«Det krevde eksepsjonell styrke for å trekke naturlovene ut av konkrete fenomener som alltid var foran alles øyne, men forklaringen som likevel unngikk filosofenes nysgjerrige blikk», skrev den berømte franske matematikeren og astronomen Lagrange om Galileo.
Galileo Galileis oppdagelser innen astronomi
I 1609 bygde Galileo Galilei uavhengig sitt første teleskop med en konveks linse og et konkavt okular. Til å begynne med ga teleskopet hans omtrent 3 ganger forstørrelse. Snart klarte han å bygge et teleskop som ga en forstørrelse på 32 ganger. Selve begrepet teleskop Galileo introduserte det også i vitenskapen (etter forslag fra Federico Cesi). En rekke funn som Galileo gjorde ved hjelp av et teleskop bidro til uttalelsen verdens heliosentriske system, som Galileo aktivt fremmet, og tilbakeviser synspunktene til geosentristene Aristoteles og Ptolemaios.
Galileos teleskop hadde én konvergerende linse som objektiv, og en divergerende linse som okular. Denne optiske designen produserer et ikke-invertert (terrestrisk) bilde. De største ulempene med det galileiske teleskopet er dets svært lille synsfelt.Dette systemet brukes fortsatt i teaterkikkerter, og noen ganger i hjemmelagde amatørteleskoper.
Galileo gjorde de første teleskopiske observasjonene av himmellegemer 7. januar 1610. De viste at Månen, i likhet med Jorden, har en kompleks topografi - dekket med fjell og kratere. Galileo forklarte Månens askelys, kjent siden antikken, som et resultat av sollys reflektert av jorden som treffer den. Alt dette tilbakeviste Aristoteles lære om motsetningen til "jordisk" og "himmelsk": Jorden ble en kropp av fundamentalt samme natur som himmellegemene, og dette tjente som et indirekte argument til fordel for det kopernikanske systemet: hvis andre planeter beveger seg, er det naturlig å anta at jorden også beveger seg. Galileo oppdaget også frigjøring av månen (den langsomme vibrasjonen) og estimerte ganske nøyaktig høyden på månefjellene.
Planeten Venus viste seg for Galileo i teleskopet ikke som et skinnende punkt, men som en lett halvmåne, lik månen.
Det mest interessante var observasjonen av den lyse planeten Jupiter. Gjennom teleskopet viste Jupiter ikke lenger seg for astronomen som en lys prikk, men som en ganske stor sirkel. Det var tre stjerner på himmelen nær denne sirkelen, og en uke senere oppdaget Galileo en fjerde stjerne.
Når man ser på bildet, kan man lure på hvorfor Galileo ikke umiddelbart oppdaget alle fire satellittene: de er tross alt så godt synlige på fotografiet! Men vi må huske at Galileos teleskop var veldig svakt. Det viste seg at alle fire stjernene ikke bare følger Jupiter i dens bevegelser over himmelen, men også kretser rundt denne store planeten. Så fire måner ble funnet på en gang på Jupiter - fire satellitter. Dermed tilbakeviste Galileo et av argumentene til motstandere av heliosentrisme: Jorden kan ikke rotere rundt solen, siden månen selv roterer rundt den. Tross alt måtte Jupiter åpenbart enten rotere rundt jorden (som i det geosentriske systemet) eller rundt solen (som i det heliosentriske systemet). Galileo observerte omløpsperioden til disse satellittene i et og et halvt år, men nøyaktigheten av estimatet ble oppnådd bare i Newtons tid. Galileo foreslo å bruke observasjoner av formørkelsene til Jupiters satellitter for å løse det kritiske problemet med å bestemme lengdegrad til havs. Selv var han ikke i stand til å utvikle en implementering av en slik tilnærming, selv om han jobbet med den til slutten av livet; Cassini var den første som oppnådde suksess (1681), men på grunn av vanskelighetene med observasjoner til sjøs ble Galileos metode hovedsakelig brukt av landekspedisjoner, og etter oppfinnelsen av det marine kronometeret (midten av 1700-tallet) ble problemet lukket.
Galileo oppdaget også (uavhengig av Fabricius og Herriot) solflekker(mørke områder på solen, hvis temperatur er senket med ca. 1500 K sammenlignet med områdene rundt).
Eksistensen av flekker og deres konstante variasjon tilbakeviste Aristoteles' tese om himmelens perfeksjon (i motsetning til den "sublunære verden"). Fra deres observasjoner konkluderte Galileo det Solen roterer rundt sin akse, estimerte perioden for denne rotasjonen og posisjonen til solens akse.
Galileo slo også fast at Venus endrer faser. På den ene siden beviste dette at det skinner med reflektert lys fra solen (som det ikke var noen klarhet om i astronomien fra forrige periode). På den annen side tilsvarte rekkefølgen av faseendringer det heliosentriske systemet: i Ptolemaios teori var Venus som den "lavere" planeten alltid nærmere jorden enn solen, og "full Venus" var umulig.
Galileo bemerket også de merkelige "vedhengene" til Saturn, men oppdagelsen av ringen ble forhindret av svakheten til teleskopet. 50 år senere ble Saturns ring oppdaget og beskrevet av Huygens, som hadde et 92-dobbelt teleskop til rådighet.
Galileo hevdet at når de observeres gjennom et teleskop, er planetene synlige som skiver, hvis tilsynelatende størrelser i forskjellige konfigurasjoner endres i samme forhold som følger av den kopernikanske teorien. Imidlertid øker ikke diameteren til stjerner når de observeres med et teleskop. Dette tilbakeviste estimater av den tilsynelatende og faktiske størrelsen på stjerner, som ble brukt av noen astronomer som et argument mot det heliosentriske systemet.
Melkeveien, som for det blotte øye ser ut som en kontinuerlig glød, ble avslørt for Galileo i form av individuelle stjerner, noe som bekreftet Democritus’ gjetning, og et stort antall tidligere ukjente stjerner ble synlige.
Galileo skrev en bok, Dialogue Concerning the Two World Systems, der han forklarte i detalj hvorfor han aksepterte det kopernikanske systemet i stedet for Ptolemaios. Hovedpunktene i denne dialogen er som følger:
- Venus og Merkur er aldri i opposisjon, noe som betyr at de går i bane rundt solen og deres bane er mellom solen og jorden.
- Mars har motstand. Fra en analyse av endringer i lysstyrke under bevegelsen til Mars, konkluderte Galileo at denne planeten også dreier rundt solen, men i dette tilfellet er jorden lokalisert innsiden sin bane. Han gjorde lignende konklusjoner for Jupiter og Saturn.
Det gjenstår å velge mellom to verdenssystemer: Solen (med planeter) kretser rundt jorden eller jorden kretser rundt solen. Det observerte mønsteret av planetbevegelser i begge tilfeller er det samme, dette garanterer relativitetsprinsippet formulert av Galileo selv. Derfor er det nødvendig med ytterligere argumenter for valget, blant hvilke Galileo siterer den større enkelheten og naturligheten til den kopernikanske modellen (han avviste imidlertid Keplers system med elliptiske baner til planetene).
Galileo forklarte hvorfor jordaksen ikke roterer når jorden roterer rundt solen; For å forklare dette fenomenet introduserte Copernicus en spesiell "tredje bevegelse" av jorden. Galileo viste det eksperimentelt aksen til en fritt bevegelig topp opprettholder sin retning av seg selv("Brev til Ingoli"):
«Et lignende fenomen finnes tydeligvis i enhver kropp som er i en fritt suspendert tilstand, som jeg har vist for mange; og du kan selv verifisere dette ved å plassere en flytende trekule i et kar med vann, som du tar i hendene, og så, strekker dem ut, begynner du å rotere rundt deg selv; du vil se hvordan denne ballen vil rotere rundt seg selv i motsatt retning av din rotasjon; den vil fullføre sin fulle rotasjon samtidig som du fullfører din.»
Galileo gjorde en alvorlig feil ved å tro at fenomenet tidevann beviste jordens rotasjon rundt sin akse. Men han gir også andre alvorlige argumenter til fordel for den daglige rotasjonen av jorden:
- Det er vanskelig å være enig i at hele universet gjør en daglig revolusjon rundt jorden (spesielt tatt i betraktning de kolossale avstandene til stjernene); det er mer naturlig å forklare det observerte bildet med jordens rotasjon alene. Den synkrone deltakelsen av planeter i daglig rotasjon vil også bryte med det observerte mønsteret, ifølge hvilket jo lenger en planet er fra solen, jo saktere beveger den seg.
- Selv den enorme solen har vist seg å ha aksial rotasjon.
For å bevise jordens rotasjon foreslår Galileo å forestille seg mentalt at et kanonskall eller et fallende legeme avviker litt fra vertikalen under fallet, men hans beregning viser at dette avviket er ubetydelig.
Galileo gjorde også den korrekte observasjonen at jordens rotasjon må påvirke dynamikken til vindene. Alle disse effektene ble oppdaget mye senere.
Andre prestasjoner av Galileo Galilei
Han oppfant også:
- Hydrostatiske balanser for å bestemme egenvekten til faste stoffer.
- Det første termometeret, fortsatt uten skala (1592).
- Proporsjonalt kompass brukt i utkast (1606).
- Mikroskop (1612); Med sin hjelp studerte Galileo insekter.
Utvalget av hans interesser var veldig bredt: Galileo var også involvert optikk, akustikk, fargeteori og magnetisme, hydrostatikk(vitenskap som studerer likevekten til væsker) motstand av materialer, befestningsproblemer(militærvitenskap om kunstige stengninger og barrierer). Jeg prøvde å måle lysets hastighet. Han målte eksperimentelt tettheten til luft og ga en verdi på 1/400 (sammenlign: Aristoteles - 1/10, den sanne moderne verdien er 1/770).
Galileo formulerte også loven om materiens uforgjengelighet.
Etter å ha blitt kjent med alle prestasjonene til Galileo Galilei innen vitenskap, er det umulig å ikke bli interessert i hans personlighet. Derfor vil vi fortelle deg om hovedstadiene i hans livsvei.
Fra biografien til Galileo Galilei
Den fremtidige italienske vitenskapsmannen (fysiker, mekaniker, astronom, filosof og matematiker) ble født i 1564 i Pisa. Som du allerede vet, er han forfatteren av fremragende astronomiske funn. Men hans tilslutning til det heliosentriske systemet i verden førte til alvorlige konflikter med den katolske kirken, noe som gjorde livet hans svært vanskelig.
Han ble født inn i en adelig familie, faren hans var en kjent musiker og musikkteoretiker. Hans lidenskap for kunst ble gitt videre til sønnen: Galileo studerte musikk og tegning, og hadde også litterært talent.
utdanning
Han fikk grunnutdanningen i klosteret nærmest hjemmet, studerte hele livet med stor iver - han studerte medisin ved universitetet i Pisa, og var samtidig interessert i geometri. Han studerte ved universitetet i bare omtrent 3 år - faren hans kunne ikke lenger betale for sønnens studier, men nyheten om den talentfulle unge mannen nådde høye embetsmenn, han ble beskyttet av markisen del Monte og den toskanske hertugen Ferdinand I de' Medici.
Vitenskapelig aktivitet
Galileo underviste senere ved universitetet i Pisa og deretter ved det mer prestisjetunge universitetet i Padua, der de mest fruktbare årene av hans vitenskapelige karriere begynte. Her er han aktivt involvert i astronomi - han finner opp sitt eget første teleskop. Han kalte de fire satellittene til Jupiter som han oppdaget etter sønnene til hans skytshelgen Medici (nå kalles de de galileiske satellittene). Galileo beskrev sine første oppdagelser med et teleskop i sitt essay "The Starry Messenger"; denne boken ble en ekte bestselger i sin tid, og innbyggerne i Europa kjøpte raskt teleskoper til seg selv. Galileo blir den mest kjente vitenskapsmannen i Europa; oder er skrevet til hans ære, og sammenligner ham med Columbus.
I løpet av disse årene inngikk Galileo et sivilt ekteskap, der han hadde en sønn og to døtre.
Selvfølgelig har slike mennesker, i tillegg til deres tilhengere, alltid nok dårlige ønsker, og Galileo slapp ikke unna dette. Motstandere ble spesielt rasende over hans propaganda om verdens heliosentriske system, fordi en detaljert underbyggelse av konseptet om jordens immobilitet og en tilbakevisning av hypoteser om dens rotasjon var inneholdt i Aristoteles' avhandling "On Heaven" og i Ptolemaios's "Almagest". ".
I 1611 bestemte Galileo seg for å reise til Roma for å overbevise pave Paul V om at Copernicus ideer var fullstendig forenlige med katolisismen. Han ble tatt godt imot og viste dem teleskopet sitt, og ga nøye og nøye forklaringer. Kardinalene opprettet en kommisjon for å avklare spørsmålet om det var synd å se på himmelen gjennom et rør, men kom til at dette var tillatt. Romerske astronomer diskuterte åpent spørsmålet om Venus beveget seg rundt jorden eller rundt solen (de skiftende fasene til Venus talte tydelig til fordel for det andre alternativet).
Men oppsigelser til inkvisisjonen begynte. Og da Galileo publiserte boken «Brev om solflekker» i 1613, der han åpent talte til fordel for det kopernikanske systemet, startet den romerske inkvisisjonen sin første sak mot Galileo på anklager for kjetteri. Galileos siste feil var hans oppfordring til Roma for å uttrykke sin endelige holdning til Copernicus lære. Da bestemte den katolske kirke seg for å forby læren hans med forklaringen at " kirken protesterer ikke mot tolkningen av kopernikanismen som en praktisk matematisk anordning, men å akseptere den som en realitet ville bety å innrømme at den tidligere, tradisjonelle tolkningen av bibelteksten var feil.».
5. mars 1616 Roma definerer offisielt heliosentrisme som et farlig kjetteri. Copernicus sin bok ble forbudt.
Kirkens forbud mot heliosentrisme, som Galileo var overbevist om, var uakseptabelt for vitenskapsmannen. Han begynte å tenke på hvordan han kunne fortsette å forsvare sannheten uten å formelt bryte forbudet. Og jeg bestemte meg for å gi ut en bok som inneholder en nøytral diskusjon av ulike synspunkter. Han skrev denne boken i 16 år, samlet materiale, finpusset argumentene og ventet på det rette øyeblikket. Til slutt (i 1630) ble den ferdig, denne boken - "Dialog om de to viktigste systemene i verden - Ptolemaic og Copernican" , men ble utgitt først i 1632. Boken er skrevet i form av en dialog mellom tre elskere av vitenskap: en kopernikaner, en nøytral deltaker og en tilhenger av Aristoteles og Ptolemaios. Selv om boken ikke inneholder forfatterens konklusjoner, taler styrken til argumentene til fordel for det kopernikanske systemet for seg selv. Men i den nøytrale deltakeren gjenkjente paven seg selv og argumentene sine og ble rasende. I løpet av få måneder ble boken forbudt og trukket fra salg, og Galileo ble innkalt til Roma for å bli stilt for retten av inkvisisjonen, mistenkt for kjetteri. Etter det første avhøret ble han satt i arresten. Det er en oppfatning at tortur ble brukt mot ham, at Galileo ble truet med døden, han ble avhørt i torturrommet, hvor forferdelige verktøy ble lagt ut foran fangens øyne: lærtrakter, gjennom hvilke en enorm mengde vann ble helt inn i en persons mage, jernstøvler (de ble skrudd inn i bena til den torturerte), tang som ble brukt til å knekke bein...
I alle fall sto han overfor et valg: enten ville han omvende seg og gi avkall på «vrangforestillingene» sine, eller så ville han lide Giordano Brunos skjebne. Han orket ikke truslene og ga avkall på forfatterskapet.
Men Galileo forble en fange av inkvisisjonen til sin død. Han var strengt forbudt å snakke med noen om jordens bevegelser. Og likevel jobbet Galileo i hemmelighet på et essay der han hevdet sannheten om jorden og himmellegemene. Etter dommen ble Galileo bosatt i en av Medici-villaene, og fem måneder senere fikk han reise hjem, og han slo seg ned i Arcetri, ved siden av klosteret der døtrene hans var. Her tilbrakte han resten av livet i husarrest og under konstant overvåking av inkvisisjonen.
En tid senere, etter døden til sin elskede datter, mistet Galileo synet fullstendig, men fortsatte vitenskapelig forskning, og stolte på sine trofaste studenter, blant dem var Torricelli. Bare én gang, kort før hans død, tillot inkvisisjonen den blinde og alvorlig syke Galileo å forlate Arcetri og bosette seg i Firenze for behandling. Samtidig, under smerte av fengsel, ble han forbudt å forlate huset og diskutere den "fordømte meningen" om jordens bevegelse.
Galileo Galilei døde 8. januar 1642, 78 år gammel, i sengen sin. Han ble gravlagt i Arcetri uten æresbevisninger; paven tillot ham heller ikke å reise et monument.
Senere ble Galileos eneste barnebarn også munk og brente vitenskapsmannens uvurderlige manuskripter som han oppbevarte som ugudelige. Han var den siste representanten for den galileiske familien.
Etterord
I 1737 ble Galileos aske, slik han ba om, overført til basilikaen Santa Croce, hvor han den 17. mars ble høytidelig gravlagt ved siden av Michelangelo.
I 1835 ble bøker som forsvarte heliosentrisme fjernet fra listen over forbudte bøker.
