Roger Orrit - Природа описывается формулами. Галилей. Научный метод.

• Название: Природа описывается формулами. Галилей. Научный метод.
• Автор: Roger Orrit
• Издательство: ООО «Де Агостини»,
• Жанр: Научпоп

Гениальный ученый Галилео Галилей посвятил свою жизнь нескольким областям науки. Во-первых, он проводил астрономические наблюдения, благодаря которым сделал удивительные открытия фаз Венеры, спутников Юпитера, неровной поверхности Луны и пятен на Солнце. Во-вторых, он изучал движение тел. в результате чего поставил под сомнение всю аристотелевскую физику, господствовавшую в западной науке на протяжении 2000 лет. Но главной заслугой ученого, оставившей наиболее глубокий след в истории, стало его стремление даже под риском смерти на костре отстаивать новый способ изучения мира - научный метод, основанный на эмпирических фактах и математической точности.

---

Видя склонность Галилео к умственной деятельности, Винченцо решил опять отправить его в Пизу — учиться на медицинском факультете местного университета. Он был уверен, что профессия врача позволит сыну никогда не испытывать стесненности в финансах, так знакомой ему самому. В семейной родословной уже был один знаменитый медик, поэтому Винченцо казалось, что он придумал идеальный план.

В 1581 году Галилей поступил на факультет искусств, чтобы защищать диплом по медицине. И хотя он не закончил свое обучение, университетская жизнь оказала огромное влияние на его формирование как человека и ученого. Галилей узнал о теориях и концепциях, которые потом сопровождали его всю жизнь, с которыми он боролся и которыми вдохновлялся: физика Аристотеля, астрономия Птолемея, математические понятия... Впоследствии благодаря полученным обширным знаниям он мог со знанием дела указывать на недостатки этих теорий. Товарищи по факультету быстро прозвали Галилея спорщиком за задиристый характер и склонность к диспутам.

Один случай, произошедший в студенческие годы с Галилеем (хотя источнику этой истории и нельзя доверять полностью), демонстрирует удивительную наблюдательность, которую тот проявлял с детства. Однажды, будучи на мессе в соборе, Галилей заметил, что масляные лампады, которые были подвешены на тросе, спускающемся с крыши, качались на ветру. Галилей понял, что с помощью ритма колебаний можно измерять пульс больных, который указывал на возможное ухудшение состояния здоровья. При помощи веревок разной длины и с различным грузом он подбирал наилучшую комбинацию, которая позволила бы измерять пульс. Галилей продемонстрировал свое изобретение докторам, которые, несмотря на первоначальное недоверие, стали применять его.

Но интеллектуальное событие, оказавшее наибольшее влияние на жизнь исследователя, произошло не в университете, а при дворе великого герцога Тосканского, Франческо I Медичи (1541-1587). Двор периодически переезжал из Флоренции в Пизу, а с ним путешествовал и Остилио Риччи (1540-1603), математик, специалист в геометрии, ученик Никколо Тартальи. В 1583 году Галилею удалось попасть на одну из лекций Риччи, посвященную Евклиду, и можно предположить, что она стала для юноши настоящим открытием. Для Риччи математика была средством решения практических задач, и 19-летний Галилей влюбился в нее настолько, что посвятил ее изучению все свое время и силы, забросив науку Галена. Он решил стать математиком и попросил Риччи быть его учителем. Но сначала необходимо было убедить отца Галилея, и Риччи это удалось. Теперь дорога была открыта, и Галилей мог полностью посвятить себя своему истинному призванию — продолжению традиций Архимеда и Евклида.

НИККОЛО ФОНТАНА ПО ПРОЗВИЩУ ТАРТАЛЬЯ

Тарталья (Заика, 1499-1557) был одним из самых известных итальянских математиков эпохи Возрождения. Он прославился главным образом благодаря открытию формулы для решения уравнений третьей степени — задачи, поставленной в математической дуэли, которую он с легкостью выиграл. Тарталья впервые перевел на итальянский язык труды Евклида и Архимеда.

В военной сфере известность получило применение им математических методов в вычислении траектории снарядов. Одна из задач, которую он решил в своем трактате «Новая наука» (1537), была следующей: под каким углом надо производить выстрел, чтобы снаряд летел на максимальное расстояние? Такими вопросами стали интересоваться только с XIII века, когда в Европе появился порох. Как указывает ученый в своей работе, считалось, что траектория снаряда делится на три части: прямую линию (когда действует сила от взрыва пороха), дугу (когда начинает действовать сила притяжения) и, наконец, вертикальную линию свободного падения. Только Галилей смог найти правильное решение, доказав, что траектория снарядов на самом деле описывается параболой.

В 1585 году он окончательно бросил учебу в университете Пизы, не закончив курса. Тогда же Галилей начал преподавать математику юношам из состоятельных семей Флоренции и Сиены, а также в монастыре Валломброза, где сам ранее учился.

