3 Разрушение аристотелевой космофизической картины мира как

§ 3. Разрушение аристотелевой космофизической картины мира как следствие коперниканской революции в астрономии. Начало телескопической астрономии и первые наблюдательные обоснования гелиоцентризма. Г. Галилей, Т. Гарриот, Й. Фабрициус, Х. Шейнер.

Коперник и Аристотель. • С появлением гелиоцентрической теории Коперника Земля оказалась обычной планетой. Это заставляло усомниться в справедливости всей космофизической картины мира Аристотеля, но прежде всего механики. Ее прежняя критика (Филопоном, VI в. , Буриданом, XIVв. ) не имела опоры в геоцентрической картине мира. Система Коперника в корне меняла ситуацию.

Гелиоцентризм и развитие научной революции в физике и астрономии.

Галилео Галилей и его роль в истории науки. • Начало революционного переворота в механике (то есть во всей тогдашней физике) связано с именем великого итальянского физика, инженера-изобретателя и астронома Галилео Галилея (1564 – 1642). Он род. в г. Пиза в Тоскане, был профессором в ун-тах Пизы, Падуи и Флоренции, придворным «первым математиком и философом» у Тосканского великого герцога Космы II Медичи. • Галилей является одним из родоначальников современного теоретико-экспериментального естествознания. Сам он считал своим главным делом механику. • Но в историю человечества Галилей вошел прежде всего как великий астроном – превративший только что изобретенную в начале XVII в. зрительную трубу в телескоп, наблюдатель и борец за утверждение гелиоцентризма. • Ему принадлежит заслуга получения первых наблюдательных свидетельств в пользу справедливости теории Коперника.

Галилео Галилей (1564 - 1642)

1. Галилей и начало научной революции в "земной" механике. • В 1591 г. кафедру математики в знаменитом Падуанском университете безуспешно попытался получить вернувшийся в Италию Джордано Бруно. В 1592 г. ее занял молодой математик и инженер Галилео Галилей. В 90 -е гг. XVI в. Галилей начал наступление на всю безнадежно устаревшую, но все еще принимавшуюся на веру физику Аристотеля, т. е. механику.

Галилей – физик. • В физике ( механике) Галилей заложил основы современной кинематики. • Он установил законы качания маятника (изохронность периодов независимо от отклонения для небольших амплитуд в 5 – 7 о) и построил первую научную теорию равномерно-переменного (на примере равномерноускоренного) движения. • В первом случае Галилею помогла необыкновенная наблюдательность (за качанием огромной люстры в Пизанском кафедральном соборе); во втором – специально поставленные эксперименты с движением тел по наклонной плоскости. Последние привели его и к установлению закона свободного падения тел – независимости скорости и ускорения от веса тел.

• Галилей уточнил понятие скорости, ввел понятие ускорения, утвердил термин "impetus", равнозначный "momento" (моменту движения). В дальнейшем это оформилось в представление о "количестве движения" (mv). • С Галилеем в "земную" механику - кинематику вошел точный количественный, то есть научный эксперимент и математическое описание равномерно-переменного движения (ранее доступное лишь для равномерных круговых движений небесных тел).

• Галилей заложил основы одного из двух главных научных методов изучения природы: индуктивного метода познания: от частного к общему. • Единственное, в чем Галилей остался верным аристотелианцем в механике, было его представление об инерциальном (бессиловом) движении как о движении круговом. Именно таким Галилей продолжал считать движение небесных тел даже после открытий законов Кеплера, по крайней мере до 1638 г. , до появления своего позднего сочинения "Беседы о механике. . . ", где закладывались основы и кинематики, и динамики.

Принцип относительности Галилея • С именем Галилея (хотя и не совсем обоснованно) связана окончательная формулировка кинематического принципа относительности механического движения. Он вошел в научный фундамент современной механики как "принцип относительности Галилея": утверждение о равноправности всех равномерно и прямолинейно движущихся систем отсчета относительно механических явлений в них. • Такие системы позднее , с утверждением нового понимания инерциального движения как прямолинейного, получили наименование инерциальных.

