatud liikumistest, kuid tunnistab Kuu erilist jõudu vee kohal, salajasi omadusi jms. lapsemeelsus.
Astrofüüsika, astronoomia ja astroloogia
Tänapäeva pilguga Keplerit lugedes on lihtne üllatuda nii Galilei karmidest sõnadest kui ka sellest, et loodete seletamine omistatakse Newtonile. Lõppude lõpuks kirjutas Kepler juba: "Kuu, mis asub ookeani kohal, tõmbab vett igast küljest ja kaldad on paljastatud," ja see näib olevat praeguse loodete teooria kokkuvõte. Peame aga mõistma kaugust igapäevase sõna ja sama sõnaga tähistatava teadusliku mõiste vahel. Galileo ajal oli Kepleri poolt planeedisüsteemi selgitamiseks kasutatud sõnal "atraktsioon" ja sõnal "gravitatsioon" kui kehade kukkumise põhjustel ühine ainult grammatiline juur, mitte selle füüsiline olemus. nähtused, mida nad tähistasid. Nende kahe nähtuse – taevase ja maise – üldise füüsilise olemuse määrab Newton universaalse gravitatsiooni seaduses. Ja Kepleri selgituses nägi Galileo ainult sõnu, ilma kvantitatiivse hindamise ja kontrollimise vihjeta: kui kauaks täpselt vesi tõuseb kuu poole ja kaldad paljanduvad - tolli või miili võrra?
Oma uurimistöö tulemusena sai Galileo gravitatsioonifüüsikast rohkem teada kui ükski tema kaasaegne ning ta mõistis, et Kepler sellisele küsimusele ei vasta. Ühendades mere mõõna ja voolu merepõhja kiirendatud ja aeglase liikumisega, ei suutnud Galileo veel ka loodet kvantifitseerida, kuid vähemalt sai ta sellele vastust otsida, tehes katseid vees anumas, muutes laeva kuju. anum ja kiirenduse suurus. Kuid Kepleri sõnad andsid vaatlustele vaid omamoodi "kunstilise" kirjelduse.
Galileo teadis ka väga hästi, et Kuu asukoha ja loodete vahelisest seosest oli räägitud juba ammu enne Keplerit. Isegi iidses Ptolemaiose traktaadis astroloogia räägitakse Kuu mõjust kogu maisele maailmale: elavatele ja elututele kehadele, jõgedele ja meredele, taimedele ja loomadele.
Kaasaegsed autorid, heites Galileole ette, et ta ei märganud Kepleri kirjeldustes "helitera", õigustavad seda "pimedust" kohe Galilei vastumeelsusega astroloogia "pseudoteaduse" vastu. See on vale. Nii Kepler kui ka Galileo olid professionaalsed astroloogid, koostades horoskoope nii klientidele kui ka nende lähedastele. Siis oli see astronoomide ja arstide tavaline praktika, mitte pseudoteadus, vaid pigem kunst. Ja sellel oli vähe ühist praeguse "masside jaoks mõeldud" astroloogiaga, kui sadadele miljonitele "Kaljukitsedele" antakse universaalseid soovitusi ebaõnnestumiste vältimiseks ja edu saavutamiseks.
Galilei - Kepleri aegadel koostati prognooside ja soovituste andmiseks horoskoop konkreetse aja ja koha kohta - näiteks antud inimese sünniaja ja -koha kohta. Horoskoop on fikseeritud tähtede ja seitsme liikuva tähe - planeetide - kaare asukoht. On selge, et sellised andmed esitas astronoomiateadus. Ja astroloogia, mis pärines sajandite sügavusest, andis igale planeedile ja igale sodiaagi tähtkujule oma mõju. Kõigi nende mõjude prognoosisse panemiseks tugines astroloog teadlikult või alateadlikult lisaks astronoomilistele andmetele ka oma arusaamale “patsiendi” maistest oludest ja kujutlusvõimele, lühidalt öeldes oma astroloogilisele kunstile.
Kuid kas Galileo ja tema kaasastronoomid uskusid tõesti, et sellel "kunstil" on tegelikkusega mingit pistmist?! Võtame nende koha sisse. Suurelt Ptolemaioselt said nad topeltpärandi: traktaadi astronoomiast (Almagest) ja traktaadi astroloogiast (Tetrabiblos). Ptolemaiose astronoomilist teooriat kinnitasid vaatlused paljude sajandite jooksul ja Koperniku teooria ei ületanud seda täpsusega. Astroloogiat on vaatlustega peaaegu võimatu kinnitada. Astroloogiline prognoos on alati tõenäosuslik ja räägib ainulaadsest olukorrast. Seega, kui mõni prognoos ei täitunud, on kergem kahelda antud astroloogi kunstis kui astroloogias endas. Tervendamise kunst on sarnane: arst, tuginedes meditsiinilistele teadmistele, ei pruugi konkreetset patsienti ravida, kuid see ei muuda olematuks meditsiini ennast ega kahjusta tingimata isegi arsti mainet. Muide, Galileo ajal pidi arst suutma patsiendile horoskoobi heita, et hinnata kavandatava ravi väljavaateid. Ja arst teadis, et on olemas jõud, mis on kõrgemad kui tema meditsiinikunst ja kõrgemad kui astroloogia.
Astroloogia põhisammas oli inimeste, eriti jõukate soov suurendada oma võimalusi elus edu saavutada. Ja see toetas täielikult rahaliselt tähtede ja planeetide astronoomilisi vaatlusi. Koperniku mudeli tekkimine tõi kaasa konkurentsi sama vaadeldava astronoomilise reaalsuse kahe teoreetilise kirjelduse vahel. Ptolemaiose astronoomia lüüasaamine õõnestas ka tema astroloogia autoriteeti.
Esimene astrofüüsik osutus astronoomide seas viimaseks astroloogiks. Erinevalt Keplerist näis, et Galileo suutis oma elu lõpuks astroloogia oma maailmavaatest välja jätta. Kuid see ei eristas nende lähenemist loodusnähtustele. Pärast Kepleri surma märkis Galileo ühes kirjas: "Olen alati hinnanud Kepleri meelt – teravat ja vaba, võib-olla isegi liiga vaba, kuid meie mõtteviisid on täiesti erinevad."
Liiga vaba meel?! Mida see tähendab? Need on astrofüüsiku ja astromatemaatiku erinevad mõtteviisid. Meenutagem Kepleri “kosmograafilise mõistatuse” lahendust tavaliste hulktahukate abil. Galileo seda lahendust ei aktsepteerinud. Miks polühedra ja miks just selles järjekorras? Kui arvestada, et viis hulktahukat annavad 120 võimalikku kombinatsiooni, siis ei ole sissekirjutatud ja piiritletud sfääride raadiuste lähedus – ühes neist kombinatsioonidest – vaadeldavatele orbiitidele enam nii silmatorkav.
Galileo ei püüdnud kirjeldada Universumit ühegi ilusa valemiga, ta otsis fundamentaalseid füüsikalisi seadusi, mis määravad universumi struktuuri ja selle vormide mitmekesisuse. Selliseks otsinguks pole ainulaadse struktuuriga astronoomiline taevas teadlase jaoks parim labor. Seal ei saa te eksperimentaalsete vaatluste läbiviimise tingimusi muuta, parimal juhul võite oodata, kuni need tingimused ise muutuvad. Maises laboris on palju rohkem vabadust katsete korraldamisel ja teoreetiliste ideede katsetamisel.
Muidugi on tähistaevas – oma püsivuse ja tsükliliste muutustega – inspireerinud mustreid otsima juba ammustest aegadest. See oli suurepärane probleemiraamat, kus kõikidel probleemidel olid tähed. Sel juhul mängisid olulist rolli astromatemaatikud, kes tekitasid matemaatilise kindlusega probleeme, hoolimata kõigist füüsikalistest ebakindlustest ja ebatõenäosustest. Kopernik püstitas oma heliotsentrilise süsteemiga kahe maailmasüsteemi vahel valiku tegemise probleemi. Selle ülesande võttis enda peale füüsik Galileo. Uut astromatemaatilist pilti füüsiliselt põhjendades taandas ta keerulise Koperniku süsteemi tegelikult kõige lihtsamaks süsteemiks, mis koosneb kahest kehast – väga suurest ja väikesest kehast, kus väike keha liigub ühtlaselt täiuslikult ringikujulisel orbiidil ümber suure (Päikese ümber planeet, Kuu ümber Maa). See oli, võib öelda, Galileo päikesesüsteemi mudel.
See lihtsustamine paneb paljusid mõistatust ja tundub peaaegu nagu Galilei tagasipöördumine aegadesse enne Ptolemaiost, mil usuti, et kõik taevased liikumised on puhtalt ringikujulised ja ühtlased. Olid ju nii Ptolemaiosel kui Kopernikusel planeetide orbiidid, mis ei olnud ringikujulised: mõlemad süsteemid kasutasid planeetide liikumise kirjeldamiseks täiendavaid väikeseid sfääre – epitsükleid. Eriti häiriv on asjaolu, et Galileo eiras Kepleri peamist avastust, millega ta ajalukku läks – kolm elegantset planeetide liikumise seadust, mis põhinesid Tycho Brahe ja tema abiliste arvukatel ja ülitäpsetel tähelepanekutel.
Planeetide liikumises harmooniat otsides toetus Kepler samale astromatemaatilisele mõtteviisile, millega ta nooruses planeetide asukoha kosmograafilise mõistatuse “lahti harutas”. Paljudes astronoomilistes vaatlustes otsis Kepler tema arvates sinna peidetud universumi matemaatilist harmooniat. Kuid kui esimese saladuse, mis osutus miraažiks, "paljastas" 25-aastane Kepler inspireeritud kiire pealetungiga, kulus Kepleri kolme seaduse otsimiseks palju aastaid.
Tema ees olid pikad numbriveerud – ulatuslikud andmed astronoomilistest vaatlustest ja ta otsis väsimatult nende kuivade arvude taga matemaatilist mustrit. Ta teadis, et orbiidid on ovaalsed, aga matemaatikas on erinevaid ovaalseid. Kaheksa aastat hüpoteese ja katseid viis ta järeldusele, et orbiidi kuju on ellips. Ringi kirjeldatakse ühe numbriga - kaugus selle punktidest keskpunktini ja ellipsi - kahega: kahe fookuskeskuse vaheline kaugus ja konstantne kauguste summa selle punktidest fookustesse. Mida väiksem on fookuste vaheline kaugus, seda lähemal on ellips ringile. Seda on lihtne mõista, kui joonistate ringi mitte kompassiga, vaid sidudes nööri mõlemast otsast tasapinnal naela külge, tõmmake saadud silmus pliiatsiga ja tõmmake joon. Ellips saadakse, kui tõmbate joone, sidudes nööri kahe erineva küüne külge.
