§ 3. Разрушение аристотелевой системы физики как следствие революции Коперника в астрономии и первое наблюдательное обоснование гелиоцентризма. Галилей

Вплоть до конца XVI в. физическим фундаментом представлений об устройстве мира в целом оставалась древняя физика Аристотеля. Продолжали господствовать представления не только о принципиальном различии материи, из которой состоят земные, «подлунные» тела, и той, которая образует тела небесные (невесомые эфирные). Принципиально различными считались и сами физические законы в подлунном и надлунном мирах. Физика же все еще практически сводилась к механике (статике и кинематике). Движения еще разделялись на «естественные» и «насильственные» (первые — это якобы прирожденные движения легких тел вверх, а тяжелых — вниз — для подлунного мира и круговые, вечные — для невесомых небесных тел). Относительно вторых считалось, что они совершаются лишь при непрерывном воздействии на тело внешней механической силы.

Такая физическая картина сложилась на основе грубого повседневного опыта и чисто умозрительных заключений. Несмотря на критику механических воззрений Аристотеля со стороны отдельных философов (Иоанном Филопоном, Буриданом), в период господства геоцентрического мировоззрения, по сути, не было достаточно прочной опоры для такой критики ввиду явно выделенного положения и состояния Земли во Вселенной. Понятие же о точном научном эксперименте еще не существовало: он не отличался от житейского наблюдения и опыта.

Совсем иная обстановка создалась с появлением гелиоцентрической концепции Коперника. Уже одно то, что Земля оказывалась обычной планетой, заставляло усомниться в физике Аристотеля в целом и с большим вниманием отнестись к критическим замечаниям о его механике. Возник серьезный стимул для непосредственной проверки законов механики на Земле, т. е. к развитию эксперимента. Результатом этого стало крушение всей физической картины мира Аристотеля и прежде всего его механики. Начало этого великого переворота в механике связано с именем великого итальянского физика и астронома Галилео Галилея (1564—1642) — одного из основателен современного теоретико-экспериментального естествознания. Ему же принадлежит и не менее великая заслуга получения первых наблюдательных свидетельств в пользу справедливости гелиоцентрической планетной теории Коперника.

В 90-е г. XVI в. Галилей начал наступление на всю безнадежно устаревшую, ко все еще принимавшуюся на веру физику Аристотеля, на геоцентрическую систему мира Птолемея, ставшую опорой религии, на традиционную схоластическую науку, унаследованную от средневековья. В механике Галилей заложил основы современной кинематики, законы которой он вывел в результате специально поставленных экспериментов. Сравнивая движение тел по наклонной плоскости с их свободным падением, он установил одинаковый характер обоих движений и открыл законы свободного падения тел (в частности, независимость скорости его от веса тела), установил законы качания маятника и построил теорию равномерно ускоренного движения. Галилей ввел, таким образом, в «земную» механику движения количественный эксперимент и математическое описание явлений. Такой подход в корне отличался от чисто качественных методов научного исследования в средние века.

Более того, Галилей тем самым заложил основы будущего научного метода изучения природы, который заключается в количественном анализе наблюдаемых частных явлений и обобщении их в виде установления общего закона. Из такого подхода развился в дальнейшем индуктивный метод познания природы: от частного к общему.

Единственное, в чем Галилей остался аристотелианцем в физике, было его представление об инерциальном (бессиловом) движении как о движении круговом (таким он продолжал считать движение небесных тел и после открытий Кеплера).

С именем Галилея связано не только открытие основных законов равномерно-переменного и ряда более сложных видов движения, но и установление основных понятий кинематики и динамики и открытие общего принципа классической механики (принцип относительности Галилея). Исследования его в механике, которые он сам считал основными в своей деятельности, в значительной степени определили дальнейшее развитие этой науки и, наряду с законами Кеплера, легли в основу классической ньютоновской физики и физической картины мира.

Но в той грандиозной ломке мировоззрение в области естествознания, которая началась в эпоху позднего Возрождения (XVI—XVII вв.), первостепенную роль сыгралb прежде всего собственные астрономические открытия Галилея с помощью введенных им в астрономию новых способов наблюдения и, главное, защита на этой основе учения Коперника.

