ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙ

ЛЮДИ НАУКИ

К 350-летию телескопических наблюдений и 400-летию со дня рождения
О. А. МЕЛЬНИКОВ
член-корреспондент АН СССР

Великий итальянский ученый, мыслитель и литератор Галилео Галилей жил в эпоху Возрождения — эпоху, когда новое в науке, искусстве, литературе смело и неудержимо прорывалось сквозь запреты инквизиции и становилось достоянием все более широких народных масс.
Галилей открыл новую эру в механике, физике и астрономии. Вместе со своим современником — крупнейшим немецким ученым Иоганном Кеплером (1571 —1630) Галилей впервые применил в астрономии метод телескопических исследований и фактически утвердил новую астрономию, широкий путь которой был открыт великим польским астрономом Николаем Коперником (1473—1543).         -
Почти всю свою жизнь Галилей посвятил борьбе за прогрессивное мировоззрение своих современников, отстаивая материалистическое, научное истолкование явлений и законов природы на основе теоретического анализа и эксперимента, против схоластики.
Галилей родился 15 февраля 1564 г. на севере Италии в городе Пизе, где и провел свои молодые годы. В 1581 г. 17-летним юношей он поступил в Пизанский университет и, по желанию отца, начал там изучать медицину. Вскоре у молодого Галилея проявились математические способности. Он изучил сочинения крупнейших математиков древности — Евклида и Архимеда, которого он считал своим настоящим учителем.
Из-за бедственного положения семьи Галилею пришлось оставить университет. Но он продолжал учиться самостоятельно, вскоре стал известен своими исследованиями и уже в 1589 г. получил должность профессора математики и астрономии в родной Пизе.
Еще будучи студентом, Галилей отказался от принятия на веру бездоказательных, схоластико-догматических рассуждений преподавателей его времени, которые основывались только на авторитетах Аристотеля, Птолемея и других крупнейших естествоиспытателей и писателей древности, на чтении и истолковании различных текстов из их произведений. Научные опыты Галилея по механике, которые он начал в Пизе, подрывали основывавшийся на средневековых традициях авторитет его коллег, и в университете создалась такая тяжелая обстановка из-за происков врагов-схоластов, что Галилей вынужден был оставить профессуру раньше назначенного срока.
В 1592—1610 гг. Галилей жил в Падуе — городе Венецианской республики. В Падуан- ском университете он читал свои блестящие по содержанию и стилю лекции (чему в сильной степени помогло юношеское изучение произведений знаменитых латинских и греческих писателей) и писал научные трактаты.
С 1610 по 1633 г. Галилей занимал должность главного математика и философа при дворе тосканского герцога Козимо II Медичи (без обязательного чтения лекций).
Первое свое наблюдение по механике Галилео сделал еще юношей в 1582 г. в Пизе. Согласно преданию, он, наблюдая качание люстры и считая при этом свой пульс, установил, что период колебания люстры не зависит от амплитуды. Дальнейшие опыты с маятниками привели Галилея к выводу, что период колебаний маятника зависит от его длины, что все тела в отсутствии воздуха падают с одинаковым ускорением и т. д.
Галилей — основатель современной механики. В этой области знаний он, почти не имея предшественников, открыл новую эру — эру динамики, разрушив неправильное, однако в течение 20 веков господствовавшее учение Аристотеля о движении. Средства для постановки опытов Галилей имел очень примитивные, но остроумное их оформление позволило ему получать результаты с необходимой точностью. Ставя опыты, Галилей изучал процесс, по которому развивается данное явление природы, и на этой основе раскрывал его причины.
Опыты с падающими телами были очень интересными, ведь со времен Аристотеля считалось, что скорость падающих тел пропорциональна их весу. Галилей же установил, что в равные промежутки времени свободно падающие тела, независимо от их веса, проходят равные отрезки пути (двигаясь равномерно-ускоренно). Следовательно, железный и деревянный шарики одного размера, брошенные в один и тот же момент с равной высоты, достигнут земли одновременно. Некоторые неточности, как показал Галилей, обусловлены тем, что падение происходит в сопротивляющейся среде — в воздухе.
Галилей первым ввел определения понятий скорости, ускорения, силы инерции, относительности движения и т. д. В своих исследованиях он был очень близок к точной формулировке двух первых основных законов движения. Галилей открыл и впервые математически сформулировал ряд других законов природы из области механики и смежных наук.
Теоретические и экспериментальные исследования Галилея по механике позволили ему решить ряд практических задач. Используя найденные им закономерности, Галилей построил много интересных приборов, в том числе прибор для измерения времени, нашедший применение в медицине, гидростатические весы для определения состава металлических сплавов и т. д.