Kepleri kaks esimest seadust ütlevad, et orbiit on ellips, mille ühes fookuses on Päike, ja et mida lähemal on planeet Päikesele, seda suurem on selle kiirus. 1609. aastal avaldas Kepler need seadused raamatus "New Astronomy" ja saatis selle Galileole. Ta ei vastanud sõnagi.
Mida see tähendab? Tõepoolest, erinevalt "kosmograafilisest" polüheedrist, mida arvatakse kuue numbrina, põhinevad Kepleri uued mustrid tolle aja kõige ulatuslikumatel ja täpsematel vaatlustel. Ja kas avastatud matemaatiline elegants ei tõestanud Koperniku päikeseidee õigsust? Lõppude lõpuks on orbiidid elliptilised ainult siis, kui vaadata planeete päikese vaatenurgast.
Galilei tekstid neile küsimustele otseselt vastust ei anna. Vastuse võib soovitada tema sõnade põhjal tema ja Kepleri "väga erineva mõtteviisi kohta".
Galileo mitte ainult ei teadnud ja hindas matemaatikat, vaid ta uskus seda ka teadust
kirjutatud Universumi suures raamatus - raamat, mis on pidevalt meie pilgule avatud, kuid sellest saavad aru ainult need, kes õpivad mõistma selle keelt. See raamat on kirjutatud matemaatika keeles ja selle tähtedeks on kolmnurgad, ringid ja muud geomeetrilised kujundid, ilma mille abita ei saaks inimene pimeduses läbi labürindi ekseldes ühestki sõnast aru.
Kuid matemaatikas nägi Galileo ainult teadmiste instrumenti. Ta püüdis mõista sisu Universumi raamatud ja kõigepealt uurige, millisel alusel universum seisab. See ei nõua, et matemaatika oleks elegants või rafineeritus, vaid pigem aitaks välja mõelda füüsikalisi kontseptsioone ja viia läbi kujuteldavaid katseid.
Einstein: "Galileo on kaasaegse füüsika ja tegelikult kogu kaasaegse loodusteaduse isa." "Kõik tuleks teha nii lihtsalt kui võimalik, kuid mitte lihtsamalt, kui see peaks olema." "Issand on peen, kuid mitte pahatahtlik."
Muidugi teadis Galileo, et mõned planeetide orbiidid ei ole ringikujulised. Kuid ta teadis ka, et teised olid peaaegu ringikujulised. See tähendab, et astronoomia füüsilise aluse uurimiseks on ringikujuline orbiit mõistlik lihtsustus. Samuti lihtsustas Galileo oma vaba langemise seadust otsides olukorda õhutakistuse kõrvaldamisega. Selle kohta on Einsteini käsk: "Kõik tuleks teha nii lihtsalt kui võimalik, kuid mitte lihtsam, kui see peaks olema." Nii arvavad füüsikud.
Jah, selle meetodi ja tema planeetide liikumise mudeliga ei õnnestunud Galileol luua loodete teooriat – nähtus osutus vundamendist kaugemal, kui ta arvas. Kuid see loominguline ebaõnnestumine tasus end uurimistöö "kõrvalsaadustega" - relatiivsusprintsiibi ja kiirenduse võtmekontseptsiooniga.
Eksperimentaalse astrofüüsika sünd
Saades 1609. aastal Galileole oma “Uue astronoomia”, ei olnud Kepleril aega oma Itaalia kolleegi vaikimise pärast solvuda. 1610. aasta kevadel sai ta teada vapustavad uudised:
Saksamaale tuli teade, et sina, mu Galileo, selle asemel, et lugeda kellegi teise raamatut, võtsid oma ja kõige uskumatuma sisu – kahe prilliläätse abil leitud nelja senitundmatu planeedi kohta, et see raamat on juba trükis ja tuleb. tule koos järgmiste sõnumitoojatega. See uudis hämmastas mind nii, et suutsin vaevu rahuneda. Tõepoolest, minu kolmteist aastat tagasi avaldatud raamatus “Kosmograafiline mõistatus” lubab viis korrapärast hulktahukat Päikese ümber olla kuni kuus planeeti. Aga kui on Kuu, mis ei ole üks neist kuuest ümber Maa tiirlevast, siis miks ei võiks Jupiteri ümber olla kuud? Ja kui seni on peidus olnud neli planeeti, siis võib oodata paljude uute avastamist?
Vasakul on planeedi trajektoorid maapealsest vaatepunktist (tagurpidi liikumise silmustega) ja päikese (Kepleri esimene seadus). Paremal on Galileo füüsiline mudel
1610. aasta kevadel mõistet “satelliit” veel ei eksisteerinud ja kui Kuu oli ainulaadne, polnud seda vaja. Märtsis ilmunud raamatus "Tähesõnnide saatja" nimetas Galileo enda avastatud "planeete" lihtsalt tähtedeks, nagu need tema silmale paistsid, relvastatud kahe ebatavaliselt paigutatud prilliläätsega.
Pärast selle raamatu kättesaamist sai Kepler teada, et mõne nädala jooksul avastas Galileo lisaks Jupiteri neljale kuule veel mitu hämmastavat fakti. Lähimal astronoomilisel objektil - Kuul - avastas ta mäed ja lohud ning kaugeimad - "fikseeritud" - tähed osutusid arvatust palju enamaks. Mõned astronoomilised objektid, vastupidi, kadusid või pigem muutusid: udukogud, sealhulgas suurim - Linnutee, ilmusid tohutute tähtede kogudena.
Kõik need avastused said eksperimentaalse astrofüüsika esimesteks tulemusteks - astronoomilised faktid, mis saadi füüsilise seadme - teleskoobi abil.
Galileo jaoks oli see saatuse kingitus või õnnelik õnnetus või kingitus taevast – olenevalt sellest, kuidas te maailma vaatate. Kui vaadata läbi ajaloolase silmade, siis on kingitus igati ära teenitud – uurija raske töö eest.
Teleskoop ise leiutati Itaaliast kaugel - Hollandis. Ja seda ei leiutanud füüsikud, vaid prillide spetsialistid. Mingil teadmata põhjusel või sellepärast, et polnud midagi teha, vaadati läbi kahe valesti paigutatud läätse, kuid üksteise järel - kumerad nõgusa järel, nägid, et kauged objektid olid märgatavalt lähenenud. Leiutis leidis kohe olulisi rakendusi. Näiteks selleks, et kohtumiseks valmistuda ette vaenlase lähenemine. Või lihtsalt rahuldage oma uudishimu, luurates kaugelt, et näha, kes mida teeb.
Galilei uudishimu ei olnud suunatud mitte niivõrd külgedele – maistele asjadele –, kuivõrd ülespoole. Seetõttu, olles uusimast leiutisest kõige üldisemalt teada saanud, valmistas Galileo ise mitu toru, suurendas suurenduse kolmekümnekordseks ja suunas seadme taevasse, kaugel asuvatele, kuid mõtetele lähedal asuvatele objektidele. Nii tekkiski teleskoop.
Esimese asjana avastas ja visandas Kuu mägised maastikud. Siis oli tal õnn avastada Jupiteri lähedalt täiesti tundmatud väikesed tähed ja järgmisel ööl märkas ta, et nende tähtede asukoht on muutunud. Selline õnn eeldas muidugi tähistaeva tundmist nagu oma viit sõrme, aga ka erakordset tähelepanu. Oma vaatlusi jätkates avastas Galileo, et uued tähed püsisid kogu aeg Jupiteri “rändtähe” läheduses ja nende positsioonid Jupiteri suhtes kordusid korrapäraste ajavahemike järel. See meenutas Kuu liikumist ümber Maa. Galileo mõistis, et ta oli avastanud neli Jupiteri "kuud", ja viis oma avastuse lõpule nende orbiidiperioodide mõõtmisega.
Nii ilmnes Koperniku põhiidee toetuseks uus ja selge argument: väikesed tiirlevad ümber suure taevakeha - Jupiteri, nagu planeedid ümber Päikese ja nagu Kuu ümber Maa. Galileol ja Kepleril oli juba piisavalt kindlustunnet, et Kopernikusel on õigus, kuid teiste astronoomide jaoks ja veelgi enam. Mitte Astronoomide jaoks võib selline selgus juba kaaluda üles Ptolemaiose raamatu autoriteedi. Kui muidugi avatud silmadega vaadata. Ja see polnudki nii lihtne, nagu nähtub Galileo kirjast kuus kuud pärast Starry Messengeri avaldamist:
Naergem, mu Kepler, inimese suure rumaluse üle. Kohalikud teadlased, vaatamata minu tuhandekordsele kutsele, ei vaadanud kunagi planeete, Kuud ega teleskoopi. Nende jaoks on füüsika omamoodi raamat, kus tuleb tõde otsida - mitte loodusest, vaid tekste võrreldes. Kuidas naerdaks, kuulates esimest kohalikku filosoofi, kes püüdis loogiliste argumentidega, nagu võluloitsud, taevast uusi planeete kõigest väest eemaldada!
Siin on näiteks argumendid, mille toona esitas teatud filosoofiline astronoom:
Looma peas on seitse akent, mille kaudu pääseb õhku keha mikrokosmosesse, et seda valgustada, soojendada ja toita: kaks ninasõõret, kaks silma, kaks kõrva ja suu. Samuti on taevases makrokosmoses kaks soodsat tähte, kaks ebasoodsat, kaks valgustit ja Merkuur - ebamäärane ja ükskõikne. Siit ja paljudest teistest sarnastest looduse paigutustest, nagu seitse metalli jne, mida on tüütu loetleda, saame aru, et planeete on täpselt seitse. Veelgi enam, need Jupiteri satelliidid on palja silmaga nähtamatud ja seetõttu ei saa nad Maale mõju avaldada, seetõttu on need kasutud ja seetõttu pole neid olemas. Lisaks jagasid juudid ja teised iidsed rahvad sarnaselt tänapäeva eurooplastele nädala seitsmeks päevaks, mis said nime seitsme planeedi nimede järgi. Seega, kui me suurendame planeetide arvu, kukub kogu see terviklik ja ilus süsteem kokku.
