В Новое время (XVII — XIX) наука становится доминирующей формой постижения бытия, приобретает черты, сохранившиеся и в наше время. Рождается вера в безграничные возможности науки, и эта вера все более укреплялась год от года действительно выдающимися достижениями науки, преобразовавшей за последние четыре столетия мир до неузнаваемости как в позитивном, так и в негативном смысле. Вхождение человечества в эпоху науки началось с крушения аристотелевской концепции мироздания, его научной системы. И если коперниковская революция в мировоззрении носила, по существу, философский и эстетический характер, то подлинно научное переосмысление мира началось с творений выдающегося итальянского ученого Галилео Галилея (1564—1642). Галилей родился в Пизе в семье небогатого пизанского дворянина в тот самый день 18 февраля, когда умер великий Микеланджело. Он был старшим сыном в многодетной семье музыканта Винченцо Галилея. По другим сведениям отец Галилея был губернатором или военачальником. Как бы то ни было, Винченцо Галилей был образованным человеком, сведующим в математике и музыке. Учился Галилей сначала в родном городе, а затем в 1574 г., когда семья переехала из Пизы во Флоренцию, стал послушником монастыря. Отец мечтал о медицинской карьере старшего сына и настоял на том, чтобы Галилео Галилей покинул монастырь и поступил в Пизанский университет для изучения медицины. В 1581 г. Галилей стал студентом Пизанского университета, но особого интереса к медицине не проявил. Его больше занимала математика, астрономия, механика, физика. Самостоятельно, вне университетской программы, Галилей изучает труды Аристотеля, Евклида, Архимеда, Витрувия и других античных ученых. Ученик и биограф Галилея Винчецо Вавиани (1622— 1703) пишет в «Исторических исследованиях о жизни синьора Галилея, члена Академии деи Линчей, благородного флорентийца», что в 1583 г. Галилей, наблюдая за раскачиванием лампады в Пизанском соборе, открыл, что период колебаний маятника не зависит от его массы и амплитуды колебаний — открытие, позволившее использовать маятник в устройствах для измерения времени. Впоследствии Галилей установил зависимость между периодом колебаний 81 Раздел I. История науки в доклассический период Галилео Галилей маятника и его длиной, по которой периоды колебаний маятников, подвешенных на нитях различной длины, относятся как корни квадратные из длин нитей маятников. Сын Г.Галилея Винчецо впоследствии утверждал, что Галилей с помощью этого закона смог определить высоту собора в Пизе. При измерении временных интервалов Галилей использовал биения пульса. Так, если определить сколько колебаний делает лампада, например за 50 биений пульса, а затем сколько колебаний делает маятник единичной длины за тот же промежуток времени, можно легко рассчитать высоту подвески лампады, так как квадраты чисел колебаний относятся как длины маятников. Будучи студентом, Галилей в 1586г. сделал первое свое замечательное изобретение — «гидростатические весы», позволявшие точно измерять удельный вес. Это изобретение сделало Галилея известным среди итальянских ученых. В университете Галилей провел 6 лет, но курса обучения не завершил за недостатком средств. Тем не менее, благодаря своей известности в научной среде и по рекомендации математика Ричи, бывшего другом семьи Галилея, и инспектора Тосканских крепостей Гвидо Убальди дель Мон- то, Галилей становится в 1589г. профессором по кафедре математики в Пизанском университете. Двадцатипятилетний профессор излагал науки по Аристотелю, но вместе с тем, по легенде, проводил со студентами публичные опыты по сбрасыванию тел с «падающей» Пизанской башни, целью которых было опровержение учения Аристотеля о пропорциональности скорости падения весу тела. Галилей опытным путем, как свидетельствует Вавиани, установил, что «пушечное ядро не опережает мушкетную пулю» при одновременном их свободном падении. Критика Галилеем учения Аристотеля, его личные научные успехи вызвали недоброжелательное отношение к нему со стороны коллег по Галилей особого интереса к медицине не проявлял. Его больше занимали математика и астрономия 82 5. Начало эпохи науки университету. Тяжелым было и материальное положение семьи Галилея. Все это заставило его искать другое место работы. В 1592 г. Галилей становится профессором университета в Падуе. Начинается самый плодотворный 18-летний падуанский период в творчестве Галилея (1592—1609). Падуанский университет имел тогда два отделения — «юридическое» и «артистическое». На