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

Галилей всегда старался найти практическое применение своим открытиям. Он подумал, что спутники Юпитера могли бы помочь разрешить важную проблему моряков и торговцев — определение географической долготы. К тому времени это стало государственной задачей. Во время длительных плаваний корабли терялись, с ними гибли люди и пропадали ценные грузы. Правильное определение долготы было насущной и животрепещущей проблемой. Король Испании Филипп III даже назначил большое вознаграждение тому, кто нашел бы ее решение.

Галилей решил использовать спутники Юпитера как стрелки часов, которые могли бы определить долготу посреди океана. У этих спутников происходят тысячи затмений в год и как минимум одно за ночь (а в среднем три). Можно было сделать  таблицы с указанием точного времени затмений в определенном месте, а моряки отнимали бы это значение от времени там, где они находились, и узнавали бы свою долготу.

Чтобы узнать наше точное местоположение на Земле, необходимо установить широту и долготу. Способ вычислить широту был известен с давних времен: ее значение, определяющее расстояние от полюса и экватора, можно было получить, например, высчитав высоту Солнца или угол, образуемый Полярной звездой с горизонтом (при помощи астролябии). Метода же вычисления долготы не существовало. Если мы будем двигаться на восток по прямой линии, то через каждые пройденные 15° долготы должны будем перевести стрелки часов на час назад, а при движении на запад — вперед. Поскольку местное время узнать легко исходя из высоты Солнца или расположения звезд, то вопрос о долготе сводится к тому, чтобы узнать время в другой точке, взятой в качестве ориентира. Возить с собой часы с маятником было невозможно, поэтому проблему долготы смогли решить только после изобретения Джоном Гаррисоном (1693- 1776) хронометра. Свой первый хронометр англичанин сделал в 1759 году. С 1884 года земной шар условно поделен на часовые пояса, напоминающие дольки апельсина, начиная от нулевого Гринвичского меридиана. Каждый часовой пояс отличается от другого на один час, то есть на 15° долготы.

Следующая сложность была сугубо технической: как узнать, что моряки правильно наблюдают затмения? Тогда Галилей сконструировал специальный прибор в виде перевернутого купола с телескопом, который должен был обеспечить неподвижность устройства во время наблюдения. Но эта попытка провалилась. Достаточно было легкого толчка, чтобы телескоп потерял равновесие, и спутники пропадали из фокуса. Ни один моряк даже при самом легком волнении не мог навести фокус и вычислить долготу. Галилей попробовал продать свое изобретение и даже устроил практические показы, на которых его помощник действительно отплывал на корабле, но ему так и не удалось убедить кого-либо в практической пользе устройства.

Открытие фаз Венеры (в 1610 г.) оказало большое влияние на споры об устройстве мира. Эти фазы похожи на лунные, Венера также бывает растущей, полной, убывающей и снова полной. Объяснить их можно было, предположив, что иногда Венера находится за Солнцем и невидима с Земли, а иногда — перед Солнцем, и в зависимости от угла, который она образует с Землей, планета освещена по-разному. Галилею также удалось наблюдать Сатурн и его аномалии, которые он, однако, не смог интерпретировать как кольца. Ему показалось, что это были пятна в форме ручек, иногда внезапно исчезавшие. Вначале он подумал, что это могли быть спутники, но в конце концов отбросил эту идею. Недостаточная мощность телескопа не позволила ученому наблюдать кольца Сатурна, в определенные периоды года поворачивающиеся под таким углом, под которым становятся практически невидимыми с Земли.

Галилей не мог обнародовать свое открытие, не имея четкого представления о его сути. С другой стороны, чем дольше он тянул с публикацией, тем выше был риск, что его опередит другой астроном. Поэтому исследователь придумал способ, с помощью которого обеспечивал себе первенство открытия, ничего о нем не рассказывая: он отправил великому герцогу Тосканскому анаграмму, в которой была зашифрована новость, и предлагал остальным астрономам, в том числе Кеплеру, разгадать ее содержание, что было почти невозможно, учитывая количество доступных комбинаций. Анаграмма выглядела настоящей абракадаброй: SMAISMRMILMEPOETALEUMIBV NENUGTTAVIRAS.

Телескоп позволил Галилею совершить необыкновенные открытия, например спутники Юпитера. Рисунки, изображающие их, взяты из трактата «Звездный вестник».

