Кудрявцев Павел Степанович Курс истории физики
 Скачать 7.55 Mb.
|
ГалилейСледующий решающий шаг в борьбе за систему Коперника и новое мировоззрение был сделан Галилеем Бруно рассматривал и развивал учение Коперника с философских позиций, Кеплер привел систему Коперника в соответствие с последними данными астрономии, Галилей же обосновал систему Коперника физически, и его борьба за нее слилась с выработкой основ новой физики, пришедшей на смену аристотелевской. Существенно, что непригодность аристотелевской физики была осознана еще до Коперника. Великий художник эпохи Возрождения Леонардо да Винчи уже ясно понимал, что наука должна строиться на опыте и на математическом расчете, и сам проводил эксперименты, приходя к результатам, предваряющим последующие выводы Галилея. Леонардо да Винчи пошел также против учения о противоположности земного и небесного. Земля – такое же небесное тело, как и Луна, и держится свободно в пространстве, окруженная своими элементами, как и Луна Но Леонардо не публиковал своих размышлений, они остались в его записных книжках, записанные к тому же в зеркальном изображении. Поэтому современники и потомки не могли воспользоваться его результатами. Галилео Галилей родился 15 февраля 1564 г. в семье небогатого пизан-ского  дворянина. Пиза и Флоренция – города Тосканы, находившиеся в то время под властью богатой фамилии Медичи. Галилей учился в Пизанском университете. Сначала он изучал медицину, однако впоследствии оставил медицинский факультет и стал изучать математику и философию. Одаренный юноша обратил на себя внимание. Уже в двадцатидвухлетнем возрасте он издает небольшое сочинение о сконструированных им гидростатических весах. В 1589 г. его назначают профессором Пизан-ского университета, где он читает лекции по математике и философии. Хотя в эти годы он открыто не выступает против перипатетиков, представители схоластики относятся к нему недоброжелательно. Это обстоятельство, равно как и недостаточность получаемого им содержания, вынуждает Галилея принять предложение правительства Венецианской республики занять место профессора университета в Падуе.В Падуе Галилей провел 18 лет, с 1592 по 1610 г., сделав здесь ряд важнейших открытий, принесших ему мировую славу. Именно здесь он начал борьбу за систему Коперника, в справедливость которой уверовал, вероятно, еще в Пизе, но защиту которой считал очень трудным делом. В 1597 г. он писал: «К мнению Коперника я пришел много лет назад и, исходя из него, нашел причины многих явлений природы, далеко не объяснимых с помощью обычных гипотез. Написал многие соображения и опровержения противных аргументов, которые, впрочем, опубликовать не решился, устрашенный судьбой учителя нашего Коперника. У немногих стяжал он бессмертную славу и бесчисленным множеством – ибо таково число глупцов – осмеян и освистан». Понимая трудность борьбы, Галилей накапливал материал для предстоящей схватки. Он размышлял над вопросами механики и астрономии, обсуждал научные проблемы со своими друзьями, дожидаясь подходящего момента для начала открытой борьбы. Такой момент представился к концу пребывания Галилея в Падуе. В 1608 г. в Голландии была изобретена зрительная труба. Когда весть об этом дошла до Галилея, он немедленно начал размышлять над возможной конструкцией трубы и в течение года создал трубу, представляющую комбинацию выпуклой и вогнутой линз. Венецианский сенат высоко оценил изобретение Галилея, его земная польза была очевидной. Но Галилей был первым ученым, использовавшим трубу в научных целях. Усовершенствовав трубу, он направил ее на небо и сразу обнаружил несоответствие наблюдаемой картины схеме Аристотеля. Поверхность луны была неровной. Млечный Путь оказался состоящим из множества до того неизвестных звезд. В начале января 1610 г. Галилей открывает спутники Юпитера – наглядную модель системы Коперника, демонстрирующую, как планета со своими лунами движется вокруг Солнца. Волнующий рассказ о своих открытиях Галилей назвал «Звездный вестник». Он посвятил его, по