артистическом отделении, где работал Галилей, обучались медики, философы и теологи. Изучение медицины требовало знаний математики и астрономии, поскольку медицина того времени пользовалась астрологией. Лекции Галилея имели огромный успех. Галилей излагал геометрию — по Евклиду, механику — по Аристотелю, астрономию — по Птолемею. Среди слушателей его лекций были ставшие в дальнейшем героями его книг, построенных в форме диалогов, венецианец Сагредо и флорентиец Сальвиати. К падуанскому периоду творчества Галилея относятся изобретение термоскопа, исследование магнитов, открытие законов движения, величайшие астрономические исследования. Первый опыт с термоскопом был проведен Галилеем примерно в 1597 г. Термоскоп как средство измерения температуры предшествовал термометру. Термоскоп Галилея представлял собой стеклянную колбу размером с яйцо, к которой припаяно узкое, «диаметром с пшеничный стебель» горлышко длиной в две пяди («пядь» — около 20 см). Если нагреть колбу руками, горлышко поместить в сосуд с водой, а затем убрать руки с колбы, то вода из сосуда по мере остывания колбы начнет подниматься в горлышко. Термоскоп, таким образом, позволял демонстрировать изменение «степени жары и холода». Примечателен не только сам прибор, но новый подход к понятию тепла и холода. Перипатетики считали, что тепло и холод как бы перемешаны в материи. По Галилею холод — это лишь отсутствие тепла, то есть не является каким-либо отдельным качеством. Галилей никогда не скрывал, что изобретение зрительной трубы телескопа принадлежит не ему. Тем не менее в оптике одну из классических схем зрительных труб называют именем Галилея. До Галилея зрительная труба применялась военными моряками как наблюдательный прибор. Зрительные трубы изготавливались и для забавы, как игрушка. Галилей первым исполь- Галилей проводил со студентами публичные опыты по сбрасыванию с «падающей» Пи- занской башни 83 Раздел I. История науки в доклассический период зовал зрительную трубу в астрономических наблюдениях. В 1609 г. он построил свой первый телескоп с наибольшим увеличением, а затем и телескоп с 32-кратным увеличением, позволивший сделать ряд важных астрономических открытий, достаточных чтобы окончательно утвердиться Галилею в правильности Коперниковской идеи и отвергнуть Аристотелевскую картину мира. Галилей увидел, что Луна не является идеальной сферой, а покрыта горами, что у Юпитера есть спутники, которые вращаются вокруг него и являют собой миниатюрную модель устройства Вселенной по Копернику, что Млечный путь, кажущийся невооруженному глазу светлой полосой, состоит из огромного скопления звезд. Результаты своих астрономических открытий Галилей опубликовал в «Звездном вестнике» — книге, вызвавшей сенсацию и принесшей автору мировую известность и славу. Успехи Галилея и его слава дали ему возможность получить должность первого математика Пизанского университета. Эта должность позволяла освободиться от преподавательской работы, принять предложение герцога Тосканского переехать в 1609 г. из Падуи в Арчетри близ Флоренции и сосредоточиться на научной работе. Флорентийский период жизни Галилея продолжался 22 года. Здесь, в Арчетри, он продолжил свои астрономические наблюдения и физические исследования. В своей работе «Рассуждение о телах, пребывающих в воде, и о тех, которые в ней движутся» (1612), Галилей опровергает суждение перипатетиков о зависимости способности тел плавать или тонуть от их формы. В Арчетри Галилей готовит к опубликованию свою, ставшую основной, научную работу «Диалог о двух главнейших системах мира — Птолемеевой и Коперниковой». Книга вышла в свет в 1632 г. во Флоренции. Она написана живым итальянским языком в форме бесед трех патрициев. Участниками бесед явились уже упомянутые нами друзья Галилея Филиппо Саль- виати и Джован Франческо Сагредо, а также вымышленное лицо — Симпличио. Сальвиати представляет мнение самого Галилея, Сагредо — просвещенного человека, пытающегося во всем разобраться, Симпличио защищает философию перипатетиков. В «Диалогах» в литературной форме (Галилей считал важным, чтобы его труд мог быть доступен каждому человеку) остроумно обсуждаются важнейшие научные проблемы. Беседы ведутся в течение четырех дней. «День первый» посвящен в основном рассуждениям об Аристотелевском представлении о неизменности небесного мира. Галилей противопоставляет этому представлению такие доводы, как возникновение новых звезд, солнечные пятна, гористость структуры Луны, что делает ее схожей с Землей. «День второй» главным образом посвящен рассмотрению вопроса о движении Земли. Что же противопоставляет Галилей доводам перипатетиков, которые соответствуют повседневной практике: тяжелые тела падают вертикально вниз, летящие птицы не отстают от находящейся под ними земной поверхности, дальность стрельбы из орудий не зависит от направлений стрельбы и т.