История лазера - читать онлайн книгу. Автор: Марио Бертолотти cтр.№ 4

Из своих наблюдений за движением планет он заключил, что они обращаются вокруг Солнца, описывая эллипсы с Солнцем в одном из фокусов (первый закон) и, что линия, которая соединяет планету с Солнцем, покрывает равные площади за равные времена (второй закон). Кроме того, он продемонстрировал, что эти орбиты не произвольны, а именно, максимальное расстояние планеты от Солнца является некоторым соотношением с временем, которое требуется для совершения полного обращения вокруг Солнце (третий закон, рис. 2).

Рис. 2. Законы Кеплера, (а) Первый закон утверждает, что планеты движутся по эллиптическим орбитам с Солнцем в одном из фокусов. Соответственно перигелий и афелий — точки минимального и максимального расстояния от Солнца, (б) Второй закон утверждает, что линия, которая соединяет Солнце с планетой, покрывает равные площади за равные промежутки времени. Поэтому, две заштрихованные области равны, если их покрытие происходит за одно и то же время, и планета должна двигаться с большей скоростью, когда проходит сегмент, который ближе к Солнцу, чем когда она проходит сегмент с большим удалением от Солнца. Третий закон устанавливает, что квадрат времени, которое планета затрачивает на полный оборот вокруг Солнца, пропорционален кубу главной полуоси эллипса орбиты

Рене Декарт (Картезий, 1596—1650), младший современник Галилея, был первым, кто предпринял намерение провести полную реконструкцию идей, касающихся физической Вселенной.

Период, предшествующий его рождению, и тот, в котором он жил, были отмечены событиями, которые сильно изменили концепцию мира. Открытие Америки, кругосветное путешествие Магеллана вокруг Земли, изобретение телескопа, падение системы Птолемея в астрономии и общая неудовлетворенность схоластикой ослабили старые основы и обеспечили фундамент для нового построения.

Стремлением Декарта было создать теорию Вселенной, разработанную как можно детальней. Такая теория с необходимостью заставляла иметь метафизическую основу, и, действительно, метафизика является большей частью хорошо известных его работ. Первым шагом было отбросить бесполезные методы средневековья, попытки интерпретировать природу в понятиях действия и силы, материи и формы, сущности и случайности, десяти категорий, подобных аристотелевым концепциям, уже предложенными другими философами. Действительно, уже Френсис Бэкон (1561—1626) и Галилео Галилей (1564—1642) начали преобразования, которые привели к отказу от аристотелева правила, что в физике все обусловлено конечной причиной. Галилей установил новую науку, (введя экспериментальный метод) основанную на необходимости наблюдать внешний мир и задавать вопросы природе путем постановки соответствующих экспериментов.

Галилео Галилей родился в Пизе в 1564 г., и, следуя желанием отца, ученого и способного музыканта, поступил в 1581 г. в Пизанский университет, чтобы стать врачом. Однако медицина его мало интересовала, а сильно привлекала математика. В 1583 г, он сделал свое первое важное открытие. Наблюдая люстры, подвешенные в Пизанском соборе, которые раскачивались под действием ветра, он обнаружил, что период колебания не зависит от амплитуды.

После ряда безуспешных попыток он получил кафедру математики в Пизанском университете. Это была второстепенная профессорская позиция со скромным жалованием 60 скуди в год. Финансовые обстоятельства заставили его в 1592 г. отправился в Падую. Его все еще скромные доходы вынуждали давать частные уроки и в маленькой мастерской заниматься с подручным изготовлением механических инструментов. В Падуе, в 1606 г., он узнал, что годом ранее один голландский ученый изобрел телескоп. Он сам сумел сделать телескоп и, наблюдая Луну, сразу же увидел, что она не является гладким и однородным объектом, как утверждал Аристотель. Он также открыл пятна на Солнце, но наиболее выдающийся момент наступил, когда он открыл четыре спутника Юпитера. Это были новые тела, не упоминаемые Аристотелем, и они определенно не вращались вокруг Земли. Он немедленно опубликовал свои наблюдения в Sidereus Nuncius (l610).

В конце 1610 г. он вернулся в Пизу, где изучал некоторые проблемы, касающиеся движения, результаты работы он частично опубликовал в Diagolo sopra I due massimi sistemi del mondo (1632). Содержание этой книги строго астрономическое и содержит «сократовское» опровержение старой физики и космологии (защищаемой Симплициусом), которое делается Сальвиати, приверженцем Коперника. Все свои механические наблюдения Галилей позднее собрал в Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove science attenenti alia meccanica e ai movimenti locali (1638).

Галилей открыл важность ускорения, которое изменяет скорость во времени как по величине, так и по направлению. До этого люди полагали, что движение земного тела постепенно прекратится, если оно предоставлено само себе.

Почему тела двигаются? В течение почти двух тысяч лет каждый полагал на основе ложных предположений, сделанных Аристотелем, что необходима сила для поддержания тела в движении. Это убеждение представлялось разумным, например если лошадь перестанет тащить повозку, то она быстро остановится. Последователи Аристотеля распространяли свои соображения о причинах движения и на метательные снаряды, утверждая, что выпущенная стрела продолжает движение из-за того, что воздух обтекает ее от наконечника к хвосту и тем самым толкает ее; это прекрасный пример аристотелевой логики.

На самом деле даже сам вопрос «что заставляет тело двигаться?» обманчив. Он имел смысл для Аристотеля, который полагал, что естественным состоянием для тела является покой. Галилей выполнил серию экспериментов, которые убедили его в том, что движущееся тело обладает количеством движения (импульсом), которое сохраняется само по себе. Он утверждал, что любое тело, предоставленное само себе, сохраняет свое движение по прямой с постоянной скоростью. Поэтому ключевой вопрос не «что заставляет тело двигаться?», а «что изменяет движение тела?». Галилей дал ответ, что любое изменение скорости или направления движения должно получаться в результате действия некоторых сил. Такой принцип был позднее выражен Ньютоном как первый закон движения, или закон инерции; сегодня мы можем легко проверить это, пуская шайбу скользить по поверхности льда: чем более гладкая поверхность, тем дольше продолжается движение.