Fra 1979 til 1981, på initiativ av pave Johannes Paul II, arbeidet en kommisjon for å rehabilitere Galileo, og 31. oktober 1992 innrømmet pave Johannes Paul II offisielt at inkvisisjonen i 1633 gjorde en feil ved å tvinge vitenskapsmannen til å gi avkall på Kopernikansk teori.
Forord
Innbyggerne på Internett - og dette er allerede omtrent en tredjedel av menneskeheten - kommer over ordet "vitenskap" oftere enn ordene "mor" eller "luft". Ikke rart: alle bruker fruktene av vitenskap på Internett. Og hovedvitenskapen bak oppfinnelsen av Internett er fysikk.
Hvis vi kaller vitenskap alt som kan læres til en annen, så er dens stamtavle sammenvevd med menneskets stamtavle. I følge genetikere stammet alle moderne mennesker fra en kvinne som levde for rundt to tusen århundrer siden. Hun ble kalt mitokondriell Eva - av grunner knyttet til Bibelen og arvelighetsmekanismen. Genetiske fordeler og flaks hjalp etterkommerne av denne formoren til å overleve alle ikke-hennes etterkommere og danne vår art - Homo Sapiens, det vil si Homo sapiens. En av vår formors styrker var nok hennes nysgjerrige sinn.
I mange årtusener skaffet etterkommerne av den nysgjerrige Eve Sapiens nyttig kunnskap takket være lykkelige ulykker og ga den videre til nye generasjoner, sammen med verktøyfremstillingsteknikker, kulinariske oppskrifter og andre skatter av folkevisdom.
Moderne vitenskap fungerer helt annerledes, og den dukket opp først nylig på skalaen til Homo sapiens tidsalder – for bare fire århundrer siden, under den store vitenskapelige revolusjonen. Hovedpersonene er velkjente - Nicolaus Copernicus, Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton. Årsakene til denne revolusjonen og fraværet av dens ikke-europeiske analoger har fortsatt ingen overbevisende forklaring. Men den radikale karakteren av det som skjedde for fire århundrer siden er tydelig selv uten å løse denne gåten - utvidelsen og utdypingen av vitenskapelig kunnskap har akselerert hundre ganger.
I følge Einstein var Galileo «faren til moderne fysikk og faktisk all moderne naturvitenskap».
"Ideernes drama" - sa den samme Einstein om vitenskapens historie. Vitenskapen utmerker seg ved sin evne til å lage nøyaktige spådommer, men dens viktigste funn er helt uforutsigbare, noe som betyr menneskelig drama. Disse to dramaene flettes sammen ved vendepunkter i vitenskapens liv. Vi vil snakke om slike øyeblikk. La oss starte med hvordan Galileo oppfant moderne fysikk.
Kapittel 1
Hvordan oppfant Galileo moderne fysikk?
Med Arkimedes mot Aristoteles
Galileo kalles noen ganger den første fysikeren. Slik er det ikke, og han ville nok selv protestert. Han studerte Arkimedes nøye og aktet ham høyt. Han var en ekte fysiker. Arkimedes berømte lov om flyting av kropper fungerer fortsatt i dag uten noen endringer og er kjent for alle skolebarn. Da Galileo studerte ved universitetet, ble en annen gammel greker æret som den første og viktigste fysikeren - Aristoteles, som levde et århundre før Arkimedes og tjue århundrer før Galileo. Det var Arkimedes som hjalp Galileo til å tvile på Aristoteles fysikk.
Før vi forstår denne dramatiske trekanten, la oss forstå forskjellen. To tusen år skilte Galileo fra hans medforgjengere, hvis konklusjoner han godtok eller bestred. Og Galileos medfølgere tok opp konklusjonene hans - sjekket, klargjorde, korrigerte, utviklet - nesten umiddelbart. Hva fant han på hvis tempoet i vitenskapen har akselerert så mye?
Galileo var i tvil i løpet av studieårene, tilbake på det sekstende århundre, da fysikk ble ansett som en del av filosofien, der Aristoteles regjerte. Arbeidene til Archimedes var ikke inkludert i læreplanen på den tiden, og man kan forstå hvorfor: han løste bare individuelle problemer, mens Aristoteles ga generelle svar på hovedspørsmålene. I tillegg var Arkimedes da, merkelig nok, en nyhet - en bok med verkene hans hadde blitt utgitt ikke lenge før, men Aristoteles hadde dessuten blitt studert ved universiteter i århundrer, med velsignelse fra St. Thomas av Aquinas.
Aristoteles (fragment av en freske av Raphael, 1509) og Archimedes (D. Fetty, 1620). Begge bildene kunne godt vært sett av Galileo.
For studenten Galileo hørtes generelle filosofiske svar lite overbevisende ut, og navnenes autoritet gjorde liten forskjell. Matematikk var mye mer overbevisende og interessant, selv om det var lite av det i læreplanen. Studenten begynte å lete etter mat til ettertanke utenfor studiet og utenfor universitetet. Og han fant Arkimedes bok, etter å ha mottatt den fra en profesjonell matematiker, men i den samme boken, i tillegg til vakre teoremer om matematiske figurer, fant Galileo uttalelser om virkelige fenomener - om virkningen av en spak, om tyngdepunktet , om svømming. Disse utsagnene var ikke mindre overbevisende for sin matematiske nøyaktighet, og dessuten kunne de verifiseres eksperimentelt.
Galileo gjorde sin første oppfinnelse under inntrykk av Arkimedes mest kjente problem. Kongen satte oppgaven da han mottok den bestilte gullkronen fra gullsmeden. Kongen var ganske fornøyd med formen på produktet, og kronen veide så mye som den skulle, men byttet ikke gullsmeden ut noe av gullet med sølv? Med denne tvilen henvendte kongen seg til Arkimedes. Ifølge legenden kom løsningen på problemet til den lærde mannen da han ble nedsenket i badekaret, og hans gledelige utrop av "Eureka!" er nå kjent selv for de som ikke vet at det på gresk betyr "funnet!" Essensen av løsningen som er funnet, ifølge Galileo, er å sammenligne kronen og en gullbarre lik vekt med den, og plassere dem på vekter nedsenket i vann: hvis barren oppveier kronen i vann, betyr det at gullsmeden jukset.
Dette er hvordan den store loven til Arkimedes fungerer, eller mer presist, den arkimedeske flytekraften, eller enda mer presist, forskjellen i flytekrefter. Og for å måle en slik forskjell med presis nøyaktighet (og samtidig ærligheten til gullsmeder), kom 22 år gamle Galileo opp med spesielle skalaer med en skala i form av en ledning, jevnt viklet med ringer på arm på vippearmen. Stedet hvor du skal feste vekten slik at den er balansert, vil gi antall ringer og verdien av den målte verdien.
Ydmyk begynnelse for grunnleggeren av moderne fysikk?
Ikke så beskjedent. I sin oppfinnelse kombinerte Galileo den matematiske presisjonen til en teoretisk lov med en fysisk måling - ved å kombinere de to hovedverktøyene i moderne fysikk.
Og dette kan neppe kalles begynnelsen. Ikke bare fordi unge Galileo allerede hadde løst andre problemer med Arkimedes. Begynnelsen av personlighet er dannelsen av et syn på verden og seg selv i barndommen. Unge Galileo var heldig som hadde en far som var en dyktig musiker og musikkteoretiker, som også studerte musikk som et naturfenomen.
Til og med Pythagoras i antikkens Hellas lyttet til lyden av strenger avhengig av deres lengde og gjorde en fantastisk oppdagelse: hvis lengdene på strengene er relatert som heltall 1:2, 2:3, 3:4, så er deres kombinerte lyd harmonisk. Pythagoras generaliserte oppdagelsen sin til prinsippet "Alt er et tall", og forkynte matematikkens nøkkelrolle i verdens struktur. Når det gjelder musikalsk harmoni, ble det siden Pythagoras tid antatt at "harmoniske" tall skulle være små. Galileos far stolte imidlertid på sine egne ører i å vurdere konsonanser, og etter å ha oppdaget at forholdet 16:25 også produserer eufoni, avviste han frimodig den autoritative oppfatningen. Og sønnen fikk av sin far en leksjon i å søke sannhet, der eksperimenter, matematikk, tankefrihet og tillit til egne følelser og fornuft kom sammen.
Den fremtidige fysikeren var heldig med sin far, ikke bare i denne forbindelse. Faren hans betalte for utdannelsen hans, i håp om at hans eldste sønn ville bli lege og hjelpe ham med å forsørge den store familien deres - musikerens inntekter var knapt nok. Man kan forestille seg sorgen til faren som fikk vite at sønnen hans, i stedet for medisinsk visdom, fordypet seg i matematikk, som ikke lovet noe praktisk yrke, og derfor pålitelig inntekt. Men før han tok en avgjørelse, snakket faren med matematikeren som ga sønnen bøkene. Matematikeren overbeviste ham om at sønnen hans hadde et talent som fortjente støtte. Faren fulgte matematikerens argumenter og sønnens kall. Og sønnen rettferdiggjorde tilliten - etter farens død ble han familiens støtte og glorifiserte dessuten deres familienavn.
Veien til verdensberømmelse begynte med tvil og feil.
Tvil oppsto i studieårene hans, da Galileo studerte Aristoteles. Ved første øyekast er ikke Arkimedes sammenlignbar med Aristoteles, siden han oppnådde sine resultater for et smalt spekter av fenomener. Vel, hva er loven om innflytelse?! Selv ordet "lov" høres vanskelig ut her. Hvem forstår ikke at belastningen på vippen er balansert hvis produktet av størrelsen på belastningen på armen er det samme på begge sider?! Ja, ved hjelp av denne enkle loven fant Arkimedes tyngdepunktene til utspekulerte figurer, resonnerende matematisk. Men resultatet kan sjekkes ved å henge figuren ved det teoretisk funnet tyngdepunktet og se at den ikke beveger seg. Dette er allerede fysikk, og generelt betyr det matematisk fysikk. Og likevel, i den uendelige variasjonen av naturfenomener, studerte Archimedes bare noen få. Han lot ikke som om han skulle forklare verdens struktur. Han lovet bare å snu verden, det vil si kloden, hvis han fikk det rette støttepunktet og sterk innflytelse.
Aristoteles begrenset ikke sine ambisjoner – han skrev om det jordiske og himmelske, om levende og livløse ting, om etikk og politikk og til slutt om fysikk og metafysikk. Ordet "fysikk" ble introdusert av Aristoteles selv, og avledet det fra det greske ordet "natur". Men ordet "metafysikk" ble laget av utgiveren av Aristoteles' verk, og kalte bindet ved siden av "Fysikk", Hva " meta-fysikk» og betyr på gresk. Faktisk snakker Aristoteles der om før-fysikk, eller om første filosofi - om det mest generelle grunnlaget for enhver kunnskap.
En slik bredde er fantastisk. Men bredde krever ikke dybde, som Aristoteles' fysikk viser. I århundrer ble det ansett som vitenskapens høydepunkt. En av grunnene til en slik langsiktig autoritet er denne vitenskapens enighet med hverdagens sunn fornuft. Aristoteles avviste for eksempel ideen om at naturen er laget av usynlige atomer som beveger seg og samhandler i tomhet – siden ingen har sett atomer betyr det at de ikke eksisterer, akkurat som det ikke er tomhet. Han utforsket faktisk ikke naturen, men brakte orden i beskrivelsen, basert på sin sunne fornuft. Og jeg kom til den konklusjonen at bevegelsene i himmelen og på jorden er fundamentalt forskjellige. I den himmelske verden er all bevegelse naturlig, evig og sirkulær. I den jordiske verden er voldelig bevegelse bestemt av makt, og naturlig bevegelse vil helt sikkert opphøre før eller siden. Aristoteles mente at kropper er iboende tunge eller lette: en tung kropp beveger seg naturlig nedover, og en lett kropp, som ild eller røyk, beveger seg naturlig oppover. Det ser plausibelt ut hvis du ikke ser spesielt nøye på fysiske fenomener.
Galileo kikket og brukte den nøyaktige fysikken til Arkimedes som modell. Og han trakk oppmerksomheten til Aristoteles' uttalelse, som hevder å være nøyaktig: "En tyngre kropp faller raskere enn en lettere kropp like mange ganger, den er så mange ganger tyngre." Denne setningen ga Galileo et omdreiningspunkt som han snudde kursen i vitenskapens historie, og til og med verdenshistorien.
Hvordan Galileo snudde historiens gang
Det var ikke vanskelig å tilbakevise Aristoteles. Når man observerer fallet av baller som er identiske i størrelse, men som varierer i vekt, for eksempel ti ganger, er det lett å se at tidspunktet for fall ikke avviker med en faktor på ti. Det ser ut til at Galileo allerede i begynnelsen av tvilen hans gjettet at fallets hastighet ikke ble bestemt av forskjellen i selve tyngdekraften. Spørsmålet var: hva avgjør?
Vi må også hylle Aristoteles, som ikke uten grunn regnes som en av de største tenkerne. Han var den første som stilte spørsmålet. Så jeg våget å foreslå at et slikt spørsmål kan besvares. Svaret var feil, men det var allerede noe å bygge videre på. Galileo mistenkte feilen på resonnementnivået. Hvis fallhastigheten er proporsjonal med tyngdekraften til kroppen, så hvis du deler kroppen i to deler mentalt eller faktisk og lar delene ligge i umiddelbar nærhet, bør du forvente at hver av delene vil falle saktere enn hele. En absurd konklusjon viser at Aristoteles tar feil, men det følger slett ikke av dette at spørsmålet i seg selv er riktig, at et sikkert svar er mulig på det. For å rettferdiggjøre Aristoteles kan vi si at han snakket om fallet av kropper som bare er forskjellige i tyngdekraften. Men han hadde rett og slett ikke tid. For ham var kroppens fall bare en sak i en av de mange vitenskapene han studerte. Hans viktigste prestasjoner inkluderer opprettelsen av logikk som en disiplin for tenkning. I løpet av studieårene gikk Galileo og alle vitenskapsmennene fra den tiden gjennom hans logikkskole. Ser vi på Aristoteles fra vår tid, kan vi si at den mektige tenkeren klamret seg for hardt til sin «sunne fornuft», basert, som vanlig, på hans egne livsobservasjoner. Og du kan gå fremover ved ikke bare å stole på bakken under føttene, men også på luften under vingene, slik fugler gjør. Da kan du overvinne et ufremkommelig, si, veldig sumpete, stykke land. Galileo oppfant faktisk en slik bevinget metode for støtte i jakten på vitenskapelig sannhet.
Portrett av Galileo Galilei. Kunstner Ottavio Leoni, 1624 G.
Galileos vitenskapelige ambisjoner var ikke dårligere enn Aristoteles, men han strevde ikke så mye i bredden som i dybden og høyden. Han hevdet ikke å beherske alle vitenskapene, men han mente at på grunnlag av all fysikk i universet - både sublunar og supralunar - er det visse generelle grunnleggende lover, og han trodde at han kunne finne ut loven om fritt fall . Det tok tiår med forskning å finne ut. Og det tok flere år å presentere resultatene deres på en overbevisende måte.
Hans viktigste oppdagelse var det i et vakuum faller alle legemer, uavhengig av tyngdekraften, med samme hastighet, men denne hastigheten bestemmes ikke av selve hastigheten, men av hastigheten på endringen av hastighet, det vil si akselerasjon. Resultatene hans, skrev han, "er så nye og ved første øyekast så langt fra sannheten at hvis [han] ikke hadde funnet måter å lyse dem opp og gjøre dem klarere enn solen, ville han heller tie om dem enn å uttrykke dem. ”
Hovednyheten ligger i "tomheten". Ikke bare det, ifølge Aristoteles, eksisterer og kan ikke tomhet eksistere, som han "beviste" på forskjellige måter (for eksempel ved å si at "tomhet" er "ingenting", og ingenting fortjener noen diskusjon). Enda viktigere, Galileo så aldri tomhet - ikke i noen av eksperimentene hans. Hvordan kunne han finne ut noe om henne?!
Dette var vanskeligere enn bare å motbevise Aristoteles' gamle lov basert på det åpenbare resultatet av direkte erfaring. Og Aristoteles stolte på bevis. Og Galileo visste at «de fleste mennesker, selv med godt syn, ikke ser hva andre oppdager gjennom studier og observasjoner, og skiller sannhet fra usannhet og det som forblir skjult for flertallet».
Så Galileo skrev i sin siste bok, klok av et halvt århundres erfaring i vitenskapelig tenkning og eksperimentering. Men da han, 25, begynte sin forskning, håpet han på en enkel direkte test - en test som ikke så mye av Aristoteles som av hans egen hypotese.
Inspirert av fysikken til Archimedes foreslo Galileo at fallhastigheten, som oppdrift, ikke bestemmes av vekten til en kropp, men av dens tetthet, det vil si vekten av en enhetsvolum. Hvis du tar to baller av samme størrelse, laget av tre og bly, og slipper dem fra hendene i vann, så vil trekulen ikke bare falle saktere enn blykulen, den vil begynne å stige. Hva om du lar dem falle i luften? Det viste seg at trekula først var litt foran lederkulen, men så tok den tunge igjen og overtok den. Galileo registrerte dette i sitt manuskript "On Motion", som ... han ikke publiserte - resultatet av eksperimentet hans tilbakeviste både Aristoteles lov og hans egen hypotese. Her måtte vi tenke.