Демонстрация на башне Сан Марко в Венеции военных возможностей, открываемых телескопом.

Через несколько месяцев Галилей раскрыл ее значение: ALTISSIMUM PLANETAM MERGIMINUM OBSERVAVI, что в переводе означает: «Я наблюдал, что высочайшая планета [по сравнению с Сатурном] была тройной».

Историк Стилман Дрейк (1910-1993) уверяет, что Галилей видел также и Уран, хотя и спутал его со звездой. Впоследствии Уран был открыт Уильямом Гершелем (1738-1822) в 1781 году. Дрейк пришел к такому выводу, внимательно изучив записи Галилея и заметив, что его заметки были сделаны в период, когда Уран должен был быть скрыт за Сатурном. И действительно, одна из звезд, нарисованных Галилеем, на самом деле является планетой Уран.

Дрейк также отмечал потрясающую точность наблюдений Галилея. По его мнению, ученый пользовался прибором, о котором говорил лишь вскользь и который был более подробно описан одним из его учеников. Это приспособление было очень простым и состояло из сетки, подвешенной на телескоп рядом с объективом. Таким образом, если смотреть одним глазом через окуляр, держа другой открытым, и не сводить взгляда с сетки, создавался эффект, похожий на тот, который возникает при использовании микрометрических инструментов с визуальными шкалами. Как объяснял сам Галилей, этот инструмент служил для «точного измерения интервалов и расстояний».

Галилей дважды зашифровывал свои открытия в анаграммах, и Кеплер был одним из астрономов, заинтересованных в разгадке этих тайных посланий. Любопытно, что он нашел собственные интерпретации, которые, как впоследствии обнаружилось, также были верными. Анаграмма — это игра, в которой перемешанные случайным образом буквы надо поставить в нужном порядке, чтобы узнать скрытый в сообщении смысл. В первой анаграмме Галилея о Сатурне Кеплер расставил буквы следующим образом: Salve umbistineum geminatum martia proles, или «Привет вам, близнецы, Марса порождение». По мнению Кеплера, в открытии Галилея говорилось о двух спутниках Марса. Хотя его версия и была ошибочна, в 1877 году выяснилось, что у Марса действительно есть два спутника, Фобос и Деймос. Вторую анаграмму Галилей посвятил фазам Венеры: Наес immatura a me iam frustra lengunturoy, что дословно означает «Напрасно я прочел преждевременно». Кеплер нашел восемь возможных осмысленных прочтений, все они были неправильными и не соответствовали тому, что зашифровал Галилей. Удивительно, но Кеплер предложил и девятую интерпретацию: Macula rufa in jove est, gyratur mathem, etc, что в переводе означает «На Юпитере есть пятно, которое вращается математически». Сегодня все знают о пятне на Юпитере, но Кеплеру о нем ничего не было известно. Впервые пятно наблюдали в XIX веке.

Одним из самых важных и вызвавших наибольшие споры явлений было наблюдение солнечных пятен, которое Галилей провел в начале 1611 года. Ученый не мог смотреть в телескоп прямо на Солнце, ведь оно излучает такое огромное количество света, что он бы ослеп. Для таких наблюдений обычно прибегали к непрямому способу, названному методом проецирования. Метод заключался в наведении телескопа на Солнце и проецировании получаемого из окуляра изображения на белую поверхность. При наличии пятен на Солнце на этой поверхности наблюдаются более темные области. Прибегнув к подобному методу, Галилей смог не только увидеть солнечные пятна, но и убедиться, что они постоянно находятся в движении и изменяются. Существуют доказательства того, что пятна были обнаружены за несколько столетий до Галилея. Считается, что первым, кто увидел их в телескоп, мог быть астроном Томас Хэрриот.

Эти наблюдения повлекли за собой интересные споры. Некоторые утверждали, что пятна могут быть проекциями теней от тел, располагающихся между Солнцем и Землей. Такое толкование изложил в своих письмах, опубликованных под псевдонимом Апеллес, Кристоф Шейнер (1573-1650). Когда они попали в руки к Галилею, тот ответил серией писем, озаглавленных «История и демонстрация солнечных пятен» (1613), в которых геометрически доказывал, что эти пятна находятся на поверхности Солнца. Основываясь на их движении, Галилей сумел установить, что Солнце оборачивается вокруг своей оси за месяц.