Два года спустя он побывал в Риме, где познакомился с одним из самых известных математиков того времени, Христофором Клавием (1538-1612). С помощью этих знакомств Галилей пытался сделать себе имя и получить место в каком- нибудь университете. В 1588 году он прочел знаменитую лекцию о местонахождении и размерах ада Данте. Хорошие отношения со двором открыли перед ним карьерные перспективы, и в 1589 году, когда освободилась кафедра математики Пизанского университета, ее отдали Галилею. Он вернулся в статусе профессора в университет, где как студент потерпел неудачу. За небольшое жалованье Галилей работал в Пизе до 1592 года. После смерти отца материальное положение ученого ухудшилось, так как необходимо было обеспечивать мать, братьев и сестер. Жизнь ставила Галилея перед необходимостью новых достижений.

ПОД ВЛИЯНИЕМ АРХИМЕДА

Будучи учеником Риччи, Галилей попал под косвенное влияние подхода Архимеда к математике. Возможно, какое-то время он признавал представления Аристотеля о том, что математика не может описывать природу в силу своей конечности и что более глубокое познание мира возможно при помощи категории качества, а не количества.

Принцип Архимеда, согласно которому на тело, погруженное в жидкость, действует сила, равная весу вытолкнутой им жидкости, вдохновил его на первое изобретение — маленькие гидростатические весы, позволявшие измерять удельный вес тел.

Первое, очень короткое, эссе Галилея так и называлось — «Маленькие гидростатические весы». Оно было опубликовано в 1586 году и объясняло принцип действия устройства. В нем Галилей утверждал, что вдохновился эпизодом, когда Архимед раскрывает обман с короной царя Гиерона. Галилей совсем не был уверен, что классическое объяснение было истинным:

«Как известно [...], Архимед обнаружил обман ювелира в короне Гиерона, но мы до сих пор не знаем, к какому способу прибег этот великий ученый, чтобы определить это. То, что он, по некоторым источникам, поместил в воду корону, а затем — такие же по весу слитки чистого золота и серебра и по разнице вымещенной воды понял, что к золоту в короне было подмешано серебро, кажется мне, если позволительно так выразиться, весьма грубым и неизящным».

По мнению Галилея, Архимеду для решения задачи понадобилось бы его изобретение — гидростатические весы. Они состояли из двух плечей: на одно подвешивается предмет, который надо взвесить, а на другое ставятся гирьки до момента уравновешивания (см. рисунок). Затем предмет погружается в воду, и его масса вычисляется заново. К разнице этих двух масс применяется принцип Архимеда. Поскольку плотность воды составляет 1 г/см³, надо просто использовать формулу плотности р = m/V.

Гидростатические весы позволяют сравнить плотности тел и таким образом определить их удельный вес.

Риччи, как и его учитель, считал математику практической дисциплиной, которая могла использоваться во множестве различных областей, от военного дела до архитектуры. Такая точка зрения очень отличалась от пифагорейских и платоновских представлений, по которым реальность заключалась главным образом в числах. По мнению пифагорейцев, числа определяли структуру природных явлений, и изучение математических соотношений являлось путем познания мира.

Галилей изучал математику в тесной связи с практикой и наблюдениями. Свое восхищение Архимедом он выразил в том числе в таких строках: «...тем, кто... читал и изучал искуснейшие изобретения столь божественного человека, ... слишком ясно, насколько все остальные ученые были ниже Архимеда...»

ГЛАВА 2 Телескоп и революция в астрономии

Благодаря использованию телескопа для человечества расширились границы Вселенной. Галилею удалось совершить невероятные открытия, а их распространение было одним из важнейших событий эпохи. Вселенная, которая была видна в его телескоп, совершенно не соответствовала традиционным представлениям о ней. Таким образом, Галилей убедился в истинности гелиоцентрической теории, хотя приверженность этому революционному учению и привела его годы спустя на суд Инквизиции.

В августе 1609 года Галилей вместе с многочисленными представителями венецианской знати поднялся на башню Сан Марко, чтобы продемонстрировать им полезное для защиты города изобретение. Оно показывало объекты на большом расстоянии и увеличивало их размеры, позволяя заметить вражеские корабли, когда они были еще достаточно далеко, и заранее приготовиться к их встрече.

Галилей справедливо предполагал, что использование прибора принесет ему деньги и почести, но очень скоро он нашел еще одно применение телескопа, которое могло удовлетворить его интеллектуальные амбиции, — изучение звезд. Это открытие лежало в начале нового витка развития науки, зародившейся еще в Египте и Древней Греции и на тот момент существовавшей тысячи лет. До настоящего времени телескопы предоставляют нам важнейшие сведения, которые расширяют знания о Вселенной.