Galileol polnud selle peale midagi öelda. Ja tal polnud aega naerda sarnaste astronoomide seas, kes, nähes oma argumentide ebaveenvust ega tahtnud nooruses õpitust lahku minna, otsisid uues maailmapildis teoloogilisi vigu. Kes otsib, see leiab alati. Ja nad leidsid Piiblist read, mis sõna otseses mõttes kõnelesid Maa liikumatusest. Sellest on saanud tohutu relv nende käes, kes ei taha loodusest tõde otsida. Süüdistades Galileot ja Kopernikut Pühakirjale vasturääkimises, pöördusid õpetatud mehed kirikuvõimude poole.
Galileo otsustas oma vastastest ette jõuda ja 1611. aastal läks ta ise Rooma, võttes kaasa teleskoobi. Tal oli põhjust uskuda oma argumentide tugevusse ja astronoomiliste avastuste veenvusse: mõni kuu pärast Starry Messengeri ilmumist sai ta Medici hertsogi õukonnas auväärse ja kõrgelt tasustatud peateadlase ametikoha, Firenze valitseja.
Roomas austas teda Accademia dei Lancei (Ilvesesilmade Akadeemia), üks esimesi teadusseltse, mis loodi mitu aastat varem teaduse armastajate ja patroonide poolt. Galileo võttis vastu kutse sellesse seltskonda liituda ja kirjutas seejärel oma raamatud, keskendudes lugejatele nagu selle Akadeemia liikmed – mitte väita, et nad on astronoomia või füüsika professionaalid, vaid avatud silmadega ja suure huviga uusi teaduslikke ideid ja fakte vaadates.
Mitte vähem edu ootas Galileot paavsti õukonnas. See oli periood, mil katoliku kirik pööras astronoomiale erilist tähelepanu, kelle initsiatiivil oli läänemaailm hiljuti üle läinud uuele – Gregoriuse – kalendrile. Kalendrireformi väljatöötamist juhtis astronoom ja matemaatik Clavius, kes kuulus koos teiste kõrgelt kvalifitseeritud astronoomidega jesuiitide ordu. Selle vahetult enne (reformatsiooni ketserlusele vastuseks) asutatud ordu põhiülesanne oli valgustus ja haridus. Kalendrireform põhines Koperniku uuel astromatemaatikal. Ja Galileo lisas uue argumendi Koperniku süsteemi kasuks, kui ta avastas oma teleskoopvaatlustes Veenuse faasid, mis on sarnased Kuu faasidega. Erinevalt Kuust nähti Veenust väikese kettana, kui see oli kaugel, ja suure poolkuuna, kui see oli lähedal. See tõestas Veenuse pöörlemist ümber Päikese, mitte Maa.
Paradoksaalne kontrast: ülikoolide astronoomidest professorid, kes hoiavad kinni iidsete autoriteetide tavalistest tekstidest, eitavad nii teleskoopi kui ka Galileo vaatlusavastusi, paavsti astronoomid aga kiidavad mõlemat heaks?! Peamine erinevus ei seisne siin mitte paavsti trooni läheduses, vaid praktilises asjas, millega paavsti astronoomid tegelesid kalendrireformiga, ülikoolide professorid aga tõlgendasid vaid vanu tekste.
Galileo visandatud ja skemaatiliselt kujutatud Veenuse faasid.
Galileo tegeles veel ühe praktilise asjaga – ta uuris reaalse universumi fundamentaalset füüsikat. Paavsti astronoomide heakskiitmisel tema astronoomilistele avastustele oli oluline "aga". Nende jaoks oli Koperniku süsteem õige matemaatika, kuna selle tulemused vastasid vaatlustele, kuid nad aktsepteerisid seda süsteemi Tycho Brahe geoheliotsentrilises versioonis, milles Maa on liikumatu - täielikult kooskõlas kõigi tol ajal teadaolevate tähelepanekutega alustades igapäevasest kogemusest. Maapealsete astronoomiliste arvutuste jaoks on ju oluline vaid see, kuidas taevakehad Maa suhtes liiguvad. Paavsti astronoomide jaoks tähendas Koperniku süsteem vaid üht teist vahepealsete arvutuste skeemi.
Galileo ja Kepler olid kindlad, et Maa tiirleb ümber Päikese nagu teisedki planeedid, kuid otseseid tõendeid selle kohta veel polnud, vaid kaudsed, hüpoteetilised. Seetõttu ei suutnud Kepler veenda Tycho Brahet, kellega ta koostööd tegi, kuigi mõlemaid peeti oma aja esimesteks astronoomideks. Kuid Galileo ei suutnud veenda paavsti astronoome, kes hindasid kõrgelt tema astronoomilisi avastusi. Esmaklassiliste astronoomide-vaatlejate jaoks polnud tõeline heliotsentrism mitte ainult kahtlane hüpotees, vaid ka kasutu: samas tuli arvutused viia maise vaatleja vaatepunkti - geotsentrilise pildini. Sellised kindlalt maa peal seisnud astronoomid kuulasid Galileot tähelepanelikult, lootes saada teada Maa liikumise vaadeldavatest ilmingutest, kuid said vaid argumente Universumi (st Päikesesüsteemi) ehituse kohta, selgitusi, miks Maa pöörlemine toimub. nii märkamatud, samuti kahtlased analoogiad ja sõnad harmoonia Universumi kohta.
Kuid kas analoogia teie jalge all oleva Maa ja kaugete "rändavate" tähtede vahel, mille kohta pole teada midagi peale nende liikumise üle taeva, on tõesti nii veenev? Ja kas lähedal asuval Kuul avastatud mäed tõestavad, et kauged planeedid on samamoodi üles ehitatud? Miks minna nii kaugele, et õigustada, miks mitte tõestada maakera pöörlemist otse Maal? Karussellil keerledes tunned ju pöörlemist ka suletud silmadega?! Muidugi, kui karussell teeb ühe pöörde päevas või aastas, on pöörlemist raske märgata, kuid Jupiteri satelliidid olid enne teleskoobi leiutamist nähtamatud. Seega peame leidma viisi, kuidas seda rotatsiooni otse tunnistada, kui see tõesti eksisteerib. Vastasel juhul jääb heliotsentrism edukaks matemaatiliseks hüpoteesiks, kasulik arvutuste tegemiseks, kuid ei midagi enamat.
Maale kindlalt istutatud astronoom oleks võinud Galileole midagi sellist öelda. Ja tõsi, XVII sajandi alguses polnud sellele midagi vastata. Visuaalsed otsesed tõendid Maa pöörlemisest (ümber oma telje ja ümber Päikese) ilmnesid alles kaks sajandit hiljem: Foucault' pendel, Beeri seadus (mille järgi jõgi uhub põhjapoolkeral oma parema kalda ära), "fikseeritud" nihkumine tähed Maa liikumise tõttu. Kuid ammu enne seda ei vajanud astrofüüsikud selliseid tõendeid - alates XVII sajandi lõpust, mil Newton, olles lõpetanud Galileo alustatud töö, sõnastas füüsika põhiseadused, mis reguleerivad kõiki päikesesüsteemi liikumisi. Nende seaduste tagajärg on Maa liikumine ümber Päikese. Teiseks tagajärjeks on selle liikumise ilmingute väga kindel väiksus Maal endal, vaid protsendi jagu.
Usk ja teadmised
Miks Galileo 16. sajandi lõpus veendus Maa liikumises? Miks ta usaldas nii palju kaudseid argumente ja oma üldisi ideid Universumi ehituse kohta ning miks ta ei omistanud tähtsust realistlike astronoomide kaintele vastuväidetele? Ajaloolastel pole nendele küsimustele selget vastust, kuid on selge, et Galilei hiilgavad eelarvamused – usk universumi põhiseadusesse ja inimese võimesse seda seadust mõista – aitasid tal leiutada fundamentaalset füüsikat.
Kahekümnenda sajandi keskel püüdis luuletaja-publitsist ajaloolastele vastata:
Riimiv vastus on paraku tõelise looga vastuolus. Esiteks teadsid Galileo teaduskaaslased väheste eranditega kindlalt, et Maa on liikumatu. Teiseks kohtlesid katoliku kiriku peapastorid, teades tema seisukohti, aastaid üsna soosivalt. Kuni me rääkisime ainult teaduslikest hüpoteesidest, lubati nende üle arutleda.
Olukord muutus, kui Galilei teaduslikud vastased, olles maised argumendid ammendanud, võtsid käsile Pühakirja. Seal pole muidugi astronoomiat, planeete ega sõnagi selle kohta, kas Maa on lame või kerakujuline. Kuid unustades piibliloo tähenduse, võite leida fraase, mis väljendavad igapäevaseid ideid, et päike liigub - tõuseb ja loojub ning maa taevalaotus puhkab. Galilei vastased varustasid end sobivate tsitaatidega, hoides Piiblit kilbina. Kui ta poleks sellistele vastastele tähelepanu pööranud, oleks ta võinud rahulikult oma teadust edasi ajada. Seda soovitasid talle heasoovijad “karjaste” hulgast.
Galileo aga seda nõuannet ei järginud. Ta mitte ainult ei mõelnud vabalt, vaid uskus vabalt ka Jumalasse. Piibel rääkis inimesest, kes on loodud Jumala sarnaseks; see oli tema sisemine tugi, kuid mitte teadmiste allikas välismaailma kohta – välja arvatud see, et see maailm on loodud inimese jaoks ja on teadmistele kättesaadav. Seetõttu oli Galileo kindel, et Piibel ei saa olla vastuolus teadusuuringute tulemustega ja eriti Maa liikumisega. Ta jõudis sellele järeldusele omaenda mõistust kasutades samamoodi nagu oma füüsikalises uurimistöös.
Peab ütlema, et selline arusaam piiblist oli olemas ka kirikutraditsioonis. Galileo tsiteeris kardinali, kellega ta rääkis: „Piibel õpetab taevasse jõudmist, mitte seda, kuidas taevas liigub.” Piibel õpetab ka mitte valetama ning Galileo ei võtnud kuulda heasoovijate nõuandeid, vaid ütles ausalt, et mõistab Piiblit ja usub, et Maa liigub. Tema astronoomilised avastused ja nende tunnustamine suurendasid tema enesekindlust.