Галилей и физическая картина мира. • Исследования Галилея в механике, наряду с законами Кеплера в астрономии, легли в основу классической ньютоновской физики и физической картины мира. • Исследование в механике сам Галилей считал своей основной заслугой.

2. Галилей и начало телескопической астрономии. • В эпоху позднего Возрождения (XVI - начало XVII вв. ) не без воздействия ярких и трагических судеб первых пропагандистов гелиоцентризма (Джордано Бруно, Джулио Ванини) разворачивался грандиозный революционный процесс ломки естественнонаучной картины мира и самого мировоззрения. • В этом процессе первостепенную роль сыграли астрономические открытия Галилея. Они положили начало современной, телескопической наблюдательной астрономии. • Они стали и первым подтверждением гелиоцентризма планетной системы. • Наконец, имя Галилея в астрономии навсегда вошло в ряд самоотверженных борцов за новое, гелиоцентрическое мировоззрение.

Система Коперника до открытий Галилея. • Во времена Галилея гелиоцентрическое учение Коперника воспринималось еще либо как чисто математическое описание движений, либо как некая гипотеза, не только не подтвержденная, но и с очевидностью противоречившая наблюдениям. • Не были обнаружены главные следствия новой теории: у звезд не замечалось годичного параллактического смещения, а у внутренних планет - ожидавшихся фаз типа "лунных". • К тому же тех немногих, кто начинал склоняться к признанию гелиоцентризма, смущал тот факт, что Земля оставалась особым телом - только у нее была своя, дополнительная планета – Луна.

Галилей и гелиоцентризм. • С 1592 г. Галилей был профессором Падуанского университета и должен был читать лекции по сферической астрономии, следуя геоцентрической системе мира. • Но в письме к Кеплеру от 4. 08. 1597 г. Галилей писал, что продолжает работать над системой мира Коперника , приверженцем которой является «уже много лет» (цит. по: Галилей, 1948, с. 4)

К истории телескопа • Узнав весной 1609 г. об изобретении в Голландии зрительной трубы * Галилей в том же году самостоятельно сконструировал и построил ее усовершенствованный вариант - с плоско-выпуклым объективом и плоско-вогнутым окуляром. Труба Галилея давала прямое мнимое изображение предмета (принцип устройства бинокля, вернее монокля). Этим его прибор – по сути, зрительная труба – отличался от последующих истинных телескопов - рефракторов. Увеличение, сначала трехкратное, было доведено им вскоре до 32, что для такого типа приборов является пределом. • Название "телескоп" приписывают Демесиани (1576 - 1614), одному из членов "Academiae dei Linchei" ("Академии рысьеглазых", т. е. зорких физиков-экспериментаторов), в которую входил и Галилей. • А уже в 1613 г. Х. Шейнер построил первый рефрактор по новой системе Кеплера(1611 г. ). • • _______ * Захарией Янссеном и Иоганном Липперсгеем: первая зрит. труба Янссена - 1604 г. , к 1608 их продавали в Европе; Липперсгей в 1608 и вскоре Метиус из Алкмара пытались даже получить на них у Голландского правительства патенты как на важные военные приборы. (Паннекук, 1966, с. 24)

Зрительные трубы Галилея (в музее Флоренции) В медальон вделан объектив одного из телескопов Галилея

Первые наблюдатели со зрительной трубой • Уже осенью 1609 г. Галилей и почти одновременно с ним немецкий астроном С. Мариус (Майер, 1570 - 1624) и англичанин Т. Гарриот (1560 - 1621) первыми использовали зрительные трубы для наблюдения неба. • Галилей сразу и намного опередил своих современников.

Первые результаты телескопической астрономии • Телескоп Галилея сразу и колоссально расширил пределы наблюдаемой Вселенной и впервые подтвердил некоторые гениальные догадки древнегреческих натурфилософов.