Аристотелево учение об идеальности, вечности и неизменности небесных тел, птолемеева система мира с неподвижной Землей в центре Вселенной — все это превратилось ко времени Галилея в предмет слепой веры. Новое же гелиоцентрическое учение Коперника все еще оставалось гипотезой, не только не подтвержденной, ко отчасти противоречившей наблюдениям того времени (у звезд не наблюдалось параллактических годичных смещений). Во времена Галилея даже тех немногих, кто начинал склоняться к признанию гелиоцентрической системы, хотя бы по причине ее большей простоты и логичности, мог смущать удивительный факт, что лишь у нашей Земли имеется спутник — Луна. Это все еще выделяло Землю уже в планетной системе.

Астрономические исследования Галилея изложены в его знаменитом «Звездном вестнике» (1610), в не менее знаменитом письме «О солнечных пятнах» (1613) к его ученику Б. Кастелли и в основном астрономическом сочинении Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой» (1632). В «Звездном вестнике» он описал, кроме того, историю создания своего телескопа¹. Осенью того же года Галилей и почти одновременно с ним С. Мариус и Т. Гарриот первыми использовали оптический инструмент для наблюдения неба. Однако по качеству своего инструмента, систематичности и результатам наблюдений и, главное, глубине их интерпретации Галилей сразу и намного опередил своих современников. Под влиянием его удивительных результатов, изложенных в «Звездном вестнике», и другие начали систематическое изучение неба с телескопом. Поэтому можно утверждать, что именно с астрономических наблюдений и исследований Галилея начинается новая, оптическая эра наблюдательной астрономии.

Несмотря на нечеткость первых изображений (главным образом, по причине хроматической аберрации), телескоп Галилея колоссально расширил пределы наблюдаемой Вселенной и впервые подтвердил некоторые гениальные догадки древнегреческих натурфилософов. Так, в бледных облаках Млечного Пути он обнаружил огромные скопища звезд, подтвердив мысль об этом Демокрита. Галилей первым отметил как в самой полосе Млечного Пути, так и в других частях неба существование скоплений звезд, которые простому глазу представлялись маленькими туманными пятнами (Ясли в созвездии Рака, скопление возле звезды λ Ориона; такие пятна, или «туманные звезды», со времен Птолемея считали более плотными частями твердой небесной сферы, якобы отражавшими солнечные лучи). Галилей первым сделал обоснованный наблюдениями вывод о звездном составе подобных «туманностей».

Таким образом, впервые в истории астрономии было показано, что путем прямых наблюдений можно изучать не только движение светил, но также строение и состав космических объектов и что с улучшением наблюдательных средств наши представления о Вселенной могут в корне меняться.

К первым заключениям Галилея о звездной природе светлых туманностей (которых ко времени изобретения телескопа было отмечено около двух десятков) восходит концепция островных вселенных.

В то время как отдельные светлые туманности и некоторые пятна света в Млечном Пути разлагались при наблюдении в телескоп Галилея на звезды, другие, гораздо более обширные области Млечного Пути при этом продолжали сиять непрерывным млечным, или жемчужным, светом. Это послужило для Галилея реальным свидетельством колоссальности масштабов мира звезд. К такому выводу его приводили и другие наблюдения. Галилей заметил, что в отличие от планет, которые в поле зрения его телескопа имели вид кружков, звезды всегда оставались точкам, лишь увеличиваясь в яркости. Это было новым доводом в пользу безмерной удаленности звезд и таким образом подкрепляло мнение Коперника о причине ненаблюдаемости параллактических смещений у звезд (восходящее к Аристарху). В своем письме к Ф. Инголи (1624) Галилей окончательно отверг представление о расположении звезд на одной (хотя бы и чрезвычайно удаленной) сфере (вернее, в тонком сферическом слое), как это со времен Аристотеля принималось большинством (в том числе, например, и Кеплером). Но в целом мир звезд все еще оставался за пределами возможностей исследования. Свое внимание Галилей сосредоточил на открытиях, сделанных им в мире планет.

Эти наблюдения, напротив, впервые «приблизили» небесный мир к земному, обнаружив первые свидетельства принципиального единства физической природы Земли и планет и развенчав аристотелевы представления об идеально круглых и гладких небесных телах. О поверхности Луны Галилей писал, что она является «наоборот, неровной, шероховатой, покрытой впадинами и возвышениями, совершенно так же, как и поверхность Земли, которая то здесь, то там отмечается горными хребтами и глубокими долинами». Он впервые оценил высоту лунных гор (около 7 км, что близко к современным оценкам, правда, крутизна их оказалась оптическим эффектом) и отметил их особую, кольцевую форму (цирки).