See, mida kardinal tohib eravestluses Piibli kohta öelda, ei ole lubatud võhikule, isegi kui see võhik on tunnustatud astronoom. Eriti kui usklikud saadavad valvsalt denonsseerimisi. Aastal 1616 leidsid inkvisitsiooni eksperdid, et väide Maa liikumise kohta oli "teaduslikus mõttes absurdne ja vastuolus Pühakirjaga". Ametlik dekreet kõlas leebemalt, kuid kolm raamatut, alustades Koperniku raamatust, keelustati 70 aastat enne selle ajalukku jõudmist. Galileot selles dekreedis ei mainitud – austus tema vastu oli nii suur, et peapastorid piirdusid suulise manitsusega. Hiljem selgitas paavst ise talle, et kuigi Maa liikumist ei saa väita tõena, saab Ptolemaiose ja Koperniku süsteeme arutada ja võrrelda matemaatiliste hüpoteesidena. Ja Koperniku raamat keelati vaid mõneks ajaks, kuni seda parandati, rõhutades, et Koperniku süsteem on vaid matemaatiline hüpotees.
Leidlik Galileo mõtles välja, kuidas jääda ausaks ja mitte rikkuda kiriku hoiatust. Kuna tal lubati arutleda ja võrrelda Ptolemaiose ja Koperniku hüpoteese, kirjutas ta raamatu kolme tegelase vestluse vormis, millest kaks esitasid Koperniku ja Ptolemaiose seisukohti ning kolmas erapooletut tervet mõistust. Ja las lugeja otsustab, kellel on õigus.
Galileo valmis poolteist aastakümmet hiljem raamatu “Dialoog maailma kahe peamise süsteemi kohta”. Mitte ilma raskusteta sai ta kirikutsensuuri heakskiidu ja 1632. aastal tulid trükikojast välja raamatu esimesed eksemplarid. Peagi aga sekkus katoliku kirik teadusajalukku – tema otsusega raamatud konfiskeeriti ja Galileo kutsuti inkvisitsiooni. Kuulsalt kuulsusetu kohtuprotsess kestis mitu kuud. Galileot süüdistati 1616. aasta kirikujuhiste rikkumises käsitleda Koperniku süsteemi vaid hüpoteesina: tema raamatust oli liiga selge, milline hüpotees oli õige. Kohus keelustas raamatu ja mõistis Galileole eluks ajaks vangi.
Uurimise kulisside taga ja kohtuprotsessi ajal mõjusid nii isiklikud motiivid kui ka kirikupoliitilised tegurid, kuid nende sündmuste põhjal võib aimata... võimsat inertsiseadust. Galileo, kes avastas füüsikalise inertsiseaduse, koges täielikult inimese inertsi mõju. Kiriku ministrid ei suutnud mõistagi süvitsi süveneda Maa liikumist toetavate astrofüüsikaliste argumentide süsteemi ja jäid lihtsalt – inertsist – oma nooruses omandatud ideede juurde. Lõppude lõpuks pidasid neist ideedest kinni silmapaistvad teadusinimesed, eriti "astronoomide kuningas" - Tycho Brahe.
Kirikukohtunikke nende teadusliku inertsuse pärast oleks võimalik mitte hukka mõista, kui nad poleks seda rolli enda peale võtnud teaduslik eksperdid: 1616. ja 1633. aasta kirikumäärustes tunnistati Maa liikumine esiteks teaduslikult valeks ja alles teiseks Piibliga vastuolus olevaks. Seega kasutasid kohtunikud-inkvisiitorid oma ametiseisundit isiklikel eesmärkidel – harjumuspärase idee säilitamiseks. Asi polnud religioonis kui sellises: Galileo õpilaste ja tulihingeliste toetajate seas oli vaimulikke. Ja isegi kohus ei olnud üksmeelne – otsusele kirjutas alla vaid seitse kohtunikku kümnest.
Otsuse täideviimine, nagu ka kiriku kõrgeim võim, oli siis ühe isiku – paavst Urbanus VIII – käes. Olles veel kardinal, imetles ta Galilei astronoomilisi avastusi ja paavstiks saades näitas ta tema vastu ka soosingut, võimaldades tal arutada Koperniku süsteemi ja Ptolemaiose süsteemi üle. Kuid tal oli oma põhjus, miks mõlemad süsteemid jäävad igavesti vaid hüpoteesideks: Isegi kui mõni hüpotees mõnda nähtust rahuldavalt seletab, võib kõikvõimas Jumal selle nähtuse esile kutsuda hoopis teistmoodi, inimmõistusele kättesaamatul viisil ning Tema kõikvõimsus ei saa piirduda inimese mõistmise võimalustega. Paavst esitas oma argumendi Galileole ja mida ta tegi?! Ta pani selle argumendi suhu tegelasele, kes esindas Aristotelese aegunud filosoofiat ja paistis paavstile väga solvav:
Simplicio.<…>Ma tean, et küsimusele, kas Kõigeväeline Jumal oleks võinud anda vaadeldava muutuva liikumise [mõõnad ja mõõnad] kastmisele muul viisil kui veekogusid liigutades, on võimalik ainult üks vastus: ta oleks võinud seda teha mitmel viisil, mis on meie jaoks mõeldamatu. Ja kui nii, siis oleks liigne jultumus piirata jumalikku jõudu mis tahes inimliku väljamõeldisega.
Seega peame tänama ka Tema Pühadust vanglakaristuse asendamise eest koduarestiga. Ja teadusajaloolane võib isegi sündsuse unustades tänada asjaolu, et Galileo oli inkvisitsiooni pideva jälgimise all, kes otsustas, kellega ta kohtuda võiks. Füüsiku kireval temperamendil oli vaid üks väljapääs – töö teise ja kõige olulisema raamatu kallal, milles ta põhjendas vaba langemise seadust – füüsika esimest alusseadust.
Mis puudutab paavsti argumenti, siis Galileo ei kasutanud seda kahju pärast. See puudutas uue – fundamentaalse – füüsika olemust. Argument põhines ilmselt piiblilausel „Issanda teed on salapärased” tänapäevases tõlkes: „Tema otsused on arusaamatud ja Tema teed on uurimatud.” Mida võiks Galilei selle peale öelda oma kahtlematu usuga Jumalasse ja täieliku usaldusega Jumala Sõna vastu?
Ta võiks öelda, et selle fraasi kontekst ei räägi universumi ehitusest, vaid Jumala suhtumisest inimesesse ja inimese sisemaailmast selle vabaduse ja kordumatusega. Ja juba tähistaevaga väline maailm – Universum – annab inimesele eeskuju püsivusest ja korrapärasusest. Pole asjata, et Jumal andis inimesele oskuse tunda. Galileo tundis seda ise. Ja ta teadis omast kogemusest, et inimene on võimeline mitte ainult püstitama usutavaid hüpoteese, vaid ka neid kontrollima, ümber lükkama või kinnitama, tuvastama nende vastavust Looja loodud Universumi struktuurile. Piibel ei räägi midagi ujumisseadusest, kuid Archimedesel õnnestus see seadus avastada. Ja Galileo toetus oma põhiliste loodusseaduste otsimisel usule universumi seadustesse.
Uurides Issanda viise universumi struktuuris ja teades, kuidas kogemused ja matemaatika keel võimaldavad seda struktuuri mõista, kaitses Galileo Piiblit talle võõraste ülesannete eest ja seega ka vastuolude eest teaduslike teadmiste tulemustega. . Tal oli Loojast parem arvamus kui paavst Urbanus VIII ja tõe suhtes püham kui Rooma paavst.
Valguse kiirus on esimene põhikonstant
Galileo ebaõnnestumiste hulgas on üks nii õpetlik, et seda ei julge nimetada ebaõnnestumiseks.
Oma viimases raamatus rääkis Galileo katsest mõõta valguse kiirust ja ilmselt oli põhjus mõõta teist kiirust – helikiirust. Need on muidugi "kaks suurt erinevust". Olles kuulnud teie hääle kaja, on lihtne mõista, et heli naasis lühikese, kuid märgatava aja pärast ja seetõttu ei levi see koheselt, vaid teatud - ehkki suure - kiirusega. Igapäevakogemuses pole aga tõendeid selle kohta, et valgusel kuluks valgusallikast valgustatud objektini jõudmiseks aega. Aristoteles võttis selle filosoofiliselt kokku: "Valgus on millegi olemasolu, mitte millegi liikumine." Kõik Galileo kaasaegsed arvasid sama. Ta oli esimene, kes kasutas väljendit "valguse kiirus".
Heli kiiruse esimestel mõõtmistel eeldati ka valguse hetkelisust – ehk lõpmatut kiirust. Kaugelt kahuripauku jälgides ja uskudes, et lasu sähvatus oli kohe näha, mõõdeti välgu ja lasu heli vahelist aega. Jagades kauguse relvani selle ajaga, tegid nad kindlaks, et heli kiirus on umbes 500 meetrit sekundis (mis on vaid poolteist korda suurem tegelikust väärtusest).
Galileo aga uskus, et valguse hetkelisus on vaid hüpotees, ja ta mõtles välja, kuidas seda kontrollida. Selleks on vaja kahte inimest, kellel on avatavad ja suletavad laternad – nüüd ütleksid nad: lülita sisse ja välja. Esiteks harjutavad nad lähedal olles taskulambi sisselülitamist, kui näevad teise taskulambi valgust. Seejärel hajuvad nad pika vahemaa peale laiali. Esimene süütab laterna, mille valgust nähes teine oma laterna põlema. Ja esimene mõõdab aega hetkest, mil ta oma laterna sisse lülitas, kuni hetkeni, mil ta teise laterna valgust nägi. Selle aja jooksul rändas valgus edasi-tagasi.
Kui teine latern avaneb sama kiiresti kui lähedalt, kirjutab Galileo, siis saabub valgus silmapilkselt ja kui valgus võtab aega, siis piisaks viivituse tuvastamiseks kolmemiilisest vahemaast. Kui katse tehakse näiteks 8–10 miili kaugusel, näete teleskoobi abil kaugest taskulambist nõrka valgust.
Galileo sõnade järgi otsustades tegi ta sellise katse vaid ühe miili kaugusel ega märganud viivitust. Ja ometi oletas ta, et valgus ei liigu hetkega, kuigi levib ebatavaliselt kiiresti.
Kaasaegse füüsika isa ei selgitanud, miks piisaks tuvastamiseks kolmest miilist Mitte-valguse hetkelisus ja miks siis vahemaad 10 miilini suurendada. Kui minimaalseks ajavahemikuks lugeda ühte impulsi lööki, siis tema tehtud katse tähendas, et valgus läbis kaks miili vähem kui sekundiga ehk helikiirusest vähemalt 10-kordse kiirusega. Ja kui viivitust ei tuvastataks isegi 10 miili kaugusel, tähendaks see, et valguse kiirus on vähemalt 100 korda suurem heli kiirusest.
