8 января 2017 исполнилось 375 лет со дня смерти гениального итальянского ученого Галилео Галилея (15.02.1564 – 8.01.1642), одного из основателей классической физики и опытного естествознания.
Всем известны его открытия в области астрономии (спутники Юпитера, фазы Венеры и др.), механики (принцип относительности Галилея, закон падения тел и др.), его борьба за утверждение системы мира Коперника. В то же время мало кто знает, что Галилей был инженером и преподавателем инженерных дисциплин, и совсем немногие осознают значение этих обстоятельств для его научных открытий.
Образование и начало научных исследований Галилея
Галилео Галилей стал одним из основателей классической физики в значительной мере благодаря тому, что получил и университетское образование (незаконченное), и инженерное.
Он был старшим сыном флорентийца Винченцо Галилея – музыканта (лютниста), учителя музыки, автора нескольких музыковедческих произведений. Галилео рос в атмосфере искусства, классической поэзии, научился хорошо играть на лютне и рисовать. Некоторое время даже хотел стать художником. Начальное образование (чтение, письмо, латынь, арифметика) получил дома и в монастырской школе.
В 1581-1585 гг. Галилей учился в Пизанском университете на медицинском факультете, где наряду с медицинскими трактатами изучал философию Аристотеля, элементарную математику, систему мира Птолемея. А также учился составлять гороскопы – с их помощью врачи в те времена прогнозировали течение болезни.
В 1585 г. Галилей бросил университет и вернулся во Флоренцию. Здесь он брал частные уроки у Остилио Риччи – советника по математике при дворе флорентийского герцога и преподавателя Флорентийской академии искусств (Academia del Disegno). Здесь готовили специалистов в области машин и строительства, потребность в которых в XVI в. постоянно возрастала в связи с развитием артиллерии и фортификации. В этой академии, в отличие от университетов, преподавали механику (науку о машинах и механических искусствах (ремеслах)).
Под руководством Риччи Галилей изучал "Начала" Евклида, труды Архимеда, а также тогдашние инженерные науки, представление о которых дают конспекты лекций Риччи, хранящиеся сегодня в музеях. Риччи учил, как измерять высоты и глубины (в частности башен и колодцев), как определять удельный вес тел, знакомил слушателей с проектированием подъемных машин, сооружением крепостей, строительством каналов и регулированием водных потоков. При этом математику он преподавал не как умозрительную "чистую" науку, а как основу практических расчетов.
Уже во время учебы Галилей выполнил свои первые самостоятельные исследования, темы которых непосредственно связаны с тем, что он изучал.
В работе "Маленькие весы" (1585) Галилей описал изобретенных им весы, действие которых основывалась на законе Архимеда. Весы позволяли довольно точно определять удельный вес твердых тел и применялись впоследствии не одно столетие. Практическую ценность работы повышала помещенная в ней таблица плотностей металлов и драгоценных камней.
В работе "Теоремы о центрах тяжести твердых тел" (1586 г.) Галилей рассмотрел проблемы, которые в то время широко обсуждали инженеры, и доказал несколько теорем, применив геометрический подход из работ Архимеда. Работа произвела очень хорошее впечатление на авторитетного военного инженера, автора "Книги о механике" маркиза Гвидобальдо дель Монте, знатока работ Архимеда. Он написал положительный отзыв на эту работу и стал покровителем Галилея.
Можно заметить общую черту первых исследований Галилея: применение знания математики и физики для решения проблем инженерной практики.
Галилей – преподаватель, инженер и исследователь
Благодаря ходатайству Гвидобальдо дель Монте, Галилей в 1589 г. получил место профессора математики Пизанского университета. В соответствии с учебной программой преподавал геометрию и астрономию (по Птолемею). Одновременно занимался исследованиями в области механики. В 1590 г. написал труд, точнее, наброски труда "О движении", где обращал внимание на существование противоречий между фактами и положениями физики Аристотеля.
В 1592 г., опять-таки по рекомендации Гвидобальдо дель Монте, Галилей стал профессором Падуанского университета (Венецианская республика). Читал лекции, которые основывались на "Началах" Евклида (III-IV вв. до н.э.), "Альмагесте" Птолемея (II в.), астрономическом "Трактате о сфере" Статобоско (XIII в.), а также на работе "Механические проблемы", которую приписывали Аристотелю. Последняя является наиболее ранней работой по теоретической механике; в ней дается объяснение работы различных механизмов (весов, коловорота, клина, гребных и рулевых весел и др.) на основе принципа действия рычага.