тогдашнему обычаю, великому герцогу Тосканскому Козимо II Медичи, подготовляя тем самым путь для возвращения в Тоскану. Галилей считал, что Флоренция, где он будет находиться под покровительством великого герцога, будет более подходящим местом для работы и борьбы, чем Венеция, выдавшая инквизиции Бруно, и он принял приглашение герцога переехать во Флоренцию. С 1610 г. начинается новый, напряженный и драматический период в жизни Галилея. Борьба, как он и предполагал, оказалась тяжелой. Сторонники старого не только не сдавались перед лицом новых фактов, но и перешли в открытое наступление. Учения Коперника и Галилея громили в церковных проповедях, объявили несовместимыми со священным писанием. Галилей в письме от 14 декабря 1613 г. своему ученику Кастелли резко возражал против привлечения священного писания к научным спорам. Он писал: «...Разумно, полагаю, было бы, если бы никто не дозволял себе прибегать к местам писания и некоторым образом насиловать их с целью подтвердить то или иное научное заключение, которое позже вследствие наблюдения и бесспорных аргументов придется, быть может, изменить в противоположное. И кто возьмет на себя поставить предел человеческому духу? Кто решится утверждать, что мы знаем все, что может быть познано в мире?». Это изумительное высказывание Галилея отражает главный дух науки, несовместимый с любой догмой: неустанный поиск, неустанное движение познания. Вполне понятно, что письмо Галилея Кастелли произвело огромное впечатление. Его переписывали и изучали сторонники нового, его изучали и враги. С 1615 г. оно с подчеркнутыми криминальными, по мнению церковников, местами и с доносом на Галилея было направлено в Рим, в инквизицию. Теперь высшему церковному судилищу надлежало высказать свое отношение к системе мира, которая по иронии судьбы была открыта католическим священником. Надо было четко ответить на основной вопрос: совместима ли система мира Коперника с учением церкви или является ересью? В конце 1615 г. Галилей, услыхав, что в Риме «хотят прийти к некоторому решению» относительно системы Коперника, едет в Рим, чтобы защитить новое учение и, как он хорошо понимал, самого себя от обвинения в ереси. По сохранившимся свидетельствам современников, Галилей защищался с блеском. Так, в одном из писем того времени мы читаем: «Вы испытали бы большое удовольствие, если бы слышали Галилея рассуждающим в кружке 15–20 человек, наседающих на него то в одном, то в другом доме. Он так уверен в своем деле, что всех их высмеивает. И если он не убедит в справедливости своего мнения, то, во всяком случае, докажет ничтожность аргументов, какими противники хотят повергнуть его на землю».  Рис.5.Титульныйлист'Заветноговестника'Галилея Но блестящие аргументы производили на церковников противоположное действие, они все больше убеждались в опасности для церковного мировоззрения системы Коперника. 5 марта 1616 г. декретом учрежденной при инквизиции конгрегации книга Коперника была запрещена, а учение о движении Земли было признано противным священному писанию. 6 марта 1616 г. посланник герцога Тосканского доносил герцогу: «Вчера была созвана конгрегация, чтобы объявить мнение Коперника ложным и еретичным. Коперник и другие авторы, о том писавшие, будут или подвергнуты исправлению или запрещены. Лично Галилей, полагаю, не пострадает, если будет достаточно благоразумен, чтобы хотеть и мыслить гак, как святая церковь хочет и мыслит. Но он слишком горячится, безмерно страстен и слишком мало имеет благоразумия, чтобы побороть себя». Постановление конгрегации, понятно, не убедило Галилея, и он оставался приверженцем системы Коперника, хотя, конечно, уже не мог ее проповедовать открыто. Но, поскольку формально Галилею не запрещалось критиковать Птолемея и Аристотеля, он продолжал разрушительную критику схоластической науки, одновременно закладывая основы новой науки. Еще будучи в Пизе, Галилей путем эксперимента опроверг учение перипатетической физики о пропорциональности скорости падения тела силе тяжести. Сброшенные со