8 січня 2017 р. виповнилося 375 років з дня смерті геніального італійського вченого Галілео Галілея (15.02. 1564 – 8.01.1642), одного із засновників класичної фізики і дослідного природознавства взагалі.
Усім відомі його відкриття в галузі астрономії (супутники Юпітера, фази Венери та ін.), механіки (принцип відносності Галілея, закон падіння тіл та ін.), його боротьба за утвердження системи світу Коперника. Водночас мало хто знає, що Галілей був інженером і викладачем інженерних дисциплін, і зовсім небагато уявляє значення цих обставин для його наукових відкриттів.
Освіта і початок наукових досліджень Галілея
Галілео Галілей став одним із засновників класичної фізики значною мірою завдяки тому, що отримав і університетську освіту (незакінчену), і інженерну.
Він був старшим сином флорентійця Вінченцо Галілея – музиканта (лютніста), вчителя музики, автора кількох творів з музикознавства. Галілео зростав в атмосфері мистецтва, класичної поезії, навчився чудово грати на лютні та малювати. Деякий час навіть хотів стати художником. Початкову освіту (читання, письмо, латина, арифметика) отримав удома і в монастирській школі.
У 1581–1585 рр. Галілей навчався в Пізанському університеті на медичному факультеті, де поряд з медичними трактатами вивчав філософію Аристотеля, елементарну математику, систему світу Птоломея. А також вчився складати гороскопи – за їх допомогою лікарі в ті часи прогнозували перебіг хвороби.
У 1585 р. Галілей залишив університет і повернувся до Флоренції. Тут він брав приватні уроки в Остіліо Річчі – радника з питань математики при дворі флорентійського герцога і викладача Флорентійської академії мистецтв (Academia del Disegno). Тут готували фахівців з будівництва і машин, потреба в яких у XVІ ст. постійно зростала у зв'язку з розвитком артилерії і фортифікації. У цій академії, на відміну від університетів, викладали механіку (науку про машини і механічні мистецтва (ремесла)).
Під керівництвом Річчі Галілей вивчав "Начала" Евкліда, праці Архімеда, а також тодішні інженерні науки, уявлення про які дають конспекти лекцій Річчі, що зберігаються сьогодні у музеях. Річчі навчав, як вимірювати висоти і глибини (зокрема веж і колодязів), як визначати питому вагу тіл, ознайомлював слухачів з проектуванням підйомних машин, спорудженням фортець, будівництвом каналів і регулюванням водних потоків. При цьому математику він викладав не як умоглядну "чисту" науку, а як основу практичних розрахунків.
Уже під час навчання Галілей виконав свої перші самостійні дослідження, теми яких безпосередньо пов'язані з тим, що він вивчав.
У роботі "Гідростатичні ваги" (1585 р.) Галілей дав опис винайдених ним ваг, дія яких ґрунтувалася на законі Архімеда. Ваги дозволяли досить точно визначати питому вагу твердих тіл і застосовувалися згодом не одне століття. Практичну цінність роботи підвищувала вміщена в ній таблиця густин металів і дорогоцінних каменів.
У роботі "Теореми про центри ваги твердих тіл" (1586 р.) Галілей розглянув проблеми, які в той час широко обговорювали інженери, і довів кілька теорем, застосувавши геометричний підхід з праць Архімеда. Робота справила дуже хороше враження на авторитетного військового інженера, автора "Книги про механіку" маркіза Гвідобальдо дель Монте, знавця праць Архімеда. Він написав схвальний відгук на цю роботу і став покровителем Галілея.
Можна помітити спільну рису перших досліджень Галілея: застосування знання математики і фізики для вирішення проблем інженерної практики.
Галілей – викладач, інженер і дослідник
Завдяки клопотанню Гвідобальдо дель Монте, Галілей у 1589 р. отримав місце професора математики Пізанського університету. Згідно з навчальною програмою викладав геометрію і астрономію (за Птоломеєм). Водночас займався дослідженнями в галузі механіки. У 1590 р. написав працю, точніше, начерки праці "Про рух", де звернув увагу на існування суперечностей між фактами і положеннями фізики Аристотеля.
У 1592 р., знову-таки за рекомендацією Гвідобальдо дель Монте, Галілей став професором Падуанського університету (Венеціанська республіка). Читав лекції, які ґрунтувалися на "Началах" Евкліда (ІІІ-IV ст. до н.е.), "Альмагесті" Птоломея (ІІ ст.), астрономічному "Трактаті про сферу" Статобоско (ХІІІ ст.), а також на роботі "Механічні проблеми", яку приписували Аристотелю. Остання є найдавнішою роботою з теоретичної механіки; у ній дається пояснення роботи різних механізмів (ваг, коловорота, клину, гребних і рульових весел та ін.) на основі принципу дії важеля.
