Вопрос 5

ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙ И ЕГО СОВРЕМЕННИКИ. ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ

На рубеже ХVI—XVII вв. самой крупной фигурой в европейской физической науке этого времени был Галилео Галилей. Он родился 15 февраля 1564 г. в итальянском городе Пиза. Начав учиться в Пизанском университете, Галилей занимался медициной, однако вскоре увлекся геометрией и механикой и оставил университет. Затем Галилей в течение 4 лет занимался самостоятельно, причем весьма успешно, так что был назначен профессором Пизанского университета. После этого он занимал должность профессора уни­верситета в городе Падуя. Галилей активно поддерживал учение Н.Коперника. Ему первому удалось увидеть кратеры на Луне и пятна на Солнце. Млечный путь при на­блюдении в телескоп оказался состоящим из мириадов звезд, которые не были различимы невооруженным глазом. Смена фаз Ве­неры свидетельствовала о том, что эта планета, подобно Земле, вращается вокруг Солнца. Астрономи­ческие открытия Галилея сломали барьер между «земным и не­бесным» и стали существенным подтверждением верности модели Коперника. Опыты по механике — главные достижения Галилея. Путем экспери­ментов он опроверг учение о том, что скорость падения тел пропорциональна силе тяжести. При этом знаменитая наклонная Пизанская башня послужила ему опытным поли­гоном. Сброшенные с нее чугунный и деревянный шары одинаковой тяжести до­стигли земли практически одновременно. Небольшое различие во времени падения Галилей совершенно резонно приписал сопротивлению воздуха. Только он при постановке подобных опытов сумел отвлечься от температуры, состояния погоды и здоровья эксперимента­тора, химического состава бросаемых тел и т. п. Он сосредоточил свое внимание на главном — на независимости скорости падения от силы тяжести. Галилей был первым ученым, который понял это и осу­ществил на практике. По существу, именно с этого момента и началась экспериментальная физика.

С появлением огнестрельного оружия наука вплотную подошла к понятию инерции. Галилей смог сформулировать закон инерции: в путанице многочисленных земных движений выявил свойство тел сохранять свою скорость и правильно при­менил в конкретных случаях. Ядро, выпущенное из пушки, бу­дет продолжать лететь с заданной ему скоростью, одновременно падая на землю. Им же были проведены опыты, связанные с исследованием движения тел по наклонной плоскости. Ему удалось измерить скорость перемещения падающего тела, используя именно наклонную плоскость. Он установил, что при этом скорость скатывания меньше ско­рости падения по вертикали в определенное число раз, соответ­ствующее отношению длины наклонной плоскости к ее высоте. Многократно проводя опыт при разных наклонах желоба, Галилей установил фундаментальный физический закон, который мы сейчас записали бы следующим образом:

S = at²/2. Были заложены основы статики, и даже сопротивления материалов. Ученый изобрел первый термометр (термоскоп Галилея). Он сумел практически реализо­вать экспериментальный метод, придав ему современные черты (создание модели реального процесса, абстрагирование от несущественных фактов, многократные повторения опытов и т.д.). В то же время он возродил математический подход к исследованию природы, провозгласив, что книга природы написана на языке математики.Его ученики и соратники — Эванджелиста Торричелли и Винченцо Вивиани.

Эванджелиста Торричелли — самый талант­ливый из учеников и последователей Галилея. Продолжая его работы, Торри­челли существенно развил ту область механики, которая близко соприкасается с баллистикой. Именно он установил параболиче­ский характер траектории тел, брошенных под произвольным уг­лом к горизонту, а также другие теоремы баллистики. Он открыл существование атмосферного давления в 1643 г. Важным явился и сам факт получения вакуума (торричеллиевой пустоты). Торричелли также осуществил ряд опытов с ртутным и водяным барометрами, усовершенствование термоскопа Галилея и создал спирто­вой термометр. Торричелли сформулировал закон вытекания жидкости из отверстий сосуда, вывел формулу для расчета скоро­сти струи. Именно он впервые установил, что ве­тер — это движение воздушных масс, возникающее из-за разно­сти атмосферного давления.Открытие Торричелли атмосферного давления вызвало огром­ный резонанс. Идею измерения его на разных высотах реализовал французский математик, физик и философ Блез Паскаль. Из его измерений следовало, что давления воздуха падает с увеличением высоты. Из опытов Торричелли и Паскаля родилась научная метеорология. Эти опыты были продолжены магдебургским бургомистром Отто фон Герике.