Dette merkelige håndskrevne resultatet fikk en berømt historiker til å si at Galileo ikke utførte et slikt eksperiment i det hele tatt; det var visstnok et retorisk virkemiddel. Imidlertid ble eksperimentet gjengitt i vår tid, og resultatet falt sammen med Galileev. Forklaringen var ikke fysisk, men fysiologisk. Hånden som holder den tunge ballen klemmer den strammere enn den andre hånden som holder den lette, og hånden som holder den tunge ballen bruker litt lengre tid på å slippe den når den mottar en kommando fra hodet. Derfor begynner lyskulen fallet "litt" tidligere.
Galileo kunne knapt ha gjettet om en slik klønete hender, han tenkte på fysikk. Jeg tenkte på det i ti år og innså at det ikke ville være mulig å studere fritt fall direkte – det skjer for raskt. Hvis en ball faller fra en liten høyde, har du ikke tid til å blinke med et øye, langt mindre måle den. Og når den faller fra stor høyde, vil ballen få større hastighet, og derfor vil luftmotstanden øke. Alle som har holdt en vifte i hendene vet: jo raskere du vinker med den, jo vanskeligere er det.
Galileo kom opp med to måter å "bremse" fritt fall.
Den ene er å kaste baller nedover et skråplan. Jo mindre helningsvinkelen er, jo mer utvidet bevegelsen og jo lettere er det å studere. Men kan nedrulling kalles et fritt fall? Du kan kalle det hva du vil. Viktigere er det virkelige fysiske forholdet. Jo jevnere flyet er, jo friere er bevegelsen. Og jo større helningsvinkelen er, jo mer ligner bevegelsen et fall, og blir et vanlig fall når flyet blir vertikalt. Ved å utføre slike eksperimenter med et skråplan ble Galileo først overbevist om hvor feil den opprinnelige hypotesen hans var. Tross alt antok han at hvert legeme faller med en viss konstant hastighet, noe som antyder at hastighetsmålet er avstanden tilbakelagt per tidsenhet. Han kunne bare tenke det fordi et vanlig fritt fall varer for kort. Ved å forlenge fallet i bevegelse langs et svakt skråplan, er det lettere å legge merke til at i begynnelsen av bevegelsen beveger kroppen seg langsommere enn på slutten. Betyr dette at bevegelseshastigheten øker?
Hva er det for noe? hurtighet? På vanlig språk er dette - hastighet, hurtighet, og hvis enda raskere, så kan vi si lysets hastighet Til og med øyeblikkelig. Alle disse ordene i dagligspråket er synonymer. Men i vitenskapens språk - for at dens utsagn er bestemt og for å teste dem eksperimentelt - trengs det klart definerte ord - vitenskapelige konsepter. Et eksempel på klar definisjon av ord ble gitt av matematikk, men bare et eksempel: i matematikk er det ingen tid, bevegelse, hastighet, tyngdekraft. For å si det nye ordet ditt i vitenskap, er det ofte nødvendig å introdusere nye ord og begreper i vitenskapen. Vitenskapelige konsepter manglet spesielt da Galileo begynte med moderne fysikk. Han måtte presisere at hastighet er endringen i posisjon per tidsenhet. Og akselerasjon er endringen i hastighet per tidsenhet. Det skal sies at da var nøyaktig måling av tid i seg selv et problem. Galileo veide tid: han åpnet en vannstrøm i begynnelsen og lukket den ved slutten av det målte intervallet, og bestemte hvor lang tid som hadde gått på vekten. Vekter var det mest nøyaktige instrumentet den gang.
En annen måte å studere fritt fall på ble født fra Galileo i kirken, men ikke i forbindelse med Evas fall. Under en gudstjeneste, mens han så over presten, oppdaget han et fantastisk fenomen. En lysekrone hang over og svaiet – etter utkastets vilje – nå sterkere, nå svakere. Galileo sammenlignet varigheten av individuelle svingninger, og målte tiden med taktene til hans egen puls, og fant ut at en stor vibrasjon av en lysekrone varte like lenge som en liten. Det var her forskningen hans begynte på pendelen, som er en hvilken som helst vekt som henger på en tråd. Galileo observerte svingningene til en pendel ved å endre vektene, lengden på strengen og den innledende avbøyningen.
Da han observerte to pendler på en gang, bekreftet han overbevisende sin kirkelige observasjon. Hvis du tar to identiske pendler, bøyer vektene litt i forskjellige vinkler og slipper dem, så vil pendlene svinge i tid, helt synkront: perioden for den lille svingningen er den samme som for den store. Vel, "hvis du fra en eller annen bjelke senker ned to snorer med like lange, fester en blykule til enden av den ene og en bomullskule til enden av den andre, bøyer begge likt og overlater dem til seg selv"? Svingningsperioden er igjen den samme, selv om svingningsamplituden avtar raskere for en lett ball. I bevegelsen til lettere kropper er motstanden til mediet mer merkbar. Dette er tydelig hvis vi sammenligner bevegelser i luften og i vann: «et marmoregg synker i vann hundre ganger raskere enn et kyllingegg; når den faller i luften fra en høyde på tjue alen, er den knapt fire fingre foran et kyllingegg.» Den frie svingen til en pendel er ikke veldig lik fritt fall, men begge bestemmes av tyngdekraften. Og når svingningen av svingninger avtar, vil hastigheten på pendelen avta, og derfor vil rollen til motstanden til mediet avta.
Galileo oppsummerte resultatene av sine eksperimenter og resonnement i en ny naturlov: i vakuum faller alle legemer fritt med samme akselerasjon.
Vel, hva med den berømte historien om hvordan Galileo angivelig slapp baller fra det skjeve tårnet i Pisa? Og den vitenskapelige offentligheten som så på dette umiddelbart, etter den samtidige landingen av forskjellige baller, anerkjente Galileos triumferende seier over Aristoteles.
Dette er en legende. Det var ingen slik triumf. Og forskjellige baller kunne ikke lande samtidig på grunn av luftmotstand. Og våre lærde kolleger beskyttet med få unntak autoriteten til Aristoteles, som de hadde lært som studenter og lært opp til nye generasjoner. Det var avvisningen av ideene hans som fikk Galileo til, i tillegg til moderne fysikk, også å engasjere seg i populærvitenskapelig litteratur. Hovedbøkene hans tar form av samtaler mellom tre karakterer. En - Simplicio - representerer synspunktene til beundrere av Aristoteles. Den andre - Salviati - er en uavhengig forsker, lik Galileo. Og den tredje – Sagredo – ser ut som en fornuftig person, kanskje ikke sofistikert i vitenskapen, men klar til å lytte til begge motstanderne og stille oppklarende spørsmål før man bestemmer seg for hvem som har rett. Det var for slike lesere Galileo skrev. For deres skyld byttet han fra latin - språket for den daværende lærdom - til det levende italienske språket for å snakke om idédramaet han selv deltok i, om den blinde tilliten til dem som alt er klart for, om tvilens ånd i søken etter sannhet og om metodene for å etablere de sanne naturlovene.
Historien om det "skjeve tårnet" ble først fortalt av Galileos elev i en biografi skrevet et tiår etter lærerens død og et halvt århundre etter de påståtte eksperimentene. Studenten var fysiker, ikke historiker, og da han kom til vitenskapen, var det allerede helt klart hvem som hadde rett. Han så ut til å se Galileos selvbiografiske bevis i ordene til hans litterære karakter:
Salviati. Aristoteles sier at «en ball som veier hundre pund, som faller fra en høyde på hundre alen, vil nå bakken før en ball på ett pund har gått én alen». Jeg påstår at de kommer samtidig. Når du utfører eksperimentet, vil du se at når den største når bakken, vil den minste henge etter med bredden på to fingre. Aristoteles' nittini alen kan ikke skjules bak disse to fingrene.
Galileo selv hevdet aldri at han slapp baller fra det skjeve tårnet i Pisa. For ham var den nye loven om fritt fall mye viktigere enn tilbakevisningen av den gamle. Og bevegelsen av kuler på et skråplan og små svingninger av pendler var mye mer overbevisende enn spektakulære offentlige demonstrasjoner.
Den første moderne fysikeren?
Øyeblikket har kommet for en leser som Sagredo, etter å ha gratulert Galileo med oppdagelsen av en ny lov, til å spørre: hvordan er den så forskjellig fra Arkimedes lov, og hvordan fortjente Galileo tittelen «far til moderne fysikk» ?
Fordelen med Arkimedes lov er åpenbar. Svømming er et praktisk talt viktig fenomen, men fritt fall er et sjeldent, kortvarig og... dødelig fenomen. Hvem bryr seg om å vite nøyaktig hvor mange sekunder det tar å falle fra taket til bakken?! I tillegg gir Galileos lov en nøyaktig verdi bare for et fall i tomheten, som ingen så på den tiden, og Galileo tok ikke hensyn til luftens påvirkning.
I forklaringen av Galileos bidrag sies det at han grunnla eksperimentell eller eksperimentell-matematisk vitenskap, at han "matematiserte" naturen og oppfant den "hypotetisk-deduktive" metoden. Alle disse utsagnene gjelder imidlertid for Arkimedes, hvis bøker Galileo studerte og som han kalte «det mest guddommelige». Fysikeren Archimedes var også en stor matematiker og ingeniør-oppfinner, og hypoteser og logisk deduksjon fungerte som verktøy for å tenke selv før Arkimedes. Dessuten var både Galileos eksperimenter og matematikken han brukte innenfor grensene for hva som var mulig med Archimedes.
Hva gjorde Galileo til «faren til moderne fysikk», som Einstein sa det, eller, enklere, den første moderne fysikeren? Leseren som ønsker å finne svaret på dette spørsmålet selv, bør reflektere over loven om fritt fall i tomhet og ta i betraktning at Galileo ikke utførte eksperimenter i tomhet - bare i luft og vann.
Etter Galileos død lærte eleven hans Torricelli å skape et (nesten fullstendig) tomrom, kalt «Torricelli». For å gjøre dette trenger du et reagensrør, si omtrent en meter langt, fylt med kvikksølv. Ved å snu reagensrøret opp ned og senke den åpne enden ned i et kar med kvikksølv, oppnår vi omtrent 24 centimeter tomhet nær bunnen av reagensrøret, som er på toppen (hvis lufttrykket er normalt - 760 mm Hg) . I en slik tomhet faller et stykke lo og en mynt nøyaktig likt.
Tre århundrer senere, i 1971, ble et lignende bilde sett av millioner av TV-seere da en deltaker på måneekspedisjonen Apollo 15, astronauten Dave Scott, på deres TV-skjermer, mens han var på månens overflate, slapp en hammer og en fjær fra hendene hans, og de landet på månen samtidig - helt i samsvar med Galileos lov, siden det ikke er luft der. Rapporten om dette måneeksperimentet tok bare 40 sekunder:
Så i venstre hånd har jeg en fjær, og i høyre hånd har jeg en hammer. En av grunnene til at vi kom hit er på grunn av en gentleman ved navn Galileo, som for lenge siden gjorde en viktig oppdagelse om kroppers fall i gravitasjonsfelt. Vi trodde det beste stedet å vise deg oppdagelsen av den ville være på månen. Nå skal jeg gi slipp på pennen og hammeren, og forhåpentligvis når de overflaten på samme tid... Det er det!.. [applaus i Houston]<…>som beviser at Mr. Galileo har rett.
Som en del av applausen i Houston, ville en vitenskapshistoriker bemerke at Galileo ikke hadde noe begrep om "gravitasjonsfelt", men bare snakket om fritt fall. Og at for fysikere ble Galileos lov fullstendig bekreftet av små svingninger i pendelen, siden deres periode ikke avhenger av hva slags belastning som henger på tråden.
Tomhet var den første viktige " Ikke-visuelt» konsept i fysikk. Så dukket det opp andre - universell tyngdekraft, det elektromagnetiske feltet, atomer, elektroner, lyskvanter... Ingen så eller rørte dem, men bare på grunnlag av disse elskede konseptene ble tekniske oppfinnelser mulige som forvandlet hverdagen. Og moderne fysikere bruker disse konseptene like selvsikkert som de vanligste ordene "bord" og "stol", "kjærlighet" og "vennskap".
Galileo ble hjulpet til å finne opp grunnleggende fysikk ved sine naturlige talenter og tro på verdens kjennbarhet, på universets grunnleggende natur.
Nå som vitenskapen og teknologien basert på den har oppnådd gigantiske suksesser, virker kjennskapen til verden åpenbar, men før alle disse suksessene - i det sekstende århundre - var situasjonen en helt annen. På den tiden var selve kraften til lovene i naturen på ingen måte generelt anerkjent. Omtrent et halvt århundre gikk fra begynnelsen av Galileos tanker og hans første eksperimenter til publiseringen av resultatene av arbeidet hans. Et halvt århundre med vedvarende søken etter sannhet - og en så enkel lov, "a no brainer", som dagens skolebarn vil si.
Og Galileo mente at "han bare åpnet veien og metoder for forskning, som vil bli brukt av mer innsiktsfulle hjerner til å trenge inn i de mer avsidesliggende områdene av en enorm og utmerket vitenskap," og at "på denne måten kan kunnskap dekke alle områder av naturfenomener."
Kapittel 2
Den første astrofysikeren i universet
Galileos samtidige ville ha blitt veldig overrasket over å høre at hans astronomiske funn ikke ble nevnt i historien om hans viktigste vitenskapelige prestasjon. Oppdagelsene er virkelig store, men de ble ikke gjort av en astronom, men astrofysiker Galileo, den aller første astrofysikeren, og lenge før dette ordet dukket opp. Den andre var Newton. Og det ville være bedre å ringe sine medskyldige i den store vitenskapelige revolusjonen - Copernicus og Kepler astromatematikere, og langt fra den første: fra uminnelige tider har astronomi basert seg på matematikk. Astronomen streber etter å nøyaktig beskrive hva som skjer på stjernehimmelen, og fysikeren ønsker å forklare hva som observeres av årsaker som er tilgjengelige for eksperimentell forskning. Vi snakker om to gjensidig fruktbare, men forskjellige syn på verden, og hvert syn kan føre til suksess i en situasjon, og til sjenanse i en annen.
Før vi snakker om de bemerkelsesverdige oppdagelsene og misoppfatningene til den første astrofysikeren, la oss huske bildet av universet slik astronomene så det da.
Astronomiske malerier
Dette bildet kom fra antikken og ble kalt det ptolemaiske verdenssystemet, oppkalt etter astronomen som oppsummerte kunnskapen fra den tiden. I bøkene Galileo studerte fra, ble dette bildet av verden avbildet som et sett med konsentriske sirkler, med den minste sirkelen i midten som representerer jorden. Dette systemet kalles geosentrisk fordi i sentrum er Gaia, som på gresk betyr Jorden. Fagfolk visste selvfølgelig at dette flate bildet forenklet Ptolemaios tredimensjonale design, som ikke engang var helt geosentrisk: Jorden er ikke i sentrum, men i en viss avstand fra den. Rundt det tomme sentrum er åtte konsentriske himmelsfærer. På den ytre sfæren er det utallige fiksstjerner, og på resten er det stjerner hver for seg. vandrer, på gresk planeter: Merkur, Venus, Mars, Jupiter og Saturn, og to lyskilder - Solen og Månen. Hver av kulene roterer rundt sin akse med sin egen hastighet. Sfæren av fiksstjerner roterer som en helhet og gjør nøyaktig én omdreining per dag. Og planetene beveger seg på en mer utspekulert måte - hver er festet på en viss liten kule kalt en "episykkel" med et senter festet til sin store himmelsfære. Så hver planet deltar i to rotasjoner samtidig. Alle store og små kuler er helt gjennomsiktige og forstyrrer på en eller annen måte ikke hverandre.
Årsakene til disse utspekulerte arrangementene og rotasjonene ble erstattet av en referanse til Aristoteles, ifølge hvem himmelfenomener er fundamentalt forskjellige fra jordiske: på himmelen er alt laget av et spesielt himmelsk materiale - eter, og alle himmelbevegelser er sirkulære. Og den eneste superårsaken til hele den himmelske strukturen ble erklært å være dens Skaper.
Hvordan kjente folk igjen denne enheten, og samsvarer den med virkeligheten? På dette ville en astronom fra det sekstende århundre ha svart med å referere til Ptolemaios guddommelige geni og evnen til, ved hjelp av hans system, å beregne posisjonen til himmellegemene til enhver tid. For slike beregninger trengte man imidlertid verken eter eller Gud; det var nok å bare vite posisjonen til planetene på et gitt tidspunkt, radiene og rotasjonshastighetene til himmelsfærene. Slik forutså de sol- og måneformørkelser og forklarte de merkelige retrograde bevegelsene til planetene, når planeten stopper og beveger seg i motsatt retning.
Ptolemaios' system tjente astronomer godt i mange århundrer før, på midten av det sekstende århundre, snudde Copernicus det på hodet, etter det store flertallet av hans kollegers mening, eller på hodet, som svært få trodde. Copernicus spurte egentlig hvordan stjernehimmelen ville se ut når den ble sett fra solen. Og han svarte med det heliosentriske systemet, og beskrev bevegelsene på himmelen like fullstendig som det ptolemaiske systemet. Copernicus brukte samme metode for beskrivelse - store og små himmelsfærer, bare han plasserte solen i sentrum, ikke jorden. Bildet av himmelbevegelser endret seg radikalt: selve sfæren av fiksstjerner ble ubevegelig, jorden roterte rundt sin akse og rundt solen, og ble en av planetene som også roterte rundt solen. Bare Månen forble i sin forrige rolle - den kretset også rundt jorden. Og bildet av himmelen observert fra jorden forble selvfølgelig det samme. Bare astronomer forsto at dette faktisk observerte bildet ble beregnet av to forskjellige matematiske teorier.
