Галілео Галілей відноситься до числа людей, що прославилися зовсім не тим, за що їм слід було б користуватися заслуженою славою. Всі пам'ятають, як цього італійського натураліста в кінці життя піддали суду інквізиції за підозрою в єресі і змусили відректися від переконання, що Земля обертається навколо Сонця. Насправді ж, цей судовий процес на розвиток науки практично не вплинув - на відміну від раніше виконаних Галілеєм дослідів і зроблених ним на підставі цих дослідів висновків, які фактично визначили подальший розвиток механіки як розділу фізичної науки.
Рух фізичних тіл вивчалося з незапам'ятних часів, і основи кінематики були закладені задовго до народження Галілея. Елементарні завдання опису руху сьогодні вивчають уже в початковій школі. Наприклад, всі знають, що якщо автомобіль рівномірно рухається зі швидкістю 20 км / год, то за 1 годину він проїде 20 км, за 2 години - 40 км, за 3 години - 60 км і т. Д. І до тих пір, поки машина рухається з постійною швидкістю (стрілка спідометра не відхиляється від заданого розподілу на його шкалі), розрахувати пройдене відстань не є проблемою - досить помножити швидкість машини на час, який вона знаходиться в дорозі. Цей факт відомий настільки давно, що ім'я його першовідкривача наглухо загубилося в тумані античних часів.
Складнощі виникають, як тільки об'єкт починає рухатися зі змінною швидкістю. Рушаєте ви, наприклад, від світлофора - і стрілка спідометра повзе від нуля вгору, поки ви не відпустите педаль газу і не натиснете педаль гальма. Насправді стрілка спідометра на місці практично не варто - вона весь час рухається вгору або вниз. На початку кожної окремо взятої секунди реальна швидкість машини одна, а в кінці секунди - вже інша, і пройдений нею за секунду шлях точно розрахувати не так-то просто. Ця проблема - опис руху з прискоренням - хвилювала дослідників природи задовго до Галілея.
Сам же Галілео Галілей підійшов до неї новаторському і, фактично, поставив напрямок всього подальшого розвитку сучасної методології природознавства. Замість того щоб сидіти і умоглядно вирішувати питання про рух прискорюються тел, він придумав геніальні по своїй простоті досліди, що дозволяють експериментально простежити, що в дійсності відбувається з ускоряющимися тілами. Нам може здатися, що нічого особливо новаторського в такому підході немає, проте до Галілея основним методом вирішення проблем «натурфілософії» - про що говорить сама назва тодішньої природничої науки - було умоглядне осмислення того, що відбувається, а не його експериментальна перевірка. Сама ідея проведення фізичних експериментів була в той час по-справжньому радикальної. Щоб зрозуміти ідею дослідів Галілея, уявіть собі тіло, падаюче під впливом сили земного тяжіння. Випустіть який-небудь предмет з рук - і він впаде на підлогу; при цьому в першу мить швидкість його руху буде дорівнює нулю, але він тут же почне прискорюватися - і буде продовжувати прискорюватися, поки не впаде на землю. Якщо ми зможемо описати падіння предмета на землю, ми потім зможемо поширити цей опис і на загальний випадок рівноприскореного руху.
Сьогодні виміряти динаміку падіння предмета не складно - можна з великою точністю зафіксувати час від початку падіння до будь-якої проміжної точки. Однак за часів Галілея точних хронометрів не було, та й будь-які механічні годинники за сучасними стандартами були дуже примітивні і неточні. Тому вчений насамперед розробив експериментальний апарат, що дозволяє обійти цю проблему. По-перше, він «розбавив» силу тяжіння, уповільнивши час падіння до розумних, з точки зору наявних інструментів вимірювання, меж, а саме - змусив тіла скочуватися по похилій площині, а не просто падати прямовисно. Потім він придумав, як обійти неточність сучасних йому механічних годинників, натягнувши на шляху скачується по похилій поверхні кулі ряд струн, щоб він зачіпав їх по дорозі і можна було хронометрировать його рух по вилученими звуків. Раз по раз спускаючи куля по похилій під поруч струн, Галілей переміщував струни, поки не добився, щоб куля на всьому своєму шляху, зачіпаючи натягнуті струни, витягував звуки через рівні проміжки часу.
