Две новые науки -Two New Sciences

Рассуждения и математические демонстрации, относящиеся к двум новым наукам
Галилео Галилей, Discorsi e Dimostrazioni Matematiche Intorno a Due Nuove Scienze, 1638 (1400x1400) .png
Автор Галилео Галилей
Язык Итальянский, Латинский
Опубликовано 1638

В дискурсах и математические Демонстрации , относящиеся к двум новым наук ( итальянский : Discorsi е dimostrazioni matematiche intorno должное NUOVE Scienze выраженным  [diskorsi е ddimostrattsjoːni математике intorno dduːe nwɔːve ʃʃɛntse] ) , опубликованной в 1638 году был Галилео Галилей последняя книга «s и научное завещание покрытие большая часть его работ по физике за предшествующие тридцать лет. Он был написан частично на итальянском и частично на латыни.

После Диалога о двух системах мира Chief , то римская инквизиция запретила публикацию любых работ Галилея, в том числе любого он мог бы написать в будущем. После провала его первоначальных попыток опубликовать « Две новые науки» во Франции , Германии и Польше , она была опубликована Лодевиком Эльзевиром, который работал в Лейдене , Южная Голландия , где постановление инквизиции имело меньшее значение (см. Дом Эльзевира. ). Фра Фульхенцио Миканцио, официальный теолог Венецианской республики, первоначально предлагал помочь Галилею опубликовать в Венеции новую работу, но он указал, что публикация « Двух новых наук» в Венеции может доставить Галилею ненужные проблемы; Таким образом, в конечном итоге книга была издана в Голландии. Галилей, похоже, не пострадал от инквизиции за публикацию этой книги, поскольку в январе 1639 года книга попала в книжные магазины Рима, и все доступные экземпляры (около пятидесяти) были быстро распроданы.

Беседы были написаны в стиле, похожем на « Диалоги» , в которых трое (Симплисио, Сагредо и Сальвиати) обсуждают и обсуждают различные вопросы, на которые Галилей пытается ответить. Однако в мужчинах произошли заметные изменения; В частности, Симпличио уже не такой простодушный, упрямый и аристотелевский, как следует из его имени. Его аргументы отражают собственные ранние убеждения Галилея, поскольку Сагредо представляет его средний период, а Сальвиати предлагает новейшие модели Галилея.

Вступление

Книга разделена на четыре дня, каждый из которых посвящен разным областям физики. Галилей посвящает лорду графу Ноайю две новые науки .

Рисунок 1 из двух новых наук Галилея в разделе «Первый день»

В первый день Галилей обратился к темам, которые обсуждались в Аристотелевской физике, а также в аристотелевской школе механики . Он также представляет собой введение в обсуждение обеих новых наук. Сходство между обсуждаемыми темами, конкретные вопросы, которые предполагаются, а также стиль и источники повсюду, составляют основу его Первого дня Галилея. Первый день представляет говорящих в диалоге: Сальвиати, Сагредо и Симпличио, как и в диалоге . Все эти три человека - Галилей на разных этапах своей жизни, Симпличио - младший и Сальвиати, ближайший двойник Галилея. Он также представляет собой введение в обсуждение обеих новых наук. Второй день посвящен вопросу прочности материалов.

Третий и Четвертый дни посвящены науке о движении. Третий день обсуждает равномерное и естественно ускоренное движение, вопрос о конечной скорости был рассмотрен в первый день. Четвертый день обсуждает движение снаряда .

В двух науках равномерное движение определяется как движение, которое за любые равные периоды времени проходит равное расстояние. С использованием квантора ″ any ″ единообразие вводится и выражается более явно, чем в предыдущих определениях.

Галилей начал дополнительный день с силой удара, но не смог завершить его к своему собственному удовлетворению. На этот раздел часто ссылались в первые четыре дня обсуждения. Окончательно он появился только в издании сочинений Галилея 1718 года. и его часто цитируют как «Шестой день» после нумерации в издании 1898 года. В течение этого дополнительного дня Симпличио был заменен Апроино, бывшим ученым и помощником Галилея в Падуе.

Резюме

Номера страниц в начале каждого абзаца взяты из версии 1898 года, которая в настоящее время принята как стандарт, и встречается в переводах Crew и Drake.

День первый: сопротивление тел разлуке

[50] Предварительные обсуждения. Сагредо (принимаемый за младшего Галилео) не может понять, почему с машинами нельзя спорить от малого к большому: «Я не вижу, чтобы свойства кругов, треугольников и ... твердых фигур должны изменяться вместе с их размером». Сальвиати (от лица Галилея) говорит, что распространенное мнение неверно. Масштаб имеет значение: лошадь, упавшая с высоты в 3 или 4 локтя, сломает кости, в то время как кошка, упавшая с высоты вдвое выше, не сломается, и кузнечик не упадет с башни.

[56] Первый пример - веревка из пеньки, которая состоит из мелких волокон, которые связываются вместе так же, как веревка вокруг лебедки, чтобы произвести что-то гораздо более прочное. Затем вакуум, который не дает двум хорошо отполированным пластинам разделиться, даже если они легко скользят, дает повод для эксперимента, чтобы проверить, может ли вода расширяться или возникает вакуум. Фактически, Сагредо заметил, что всасывающий насос не может поднять более 18 локтей воды, а Сальвиати отмечает, что его вес - это величина сопротивления пустоте. Обсуждение переходит к прочности медной проволоки и к тому, есть ли внутри металла мельчайшие пустоты или есть какое-то другое объяснение его прочности.