Сама интерпретация астрономических наблюдений Галилея была в значительной мере следствием революционной идеи гелиоцентризма, так как последний предполагал равноправие Земли и планет (включая Луну). Рассматривая Луну также в телескоп, но не опираясь на идею гелиоцентризма, Гарриот, как уже упоминалось, лишь сравнил ее с... тортом, а противники Галилея были убеждены, что вся картина возникает из-за различий степени темноты и окраски разных частей гладкого шара Луны, либо даже предполагали, что наблюдаемые неровности, хотя и существуют, но находятся внутри слоя прозрачного твердого вещества, образующего идеально гладкую сферическую поверхность Луны.

Ко времени наблюдений Галилеем Солнца догма об особом мире совершенных небесных тел была поколеблена и открытием солнечных пятен. Первым в июне 1611 г. опубликовал сообщение об этом открытии, сделанном в марте того же года, Й. Фабрициус (1587—1616). Он убедительно показал, что обнаруженные им три пятна на солнечном диске принадлежат телу самого светила (которое он, как и другие в его время, считал твердым). По видимому перемещению пятен он впервые открыл вращение Солнца и оценил его период (около месяца). Позднее — в 1613 г. — появилось сообщение о наблюдении их Галилеем еще в июле — августе 1610 г. В декабре 1610 г. солнечные пятна независимо открыл и Гарриот, но этот факт стал известен много позднее. В 1612 г. появилось сообщение Х. Шейнера о наблюдении пятен в марте 1611 г., но он не понял природы явления, приняв пятна за более близкие к Солнцу планеты (повторив ошибку Кеплера). Дело в том, что раньше всех из европейских ученых солнечное пятно наблюдал на экране в камере-обскуре Кеплер (1607 г.), но принял его за Меркурий. Окончательному утверждению мнения о пятнах как детали солнечной поверхности способствовало открытие Галилеем реальных и довольно быстрых изменений формы пятен (помимо их сплющивания на краю диска за счет перспективы, что открыл уже Фабрициус). Новой физической деталью на Солнце были открытые Галилеем в 1612 г. маленькие яркие образования (очевидно, факелы), которые уже нельзя было спутать с посторонними телами и по которым Галилей подтвердил вращение Солнца. Темные же пятна он считал облаками в солнечной атмосфере.

Еще большее впечатление произвело открытие Галилеем спутников у Юпитера и фаз у Венеры. Уже во время первых наблюдений в 1610 г. он убедился, что обнаруженные им близ Юпитера четыре маленькие звездочки, расположенные на одной прямой, изменяют свое положение относительно планеты. Продолжив наблюдения, он установил периодичность в движении этих «звездочек» и тем доказал, что это спутники планеты.

Рассматривая в телескоп Сатурн, Галилей заметил по бокам его диска странные выступы. Он также принял их за два спутника планеты, очень близких к ней. Поскольку явление все еще оставалось для него загадочным, то о своем открытии Галилей сообщил в виде анаграммы — набора букв, составлявших после правильной их расстановки фразу: «Высочайшую планету тройною наблюдал». Но его предположение оправдалось не буквально. Таинственные выступы оказались знаменитым кольцом планеты, существование которого (в 1656 г.) установил Х. Гюйгенс. Только спустя еще два века было открыто, что это колоссальная и сложная по своей структуре система маленьких спутников Сатурна (которые, впрочем, далеко не исчерпывают собой состав колец).

Среди всех своих астрономических открытий наиболее значительным Галилей считал обнаружение спутников у Юпитера. В их достоверности он особенно стремился «убедить всех астрономов и философов». Это было нелегко. И не только из-за недоверия многих к открытиям Галилея по мировоззренческим соображениям. Первые телескопы давали очень плохие изображения, не сильно искаженные за счет сферической и главным образом хроматической аберрации. «Случайный», да еще предубежденный наблюдатель, взглянувши на небо в такой телескоп, вполне мог увидеть там лишь радужные дрожащие размытые пятна.

Впервые за всю историю цивилизации были обнаружены новые подвижные небесные тела (наименование «спутники» ввел Кеплер), которые обращались явно вокруг другой, уже известной планеты. Луна перестала быть исключением в системе Коперника, а Земля — единственным центром, вокруг которого должны были,

согласно Птолемею (а вернее, Аристотелю), обращаться все небесные тела. И все же это открытие было лишь косвенным подтверждением системы Коперника. Следующее телескопическое открытие Галилея — обнаружение в декабре 1610 г. у планеты Венеры фаз, как у Луны, в том числе и «полной Венеры», явилось первым неопровержимым аргументом, показывавшим несостоятельность системы Птолемея, в которой Венера, будучи нижней планетой, не могла оказываться в фазе «полновенерия». Правда, открытие это еще не позволяло сделать выбор между системами Коперника и Тихо Браге. Но поскольку вместе с кинематической схемой Коперника в астрономию вошел и принцип «экономии причин», то при явном опровержении птолемеевой системы шансов на победу стало больше именно у системы Коперника.

