Галилей. Принцип относительности - дорога открытия

За свою долгую жизнь Галилео Галилей совершил ряд великих открытий в области физики, астрономии, методологии. Основным достижением этого великого ума был принцип научного познания – экспериментального наблюдения и математического описания результатов опытов. Добрую часть своей жизни ученый посвятил созданию новой науки, где каждый опыт, каждый эксперимент не базировался на умозрительных заключениях, а последовательно подтверждался математическими выкладками.

Галилей и новая наука

Самым значительным вкладом Галилея в науку явилось изменение принципов обработки опытных данных.

У Галилея были хорошие учителя – пользуясь наработками Архимеда и Пифагора, он сумел вывести правило, согласно которому получаемые экспериментальные знания с помощью математических методов должны приводиться в систему. Математические методы ученый применял к тем показателям, которые подтверждались независимыми измерениями. Так, он придавал большое значение таким основным величинам, как длина, вес, объем, сила. Он отвергал субъективные понятия – запах, музыкальный слух, красоту, вкус. Если наблюдатель отсутствует, то, по словам исследователя, субъективные величины исчезают. Этот принцип и лег в основу многих замечательных открытий ученого, одно из них мы знаем под названием «механический принцип относительности Галилея».

Учение о движении

Новые принципы изучения движения Галилей разработал в Пизе и Падуе. Здесь были собраны и приведены в систему все известные на тот момент знания в области механики и кинематики. Учение о свойствах маятника было одним из первых математически обоснованных открытий, которым прославился Галилей. Принцип относительности в основе своей базировался на наблюдениях исследователя в церкви, когда, будучи студентом, он следил за колебаниями люстр в соборах.

При отсутствии точного времени период затухания колебаний огромных светильников Галилей отсчитывал по биению пульса. Впоследствии это наблюдение легло в основу медицинского прибора, предназначенного для измерения пульса.

Догматы Аристотеля

На учениях Аристотеля базировалась вся наука того времени. Церковь полностью одобряла его идеи, и в Средние века оспаривать Аристотеля считалось чуть ли не ересью. Однако нашлись ученые, которые оспорили незыблемую мудрость древнего грека. Одним из таких смельчаков был Галилей, принцип относительности которого начинал вырисовываться только после проверки эмпирических утверждений Аристотеля. Так, исследователь заметил, что тела, отличающиеся друг от друга по весу, падают с практически одинаковой скоростью. Небольшие различия Галилей правильно объяснял воздействием трения воздуха. Ученый возмущался Аристотелем и его последователями, которые утверждали, что ядро пушки весом в 100 фунтов будет падать лишь на 100 футов, а шар весом в фунт будет падать только один фут. Практические опыты, как утверждал Галилей, приводили к различию в расстоянии, которое можно измерить несколькими пальцами. Как вы уместите аристотелевскую разницу в 99 футов между пальцами – спрашивал Галилей у приверженцев учения Аристотеля.

Принцип маятника

Работы с маятником привели Галилея к мысли повторить опыт с шаром, перекатывающимся с горки на горку. Он доказал, что движение такого шара будет продолжаться до тех пор, пока сила трения его не остановит. При отсутствии трения такой шар будет совершать колебательные движения в лунке сколь угодно долго. В предельном случае, когда трения нет, а второй холм отсутствует, падение шара будет продолжаться бесконечно. Таким образом, Галилей экспериментально подтвердил первый закон Ньютона: при отсутствии сторонних сил тело будет двигаться по прямой траектории с постоянной скоростью бесконечно долго. Так в руках ученого оказался ключ к разгадке вечного движения планет. Галилей доказал, что внешняя сила для равномерного движения небесных тел не требуется, так как это движение продолжается само по себе.

От опытов – к звездам

В то время ученые вели долгие дискуссии о том, вращается ли Земля, и если да, то почему жители этой планеты движения не наблюдают. В этом споре Галилей занимал позицию сторонников вращения нашей планеты. На ученого большое влияние оказали труды его предшественников. В работах Николая Орема, Николая Кузанского, Коперника и Джордано Бруно указывалось, люди не могут оценить вращения Земли только потому, то планета слишком велика для наблюдателя. Находясь в любой точке пространства, на любой планете, наблюдателю будет казаться, что все движется вокруг него. Так постепенно Галилей утвердил равенство всех систем наблюдения, чем нанес сильнейший удар по антропоцентризму. Возможность отличить движение от состояния покоя вероятна лишь в том случае, когда имеется возможность сравнения – утверждал Галилей. Принцип относительности сводился к тому, что в замкнутой физической системе невозможно определить, находится ли эта система в состоянии покоя или же совершает равномерное прямолинейное движение.

Преобразования Галилея

Преобразования, которыми оперировал Галилей, позволяют доказать, что в любой системе, двигающейся равномерно и прямолинейно, физические процессы ведут себя абсолютно одинаково. Доказать это утверждение можно, представив себе пару инерциальных систем отсчета k и k'. Поскольку обе системы инерциальные, каждая из них двигается равномерно и прямолинейно вдоль оси х. Точка М движется в обеих системах отсчета.

Для того чтобы сформулировать связь между этими системами, начнем отсчет с момента, когда начала координат совпадают по времени, то есть t = t'. Тогда уравнения движения точки М приобретут следующий вид:

Эти уравнения и характеризуют математический принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея верны для движения любого тела по законам классической механики.

Отстаивание собственных идей

Галилей многократно отстаивал свои идеи перед критиками. Говоря о постоянном и равномерном движении, он приводил в пример предметы, падающие с мачты корабля, который плывет с постоянной скоростью.

Когда его оппоненты начинали говорить о влиянии ветра, Галилей предлагал перенести эксперимент в каюту. С помощью этого и других наглядных примеров ученый раз за разом демонстрировал, что равномерное движение места эксперимента не влияет на опыты, связанные с падением тел, с полетом снарядов. Равномерное движение нельзя обнаружить никакими опытами, проводимыми внутри системы - утверждал Галилей. Принцип относительности систем отсчета был принят оппонентами в штыки. С достоинством отстаивая свою правоту, Галилей столкнулся с яростным несогласием большинства ученых, которых от насмешливо называл «бумажными философами». В конце своей жизни ученым заинтересовалась церковь, и под ее давлением Галилей был вынужден публично отречься от некоторых своих взглядов.

Заключение

В 19 веке в связи с открытием законов электродинамики оказалось, что новые законы и галилеевский принцип не соответствуют друг другу. Преобразования Лоренца сделали возможным применение принципов относительности в мире электродинамики. Окончательно примирить противоречия смог Эйнштейн, создав свою специальную теорию относительности. В случаях, когда скорость тела много меньше световой, преобразования Галилея не теряют своей актуальности. Они с успехом используются и в наше время.