Det kopernikanske systemet er så forskjellig fra det ptolemaiske at den helt originale ideen virker uforståelig: å se på universet fra et solsynspunkt. Det ser ut til at Copernicus ble hjulpet av sin humanitære utdanning. Han kunne det antikke greske språket perfekt, og arbeidet til Ptolemaios var for ham bare en av de gamle bøkene. Fra andre bøker visste han om den gamle greske Aristarchos fra Samos, som var i stand til å kvantifisere størrelsen på solen, mye større enn jordens størrelse, og foreslo at jorden dreier seg rundt solen - en liten rundt en stor en. For Ptolemaios, som andre eldgamle astronomer, oppveide ikke dette argumentet jordens åpenbare ubevegelighet, og han vurderte ikke engang den heliosentriske ideen. Hvorfor og hvordan Copernicus bestemte seg for å utforske denne ideen, hvorfor intuisjonen hans steg til så merkelige høyder, forklarte han ikke selv. Det som er klart er at i den store Ptolemaios så han en kollega, og ikke et ufeilbarlig geni.
For å utforske den heliosentriske ideen, måtte Copernicus gjøre mye arbeid: beskrive utformingen av det heliosentriske systemet i detalj slik at posisjonen til enhver planet kunne beregnes. Han trakk flere bemerkelsesverdige konsekvenser av systemet sitt: planetene sluttet å "bake seg", banene var nesten sirkulære, og revolusjonsperiodene ble lengre jo lenger unna solen. Etter å ha fullført mange års arbeid, forsinket han publiseringen i lang tid. De astronomiske fordelene - først av alt, fraværet av retrograde bevegelser av planetene - ble ikke gitt forgjeves: i det kopernikanske systemet beveger jorden seg sammen med innbyggerne med enorm hastighet - tusenvis av kilometer i timen. Prisen var for høy for de som var interessert i himmelen kun for morgendagens vær: hvordan kan du skynde deg i en så vanvittig hastighet uten å merke det?! Prisen var også overdreven for utdannede som ikke ønsket å forbedre utdanningen sin.
Det var imidlertid andre.
Den første som blir navngitt er Tycho Brahe, som fikk tittelen "King of Astronomers" for antallet og nøyaktigheten av observasjonene hans. Han aksepterte det kopernikanske systemet og... tok et skritt i motsatt retning, som ikke på noen måte påvirket beregninger og observasjoner, men annullerte jordens hastighet. Han foreslo å se på verden fra jorden i det kopernikanske systemet. Da er Jorden igjen det ubevegelige sentrum av universet, og Solen roterer, som alle de andre planetene kretser rundt. Det var et heliosentrisk system fra et geosentrisk synspunkt. Astronom-observatøren var ikke flau over at noe mye større i størrelse dreide seg rundt jorden. Akkurat som den allmektige skapte universet, slik roterer det. Hvis Copernican-systemet er uærbødig sammenlignet med en opprullet lekebil, så kan vi si at Tycho Brahe holdt den oppviklede bilen ved hjulet i luften: hjulet beveget seg ikke, men bilen roterte rundt den. Det er vanskelig, men det er samme leketøy.
Det geosentriske systemet til Ptolemaios, det heliosentriske systemet til Copernicus og det geoheliosentriske systemet til Tycho Brahe.
For astromatematikeren Kepler oppveide den matematiske harmonien i det kopernikanske systemet alle jordiske problemer. Og for astrofysikeren Galileo var det mest interessante spørsmålet nettopp det jordiske spørsmålet: hvorfor er planetarisk bevegelse umerkelig? Gjennom innsatsen til begge utvidet og fordypet innholdet i Copernicus sitt bilde av verden. Og et uventet "biprodukt" av dette var fødselen til moderne vitenskap. Det er derfor arbeidet til Copernicus regnes som begynnelsen på den vitenskapelige revolusjonen.
Deltakerne i denne revolusjonen, sett fra vår opplyste fremtid, skilte ikke sine nederlag fra sine seire, slik dikteren Pasternak anbefalte. Og de gjorde det rette. I vitenskapens historie er menneskeliv vanligvis ikke nok til å tydelig skille nederlag fra seier. Og viktigst av alt, i moderne vitenskap, som fysikeren Einstein forklarte, vet ikke sinnet, som fritt tar av fra faktas solide grunn, på forhånd hvordan flyturen vil ende og om den må ta av igjen, i en annen retning.
Keplers heliosentriske kopp med seks planeter.
Den første boken til den 25 år gamle Kepler, "The Cosmographical Mystery" (1596), ble den første publikasjonen til forsvar for det kopernikanske systemet, der Kepler bare så det første skrittet mot å forklare bildet av kosmos. Han var trygg på at han hadde tatt neste skritt – han forklarte antallet planeter som seks. Forklart ved hjelp av presis og vakker matematikk. Selv gamle matematikere visste at det bare er fem vanlige polyedre(alle sider er like). Kepler la merke til at hvis disse fem polyedrene er arrangert i en matryoshka-dukke slik at hver berører to sfærer - med kantene berører den den innskrevne sfæren, og med toppene - den omskrevne, får du nøyaktig seks sfærer. Seks planetsfærer! Alt som gjensto var å velge ønsket rekkefølge av polyedre slik at størrelsene på kulene falt sammen med de observerte. Og han lyktes, noe som overbeviste ham om at gjetningen hans var riktig. Han tillot derfor ikke tanken på at minst én planet til ville bli oppdaget, sannsynligvis basert på det faktum at alle seks planetene har vært kjent siden uminnelige tider.
Kepler sendte boken sin til Galileo. Han svarte med brev og støttet heliosentrisme fullt ut:
I likhet med deg, aksepterte jeg for lenge siden ideene til Copernicus og oppdaget på grunnlag av dem årsakene til naturfenomener som er uforklarlige av gjeldende teorier. Jeg har skrevet ned mange begrunnelser og tilbakevisninger, men har ennå ikke bestemt meg for å publisere dem, i frykt for skjebnen til Copernicus, læreren vår, som fikk udødelig berømmelse blant noen få og ble latterliggjort av mengder av dårer.
I jordens bevegelse så Galileo ikke bare et problem, men også en mulighet til å forklare et velkjent og mystisk fenomen - tidevann. Han fant ledetråden ved å observere en lekter som fraktet (fersk) vann. Han la merke til at når en lekter akselererer eller bremser, stiger vann på bak- eller frontveggen av tanken, og hvis lekteren flyter med konstant hastighet, ser vannet i tanken nøyaktig det samme ut som på lekteren, stillestående. For å sammenligne en lekter med jorden, og vann i en beholder med havet, må du være en modig fysiker som tror på enheten i universets lover. Galileo var akkurat slik, noe som i seg selv imidlertid ikke garanterte suksess for hver sinnsflukt.
Sammenligningen av lekteren med jorden var begynnelsen på hans vei til det store relativitetsprinsippet og treghetsloven, som frigjorde det kopernikanske systemet fra dets hovedvanskelighet. Hvis vannet i tanken "ikke legger merke til" den konstante hastigheten til lekteren, er dette sant ved enhver hastighet, til og med tusenvis av kilometer i timen, og denne hastigheten kan ikke oppdages på noen annen intern måte - ved å utføre eksperimenter på lekter i en hytte med lukkede vinduer. Dermed ble det hovedfysiske problemet med det kopernikanske systemet fordrevet: i jordisk erfaring er den astronomiske hastigheten til jorden ikke merkbar.
Og ved å endre hastigheten til den "store lekteren" - jordens overflate - påtok Galileo seg å forklare havvannet. Denne endringen - akselerasjon og retardasjon - oppstår på grunn av at rotasjonshastighetene til jorden rundt solen og rundt dens akse legges til på nattsiden av jorden, men trekkes fra på dagsiden.
Galileo betraktet denne forklaringen av tidevannet som et viktig argument til fordel for Copernicus, men han klarte aldri å gjøre ideen om til en reell teori. Han skjønte aldri at planen hans var en vrangforestilling. Bare førti år etter sin død, ville Newton oppdage den sanne årsaken til tidevannet - månens tyngdekraft. I tillegg til dette idédramaet er historiens ironi. Faktum er at Galileo hørte mer enn en gang om en mulig forbindelse mellom månen og tidevannet, men han avviste kategorisk en slik mulighet:
Blant de store menneskene som diskuterte tidevannet, overrasker Kepler meg mer enn noen annen, utstyrt med et fritt og skarpt sinn, godt klar over bevegelsene som tilskrives jorden, men innrømmer Månens spesielle kraft over vann, hemmelige egenskaper og lignende barnslighet.
Astrofysikk, astronomi og astrologi
Når man leser Kepler med dagens øyne, er det lett å bli overrasket over både Galileos harde ord og det faktum at forklaringen på tidevannet tilskrives Newton. Tross alt har Kepler allerede skrevet: "Månen, som er over havet, tiltrekker seg vann fra alle sider, og kysten er utsatt," og dette ser ut til å være et sammendrag av den nåværende teorien om tidevann. Vi må imidlertid forstå avstanden mellom et dagligdags ord og et vitenskapelig konsept betegnet med samme ord. På Galileos tid hadde ordet "attraksjon", slik det ble brukt av Kepler for å forklare planetsystemet, og ordet "tyngdekraften" som årsaken til kroppens fall bare en grammatisk rot til felles, og ikke den fysiske naturen til fenomenene de betegnet. Den generelle fysiske naturen til disse to fenomenene - himmelske og jordiske - vil bli etablert av Newton i loven om universell gravitasjon. Og i Keplers forklaring så Galileo bare ord, uten noen antydning til kvantitativ vurdering og verifisering: nøyaktig hvor lenge vannet vil stige mot månen, og strendene vil bli eksponert - med en tomme eller en mil?
Som et resultat av sin forskning lærte Galileo mer om tyngdekraftens fysikk enn noen av hans samtidige, og han innså at Kepler ikke ville svare på et slikt spørsmål. Ved å forbinde havets flo og fjære med havbunnens akselererte og sakte bevegelse, kunne Galileo heller ikke ennå kvantifisere tidevannet, men han kunne i det minste lete etter svaret ved å gjøre eksperimenter med vann i et fartøy, og endre formen på fartøyet og størrelsen på akselerasjonen. Men Keplers ord ga bare en slags "kunstnerisk" beskrivelse av observasjonene.
Galileo visste også godt at sammenhengen mellom månens posisjon og tidevannet hadde vært snakket om lenge før Kepler. Selv i den gamle avhandlingen om Ptolemaios på astrologi det sies om Månens innflytelse på hele den jordiske verden: på levende og livløse kropper, elver og hav, planter og dyr.
Moderne forfattere noen ganger, etter å ha bebreidet Galileo for ikke å legge merke til "lydkornet" i Keplers beskrivelser, rettferdiggjør umiddelbart denne "blindheten" med Galileos aversjon mot astrologiens "pseudovitenskap". Dette er feil. Både Kepler og Galileo var profesjonelle astrologer, og tegnet horoskoper både for klienter og for deres kjære. Da var det en vanlig praksis for astronomer og leger, ikke pseudovitenskap, men snarere en kunst. Og det hadde lite til felles med dagens astrologi "for massene", når hundrevis av millioner av "steinbukkene" får universelle anbefalinger om hvordan man kan unngå feil og oppnå suksess.
I tidene til Galileo - Kepler, for å gi prognoser og anbefalinger, ble det utarbeidet et horoskop for et gitt øyeblikk i tid og sted - for eksempel for tid og sted for fødselen til en gitt person. Et horoskop er plasseringen av buen av fiksstjerner og syv bevegelige stjerner - planeter. Det er klart at slike data ble levert av vitenskapen om astronomi. Og astrologi, som kom fra dypet av århundrer, ga hver planet og hver konstellasjon av dyrekretsen sin innflytelse. For å sette alle disse påvirkningene inn i en prognose, stolte astrologen - bevisst eller ubevisst - i tillegg til astronomiske data på sin forståelse av de jordiske omstendighetene til "pasienten" og på sin fantasi, kort sagt, på sin astrologiske kunst.
Men trodde Galileo og hans andre astronomer virkelig at denne "kunsten" hadde noe med virkeligheten å gjøre?! La oss ta deres plass. Fra den store Ptolemaios fikk de en dobbel arv: en avhandling om astronomi (Almagest) og en avhandling om astrologi (Tetrabiblos). Den astronomiske teorien til Ptolemaios ble bekreftet av observasjoner i mange århundrer, og teorien til Copernicus overgikk den ikke i nøyaktighet. Det er nesten umulig å bekrefte astrologi med observasjoner. En astrologisk prognose er alltid probabilistisk og snakker om en unik situasjon. Derfor, hvis en eller annen prognose ikke gikk i oppfyllelse, er det lettere å tvile på kunsten til en gitt astrolog enn astrologien i seg selv. Kunsten å helbrede er lik: en gitt lege, som stoler på medisinsk kunnskap, vil kanskje ikke kurere en gitt pasient, men dette opphever ikke selve medisinen og vil ikke nødvendigvis engang undergrave legens rykte. Forresten, på Galileos tid måtte en lege kunne lage et horoskop for en pasient for å kunne vurdere utsiktene for den tiltenkte behandlingen. Og legen visste at det fantes krefter høyere enn hans medisinske kunst og høyere enn astrologi.
Hovedpilaren i astrologien var ønsket til mennesker, spesielt de velstående, om å øke sjansene for suksess i livet. Og dette støttet fullstendig økonomisk astronomiske observasjoner av stjerner og planeter. Fremveksten av den kopernikanske modellen førte til konkurranse mellom to teoretiske beskrivelser av den samme observerbare astronomiske virkeligheten. Nederlaget til Ptolemaios astronomi undergravde også autoriteten til astrologien hans.
Den første astrofysikeren viste seg å være den siste astrologen blant astronomene. Galileo, i motsetning til Kepler, så ut til å ha klart å ekskludere astrologi fra hans verdensbilde mot slutten av livet. Dette er imidlertid ikke det som kjennetegnet deres tilnærminger til naturfenomener. Etter Keplers død bemerket Galileo i et brev: "Jeg har alltid satt pris på Keplers sinn - skarpt og fritt, kanskje til og med for fritt, men våre måter å tenke på er helt annerledes."
For fritt sinn?! Hva betyr det? Dette er forskjellige måter å tenke på for en astrofysiker og en astromatematiker. La oss huske Keplers løsning på det "kosmografiske mysteriet" ved hjelp av vanlige polyedre. Galileo godtok ikke denne løsningen. Hvorfor polyeder og hvorfor i denne rekkefølgen? Hvis vi tar i betraktning at fem polyedre gir 120 mulige kombinasjoner, så er ikke nærheten av radiene til innskrevne og omskrevne sfærer - i en av disse kombinasjonene - til de observerte banene lenger så slående.
Galileo forsøkte ikke å beskrive universet med en vakker formel, han lette etter grunnleggende fysiske lover som bestemmer universets struktur og mangfoldet av dets former. For et slikt søk er ikke den astronomiske himmelen, som er unikt strukturert, det beste laboratoriet for en forsker. Der kan du ikke endre betingelsene for å utføre eksperimentelle observasjoner, i beste fall kan du vente på at disse forholdene endrer seg selv. I et jordisk laboratorium er det mye større frihet i å sette opp eksperimenter og teste teoretiske ideer.
Selvfølgelig har stjernehimmelen - med sin konstanthet og sykliske endringer - inspirert søket etter mønstre siden antikken. Det var en fantastisk problembok, der alle problemene hadde stjerner. I dette tilfellet ble en viktig rolle spilt av astromatematikere, som ga problemer med matematisk sikkerhet, til tross for alle fysiske usikkerheter og usannsynligheter. Copernicus, med sitt heliosentriske system, utgjorde problemet med å velge mellom to verdenssystemer. Fysikeren Galileo tok på seg denne oppgaven. Fysisk underbygge det nye astro-matematiske bildet, reduserte han det komplekse kopernikanske systemet til faktisk det enkleste systemet av to kropper - veldig store og små, der den lille kroppen beveger seg jevnt i en perfekt sirkulær bane rundt den store (planeten rundt solen, Månen rundt jorden). Dette var, kan man si, Galileos modell av solsystemet.
Denne forenklingen forvirrer mange og virker nesten som en retur av Galileo til tiden før Ptolemaios, da man trodde at alle himmelbevegelser var rent sirkulære og ensartede. Tross alt hadde både Ptolemaios og Copernicus planetariske baner som ikke var sirkulære: begge systemene brukte flere små kuler - episykler - for å beskrive planetenes bevegelse. Det er spesielt foruroligende at Galileo ignorerte Keplers viktigste oppdagelse som han gikk ned i historien med - de tre elegante lovene for planetariske bevegelser, basert på tallrike og svært nøyaktige observasjoner gjort av Tycho Brahe og hans assistenter.