Однако открыто провозгласить это в Италии начала XVII в. — значило повторить трагическую судьбу Джордано Бруно. Поэтому необходимо было убедить в своей «благонамеренности» католическую церковь. Между тем «Звездный вестник» — небольшое сочинение, в котором Галилей изложил свои телескопические открытия, и еще более «Письмо о солнечных пятнах», где он утверждал первостепенную роль чувственного опыта в исследовании окружающего мира, вызвали резкие нападки на ученого и обвинения его в отступлении от Священного Писания. Вся дальнейшая жизнь Галилея была связана с неоднократными поездками в Рим для объяснений с папой, высшим духовенством, со «святой инквизицией». И ни огромный научный авторитет, ни близкое знакомство с кардиналом Барберини (позже — папа Урбан VII), ни даже искренняя преданность Галилея католической церкви, в чем у Рима не было сомнения, не спасли гениального ученого от суда инквизиции.

Опубликование самих астрономических открытий не вызвало еще тревоги и даже нашло признание у высоких духовных сановников, вопреки нападкам научных противников Галилея и разного рода доносчиков. Несмотря на официальный запрет в 1616 г. пропаганды системы Коперника, у Галилея все еще сохранялась иллюзия приемлемости его взглядов для католической церкви. Их изложение в осторожной форме было даже официально разрешено ученому. Система Коперника должна была при этом представляться лишь как одна из возможных и абстрактных математических теорий. Опубликование «Диалога» разрушило иллюзии и у Галилея в отношении терпимости церкви к его воззрениям, и у католического Рима в отношении истинного смысла этого труда. Напечатанный в феврале 1632 г. с разрешения римской духовной цензуры, он уже в августе был изъят из продажи и внесен в папский «Индекс» запрещенных книг.

Между тем форма «Диалога» крайне осторожна: трое друзей ведут мирную, без особого полемического задора, неторопливую беседу о весьма отвлеченных вещах. Причем каждый искренне и непредубежденно — что относится прежде всего к стороннику Коперника — Сальвиати и «нейтралисту» Сагредо — старается понять точку зрения другого, допуская сначала ее справедливость. Однако, несмотря на это, а скорее, именно благодаря такой объективности беседующих, установки аристотелевой физики, проповедовавшиеся католической церковью, как и сама система Птолемея, терпят в «Диалоге» очевидный крах. Новые же идеи Коперника, дополненные еще более революционными идеями Бруно о бесконечности Вселенной и множественности обитаемых миров, с убедительностью торжествуют перед читателем. Для католического Рима не могло оставаться никаких сомнений в невероятной силе и, следовательно, опасности ее идейного противника — Галилео Галилея.

Автор «Диалога» в 1633 г. был вызван в Рим. Под угрозой пытки старого ученого (ему тогда было 69 лет) принудили отречься от «заблуждений». Но и после этого Галилей продолжал работать и сумел в далекой протестантской Голландии переиздать несколько раз свой «Диалог», а в 1638 г. опубликовал там же «Беседы о механике». Быть может, именно этот реальный протест и несломленность духа ученого и вызвали к жизни красивую легенду о словах Галилея, якобы брошенных им после публичного покаяния: «А все-таки она вертится!»

В своих последних сочинениях Галилей предстает непобежденным борцом эпохи великого Возрождения культуры и науки.

Примечания

1. Узнав летом 1609 г. об изобретении в Голландии зрительной трубы, Галилей самостоятельно сконструировал ее усовершенствованный вариант, применив соответственно для объектива и окуляра плоско-выпуклое и плоско-вогнутое стекла. Телескоп Галилея давал прямое мнимое изображение предмета (чем отличался от последующих телескопов-рефракторов). Увеличение, сначала равное 3, позднее было доведено до 32, что для такого типа инструментов является пределом. Название инструмента «телескоп» придумал Демесиани (1576—1614), член «Академии рысьеглазых» (физиков-экспериментаторов), в которую входил и Галилей.