Тема
«Галилей: основание современнойнауки»
ВВЕДЕНИЕ
Среди выдающихся естествоиспытателей и деятелей техникипрошлого Галилео Галилей благодаря своему большому вкладу в физику и астрономиюзанимает одно из самых значительных мест. Его имя стало легендарным благодаряпроведенному против него процессу инквизиции. Хотя в 1600 году Джордано Брунобыл даже сожжен заживо за свои убеждения, имя Галилея все же прочнеезапечатлелось в памяти потомков. Дело наверняка в том, что он широкоподтверждал свои утверждения экспериментом и приобрел всеобщее профессиональноепризнание, которое очень помогло ему в идеологическом конфликте междупробивающей себе путь на свободу истиной и основанной на догмах схоластикивластью.
Поэтому легенда о Галилео Галилее разрасталась в разныхнаправлениях, однако сегодня можно считать доказанным, что ни кадила вПизанском соборе, ни наклонная Пизанская башня не сыграли в его научной жизнитой роли, какую им приписывали, и что не было той заключительной сцены передтрибуналом инквизиции, в которой Галилей, несмотря ни на что, сказал бы: «Авсе-таки она движется!» (Eppur si muove!). И, тем не менее, эти легенды всееще остаются неистребимо живучими. И напротив, верно, что Галилей защищалпротив церковных догм коперниканское учение, а затем отрекся от него, когда егожизни угрожал мученический конец, и что он, тем не менее, сохранилприверженность этому учению до конца своих дней.
Во всяком случае, сегодня твердо установлено, что ГалилеоГалилей и Иоганн Кеплер были основателями того направления естествознания XVII столетия, которое вылилось, затем вньютоновскую физику и вместе с ней господствовало над умами в областифизического мышления в течение двухсот лет. Главный труд Исаака Ньютона Philosophiae naturalis principia mathematica («Математические начала натуральной философии») увидел свет в1687 году.
Такой компетентный математик и физик как Жозеф Луи Лагранжтак отозвался о важнейшем вкладе Галилея в учение о движении:
«Требовалась исключительная сила духа, чтобы извлечь законыприроды из конкретных явлений, которые всегда были у всех перед глазами, нообъяснение которых тем не менее ускользало от пытливого взгляда философов».
Метод расширения познания в физике с помощью эксперимента иматематики, продемонстрированный на примере движения свободно падающего тела, иего главные труды, а именно Dialogo и Discorsi создали Галилею славу творца ипроповедника физического метода нового времени. Галилей с сенсационным успехомввел в астрономию зрительную трубу как наблюдательный инструмент. Еготеоретические идеи указали технике пути развития учения о прочности. Он,наконец, владел столь мастерски своим родным языком, что многие из егопубликаций даже занимают видное место в национальной литературе Италии.
Богатое научное наследие, оставленное Галилеем, и его сложныйхарактер как человека вместе с процессом инквизиции привели к появлению почтинеобозримой литературы о Галилее, в которой часто встречаются прямопротивоположные оценки.
Появление данного тома мы можем оправдать лишь тем, что мыпопытались оценить вклад Галилея в науку с современных нам позиций и проследитьего эволюцию через Ньютона и до Альберта Эйнштейна, т. е. до физики наших дней.Конфликт Галилея с укоренившимися догмами его времени, если рассмотреть его, посути, отражает не что иное, как ставшее именно в нашем столетии необходимымпонимание ответственности ученого за то научное знание, которое он создает.
Галилей направил зрительную трубу на Луну и созвездия. Темсамым он положил начало научному исследованию космоса в то время, когда многиееще страшились погубить свою душу тем, чтобы соучаствовать в таком«кощунственном» использовании зрительной трубы. Сегодня мы уже являемсясвидетелями того, как телеуправляемые лунные зонды или люди на космических корабляхсовершают облеты этого небесного тела и передают информацию по радио на Землю.Какой оптимизм вселяет такое изменение, на какие свершения становится способенчеловек, если он творит в мире!