På jakt etter harmoni i planetariske bevegelser, stolte Kepler på den samme astro-matematiske tenkemåten som han "oppklarte" det kosmografiske mysteriet om planetenes plassering i sin ungdom. I mange astronomiske observasjoner så Kepler etter det han trodde var den matematiske harmonien til universet som var skjult der. Men hvis den første hemmeligheten, som viste seg å være en luftspeiling, ble "avslørt" av 25 år gamle Kepler med et inspirert raskt angrep, tok det mange år å søke etter Keplers tre lover.
Foran ham var det lange kolonner med tall – omfattende data fra astronomiske observasjoner, og han søkte utrettelig etter et matematisk mønster bak disse tørre tallene. Han visste at baner er ovale, men i matematikk er det forskjellige ovaler. Åtte år med hypoteser og tester førte ham til konklusjonen at formen på banen er en ellipse. En sirkel beskrives med ett tall - avstanden fra dens punkter til sentrum, og en ellipse - med to: avstanden mellom to fokalsentre og en konstant sum av avstander fra dens punkter til brennpunktene. Jo mindre avstanden er mellom brennpunktene, desto nærmere er ellipsen en sirkel. Dette er lett å forstå hvis du tegner en sirkel ikke med et kompass, men ved å knytte ledningen i begge ender til en spiker på flyet, trekker du den resulterende løkken med en blyant og tegner en linje. En ellipse vil oppnås hvis du trekker en strek ved å knytte en snor til to forskjellige spiker.
Keplers to første lover sier at banen er en ellipse, hvor et av fokusene er Solen, og at jo nærmere planeten er Solen, desto større er hastigheten. I 1609 publiserte Kepler disse lovene i boken "New Astronomy" og sendte den til Galileo. Han svarte ikke et ord.
Hva betyr det? Faktisk, i motsetning til de "kosmografiske" polyedrene, gjettet i seks tall, er Keplers nye mønstre basert på den tidens mest omfattende og nøyaktige observasjoner. Og beviste ikke den oppdagede matematiske elegansen riktigheten av Copernicus’ solidee? Tross alt er baner elliptiske bare hvis du ser på planetene fra et solsynspunkt.
Galileos tekster gir ikke direkte svar på disse spørsmålene. Svaret kan foreslås basert på hans ord om hans og Keplers «svært forskjellige måter å tenke på».
Galileo ikke bare kjente og satte pris på matematikk, han trodde at vitenskapen
skrevet i universets store bok - en bok som stadig er åpen for vårt blikk, men den kan bare forstås av de som lærer å forstå språket. Denne boken er skrevet på matematikkspråket, og bokstavene er trekanter, sirkler og andre geometriske figurer, uten hjelpen som en person ikke ville forstå et ord i den, vandrer i mørket gjennom labyrinten.
Men i matematikk så Galileo bare et kunnskapsinstrument. Han prøvde å forstå innhold bøker om universet, og først av alt, finn ut på hvilket grunnlag universet står. Dette krever ikke at matematikk er eleganse eller sofistikert, men snarere for å hjelpe til med å finne opp fysiske konsepter og utføre imaginære eksperimenter.
Einstein: "Galileo er faren til moderne fysikk og faktisk til all moderne naturvitenskap." "Alt bør gjøres så enkelt som mulig, men ikke enklere enn det burde være." "Herren er subtil, men ikke ondsinnet."
Selvfølgelig visste Galileo at noen planetariske baner ikke er sirkulære. Men han visste også at de andre var nesten sirkulære. Dette betyr at for å studere det fysiske grunnlaget for astronomi, er en sirkulær bane en rimelig forenkling. På samme måte, i sin søken etter loven om fritt fall, forenklet Galileo situasjonen ved å eliminere luftmotstand. Einsteins bud handler om dette: "Alt skal gjøres så enkelt som mulig, men ikke enklere enn det burde være." Slik tenker fysikere.
Ja, med denne metoden og hans modell for planetarisk bevegelse klarte ikke Galileo å lage en teori om tidevann - fenomenet viste seg å være lenger fra grunnlaget enn han trodde. Men denne kreative fiaskoen betalte seg med "biproduktene" av forskningen - relativitetsprinsippet og nøkkelbegrepet akselerasjon.
Fødselen til eksperimentell astrofysikk
Etter å ha sendt sin "New Astronomy" til Galileo i 1609, hadde ikke Kepler tid til å bli fornærmet over tausheten til sin italienske kollega. Våren 1610 lærte han fantastiske nyheter:
Nyheten kom til Tyskland om at du, min Galileo, i stedet for å lese en annens bok, tok opp ditt eget og mest utrolige innhold – om fire hittil ukjente planeter funnet ved hjelp av to brilleglass, at denne boken allerede er på trykk og vil kom med neste budbringere. Nyheten overrasket meg så mye at jeg nesten ikke klarte å roe meg ned. Faktisk, i min bok "The Cosmographic Mystery", publisert for tretten år siden, tillater fem vanlige polyedre ikke mer enn seks planeter rundt solen. Men hvis det er en måne som ikke er en av disse seks som går i bane rundt jorden, hvorfor kan det da ikke være måner rundt Jupiter? Og hvis fire planeter har vært skjult til nå, kan vi da forvente oppdagelsen av mange nye?
Til venstre er banene til planeten, fra terrestrisk synspunkt (med løkker av retrograd bevegelse) og solenergi (Keplers første lov). Til høyre er Galileos fysiske modell
Våren 1610 eksisterte ikke begrepet "satellitt" ennå, og det var ikke behov for det mens Månen var unik. I boken "Starry Messenger", utgitt i mars, kalte Galileo "planetene" han oppdaget, ganske enkelt stjerner, slik de dukket opp for øyet hans, bevæpnet med to brilleglass plassert på en uvanlig måte.
Etter å ha mottatt denne boken, fikk Kepler vite at Galileo i løpet av noen uker, i tillegg til Jupiters fire måner, oppdaget flere fantastiske fakta. På det nærmeste astronomiske objektet - Månen - oppdaget han fjell og depresjoner, og de lengste - "faste" - stjernene viste seg å være mange flere enn antatt. Noen astronomiske objekter, tvert imot, forsvant, eller rettere sagt, transformert: tåker, inkludert den største - Melkeveien, dukket opp som enorme samlinger av stjerner.
Alle disse oppdagelsene ble de første resultatene av eksperimentell astrofysikk - astronomiske fakta oppnådd ved hjelp av en fysisk enhet - et teleskop.
For Galileo var det en skjebnegave, eller en lykkelig ulykke, eller en gave fra himmelen - avhengig av hvordan du ser på verden. Hvis du ser gjennom øynene til en historiker, så er gaven velfortjent - for det harde arbeidet til forskeren.
Selve teleskopet ble oppfunnet langt fra Italia – i Holland. Og det ble ikke oppfunnet av fysikere, men av brillespesialister. Av en eller annen ukjent grunn eller fordi det ikke var noe å gjøre, så de gjennom to linser, plassert på feil måte, men den ene etter den andre - konveks etter konkav, så de at fjerne objekter merkbart hadde nærmet seg. Oppfinnelsen fant umiddelbart viktige anvendelser. For eksempel for å oppdage fiendens tilnærming på forhånd for å forberede møtet. Eller bare tilfredsstille din nysgjerrighet ved å spionere langveis fra for å se hvem som gjør hva.
Galileos nysgjerrighet ble rettet ikke så mye til sidene - til jordiske anliggender - som oppover. Derfor, etter å ha lært om den nyeste oppfinnelsen i de mest generelle termer, laget Galileo selv flere rør, økte forstørrelsen til tretti ganger og pekte enheten mot himmelen, mot objekter fjernt, men nær tankene hans. Slik ble teleskopet til.
Det første han gjorde var å oppdage og skissere Månens fjellrike landskap. Så var han heldig å oppdage helt ukjente små stjerner nær Jupiter, og neste natt la han merke til at posisjonen til disse stjernene hadde endret seg. Slik flaks krevde selvfølgelig å kjenne stjernehimmelen som sin egen bukselomme, i tillegg til ekstraordinær oppmerksomhet. Galileo fortsatte sine observasjoner og oppdaget at de nye stjernene forble nær den "vandrende stjernen" til Jupiter hele tiden, og at deres posisjoner i forhold til Jupiter ble gjentatt med jevne mellomrom. Det minnet om månens bevegelse rundt jorden. Galileo innså at han hadde oppdaget fire "måner" av Jupiter, og fullførte oppdagelsen ved å måle deres omløpsperioder.
Dermed dukket det opp et nytt og klart argument til støtte for Copernicus sin hovedidé: små kretser rundt et stort himmellegeme - Jupiter, som planeter rundt solen og som månen rundt jorden. Galileo og Kepler hadde allerede nok tillit til at Copernicus hadde rett, men for andre astronomer, og enda mer for Ikke For astronomer kan en slik klarhet allerede veie opp for bokautoriteten til Ptolemaios. Hvis du selvfølgelig ser med åpne øyne. Og dette var ikke så lett, som man kan se av Galileos brev seks måneder etter utgivelsen av Starry Messenger:
La oss le, min Kepler, av menneskets store dumhet. De lokale forskerne, til tross for mine tusen ganger invitasjoner, så aldri på planetene, månen eller teleskopet. For dem er fysikk en slags bok, hvor man må lete etter sannheten – ikke i naturen, men ved å sammenligne tekster. Hvordan du ville le av å lytte til den første lokale filosofen, som prøvde sitt beste for å fjerne nye planeter fra himmelen med logiske argumenter, som magiske trylleformler!
Her er argumentene, for eksempel gitt av en viss filosofisk astronom:
Det er syv vinduer i dyrets hode hvor luft slippes inn i det kroppslige mikrokosmos for å opplyse, varme og gi næring: to nesebor, to øyne, to ører og en munn. På samme måte er det i det himmelske makrokosmos to gunstige stjerner, to ugunstige, to lyskilder og Merkur - vage og likegyldige. Herfra og fra mange andre lignende ordninger i naturen, som de syv metallene osv., som er kjedelig å liste opp, forstår vi at det er nøyaktig syv planeter. Dessuten er disse Jupiters satellitter usynlige for det blotte øye og kan derfor ikke ha innflytelse på jorden, derfor er de ubrukelige og eksisterer derfor ikke. I tillegg delte jødene og andre eldgamle folk, som moderne europeere, uken inn i syv dager, oppkalt etter navnene på de syv planetene. Så hvis vi øker antallet planeter, vil hele dette helhetlige og vakre systemet kollapse.
Galileo hadde ingenting å si til dette. Og han hadde ikke tid til latter blant lignende astronomer som, da de så det lite overbevisende i argumentene deres og ikke ønsket å skille seg fra det de hadde lært i ungdommen, så etter teologiske mangler i det nye verdensbildet. Den som søker vil alltid finne. Og de fant linjer i Bibelen som, hvis de ble tatt bokstavelig, talte om jordens immobilitet. Dette har blitt et formidabelt våpen i hendene på de som ikke vil søke sannheten i naturen. Lærde menn anklaget Galileo og Copernicus for å motsi de hellige skrifter, og appellerte til kirkens myndigheter.
Galileo bestemte seg for å gå foran sine motstandere, og i 1611 dro han selv til Roma og tok med seg et teleskop. Han hadde grunn til å tro på styrken i argumentene sine og overbevisende evnen til hans astronomiske oppdagelser: noen måneder etter utgivelsen av Starry Messenger, mottok han den ærefulle og høyt betalte stillingen som sjefforsker ved hoffet til hertugen av Medici, herskeren i Firenze.
I Roma ble han hedret av Accademia dei Lancei (Lynx-Eyed Academy), et av de første vitenskapelige samfunnene opprettet flere år tidligere av elskere og beskyttere av vitenskap. Galileo takket ja til invitasjonen til å bli med i dette samfunnet og skrev deretter bøkene sine, med fokus på lesere som medlemmene av dette akademiet - ikke hevdet å være profesjonelle innen astronomi eller fysikk, men med åpne øyne og ser med stor interesse på nye vitenskapelige ideer og fakta.
Ikke mindre suksess ventet Galileo ved pavens domstol. Dette var en periode med spesiell oppmerksomhet til astronomi fra den katolske kirkes side, på hvis initiativ den vestlige verden nylig hadde gått over til en ny – gregoriansk – kalender. Utviklingen av kalenderreformen ble ledet av astronomen og matematikeren Clavius, som tilhørte jesuittordenen sammen med andre høyt kvalifiserte astronomer. Hovedoppgaven til denne ordenen, etablert kort før (som svar på reformasjonens kjetteri), var opplysning og utdanning. Kalenderreformen var basert på den nye astromatematikken til Copernicus. Og Galileo la til et nytt argument til fordel for det kopernikanske systemet da han i sine teleskopiske observasjoner oppdaget fasene til Venus, lik månens faser. I motsetning til Månen ble Venus sett på som en liten skive når den var langt unna, og en stor halvmåne når den var nær. Dette beviste rotasjonen til Venus rundt solen, ikke jorden.
Paradoksal kontrast: professorer fra universitetsastronomer, som holder fast ved de vanlige tekstene fra eldgamle myndigheter, benekter både teleskopet og observasjonsfunnene til Galileo, mens pavelige astronomer godkjenner begge deler?! Hovedforskjellen her er ikke i nærheten av den pavelige trone, men i det praktiske, som pavelige astronomer var involvert i i kalenderreformen, mens universitetsprofessorer bare tolket gamle tekster.
Fasene til Venus, skissert av Galileo og avbildet skjematisk.
Galileo var engasjert i en annen praktisk sak - han undersøkte den grunnleggende fysikken til det virkelige universet. De pavelige astronomenes godkjennelse av hans astronomiske oppdagelser hadde et viktig «men». For dem var det kopernikanske systemet riktig matematikk, siden resultatene tilsvarte observasjoner, men de aksepterte dette systemet i den geoheliosentriske versjonen av Tycho Brahe, der jorden er ubevegelig - i full overensstemmelse med alle da kjente observasjoner starter med hverdagsopplevelse. Tross alt, for jordiske astronomiske beregninger, er det eneste viktige hvordan himmellegemer beveger seg i forhold til jorden. For pavelige astronomer betydde det kopernikanske systemet bare et annet opplegg for mellomberegninger.
Galileo og Kepler var sikre på at jorden dreide seg rundt solen som andre planeter, men det var ingen direkte bevis på dette ennå, bare indirekte, hypotetiske. Derfor klarte ikke Kepler å overbevise Tycho Brahe, som han samarbeidet med, selv om begge ble ansett som de første astronomene i sin tid. Men Galileo klarte ikke å overbevise de pavelige astronomene, som verdsatte hans astronomiske oppdagelser høyt. For førsteklasses astronom-observatører var ekte heliosentrisme ikke bare en tvilsom hypotese, men også ubrukelig: Likevel måtte beregninger bringes til synsvinkelen til en jordisk observatør - til et geosentrisk bilde. Slike astronomer, fast på bakken, lyttet nøye til Galileo, og forventet å lære om de observerbare manifestasjonene av jordens bevegelse, men mottok bare argumenter om strukturen til universet (det vil si solsystemet), forklaringer på hvorfor rotasjonen av Jorden er så umerkelig, så vel som tvilsomme analogier og ord om harmoniunivers.
Men er analogien mellom jorden under føttene dine og fjerne "vandrende" stjerner, som ingenting er kjent om bortsett fra deres bevegelse over himmelen, virkelig så overbevisende? Og beviser fjellene som ble oppdaget på den nærliggende månen at fjerne planeter er strukturert på samme måte? Hvorfor gå så langt for å rettferdiggjøre hvorfor ikke sertifisere jordens rotasjon direkte på jorden? Når alt kommer til alt, når du snurrer på en karusell, kjenner du rotasjonen selv med lukkede øyne?! Selvfølgelig, hvis karusellen gjør en omdreining per dag eller per år, er det vanskelig å legge merke til rotasjonen, men satellittene til Jupiter var usynlige før oppfinnelsen av teleskopet. Så vi må finne en måte å være vitne til denne rotasjonen på, hvis den virkelig eksisterer. Ellers vil heliosentrisme forbli en vellykket matematisk hypotese, nyttig for beregninger, men ikke noe mer.
En astronom godt plantet på jorden kunne ha fortalt Galileo noe slikt. Og riktignok var det på begynnelsen av 1600-tallet ingenting å svare på. Visuelle direkte bevis på jordens rotasjon (rundt sin akse og rundt solen) dukket opp bare to århundrer senere: Foucaults pendel, Beers lov (i henhold til hvilken en elv skyller bort sin høyre bredd på den nordlige halvkule), forskyvningen av "fast" stjerner på grunn av jordens bevegelse. Men lenge før det, trengte ikke astrofysikere slike bevis - siden slutten av det syttende århundre, da Newton, etter å ha fullført arbeidet startet av Galileo, formulerte de grunnleggende fysikkens lover som styrer alle bevegelser i solsystemet. Konsekvensen av disse lovene er jordens bevegelse rundt solen. En annen konsekvens er at manifestasjonene av denne bevegelsen er veldig små på selve jorden, bare en brøkdel av en prosent.
Tro og kunnskap
Hvorfor ble Galileo på slutten av det sekstende århundre overbevist om jordens bevegelse? Hvorfor stolte han så mye på indirekte argumenter og hans generelle ideer om universets struktur, og hvorfor la han ikke vekt på realistiske astronomers nøkterne innvendinger? Historikere har ikke et klart svar på disse spørsmålene, men det er klart at Galileos strålende fordommer - tro på universets grunnleggende lov og på menneskets evne til å forstå denne loven - hjalp ham med å finne opp grunnleggende fysikk.
