Галілей. Принцип відносності - дорога відкриття

Галілей. Принцип відносності - дорога відкриття

За своє довге життя Галілео Галілей зробив ряд великих відкриттів в області фізики, астрономії, методології. Основним досягненням цього великого розуму був принцип наукового пізнання - експериментального спостереження і математичного опису результатів дослідів. Добру частину свого життя вчений присвятив створенню нової науки, де кожен досвід, кожен експеримент не базувався на умоглядних висновках, а послідовно підтверджувався математичними викладками.

Галілей і нова наука

Найзначнішим внеском Галілея в науку стала зміна принципів обробки досвідчених даних.


У Галілея були хороші вчителі - користуючись напрацюваннями Архімеда і Піфагора, він зумів вивести правило, згідно з яким отримувані експериментальні знання за допомогою математичних методів повинні приводитися в систему. Математичні методи вчений застосовував до тих показників, які підтверджувалися незалежними вимірами. Так, він надавав великого значення таким основним величинам, як довжина, вага, об 'єм, сила. Він відкидав суб 'єктивні поняття - запах, музичний слух, красу, смак. Якщо спостерігача немає, то, за словами дослідника, суб 'єктивні величини зникають. Цей принцип і ліг в основу багатьох чудових відкриттів вченого, одне з них ми знаємо під назвою "механічний принцип відносності Галілея".

Вчення про рух

Нові принципи вивчення руху Галілей розробив у Пізі та Падуї. Тут були зібрані і приведені в систему всі відомі на той момент знання в області механіки і кінематики. Вчення про властивості маятника було одним з перших математично обґрунтованих відкриттів, яким прославився Галілей. Принцип відносності в основі своїй базувався на спостереженнях дослідника в церкві, коли, будучи студентом, він стежив за коливаннями люстр у соборах.

За відсутності точного часу період загасання коливань величезних світильників Галілей відраховував по бієнню пульсу. Згодом це спостереження лягло в основу медичного приладу, призначеного для вимірювання пульсу.

Догмати Арістотеля

На вченнях Арістотеля базувалася вся наука того часу. Церква повністю схвалювала його ідеї, і в Середні століття оскаржувати Арістотеля вважалося мало не єресю. Однак знайшлися вчені, які оскаржили непорушну мудрість стародавнього грека. Одним з таких сміливців був Галілей, принцип відносності якого починав вимальовуватися тільки після перевірки емпіричних тверджень Арістотеля. Так, дослідник зауважив, що тіла, що відрізняються один від одного за вагою, падають з практично однаковою швидкістю. Невеличкі відмінності Галілей правильно пояснював впливом тертя повітря. Вчений обурювався Арістотелем і його послідовниками, які стверджували, що ядро гармати вагою в 100 фунтів буде падати лише на 100 футів, а куля вагою в фунт буде падати тільки один фут. Практичні досліди, як стверджував Галілей, призводили до відмінності у відстані, яку можна виміряти кількома пальцями. Як ви помістите аристотелівську різницю в 99 футів між пальцями - запитував Галілей у прихильників вчення Арістотеля.

Принцип маятника

Роботи з маятником привели Галілея до думки повторити досвід з кулею, що перекочується з гірки на гірку. Він довів, що рух такої кулі триватиме доти, доки сила тертя його не зупинить. При відсутності тертя така куля буде здійснювати коливальні рухи в лунці наскільки завгодно довго. У граничному випадку, коли тертя немає, а другий пагорб відсутній, падіння кулі триватиме нескінченно. Таким чином, Галілей експериментально підтвердив перший закон Ньютона: за відсутності сторонніх сил тіло рухатиметься по прямій траєкторії з постійною швидкістю нескінченно довго. Так у руках вченого опинився ключ до розгадки вічного руху планет. Галілей довів, що зовнішня сила для рівномірного руху небесних тіл не потрібна, оскільки цей рух триває сам по собі.

Від дослідів - до зірок

У той час вчені вели довгі дискусії про те, чи обертається Земля, і якщо так, то чому жителі цієї планети руху не спостерігають. У цій суперечці Галілей займав позицію прихильників обертання нашої планети. На вченого великий вплив мали праці його попередників. У роботах Миколи Орема, Миколи Кузанського, Коперника і Джордано Бруно вказувалося, люди не можуть оцінити обертання Землі тільки тому, то планета занадто велика для спостерігача. Перебуваючи в будь-якій точці простору, на будь-якій планеті, спостерігачеві буде здаватися, що все рухається навколо нього. Так поступово Галілей затвердив рівність усіх систем спостереження, чим завдав сильного удару по антропоцентризму. Можливість відрізнити рух від стану спокою ймовірна лише в тому випадку, коли є можливість порівняння - стверджував Галілей. Принцип відносності зводився до того, що в замкненій фізичній системі неможливо визначити, чи знаходиться ця система в стані спокою або ж здійснює рівномірний прямолінійний рух.


Перетворення Галілея

Перетворення, якими оперував Галілей, дозволяють довести, що в будь-якій системі, що рухається рівномірно і прямолінійно, фізичні процеси поводяться абсолютно однаково. Довести це твердження можна, уявивши собі пару інерційних систем відліку k і k '. Оскільки обидві системи інерційні, кожна з них рухається рівномірно і прямолінійно вздовж осі х. Точка М рухається в обох системах відліку.

Для того щоб сформулювати зв 'язок між цими системами, почнемо відлік з моменту, коли початку координат збігаються за часом, тобто t = t'. Тоді рівняння руху точки М набудуть такого вигляду:

Ці рівняння характеризують математичний принцип відносності Галілея. Перетворення Галілея вірні для руху будь-якого тіла за законами класичної механіки.

Відстоювання власних ідей

Галілей багато разів відстоював свої ідеї перед критиками. Говорячи про постійний і рівномірний рух, він наводив як приклад предмети, що падають з щогли корабля, який пливе з постійною швидкістю.

Коли його опоненти починали говорити про вплив вітру, Галілей пропонував перенести експеримент в каюту. За допомогою цього та інших наочних прикладів вчений раз за разом демонстрував, що рівномірний рух місця експерименту не впливає на досліди, пов 'язані з падінням тіл, з польотом снарядів. Рівномірний рух не можна виявити жодними дослідами, проведеними всередині системи - стверджував Галілей. Принцип відносності систем відліку був прийнятий опонентами в багнети. З гідністю обстоюючи свою правоту, Галілей зіткнувся з лютою незгодою більшості вчених, яких від глузливо називав "паперовими філософами". Наприкінці свого життя вченим зацікавилася церква, і під її тиском Галілей був змушений публічно зректися деяких своїх поглядів.

Ув 'язнення

У 19 столітті у зв 'язку з відкриттям законів електродинаміки виявилося, що нові закони і галілеївський принцип не відповідають один одному. Перетворення Лоренца зробили можливим застосування принципів відносності у світі електродинаміки. Остаточно примирити протиріччя зміг Ейнштейн, створивши свою спеціальну теорію відносності. У випадках, коли швидкість тіла багато менше світлової, перетворення Галілея не втрачають своєї актуальності. Вони з успіхом використовуються і в наш час.