д., значит, Земля неподвижна!? В противовес этим доводам Галилей выдвигает два базовых принципа механики — принцип инерции и 84 5. Начало эпохи науки принцип относительности. Принцип инерции Галилеем сформулирован по отношению к телу, движущемуся по неограниченной горизонтальной плоскости. В своих рассуждениях Галилей использует очень остроумный ход: по наклонной плоскости сверху вниз тело движется с ускорением, по той же плоскости вверх — с замедлением, значит, на совершенно горизонтальной плоскости оно совершает равномерное движение, так как нет причин ни для ускорения, ни для замедления движения. Принцип относительности сформулирован Галилеем словами Сальвиати: «Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, поставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный вами сосуд, и вам, бросая друг другу какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большой силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у вас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете не установить, движется ли корабль или стоит неподвижно... И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам, так же как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой...» В современной формулировке принцип относительности гласит, что все процессы в природе протекают одинаково в любой инерциальной системе отсчета, то есть независимо от того неподвижна система или совершает равномерное и прямолинейное движение. Поскольку птицы, падающие тела, летящие снаряды и Земля участвуют в одном и том же движении — движении Земли, для наблюдателя все происходит так, как если бы Земля была неподвижна. «День третий» посвящен дискуссии о новой звезде 1604г., а затем собеседники рассуждают о несоответствии учения Аристотеля астрономическим наблюдениям, о возможности гелиоцентрического устройства мира и соответственно о годичном вращении Земли. В «День четвертый» обсуждаются причины морских приливов и отливов. Галилей ошибочно считал эти явления доказательством движения Земли. Он связывал морские приливы и отливы с неравномерностью движения Земли. Гипотезу Кеплера о лунном и солнечном притяжении как причинах приливов и отливов Галилей считал «легкомысленной». 85 Раздел I. История науки в доклассический период Несмотря на то, что издание «Диалогов» было санкционировано церковью, а сама книга посвящена Папе, уже через 6 месяцев после выхода книги в свет Галилею было предписано по решению инквизиции явиться в Рим. Начался знаменитый суд над Галилеем, результатом которого стало письменное заявление ученого, в котором он признавал, что многие места его книги неудачны и могут укрепить ложное мнение. На допросах Галилей отрицал, что разделяет учение Коперника. Публичное покаяние было произнесено Галилеем 22 июня 1633г. в церкви Св. Марии в Риме. После этого он был помещен под домашний арест в своем доме в Арчетри. Последние годы жизни Галилей провел в уединении и посвятил их труду над вопросами динамики и статики. С 1637г. он вновь был окружен учениками, среди которых Торричелли, Вавиани, Костелли. В 1638г. выходит из печати его сочинение «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки». Под двумя новыми науками Галилей подразумевал динамику и сопротивление материалов. «Беседы» естественным образом продолжают «Диалоги». В них участвуют те же действующие лица, но книга более строга в научном отношении. «Беседы» состоят из четырех частей — «дней». «День первый» приводит собеседников к вопросу о скорости света. Саль- виати составляет план эксперимента по определению скорости света, но этот план, основанный по своей идее на измерении времени распространения света между наблюдателями, не мог дать оценки скорости из-за большой ее величины. Важнейшим содержанием беседы в «День первый» является опровержение учения Аристотеля о зависимости скорости падения от веса тела. Галилей доказывает, что если устранить влияние среды, все тела падают с одинаковой скоростью. К этому выводу Галилей пришел, измеряя периоды колебаний двух маятников с одинаковой длиной нитей, но один был со свинцовым шаром, другой — с пробковым. Периоды колебания