Необходимо отметить, что основные открытия Галилея по механике были напечатаны лишь в 1638 г. в Лейдене (Голландия) под названием «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки». В это время Галилею было уже 74 года!
Замечательные исследования принадлежат Галилею в области геометрической и физической оптики. Эти работы помогли ему впоследствии при создании телескопа и микроскопа, хотя оба эти важнейших прибора изобретены не Галилеем, и имен их изобретателей мы с уверенностью не знаем до настоящего времени. Но Галилей знал об этих открытиях, смог их самостоятельно повторить и быстро реализовать.
Свой первый телескоп Галилей построил в 1609 г. Микроскоп же он сделал немного позднее (1610—1614 гг.). В первом варианте микроскоп представлял собой тот же телескоп, но с раздвижной трубой. Однако позднее, в 1624 г., Галилей построил новый микроскоп с очень короткофокусными линзами и подвижным столиком.
Первый телескоп Галилея состоял из плосковыпуклой линзы (объектив) и плоско-вогнутой линзы (окуляр). Труба была сделана из свинца. Телескоп давал трехкратное увеличение. Последующие телескопы, построенные Галилеем, давали увеличение в 20—30 раз. Трубы их делались из специальной твердой бумаги (типа картона). Параметры двойного телескопа следующие: длина труб 122 и 93 см при отверстиях 44 и 14 мм. Телескоп сохранился в музее истории науки во Флоренции.
Как проводил Галилей свои первые, достаточно точные наблюдения, неизвестно. Считают, что многие наблюдатели, располагавшие телескопами Галилея, не смогли убедиться в правильности ряда некоторых его открытий из-за отсутствия хороших штативов. Вероятно, мастерство Галилея позволило ему как наблюдателю обойти эти трудности.
Галилей сделал много телескопов по заказам разных стран, а также частных лиц. С этой целью он организовал в Падуе специальные токарно-столярные и литейные мастерские, а во Флоренции, по-видимому, оптические.
Первые астрономические наблюдения Галилей произвел в Падуе еще до постройки телескопа, когда в созвездии Змееносца произошла мощная вспышка сверхновой звезды. С примитивной угломерной установкой, подобной установкам Тихо Браге — предшественника Галилея, удалось определить положение «вспыхнувшей» звезды и показать, что оно сохраняется неизменным относительно соседних «неподвижных» звезд. Таким образом, наблюдения Галилея показали, что Сверхновая Змееносца находится далеко за пределами солнечной системы. Это открытие опровергало еще одно утверждение Аристотеля, состоявшее в том, что в сфере «неподвижных» звезд все неизменно, а различные необыкновенные небесные явления, например, появление комет, считали происходящими в атмосфере Земли.
Построив телескоп, Галилей вскоре в торжественной обстановке продемонстрировал его действие на башне св. Марка в Венеции. В дальнейшем он неоднократно показывал в телескоп различные небесные тела горожанам Падуи, Венеции и Флоренции. Показ сопровождался блестящими пояснениями и даже лекциями.
Телескоп произвел ошеломляющее действие на современников. Галилей становится ученым, которого знает вся Европа. Телескопы, названные «голландскими (или нидерландскими) трубами» (так как их раньше начали делать в Голландии), вскоре получили распространение по всему миру. В частности, в России они появились вскоре после постройки их Галилеем. Об этом имеются сведения в описи имущества царя Михаила Федоровича (1613—1645), а также в других документах. В середине XVII в. подобные «трубочки, что дальнее, а в нее смотря видитца близко», продавались в московских рядах.
Интересно, что Галилей вел длинные (в течение 20 лет) дискуссии о телескопе со многими современниками, особенно с иезуитом Орацио Грасси. Последний считал, что телескоп увеличивает только до определенных расстояний, и мотивировал это тем, что далекие звезды при наблюдении глазом видны большими, чем при наблюдении в телескоп. В том споре, как заметил С. И. Вавилов (1943), Грасси стоял на более правильной позиции. Он как бы чувствовал влияние тогда еще не изученной дифракции, т. е. волновых свойств света. Однако Галилей, разбивший аргументы Грасси, стоял на принципах геометрической оптики, что для того времени было более целесообразным, более прогрессивным. К сожалению, всеми ожидавшаяся в те времена «Оптика» Галилея, где была бы изложена теория телескопа и другие оптические явления, так и не появилась.
Систематические телескопические наблюдения начались 7 января 1610 г. Это было началом новой эпохи в науке.
Результаты своих наблюдений в период с 7 января по 2 марта 1610 г., содержащие и критический разбор материала, Галилей опубликовал в «Звездном вестнике». Первые же одиночные наблюдения он описал в письме к Антонио Медичи.
Галилей сделал следующие телескопические открытия:

Первое. Он не только обнаружил на Луне горы и пики, хребты и долины, кратеры и валы, но и оценил высоту гор; самые высокие горы оказались около 7 км, что совпадает с современными определениями. Галилей заметил, что Луна во многих отношениях похожа на Землю. Это лишило последнюю особых, уникальных свойств во Вселенной, что в свою очередь вполне гармонировало с учением Коперника. Кроме того, Галилей заметил, что на Луне нет облаков.
Второе. Юпитер (как оказалось при наблюдениях) имеет три спутника типа Луны, а позднее Галилей открыл еще один спутник и определил их периоды обращения. Он много лет изучал их движение. Таким образом, Юпитер как бы оказался миниатюрной солнечной системой. Это также подтверждало взгляды Коперника.
Изучив движение спутников Юпитера, названных позднее   «Ио», «Европа», «Ганимед» и «Каллисто», Галилей пытался использовать закономерности их движения для решения важнейшей практической задачи — определения долгот на море.
Многие современники Галилея сначала не поверили в его замечательное открытие. Так, профессор того же Падуанского университета Кремонини на предложение Галилея посмотреть в телескоп ответил: «К чему мне смотреть в телескоп, когда я и без того знаю, что спутников у Юпитера нет и не может быть».
Однако, когда открытие Галилея подтвердили многие другие, то его оппоненты стали утверждать, что открытие ошибочно в том смысле, что спутников у Юпитера не четыре, а гораздо больше. Однако следующий, пятый спутник Юпитера (V), не получивший названия (как и последующие), был открыт при помощи 91-сантиметрового ликского рефрактора через 282 года (9 сентября 1892 г.)! В настоящее время известны 12 спутников Юпитера, они открыты в основном на фотоснимках.
Стремясь уточнить движение спутников Юпитера, Галилей применил прибор, являющийся прототипом микрометра. Не будучи в состоянии продолжать свои наблюдения (после 1619 г.), он привлек к ним своего ученика и последователя В. Рениери (1606—1647). Синодические обороты спутников Юпитера, выведенные ими обоими из наблюдений, оказались близкими к современным, особенно для второго спутника. Это тем удивительнее, что телескопы и микрометры Галилея весьма примитивны, а измерения времени были не точны.

Третье. В телескопе Галилея Млечный Путь «распался» на отдельные, более слабые звезды. В скоплении «Ясли», видимом как светлое пятно в созвездии Рака, Галилей обнаружил 40 звезд. В созвездии Тельца, в скоплении «Плеяд» он вместо шести-семи звезд, видимых невооруженным глазом, обнаружил 36 звезд.
Большое скопление звезд Галилей обнаружил и в Орионе.

Из телескопических наблюдений Млечного Пути Галилей делает вывод о том, что «Галактика не представляет собой ничего иного, как скопление бессчетного множества звезд, как бы расположенных в кучах,  количество же звезд, более слабых, не допускает вообще никакого подсчета».

Четвертое. Кольца Сатурна. Галилей перед отъездом из Падуи во Флоренцию заметил, что
Сатурн в его телескоп представляется тройной звездой, т. е. в виде тесно расположенных трех тел — двух маленьких по краям и одного большого в центре. Галилей дал сообщение об этом открытии по обычаю того времени в виде анаграммы «Крайнюю планету я наблюдал тройною». Затем видимость деталей планеты стала хуже, и Галилей позднее, в 1612 г., наблюдая лишь один диск, решил, что раньше он ошибся. Тайна Сатурна была полностью разгадана только через 45 лет — в 1655 г. голландцем X. Гюйгенсом (1629—1695).