знаменитой наклонной башни шары, чугунный и деревянный, одинакового размера упали почти одновременно, и Галилей с полным основанием приписал различие в скорости сопротивлению воздуха. Опыт Галилея имел огромное методологическое значение. Эксперименты с падением тел проводил и Леонардо да Винчи. Но только Галилей ясно указал, что для получения научных выводов из опыта необходимо устранить побочные обстоятельства, мешающие получить ответ на заданный природе вопрос. Надо уметь видеть в опыте главное и отвлечься от несущественных для данного явления фактов. Поэтому Галилей, в отличие от Леонардо, брал тела одинаковой формы и одинакового размера, чтобы сосредоточить внимание на главном – зависимости скорости падения от силы тяжести, и добился успеха. Он отвлекся от бесчисленного множества других обстоятельств: состояния погоды, состояния самого  экспериментатора, температуры, химического состава бросаемых тел и т. д. Чтобы эксперимент имел научное значение, он должен быть поставлен так, как первый опыт Галилея. Таким образом, простой опыт Галилея по существу явился подлинным началом экспериментальной науки. Галилей повторял и варьировал его неоднократно. Он изучал падение тел в лабораторных условиях, на наклонной плоскости, на маятнике, искал точное количественное соотношение между скоростью и временем падения, пройденным путем и временем падения и т. д. Результаты этих опытов и их теоретический анализ послужили основой механики, обессмертив имя Галилея как зачинателя нового естествознания. Работы Галилея по механике, астрономии, сопротивлению материалов, акустике, оптике связаны в единое целое, подчинены общей цели–утверждению новой науки и нового мировоззрения.Рис.6.Титульныйлист'Диалога' Спустя 14 лет после запрещения учения Коперника Галилей закончил рукопись своего главного сочинения «Диалог о двух системах мира – Птолемеевой и Коперниковой» и повез ее в Рим, чтобы получить разрешение на публикацию. В Риме в это время папский престол занял Урбан VIII, который в бытность свою кардиналом хорошо относился к Галилею и даже посвятил ему латинские стихи. Галилей рассчитывал на «смягчение климата». Действительно, главный цензор не возражал против печатания книги, но предложил снабдить ее предисловием, в котором отмечалось бы, что теория Коперника является только гипотезой (такое предисловие к книге Коперника было, как мы знаем, написано Осиандером). Галилей написал такое предисловие. В нем он указал и на «спасительный декрет», осуждавший систему Коперника, и на то, что в книге учение Коперника обсуждается как гипотеза. При этом Галилей подчеркнул, что гипотеза Коперника стоит выше, «если и не системы неподвижности Земли, то по крайней мере тех возражений, какие делаются церковными перипатетиками». В 1632 г. сочинение Галилея вышло из печати во Флоренции. Остро полемичная книга написана в форме диалога, который ведут венецианцы Сагредо и Симпличио и флорентиец Сальвиати. Сальвиати и Сагредо – имена двух друзей Галилея. Это персонажи диалога, из которых первый выражает взгляды самого Галилея, а второй им сочувствует. Симпличио (по-итальянски означает «простак») защищает взгляды перипатетиков, непрерывно апеллируя к авторитету Аристотеля и Птолемея. Враги Галилея распустили слух, что под маской Симпличио выведен сам папа. Это, понятно, не способствовало радушному отношению к книге со стороны последнего. Но независимо от этого содержание книги не оставляло ни малейшего сомнения, на чьей стороне автор, а блестящая аргументация произвела огромное впечатление не только в Италии, но и за границей. Книга вызвала шум, сделалась подлинной сенсацией. Система Коперника в этой книге получила всестороннее – физическое, астрономическое и философское – обоснование, а концепции схоластиков был нанесен сокрушительный удар, от которого они уже не могли оправиться. В течение первого дня дискуссия касается общих философских вопросов, рассматривается учение перипатетиков о противоположности земного и небесного, о достоверности познания и его источнике, о