Зрештою Галілею вдалося накопичити достатній обсяг експериментальної інформації про рівноприскореному русі. Тіло, що стартує з стану спокою, далі рухається так, як це описано в самому початку цієї статті. У перекладі на мову математичних символів рівноприскореного руху описується наступними рівняннями:
де a - прискорення, v - швидкість, d - відстань, пройдену тілом за час t. Щоб відчути сенс цих рівнянь, досить пильно спостерігати за падінням предметів. Швидкість падіння зримо зростає з часом, які пройшли з початку падіння. Це випливає з першого рівняння. Очевидно і те, що в процесі падіння на проходження першої частини шляху у тіла йде більше часу, ніж на решту шляху. Саме це і описує друга формула, оскільки з неї випливає, що чим довше тіло прискорюється, тим більший відрізок шляху воно долає за один і той же час.
Галілей зробив і ще одне важливе спостереження про тіло, що знаходиться в стані вільного падіння під впливом сили гравітаційного тяжіння, хоча і не зміг підтвердити його безпосередніми вимірами. Екстраполювавши результати, отримані ним при спостереженні скочуються по похилій площині предметів, він зумів визначити прискорення вільного падіння тіла на поверхню Землі. Прискорення вільного падіння прийнято позначати g, і воно дорівнює (приблизно):
g = 9,8 м / с2 (метра в секунду за секунду)
Тобто, якщо упустити предмет зі стану спокою, за кожну секунду падіння його швидкість буде зростати на 9,8 метра в секунду. Під кінець першої секунди падіння тіло буде рухатися зі швидкістю 9,8 м / с, під кінець другої - зі швидкістю 2 × 9,8 = 18,6 м / с і так далі. Величина g визначає коефіцієнт прискорення падіння тіла, що знаходиться в безпосередній близькості від земної поверхні, в зв'язку з чим g прийнято називати прискоренням вільного падіння, або гравітаційним прискоренням.
Тут слід зробити два важливих зауваження щодо отриманих Галілеєм результатів. По-перше, вчений отримав чисто експериментальне значення величини g, ні на яких теоретичних прогнозах не грунтується. Значно пізніше Ісаак Ньютон у своїх знаменитих роботах показав, що величину g можна розрахувати теоретично, виходячи з поєднання сформульованих їм законів механіки Ньютона і закону всесвітнього тяжіння Ньютона . Саме першопрохідницький працю Галілея і проклав дорогу подальшим тріумфальним відкриттів Ньютона і формуванню класичної механіки в її загальновідомому вигляді.
Другий найважливіший момент полягає в тому, що прискорення вільного падіння не залежить від маси падаючого тіла. По суті, сила тяжіння пропорційна масі тіла, але це повністю компенсується більшою інерцією, притаманною більш потужному тілу (його небажанню рухатися, якщо хочете), а тому (якщо не враховувати опір повітря) всі тіла падають з однаковим прискоренням. Це практичне висновок вступало в повне протиріччя з умоглядними прогнозами стародавніх і середньовічних натурфілософів, які були впевнені, що будь-якої речі властиво прагнути до центру світобудови (яким їм, природно, представлявся центр Землі) і що чим масивніше предмет, тим з більшою швидкістю він до цього центру спрямовується.
Своє бачення Галілей, звичайно ж, підкріпив експериментальними даними, але ось досвіду, який йому традиційно приписують, він, швидше за все, зовсім не проводив. Згідно навколонаукових фольклору, він скидав предмети різної маси з «падаючою» Пізанської вежі, щоб продемонструвати, що вони досягають поверхні землі одночасно. У цьому випадку, однак, Галілея чекало б розчарування, оскільки більш важкі предмети неминуче падали б на землю раніше легких через різницю в питомому опорі повітря. Якби скидаються з вежі предмети були одного розміру, сила опору повітря, що гальмує їх падіння, була б однаковою для всіх предметів. При цьому із законів Ньютона випливає, що більш легкі предмети загальмовує б повітрям інтенсивніше важких і падали на землю пізніше важких предметів. А це, природно, суперечило б передбачення Галілея.