Область физических исследований неуклонно расширялась, захватывая все новые плацдармы. Одним из последних стали исследования по оптике. Французский математик Пьер Ферма предложил для оптических расчетов очень мощный метод, который называется принципом наименьшего времени распространения света. С его помощью Ферма вывел закон преломления. Принцип Ферма сыграл в дальнейшем развитии физики весьма позитивную роль.Франческо Гримальди описал эксперименты, приведшие его к открытию дифракции света. Датский ученый Эразм Бартолин описал двойное лучепреломление в исландском шпате. Олаф Ремер, составляя таблицы затмений спутников Юпитера, обнаружил запаздывание этих затмений и объяснил их конечным значением скорости света. Рене Декарт считал, что свет распространяется мгновенно, иначе это должно привести к аберрациям, т.е. искажению положения небесных светил. Это обнаружил Джемс Брадлей., на основе своего открытия предложив новый метод измерения скорости света. Науку XVII в. невозможно представить себе без Робер­та Гука. Он успешно занимался вопросами капилляр­ности и теории теплоты. Большую известность приобрели его работы в области оптики, где он был сторонником волновой тео­рии света и даже выдвинул гипотезу о поперечности световых волн. Р. Гук заложил основы физической оптики и микроскопии, высказал весьма прогрессивные идеи о природе света и теории цветов. И все-таки главное, что осталось в науке от Гука, — это закон упругости, который является одним из первых количественных соотношений в механике, роль которого в физике исключительно велика. Роберт Гук приступил к созданию теории упругости в период создания им спирального регулятора в часах. В связи с этим он экспериментально изучал упругие свой­ства пружин. Обобщая полученные в процессе работ данные, Гук открыл закон, который теперь носит его имя: «Каково растяжение, такова и сила», «Каков вес, таково и растяжение». Современная формулировка: «напряжение пропорционально деформации». Христиан Гюйгенс занимался, как и боль­шинство тогдашних ученых, одновременно и механикой, и опти­кой. В XVII в. на основании представления о движении частиц эфира Гюйгенс вывел законы отражения, преломления и двойного лу­чепреломления. Важнейший вклад Гюйгенса в мировую науку — установ­ление им принципа, с помощью которого стало возможным изучать распространение света в оптических сре­дах с самыми различными свойствами. Однако, предложенный им принцип построе­ния волнового фронта путем использования элементарных вторич­ных волн не объяснял прямолинейного распространения света и некоторых других явлений. Значительны достижения Христиана Гюйгенса и в механике. Самое известное изобретение Гюйгенса — маятниковые часы. В качестве регулятора хода часов Христиан Гюйгенс использовал маятник. Он же разработал теорию таутохронного маятника, период колебаний которого не зависит от амплитуды. Исследования Гюйгенса решили, наконец, проблему взаимо­действия шаров при упругом ударе. X. Гюйгенс также как и Декарт ис­пользовал в расчетах закон сохранения количества движения, но уже в векторной форме. Гюйгенс доказал следующую теорему: если сталкива­ются два тела, движущиеся навстречу друг другу со скоростями, обратно пропорциональными их массам, то каждое тело отскочит с той же скоростью, с какой ударилось. У Гюйгенса есть многочисленные заслу­ги также в астрономии, создании и усовершенствовании опти­ческих инструментов, теплофизике, геофизике и др.

Биографии крупнейших ученых — современников Галилея

Эванджелиста Торричелли — итальян­ский физик и математик, родился во Франции, учился в Риме у Б. Кастелли, ученика и друга Галилея. В Арчерти недолго работал с Галилеем. В 1642 г. стал преемником Галилео Галилея и с этого времени жил во Флоренции, где был профессором математики и физики местного университета. Там же и скончался в возрасте 39 лет.

Роберт Гук — английский физик, член Лондонского Королевского Общества, в течение 6 лет — его секретарь. Он был профессором геометрии, талант­ливым архитектором. Был ассистентом Роберта Бойля. Начал Гук с исследования капиллярности и теории теплоты. Уделял внимание усовершенствованию микроскопа и мик­роскопии, положив начало физической оптике. Его можно считать одним из основоположников волновой теории. В оптике Роберт Гук был сторонником волновой теории света, осуществил некоторые опыты по дифракции, выдвинул гипотезу о поперечности световых волн. В 1660 г. Роберт Гук открыл закон упругости — первый в истории физики количественный закон. Р. Гук был также известным изобретателем, автором барометра, максимального термометра.

Христиан Гюйгенс родился в Гааге, закончил юридический факультет Лейденского и Бредского университетов, затем решил посвятить себя фи­зике. С детства он увлекся шли­фованием оптических стекол и занимался этим в течение всей жизни. Гюйгенс создал линзы с гигантскими фокусными расстоя­ниями (54 и 63 м). Он занимался усовершенствованием оптических инструментов: микроскопа и теле­скопа, сконструировал окуляр, используемый и поныне (окуляр Гюйгенса). Гюй­генс был близок к открытию за­кона всемирного тяготения. Самое известное изобретение Гюйгенса — маятниковые часы. В качестве регулятора хода часов Христиан Гюйгенс использовал таутохронный маятник, период коле­баний которого не зависит от амп­литуды. Основные работы Христиана Гюйгенса выполнены в механике и оптике. В частности, он разработал теорию столкновения упругих ша­ров, успешно использовав при этом законы сохранения, а также принцип относительности и преобразование координат. Х.Гюйгенс вплотную подошел к установлению связи между силой и ускоре­нием (второй закон Ньютона). В оптике X. Гюйгенс был сторонником волновой теории, раз­работал ряд ее положений и принципов (в том числе принцип Гюйгенса), открыл поляризацию света. Вместе с Р. Гуком установил постоянные точки тер­мометра — точки таяния льда и кипения воды.