• В бледных облаках Млечного Пути Галилей действительно обнаружил огромные скопища звезд. • Первым он же отметил как в самой полосе Млечного Пути, так и в других частях неба существование скоплений звезд (Ясли в созвездии Рака, скопление возле звезды λОриона), указав на их звездный состав (во времена Птолемея и до Галилея их видели как туманные пятна и считали более плотными частями небесной сферы.

• Впервые в истории астрономии было показано, что путем прямых наблюдений можно изучать не только движения светил, но также строение и состав космических объектов и что с улучшением средств наблюдений наши представления о Вселенной могут в корне изменяться. • Но в целом мир звезд все еще оставался за пределами возможностей телескопических исследований Галилея. • Свое внимание Галилей сосредоточил на Луне и планетах, где им сразу же были сделаны удивительные открытия.

Астрономические труды Галилея • Астрономические результаты Галилея изложены в его небольшом знаменитом Звездном Вестнике ("Sidereus Nuncius» , 1610 г. ), в письме "О солнечных пятнах" (1615) к его ученику Бенедетто Кастелли и в основном астрономическом сочинении "Диалог о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой" (1632).

На титульном листе своей первой астрономической работы Галилей раскрывал и его главное содержание: • ЗВЕЗДНЫЙ ВЕСТНИК Возвещающий Великие и Очень Удивительные зрелища и предлагающий на рассмотрение каждому человеку, в особенности же философам и астрономам, Галилео Галилеем, Флорентийским Патрицием, Государственным математиком Падуанской гимназии, наблюдения подзорной трубой, недавно им изобретенной, на поверхности Луны, бесчисленных неподвижных звездах, Млечном пути, туманных звездах и прежде всего на Четырех Планетах, обращающихся вокруг звезды Юпитера на неодинаковых расстояниях с неравными периодами и с удивительной быстротой; их, неизвестных до настоящего ни одному человеку, автор недавно первый открыл и решил именовать Медицейскими звездами. В Венеции, у Фомы Бальони, 1610. С разрешения Начальства и с привилегией.

Галилео Галилей 1564 - 1642 Галилей в годы жизни во Флоренции (1610 - 1632), после открытий, опубликованных в «Звездном Вестнике»

Далее шло посвящение «Косме II Медичи четвертому Великому Герцогу Этрурии» , заканчивавшееся словами: «Дано в Падуе за четыре дня до мартовских ид. 1610. Твоего Высочества преданнейший раб Галилео Галилей. » (Работа т. о. была написана, представлена и одобрена цензорами как не противоречащая «Святой Католической Вере, законам и добрым нравам» в Падуе, но напечатана в Венеции)

3. Первые наблюдательные обоснования и защита гелиоцентризма. • Именно в мире планет Галилея ожидали, как он сам писал в 1610 г. , "Великие и Очень Удивительные зрелища". • О Луне. • Опровергнув древние представления об идеальной сферической форме и гладкости небесных тел, Галилей убедился, что поверхность Луны является "наоборот, неровной, шероховатой, покрытой впадинами и возвышениями, совершенно так же, как и поверхность Земли, которая то здесь, то там отмечается горными хребтами и глубокими долинами". Он впервые оценил и поразившую его высоту лунных гор (около 7 км, что близко к современным оценкам).

• Для объяснения гладкого (а не в виде "зубчатого колеса" внешнего края лунного диска он допускал существование и у Луны атмосферы, которая якобы и замывает картину. Как и в свое время Бируни, он отметил цвет затмившейся Луны - "рыжеватый и как бы цвета меди". У Галилея были некие соображения об особом составе лунной атмосферы. • Он утверждал, что атмосфера может быть и у других планет. • Эти вопросы он обещал изложить в своей "Системе мира" (сочинении, оставшемся лишь в планах ученого).

Зарисовки Галилеем Луны в «Звездном вестнике» , 1610 г.

Открытие спутников у Юпитера • Но совершенно новым было открытие Галилеем спутников у Юпитера. Это означало открытие нового реального физического центра обращений во Вселенной, помимо Земли (или все еще гипотетического такого же центра в Солнце).