В Падуе Галилей давал частные уроки военным. Он преподавал им геометрию, теорию перспективы, фортификацию, баллистику и другие предметы. До нас дошли его рукописи "Машины", "Краткие инструкции по военной архитектуре", "Трактат по фортификации" (1592-1593). В последних двух работах Галилей с самого начала обращает внимание на то, что в связи с появлением артиллерии современное искусство сооружения крепостей существенно отличается от античного, и старинные трактаты по фортификации для практики непригодны.
Галилей не только преподавал теорию, но и учил своих слушателей пользоваться математическими инструментами, в том числе изобретенным им самим геометрическим и военным циркулем. С помощью этого инструмента можно было измерять расстояния, высоты, глубины, углы и др. Он также организовал в своем доме мастерскую, где нанятые им мастера изготавливали эти циркули, а также пропорциональны циркули и некоторые металлические детали инструментов. Кстати, первой опубликованной работой Галилея был практическое пособие "Операции геометрического и военного циркуля" ("Le operazioni del compasso geometrico e militare", 1606).
Сохранился написанный Галилеем набросок учебной программы для новой академии, которую собирались открыть в Падуе, и где должны готовить военных. Галилей писал, что военным необходимы «знания арифметики, геометрии и стереометрии, механических наук в их различнейших приложениях, артиллерийской науки вместе со знанием причин и объяснениями многих отдельных случаев, которые могут иметь место в этой области, знание циркуля и других инструментов для черчения планов, измерения расстояний, глубин и высот, далее – правил перспективы, чтобы правильно изобразить любой реальный или выдуманный предмет, как, например, укрепления и их части или всякого рода военные машины, и, наконец, знание военной архитектуры».
Военно-морской комитет Венецианского арсенала привлекал Галилея как знатока математики и механики к экспертизе проектов новых военных кораблей. Галилей, в частности, выполнил расчет весла новой тяжелой галеры.
Как инженер Галилей разработал конструкцию водоподъемной машины, которая использовала тягловую силу животных, и получил на эту конструкцию патент от Венецианской республики.
В падуанский период Галилей проводил эксперименты по исследованию ускоренного движения и постепенно сформулировал почти все основные положения своей динамики. Тогда же он стал сторонником системы мира Коперника, хотя на своих лекциях должен был преподавать систему Птолемея.
В конце 1590-х гг. Галилей написал работу "Механика", в которой впервые в мире сформулировал ряд общих положений относительно машин. Он утверждал, что при изучении машин следует принимать во внимание четыре "предмета": "первый – это груз, который нужно перенести с места на место; второй – это сила или мощь, которая должна его перенести; третий – это расстояние между начальной и конечной точками перемещения; четвертый – это время, в течение которого должно произойти перемещение". Он также выступил против представлений, будто машина может перехитрить природу (такое утверждалось в "Механических проблемах").
История астрономических открытий Галилея широко известна, и я о ней рассказывать не буду. Замечу только, что, узнав летом 1609 г. о существовании подзорной трубы, Галилей сам придумал конструкцию, сам изготавливал линзы и трубы, постоянно их совершенствуя. Соответственно, работал как инженер-оптик. Некоторое время его подзорные трубы были лучшими в мире. В январе 1610 г. Галилей с помощью своего телескопа начал рассматривать ночные светила, а в марте издал книгу "Звездный вестник", где описал свои астрономические открытия. Это помогло ему получить звание главного философа и математика Великого герцога Тосканского, и в июле 1610 г. он переехал из Падуи во Флоренцию.
Во Флоренции Галилей занялся главным образом астрономией, критикой физики Аристотеля и защитой системы Коперника. Он продолжил опыты по оптике, изобрел бинокль и микроскоп. Выполнял техническую экспертизу проектов машин и кораблей, которые изобретатели предлагали правительства Тосканского герцогства для реализации.
В 1634 г. вышла в свет книга Галилея "Диалоги о двух главнейших системах мира: Птоломеевой и Коперниковой". В ней не только защищалась система мира Коперника, но и рассматривались проблемы механики. За пропаганду коперникианства Галилея подвергли суду инквизиции, который запретил ему писать об астрономии до конца дней. После этого 70-летний Галилей сосредоточился на проблемах механики.
