Тема
«Галілей: основа сучасної науки»
ВСТУП
Серед видатних природознавців і діячів техніки минулого Галілео Галілей завдяки своєму великому внеску у фізику і астрономію займає одне з найзначніших місць. Його ім'я стало легендарним завдяки проведеному проти нього процесу інквізиції. Хоча в 1600 році Джордано Бруно був навіть спалено живцем за свої переконання, ім'я Галілея все ж міцніше закарбувалось у пам'яті нащадків. Справа напевно в тому, що він широко підтверджував свої твердження експериментом і придбав загальне професійне визнання, яке дуже допомогло йому в ідеологічному конфлікті між пробиває собі шлях на свободу істиною і заснованої на догмах схоластики владою.
Тому легенда про Галілео Галілею розросталася у різних напрямках, однак сьогодні можна вважати доведеним, що ні кадила в Пізанського соборі, ні похила Пізанська вежа не зіграли в його науковому житті тієї ролі, яку їм приписували, і що не було тієї заключній сцени перед трибуналом інквізиції , в якій Галілей, незважаючи ні на що, сказав би: «А все-таки вона рухається!» (Eppur si muove!). І, тим не менше, ці легенди все ще залишаються незнищенно живучими. І навпаки, вірно, що Галілей захищав проти церковних догм коперниканское навчання, а потім відрікся від нього, коли його життю загрожував мученицький кінець, і що він, тим не менш, зберіг прихильність до цього навчання до кінця своїх днів.
В усякому разі, сьогодні твердо встановлено, що Галілео Галілей і Йоганн Кеплер були засновниками того напрямку природознавства XVII століття, яке вилилося, потім у ньютонівську фізику і разом з нею панувало над умами в галузі фізичного мислення протягом двохсот років. Головна праця Ісаака Ньютона Philosophiae naturalis principia mathematica («Математичні начала натуральної філософії») побачив світ у 1687 році.
Такий компетентний математик і фізик як Жозеф Луї Лагранж так відгукнувся про найважливіший внесок Галілея у вчення про рух:
«Була потрібна виключна сила духу, щоб витягти закони природи з конкретних явищ, які завжди були у всіх перед очима, але пояснення яких тим не менш випадало від допитливого погляду філософів».
Метод розширення пізнання у фізиці за допомогою експерименту та математики, продемонстрований на прикладі руху вільно падаючого тіла, і його головні праці, а саме Dialogo і Discorsi створили Галілею славу творця і проповідника фізичного методу нового часу. Галілей з сенсаційним успіхом ввів в астрономію зорову трубу як наглядова інструмент. Його теоретичні ідеї вказали техніці шляху розвитку вчення про міцність. Він, нарешті, володів настільки майстерно своєю рідною мовою, що багато хто з його публікацій навіть займають чільне місце в національній літературі Італії.
Багате наукова спадщина, залишене Галілеєм, і його складний характер як людини разом з процесом інквізиції призвели до появи майже неозорої літератури про Галілею, в якій часто зустрічаються прямо протилежні оцінки.
Поява цього тому ми можемо виправдати лише тим, що ми спробували оцінити внесок Галілея в науку з сучасних нам позицій і простежити його еволюцію через Ньютона і до Альберта Ейнштейна, тобто до фізики наших днів. Конфлікт Галілея з вкоріненими догмами його часу, якщо розглянути його, по суті, відображає не що інше, як стало саме в нашому столітті необхідним розуміння відповідальності вченого за те наукове знання, яке він створює.
Галілей направив зорову трубу на Місяць і сузір'я. Тим самим він поклав початок науковому дослідженню космосу в той час, коли багато хто ще боялись погубити свою душу тим, щоб брати участь в такому «блюзнірство» використанні зорової труби. Сьогодні ми вже є свідками того, як телекеровані місячні зонди або люди на космічних кораблях здійснюють обльоти цього небесного тіла і передають інформацію по радіо на Землю. Який оптимізм вселяє така зміна, на які звершення стає здатна людина, якщо він творить у світі!
Друга наукова революція. Механістична картина світу
Трагічна загибель Джордано Бруно сталася на рубежі двох епох: епохи Відродження та доби Нового часу. Остання охоплює три століття-XVII, XVIII, XIX ст. У цьому трьохсотрічний період особливу роль зіграв XVII століття, що ознаменувався народженням сучасної науки, біля витоків якої стояли такі видатні вчені, як Галілей, Кеплер, Ньютон.