Пятое. Фазы Венеры. Переехав в октябре 1610 г. во Флоренцию, Галилей продолжал там свои телескопические наблюдения и сделал при этом одно из важнейших открытий: он обнаружил фазы у Венеры. В тот период он видел планету в виде тонкого блестящего серпа и сообщил об этом в виде анаграммы, которая расшифровывается так: «Венера подражает формам Цинтии» (Луны). Венера, как и Луна, оказалась несамосветящимся, а освещенным Солнцем телом. Изучение изменений фаз Венеры подтверждало гелиоцентрическую систему мира.
Галилей писал (в 1613 г.): «Эти явления — фазы Венеры — не оставляют никакого сомнения в том, как происходит движение Венеры; мы с абсолютной необходимостью приходим к выводу, соответствующему выводу пифагорийцев и Коперника, что она обращается вокруг Солнца подобно тому, как вокруг него же, как центра, обращаются и прочие планеты».

Шестое. Пятна на Солнце. Во Флоренции же в 1610 г. или даже еще в Падуе (перед отъездом) в сентябре того же года Галилей открыл на поверхности Солнца темные пятна. По их перемещению от восточного края Солнца к западному Галилей определил период осевого вращения Солнца в 28 суток (современное значение 28,3). Он же обнаружил, что пятна имеют ядро (или тень) и полутень и возникают в ограниченном поясе экваториальных широт (± 30°). Пятна на Солнце одновременно с Галилеем, по-видимому, независимо от него открыли Фабриций в Голландии, Гарриот в Англии и Шей- нер в Германии (в Ингольдштадте). Но ими появление пятен неправильно объяснялось прохождением по диску Солнца планет, в частности, Меркурия, или облаков пара (между Солнцем и Меркурием), а также другими явлениями. Только Галилей в книге «О солнечных пятнах» (1613 г.) дал правильное их объяснение. Изучая движения пятен, Галилей заметил, что их скорость у «края» диска Солнца значительно меньше, чем в центре.Кроме того, приближаясь к краю диска, пятна сжимаются по ширине. Это явление он считал действием перспективы. Но проявление ее в такой сильной форме заставило считать, что пятна очень близки к поверхности Солнца. Вычисления Галилея показали, что практически они «лежат» на поверхности Солнца и, вероятно, неразрывно связаны с ним.
Галилей впервые наблюдал единичные пятна осенью 1610 г. Живя во Флоренции, осенью 1612 г. Галилей заметил группу пятен. При этом взаимное расположение их отдельных членов изменялось. Галилей обнаружил, что только дважды в году — 10 июня и 10 декабря движение пятен по диску Солнца было прямолинейным. В остальное время оно было криволинейным, причем кривизна непрерывно изменялась. При этом траектории пятен иногда выгибались к северному полюсу, а иногда к южному. Это явление Галилей правильно объяснил наклоном экватора Солнца к эклиптике, который в настоящее время определяют в 7°,5.
Одно из больших пятен, наблюдавшихся в это время, приписывалось Меркурию (оно наблюдалось восемь дней). Галилей опроверг это мнение, показав, что Меркурий так долго не мог находиться в соединении с Солнцем. Галилей утверждал (1632г.), что характер движения солнечных пятен может быть объяснен лишь после принятия гелиоцентрической системы Коперника.