Вторая научная революция. Механистическая картина мира
Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на рубеже двухэпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового времени. Последняя охватывает тристолетия—XVII, XVIII, XIXвв. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, уистоков которой стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Ньютон.
В учении Галилео Галилея были заложены основы нового механистическогоестествознания. Как свидетельствуют А. Эйнштейн и Л. Инфельд, «самаяфундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-засложности — это проблема движения».[8, с. 8]
До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения,выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движетсятолько при наличии внешнего на него воздействия, и если это воздействиепрекращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принципАристотеля (хотя и согласуется с нашим повседневным опытом) является ошибочным.Вместо него Галилей сформулировал совершенно иной принцип, получившийвпоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состояниипокоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если нанего не производится какого-либо внешнего воздействия.
«Открытие, сделанное Галилеем, и применение им методовнаучного рассуждения были одним из самых важных достижений в истории человеческоймысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому,что интуитивным выводам, базирующимся на непосредственном наблюдении, не всегдаможно доверять, так как они иногда ведут по ложному следу».
Большое значение для становления механики как науки имелоисследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скоростьсвободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), апройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилейоткрыл, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начальноготолчка и земного притяжения, является параболой. Галилею принадлежитэкспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебаниямаятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.
Галилей выработал условия дальнейшего прогрессаестествознания, начавшегося в эпоху Нового времени. Он понимал, что слепая верав авторитет Аристотеля сильно тормозит развитие науки. Истинное знание, считалГалилей, достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения,опыта (эксперимента) и вооруженного математическим знанием разума, а не путемизучения и сличения текстов в рукописях античных мыслителей.
Росту научного авторитета Галилея способствовали егоастрономические исследования, обосновывавшие и утверждавшие гелиоцентрическуюсистему Коперника. Используя построенные им телескопы (в начале это былскромный оптический прибор с трехкратным увеличением, а впоследствии был создантелескоп и с 32-кратным увеличением), Галилей сделал целый ряд интересных наблюденийи открытий. Он установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на егоповерхности имеются пятна. У самой большой планеты Солнечной системы Юпитера — Галилейобнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее время). Наблюдения за Лунойпоказали, что ее поверхность гористого строения и что этот спутник Земли имеетлибрацию, т. е. видимые периодические колебания маятникового характера вокругцентра. Галилей убедился, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит измножества отдельных звезд.
Но самое главное в деятельности Галилея как ученого-астрономасостояло в отстаивании справедливости учения Н. Коперника, которое подвергалосьнападкам не только со стороны церковных кругов, но и со стороны некоторых ученых,высказывавших сомнения в правильности этого учения. Галилей сумел показатьнесостоятельность всех этих сомнений и дать блестящее естественнонаучноедоказательство справедливости гелиоцентрической системы в знаменитой работе«Диалог о двух системах мира — Птолемеевской и Коперниковой».
Как уже отмечалось выше, католической церковью в 1616 годубыло принято решение о запрещении книги Коперника «Об обращениях небесныхсфер», а его учение объявлено еретическим. Галилей в этом решении упомянут небыл, но ему все же пришлось предстать перед судом инквизиции. После длительныхдопросов он был вынужден отречься от учения Коперника и принести публичноепокаяние.
Спустя 350 лет после смерти Галилея, в октябре 1992 года, онбыл реабилитирован католической церковью, его осуждение было признаноошибочным, а учение — правильным. Глава римско-католической церкви папаИоанн-Павел II заявил при этом, что церковь недолжна выступать против науки, а наоборот, должна поддерживать научный прогресс(из телевизионной информационной программы «Время», 31 октября 1992 г.).