У вченні Галілео Галілея були закладені основи нового механістичного природознавства. Як свідчать А. Ейнштейн і Л. Інфельд, «сама фундаментальна проблема, що залишалася протягом тисячі років невирішеною через складність - це проблема руху». [8, с. 8]
До Галілея загальноприйнятим в науці вважалося розуміння руху, вироблене Аристотелем і яке зводилося до наступного принципу: тіло рухається тільки при наявності зовнішнього на нього впливу, і якщо це дія припиняється, тіло зупиняється. Галілей показав, що цей принцип Аристотеля (хоча і погоджується з нашим повсякденним досвідом) є помилковим. Замість нього Галілей сформулював зовсім інший принцип, що отримав згодом назву принципу інерції: тіло або знаходиться в стані спокою, або рухається, не змінюючи напрямку і швидкості свого руху, якщо на нього не проводиться будь-якого зовнішнього впливу.
«Відкриття, зроблене Галілеєм, і застосування ним методів наукового міркування були одним з найважливіших досягнень в історії людської думки, і воно відзначає дійсний початок фізики. Це відкриття вчить нас тому, що інтуїтивним висновків, що базуються на безпосередньому спостереженні, не завжди можна довіряти, оскільки вони іноді ведуть по помилковому сліду ».
Велике значення для становлення механіки як науки мало дослідження Галілеєм вільного падіння тіл. Він встановив, що швидкість вільного падіння тіл не залежить від їх маси (як думав Аристотель), а пройдений падаючим тілом шлях пропорційний квадрату часу падіння. Галілей відкрив, що траєкторія кинутого тіла, що рухається під впливом початкового поштовху і земного тяжіння, є параболою. Галілею належить експериментальне виявлення вагомості повітря, відкриття законів коливання маятника, чималий внесок у розробку вчення про опір матеріалів.
Галілей виробив умови подальшого прогресу природознавства, що почався в епоху Нового часу. Він розумів, що сліпа віра в авторитет Аристотеля сильно гальмує розвиток науки. Істинне знання, вважав Галілей, досяжно виключно на шляху вивчення природи за допомогою спостереження, досвіду (експерименту) і збройного математичним знанням розуму, а не шляхом вивчення та звірення текстів у рукописах античних мислителів.
Зростанню наукового авторитету Галілея сприяли його астрономічні дослідження, що обгрунтовують і стверджували геліоцентричну систему Коперника. Використовуючи побудовані ним телескопи (на початку це був скромний оптичний прилад з триразовим збільшенням, а згодом був створений телескоп і з 32-кратним збільшенням), Галілей зробив цілий ряд цікавих спостережень і відкриттів. Він встановив, що Сонце обертається навколо своєї осі, а на його поверхні є плями. У найбільшої планети Сонячної системи Юпітера - Галілей виявив 4 супутники (з 13 відомих в даний час). Спостереження за Місяцем показали, що її поверхня гористого будови і що цей супутник Землі має лібрацію, тобто видимі періодичні коливання маятникового характеру навколо центру. Галілей переконався, що уявний туманністю Чумацький Шлях складається з безлічі окремих зірок.
Але саме головне в діяльності Галілея як вченого-астронома складалося у відстоюванні справедливості вчення М. Коперника, яке піддавалося нападкам як з боку церковних кіл, але і з боку деяких вчених, що висловлювали сумніви в правильності цього вчення. Галілей зумів показати неспроможність усіх цих сумнівів і дати блискуче природничо доказ справедливості геліоцентричної системи в знаменитій праці «Діалог про дві системи світу - птолемеевскую і Коперникової».
Як вже зазначалося вище, католицькою церквою в 1616 році було прийнято рішення про заборону книги Коперника «Про обертання небесних сфер», а його вчення оголошено єретичним. Галілей в цьому рішенні згаданий не був, але йому все ж довелося постати перед судом інквізиції. Після тривалих допитів він був змушений відректися від вчення Коперника і принести публічне покаяння.
Через 350 років після смерті Галілея, в жовтні 1992 року, він був реабілітований католицькою церквою, його засудження було визнано помилковим, а навчання - правильним. Глава римсько-католицької церкви папа Іоанн-Павло II заявив при цьому, що церква не повинна виступати проти науки, а навпаки, повинна підтримувати науковий прогрес (з телевізійної інформаційної програми «Час», 31 жовтня 1992 р.).
