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

Тихо Браге родился в Дании в 1546 году и изучал право и философию в Копенгагене. По рассказам, его страсть к астрономии проснулась в 14 лет, когда он увидел солнечное затмение. Браге начал заниматься наблюдениями, и в 1576 году ему сделали предложение, которое он не мог отклонить: король Дании хотел, чтобы Браге создал астрономическую обсерваторию на острове Вен и руководил ею. На острове было построено два замка — Ураниборг (в дословном переводе «Небесный замок») и Стьярнеборг («Замок звезд»), — где располагались сооружения, приборы и необходимый персонал. В распоряжении Браге были большие финансовые средства и даже печатный станок, чтобы публиковать результаты открытий. После смерти короля ему пришлось оставить остров и перебраться ко двору императора Рудольфа II. Браге обосновался в замке недалеко от Праги, а его помощником стал Кеплер. До самой смерти в 1601 году он был придворным математиком Рудольфа.

Астрономическая обсерватория Ураниборг на острове Вен в Дании.

Необходимость в надежных сведениях с минимальной долей ошибки побудила его связаться с Браге, который принял ученого в качестве своего помощника. Одним из первых заданий для Кеплера было рассчитать траекторию Марса исходя из теории Браге. Вскоре между учеными начались споры о том, как следует интерпретировать полученные данные. После смерти Браге Кеплер вместо него стал математиком императора и получил свободный доступ ко всем интересующим его данным. В результате своих научных изысканий он сформулировал постулаты, известные сегодня как законы Кеплера.

Все пребывает в гармонии со всем.

Иоганн Кеплер

Изучая Марс, Кеплер, с одной стороны, заметил, что у планет разная скорость вращения и она уменьшается с их удаленностью. А с другой — он понял, что орбиты не могут быть правильными окружностями: это не согласовывалось с полученными данными. Версия математической Вселенной рушилась перед лицом фактов. В конце концов Кеплер пришел к выводу, что источник движения планет не может находиться на периферии космоса, как считал Аристотель, а заключается в самом Солнце. Таким образом, уменьшение скорости планет зависит от их удаленности от Солнца.

Галилей стоит особняком в ряду других астрономов эпохи. Он никогда не задавался целью собрать самые точные данные, чтобы использовать их для создания астрономических таблиц, и наблюдения никогда не наводили его на мысль о небесной механике, как Кеплера. Своим особым положением Галилей обязан открытиям, сделанным с помощью телескопа, и последствиям, которые они оказали на представления о мире.

Кеплер сформулировал три закона, описывающие движение планет. Первые два были опубликованы в 1609 году, а третий — в 1618-м:

— согласно первому закону, орбита планет являет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце;

— согласно второму закону, радиус-вектор, соединяющий центр Солнца с центром планеты, описывает равные площади за равные промежутки времени (см. рисунок);

А = В = С

Рх = Положение планеты

— согласно третьему закону, квадраты периодов обращения планет соотносятся как кубы больших полуосей их орбит. Записав это в виде алгебраического уравнения, получаем, что если среднее расстояние равно r, а период вращения T, то T²/r³= константа.

Прежде всего, телескоп повлиял на собственные убеждения исследователя. Неизвестно, когда он принял идеи Коперника, поскольку всегда вел себя очень осторожно. Но в письме Кеплеру от 1597 года Галилей говорит, что прочитает его Mysterium Cosmographicum («Тайна мира») с таким же вниманием, с каким «годы тому назад отнесся к теории Коперника». И продолжает:

«...с помощью его [Коперника] теории мне удалось полностью объяснить многие явления, которые не могли быть в общем объяснены посредством противоположных теорий. У меня появилось множество аргументов, опровергающих противоположные представления, но я их до сих пор не решился опубликовать из боязни столкнуться с той же судьбой, которая постигла нашего Коперника».

Эти опасения полностью развеял телескоп.

Как впоследствии говорил сам Галилей, пребывание в Падуе, где он провел примерно 20 лет, было самым счастливым временем в его жизни. В 1592 году Паоло Сарпи (1552-1623), священник и большой друг ученого, добился для него от венецианского сената отдельной кафедры профессора математики.