Взгляд на ньютоновскую и эйнштейновскую физику
Читая Discorsi, глубоко проникаешься удивлением, скольобширен вклад Галилея в науку, сделанный им в глубокой старости и несмотря наперенесенное им осуждение со всеми его последствиями. В корне ложен образГалилея, когда представляют, будто после своего отречения он преисполнилсяпокорности или даже занимался самообвинениями как изменивший делу науки. Еслиучесть все обстоятельства, действовавшие в тогдашнем обществе и в полной меревлиявшие также на Галилея, то можно единственно утверждать, что Галилей знал,на что он идет. Его жизнь была жизнью создавшего целую эпоху исследователя ивместе с тем жизнью борца против догматической псевдо науки, и эта жизнь былапреисполнена последовательности в проведении его научной ЛИНИИ:
Даже слепота не парализовала постоянной активности Галилея.Свое письмо самому верному другу Миканцио от 30 января 1638 г. он заканчивал словами:
«Так что я не прекращаю даже в охватившей меня темнотестроить рассуждения по поводу то одного, то другого явления природы, и я несмог бы дать своему беспокойному уму отдыха, даже если бы пожелал того. Такоевозбуждение мне очень вредит, ибо оно принуждает меня постоянно бодрствовать».
Галилей как сын своего времени субъективно в определенномсмысле более тяготел к феодализму, чем к буржуазному обществу, что проявилось ипри его переезде из Венецианской республики во Флоренцию, ко двору великогогерцога. Однако несомненно, что объективно он сыграл роль сияющего маяка вобщественной жизни. Как подчеркивает Кузнецов [4], «инквизиция осудила Галилея,так как наука в его руках стала мощной общественной силой, направленной противпережитков в общественных отношениях».
Рассматривая как Dialogo, так и Discorsi, мы снова и снова обнаруживали, что ставившаяся Галилеем проблематика в идейномотношении непосредственно ведет к ньютоновской и эйнштейновской физике. Поэтомуне хотелось бы завершать это изложение, хотя бы просто не указав на тефундаментальные вопросы физики, с которыми имеется такая взаимосвязь.
Известно, что впервые к количественной формулировке законовмеханики подойти смог только Ньютон, когда он создал аппарат математическогоанализа, отвечавший потребностям физики. Его Philosophiae Naturalis Princi-pia Mathematica(«Математические начала натуральной философии») создали основу для целойньютоновской эпохи в физике. В этом труде ему удалось собрать квинтэссенциювсех фундаментальных физических знаний того времени. Он исходил изпринципиальных основ физического исследования и начал с того, что сформулировалпредставления об основных для физики понятиях пространства и времени, в которыхон усматривал абсолютные категории. Итак, он определил:
«Абсолютное пространство по самой своей сущности,безотносительно к чему-либо внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.
Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и посвоей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекаетравномерно...»
Основываясь на этих понятиях пространства и времени, Ньютон,который не желал «измышлять гипотез», построил свою физику. Лишь Эйнштейнуудалось почти 250 лет спустя обнаружить, что эти представления о пространстве ивремени являются неприемлемыми гипотезами.
Содержание ньютоновской физики состоит из трех аксиоммеханики Ньютона:
1.Закон инерции. Каждое тело, когда на него не действуют никакие силы, сохраняет состояниепокоя или равномерного прямолинейного движения. (О физическом авторстве Галилеяв формулировке этого закона мы уже подробно говорили).
2.Закон движения.
3.Закон действия и противодействия. Действию всегда есть равное и противоположноепротиводействие.
Кроме того, сюда входит еще закон всемирного тяготенияНьютона.
Уже в ньютоновской физике исследователи обратили внимание надва принципиально разных типа систем отсчета, причем под системой отсчетаследует понимать совокупность материальных объектов, к которым физики относят своиизмерения:
1. Инерциальныесистемы, которые находятся в состоянии покоя или равномерного движения относительносистемы неподвижных звезд.
2. Неинерциальныесистемы, находящиеся относительно системы неподвижных звезд в состоянии ускоренногодвижения (такова, например, вращающаяся карусель).
Установлено, что ньютоновский закон движения форм-инвариантен(ковариантен) относительно преобразований Галилея. Этот факт констатируется в названномтакже в честь Галилея принципе относительности Галилея:
«В двух движущихся друг относительно друга инерциальныхсистемах отсчета, связанных между собой преобразованием Галилея, ньютоновский закондвижения имеет один и тот же вид».
Значит, никакая инерциальная система ничем не выделяется издругих инерциальных систем. В уравнения движения не входит скоростьотносительно какой-либо инерциальной системы отсчета, которую можно было бырассматривать как абсолютно покоящуюся относительно пространства и тем самымпривилегированную.