Погляд на ньютонівську і ейнштейнівської фізику
Читаючи Discorsi, глибоко переймаєшся здивуванням, наскільки великий внесок Галілея в науку, зроблений ним у глибокій старості і незважаючи на перенесене їм осуд з усіма його наслідками. У корені хибна образ Галілея, коли представляють, ніби після зречення він сповнився покірності чи навіть займався самозвинувачень як змінив справі науки. Якщо врахувати всі обставини, що діяли в тогочасному суспільстві і в повній мірі впливали також на Галілея, то можна єдино стверджувати, що Галілей знав, на що він іде. Його життя було життям створив цілу епоху дослідника і разом з тим життям борця проти догматичної псевдо науки, і це життя було сповнене послідовності у проведенні його наукової ЛІНІЇ:
Навіть сліпота не паралізувала постійної активності Галілея. Свій лист самому вірному другові Міканціо від 30 січня 1638 він закінчував словами:
«Так що я не припиняю навіть в охопила мене темряві будувати міркування з приводу то одного, то іншого явища природи, і я не зміг би дати своєму неспокійного розуму відпочинку, навіть якщо б побажав того. Таке збудження мені дуже шкодить, бо воно примушує мене постійно не спати ».
Галілей як син свого часу суб'єктивно в певному сенсі більш тяжів до феодалізму, ніж до буржуазного суспільства, що проявилося і при його переїзд з Венеціанської республіки у Флоренцію, до двору великого герцога. Але немає сумніву, що об'єктивно він зіграв роль сяючого маяка у суспільному житті. Як підкреслює Кузнєцов [4], «інквізиція засудила Галілея, тому що наука в його руках стала потужною суспільною силою, спрямованою проти пережитків у суспільних відносинах».
Розглядаючи як Dialogo, так і Discorsi, ми знову і знову виявляли, що ставилася Галілеєм проблематика в ідейному відношенні безпосередньо веде до ньютонівської і ейнштейнівської фізики. Тому не хотілося б завершувати це виклад, хоча б просто не вказавши на ті фундаментальні питання фізики, з якими є такий взаємозв'язок.
Відомо, що вперше до кількісної формулюванні законів механіки підійти зміг тільки Ньютон, коли він створив апарат математичного аналізу, що відповідав потребам фізики. Його Philosophiae Naturalis Princi - pia Mathematica («Математичні начала натуральної філософії») створили основу для цілої ньютонівської епохи у фізиці. У цій праці йому вдалося зібрати квінтесенцію усіх фундаментальних фізичних знань того часу. Він виходив з принципових основ фізичного дослідження і почав з того, що сформулював уявлення про основні для фізики поняттях простору і часу, в яких він вбачав абсолютні категорії. Отже, він визначив:
«Абсолютна простір за самою своєю суттю, безвідносно до будь-чого зовнішнього, залишається завжди однаковим і нерухомим.
Абсолютна, істинне, математичне час саме по собі і за своєю сутністю, без жодного відношення до будь-чого зовнішнього, протікає рівномірно ... »
Грунтуючись на цих поняттях простору і часу, Ньютон, який не бажав «вигадувати гіпотез», побудував свою фізику. Лише Ейнштейну вдалося майже 250 років по тому виявити, що ці уявлення про простір і час є неприйнятними гіпотезами.
Зміст ньютонівської фізики складається з трьох аксіом механіки Ньютона:
1. Закон інерції. Кожне тіло, коли на нього не діють ніякі сили, зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху. (Про фізичне авторство Галілея у формулюванні цього закону ми вже детально говорили).
2. Закон руху.
3. Закон дії та протидії. Дії завжди є рівна і протилежна протидія.
Крім того, сюди входить ще закон всесвітнього тяжіння Ньютона.
Вже в ньютонівської фізики дослідники звернули увагу на два принципово різних типи систем відліку, причому під системою відліку слід розуміти сукупність матеріальних об'єктів, до яких фізики відносять свої виміру:
Інерціальні системи, які знаходяться в стані спокою чи рівномірного руху щодо системи нерухомих зірок.
Неінерційній системи, що знаходяться щодо системи нерухомих зірок у стані прискореного руху (така, наприклад, що обертається карусель).