трехмерности мира и т. д. Беседа этого дня заканчивается гимном человеческому разуму и прославлением письменности. Беседа второго дня занимает центральное место в книге. В ней разбираются аргументы против учения о движении Земли, которое якобы должно отразиться на наблюдаемых нами явлениях, например: брошенный с башни камень должен упасть не к подножию башни, а в сторону, противоположную движению Земли, облака и птицы должны отставать от движущейся Земли и т. д. Для опровержения этих аргументов и потребовалась новая механика. Механика Аристотеля различала три вида движений: естественные, насильственные и круговые. Естественным было движение к центру мира, к центру Земли. Круговые движения были присущи небесным телам и, являясь идеальной формой движения, соответствовали идеальному, вечному миру. Все прочие движения, в том числе и равномерное прямолинейное, были насильственными и требовали силы. Как только сила переставала действовать, движение прекращалось. Опыт перемещения тел с небольшими скоростями, казалось, подтверждал эту механику. Так, книга, лежащая на столе, не сдвинется с места, если ее не подтолкнуть пальцем, по прекращении действия пальца движение книги прекращается. Казалось, что полет стрелы не соответствует аристотелевской механике, но и здесь был найден выход. Стрела со свистом разрезает воздух, освобождая перед собой пространство, в которое устремляются образовавшиеся сзади стрелы массы воздуха, своим давлением продолжающие насильственно гнать стрелу. Когда давление прекращается, стрела падает. Таким объяснением удовлетворялись в течение многих веков, пока не появилось огнестрельное оружие. Изучение полета пуль и снарядов показывало, что ответ Аристотеля неудовлетворителен и дело обстоит гораздо сложнее. Так, известный математик XVI столетия Николо Тарталья (1500 – 1557) установил, что траектория полета снаряда не имеет изломов, как это должно быть по теории перипатетиков, а является целиком криволинейной. Он нашел также, что наибольшая дальность полета будет при стрельбе под углом 45° к горизонту. Правда, Тарталья еще не мог отрешиться от перипатетических представлений и считал, что установленные им факты объясняются смешением естественного и насильственного движений. Это, вообще говоря, правильно, поскольку полет снаряда обусловлен инерционным движением («естественным», по современным представлениям) и движением по вертикали («насильственным», по современным представлениям, и «естественным», по Аристотелю). Наибольшая дальность полета, если не принимать в расчет сопротивление воздуха, достигается, действительно, при угле возвышения в 45°. Другой итальянец – Бенедетти (1530–1590) – пошел дальше, введя представление об «импето» («впечатлении»), сохраняющемся в теле, которому сообщена скорость. Тело продолжает движение с сообщенной ему скоростью. Поэтому камень, выпущенный пращой, продолжает движение по прямой линии. Таким образом, практика уже подводила ученых к представлению об инерции, и Галилей в «Диалоге» делает новый шаг в выработке этой важнейшей идеи механики. Разбирая движение тела по наклонной плоскости в духе Галилеевского метода, отвлекаясь от трения (плоскость и шар абсолютно твѐрдые и гладкие), Сальвиати подводит своих собеседников к выводу, что шар, скатывающийся по плоскости ускоренно, будет подниматься по плоскости замедленно, если ему сообщить начальною скорость. «Теперь скажите, – продолжает обсуждение Сальвиати, – что будет с тем же телом на плоскости, которая ни вниз не опускается, ни вверх не поднимается?» Из ответов собеседников выясняется, что тело будет равномерно двигаться столько времени, «сколько хватит» такой плоскости. «Если, – подытоживает Сальвиати, – длина ее будет бесконечна, то и движение будет продолжаться вечно». Современный учитель физики так же подводит учащихся к понятию инерции, заставляя двигаться шар по гладкой горизонтальной поверхности, не задумываясь над тем, что шар находится в поле тяготения и взаимодействует со столом, а «не предоставлен самому себе», как