På midten av det tjuende århundre prøvde poet-publisisten å svare for historikere:
Det rimende svaret, dessverre, motsier den virkelige historien. For det første visste Galileos vitenskapelige kolleger, med få unntak, fast at jorden var ubevegelig. For det andre behandlet den katolske kirkes erkepastorer, vel vitende om hans synspunkter, ham ganske gunstig i mange år. Så lenge vi kun snakket om vitenskapelige hypoteser, fikk de diskuteres.
Situasjonen endret seg da Galileos vitenskapelige motstandere, etter å ha uttømt jordiske argumenter, tok opp Den hellige skrift. Der er det selvfølgelig ingen astronomi, ingen planeter, ikke et ord om hvorvidt jorden er flat eller sfærisk. Men når du glemmer betydningen av den bibelske historien, kan du finne setninger som uttrykker hverdagslige ideer om at solen beveger seg - går opp og går ned, og jordens himmelhvelving er i ro. Galileos motstandere bevæpnet seg med passende sitater og holdt Bibelen som et skjold. Hvis han ikke hadde tatt hensyn til slike motstandere, kunne han rolig ha forfulgt sin vitenskap. Dette er hva hans velvillige blant «hyrdene» rådet ham til.
Galileo fulgte imidlertid ikke dette rådet. Han tenkte ikke bare fritt, men trodde også fritt på Gud. Bibelen snakket om mennesket, skapt i Guds likhet; det var hans indre støtte, men ikke en kilde til kunnskap om den ytre verden - bortsett fra at denne verden ble skapt for mennesket og er tilgjengelig for kunnskap. Derfor var Galileo sikker på at Bibelen ikke kan motsi resultatene av vitenskapelig forskning og spesielt jordens bevegelser. Han kom til denne konklusjonen ved å bruke sin egen fornuft på samme måte som i sin fysiske forskning.
Denne forståelsen av Bibelen, skal det sies, var også til stede i kirketradisjonen. Galileo siterte en kardinal han snakket med: «Bibelen lærer hvordan man kommer til himmelen, ikke hvordan himmelen beveger seg.» Bibelen lærer også å ikke lyve, og Galileo fulgte ikke rådet fra velvillige, men sa ærlig at han forstod Bibelen og at han trodde at jorden beveget seg. Hans astronomiske oppdagelser og deres anerkjennelse bidro til selvtilliten hans.
Hva en kardinal har lov til å si om Bibelen i privat samtale er ikke tillatt for en lekmann, selv om den lekmannen er en kjent astronom. Spesielt når de troende på vakt sender fordømmelser. I 1616 fastslo eksperter fra inkvisisjonen at uttalelsen om jordens bevegelse var "absurd i vitenskapelige termer og i strid med Den hellige skrift." Det offisielle dekretet hørtes mildere ut, men tre bøker ble forbudt, og startet med Copernicus-boken, 70 år før den gikk over i historien. Galileo ble ikke nevnt i dette dekretet - respekten for ham var så stor at erkepastorene begrenset seg til verbale formaninger. Senere forklarte paven selv for ham at selv om jordens bevegelse ikke kan angis som sannhet, kan systemene til Ptolemaios og Kopernikus diskuteres og sammenlignes som matematiske hypoteser. Og Copernicus-boken ble forbudt bare for en stund til den ble korrigert, og understreket at det kopernikanske systemet bare er en matematisk hypotese.
Den oppfinnsomme Galileo fant ut hvordan han kunne forbli ærlig og ikke bryte kirkens advarsel. Siden han fikk lov til å diskutere og sammenligne hypotesene til Ptolemaios og Copernicus, ville han skrive en bok i form av en samtale mellom tre karakterer, to som presenterte posisjonene til Copernicus og Ptolemaios, og den tredje presenterte objektiv sunn fornuft. Og la leseren bestemme hvem som har rett.
Galileo fullførte boken «Dialogue on the Two Chief Systems of the World» halvannet tiår senere. Ikke uten vanskeligheter fikk han godkjenning av kirkesensur, og i 1632 kom de første eksemplarene av boken ut av trykkeriet. Snart grep imidlertid den katolske kirken inn i vitenskapens historie - ved sin beslutning ble bøkene konfiskert, og Galileo ble innkalt til inkvisisjonen. Den berømt gloriøse rettssaken varte i flere måneder. Galileo ble anklaget for å ha brutt kirkeinstruksen fra 1616 om å behandle det kopernikanske systemet bare som en hypotese: fra boken hans var det for tydelig hvilken hypotese som var riktig. Retten forbød boken og dømte Galileo til livsvarig fengsel.
Bak kulissene av etterforskningen og under rettssaken var både personlige motiver og kirkepolitiske faktorer i sving, men på grunnlag av disse hendelsene kan man skjelne ... en kraftig treghetslag. Galileo, som oppdaget treghetets fysiske lov, opplevde fullt ut effekten av menneskelig treghet. Kirkens prester kunne selvfølgelig ikke gå dypt inn i systemet med astrofysiske argumenter til fordel for jordens bevegelse og holdt seg rett og slett - av treghet - til ideene de hadde mestret i sin ungdom. Tross alt holdt fremragende vitenskapsmenn seg til disse ideene, spesielt "astronomenes konge" - Tycho Brahe.
Det ville vært mulig å ikke fordømme kirkedommere for deres vitenskapelige treghet hvis de ikke hadde tatt på seg rollen vitenskapelig eksperter: i kirkedekreter fra 1616 og 1633 ble jordens bevegelse for det første anerkjent som vitenskapelig falsk og bare for det andre i strid med Bibelen. Dermed brukte dommer-inkvisitorene sin offisielle stilling til personlige formål – for å bevare den vanlige ideen. Det var ikke et spørsmål om religion som sådan: blant Galileos studenter og ivrige støttespillere var det presteskap. Og selv retten var ikke enstemmig – kun syv av ti dommere skrev under på dommen.
Gjennomføringen av dommen, så vel som den høyeste makten i kirken, var da i hendene på én person - pave Urban VIII. Mens han fortsatt var kardinal, beundret han de astronomiske oppdagelsene til Galileo og, etter å ha blitt pave, viste han også gunst for ham, slik at han kunne diskutere det kopernikanske systemet sammen med det ptolemaiske systemet. Men han hadde sin egen grunn til at begge systemene for alltid vil forbli bare hypoteser: Selv om en hypotese på en tilfredsstillende måte forklarer et visst fenomen, kan den allmektige Gud produsere dette fenomenet på en helt annen måte, utilgjengelig for menneskelig fornuft, og hans allmakt kan ikke begrenses til mulighetene for menneskelig forståelse. Paven presenterte argumentet sitt for Galileo, og hva gjorde han?! Han la dette argumentet i munnen på en karakter som representerte den utdaterte filosofien til Aristoteles og så veldig støtende ut for paven:
Simplicio.<…>Jeg vet at på spørsmålet om den allmektige Gud kunne ha gitt vann den observerbare variable bevegelsen [flo og hav] på en annen måte enn ved å bevege vannmasser, er det bare ett mulig svar: Han kunne ha gjort dette i mange ufattelige måter for våre sinn. Og i så fall, så ville det være overdreven frekkhet å begrense den guddommelige kraften ved enhver menneskelig oppfinnelse.
Så vi må også takke Hans Hellighet for å erstatte fengselsstraff med husarrest. Og en vitenskapshistoriker kan til og med, glemme anstendigheten, takke det faktum at Galileo var under konstant overvåking av inkvisisjonen, som bestemte hvem han kunne møte. Fysikerens sprudlende temperament hadde bare én utvei – arbeidet med den andre og viktigste boken, der han underbygget loven om fritt fall – fysikkens første grunnleggende lov.
Når det gjelder det pavelige argumentet, brukte ikke Galileo det av skade. Det handlet om essensen av ny – grunnleggende – fysikk. Argumentet støttet seg tilsynelatende på den bibelske setningen "Herrens veier er mystiske," i moderne oversettelse: "Hans avgjørelser er uforståelige og hans veier er uransakelige." Hva kunne Galileo si til dette, med sin utvilsomme tro på Gud og fullstendige tillit til Guds Ord?
Han kunne si at konteksten til denne setningen ikke snakker om universets struktur, men om Guds holdning til mennesket og om menneskets indre verden med dens frihet og unikhet. Og den ytre verden - universet - allerede med stjernehimmelen gir en person et eksempel på konstanthet og regelmessighet. Det er ikke for ingenting at Gud har gitt mennesket evnen til å vite. Galileo følte dette selv. Og han visste fra egen erfaring at en person er i stand til ikke bare å fremsette plausible hypoteser, men også teste dem, avvise eller bekrefte dem, etablere deres korrespondanse med strukturen til universet skapt av Skaperen. Bibelen sier ikke noe om navigasjonsloven, men Arkimedes klarte å oppdage denne loven. Og Galileo, i sin søken etter de grunnleggende naturlovene, stolte på troen på universets lover.
Ved å utforske Herrens veier i universets struktur og vite hvordan erfaring og matematikkspråket gjør det mulig å forstå denne strukturen, forsvarte Galileo Bibelen fra oppgaver som er fremmede for den og følgelig fra motsetninger med resultatene av vitenskapelig kunnskap . Han hadde en bedre mening om Skaperen enn pave Urban VIII, og i forhold til sannheten - helligere enn paven i Roma.
Lysets hastighet er den første grunnleggende konstanten
Blant Galileos fiaskoer er man så lærerik at man ikke kan våge å kalle det en fiasko.
I sin siste bok snakket Galileo om å prøve å måle lysets hastighet, og tilsynelatende var grunnen til å måle en annen hastighet - lydens hastighet. Dette er selvfølgelig «to store forskjeller». Etter å ha hørt ekkoet av stemmen din, er det lett å forstå at lyden kom tilbake etter en kort, men merkbar tid, og derfor sprer den seg ikke umiddelbart, men med en viss - om enn høy - hastighet. Men i hverdagen er det ingen bevis for at lys tar noen tid å reise fra lyskilden til det opplyste objektet. Aristoteles oppsummerte det filosofisk: "Lys er tilstedeværelsen av noe, ikke bevegelsen av noe." Alle Galileos samtidige mente det samme. Han var den første som brukte uttrykket «lysets hastighet».
Øyeblikkeligheten - eller uendelig hastighet - til lys ble også antatt i de første målingene av lydens hastighet. Da de observerte et kanonskudd langveisfra og trodde at skuddglimt ble sett umiddelbart, målte de tiden mellom blitsen og lyden av skuddet. Ved å dele avstanden til pistolen på denne tiden, bestemte de at lydhastigheten er omtrent 500 meter per sekund (som bare er halvannen ganger den sanne verdien).
Galileo mente imidlertid at øyeblikkelig lys bare var en hypotese, og han fant ut hvordan han skulle teste det. For å gjøre dette trenger du to personer med lykter som kan åpnes og lukkes - nå ville de si: slå av og på. Først når de er i nærheten, øver de på å slå på en lommelykt når de ser lyset fra en annen lommelykt. Så sprer de seg over lang avstand. Den første slår på lykten og ser lyset som den andre slår på lykten sin. Og den første måler tiden fra det øyeblikket han slo på lykta til det øyeblikket han så lyset fra den andre lykten. I løpet av denne tiden reiste lyset frem og tilbake.
Hvis den andre lykten åpner seg like raskt som på nær avstand, skriver Galileo, så kommer lyset umiddelbart, og hvis lyset tar tid, vil en avstand på tre mil være nok til å oppdage forsinkelsen. Hvis eksperimentet gjøres i en avstand på for eksempel 8-10 miles, kan du se det svake lyset fra en fjern lommelykt ved hjelp av et teleskop.
Etter Galileos ord, utførte han et slikt eksperiment bare i en avstand på en mil og la ikke merke til forsinkelsen. Og likevel antok han at lyset ikke beveger seg umiddelbart, selv om det sprer seg uvanlig raskt.
Faren til moderne fysikk forklarte ikke hvorfor tre mil ville være nok til å oppdage Ikke- øyeblikkelig lys, og hvorfor da øke avstanden til 10 miles. Hvis ett pulsslag regnes som minimumsperioden, betydde eksperimentet han utførte at lyset reiste to mil på mindre enn et sekund, det vil si med en hastighet på minst 10 ganger lydhastigheten. Og hvis forsinkelsen ikke ble oppdaget selv på en avstand på 10 miles, ville dette bety at lysets hastighet er minst 100 ganger høyere enn lydens hastighet.
Det er ikke Galileos feil at lysets hastighet faktisk er en million ganger høyere enn lydens hastighet. Hvis han hadde mistenkt dette, ville han kanskje ha innsett at jordiske mil ikke var nok for eksperimentet hans, og han ville ha husket Jupiters satellitter som han hadde oppdaget. Når alt kommer til alt, mens den roterer, spiller satellitten rollen som en lykt, som åpnes når den forlater skyggen av Jupiter og lukkes når den går inn i skyggen. Selvfølgelig er en slik lykt ikke direkte egnet for Galileos eksperiment - den åpnes uten noen kommando med jevne mellomrom. Men opplevelsen kan endres ved å legge merke til at den jordiske observatøren ikke sitter stille, selv ser inn i teleskopet: sammen med teleskopet og planeten Jorden beveger han seg rundt Solen. Når observatøren nærmer seg Jupiter, observeres hver påfølgende "stigning" av satellitten tidligere enn den "posisjonerte" (gjennomsnittlige), fordi den første strålen fra satellitten må reise en kortere avstand til jorden. Den første strålen vil komme tidligere med en brøkdel av en periode proporsjonal med jordens hastighet og omvendt proporsjonal med lysets hastighet. Dette betyr at lysets hastighet kan beregnes ved å måle fremskrittet (eller forsinkelsen) av stigningen til Jupiters satellitt.
Galileo selv tenkte ikke på en slik metode, selv om det i hans ånd fantes både jordiske anvendelser av astronomi og anvendelse av jordisk fysikk til forståelsen av himmelfenomener. Han foreslo også å bruke teleskopet i et jordisk eksperiment for å måle lysets hastighet. Og etter å ha oppdaget Jupiters satellitter og målt deres revolusjonsperioder, så jeg i denne en himmelsk klokke "slå" i øyeblikket da hver satellitt reiste seg. En slik klokke, tilgjengelig for alle (som har et teleskop), innså Galileo, kunne brukes til å bestemme geografisk lengdegrad. Og dette var svært viktig for langdistanse-navigasjon og for økonomien.
Så faren til moderne fysikk oppfant det ikke bare, men demonstrerte også sammenhengen mellom vitenskap, teknologi og økonomi.
Galileos fysikk avslørte det geniale samspillet mellom teori og eksperimenter i jakten på de grunnleggende naturlovene. Det er tydelig hvor viktig det er å teste loven med økende presisjon. Imidlertid bidro ofte den lave nøyaktigheten til målingene til å gjøre funn. For eksempel er den viktigste loven for Galileo, at svingningsperioden til en pendel ikke er avhengig av amplituden til svingningene, oppfylt mer nøyaktig jo mindre amplituden er. Derfor, hvis Galileo hadde testet denne loven ikke med sin puls, men med et veldig presist kronometer, ville det vært vanskeligere for ham.
På samme måte med satellittene til Jupiter. Etter å ha målt revolusjonsperiodene deres, overlot Galileo sine videre studier til astronomer. Han etterlot dem også som en arv ideen om å bruke disse satellittene som universelle klokker for å bestemme lengdegrad. For å gjøre dette var det nødvendig å kjenne satellittenes revolusjonsperiode, eller tidsplanen for deres formørkelser, så nøyaktig som mulig, som er det astronomer gjorde, og strevde etter deres iboende astronomiske nøyaktighet. 30 år etter Galileos død hadde astronomer samlet nok observasjoner til å oppdage en merkelig uregelmessighet i den kosmiske klokken. Satellittens omløpsperiode var noen ganger kortere, noen ganger lengre. Denne ujevnheten avslørte sitt eget mønster: perioden ble kortere når jorden nærmet seg Jupiter, og lengre når den beveget seg bort. Det var da astronomer som studerte de galileiske satellittene husket Galileos tillit til at lys beveger seg med en enorm, men begrenset hastighet. Ved å kombinere observasjoner av satellittperioder med kunnskap om planetbevegelser oppnådde vi for første gang lysets hastighet - 220 tusen kilometer per sekund, som er nær den sanne verdien - omtrent 300 tusen kilometer per sekund.
Dermed var Galileos intuisjon berettiget, overraskende nok. Og dette er veldig overraskende. Tross alt var det ingen observerbare bevis for den endelige lyshastigheten. Og Galileos fremragende samtidige, som var engasjert i vitenskapen om lys, Kepler og Descartes, anså lysets hastighet som uendelig. Hvorfor var Galileo mer innsiktsfull enn kollegene? Fordi han var et geni og en grunnleggende fysiker.
Når han tenkte på lysets hastighet, så Galileo hele verden av fysiske fenomener og trodde på den dype enheten i denne verden. Da han visste at sollys samlet i et konkavt speil er i stand til å smelte bly, sammenlignet han denne "voldelige" lysvirkningen med en lynutladning og en eksplosjon av krutt, som er "akkompagnert av bevegelse og dessuten veldig rask." Og han konkluderte: "Derfor kan jeg ikke forestille meg at lysets handling kan klare seg uten bevegelse, og den raskeste bevegelsen da."