Встановлено, що ньютоновский закон руху форм-інваріантний (коваріантен) щодо перетворень Галілея. Цей факт констатується в названому також на честь Галілея принципі відносності Галілея:
«У двох рухомих один щодо одного інерціальних системах відліку, зв'язаних між собою перетворенням Галілея, ньютоновский закон руху має один і той же вид».
Значить, ніяка інерціальна система нічим не виділяється з інших інерційних систем. У рівняння руху не входить швидкість щодо будь-якої інерційної системи відліку, яку можна було б розглядати як абсолютно покояться щодо простору і тим самим привілейовану.
У цьому полягає найхарактерніша риса ньютонівської фізики, яка досягла величезних успіхів за більш ніж двісті років свого існування як у земних, так і в космічних програмах.
До кінця XIX століття техніка експерименту в області електромагнітних явищ, і особливо в оптиці, досягла такого високого рівня розвитку, що фізики були поставлені перед обличчям дивного факту, що випливав з результатів знаменитого досвіду Майкельсона і аналізу поширення світла від подвійних зірок, з певністю вказували на сталість швидкості світла. Цей факт полягав у тому, що рівняння Максвелла - основні рівняння при описі всіх електромагнітних явищ - виявилися не форм-інваріантними відносно перетворень Галілея на противагу рівнянням руху ньютонівської механіки, інваріантність яких була встановлена вище.
У результаті спроб усунути це протиріччя між механікою і електродинамікою в 1905 році Альбертом Ейнштейном була створена спеціальна теорія відносності; його попередниками були Фойгт, Лоренц, Пуанкаре, Хазенерль та інші, які, проте, здебільшого не змогли звільнитися від панувала тоді концепції світового ефіру.
Невиліковним заслугою генія Ейнштейна було те, що він, виходячи з глибоко філософських міркувань, поставив на перше місце принцип єдності фізики і домігся згоди між механікою і теорією електромагнетизму. Він справив послідовне узагальнення принципу відносності Галілея і прийшов до спеціального принципу відносності Ейнштейна: «У двох рухомих відносно один одного інерційних системах відліку закони природи мають один і той же вид».
Якщо порівняти це формулювання з виразом принципу відносності Галілея, виявляється то велика різниця, що принцип відносності Галілея відноситься тільки до механіки, тоді як ейнштейнівської принцип охоплює всю фізику (виключаючи лише гравітацію).
Задамося питанням, які епістемологічні припущення повинен був привернути Ейнштейн для того, щоб несуперечливо реалізувати свій принцип відносності. Про це і піде тепер мова.
Ейнштейн піддав грунтовній критиці ньютонівські концепції абсолютного простору і абсолютного часу і прийшов до висновку, що самі по собі простір і час суть відносні категорії, власне ж предметом і основою фізичного дослідження є чотиривимірний просторово-часовий континуум. Тим самим був зроблений перехід від 3-мірного до 4-мірному мисленню. Пасивною ареною, на якій протікають фізичні явища, стало простір-час. При цьому його геометрія постулював як псевдоевклидова, тобто плоска, і простір-час розглядалося як гранично позбавлене структури і нескінченно протяжне. Поки що принципово новим моментом у порівнянні з ньютоновским простором був перехід від тривимірності до чотиривимірні. У теорії Ньютона абсолютна час відігравало роль абсолютного стандарту для всього світу, що знаходило своє відображення в рівняннях фізики в тому, що час був самостійним параметром. Навпаки, ейнштейнівська релятивізація часу і його об'єднання з простором призвели до рівноправності простору і часу. Надалі обидва поняття повинні були фігурувати в законах природи симетричним чином.
Ця фундаментальна ідея повинна була математично виражатися в тому, що кожній системі відліку слід приписати своє власне відносний час. Тим самим була отримана відповідь і на питання про суперечність, що виникла в результаті досвіду Майкельсона.
У своїй знаменитій праці 1905 року «До електродинаміки рухомих тіл» Ейнштейну вдалося вивести названі ним на честь Лоренца перетворення, які описують перехід від однієї інерціальної системи відліку до іншої.
Коли відносна швидкість систем відліку мала, (і / с) 2 «1, перетворення Лоренца приймають вигляд
х '= х - ut, y' = y, z '= z, t' = t,
а це і є перетворення Галілея, записані через свої компоненти. Тим самим була забезпечена необхідна наступність між фізикою Ейнштейна і фізикою Ньютона, причому у разі великих швидкостей і високих енергій остання вироджується в занадто грубе наближення дійсності.
