Первой его теоретической работой было исследование о центре тяжести тел, написанное вскоре же после начала изучения им математики. В этой работе Галилей показал себя хорошим геометром. Его исследование в духе статики Архимеда обратило на себя внимание упомянутого ранее геометра Гвидо Убальди дель Монте.
Этот ученый очень знатного происхождения пользовался большим влиянием. По его рекомендации Галилей в возрасте двадцати пяти лет был приглашен на должность профессора в университет Пизы, покинутый им для занятий математикой. Он должен был преподавать студентам элементарную геометрию по Евклиду и излагать школьную астрономию по Птолемею.
Понятно, что эти занятия не увлекали Галилея. Все интересы великого ученого уже тогда сосредоточились на механике. Равновесие и движение тел — вот над чем размышлял молодой Галилей в свободное время.
Чтобы найти законы движения, например свободного падения тел, нужно было оторваться от представлений статики. Динамика была новой областью исследования. Общепринятое тогда деление движений на «естественные» и «насильственные» только затуманивало вопрос о движении тел.
Став открытым противником механики Аристотеля, Галилей приобрел много врагов. Профессора Пизанского университета увидели в нем опасного противника схоластики. Они создали невыносимую для Галилея обстановку, и молодой ученый должен был оставить университет Пизы, хотя срок его договора еще не истек.
Тогда покровительствовавший Галилею Убальди дель Монте помог ему перейти в 1592 году в университет Падуи.
В этом городе Галилей продолжал как свои теоретические исследования, так и занятия техникой. Он устроил там мастерскую, в которой изготовлял различные приборы и инструменты. Желающим изучать технические науки он преподавал искусство сооружения крепостей, баллистику и топографическую съемку.
От практических вопросов баллистики Галилей перешел к теоретическим исследованиям движения тел.
В Падуе Галилей начал свою раннюю работу — «О движении», в набросках к которой отразилось негодование молодого исследователя по поводу невежества его противников. Да и сам Галилей, получивший схоластическое образование, еще испытывал затруднения в изложении своих идей.
Но позднее, работая над сочинением «Учение о движении под действием тяжести», законченным в 1609 году, Галилей уже показал себя замечательным исследователем. В этой работе он изложил и результаты своих наблюдений над падением тел, сбрасываемых с высоты.
Даже в этих ранних работах Галилей полностью отказался от умозрительных методов аристотелианцев.
«Мы будем, — писал он, — пользоваться таким методом, чтобы требующее доказательства выводилось из доказанного; и я никогда, если будет возможно, не буду класть в основу то, что еще нужно доказать, а лишь истинное».
Это метод математики. Сам Галилей говорил, что он заимствовал его у своих учителей-математиков. Иронизируя над университетскими схоластами, он указывал, что математическим методом «недостаточно пользуются некоторые философы… преподавая элементы физики, кладут в основу то, что сказано или в книгах о душе, или в книгах о небе, или даже в метафизике… и выводят свое учение не из того, что хорошо известно, а попросту из неизвестного и неслыханного».
Галилей был гораздо более опасным врагом схоластов, чем эмпирики — художники и техники, признающие опыт единственным источником познания. Он обладал основательным знанием аристотелианской физики. По его собственным словам, изучению схоластической физики он посвятил больше дней, чем математике часов. Поэтому, выступая против схоластов, он мог наносить удары их же собственным оружием.
Вместе с этим Галилей был ярким представителем нового мировоззрения: в отличие от Аристотеля, он хотел знать, не «почему», а «как» движутся тела.
Галилей не ставил и не пытался разрешать философских вопросов о природе движения, пространства и времени. Он был прежде всего механик и математик и с такой точки зрения изучал движение.
Обладая редким талантом экспериментатора, Галилей искал приложимых к технике результатов исследования, а не отвлеченного знания. Ему было важно предсказать, по какому пути, с какой скоростью и какое расстояние пройдет движущееся тело в определенный промежуток времени.
Галилей понимал, что тело движется под действием сил природы. Движение зависит как от самого тела, так и от действующей на него силы. А свойства тел и сил природы, конечно, можно постичь только из наблюдений и опыта.
В упомянутых выше ранних трудах Галилея уже были заложены основы динамики. Но ему не удалось тогда опубликовать эти работы. Позднее же, после астрономических открытий 1610 года, Галилей надолго посвятил свое время защите идеи о движении Земли.
Только после осуждения Галилея в 1633 году инквизиторами, лишившего его возможности продолжать борьбу за идеи Коперника, он снова обратился к механике.
В уединении заключения Галилей написал свой знаменитый труд — «Беседы и математические доказательства о двух новых науках», — изданный в Лейдене в 1638 году. В этот труд вошли не только результаты его более ранних исследований в Пизе и Падуе о движении, но и размышления о строении вещества и причине твердости тел.
Хотя в то время физика была еще далека от знания молекулярного строения вещества и действующих между молекулами сил, но Галилей высказал некоторые ценные мысли. Как всегда, и в этих размышлениях Галилей шел от вопросов техники, которые возникали у него при работе в мастерской.
При жизни Галилей прославился своими астрономическими открытиями. Но в наше время уже по достоинству оценены его гениальные исследования в механике. Именно на это указал знаменитый французский механик XVIII века Лагранж, сказав, что «открытие спутников Юпитера, фаз Венеры, солнечных пятен и так далее потребовало лишь наличия телескопа и известного трудолюбия, но нужен был необыкновенный гений, чтобы открыть законы природы в таких явлениях, которые всегда пребывали перед глазами, но объяснение которых всегда ускользало от изыскания философов».
Открытие равномерности колебаний маятника
Несомненно, что с древнейших времен люди были знакомы с колебаниями подвешенных тяжестей. Например, моряки часто наблюдали, как колеблется подвижный блок, который спускают сверху, чтобы захватить корабельную снасть. Но ученые долго не интересовались законами колебаний. Впервые изучать их экспериментально начал Галилей.
Еще в студенческие годы Галилей заметил, что хотя размах колебаний маятника с течением времени становится все меньше, но период их остается одинаковым. Это открытие было сделано им в соборе, где он наблюдал качание люстр, измеряя время биениями своего пульса.
Это постоянство периода колебаний навело Галилея на мысль применить маятник для измерения времени.
Галилей устроил для этой цели маленький маятниковый прибор, но колебания маятника быстро затухали. Поэтому его прибор был пригоден лишь для коротких промежутков времени, например для определения врачами частоты биения пульса.
Тень, падающая от столбика (гномона) на коническую поверхность часов, показывает время.
Между тем проблема измерения времени еще не была удовлетворительно разрешена в эпоху, когда жил Галилей.
Древние греческие ученые изобрели много разных солнечных часов. У одних тень столбика падала на вертикальную стену, у других — на поверхность шара, конуса или цилиндра. Эта тень, служившая стрелкой солнечных часов, по мере движения по небу солнца поворачивалась, указывая концом деления циферблата. Но эти часы годились только для измерения времени днем.
При астрономических наблюдениях пользовались водяными часами, усовершенствованием которых занимался еще Ктезибий в I веке до н. э. Этими часами время измерялось по количеству вытекавшей из сосуда воды.
Для градуирования водяных часов открывали кран верхнего сосуда в тот момент, когда восходящее солнце только касалось верхним краем горизонта. Когда же оно, передвинувшись на ширину диска, касалось горизонта нижним краем, количество вытекшей воды определяло «шаг» солнца.