Galileo var sikker på at Naturens bok var «skrevet på matematikkens språk», men han visste at innholdet i denne boken var fysikk. Derfor, ved å lytte til intuisjonen hans, tok han ikke hennes ord for det, men fant ut hvordan han kunne teste det på den mest pålitelige måten for en fysiker - gjennom måleeksperimenter. Han klarte ikke å gjøre dette med lys - nøyaktigheten på målingene var for lav. Men han klarte å gi fysikken selve ideen om begrenset lyshastighet. Denne ideen, takket være en annen gave - de galileiske månene til Jupiter - ble et pålitelig vitenskapelig faktum bare noen tiår etter hans død, helt i begynnelsen av hans udødelige berømmelse.
La oss nå lytte til et fragment av en samtale fra Galileos siste bok, «Conversations and Mathematical Proofs Concerning Two New Sciences», der spørsmålet om lysets hastighet først ble reist:
Om den raskeste bevegelsen av lys
Sagredo. Jeg så hvordan sollys, samlet av et konkavt speil på omtrent tre palmer i diameter, raskt smeltet bly og antente forskjellige brennbare materialer. Er en så voldsom lyshandling mulig uten bevegelse?
Salviati. I andre tilfeller - som lynutladning og en eksplosjon av krutt - er forbrenning og forråtnelse ledsaget av bevegelse, og veldig rask bevegelse. Derfor kan jeg ikke forestille meg at lysets handling kan skje uten bevegelse, og den raskeste bevegelsen.
Sagredo. Men hvor rask bør denne bevegelsen være? Er det øyeblikkelig eller oppstår over tid, som andre bevegelser? Er det mulig å finne ut av erfaring hvordan det er?
Simplicio. Daglig erfaring viser at lys reiser umiddelbart. Hvis vi ser på en kanonskyting på avstand, når blinket fra skuddet øynene våre umiddelbart, og lyden når ørene våre først etter et merkbart tidsintervall.
Sagredo. Fra slike eksperimenter kan vi bare konkludere med at lyd beveger seg langsommere enn lys, men ikke at lys kommer umiddelbart.
Salviati. Ukonklusjonen i slike observasjoner fikk meg til å finne en måte å finne ut om lys virkelig beveger seg øyeblikkelig.
La to eksperimentatorer holde hver en lanterne som kan åpnes og lukkes. Først, ved å stå side om side, øver de på å åpne lykten sin, og legger merke til lyset til en annen. Så sprer de seg i omtrent tre mil og, etter å ha ventet på natten, gjentar de blinkingen med lyktene. Hvis den andre lykten åpner seg like raskt som den gjorde i nærheten, kommer lyset umiddelbart, men hvis lyset tar tid, vil en avstand på tre mil være nok til å oppdage forsinkelsen. Når du gjør et eksperiment på en avstand på for eksempel ti miles, kan teleskoper brukes til å se det svake lyset fra en fjern lykt.
Jeg selv gjorde dette eksperimentet bare på en avstand på en mil og var ikke overbevist om lyset kom tilbake umiddelbart. Det er bare klart at det er ekstremt raskt, nesten umiddelbart. Jeg vil sammenligne det med lynet som er synlig 8-10 miles unna. Vi ser begynnelsen på et blitz, eller dets kilde, på et bestemt sted blant skyene og ser hvordan lynet trenger gjennom naboskyene. Dette betyr at det tar litt tid å spre seg. Tross alt, hvis det oppsto et lyn i alle deler på en gang, kunne vi ikke skille kilden, midtre og fjerne deler. Hvilket hav har vi befunnet oss i ubemerket?! Tomhet og uendelighet, udelelige atomer og øyeblikkelige bevegelser – vil vi klare å nå kysten, selv etter tusen diskusjoner?
På det patetiske spørsmålet på slutten av fragmentet svarte Galileo med sin bok modig og optimistisk. Men selve spørsmålet avslører fysikeren - den grunnleggende fysikeren. Hans fremragende kolleger med en matematisk tankegang - Kepler og Descartes - satte seg frimodig i oppgave å fullstendig og til slutt omfavne den virkelige fysiske verden med et enkelt matematisk prinsipp eller lite sett, og trodde at de hadde oppnådd målet sitt: Kepler hadde koppen på seks planeter, Descartes - syv prinsipper for fysikk. Og Galileo forsto at han bare var i begynnelsen av en stor reise, hvor det ville være nok arbeid for alle som hadde nok frihet og mot til å stille spørsmål om universets struktur og lete etter overbevisende – målende – svar på dem.
Belastet med hans mot, vil jeg virkelig gjerne stille spørsmål til ham selv.
Hvorfor tror han at lysets hastighet ikke bare er begrenset, men også den "raskeste"? Hvordan kan en hvilken som helst hastighet være maksimal? Innser han at lysets hastighet er en grunnleggende naturkonstant, involvert i ethvert fysisk fenomen, til og med som oppstår i stummende mørke?
Vitenskapen svarte på disse spørsmålene tre århundrer etter Galileos liv, etter flere dramatiske transformasjoner av grunnleggende fysikk assosiert med navnene til Newton, Maxwell og Einstein. Man kan bare bli overrasket over at oppfinneren av fundamental fysikk åpnet veien for historiens første fundamentale konstant.
kapittel 3
Tyngdekraften er den første grunnleggende kraften
Fra himmel til jord og tilbake
I moderne fysikk snakker de om fire grunnleggende krefter. Tyngdekraften var den første som ble oppdaget. Kjent for skoleelever loven om universell gravitasjon bestemmer tiltrekningskraften F mellom eventuelle masser m Og M, atskilt med avstand R:
F = GmM/R 2 .
Skolebarn blir vanligvis ikke fortalt at Newton selv ikke har skrevet en slik formel. Han hevdet bare at tiltrekning er proporsjonal med mengden materie og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden. Proporsjonaliteten til mengden materie er ikke overraskende, men hvordan gjettet Newton at kraften avhenger av avstanden i kvadratet, og for eksempel ikke i kuben?
Skoleelever blir vanligvis heller ikke fortalt at han ikke var den første som gjettet. Newtons oppdagelse av tyngdeloven kan til og med kalles en lukking. Han avsluttet spørsmålet ved å bekrefte formodningen med astronomiske observasjoner, oppsummert av Kepler i hans planetariske lover. Newtons største suksess i hans samtidiges øyne var at han hentet Keplers lover fra tyngdeloven. For å gjøre dette måtte han gjøre noe stort i verdenshistoriens øyne: lage en generell teori om bevegelse - mekanikk, finne opp et nytt matematisk språk for det. Hovedloven om bevegelse relatert til akselerasjon en masser m med kraften som virker på den F
og det oppfunne matematiske apparatet (differensialregning) gjorde det mulig å løse ethvert problem om bevegelse av kropper på himmelen og på jorden.
Det første himmelske problemet ble løst av astronomen Edmond Haley (Halley). Basert på bevegelsesloven og tyngdeloven spådde han at kometen fra 1682 ville komme tilbake om 76 år. Og hun kom til rett tid! Før det kunne man fortsatt tvile på Newtons teori, som «bare» hentet Keplers gamle lover fra de nye bevegelses- og tyngdelovene. Men fysikkens himmelske triumf lovet den seier også i jordiske problemer.
Ved denne anledningen sa en historiker: «Moderne vitenskap steg ned fra himmelen til jorden langs Galileos skråplan.» Det er ikke mindre grunn til å si at - langs det samme skråplanet - har jordisk fysikk steget til himmels. Galileo mottok bare ett spørsmål fra himmelen: hvorfor er jordens bevegelse rundt sin akse og rundt solen så umerkelig med enorme hastigheter på tusenvis av kilometer i timen? Han lette etter svaret på dette spørsmålet - og fant det - på jorden, og studerte bevegelse ved hjelp av sine to hovedverktøy - eksperimenter og matematisk presist språk. Hans svar – treghet og relativitetsprinsippet – kalte Newton Mekanikkens første lov. Og Galileos lov om fritt fall, etter å ha oppdaget nøkkelrollen til akselerasjon, ga et hint til den andre loven - hovedloven om bevegelse.
Bare i tyngdeloven er ikke Galileos rolle synlig. For å korrigere denne urettferdigheten to århundrer etter hans død, laget en viss håndverker med en antikvarisk tilbøyelighet en samling av historiske dokumenter, som ble mottatt av det franske vitenskapsakademiet. Avisene - med navnene Galileo, Pascal, Newton og andre fremtredende skikkelser - malte et slikt bilde. I de siste årene av sitt liv har (italienske) Galileo angivelig teoretisk utledet fra Keplers andre lov at himmellegemer tiltrekker seg omvendt proporsjonalt med kvadratet av avstanden. Han rapporterte denne oppdagelsen til (franske) Pascal, som bygde himmelmekanikk på dette grunnlaget, og beregnet også massene til planetene, som han rapporterte til (engelsk) Newton. Og han, uten skam eller samvittighet, publiserte andres resultater som sine egne.
Det franske akademiet, som nidkjært fulgte britenes suksesser, studerte begeistret oppsiktsvekkende dokumenter til de oppdaget at et av brevene i samlingen var adressert til Newton da han var bare 10 år gammel. Forfatteren av samlingen kom ikke overens med kronologi. Og jeg kom ikke overens i det hele tatt med vitenskapens historie.
Historien avhenger selvfølgelig av overlevende dokumentariske bevis - brev, manuskripter, publikasjoner. Men når det er mye bevis om en person, er det veldig vanskelig å forfalske et helt nytt bevis. Bare de som ikke har lest bøkene deres og ikke forstår i det hele tatt hvordan man kan utlede det ene fra det andre, kan tro at 75 år gamle Galileo har utledet tyngdeloven fra Keplers andre lov.
Galileo la ikke vekt på Keplers lover, og enda mindre til hans uttalelser om solen som kilden til kraften som beveger planetene, at denne kraften avtar i omvendt proporsjon med avstanden (og ikke dens kvadrat), og om Tyngdekraften som "sympatien til beslektede kropper", deres "ønske om forbindelse." Kepler sammenlignet noen ganger bare denne "streben" med magnetisme, noen ganger identifiserte den seg med den. Det er uklart av tekstene hans om han mente en kraft eller to. Det er bare klart at han håpet på fysikere, siden han skrev: "La fysikerne sjekke ..."
I 1600 ga engelskmannen Gilbert ut boken «On the Magnet, Magnetic Bodies and the Great Magnet - the Earth», hvor han blant annet uttrykte ideen om at jorden er en enorm magnet, og eksperimentelt underbygget dette ved hjelp av en modell. av jorden - en sfærisk magnet som følger oppførselen til kompassnålen på overflaten av ballen. Imponert over denne boken skrev Kepler om magnetiske krefter i planetsystemet, og introduserte fysikkens siste ord i astronomi. Men, i motsetning til Hilbert, ga Kepler ingen spesifikke, selv kvalitative, argumenter og koblet ikke på noen måte magnetisk fysikk, verken med hans hypotese om planetariske krefter som avtar i omvendt proporsjon med avstand, eller med hans egne eksakte lover for planetarisk bevegelse. I denne behandlingen av vitenskapen så fysikeren Galileo en manifestasjon av et "for fritt" sinn, eller rett og slett lettsindighet. Når det gjelder Hilberts forskning, satte han stor pris på den og ønsket at han var «litt mer matematiker». Ikke fordi Galileo elsket matematikk, men fordi et matematisk presist språk åpner veien for eksperimentell verifisering og derfor til eksakt kunnskap.
Den fundamentale fysikeren Galileo kunne se på Keplers lover som matematiske forhold, ikke mindre elegante enn kosmografien til planetene til den unge Kepler, men ikke mer gjennomtrengende til den fysiske essensen av planetsystemet. Gjennom to punkter kan du tegne bare en rett linje, og gjennom mange punkter med planetobservasjoner - et hvilket som helst antall forskjellige kurver, inkludert kanskje elegante. Du kan ikke eksperimentere med planeter ved å endre parametrene for deres bevegelse. Derfor prøvde Galileo å trenge inn i de grunnleggende lovene i planetfysikken, basert på et jordisk eksperiment som måtte oppfinnes, og ved å bruke den enkleste mulige banen - en sirkulær, spesielt siden banene til Jorden og Venus er nesten nøyaktig sirkulære.
For å utlede tyngdeloven, var det nødvendig å gjøre ordet "attraksjon" til et fysisk konsept tilgjengelig for eksperimentell forskning. Det var nødvendig å koble dette konseptet med målbare mengder, først og fremst med selve bevegelsen. Dette er hva Newton gjorde. Og før det kunne man bare snakke om planetkrefter og deres avhengighet av avstand.
Den tidligste "snakken" om en kraft proporsjonal med 1/ R 2, fant sted i boken til den franske astronomen Buyot i 1645. Forfatteren hedret Copernicus, Galileo og Kepler, men den planetariske kraften - ikke ifølge Kepler - ble sammenlignet med belysning, og avtok med avstanden fra lyskilden nøyaktig som 1/ R 2. Men så, i samme bok, avviste Buyo selve eksistensen av en drivkraft. Bare fra dette er den lite overbevisende karakteren til Keplers hypotese klar. Det er lett å forestille seg at Galileo ville ha betraktet Bouillots samtaler som barnslige: hvor kommer analogien mellom lys og planetariske krefter fra?! Men da den franske astronomens bok ble publisert, hadde Galileo allerede gått inn i historien for tre år siden. Og de lite overbevisende ordene om en kraft omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden gikk likevel over i historien. Og vi nådde Newtons tid.
Hva skjer?! Den viktigste fysiske ideen ble født ulovlig og levde som et hittebarn i lang tid?! Og faren til moderne fysikk motsatte seg hennes fødsel mest av alt?! Ja, men ikke helt. For det første gjelder dikterens ord for vitenskapelige ideer: "Hvis du bare visste fra hvilket søppel poesi vokser, uten å kjenne til skam ..." Fødselen av noe nytt er alltid et mirakel. Og for det andre, idé 1 /R 2 ble bare viktig når den ble kombinert med andre ideer som dukket opp tiår senere.
Vitenskapens historie, som enhver interessant historie, er et unikt hendelsesforløp. Derav den klisjefylte frasen om at historien ikke kjenner konjunktivstemningen. Historien vet ikke, men fysikeren, som ser inn i historien, gjør det vanligvis tankeeksperimenter, endre - innenfor grensene for mulig- handlingene til historiske karakterer og utfoldelse av en ny kjede av hendelser for å vurdere sannsynlighetene og usannsynlighetene for hva som faktisk skjedde. For denne tenkemåten må vi takke Galileo, som, da han skapte moderne fysikk, brukte den mesterlig. Et tankeeksperiment er et eksperimentelt design som er tillatt av kjente fakta, uavhengig av kostnader. Ved å fritt endre de eksperimentelle forholdene, er det lettere å stille spørsmål og svare på dem ved å bruke kjente fakta og naturlover.
Ved å overføre denne teknikken fra fysikk til dens historie, la oss stille spørsmålet: "Kunne Galileo ha kjent lysets hastighet?", selvfølgelig, innenfor grensene for hans historisk reelle evner - hans kunnskap, måte å tenke på og hans fordommer. Historien lar oss svare negativt på dette spørsmålet. I et eksperiment av den typen han oppfant, selv om gitt alle ressursene til datidens teknologi, manglet det åpenbart nøyaktighet. Og for å komme opp med et eksperiment som involverte Jupiters satellitter, måtte han forlate fysikken, bli observasjonsastronom og gjennomføre observasjoner i minst et år, av en eller annen grunn for å avklare periodene til satellittene han allerede hadde målt. Det virker utrolig. Så han kunne ikke oppdage lysets hastighet, selv om han var forutinntatt at den var begrenset.
Galileo var også fordomsfull om at det ikke er noen planetarisk attraksjon. Men dette betyr ikke at svaret på spørsmålet er klart:
Kan Galileo ha oppdaget loven om universell gravitasjon?
Den eminente fysikeren og morsomme mannen Richard Feynman skisserte bakgrunnen for tyngdeloven:
På Keplers tid trodde noen at planetene beveget seg rundt solen fordi usynlige engler dyttet dem langs deres bane. Dette er ikke så langt fra sannheten: engler skyver planetene, ikke langs, men på tvers av banen, mot midten.
I et forsøk på å være kortfattet utelot Feynman et viktig mellomtrinn. Galileo klarte seg uten engler i det hele tatt, og betraktet den sirkulære bevegelsen til planeten rundt solen som en naturlig, fri bevegelse. Spørsmålet om størrelsen på banene og hastighetene til planetene forble åpent, men Galileo så mange åpne spørsmål, som ikke opprørte eller forvirret ham, men bare provoserte ham. I likhet med Kepler, trodde Galileo at andre planeter var lik jordens natur, og hans tro ble styrket ved å se månens fjelloverflate gjennom et teleskop. Troen hans ga ham håp om at å studere naturlovene på jorden ville bidra til å forstå lovene for planetbevegelser.