• В ночь с 7 на 8 января 1610 возле Юпитера Галилей впервые заметил три ярких звездочки почти на одной прямой параллельной эклиптике - две с востока, одну с запада. В последующие ночи число их дошло до 4 -х и они изменяли положение относительно планеты, оставаясь на одной и той же прямой. Спустя пару месяцев их взаимное положение повторилось. Сомнений у Галилея не осталось: это тела, обращающиеся вокруг нового центра - Юпитера. Он отметил и то, что "более быстрыми являются обращения планет, описывающих около Юпитера более тесные круги" (внутренние в пределах 1 -2 суток, внешние около полумесяца). • В честь своего покровителя Великого герцога Тосканского Козимо II Медичи Галилей дал новым планетам имя «Медицейские звезды» . (Спутниками их впервые назвал Кеплер. )

• "Звездный вестник"вышел в свет уже в марте 1610 г. и вызвал сенсацию. • Свои открытия Галилей вскоре пополнил новыми не менее удивительными. • В июле 1610 г. он заметил по бокам планеты Сатурн странные выступы. В них Галилей, естественно, заподозрил новые планеты - теперь около Сатурна! Но поскольку вид их оставался загадочным, он сообщил об открытии анаграммой - строкой из нарочито переставленных букв истинного сообщения, которое после расшифровки следовало прочитать: «Высочайшую планету тройною наблюдал» • Но его предположение оправдалось не буквально. Таинственные выступы оказались частью знаменитого кольца Сатурна. • Уникально терпеливый Кеплер расшифровал фразу провидчески: "Привет вам, близнецы, Марса порождение!" (до их открытия в 1877 г. оставалось два века!)

Вид Сатурна в телескоп Галилея

Фазы Венеры • Наконец, еще одним важным открытием Галилея, которое стало весомым аргументом в пользу гелиоцентризма, стало наблюдательное подтверждение в декабре 1610 г. фаз у Венеры. Правда, это еще не позволяло сделать выбор между коперниковой системой и системой Тихо Браге. • Строго говоря аргументом против геоцентризма было отсутствие у Венеры фазы "полновенерия"(что наблюдается в противостоянии планеты). Дело в том, что в геоцентрической системе противостояние возможно и для нижних планет, тогда как в гелиоцентрической и в системе Тихо Браге – нет, поскольку их орбиты целиком лежат между Солнцем и Землей, не охватывая последнюю. • Т. о. в геоцентрической системе наблюдавшееся на деле колебательное движение нижних планет около Солнца оставалось загадкой и получало объяснение лишь в гелиоцентрической теории и таких системах, как египетская или более поздних компромиссных (Тихо Браге, Рейнгольда, Бэра, Риччоли). • Но вошедший с Коперником в естествознание "принцип экономии причин" делал определенно предпочтительней гелиоцентрическую систему.

Наблюдения Солнца • Новым аргументом против аристотелевской картины идеальных небесных тел стало открытие солнечных пятен сразу несколькими астрономами: • Й. Фабрициус (1587 - 1616) – март 1611 г. (в т. ч. их движение и вращение Солнца, которое считали твердым; тогда же опубликовано). • Х. Шейнер - март 1611 г. (1612 - с рефрактором, но принял их за более близкие к Солнцу планеты ). То же Кеплер с камерой – обскурой в 1607 г. (но принял пятно за Меркурий) • Т. Гарриот - декабрь 1610 г. (но это осталось в рукописях и стало известно лишь позднее) • Галилей (в 1612 г. в письме к Б. Кастелли "О солнечных пятнах " сообщил, что он наблюдал их еще в июле - августе 1610 г. , а также изменение формы пятен, которые принял за облака в атмосфере Солнца). В 1613 – была опубликована переписка Галилея с членом Академии Линчеи Велзери с обсуждением претензий на то же открытие Шейнера и критикой Шейнера Галилеем.