Седьмое. Лунная либрация. Блестящие телескопические открытия Галилея в 1610 г. в Падуе и Флоренции, завершенные подробным изучением солнечных пятен в 1612 г., долго не пополнялись новыми. Лишь в 1632 г. в книге «Диалог о двух системах мира: птолемеевой и коперниковой» (сначала в рукописи — в 1630 г. —¦ из цензурных соображений книга была названа «Диалог о приливах и отливах») Галилей упоминает о новом явлении — «лунной титу- бации» —¦ известном теперь под названием «лунная либрация».
Замечательные открытия Галилея, его непрерывные и успешные научные споры с иезуитами, переходившие обычно в общеастрономические и философские, а также споры о приоритете, создали ему множество врагов, среди которых, по-видимому, особенно выделялся X. Шей- нер, считавший, что он первый открыл солнечные пятна.
Инквизиция была весьма обеспокоена тем, что учение великого польского ученого Коперника о движении Земли вокруг Солнца так блестяще подтверждается открытиями Галилея.
В связи с подготовкой инквизицией запрещения учения Коперника Галилей в декабре 1615 г. вторично посетил Рим. По приказу папы Павла V кардинал Беллярмино посоветовал Галилею отказаться от упоминания учения Коперника, ибо консультантами инквизиции было признано, что оно «глупо, бессмысленно, формально, еретично и по меньшей мере ошибочно в отношении веры». Согласно акту от 26 февраля 1616 г. Галилей по предписанию папы и конгрегации инквизиторов согласился повиноваться и обещал отказаться от учения, что Солнце находится в центре Вселенной и неподвижно, а Земля движется вокруг него. 5 марта 1616 г. было занесено в список запрещенных книг «впредь до исправления» великолепное сочинение Коперника «Об обращении небесных сфер», изданное в Нюрнберге в 1543 г.
Галилей несколько лет был принужден почти полностью перестать издавать свои труды и вести переписку с друзьями и оппонентами по вопросам гелиоцентрической системы мира. Лишь в 1623 г. он издает памфлет или полемический труд «Пробирщик», в котором в завуалированной форме касается учения Коперника.
В 1624 г. Галилей закончил книгу «Послание к Франческо Инголи», в которой подходит к идее бесконечности Вселенной, о подобии Солнцу удаленных звезд и т. д. Через восемь лет следует великолепное сочинение о мироздании, пророческое в астрономическом отношении, с блестящим остроумным предисловием. Это был «Диалог о двух системах мира: птолемеевой и коперниковой». Рукопись, задуманная еще в 1610 г., была готова в 1630 г. и напечатана после проверки цензора и разрешения Рима во Флоренции в январе 1632 г. В «Диалоге» в форме беседы трех человек учение Коперника было изложено и обосновано как одна из гипотез. Ее-то и защищал Галилей под именем одного из собеседников Сальвиати.
Но иезуиты — враги Галилея — разгадали сущность книги, и после ряда их доносов запрещено было продавать книгу, а в феврале 1633 г. автор — 69-летний ученый был вызван в Рим на суд инквизиции. Галилея трудно было обвинять открыто, так как книга напечатана с разрешения цензора, а в 1616 г. перед изданием декрета Галилей не давал обещания не исследовать доктрины Коперника как гипотезы, а лишь обещал ничего не писать в защиту этого учения. Но его все-таки обвинили в нарушении декрета 1616 г. и 21 июня 1633 г. вынудили подписать «отречение».
Приговор, вынесенный Галилею, и декрет, запрещающий «Диалог» вместе с книгами Коперника («Об обращении небесных сфер») и Кеплера («Сокращенное изложение коперниковой астрономии»), запрещенными в 1616 г. и позднее, нанесли науке огромный ущерб.
Только в 1822 г. коллегия кардиналов разрешила в католических странах излагать учение Коперника, так остроумно и разносторонне обоснованное телескопическими наблюдениями Галилея. Формально же только в индексе запрещенных книг 1835 г. (!) уже не встречается имен Коперника, Галилея, Кеплера и др.
Иезуиты понимали вынужденность признания Галилея, и он оставался под надзором инквизиции до конца своей жизни. Его сослали на виллу близ Рима, а затем в деревушку Арчетри близ Флоренции.
Измученный, страдавший от учиненного за ним надзора в «тюрьме Арчетри» (так Галилей называл свое местопребывание), изолированный от друзей и «общества» любимых телескопов, Галилей все же продолжал заниматься теоретическими вопросами астрономии и механики. Одновременно он продолжал решать задачи об определении долгот на море по движениям спутников Юпитера (сохранилась его переписка с правительством Голландии по этому вопросу), о полете снарядов, о фортификациях и т. д. В этот же период в своей работе «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух отраслей науки», он обобщил все свои исследования в области механики.
Однако зрение ученого слабело. Болезнь глаз была безусловно ускорена тем, что сначала Галилей наблюдал Солнце (у горизонта) в телескоп без всяких заслонов от яркого света и лишь впоследствии стал применять зеленый фильтр (между глазом и окуляром) и проекцию на экран.
В 1636 г. Галилей ослеп, но потом зрение ненадолго возвратилось, а в 1638 г. наступила полная слепота. Через четыре года, в 1642 г. Галилей скончался.
С 1737 г. гробница Галилея находится во Флоренции в церкви Санта-Кроче, там, где покоится прах Микеланджело, умершего в год и месяц рождения Галилея.
Заслуги Галилея перед наукой грандиозны. Мы чтим память Галилея как великого ученого-механика, отличного оптика и основателя наблюдательной телескопической астрономии, как борца за материалистическое понимание явлений природы, как человека, поколебавшего устои католической церкви.