Galileo pole süüdi, et valguse kiirus on tegelikult miljon korda suurem heli kiirusest. Kui ta oleks seda kahtlustanud, oleks ta võib-olla mõistnud, et maistest miilidest tema katse jaoks ei piisa, ja ta oleks mäletanud Jupiteri satelliite, mille ta oli avastanud. Satelliit mängib ju pöörlemisel laterna rolli, mis avaneb Jupiteri varjust lahkudes ja sulgub selle varju sisenedes. Muidugi ei sobi selline latern Galileo katseks otseselt - see avaneb korrapäraste ajavahemike järel ilma käsuta. Kuid kogemust saab muuta, kui märkate, et maise vaatleja ei istu paigal, isegi piiludes teleskoopi: koos teleskoobi ja planeediga Maa liigub ta ümber Päikese. Kui vaatleja läheneb Jupiterile, täheldatakse iga järgnevat satelliidi "tõusmist" varem kui "positsioneeritud" (keskmistatud), kuna satelliidi esimene kiir peab Maani liikuma lühema vahemaa. Esimene kiir saabub Maa kiirusega võrdelise perioodi ja valguse kiirusega pöördvõrdelise perioodi võrra varem. See tähendab, et valguse kiirust saab arvutada Jupiteri satelliidi tõusu edenemise (või viivituse) mõõtmise teel.
Galilei ise sellise meetodi peale ei mõelnud, kuigi tema vaimus leidus nii astronoomia maiseid rakendusi kui ka maise füüsika rakendamist taevanähtuste mõistmisel. Samuti tegi ta ettepaneku kasutada teleskoopi maises eksperimendis valguse kiiruse mõõtmiseks. Ja olles avastanud Jupiteri satelliidid ja mõõtnud nende pöördeperioode, nägin selles taevakella "lööki" iga satelliidi tõusu hetkel. Sellist kella, mis on kättesaadav kõigile (kellel on teleskoop), mõistis Galileo, saab kasutada geograafilise pikkuskraadi määramiseks. Ja see oli kaugsõidu ja majanduse jaoks eluliselt oluline.
Nii et kaasaegse füüsika isa mitte ainult ei leiutanud seda, vaid demonstreeris ka teaduse, tehnoloogia ja majanduse omavahelisi seoseid.
Galilei füüsika paljastas teooria ja eksperimendi geniaalse koostoime looduse põhiseaduste otsimisel. On selge, kui oluline on seadust üha suurema täpsusega testida. Sageli aitas aga avastusi teha mõõtmiste madal täpsus. Näiteks Galileo jaoks kõige olulisem seadus, et pendli võnkeperiood ei sõltu võnkumiste amplituudist, täitub seda täpsemalt, mida väiksem on amplituud. Seega, kui Galileo oleks seda seadust testinud mitte pulsiga, vaid väga täpse kronomeetriga, oleks tal olnud raskem.
Nii ka Jupiteri satelliitidega. Pärast nende revolutsiooniperioodide mõõtmist jättis Galileo edasised uuringud astronoomide hooleks. Ta jättis need pärandiks ka oma idee kasutada neid satelliite universaalsete kelladena pikkuskraadi määramiseks. Selleks oli vaja võimalikult täpselt teada satelliitide pöördeperioode või nende varjutuste ajakava, mida astronoomid ka tegid, püüdes neile omase astronoomilise täpsuse poole. Kolmkümmend aastat pärast Galileo surma olid astronoomid kogunud piisavalt tähelepanekuid, et tuvastada kosmilise kella kummaline ebakorrapärasus. Satelliidi tiirlemisperiood oli mõnikord lühem, mõnikord pikem. See ebatasasus paljastas oma mustri: periood muutus lühemaks, kui Maa lähenes Jupiterile, ja pikemaks, kui see eemaldus. Just siis meenus Galilei satelliite uurivatele astronoomidele Galilei kindlustunne, et valgus liigub tohutu, kuid piiratud kiirusega. Kombineerides satelliidiperioodide vaatlusi teadmistega planeetide liikumisest, saime esimest korda valguse kiiruseks - 220 tuhat kilomeetrit sekundis, mis on lähedane tegelikule väärtusele - umbes 300 tuhat kilomeetrit sekundis.
Seega oli Galilei intuitsioon üllataval kombel õigustatud. Ja see on väga üllatav. Lõppude lõpuks polnud valguse piiratud kiiruse kohta jälgitavaid tõendeid. Ja Galilei silmapaistvad kaasaegsed, kes tegelesid valguse teadusega, Kepler ja Descartes, pidasid valguse kiirust lõpmatuks. Miks oli Galileo kolleegidest läbinägelikum? Sest ta oli geenius ja fundamentaalfüüsik.
Valguse kiirusele mõeldes nägi Galileo kogu füüsiliste nähtuste maailma ja uskus selle maailma sügavasse ühtsusse. Teades, et nõguspeeglisse kogutud päikesevalgus on võimeline pliid sulatama, võrdles ta seda "vägivaldset" valgustegevust pikselahenduse ja püssirohu plahvatusega, millega "kaasneb liikumine ja pealegi väga kiire". Ja ta järeldas: "Seetõttu ei kujuta ma ette, et valguse toime saab ilma liikumiseta hakkama ja see on kõige kiirem liikumine."
Galileo oli kindel, et Looduse raamat on "kirjutatud matemaatika keeles", kuid ta teadis, et selle raamatu sisu on füüsika. Seetõttu ei võtnud ta oma intuitsiooni kuulates tema sõna, vaid mõtles välja, kuidas seda füüsiku jaoks kõige usaldusväärsemal viisil testida - läbi mõõtmiskatsete. Ta ei suutnud seda valgusega teha – mõõtmiste täpsus oli liiga madal. Kuid tal õnnestus anda füüsikale aimu piiratud valguse kiirusest. Sellest ideest sai tänu teisele kingitusele - Jupiteri Galilea kuudele - usaldusväärne teaduse fakt vaid mõnikümmend aastat pärast tema surma, tema surematu kuulsuse alguses.
Kuulakem nüüd katkendit vestlusest Galileo viimasest raamatust "Vestlused ja matemaatilised tõendid kahe uue teaduse kohta", kus esmakordselt tõstatati valguse kiiruse küsimus:
Valguse kiireima liikumise kohta
Sagredo. Nägin, kuidas umbes kolme peopesa läbimõõduga nõguspeegli poolt kogutud päikesevalgus sulatas kiiresti plii ja süütas erinevaid tuleohtlikke materjale. Kas selline vägivaldne valgustegevus on võimalik ilma liikumiseta?
Salviati. Muudel juhtudel – näiteks äikeselahenduse ja püssirohu plahvatuse korral – kaasneb põlemisega ja lagunemisega liikumine ja seejuures väga kiire liikumine. Seetõttu ei kujuta ma ette, et valguse toime võib toimuda ilma liikumiseta ja seejuures kõige kiirem liikumine.
Sagredo. Aga kui kiire see liikumine peaks olema? Kas see on hetkeline või tekib aja jooksul, nagu muud liigutused? Kas kogemuse kaudu on võimalik teada saada, kuidas see on?
Simplicio. Igapäevane kogemus näitab, et valgus levib silmapilkselt. Kui vaatame eemalt kahuripauku, jõuab lasu sähvatus kohe meie silmadeni ja heli jõuab kõrvu alles märgatava aja möödudes.
Sagredo. Sellistest katsetest saame ainult järeldada, et heli liigub aeglasemalt kui valgus, kuid mitte seda, et valgus saabub koheselt.
Salviati. Selliste vaatluste ebaselgus ajendas mind leidma viisi, kuidas välja selgitada, kas valgus liigub tõesti silmapilkselt.
Laske kahel katsetajal hoida käes latern, mida saab avada ja sulgeda. Esiteks harjutavad nad kõrvuti seistes oma laterna avamist, märgates teise valgust. Seejärel hajuvad nad umbes kolme miili kaugusele ja pärast öö ootamist kordavad oma laternate vilkumist. Kui teine latern avaneb sama kiiresti kui lähedal, siis saabub tuli silmapilkselt, aga kui tuli võtab aega, siis piisaks viivituse tuvastamiseks kolmemilisest vahemaast. Kui teete katset näiteks kümne miili kaugusel, saab teleskoobid kasutada kauge laterna nõrga valguse nägemiseks.
Ma ise tegin selle katse ainult ühe miili kaugusel ega olnud veendunud, kas valgus tuli koheselt tagasi. On ainult selge, et see on ülikiire, peaaegu koheselt. Ma võrdleksin seda 8-10 miili kaugusel nähtava välguga. Näeme sähvatuse algust või selle allikat teatud kohas pilvede vahel ja näeme, kuidas välk läbistab naaberpilved. See tähendab, et levimiseks kulub veidi aega. Lõppude lõpuks, kui välk toimus korraga kõigis osades, ei suutnud me eristada selle allikat, keskmist ja kaugemat osa. Millisesse ookeani me oleme end märkamatult sattunud?! Tühjus ja lõpmatus, jagamatud aatomid ja hetkelised liikumised – kas jõuame kaldale ka pärast tuhandet arutelu?
Pateetilisele küsimusele fragmendi lõpus vastas Galileo oma raamatuga julgelt ja optimistlikult. Kuid küsimus ise paljastab füüsiku – fundamentaalfüüsiku. Tema silmapaistvad matemaatilise mõtteviisiga kolleegid – Kepler ja Descartes – seadsid endale julgelt ülesandeks täielikult ja lõpuks omaks võtta reaalne füüsiline maailm mõne üksiku matemaatilise printsiibi või väikese hulgaga ning arvasid, et on oma eesmärgi saavutanud: Keplerile kuulus kuue karikas. planeedid, Descartes - seitse füüsika põhimõtet. Ja Galileo mõistis, et ta on alles suure teekonna alguses, kus jätkub tööd kõigile, kel jätkub vabadust ja julgust esitada küsimusi universumi ehituse kohta ja otsida neile veenvaid – mõõtvaid – vastuseid.
Tema julgusest laetuna tahaksin väga talle endale küsimusi esitada.
Miks ta arvab, et valguse kiirus pole mitte ainult lõplik, vaid ka “kiireim”? Kuidas saab kiirus olla maksimaalne? Kas ta mõistab, et valguse kiirus on looduse põhikonstant, mis on seotud mis tahes füüsikalise nähtusega, isegi pilkases pimeduses?
Teadus vastas neile küsimustele kolm sajandit pärast Galileo elu, pärast mitmeid Newtoni, Maxwelli ja Einsteini nimedega seotud fundamentaalfüüsika dramaatilisi muutusi. Võib vaid imestada, et fundamentaalfüüsika leiutaja avas tee ajaloo esimesele fundamentaalsele konstandile.