Див. також:
Суд над Галілеєм
Суд римсько-католицької інквізиції над Галілеєм - такий же стійкий навколонауковий міф, як і яблуко, нібито впало на голову Ньютону. І, як зазвичай і буває в міфології, до дійсності ця історія має мало відносини. Якщо вірити цим міфом, Галілей навів суду незаперечні докази правильності поглядів Миколи Коперника на пристрій Сонячної системи, згідно з якими Земля обертається навколо Сонця, а не навпаки, а потім був зломлений Церквою, яка бажала придушити цю теорію, і примушений публічно відректися від своїх поглядів. Насправді ж Коперник, будучи вельми витонченим церковним політиком, представив свою геліоцентричну теорію в такому вигляді, що вона цілком задовольняла богословські авторитети того часу (зокрема, називаючи її не інакше, ніж «гіпотезою»). Теорія Коперника широко обговорювалася до Галілея і вченими, і навіть самими ватиканськими богословами.
У 1616 році Галілей опублікував книгу «Зоряний вісник», в якій узагальнив телескопічні спостереження і привів сильні аргументи на користь системи Коперника. Причому написана книга була на італійському, а не на латині, що зробило її доступною не тільки вченим, але й широкому колу освічених читачів. У відповідь на закиди, що книга нібито суперечить церковним канонам, Колегія кардиналів викликала Галілея на своє засідання. Далі починаються неясності, викликані суперечливістю дійшли до нас свідчень учасників цього засідання. Згідно з офіційною версією, Галілею було вказано на неприпустимість подальших публічних обговорень ідей Коперника в іншій формі, окрім як з вказівкою на те, що це всього лише гіпотеза, поки не будуть представлені неспростовні докази її правильності. Галілей же стоїть на тому, що подібного попередження не отримував.
Як би там не було, в 1632 році Галілей опублікував роботу «Діалог про дві найголовніші системи світу», де навів розгорнуті аргументи на користь геліоцентричної системи Коперника, вклавши при цьому офіційні заперечення Папи в уста персонажа на ім'я Сімплічіо (по-італійськи «простак» . - Прим. перекладача). Ось тоді-то проти Галілея і було вперше висунуто звинувачення в «підозрі на єресь»; при цьому потрібно розуміти, що в устах інквізиції це звинувачення співвідноситься із звинуваченням в власне «єресі», приблизно так само, як в сучасному цивільному судочинстві звинувачення в ненавмисному вбивстві співвідноситься із звинуваченням в навмисному вбивстві при обтяжуючих обставинах. Від підозри в єресі Галілей себе очистив, публічно заявивши, що сам не вірить в те, що написав, після чого залишок життя провів всього лише під домашнім арештом у себе у Флоренції. (У 1992 році Римсько-католицька церква офіційно переглянула вирок суду на тій підставі, що судді не зуміли відокремити питань віри від наукових фактів.)
Так що ми виносимо з усієї цієї історії? На мою особисту розумінню, вона описує не більше ніж умисне розкручування маховика неповороткою бюрократичної машини людиною, навмисно прагнуть до конфронтації з нею. (Мені, наприклад, здається, що у Ради кардиналів були в той час справи і важливіші, ніж розгляд з ученим з приводу абстрактної космологічної теорії.) Правда тут ще й в тому, що доводи Галілея на користь системи Коперника на перевірку зовсім не є такими вже переконливими. Більш того, з точки зору сучасної науки можна сказати, що Галілей прийшов до вірного висновку шляхом помилкових міркувань. Суду над вченим це, природно, не виправдовує, однак все дійство, в зв'язку з цим, постає в іншому - куди менш міфологічному - світлі.
Так що ми виносимо з усієї цієї історії?