В 1638 г. в Лейдене в издательстве Эльзевиров вышла его книга "Беседы и математические доказательства, касающиеся двух отраслей науки, относящихся к механике и местному движению". Две новые отрасли науки, о которых говорится в названии книги – это сопротивление материалов и учение о равномерно-ускоренном движение. В этой книге впервые в истории науки рассмотрены вопросы прочности стержней и балок при изгибе, прочности геометрически подобных тел при учете их собственного веса и др. Книга Галилея также послужила Х.Гюйгенсу и И.Ньютону основой для дальнейших исследований в области динамики.
Как характер образования и деятельности Галилея способствовал его научным открытием
Как говорилось выше, Галилей получил и университетское образование (незаконченное), и инженерное. В университете он изучал философию Аристотеля и Платона, соответственно знал, что такое научная теория, истина, строгое доказательство, умел вести теоретическую дискуссию. В то же время Галилей, как инженер, интересовался не "вечными" проблемами "чистой" науки, а такими, которые связаны с работой машин.
Об этом он прямо написал в начале своей книги "Беседы и математические доказательства...»: «Обширное поле для размышления, думается мне, дает пытливым умам постоянная деятельность вашего знаменитого арсенала, синьоры венецианцы, особенно в области, касающейся механики, потому что всякого рода инструменты и машины постоянно применяются здесь большим числом мастеров, из которых многие путем наблюдений над созданиями предшественников и размышлениями при изготовлении србственных изделий приобрели большие познания и остроту рассуждения".
При этом Галилей был не инженером-практиком, а научным консультантом инженеров. Соответственно, мог рассматривать проблемы, возникающие в практической деятельности инженеров, отстраненно. Благодаря этому искал общие подходы к решению этих проблем, и при этом закладывал основы теоретической механики. Кстати, сохранилась переписка Галилея с инженерами-практиками. В этих письмах обсуждается многие из тех вопросов, о которых он впоследствии написал в своих "Диалогах о двух системах мира" и "Беседах о новых отрасли науки".
Мне кажется, если бы Галилей был только преподавателем университета, он не стал бы основателем классической физики как точной науки. Философия Аристотеля и Платона, которую преподавали в университетах, утверждала, что точные расчеты можно применять только для идеальных математических объектов, и что к реальным предметам математику применять нельзя. В то же время Галилей как инженер осознавал потребности баллистики, машиностроения и строительства в выполнении точных расчетов, соответственно, стремился разрабатывать их методы, что, опять-таки, способствовало его исследованиям в области механики.
Интерес Галилея к проблемами движения тел, надо полагать, был непосредственно обусловлен тем, что он преподавал баллистику. В этом преподавании он мог опираться на труды Аристотеля, а также трактат Николо Тартальи "Новая наука". Но Аристотель давал совершенно ошибочное описание движения тела, брошенное под углом к горизонту, а Тарталья неточное. Аристотель писал, что тело сначала летит по прямой под тем углом, под которым его бросили (это движение насильственное), а затем – вертикально вниз (движение естественное). Тарталья – что тело сначала летит по прямой, затем по дуге окружности, далее – по прямой вертикально вниз. Будучи критически мыслящим человеком, Галилей не мог просто пересказывать своим ученикам чужие мысли, а стремился сам убедиться в истинности того, что преподавал. Это тоже заставляло его постоянно размышлять над проблемами механического движения тел, ставить опыты и... делать открытия в области механики.
* * *
Длительное время деятельность Галилея как инженера и преподавателя инженерных дисциплин, а также влияние этой деятельности на его научные исследования, оставались вне поля зрения историков. Впервые связь научных исследований Галилея с инженерной практикой проанализировал в 1920-х гг. известный историк науки Леонардо Ольшки в 3-м томе своего труда "История научной литературы на новых языках" (этот том есть в читальном зале №2 Научно-технической библиотеки КПИ им. Игоря Сикорского). Подробно деятельность Галилея как инженера и научного консультанта инженеров освещается в книге итальянского историка науки Маттео Валериани "Галилео инженер" (Valleriani M. Galileo Engineer. Springer, 2010), где публикуется часть переписки Галилея с инженерами. Эти две книги стали основными источниками материалов для данной статьи.