Цей схематичний начерк спеціальної теорії відносності приводить нас і до кола основних ідей загальної теорії відносності [7]. Спеціальний принцип відносності Ейнштейна, подібно принципом відносності Галілея, обмежується використанням інерціальних систем відліку, тобто систем, що знаходяться в стані рівномірного руху. Протягом майже 10 років Ейнштейн працював над тим, щоб зняти це обмеження. У результаті в 1915 році йому вдалося створити свою загальну теорію відносності, справедливу при будь-яких типах руху систем відліку. Її сутність формулюється в загальному принципі відносності Ейнштейна:
«Закони природи мають один і той самий вид у довільних системах обрахунку».
Так Ейнштейн звільнився від поняття інерціальної системи відліку.
Математичним апаратом, що дозволяє конкретно висловити цю всеосяжну теорію, є тензорне і спінорно числення.
Застосування загального принципу відносності до механіки і теорії електромагнетизму не принесло Ейнштейну особливих несподіванок. Проте узагальнення ньютонівської теорії тяжіння призвело до відкриття абсолютно нових фактів про структуру простору і часу.
Ейнштейн прийшов індуктивним шляхом до висновку, що реальний простір-час може бути не псевдоевклидовой, тобто плоским, але викривленим відповідно до законів римановой геометрії. Він виходив з тих міркувань, що пасивна роль простору-часу в спеціальній теорії відносності не може давати повного вираження сутності простору-часу як атрибуту матерії, але що структура простору-часу має бути сама наслідком стану руху матерії, і назад, стан руху матерії має обумовлюватися структурою простору-часу. Цю обопільну взаємозв'язок він зумів математично виразити в своїх знаменитих рівняннях гравітаційного поля.
Для слабо викривленого простору-часу, що існує в наших земних умовах, рівняння поля Ейнштейна переходить у вказане вище рівняння поля Ньютона. Тим самим спадкоємність змінюють один одного фізичних теорій забезпечується і в цій галузі.
Теорія відносності лежить в основі всіх розділів фізики, так як їх основні постулати повинні бути, в кінцевому рахунку, узгоджені між собою. Великий успіх був досягнутий і в квантовій теорії, коли Дірак зумів дати її релятивістську формулювання.
Особливою областю програми ейнштейнівської теорії є релятивістська космологія, з якої ми черпаємо відомості про структуру Всесвіту як цілого.
ВИСНОВОК
Галілео Галілей зробив багато дивовижно цінного для фізики і тим самим для всього природознавства, коли воно вирвалося з лабіринту схоластичних помилок духу; він проклав шлях науковому методу органічного зв'язку експерименту і - хоча ще органічної - теорії. І що б не говорили про поганих сторони характеру Галілея або ще могли б сказати про них, він все одно залишається дивовижною особистістю.
Кидаючи сьогодні ретроспективний погляд на фізику, ми бачимо, що сучасність пов'язує з епохою Середніх століть ланцюг ідей, в якій виблискують воістину діаманти. Завдяки генію Галілея, Ньютона, Ейнштейна та багатьох інших наука стала плодом цивілізації, які перебувають на службі всього людства.
Список використаної літератури
Воронов В.К., гречана М.В., Сагдєєв Р.З. Основи сучасного природознавства: Навчальний посібник для ВНЗ. - М.: Вища школа, 1999. - 247 с.
Горєлов А.А Концепчіі сучасного природознавства. - М.: Центр, 1997. 360 с.
Концепції сучасного природознавства: Навчальний посібник для ВНЗ. - Ростов н / Д: Фенікс, 2000. - 576 с.
Кузнєцов Б.Г. Від Галілея до Ейнштейна. - М.: Наука, 1965. -185 С.
Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства: Навчальний посібник. М.: Гардаріки, 2003. - 476 с.
Солопов Є.Ф. Концепції сучасного природознавства: Підручник для вузів. - М.: Владос. 2001. - 232 с.
Шмутцер Е. Теорія відносності - сучасне уявлення. Шлях до єдності фізики. - М.: Світ, 1981. - 159 с.
Ейнштейн А., Інфельд Л. Еволюція фізики. - М.: 1965