Галилео вошел в круг гуманиста Джана Винченцо Пинелли (1535-1601), обладавшего одной из богатейших библиотек того времени и водившего знакомство с интеллектуалами уровня Джордано Бруно. Он также познакомился с венецианским дворянином Джованни Франческо Сагредо (1571-1620), ставшим впоследствии одним из его лучших друзей. Ученый обессмертил этого веселого юношу в одном из своих диалогов. Сагредо принадлежал к аристократии и прославился пиршествами, которые устраивал в своем дворце. В этот период Галилей работал над решением задач, связанных с архитектурой и баллистикой. Только одно происшествие омрачило его счастливую жизнь в Падуе — смерть Джордано Бруно в 1600 году.

На ночном празднике в Венеции Галилей познакомился с Мариной Гамбой (1570-1612), 21-летней девушкой (примерно на 14 лет моложе самого ученого), необразованной и, возможно, не самых строгих нравов. Они стали жить вместе в доме Галилея, так никогда и не поженившись, и у них родилось трое детей: Вирджиния в 1600 году, принявшая постриг под именем сестры Марии Челесты, Ливия в 1601-м, ставшая монашкой, как и сестра, и Винченцо в 1606-м. Галилей не признал отцовство ни одного из детей, хотя всегда общался с ними, а его слуги стали их крестными отцами.

Появление в 1604 году еще одной сверхновой в созвездии Стрельца, такой же, как открытая Браге и Диггесом в 1572 году, вызвало огромный интерес среди астрономов и интеллектуалов. Галилей с большим любопытством отнесся к этому явлению, и подробное наблюдение этой звезды стало его первой астрономической работой. По результатам своих изысканий он прочел несколько лекций о природе новой звезды, на которых присутствовало множество слушателей, а также опубликовал несколько работ, например «Диалог Чекко ди Ронкитти о новой звезде» — спор с последователями Аристотеля. Один из трудов, «Размышления Алимберта Маури» (изданный под псевдонимом), был использован против ученого годы спустя на процессе Инквизиции. Закат счастливой эпохи начался, когда в 1607 году чуть не был убит Сарпи, а потом Сагредо получил назначение посланником в Сирию и покинул Венецию. Но прежде чем закончилось пребывание Галилея в Падуе, благодаря телескопу он стал самым известным ученым Европы.

В 1608 году Сарпи узнал об оптическом инструменте, который тщетно пытался запатентовать Иоганн Липперсгей (1570— 1619) — производитель линз, немец, живущий в Нидерландах (в течение всего нескольких недель многие пытались объявить это изобретение своим). По рассказам, дети Липперсгея, играя с испорченными линзами, обнаружили, что с их помощью можно увеличивать предметы. Очень быстро этому изобретению нашли важное применение в военном деле, поскольку оно позволяло обнаруживать противника издалека и успеть подготовиться к защите.

Галилей использовал телескоп рефракторного типа. Вследствие преломления света в линзе объектива параллельные лучи, исходящие от сильно удаленного объекта, соединяются в точке фокуса. Далекие предметы кажутся большего размера и более яркими. Для вычисления увеличения расстояние от объектива до фокуса (F) делится на расстояние от окуляра до фокуса (f).

Как и другие астрономы того времени, Галилей хотел иметь свой собственный телескоп и принялся за работу. В его телескопе объективом была выпуклая линза, а окуляром — вогнутая. Уже первые его модели были лучше голландских оригиналов: после нескольких опытов ему удалось увеличить предметы в девять раз, в то время как оригинальные приборы увеличивали только в три-четыре раза. Ученый добился таких результатов благодаря более тонким линзам и глубоким познаниям в оптике, которые позволили ему применить метод, используемый мастерами очков и основанный на изгибе линзы.

При помощи Сарпи Галилей попытался устроить демонстрацию венецианскому сенату, для которого это изобретение было важным, поскольку позволяло обнаруживать с берега врагов. После показа, прошедшего с большим успехом, Галилей проявил все свое хитроумие. Он передал права на производство прибора Венецианской Республике в обмен на существенное повышение своей заработной платы, поднятой до 1000 флоринов, и более престижное место в университете, где ему предоставили пожизненную кафедру. Но на самом деле Венеция не могла помешать другим конструировать телескопы, и производители линз для монокуляров заработали по всей Европе. После того как Галилей улучшил свое материальное положение, он продолжил совершенствовать прибор. Постепенно ученый перешел к модели, увеличивающей в 20 раз (и это помогло ему сделать несколько потрясающих открытий, в результате которых Земля стала считаться такой же планетой, как и другие), а в конце концов ему удалось создать телескоп с 30-кратным увеличением.