У Падуї Галілей давав приватні уроки військовим. Він викладав їм геометрію, теорію перспективи, фортифікацію, балістику та інші предмети. З того часу до нас дійшли його рукописи "Машини", "Короткі інструкції з військової архітектури" і "Трактат з фортифікації" (1592–1593). В останніх двох роботах Галілей з самого початку звертає увагу на те, що у зв'язку з появою артилерії сучасне мистецтво спорудження фортець суттєво відрізняється від античного, і що старовинні трактати з фортифікації для практики непридатні.
Галілей не лише викладав теорію, але й навчав своїх слухачів користуватися математичними інструментами, у тому числі винайденим ним самим геометричним і військовим циркулем. За допомогою цього інструмента можна було вимірювати відстані, висоти і глибини, визначати кути та ін. Він також організував у своєму будинку майстерню, де наймані ним майстри виготовляли ці циркулі, а також пропорційні циркулі і деякі металеві деталі інструментів. До речі, першою опублікованою роботою Галілея був практичний посібник "Операції геометричного і військового циркуля" ("Le operazioni del compasso geometrico e militare", 1606).
Є написаний Галілеєм начерк навчальної програми для нової академії, яку збиралися відкрити у Падуї, і де мали готувати військових. Галілей писав, що військовим необхідно "знання арифметики, геометрії і стереометрії, механічних наук у їх найрізноманітніших застосуваннях, артилерійської науки разом із знанням причин і поясненнями багатьох окремих випадків, які можуть мати місце в цій галузі, знання циркуля і інших інструментів для креслення планів, вимірювання відстаней, глибин і висот, далі – правил перспективи, щоб правильно зобразити будь-який реальний чи вигаданий предмет, як, наприклад, укріплення і їх частини або будь-якого роду військові машини, і, нарешті, знання військової архітектури".
Військово-морський комітет Венеціанського арсеналу залучав Галілея як знавця математики і механіки до експертизи проектів нових військових кораблів. Галілей, зокрема, виконав розрахунок весла нової важкої галери.
Як інженер Галілей розробив конструкцію водопідйомної машини, яка використовувала тяглову силу тварин, і отримав на цю конструкцію патент від Венеціанської республіки.
У падуанський період Галілей проводив експерименти з дослідження прискореного руху і поступово сформулював майже всі основні положення своєї динаміки. Тоді ж він став прихильником системи світу Коперника, хоча на своїх лекціях мав викладати систему Птоломея.
Наприкінці 1590-х рр. Галілей написав роботу "Механіка", в якій вперше у світі сформулював низку загальних положень щодо машин. Він зазначає, що при вивченні машин слід брати до уваги чотири "предмети": "перший – це вантаж, який потрібно перенести з місця на місце; другий – це сила, що переносить вантаж; третій – це відстань між початковим і кінцевим пунктом переміщення; четвертий – це час, протягом якого має відбутися переміщення". Він також виступив проти уявлень, ніби машина може перехитрити природу (таке твердження є в "Механічних проблемах").
Історія астрономічних відкриттів Галілея є широко відомою, і я розповідати про неї не буду. Зауважу тільки, що, дізнавшись влітку 1609 р. про існування підзорної труби, Галілей сам придумав конструкцію, сам виготовляв лінзи і труби, постійно їх вдосконалюючи. Тобто діяв як інженер-оптик. Деякий час його підзорні труби були найкращими у світі. У січні 1610 р. Галілей за допомогою свого телескопа став розглядати нічні світила, а в березні видав книгу "Зоряний вісник", де описав свої астрономічні відкриття. Це допомогло йому отримати звання головного філософа і математика Великого герцога Тосканського, і в липні 1610 р. він переїхав з Падуї до Флоренції.
У Флоренції Галілей зайнявся головним чином астрономією, критикою фізики Аристотеля і захистом системи Коперника. Він продовжив досліди з оптики, винайшов бінокль і мікроскоп. Виконував технічну експертизу проектів машин і кораблів, які винахідники пропонували для реалізації уряду Тосканського герцогства.
У 1634 р. побачила світ книга Галілея "Діалоги про дві найголовніші системи світу: Птоломеєвої і Коперникової". В ній не лише під виглядом обговорення захищалася система світу Коперника, але й розглядалися проблеми механіки. За пропаганду коперникіанства Галілея піддали суду інквізиції, який заборонив йому писати про астрономію до кінця його днів. Після цього 70-річний Галілей зосередився на проблемах механіки.