Переписка Галилея о солнечных пятнах, Рим, 1613

В трех письмах о солнечных пятнах (1612 г. ) Галилей давал критические ответы на письма о том же Х. Шейнера, пересланные ему его сочленом по Академии деи Линчеи М. Вельзери. В этой публикации Галилей приводит огромный наблюдательный материал – несколько десятков страниц своих зарисовок изменяющейся картины солнечных пятен. В настоящее время подготовлен и частью уже опубликован русский перевод этой переписки (ИАИ, 2013).

Реакция католической церкви • Разгоревшиеся споры и критика, направленная против гелиоцентрической интерпретации Галилеем своих наблюдений уже вскоре привели к полному запрету Римской церковью как самого сочинения Коперника, так и сочинений, его излагающих (5 марта 1616 г. они были внесены в мрачно-знаменитый "Indeх" – Указатель запрещенных еретических сочинений).

• Вся дальнейшая жизнь Галилея была связана с неоднократными поездками в Рим для объяснений с папой, высшим духовенством, с главой "святой инквизиции" в попытках убедить католическую церковь в своей "благонамеренности". • Изложение, но в осторожной форме, теории Коперника было даже официально разрешено ученому. - Система Коперника должна была при этом представляться лишь как одна из возможных математических теорий для удобного описания явлений, не претендующая на раскрытие их причин.

Письмо к Инголи, 1624 г. В 1942 г. в Академии наук СССР был подготовлен сборник к 300 -летию со дня кончины великого итальянца, открывавшийся этим редким портретом ученого. Сборник был издан в 1943 г. Кроме статей о трудах Галилея в оптике, механике и астрономии он включал первый русский перевод письма-ответа Галилея(1624). своему оппоненту, противнику теории Коперника и приверженцу средневековой науки Франческо Инголи, полученному в год запрета теории Коперника (1616). Чрезвычайно осторожно в этой обстановке Галилей тем не менее приводил в своем ответе убедительные доводы в пользу коперниковой теории, раскрывая невежество своего адресата.

Главный труд Галилея-астронома • В 1632 г. Вышло основное сочинение Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой»

Галилео Галилей 1564 - 1642 Галилей времени издания «Диалога» (1632)

Судьба «Диалога» Галилея. • Опубликование основного астрономического труда Галилея "Диалог о двух главнейших системах мира. . . " разрушило все иллюзии. Напечатанный в феврале 1632 г. с разрешения римской духовной цензуры (так называемой Конгрегации Индекса), он уже в августе был изъят из продажи и внесен в папский "Индекс «, а 69 -летний ученый был вызван в Рим и принужден к унизительной процедуре покаяния.

Суд над Галилеем (он, видимо, сидит в центре перед писцом )(Рим, 1633 г. )

• Галилей, запертый под домашним арестом в своем имении под Флоренцией в местечке Арчетри, где он находился под неусыпным надзором представителей инквизиции, тяжело больной и с 1637 г. ослепший (плата за наблюдения Солнца!), продолжал, тем не менее, работать. Он несколько раз переиздал свой "Диалог" в далекой протестантской Голландии, а в 1638 г. там же вышел его новый большой труд "Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике. . . «

• Быть может, именно такой реальный протест и несломленность духа ученого и вызвали к жизни красивую легенду о якобы произнесенных им после публичного покаяния гордых словах: "А все-таки она вертится! " • Так, в век Просвещения ) петербургский академик Ф. У. Т. Эпинус в своем соч. 1759/ 1770 г. «Рассуждение о строении мира» (новом переложении труда Фонтенеля о множестве обитаемых миров) писал: "Не те уже времена, как Галилей пред всем народом стоя на коленах прощения просить долженствовал за беззаконие своё, которое в одном том состояло, что он был умнее всея Римской Синедрии. . . ". • ( Эти слова Эпинуса неожиданно раскрывают и истинную картину отречения, которую не удержались и смягчили, явно из уважения к осужденному, художники, воспроизводившие эту сцену по своему разумению. )