På jorden oppdaget Galileo loven om fritt fall, så vel som bevegelsesloven til en kropp kastet i en vinkel mot horisonten. Banen til en slik bevegelse, som skolebarn nå vet, er en parabel. Galileo publiserte ikke denne oppdagelsen på lenge. Han forsto at resultatet ble oppnådd i den "flate jorden" tilnærmingen: parabelen beskriver banen mer nøyaktig, jo mindre størrelsen er sammenlignet med jordens radius, det vil si jo lavere starthastigheten er, eller den mindre delen av bane vurderes. Han visste ikke hvordan formen på banen ville være i tilfelle av en "stor bevegelse", når starthastigheten var tilstrekkelig høy til at jordens sfærisitet ikke lenger kunne neglisjeres.
Vanskeligheten var teoretisk, og eksperimentet kunne ikke hjelpe: for å legge merke til jordens sfærisitet i laboratoriet, må dimensjonene til laboratoriet være sammenlignbare med jordens radius. Galileo kunne imidlertid bruke et tankeeksperiment, som han var en stor ekspert på. Alt du måtte gjøre var å komme med et spørsmål til tankeeksperimentøren.
For eksempel denne. Hvis du kaster en ball horisontalt i lav hastighet, vil den falle til bakken i nærheten og bevege seg i en bratt parabel. Hvis starthastigheten økes, vil parablen bli flatere. Og med hvilken hastighet skal ballen kastes slik at den, når den faller, forblir i samme avstand fra jordoverflaten, som går "ned" på grunn av dens sfærisitet?
Galileo kunne løse dette problemet ved å bruke matematikk som ikke er mer komplisert enn Pythagoras teorem, og kjenne jordens radius R og akselerasjon av fritt fall g, målt av ham. Den nødvendige hastigheten, som en nåværende student kan se,
V= (gR) 1/2 ~ 8 km/sek.
Dette er selvfølgelig første rømningshastighet, det vil si hastigheten som ballen må kastes med for at den skal bli jordens kunstige satellitt. Dette ble først gjort i Russland i 1957, men i Italia på 1600-tallet var slike ord ikke kjent, og hastigheten ville blitt kalt astronomisk. Det var ganske astrofysisk. Men for astrofysiker Galileo ville en mental ball som flyr i konstant avstand fra jordoverflaten, selvfølgelig ligne på månen.
Han kunne imidlertid lett bli overbevist om at det resulterende forholdet for Månen, dessverre, ikke stemmer, og veldig sterkt. Månens hastighet er 60 ganger mindre enn den burde være. Siden månens hastighet og avstanden var velkjent, ville Galileo ha tenkt på tyngdeakselerasjonen g, som jeg målte selv. Men han målte det på jordoverflaten, og ikke på månens høyde. Forholdet ville være oppfylt hvis akselerasjonen av fritt fall på månens høyde er 3600 ganger mindre enn på jorden. Avstanden til månen er 60 ganger radiusen til jorden. Dette ber om hypotesen: tyngdeakselerasjonen endres med avstanden fra jorden i omvendt proporsjon med kvadratet på avstanden. Galileo kunne bekrefte denne hypotesen både på satellittene til Jupiter og på satellittene til solen - planetene. Som et resultat ville han motta en ny naturlov - generell lov om fritt fall, som bestemmer akselerasjonen av fritt fall g(R) på et punkt fjernt R fra et himmellegeme av masse M
g(R) = GM/R 2 ,
her er G en konstant, det samme for ethvert himmellegeme, noe som betyr at det er en fundamental konstant.
Hvordan Galileo kunne oppdage den generelle loven om fritt fall
Mens han studerte fritt fall, fant Galileo at en ball kastet horisontalt i rommet faller langs en parabel, hvis form bestemmes av starthastigheten V og akselerasjon av fritt fall g: den horisontale hastigheten opprettholdes V G = V, og øker vertikalt med tiden V V = gt.
La oss gjøre et tankeeksperiment ved å klatre opp i det legendariske tårnet med den mentale Galileo. Vi vil kaste ballene horisontalt med økende hastighet. Hvis kastehastigheten er lav, vil ballen falle - langs en bratt parabel - til bakken nær tårnet. Og hvis hastigheten er veldig høy, vil parablen bli veldig flat, og ballen vil fly veldig langt fra jorden.
Spørsmålet er, med hvilken hastighet skal ballen kastes slik at den faller fritt, forblir i samme høyde fra jordoverflaten, som går avrundet "nedover"?
Selv et skolebarn kan nå svare på dette spørsmålet ved å tegne det indikerte diagrammet, bruke Pythagoras teoremet og ta i betraktning at jordens radius R
Galileo Galilei (1564-1642) bekreftet i praksis riktigheten av ideene til Nicolaus Copernicus og Giordano Bruno:
- - oppfant teleskopet;
- - utforsket himmellegemer ved hjelp av et teleskop;
- - bevist at himmellegemer beveger seg ikke bare langs en bane, men også samtidig rundt deres akse;
- - oppdagede flekker på solen og et variert landskap (fjell og ørkener - "hav") på månen;
- - oppdaget satellitter rundt andre planeter;
- - studerte dynamikken til fallende kropper;
- - beviste mangfoldet av verdener i universet.
Galileo la frem en metode for vitenskapelig forskning, som besto av:
- - observasjon;
- - sette frem en hypotese;
- - beregninger av implementeringen av hypotesen i praksis;
- - eksperimentell (eksperimentell) testing i praksis av den fremsatte hypotesen.
Og han ble etterfølgeren til arbeidet til Copernicus og Bruno. Han er mest kjent som grunnleggeren av moderne fysikk.
Han var den første av forskerne som gjorde hovedmetoden for vitenskapelig forskning ikke resonnement eller observasjon, men eksperimenter. Han fikk bred, til og med skandaløs berømmelse på den tiden ved å kaste baller i forskjellige størrelser fra toppen av det "fallende" skjeve tårnet i Pisa. Tidligere trodde alle Aristoteles at en tyngre ball ville falle raskere enn en lettere, og ingen tenkte å teste dette i praksis. Galileo var den første som sjekket. Og det viste seg at, i motsetning til Aristoteles, falt begge ballene samtidig. Galileo forklarer: det er erfaringsmessig kjente tilfeller når for eksempel en fjær faller i luften mye langsommere enn en stein faller - dette skyldes motstand i luften. I et vakuum (slike eksperimenter ble senere utført) faller både en stein og en fjær likt.
Ved å måle tidspunktet for å falle fra forskjellige høyder, kommer Galileo til den konklusjon at kulene ikke faller med konstant hastighet, men med akselerasjon. Ved å utføre eksperimenter med bevegelige kropper ser Galileo at det er en forskjell mellom bevegelse under påvirkning av kraft og bevegelse under påvirkning av treghet. Som et resultat av kraftpåvirkning beveger kroppen seg med akselerasjon, endrer hastighet eller bevegelsesretning. Hvis kraften ikke virker, forblir kroppen enten ubevegelig (hvis den var ubevegelig) eller fortsetter å bevege seg under påvirkning av treghet (hvis den tidligere var i bevegelse).
Herfra trekker Galileo en konklusjon, som er allment kjent i dag, men som virket merkelig i de dager - at det ikke er noen grunnleggende forskjell mellom hviletilstanden og tilstanden med jevn rettlinjet bevegelse. Og denne konklusjonen ble det første argumentet til fordel for den kopernikanske teorien. Tidligere sa kritikere av Copernicus at hvis jorden beveget seg, ville vi føle det, jorden ville bevege seg bort fra under føttene våre. Galileo beviste at det ikke fantes noe slikt. Selv om Jorden beveger seg i en sirkulær bane, er radiusen til denne banen så stor at i våre vanlige lengdeskalaer er denne bevegelsen nesten rettlinjet og derfor ikke følt.
Det andre ugjendrivelige beviset på at Galileo hadde rett var teleskopet. På den tiden hadde de "forstørrende" og "minske" egenskapene til konvekse og konkave glass allerede blitt oppdaget. Det var nettopp i disse årene at forskjellige mennesker uavhengig oppdaget at fra en kombinasjon av konvekst og konkavt glass var det mulig å sette sammen et teleskop som brakte fjerne objekter nærmere. I 1610 var Galileo den første som rettet teleskopet han laget mot himmelen. Dette var det første teleskopet. Umiddelbart gjorde Galileo mange oppdagelser utrolige for den tiden. Månen viste seg å være dekket av fjell - derfor er det ingen forskjell mellom det jordiske og det himmelske, og på andre himmellegemer er relieffet ikke fundamentalt forskjellig fra det jordiske.
Jupiter viste seg å ha 4 satellitter - noe som betyr at månen som roterer rundt jorden ikke er noe unntak i planetenes verden, og derfor er jorden den samme planeten som alle de andre. Når Venus ble observert gjennom et teleskop, viste det seg å være en halvmåne, lik månen, og fasene endret seg hele tiden - dette kunne bare skje hvis både Jorden og Venus kretser rundt Solen. Selv solen hadde flekker - følgelig er den ikke noe guddommelig, men et vanlig himmellegeme. Melkeveien viste seg å bestå av mange stjerner - det viste seg at universets grenser er mye bredere enn tidligere antatt.
Galileo er full av lyse forhåpninger når han tar sin "Dialog om verdens to hovedsystemer" til Roma. Enhver tilregnelig person vil se det fullstendige sammenbruddet av det ptolemaiske systemet og vil forstå den store logikken til Copernicus. Riccardi, hovmesteren for det hellige palasset, støtter manuskriptet for trykking, men plutselig, skremt av noe, tar han tilbake tillatelsen og anbefaler en annen sensur, allerede i Firenze. Der, i 1632, ga 68 år gamle Galileo ut hovedboken i sitt liv.
Vatikanet ble rasende. Galileo ble prøvd, rettssaken varte i mer enn to måneder. "Ydmykelsen av den store mannen var dyp og fullstendig," skrev en av Galileos franske biografer. "I denne ydmykelsen ble han brakt til å gi avkall på en vitenskapsmanns mest brennende overbevisning og til pine av en mann overvunnet av lidelse og frykt for ilden ..."
Den 22. juni 1633, i kirken i klosteret St. Minerva, i nærvær av alle domstolens prelater og kardinaler, adlød dommen, knelte, og leste abdikasjonen. De hevder at da Galileo reiste seg fra knærne, ropte han: «Men fortsatt snurrer hun!» Men dette var neppe tilfelle. Inkvisisjonen ville aldri tilgi ham for en rent formell abdikasjon. Det som ble forventet av ham var omvendelse og ydmykhet; det som krevdes var ikke å bøye seg, men å bryte tankene hans...
Galileo ble født i den italienske byen Pisa i 1564, noe som betyr at Brunos dødsår var 36 år gammel og i full blomst av styrke og helse.
Den unge Galileo oppdaget ekstraordinære matematiske evner; han slukte verk om matematikk som underholdende romaner.
Galileo jobbet ved universitetet i Pisa i omtrent fire år, og i 1592 flyttet han til stillingen som professor i matematikk ved universitetet i Padua, hvor han ble værende til 1610.
Det er umulig å formidle alle Galileos vitenskapelige prestasjoner; han var en usedvanlig allsidig person. Han kunne musikk og maleri godt, gjorde mye for utviklingen av matematikk, astronomi, mekanikk, fysikk...
Galileos prestasjoner innen astronomi er fantastiske.
...Det hele startet med et teleskop. I 1609 hørte Galileo at et eller annet sted i Holland hadde dukket opp en vidstrakt enhet (dette er hvordan ordet "teleskop" er oversatt fra gresk). Ingen i Italia visste hvordan det fungerte; det var bare kjent at grunnlaget var en kombinasjon av optiske briller.
Dette var nok for Galileo med hans fantastiske oppfinnsomhet. Flere uker med tanke og eksperimentering, og han satte sammen sitt første teleskop, som besto av et forstørrelsesglass og bikonkavt glass (nå bygges kikkerter etter dette prinsippet). Først forstørret enheten objekter bare 5-7 ganger, og deretter 30 ganger, og dette var allerede mye for de gangene.
Galileos største prestasjon er at han var den første som rettet et teleskop mot himmelen. Hva så han der?
Sjelden har en person gleden av å oppdage en ny, ukjent verden. Mer enn hundre år tidligere opplevde Columbus en slik lykke da han første gang så kysten av den nye verden. Galileo kalles himmelens Columbus. Universets ekstraordinære vidder, ikke bare én ny verden, men utallige nye verdener, åpnet seg for blikket til den italienske astronomen.
De første månedene etter oppfinnelsen av teleskopet var selvfølgelig de lykkeligste i Galileos liv, så lykkelig som en vitenskapsmann kunne ønske seg. Hver dag, hver uke brakte noe nytt... Alle tidligere ideer om universet kollapset, alle bibelske historier om verdens skapelse ble til eventyr.
Så Galileo retter teleskopet sitt mot månen og ser ikke et eterisk legeme av lysgasser, slik filosofer forestilte seg det, men en planet som ligner på jorden, med store sletter, med fjell, hvis høyde forskeren vittig bestemmes av lengden på skyggen de kaster.
Men foran ham står den majestetiske kongen av planetene - Jupiter. Så hva skjer? Jupiter er omgitt av fire satellitter som går i bane rundt den, og gjengir en mindre versjon av solsystemet.
Pipen er rettet mot solen (selvfølgelig gjennom røkt glass). Den guddommelige sol, det reneste eksemplet på perfeksjon, er dekket med flekker, og deres bevegelse viser at solen roterer rundt sin akse, som vår jord. Gjetningen fra Giordano Bruno ble bekreftet, og hvor raskt!
Teleskopet er vendt mot den mystiske Melkeveien, denne tåkete stripen som krysser himmelen, og den brytes opp i utallige stjerner, hittil utilgjengelige for det menneskelige øyet! Er det ikke dette den modige seeren Roger Bacon snakket om for tre og et halvt århundre siden? Alt har sin tid i vitenskapen, du trenger bare å kunne vente og kjempe.
Det er vanskelig for oss, samtidige til kosmonautene, å forestille oss hvilken revolusjon Galileos oppdagelser gjorde i folks verdenssyn. Det kopernikanske systemet er majestetisk, men lite forstått av den vanlige mannens sinn; det trengte bevis. Nå har bevisene dukket opp, det ble gitt av Galileo i en bok med den fantastiske tittelen "The Starry Messenger". Nå kunne alle som tvilte se på himmelen gjennom et teleskop og bli overbevist om gyldigheten av Galileos uttalelser.
Den fremragende italienske fysikeren og astronomen Galileo Galilei ble født 15. februar 1564 i byen Pisa (nordvest-Italia). I familien hans, hvis overhode var en fattig adelsmann, i tillegg til Galileo selv, var det fem barn til. Da gutten var 8 år gammel, flyttet familien til Firenze, hvor unge Galileo gikk på skole ved et av de lokale klostrene. På den tiden var han mest interessert i kunst, men han gjorde det også bra innen naturvitenskap. Derfor, etter endt utdanning, var det ikke vanskelig for ham å gå inn på universitetet i Pisa, hvor han begynte å studere medisin. Men samtidig ble han også tiltrukket av geometri, et forelesningskurs som han deltok på på eget initiativ.
Galileo studerte ved universitetet i tre år, men han klarte ikke å ta eksamen fordi familiens økonomiske situasjon forverret seg. Så måtte han reise hjem og prøve å finne en jobb. Heldigvis, takket være sine evner, klarte han å oppnå beskyttelse av hertug Ferdinand I de' Medici, som gikk med på å betale for fortsettelsen av studiene. Etter dette, i 1589, returnerte Galileo til universitetet i Pisa, hvor han snart ble professor i matematikk. Dette ga ham muligheten til å undervise og samtidig drive uavhengig forskning. Et år senere ble forskerens første arbeid med mekanikk publisert. Den ble kalt "On Movement".
Det var her den mest fruktbare perioden av den store vitenskapsmannens liv gikk. Og takket være ham brakte 1609 en reell revolusjon innen astronomi. I juli skjedde en hendelse som ville gå ned i historien for alltid - de første observasjonene av himmelobjekter ble gjort ved hjelp av et nytt instrument - et optisk teleskop. Det første røret, laget av Galileo selv, ga en økning på bare tre ganger. Noe senere dukket det opp en forbedret versjon, som forbedret menneskelig syn med 33 ganger. Oppdagelsene gjort med dens hjelp sjokkerte den vitenskapelige verden. Allerede det første året ble fire satellitter av Jupiter oppdaget, og det ble oppdaget at det var mange flere stjerner på himmelen enn det som var synlig for det blotte øye. Galileo gjorde observasjoner av månen og oppdaget fjell og lavland på den. Alt dette var nok til å bli berømt i hele Europa.
Etter å ha flyttet til Firenze i 1610, fortsatte forskeren sin forskning. Her oppdaget de flekker på solen, dens rotasjon rundt aksen, samt fasene til planeten Venus. Alt dette brakte ham berømmelse og gunst fra mange høytstående personer i Italia og utover.
Men på grunn av sitt åpne forsvar av Copernicus lære, som ble klassifisert som kjetterier av den katolske kirke, hadde han alvorlige problemer i forholdet til Roma. Og etter utgivelsen i 1632 av et stort verk med tittelen "Dialog om de to viktigste systemene i verden - Ptolemaic og Copernican," ble han åpent anklaget for å støtte kjetteri og ble innkalt til rettssak for rettssak. Som et resultat ble Galileo tvunget til offentlig å gi avkall på støtten til et heliosentrisk verdenssystem. Uttrykket som ble tilskrevet ham: "Men fortsatt snurrer det!" har ingen dokumentasjon...