В этом состоит самая характерная черта ньютоновской физики,достигшей огромных успехов за более чем двести лет своего существования как вземных, так и в космических приложениях.
К концу XIXстолетия техника эксперимента в области электромагнитных явлений, и особенно воптике, достигла такого высокого уровня развития, что физики были поставленыперед лицом удивительного факта, вытекавшего из результатов знаменитого опытаМайкельсона и анализа распространения света от двойных звезд, с определенностьюуказывавших на постоянство скорости света. Этот факт состоял в том, чтоуравнения Максвелла — основные уравнения при описании всех электромагнитныхявлений — оказались не форм-инвариантными относительно преобразований Галилея впротивоположность уравнениям движения ньютоновской механики, инвариантность которыхбыла установлена выше.
В результате попыток устранить это противоречие междумеханикой и электродинамикой в 1905 году Альбертом Эйнштейном была созданаспециальная теория относительности; его предшественниками были Фойгт, Лоренц,Пуанкаре, Хазенэрль и др., которые, однако, по большей части не смоглиосвободиться от господствовавшей тогда концепции мирового эфира.
Непреходящей заслугой гения Эйнштейна было то, что он, исходяиз глубоко философских соображений, поставил во главу угла принцип единствафизики и добился согласия между механикой и теорией электромагнетизма. Онпроизвел последовательное обобщение принципа относительности Галилея и пришел кспециальному принципу относительности Эйнштейна: «В двух движущихсяотносительно друг друга инерциальных системах отсчета законы природы имеют одини тот же вид».
Если сравнить эту формулировку с выражением принципаотносительности Галилея, обнаруживается то существенное различие, что принципотносительности Галилея относится только к механике, тогда как эйнштейновскийпринцип охватывает всю физику (исключая лишь гравитацию).
Зададимся вопросом, какие эпистемологические предположениядолжен был привлечь Эйнштейн для того, чтобы непротиворечиво реализовать свойпринцип относительности. Об этом и пойдет теперь речь.
Эйнштейн подверг основательной критике ньютоновские концепцииабсолютного пространства и абсолютного времени и пришел к выводу, что сами посебе пространство и время суть относительные категории, собственно же предметоми основой физического исследования является четырехмерныйпространственно-временной континуум. Тем самым был сделан переход от 3-мерногок 4-мерному мышлению. Пассивной ареной, на которой протекают физическиеявления, стало пространство-время. При этом его геометрия постулировалась как псевдоевклидова,т.е. плоская, и пространство-время рассматривалось как предельно лишенноеструктуры и бесконечно протяженное. Пока что принципиально новым моментом посравнению с ньютоновским пространством был переход от трехмерности кчетырехмерности. В теории Ньютона абсолютное время играло роль абсолютногостандарта для всего мира, что находило свое отражение в уравнениях физики в том,что время было самостоятельным параметром. Напротив, эйнштейновскаярелятивизация времени и его объединение с пространством привели к равноправиюпространства и времени. В дальнейшем оба понятия должны были фигурировать взаконах природы симметричным образом.
Эта фундаментальная идея должна была математически выражатьсяв том, что каждой системе отсчета следовало приписать свое собственноеотносительное время. Тем самым был получен ответ и на вопрос о противоречии,возникшем в результате опыта Майкельсона.
В своей знаменитой работе 1905 года «К электродинамикедвижущихся тел» Эйнштейну удалось вывести названные им в честь Лоренцапреобразования, которые описывают переход от одной инерциальной системы отсчетак другой.
Когда относительная скорость систем отсчета мала, (и/с)2«1, преобразования Лоренца принимают вид
х' = х — ut, y' = y,z '= z, t' = t,
а это и есть преобразования Галилея, записанные через своикомпоненты. Тем самым была обеспечена необходимая преемственность между физикойЭйнштейна и физикой Ньютона, причем в случае больших скоростей и высокихэнергий последняя вырождается в слишком грубое приближение действительности.
