Механика Галилея. 
Концепции современного естествознания

Во времена молодости Галилея признанным авторитетом в науке считался Аристотель. Поэтому от Галилея требовали соответствия его физических идей принципам физики, учению Аристотеля о природе. Галилей первым использовал новый метод исследования природы, получивший название мысленного эксперимента. Так, рассуждая над принципом Аристотеля (ускорение движения тела к центру Земли пропорционально его весу), Галилей сформулировал мысленную ситуацию, когда падение тела к поверхности является свободным (идеальным, без препятствий воздуха, веса, размера, плотности и т. д.). В этой ситуации свободное падение тела можно рассматривать абстрактно как движение тела по наклонной плоскости под углом 90″ к поверхности. Специально сконструированный Галилеем эксперимент движения тел по наклонной плоскости подтверждал принцип, согласно которому все тела падают на поверхность Земли с одним и тем же ускорением (среднее — 9,8 м/с2), т. е. независимо от материала, из которого они созданы. Свое учение о движении Галилей изложил в форме принципов.

Принцип инерции. Если на тело не действуют никакие силы, то оно покоится или движется равномерно и прямолинейно. Инерция (лат. inertia) означает неподвижность и бездеятельность. Строго говоря, обычный опыт не позволяет обосновать этот принцип. В мире все находится в движении. Однако в нем выражена существенная черта движения вне действия внешних сил, причин изменения движения любого материального тел без физического взаимо-действия нет движения.

Принцип относительности. Во всех инерциальных системах отсчета законы движения, удовлетворяющие принципу инерции, выглядят или протекают одинаковым образом. Этот принцип равносилен утверждению о том, что все инерциальные системы отсчета эквивалентны, т. е. ни одной из них нельзя отдать предпочтение перед другой. В этом принципе выражена глубокая мысль об универсальном характере физических законов, хотя речь в нем идет только о законах механического движения. Галилей выразил принцип эквивалентности, равноправия всех инерциальных систем отсчета в так называемом методе преобразования координат, т. е. правил описания одного и того же физического события в разных системах отсчета.

Эти преобразования называются преобразованиями Галилея. Согласно этим преобразованиям течение времени, его ритм во всех инерциальных системах отсчета происходит одинаково: t(01) = t(02), где t(01) — время в системе отсчета 01, и t(02) — в системе 02.

Правило сложения скоростей в преобразованиях Галилея не допускает существования конечной, предельной скорости движения: у него С + V и С — V, где С — скорость света, имеют разные величины.

Неизменными в преобразованиях Галилея остаются размеры движущего тела и его массы в разных системах отсчета. Принцип эквивалентности инерциальных систем отсчета Галилея не позволяет ответить на вопрос: данная система покоится или движется прямолинейно и равномерно? Это решение вызвало дискуссию, существует ли в мире абсолютная система отсчета. Наличие подобной системы отсчета позволило бы ответить на вопрос: вращается Земля вокруг своей оси или вращается небесная сфера со звездами относительно неподвижной Земли?

Птолемей — автор геоцентрической системы мира — отрицал вращение Земли, ссылаясь на эффекты действия центробежной силы, возникающей при вращении, в результате которых Земля должна разлететься на части.

Н. Коперник, напротив, считал, что Земля вращается вокруг собственной оси, а центробежные эффекты относятся к небу (там огромные расстояния).

Галилей в трактате «Диалог о двух системах мира: птолемеевской и коперниковской» (1632) предложил метод определения вращения Земли. Если с башни высотой в 100 м, расположенной на экваторе Земли, сбросить металлический шар определенного веса, то из-за разности угловой скорости на высоте башни и ее основания этот шар должен упасть на расстоянии 2,5 см от основания башни в направлении на восток (Земля вращается с запада на восток). Поскольку этот эксперимент трудно было осуществить, то среди многих мыслителей того времени бытовало убеждение, что Земля не вращается. Человеческий организм не ощущает вращения Земли. В 1851 г. Л. Фуко (1819—1869) предложил метод определения вращения Земли с помощью колеблющегося маятника, получившего название маятник Фуко.

С поиском абсолютной системы отсчета связан еще один физический вопрос: количество движения в мире (на современном языке — энергии) остается постоянным или нет? Французский философ, математик, физик Р. Декарт, который разработал систему прямоугольных координат и сформулировал свою теорию механического движения, в третьем своем законе механического движения утверждал, что количество движения в созданном Богом мире является постоянным и неизменным.

Из философии Р. Декарта следовало, что в мире нет пустоты, поэтому все силы физического взаимодействия не могут быть силами дальнодействия, а только силами близкодействия, т. е. через соприкосновение и передачу воздействия через физическую среду. С физической теорией Р. Декарта связано понятие флюидов (текущие) как потока частиц, обеспечивающих процесс передачи тепла, электричества и магнитных сил. Поиски абсолютной системы отсчета сохранились вплоть до конца XIX в.