этого требует закон инерции, физику мы учим в тех же естественных условиях, в каких ее создавал Галилей. Галилей не нашел полной и точной формулировки закона инерции, он не смог оторваться от своей плоскости, не имеющей «ни спуска, ни подъема», и, отождествив эту плоскость с поверхностью шара, считал, что движение по такой идеальной сферической поверхности может продолжаться вечно. Однако важно другое, что в путанице земных движений Галилей выявил свойство тел сохранять свою скорость. Ядро, выпущенное из пушки, продолжает лететь с сообщенной ему скоростью, одновременно падая с ускорением на Землю. Галилей совершенно правильно применил закон инерции в конкретных примерах и, что особенно важно, привлек этот закон к обоснованию системы Коперника. Шар, сброшенный с башни, продолжает двигаться вместе с башней и поэтому упадет к ее подножию. Птицы и облака продолжают двигаться вместе с Землей, как и атмосфера. Поэтому мы и не замечаем движения Земли, и все явления происходят на ней так, как если бы она была неподвижна. Галилей весьма наглядно формулирует это картиной явлений в трюме корабля. Все движения в этом помещении: падение капель из ведра, подвешенного к потолку, в сосуд с узким горлышком, поставленный на полу, полет мух и бабочек, находящихся в трюме, плавание рыбок в аквариуме, бросание мяча наблюдателем своему приятелю – тщательно фиксируется наблюдателем «Наблюдайте хорошенько за всем этим, – говорит Сальвиати, – и заставьте привести в движение корабль с какой угодно быстротой. Если движение будет равномерно, то вы не заметите ни малейшей перемены во всех указанных действиях и ни по одному из них не в состоянии будете судить, движется ли корабль или стоит на месте». В этом высказывании Сальвиати содержится важнейший физический принцип – принцип относительности Галилея: никаким механическим опытом нельзя установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно, движения в обеих системах протекают совершенно одинаково. Эйнштейн, развивший спустя 300 лет после Галилея теорию относительности, назвал систему отсчета, центр которой находится в центре солнечной системы, а оси направлены к неподвижным звездам, галилеевой. Эйнштейн утверждал, что все системы отсчета, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно галилеевой, равноправны, а постоянная скорость системы отсчета не оказывает никакого влияния на ход механических процессов. Установление принципа относительности сняло главные возражения противников Коперника. В беседе третьего дня приводятся астрономические открытия, говорящие в пользу Коперника и против Аристотеля: вид Луны в телескоп, солнечные пятна, фазы Венеры, спутники Юпитера. Все это в разное время было открыто самим Галилеем. Эти факты свидетельствуют в пользу теории Коперника, и Сагредо в «Диалоге» совершенно правильно восклицает: «О Николай Коперник. Как обрадовался бы ты, видя, как подтверждена этими фактами твоя истина!» Однако Галилею эти доказательства еще казались недостаточными, и он в беседе четвертого дня излагал свою теорию приливов и отливов. Эта теория основана на проявлении инерции. Галилей в пояснение ее приводит пример с баржей, везущей воду: при торможении баржи вода устремляется к носу, при ускорении – отступает к корме. Явление описано Галилеем совершенно правильно и свидетельствует о его наблюдательности. Правильна также мысль, что суточное вращение Земли должно найти свое отражение в явлениях на земной поверхности (эти явления были впоследствии открыты). Но сама теория приливов и отливов в том виде, в каком ее дал Галилей, неверна. Он считал причиной приливов и отливов изменение скорости воды, которая составляется из скорости вращения Земли и скорости ее орбитального движения. Несмотря на неправильность своей теории, которая противоречит установленному им принципу относительности, Галилей считал ее важнейшим аргументом в защиту системы Коперника. Богатое содержание «Диалога» далеко не исчерпывается изложенными здесь примерами. Эта живая полнокровная книга хорошо отражает