3. peatükk
Gravitatsioon on esimene põhijõud
Taevast maa peale ja tagasi
Kaasaegses füüsikas räägitakse neljast põhijõust. Esimesena avastati gravitatsioonijõud. Koolilastele tuntud universaalse gravitatsiooni seadus määrab tõmbejõu F mis tahes masside vahel m Ja M, eraldatud vahemaaga R:
F = GmM/R 2 .
Koolilastele tavaliselt ei öelda, et Newton ise sellist valemit ei kirjutanud. Ta väitis vaid, et külgetõmme on võrdeline aine hulgaga ja pöördvõrdeline kauguse ruuduga. Proportsionaalsus aine hulgaga ei ole üllatav, kuid kuidas arvas Newton, et jõud sõltub kaugusest ruudus ja näiteks mitte kuubis?
Ka koolilastele ei öelda tavaliselt, et ta polnud esimene, kes ära arvas. Newtoni gravitatsiooniseaduse avastamist võib nimetada isegi sulgemiseks. Ta lõpetas küsimuse, kinnitades oletusi astronoomiliste vaatlustega, mille Kepler on oma planeediseadustes kokku võtnud. Newtoni suurim edu tema kaasaegsete silmis oli see, et ta tuletas Kepleri seadused gravitatsiooniseadusest. Selleks tuli tal teha midagi maailma ajaloo silmis suurt: luua üldine liikumisteooria – mehaanika, leiutades selle jaoks uue matemaatilise keele. Peamine liikumisseadus, mis on seotud kiirendusega a massid m sellele mõjuva jõuga F
ja leiutatud matemaatiline aparaat (diferentsiaalarvutus) võimaldas lahendada mis tahes ülesandeid kehade liikumise kohta taevas ja maa peal.
Esimese taevaprobleemi lahendas astronoom Edmond Haley (Halley). Liikumisseadusele ja gravitatsiooniseadusele tuginedes ennustas ta, et 1682. aasta komeet naaseb 76 aasta pärast. Ja ta tuli õigel ajal! Enne seda võis veel kahelda Newtoni teoorias, mis "ainult" tuletas Kepleri vanad seadused uutest liikumis- ja gravitatsiooniseadustest. Kuid füüsika taevane võidukäik tõotas talle võitu ka maistes probleemides.
Sel puhul märkis üks ajaloolane: „Tänapäeva teadus laskus taevast maa peale mööda Galilei kaldtasandit.” Pole vähem põhjust väita, et – mööda sama kaldtasandit – on maise füüsika tõusnud taevani. Galileo sai taevast vaid ühe küsimuse: miks on Maa liikumine ümber oma telje ja ümber Päikese tohututel kiirustel tuhandeid kilomeetreid tunnis nii märkamatu? Ta otsis sellele küsimusele vastust – ja leidis selle – Maalt, uurides liikumist oma kahe peamise tööriista – katse ja matemaatiliselt täpse keele – abil. Tema vastust – inertsiseadust ja relatiivsuspõhimõtet – nimetas Newton mehaanika esimeseks seaduseks. Ja Galilei vaba langemise seadus, olles avastanud kiirenduse võtmerolli, andis vihje teisele seadusele – peamisele liikumisseadusele.
Ainult gravitatsiooniseaduses pole Galilei roll nähtav. Parandades seda ebaõiglust kaks sajandit pärast tema surma, koostas üks antikvaarse kaldega käsitööline ajalooliste dokumentide kogu, mille sai Prantsuse Teaduste Akadeemia. Lehed – Galileo, Pascali, Newtoni ja teiste silmapaistvate tegelaste nimedega – maalisid sellise pildi. Väidetavalt järeldas (itaallasest) Galileo oma elu viimastel aastatel Kepleri teisest seadusest teoreetiliselt, et taevakehad tõmbavad ligi pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga. Ta teatas sellest avastusest (prantsuse) Pascalile, kes ehitas selle põhjal taevamehaanika, arvutades välja ka planeetide massid, millest ta teatas (inglise) Newtonile. Ja ta avaldas ilma häbi ja südametunnistuseta teiste inimeste tulemused enda omadena.
Prantsuse Akadeemia, mis jälgis kadedalt brittide edusamme, uuris põnevusega sensatsioonilisi dokumente, kuni avastasid, et üks kogus olevatest kirjadest oli adresseeritud Newtonile, kui ta oli vaid 10-aastane. Kronoloogiaga ei läinud kogumiku autor läbi. Ja ma ei saanud üldse teaduse ajalooga läbi.
Ajalugu sõltub muidugi säilinud dokumentaalsetest tõenditest – kirjadest, käsikirjadest, trükistest. Aga kui inimese kohta on palju tõendeid, on väga raske võltsida täiesti uusi tõendeid. Ainult need, kes pole nende raamatuid lugenud ega saa üldse aru, kuidas saab üht teisest järeldada, võivad uskuda, et 75-aastane Galileo tuletas gravitatsiooniseaduse Kepleri teisest seadusest.
Galileo ei omistanud tähtsust Kepleri seadustele ja veel vähem tema väidetele Päikese kui planeete liigutava jõu allika kohta, et see jõud väheneb pöördvõrdeliselt kaugusega (ja mitte selle ruuduga) ning gravitatsioonijõud kui "seotud kehade sümpaatia", nende "soov ühenduse järele". Kepler võrdles seda "püüdlust" mõnikord ainult magnetismiga, mõnikord samastades seda sellega. Tema tekstidest jääb arusaamatuks, kas ta pidas silmas ühte või kahte jõudu. Selge on vaid see, et ta lootis füüsikutele, sest kirjutas: "Las füüsikud kontrollivad..."
1600. aastal avaldas inglane Gilbert raamatu "Magnetist, magnetkehadest ja suurest magnetist - Maast", kus ta muu hulgas väljendas mõtet, et Maa on tohutu magnet, ja põhjendas seda eksperimentaalselt mudeli abil. Maa - sfääriline magnet, mis järgib kompassinõela käitumist kuuli pinnal. Sellest raamatust muljet avaldades kirjutas Kepler planeedisüsteemi magnetjõududest, tuues astronoomiasse füüsika viimase sõna. Kuid erinevalt Hilbertist ei esitanud Kepler mingeid konkreetseid, isegi kvalitatiivseid argumente ega seostanud magnetfüüsikat mingil moel ei oma hüpoteesiga planeetide jõudude pöördvõrdeliselt kaugusega vähenemise kohta ega ka tema enda täpsete planeetide liikumise seadustega. Sellises teaduskäsitluses nägi füüsik Galileo "liiga vaba" meele ilmingut või lihtsalt kergemeelsust. Seoses Hilberti uurimistööga hindas ta seda kõrgelt ja soovis, et ta oleks "veidi rohkem matemaatik". Mitte sellepärast, et Galileo armastas matemaatikat, vaid sellepärast, et matemaatiliselt täpne keel avab tee eksperimentaalsele kontrollimisele ja seega ka täpsetele teadmistele.
Fundamentaalfüüsik Galileo võiks Kepleri seadusi vaadelda kui matemaatilisi seoseid, mis pole vähem elegantsed kui noore Kepleri planeetide kosmograafia, kuid ei tungi enam planeedisüsteemi füüsikalise olemuseni. Kahe punkti kaudu saate tõmmata ainult ühe sirge ja paljude planeetide vaatluspunktide kaudu - mis tahes arvu erinevaid kõveraid, sealhulgas võib-olla elegantseid. Planeetidega ei saa katsetada nende liikumise parameetreid muutes. Seetõttu püüdis Galileo tungida planeetide füüsika põhiseadustesse, tuginedes maisele eksperimendile, mis tuli leiutada, ja kasutades võimalikult lihtsat orbiiti - ringikujulist, seda enam, et Maa ja Veenuse orbiidid on peaaegu täpselt ringikujulised.
Gravitatsiooniseaduse tuletamiseks oli vaja muuta sõna "atraktsioon" eksperimentaaluuringutele kättesaadavaks füüsikaliseks mõisteks. See mõiste oli vaja siduda mõõdetavate suurustega, eelkõige liikumise endaga. Seda tegi Newton. Ja enne seda sai rääkida vaid planetaarsetest jõududest ja nende sõltuvusest kaugusest.
Varaseim "jutt" jõust, mis on võrdeline 1/ R 2, toimus prantsuse astronoomi Buyot' raamatus 1645. aastal. Autor austas Kopernikut, Galileot ja Keplerit, kuid planeedi jõudu – mitte Kepleri järgi – võrreldi valgustusega, mis väheneb kaugusega valgusallikast täpselt nagu 1/ R 2. Kuid siis lükkas Buyo samas raamatus tagasi liikumapaneva jõu olemasolu. Ainuüksi sellest on Kepleri hüpoteesi ebaveenv olemus selge. On lihtne ette kujutada, et Galileo oleks pidanud Bouillot’ vestlusi lapsikuteks: kust tuleb analoogia valguse ja planeedijõudude vahel?! Kuid selleks ajaks, kui prantsuse astronoomi raamat ilmus, oli Galileo juba kolm aastat tagasi ajalukku läinud. Ja ebaveenvad sõnad vahemaa ruuduga pöördvõrdelise jõu kohta läksid sellegipoolest ajalukku. Ja jõudsime Newtoni aega.
Mis juhtub?! Kõige tähtsam füüsiline idee sündis illegaalselt ja elas kaua leidlapsena?! Ja kõige enam oli tema sünni vastu moodsa füüsika isa?! Jah, aga mitte päris. Esiteks kehtivad teaduslike ideede kohta poeedi sõnad: “Kui sa vaid teaksid, millest kasvab poeesia, häbi tundmata...” Millegi uue sünd on alati ime. Ja teiseks idee 1 /R 2 sai oluliseks alles siis, kui seda kombineeriti aastakümneid hiljem tekkinud ideedega.
Teaduse ajalugu, nagu iga huvitav ajalugu, on ainulaadne sündmuste käik. Siit ka klišeeline lause, et ajalugu ei tunne subjunktiivi meeleolu. Ajalugu ei tea, aga füüsik, kes piilub ajalukku, tavaliselt teab mõttekatsed, muutuv - võimaliku piirides- ajalooliste tegelaste tegevus ja uue sündmuste ahela lahtirullimine, et hinnata tegelikkuses toimunu tõenäosust ja ebatõenäosust. Selle mõtteviisi eest tuleb tänada Galileot, kes kaasaegset füüsikat luues seda meisterlikult kasutas. Mõtteeksperiment on eksperimentaalne ülesehitus, mida võimaldavad teadaolevad faktid, sõltumata kuludest. Katsetingimusi vabalt muutes on teadaolevate faktide ja loodusseaduste abil lihtsam küsimusi esitada ja neile vastata.