У 1638 р. в Лейдені і у видавництві Ельзевірів вийшла його книга "Бесіди і математичні докази з двох галузей науки, що відносяться до механіки та місцевого руху". Дві нові галузі науки, про які сказано в назві книги, – це опір матеріалів і вчення про рівномірноприскорений рух. У цій книзі вперше в історії науки розглянуто питання міцності стрижнів і балок при згині, міцності геометрично подібних тіл з урахуванням їх власної ваги та ін. Книга Галілея стала також основою для подальших досліджень у галузі динаміки Х.Гюйгенса і І.Ньютона.
Як характер освіти і діяльності Галілея сприяв його науковим відкриттям
Як сказано вище, Галілей отримав і університетську освіту (незакінчену), і інженерну. В університеті він вивчав філософію Аристотеля і Платона, відповідно мав уявлення про те, що таке наукова теорія, істина, строге доведення, вмів вести теоретичну дискусію. Водночас як інженер Галілей цікавився не "вічними" проблемами "чистої" науки, а такими, які пов'язані з роботою машин.
Про це він прямо написав на початку своєї книги "Бесіди і математичні докази...": "Велике поле для роздумів, думається мені, дає допитливим людям постійна діяльність вашого знаменитого арсеналу, синьйори венеціанці, особливо в галузі механіки, тому що будь-якого роду інструменти і машини постійно застосовуються тут великим числом майстрів, багато з яких шляхом спостережень над творіннями попередників і роздумами при виготовленні власних виробів набули великих знань і гостроти мислення".
Водночас Галілей був не інженером-практиком, а науковим консультантом інженерів. Відповідно, міг розглядати проблеми, що виникають у практичній діяльності інженерів, відсторонено. Завдяки цьому шукав загальні підходи до вирішення цих проблем, і при цьому закладав основи теоретичної механіки. До речі, збереглося листування Галілея з інженерами-практиками. У цих листах обговорюється багато тих питань, про які він згодом написав у своїх "Діалогах про дві системи світу" і "Бесідах про нові галузі науки".
На мою думку, якби Галілей був лише викладачем університету, він не став би засновником класичної фізики як точної науки. Філософія Аристотеля і Платона, яку викладали в університетах, стверджувала, що точні розрахунки можна застосовувати лише для ідеальних математичних об'єктів, і що до реальних предметів математику застосовувати не можна. Водночас Галілей як інженер усвідомлював потреби балістики, машинобудування і будівництва у виконанні точних розрахунків, відповідно, намагався їх розробити, що, знову ж таки, сприяло його дослідженням у галузі механіки.
Те, що Галілей займався проблемами руху тіл, безпосередньо пов'язано з тим, що він викладав балістику. У цьому викладанні він міг спиратися на праці Аристотеля, а також трактат Ніколо Тартальї "Нова наука". Але Аристотель давав зовсім хибний опис руху тіла, що кинуте під кутом до горизонту, а Тарталья неточний. Аристотель писав, що тіло спочатку летить по прямій під тим кутом, під яким його кинули (це рух насильницький), а потім – вертикально вниз (рух природний). Тарталья – що тіло спочатку летить по прямій, потім по дузі кола, далі – по прямій вертикально вниз. Будучи критично мислячою людиною, Галілей не міг просто переказувати своїм учням чужі думки, а прагнув сам переконатися у істинності того, що викладав. Це теж змушувало його постійно роздумувати над проблемами механічного руху тіл, ставити досліди і... робити відкриття у галузі механіки.
* * *
Довгий час діяльність Галілея як інженера і викладача інженерних дисциплін, як і вплив цієї діяльності на його наукові дослідження, залишалися поза увагою істориків. Уперше зв'язок наукових досліджень Галілея з інженерною практикою проаналізував у 1920-х рр. відомий історик науки Леонардо Ольшкі у 3-му томі своєї праці "Історія наукової літератури на нових мовах" (цей том є в читальному залі №2 НТБ КПІ ім. Ігоря Сікорського). Детально діяльність Галілея як інженера і наукового консультанта інженерів висвітлюється у книзі італійського історика науки Маттео Валеріані "Галілео інженер" (Valleriani M. Galileo Engineer. Springer, 2010), де публікується частина листування Галілея з інженерами. Ці дві книги стали основним джерелом матеріалів для даної статті.