Этот схематический набросок специальной теорииотносительности приводит нас и к кругу основных идей общей теорииотносительности [7]. Специальный принцип относительности Эйнштейна, подобнопринципу относительности Галилея, ограничивается использованием инерциальныхсистем отсчета, т. е. систем, находящихся в состоянии равномерного движения. Втечение почти 10 лет Эйнштейн работал над тем, чтобы снять это ограничение. Врезультате в 1915 году ему удалось создать свою общую теорию относительности, справедливуюпри любых типах движения систем отсчета. Ее сущность формулируется в общемпринципе относительности Эйнштейна:
«Законы природы имеют один и тот же вид в произвольныхсистемах обсчета».
Так Эйнштейн освободился от понятия инерциальной системы отсчета.
Математическим аппаратом, позволяющим конкретно выразить этувсеобъемлющую теорию, является тензорное и спинорное исчисление.
Применение общего принципа относительности к механике итеории электромагнетизма не принесло Эйнштейну особых неожиданностей. Однакообобщение ньютоновской теории тяготения привело к открытию совершенно новыхфактов о структуре пространства и времени.
Эйнштейн пришел индуктивным путем к заключению, что реальноепространство-время может быть не псевдоевклидовым, т. е. плоским, ноискривленным в соответствии с законами римановой геометрии. Он исходил из техсоображений, что пассивная роль пространства-времени в специальной теорииотносительности не может давать полного выражения сущности пространства-временикак атрибута материи, но что структура пространства-времени должна быть самаследствием состояния движения материи, и обратно, состояние движения материидолжно обусловливаться структурой пространства-времени. Эту обоюднуювзаимосвязь он сумел математически выразить в своих знаменитых уравненияхгравитационного поля.
Для слабо искривленного пространства-времени, существующего внаших земных условиях, уравнения поля Эйнштейна переходит в указанное вышеуравнение поля Ньютона. Тем самым преемственность сменяющих друг друга физическихтеорий обеспечивается и в этой области.
Теория относительности лежит в основе всех разделов физики,так как их основные постулаты должны быть, в конечном счете, согласованы междусобой. Большой успех был достигнут и в квантовой теории, когда Дирак сумел датьее релятивистскую формулировку.
Особой областью приложения эйнштейновской теории являетсярелятивистская космология, из которой мы черпаем сведения о структуре Вселеннойкак целого.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Галилео Галилей сделал много изумительно ценного для физики итем самым для всего естествознания, когда оно вырвалось из лабиринтасхоластических заблуждений духа; он проложил путь научному методу органическойсвязи эксперимента и – хотя еще органической – теории. И что бы ни говорили одурных сторонах характера Галилея или еще могли бы сказать о них, он все равноостается удивительной личностью.
Бросая сегодня ретроспективный взгляд на физику, мы видим,что современность связывает с эпохой Средних веков цепь идей, в которойсверкают поистине бриллианты. Благодаря гению Галилея, Ньютона, Эйнштейна имногих других наука стала плодом цивилизации, находящимся на службе всегочеловечества.
Список использованной литературы
1. Воронов В.К.,Гречнева М.В., Сагдеев Р.З. Основы современного естествознания: Учебное пособиедля ВУЗов. – М.: Высшая школа, 1999. – 247 с.
2. Горелов А.АКонцепчии современного естествознания. – М.: Центр, 1997. 360 с.
3. Концепции современногоестествознания: Учебное пособие для ВУЗов. – Ростов н/Д: Феникс, 2000. – 576 с.
4. Кузнецов Б.Г. ОтГалилея до Эйнштейна. – М.: Наука, 1965. -185 с.
5. Найдыш В.М.Концепции современного естествознания: Учебное пособие. М.: Гардарики, 2003. –476 с.
6. Солопов Е.Ф.Концепции современного естествознания: Учебник для ВУЗов. – М.: Владос. 2001. –232 с.
7. Шмутцер Э. Теорияотносительности – современное представление. Путь к единству физики. – М.: Мир,1981. – 159 с.
8. Эйнштейн А.,Инфельд Л. Эволюция физики. – М.: 1965