Viies seda tehnikat füüsikast selle ajalukku, esitagem küsimus: "Kas Galileo võis teada valguse kiirust?", muidugi oma ajalooliselt reaalsete võimaluste - teadmiste, mõtteviisi ja eelarvamuste - piires. Ajalugu võimaldab meil sellele küsimusele vastata eitavalt. Tema leiutatud tüüpi katses, isegi kui arvestada tolleaegse tehnoloogia kõiki ressursse, puudus ilmselgelt täpsus. Ja Jupiteri satelliite hõlmava eksperimendi leidmiseks pidi ta füüsikast lahkuma, saama vaatlusastronoomiks ja tegema vaatlusi vähemalt aasta, selgitades millegipärast juba mõõdetud satelliitide perioode. Tundub uskumatu. Seega ei suutnud ta avastada valguse kiirust, kuigi ta oli eelarvamusel, et see on piiratud.
Galileo oli ka eelarvamusega, et planeetide külgetõmmet pole. Kuid see ei tähenda, et vastus küsimusele oleks selge:
Kas Galileo oleks võinud avastada universaalse gravitatsiooni seaduse?
Väljapaistev füüsik ja naljakas mees Richard Feynman tõi välja gravitatsiooniseaduse tausta:
Kepleri ajal uskusid mõned, et planeedid liiguvad ümber päikese, sest nähtamatud inglid lükkasid neid mööda nende orbiidi. See pole tõest nii kaugel: inglid suruvad planeete mitte mööda, vaid üle orbiidi selle keskme poole.
Püüdes olla lühidus, jättis Feynman välja olulise vaheetapi. Galileo sai üldse ilma ingliteta hakkama, pidades planeedi ringliikumist ümber Päikese loomulikuks vabaks liikumiseks. Küsimus orbiitide suuruse ja planeetide kiiruste kohta jäi lahtiseks, kuid Galileo nägi palju lahtisi küsimusi, mis teda ei häirinud ega seganud, vaid ainult provotseerisid. Nagu Kepler, uskus Galileo, et ka teised planeedid on oma olemuselt Maaga sarnased, ja tema veendumust tugevdas Kuu mägise pinna nägemine läbi teleskoobi. Tema usk andis lootust, et Maa loodusseaduste uurimine aitab mõista planeetide liikumise seaduspärasusi.
Galileo avastas Maal vaba langemise seaduse, aga ka horisondi suhtes nurga all paisatud keha liikumisseaduse. Sellise liikumise trajektoor, nagu koolilapsed nüüd teavad, on parabool. Galileo ei avaldanud seda avastust pikka aega. Ta mõistis, et tulemus saadi "lame Maa" lähenduses: parabool kirjeldab trajektoori täpsemalt, mida väiksem on selle suurus võrreldes Maa raadiusega, st seda väiksem on algkiirus või väiksem osa trajektoori arvestatakse. Ta ei teadnud, milline on trajektoori kuju “suure liikumise” korral, kui algkiirus oli piisavalt suur, et Maa sfäärilisust ei saanud enam tähelepanuta jätta.
Raskus oli teoreetiline ja eksperiment ei saanud aidata: selleks, et laboris Maa sfäärilisust märgata, peavad labori mõõtmed olema võrreldavad Maa raadiusega. Galileo sai aga kasutada mõtteeksperimenti, milles ta oli suurepärane ekspert. Tuli vaid välja mõelda küsimus mõttekatsetajale.
Näiteks see. Kui viskate palli madalal kiirusel horisontaalselt, kukub see järsu paraboolina liikudes lähedal asuvale maapinnale. Kui algkiirust suurendada, muutub parabool lamedamaks. Ja millise kiirusega tuleks palli visata, et see kukkudes jääks samale kaugusele Maa pinnast, mis oma sfäärilisuse tõttu “alla” läheb?
Galileo saaks selle probleemi lahendada matemaatika abil, mis pole keerulisem kui Pythagorase teoreem, teades Maa raadiust R ja vabalangemise kiirendus g, tema poolt mõõdetud. Vajalik kiirus, nagu praegune õpilane näeb,
V= (gR) 1/2 ~ 8 km/sek.
See on muidugi esimene põgenemiskiirus, ehk kiirus, millega palli tuleb visata, et sellest saaks Maa tehissatelliit. Esimest korda tehti seda Venemaal 1957. aastal, kuid XVII sajandi Itaalias selliseid sõnu ei tuntud ja kiirust oleks nimetatud astronoomiliseks. See oli pigem astrofüüsiline. Kuid astrofüüsik Galileo jaoks meenutaks Maa pinnast püsival kaugusel lendav vaimne pall loomulikult Kuud.
Ta võis aga kergesti veenduda, et Kuu jaoks sellest tulenev suhe paraku paika ei pea ja väga tugevalt. Kuu kiirus on 60 korda väiksem kui peaks. Kuna Kuu kiirus ja selle kaugus olid hästi teada, oleks Galileo mõelnud gravitatsioonikiirenduse peale g, mille ma ise mõõtsin. Kuid ta mõõtis seda Maa pinnal, mitte Kuu kõrgusel. Suhe oleks täidetud, kui vabalangemise kiirendus Kuu kõrgusel on 3600 korda väiksem kui Maal. Kaugus Kuust on 60 korda suurem kui Maa raadius. Sellest tuleneb hüpotees: gravitatsioonikiirendus muutub Maast kaugusega pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga. Galileo võiks seda hüpoteesi kinnitada nii Jupiteri satelliitidel kui ka Päikese satelliitidel – planeetidel. Selle tulemusena saab ta uue loodusseaduse - vaba langemise üldseadus, mis määrab vabalangemise kiirenduse g(R) kaugel asuvas punktis R massilisest taevakehast M
g(R) = GM/R 2 ,
siin G on konstant, sama mis tahes taevakeha jaoks, mis tähendab, et see on põhikonstant.
Kuidas sai Galileo avastada vaba langemise üldise seaduse
Galileo leidis vabalangemist uurides, et horisontaalselt kosmosesse visatud pall kukub mööda parabooli, mille kuju määrab algkiirus V ja vabalangemise kiirendamine g: horisontaalset kiirust hoitakse V G = V ja suureneb aja jooksul vertikaalselt V V = gt.
Teeme mõtteeksperimendi, ronides koos vaimse Galileoga legendaarsesse torni. Me viskame pallid kasvava kiirusega horisontaalselt. Kui viskekiirus on väike, kukub pall mööda järsku parabooli torni lähedale maapinnale. Ja kui kiirus on väga suur, muutub parabool väga tasaseks ja pall lendab Maast väga kaugele.
Küsimus on selles, millise kiirusega tuleks palli visata, et see vabalt kukkudes jääks maapinnast samale kõrgusele, mis ümardub "alla"?
Isegi koolilaps saab nüüd sellele küsimusele vastata, joonistades näidatud diagrammi, rakendades Pythagorase teoreemi ja võttes arvesse, et Maa raadius R
Galileo Galilei (1564-1642) kinnitas praktikas Nicolaus Copernicuse ja Giordano Bruno ideede õigsust:
- - leiutas teleskoobi;
- - uuris teleskoobi abil taevakehi;
- - tõestas, et taevakehad ei liigu mitte ainult mööda trajektoori, vaid ka samaaegselt ümber oma telje;
- - avastatud laigud Päikesel ja vaheldusrikas maastik (mäed ja kõrbed - "mered") Kuul;
- - avastatud satelliidid teiste planeetide ümbert;
- - uuris langevate kehade dünaamikat;
- - tõestas maailmade paljusust universumis.
Galileo pakkus välja teadusliku uurimistöö meetodi, mis koosnes:
- - vaatlus;
- - hüpoteesi püstitamine;
- - hüpoteesi praktikas rakendamise arvutused;
- - püstitatud hüpoteesi eksperimentaalne (eksperimentaalne) testimine praktikas.
Ja temast sai Koperniku ja Bruno töö järglane. Ta on enim tuntud kui kaasaegse füüsika rajaja.
Ta oli esimene teadlastest, kes muutis teadusliku uurimistöö peamiseks meetodiks mitte arutlemise või vaatluse, vaid katsetamise. Ta saavutas toona laia, lausa skandaalse kuulsuse, visates “langeva” Pisa torni tipust erineva suurusega palle. Varem uskusid kõik Aristotelest, et raskem pall langeb kiiremini kui kergem, ja keegi ei mõelnud seda praktikas katsetada. Galileo oli esimene, kes kontrollis. Ja selgus, et vastupidiselt Aristotelesele langesid mõlemad pallid korraga. Galileo selgitab: kogemusest on teada juhtumeid, kui näiteks sulg langeb õhku palju aeglasemalt kui kivi – see on tingitud õhus esinevast vastupanust. Vaakumis (sellised katsed viidi läbi) langevad nii kivi kui ka sulg võrdselt.
Mõõtes erinevatelt kõrgustelt kukkumise aega, jõuab Galileo järeldusele, et pallid ei lange mitte ühtlase kiirusega, vaid kiirendusega. Liikuvate kehadega katseid tehes näeb Galileo, et jõu mõjul liikumisel ja inertsi mõjul liikumisel on vahe. Jõu mõjul liigub keha kiirendusega, muudab kiirust või liikumissuunda. Kui jõud ei toimi, siis keha kas jääb liikumatuks (kui see oli liikumatu) või jätkab liikumist inertsi mõjul (kui see varem liikus).
Siit teeb Galileo järelduse, mis tänapäeval üldtuntud, kuid tol ajal veider tundus – et puhkeseisundi ja ühtlase sirgjoonelise liikumise oleku vahel pole põhimõttelist vahet. Ja see järeldus sai esimeseks argumendiks Koperniku teooria kasuks. Varem ütlesid Koperniku kriitikud, et kui Maa liiguks, siis me tunneksime seda, Maa eemalduks meie jalge alt. Galileo tõestas, et midagi sellist pole olemas. Kuigi Maa liigub ringikujulisel orbiidil, on selle orbiidi raadius nii suur, et meie tavalistes pikkusskaalades on see liikumine peaaegu sirgjooneline ja seetõttu pole seda tunda.