дух самого Галилея С какой язвительностью он говорит о своих противниках и их аргументах, «которые я стыжусь повторять..., чтобы не налагать пятна на род человеческий». С гневом и страстью он бичует слепое преклонение перед Аристотелем! Он говорит, что Аристотеля надо изучать (кстати сказать, в «Диалоге» очень сильны следы аристотелевской физики), но вместе с тем не одобряет, когда каждое слово Аристотеля принимают на веру. Это злоупотребление ведет за собой вредное последствие: «не заботятся убедиться в силе доказательств». «Разве недостойно осмеяния,– продолжает Сальвиати, – когда на диспуте о каком-нибудь предмете, подлежащем доказательству, вдруг кто-нибудь приведет цитату, часто относящуюся совсем к другому предмету, и ею затыкают рот противнику. Если вы хотите так продолжать в деле науки, то не называйтесь философами, зовитесь историками, докторами зубрения. Кто никогда не философствует, не имеет право на почетный титул философа». Совершенно очевидно, что «доктора зубрения» не остались в долгу и начали травлю Галилея. Вскоре после выхода книги Галилей пишет: «Из верного источника слышу, что отцы-иезуиты наговорили решающей особе, что моя книга ужаснее и для церкви пагубнее писания Лютера и Кальвина». Против Галилея по приказанию папы возбуждается дело, и Галилея вызывают в Рим. Больной старик просит отсрочки, инквизация повторяет вызов с угрозой, что в случае нового отказа Галилей будет доставлен в цепях под конвоем. В феврале 1633 г. Галилея на носилках доставляют в Рим. Процесс Галилея продолжается с 12 апреля 1633 г, когда его подвергли первому допросу, до 21 июня 1633 г., когда был вынесен приговор. На следующий день 22 июня состоялось отречение Галилея по тексту, заготовленному инквизицией. Не все еще до конца ясно в процессе Галилея. Неизвестно точно, подвергался ли Галилей пыткам, хотя в тексте приговора недвусмысленно сказано, что Галилей подвергался «строгому испытанию», на котором «отвечал католически». Прошло 350 лет со дня осуждения Галилея, а документы процесса полностью не опубликованы. Но из опубликованных документов видно, что Галилей стойко держался принятой им линии защиты: он не нарушал письменного распоряжения Беллармина и систему Коперника обсуждал в «Диалоге» как одну из научных гипотез. Поэтому инквизиция вынуждена была признать Галилея не еретиком (что автоматически вело за собой сожжение на костре), а лишь «сильно заподозренным в ереси».( Только в 1981 г., т. е.через 339 лет после смерти великого ученого, католическая церковь вынуждена былареабилитироватьего.) Нередко приходится слышать и читать осуждение отречения Галилея и обвинение его в трусости, в измене долгу ученого. Но любители мученических жертв забывают, что Галилей своим хотя и унизительным, но формальным отречением спас для науки, для человечества свое великое произведение «Беседы о двух новых науках». Чтобы оценить значение этого произведения, достаточно сказать, что оно открыло дорогу «Началам» Ньютона и заложило основы науки о сопротивлении материалов. Что же касается научных убеждений Галилея, то они остались неизменными. Об этом свидетельствует и посвящение к «Беседам», и сами «Беседы», и сохранившиеся записи Галилея. Известная легенда о словах Галилея: «А все-таки она вертится!» – неверная фактически, верна по существу.( Подробнеео процессе и отречении Галилея смотрите в кн.: Кудрявцев П. С. История физики. – М.:Учпедгиз,1956. – Т. 1.) После отречения Галилей жил вблизи Флоренции в Арчетри под надзором инквизиции. Силы его ослабли, он ослеп. Тем не менее он продолжал работать. В 1638 г., т. е. через пять лет после процесса, вышло его главное произведение–«Беседы о двух новых науках». Семена, посеянные великим ученым, начали давать всходы еще при его жизни. Ученики Галилея Тор-ричелли и Вивиани, которым принадлежит честь открытия атмосферного давления, стояли у гроба Галилея, скончавшегося 8 января 1642 г., как бы символизируя несокрушимую силу науки. Глава четвѐртая. Возникновение экспериментального иматематическогометодов |