оказались одинаковыми, отсюда следует и одинаковость скоростей падения. Рассмотрение колебаний маятника привели собеседников к проблемам акустики. «День второй» посвящен рассмотрению вопросов разрушение твердых тел при различных способах воздействия на них. Ценность исследования Галилея в этом вопросе состоит в постановке задачи расчета конструкций на прочность, хотя верные практические рекомендации получены не были. В «День третий» и «День четвертый» собеседники обсуждают вопросы динамики, изложенные в трактате «нашего автора», то есть самого Галилея. В трактате дана формулировка гипотезы о пропорциональности скорости падения тел времени падения, и на основе этой гипотезы дано доказательство закона о пропорциональности пути, проходимому падающим телом, квадрату времени падения. Этот закон был подтвержден Галилеем в опытах с наклонными плоскостями. Рассматривая движение брошенного тела, Галилей выдвигает принцип сложения перемещений, на основе которого он находит, что траекторией невертикально брошенного тела является парабола. В год окончания работы над «Беседами» Галилей окончательно ослеп, но продолжал работать, диктовать ученикам свои научные идеи. В 1642 г. Галилея не стало, он умер в возрасте 78 лет на руках учеников в 86 5. Начало эпохи науки присутствии двух представителей инквизиции. Научная деятельность Галилея продолжалась 60 лет. Главная заслуга Галилея заключается в создании нового метода мышления, нового мировоззрения. Основными чертами Галилеевского метода научного мышления стали: 1. Математизация научных исследований. Галилей считал, что книга природы «написана на языке математики», и что «невозможна настоящая философия без геометрии». 2. Введение технического эксперимента (опыта) как метода исследования. По Галилею эксперимент должен быть очищен от влияния случайных, мешающих факторов. Галилей проверял экспериментом даже общепринятые воззрения, а может быть, их в первую очередь. Эксперимент по Галилею не иллюстрация, а метод, который по возможности должен быть описан математически. 3. Использование мысленного эксперимента как развитие технического эксперимента. В мысленном эксперименте идеализируются условия технического эксперимента, например Галилей предполагал отсутствие сил трения при движении шаров, нахождение наблюдателя в идеальной инерци- алъной системе отсчета. 4. Количественный анализ. Галилей считал, что для определения четких суждений о явлениях необходимо введение объективных, поддающихся числовому выражению параметров (размер, вес, количество и т.п.). Руководствуясь этим принципом, Галилей изобрел или усовершенствовал целый ряд измерительных приборов — термоскоп, барометр и другие. Создав научный метод мышления, Галилей окончательно разрушил продержавшуюся около 2000 лет научную парадигму, созданную Аристотелем. Большинство противоречий в учениях Аристотеля и Галилея сводилось к проблеме движения и связанной с ней проблеме пространства. • Аристотель учил о насильственных и естественных движениях, что тяжелые тела движутся к центру, легкие — к периферии. Галилей показал, что движение «вверх» или «вниз» зависит от удельных весов тела и среды, в которой тело движется. • Аристотель считал, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. Галилей сформулировал независимость скорости падения тела от веса, законы падения тел. • Аристотель считал, что движение прекращается, если на движущееся тело перестает действовать внешняя сила. Галилей показал, что тело сохраняет движение до тех пор, пока внешняя сила не заставит его изменить направление движения или скорость. • Аристотель считал важнейшим доказательством неподвижности Земли вертикальность падения тел. Галилей устранил этот довод введением понятий инерции и относительности. Как и исследования по проблеме движения, астрономические наблюдения Г. Галилея подтверждали гелиоцентрическую систему Н. Коперника. 87 Раздел I. История науки в доклассический период Оценивая значение открытий Галилея в исследовании проблем движения и в развитии методов научного мышления, А. Эйнштейн и Л. Инфельд пишут: «Открытие, сделанное Галилеем, и применение им методов научного рассуждения были одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому, что интуитивным выводам, базирующимся на непосредственном наблюдении, не всегда можно доверять, так как они иногда ведут по ложному следу».
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Крушение концепции мироздания античности. Галилей» з дисципліни «Історія науки»