Teine ümberlükkamatu tõend selle kohta, et Galileol oli õigus, oli teleskoop. Selleks ajaks olid kumerate ja nõgusate klaaside “suurendavad” ja “kahandavad” omadused juba avastatud. Just neil aastatel avastasid erinevad inimesed iseseisvalt, et kumera ja nõgusa klaasi kombinatsioonist on võimalik kokku panna teleskoop, mis lähendas kaugeid objekte. 1610. aastal oli Galileo esimene, kes suunas oma tehtud teleskoobi taeva poole. See oli esimene teleskoop. Kohe tegi Galileo palju selle aja kohta uskumatuid avastusi. Kuu osutus kaetud mägedega - seetõttu pole maise ja taeva vahel vahet ning teistel taevakehadel ei erine reljeef maisest põhimõtteliselt.
Jupiteril osutus 4 satelliiti - mis tähendab, et ümber Maa tiirlev Kuu pole planeetide maailmas erand ja seetõttu on Maa sama planeet nagu kõik teised. Veenus osutus teleskoobiga vaadeldes kuu sarnaseks poolkuuks ja selle faasid muutusid pidevalt – see saaks juhtuda vaid siis, kui nii Maa kui Veenus tiirlevad ümber Päikese. Isegi Päikesel endal olid laigud – vastavalt sellele pole tegemist millegi jumaliku, vaid tavalise taevakehaga. Linnutee osutus koosnevaks paljudest tähtedest – selgus, et Universumi piirid on palju laiemad, kui seni arvati.
Galileo on täis helgeid lootusi, kui ta viib oma "Dialoogi maailma kahe peamise süsteemi üle" Rooma. Iga terve mõistusega inimene näeb selles Ptolemaiose süsteemi täielikku kokkuvarisemist ja mõistab Koperniku suurepärast loogikat. Püha palee ülemteener Riccardi kinnitab käsikirja trükkimiseks, kuid ootamatult võtab ta millestki hirmununa loa tagasi, soovitades teist tsensorit juba Firenzes. Seal avaldas 68-aastane Galileo 1632. aastal oma elu pearaamatu.
Vatikan oli raevukas. Galileot prooviti, kohtuprotsess kestis üle kahe kuu. "Suure mehe alandus oli sügav ja täielik," kirjutas üks Galileo prantsuse biograafe. "Selles alanduses viidi ta lahtiütlemiseni teadlase kõige tulihingelisematest veendumustest ning inimese piinadest, mida võitsid kannatused ja tulehirm..."
22. juunil 1633 luges ta Püha Minerva kloostri kirikus kõigi õukonna prelaatide ja kardinalide juuresolekul, karistust täites, põlvitades ette troonist loobumise. Nad väidavad, et kui Galileo põlvili tõusis, hüüdis ta: "Aga ta ikkagi pöörleb!" Kuid see ei olnud tõenäoline. Inkvisitsioon ei andestaks talle kunagi puhtformaalset troonist loobumist. Temalt oodati meeleparandust ja alandlikkust; ei nõutud mitte paindumist, vaid oma mõtete murdmist...
Galileo sündis Itaalias Pisa linnas 1564. aastal, mis tähendab, et Bruno surma-aastal oli ta 36-aastane ning täies jõus ja tervises.
Noor Galileo avastas erakordsed matemaatilised võimed; ta neelas matemaatikateoseid nagu meelelahutuslikke romaane.
Galileo töötas Pisa ülikoolis umbes neli aastat ja 1592. aastal siirdus ta Padova ülikooli matemaatikaprofessoriks, kuhu jäi kuni 1610. aastani.
Kõiki Galileo teaduslikke saavutusi on võimatu edasi anda, ta oli ebatavaliselt mitmekülgne inimene. Ta tundis hästi muusikat ja maali, tegi palju matemaatika, astronoomia, mehaanika, füüsika arendamiseks...
Galileo saavutused astronoomia vallas on hämmastavad.
...Kõik sai alguse teleskoobist. 1609. aastal kuulis Galileo, et kusagil Hollandis on ilmunud kaugele nägev seade (nii tõlgitakse kreeka keelest sõna “teleskoop”). Keegi Itaalias ei teadnud, kuidas see töötab, teati vaid, et selle aluseks oli optiliste klaaside kombinatsioon.
Sellest piisas Galileole tema hämmastava leidlikkusega. Mitu nädalat mõtlemist ja katsetamist ning ta pani kokku oma esimese teleskoobi, mis koosnes suurendusklaasist ja kaksiknõgusast klaasist (nüüd on sellel põhimõttel binoklid ehitatud). Algul suurendas seade objekte vaid 5-7 korda ja seejärel 30 korda ning seda oli nende aegade kohta juba palju.
Galileo suurim saavutus on see, et ta oli esimene, kes suunas teleskoobi taeva poole. Mida ta seal nägi?
Harva on inimesel õnn avastada uut, tundmatut maailma. Rohkem kui sada aastat varem koges Columbus sellist õnne, kui nägi esimest korda Uue Maailma kaldaid. Galileot nimetatakse taeva Kolumbuseks. Itaalia astronoomi pilgule avanesid universumi erakordsed avarused, mitte ainult üks uus maailm, vaid lugematu arv uusi maailmu.
Esimesed kuud pärast teleskoobi leiutamist olid muidugi Galileo elu õnnelikumad, nii õnnelikud, kui üks teadlane võiks endale soovida. Iga päev, iga nädal tõi midagi uut... Kõik senised ettekujutused Universumist varisesid kokku, kõik piiblilood maailma loomisest muutusid muinasjuttudeks.
Nii suunab Galileo oma teleskoobi Kuule ja ei näe mitte kergete gaaside eeterlikku keha, nagu filosoofid seda ette kujutasid, vaid Maaga sarnast planeeti, millel on tohutud tasandikud ja mäed, mille kõrguse teadlane vaimukalt määras. varju, mida nad heidavad.
Kuid tema ees on majesteetlik planeetide kuningas - Jupiter. Mis siis saab? Jupiterit ümbritseb neli selle ümber tiirlevat satelliiti, mis reprodutseerivad Päikesesüsteemi väiksemat versiooni.
Piip on suunatud Päikese poole (loomulikult läbi suitsuklaasi). Jumalik Päike, täiuslikkuse puhtaim näide, on kaetud laikudega ja nende liikumine näitab, et Päike pöörleb ümber oma telje, nagu meie Maagi. Giordano Bruno oletus leidis kinnitust ja kui kiiresti!
Teleskoop on pööratud salapärasele Linnutee poole, see udune riba, mis läbib taevast, ja see laguneb lugematuteks tähtedeks, mis olid seni inimsilmale kättesaamatud! Kas pole see see, millest vapper nägija Roger Bacon rääkis kolm ja pool sajandit tagasi? Igal asjal on teaduses oma aeg, tuleb vaid osata oodata ja võidelda.
Meil, kosmonautide kaasaegsetel, on raske isegi ette kujutada, millise revolutsiooni tegid Galilei avastused inimeste maailmavaadetes. Koperniku süsteem on majesteetlik, kuid tavainimese mõistus seda vähe mõistab; see vajas tõestust. Nüüd on tõendid ilmunud, Galileo esitas need raamatus imelise pealkirjaga "Tähesõnniku saatja". Nüüd võib igaüks, kes kahtleb, vaadata läbi teleskoobi taevasse ja veenduda Galileo väidete õigsuses.
Silmapaistev itaalia füüsik ja astronoom Galileo Galilei sündis 15. veebruaril 1564 Pisa linnas (Loode-Itaalia). Tema perekonnas, mille pea oli vaene aadlik, oli peale Galilei enda veel viis last. Kui poiss oli 8-aastane, kolis perekond Firenzesse, kus noor Galileo astus ühte kohalikku kloostrisse kooli. Sel ajal huvitas teda enim kunst, samas läks hästi ka loodusteadustes. Seetõttu polnud tal pärast kooli lõpetamist raske Pisa ülikooli astuda, kus ta asus õppima arstiteadust. Kuid samal ajal köitis teda ka geomeetria, loengukursus, millel ta omal algatusel osales.
Galileo õppis ülikoolis kolm aastat, kuid ta ei suutnud seda lõpetada, sest tema pere rahaline olukord halvenes. Seejärel pidi ta koju tagasi pöörduma ja proovima tööd leida. Õnneks õnnestus tal tänu oma võimetele saavutada hertsog Ferdinand I de' Medici patroon, kes nõustus tasuma õpingute jätkamise eest. Pärast seda, aastal 1589, naasis Galileo Pisa ülikooli, kus temast sai peagi matemaatikaprofessor. See andis talle võimaluse õpetada ja samal ajal tegeleda iseseisva uurimistööga. Aasta hiljem avaldati teadlase esimene mehaanikateos. Seda kutsuti "Liikumisel".
Just siin möödus suure teadlase elu viljakaim periood. Ja tänu temale tõi 1609. aasta astronoomias tõelise revolutsiooni. Juulis leidis aset igaveseks ajalukku jääv sündmus – esimesed taevaobjektide vaatlused tehti uue instrumendi – optilise teleskoobi abil. Esimene toru, mille valmistas Galileo ise, andis tõusu vaid kolm korda. Veidi hiljem ilmus täiustatud versioon, mis parandas inimese nägemist 33 korda. Tema abiga tehtud avastused vapustasid teadusmaailma. Kohe esimesel aastal avastati neli Jupiteri satelliiti ja avastati tõsiasi, et taevas oli palju rohkem tähti, kui palja silmaga näha. Galileo tegi Kuu vaatlusi, avastades sellelt mägesid ja madalikke. Sellest kõigest piisas, et saada kuulsaks kogu Euroopas.
Olles 1610. aastal Firenzesse kolinud, jätkas teadlane oma uurimistööd. Siin avastasid nad Päikesel laigud, selle pöörlemise ümber oma telje ja ka planeedi Veenuse faasid. Kõik see tõi talle kuulsust ja poolehoidu paljude kõrgete isikute seas Itaalias ja mujal.
Kuid katoliku kiriku poolt ketserluseks klassifitseeritud Koperniku õpetuse avaliku kaitse tõttu tekkis tal suhetes Roomaga tõsiseid probleeme. Ja pärast suure teose "Dialoog maailma kahe kõige olulisema süsteemi – Ptolemaiose ja Koperniku" avaldamist aastal 1632 süüdistati teda avalikult ketserluse toetamises ja ta kutsuti kohtu ette. Selle tulemusena oli Galileo sunnitud avalikult lahti ütlema oma toetusest heliotsentrilisele maailmasüsteemile. Talle omistatud lause: "Aga ikkagi see keerleb!" tal puuduvad dokumentaalsed tõendid...