[68] Это приводит к обсуждению бесконечностей и континуума и, следовательно, к наблюдению, что количество квадратов равно количеству корней. В конце концов он приходит к мнению, что «если какое-то число можно назвать бесконечным, оно должно быть единством», и демонстрирует конструкцию, в которой приближается бесконечный круг, а другой - разделяет линию.

[85] Разница между мелкой пылью и жидкостью приводит к обсуждению света и того, как концентрированная энергия солнца может плавить металлы. Он делает вывод, что свет имеет движение, и описывает (безуспешную) попытку измерить его скорость.

[106] Аристотель считал, что тела падают со скоростью, пропорциональной весу, но Сальвиати сомневается, что Аристотель когда-либо проверял это. Он также не верил, что движение в пустоте возможно, но поскольку воздух намного менее плотен, чем вода, Сальвиати утверждает, что в среде, лишенной сопротивления (вакууме), все тела - прядь шерсти или кусок свинца - упадут. с той же скоростью. Большие и маленькие тела падают с одинаковой скоростью через воздух или воду, если они имеют одинаковую плотность. Поскольку черное дерево весит в тысячу раз больше воздуха (который он измерил), оно будет падать лишь немного медленнее, чем свинец, который весит в десять раз больше. Но форма также имеет значение - даже кусок сусального золота (самая плотная из всех субстанций [утверждает Сальвиати]) плавает по воздуху, а пузырь, наполненный воздухом, падает намного медленнее, чем свинец.

[128] Измерение скорости падения затруднено из-за небольших временных интервалов, и его первый способ обойти это использование маятников той же длины, но со свинцовыми или пробковыми грузами. Период колебаний был таким же, даже когда пробка раскачивалась шире, чтобы компенсировать тот факт, что она вскоре прекратилась.

[139] Это приводит к обсуждению вибрации струн, и он предполагает, что не только длина струны важна для высоты звука, но также натяжение и вес струны.

День второй: причина сплоченности

[151] Сальвиати доказывает, что весы можно использовать не только с равными руками, но и с неравными руками, вес которых обратно пропорционален расстояниям от точки опоры. После этого он показывает, что момент груза, подвешенного на балке, опирающейся на один конец, пропорционален квадрату длины. Демонстрируется сопротивление разрушению балок различного размера и толщины, поддерживаемых с одного или обоих концов.

[169] Он показывает, что кости животных должны быть пропорционально больше по сравнению с более крупными животными и иметь длину цилиндра, который может сломаться под собственным весом. Он доказывает, что лучшее место, чтобы сломать палку, положенную на колено, - это середина, и показывает, на каком расстоянии вдоль балки можно разместить больший груз, не сломав его.

[178] Он доказывает, что оптимальной формой балки, поддерживаемой одним концом и несущей нагрузку на другом, является параболическая форма. Он также показывает, что полые цилиндры прочнее сплошных цилиндров того же веса.

День третий: движение с естественным ускорением.

[191] Сначала он определяет равномерное (устойчивое) движение и показывает взаимосвязь между скоростью, временем и расстоянием. Затем он определяет равномерно ускоренное движение, при котором скорость увеличивается на ту же величину с приращениями во времени. Падающие тела начинаются очень медленно, и он намеревается показать, что их скорость увеличивается просто пропорционально времени, а не расстоянию, которое, как он показывает, невозможно.

[208] Он показывает, что расстояние, пройденное при естественно ускоренном движении, пропорционально квадрату времени. Он описывает эксперимент, в котором стальной шар катился по канавке в деревянной опалубке длиной 12 локтей (около 5,5 м) с одним концом, приподнятым на один или два локтя. Это повторяли, измеряя время, точно взвешивая количество воды, выходящей из тонкой трубы струей со дна большого кувшина с водой. Таким образом он смог проверить равномерно ускоренное движение. Затем он показывает, что независимо от наклона плоскости квадрат времени, необходимого для падения на заданную высоту, пропорционален наклонному расстоянию.

[221] Затем он рассматривает спуск по хордам круга, показывая, что время такое же, как при падении из вершины, и различные другие комбинации плоскостей. Он дает ошибочное решение проблемы брахистохроны , утверждая, что доказывает, что дуга окружности является самым быстрым спуском. Дано 16 задач с решениями.

День четвертый: Движение снарядов.

Последняя фигура четвертого дня двух новых наук Галилея

[268] Движение снарядов состоит из комбинации равномерного горизонтального движения и естественно ускоренного вертикального движения, которое создает параболическую кривую. Два движения под прямым углом можно рассчитать, используя сумму квадратов. Он подробно показывает, как строить параболы в различных ситуациях, и дает таблицы для высоты и дальности в зависимости от проецируемого угла.

[274] Сопротивление воздуха проявляется двояко: сильнее воздействуя на менее плотные тела и оказывая большее сопротивление более быстрым телам. Свинцовый шар будет падать немного быстрее, чем дубовый шар, но разница с каменным шаром незначительна. Однако скорость не увеличивается бесконечно, а достигает максимума. Хотя на малых скоростях влияние сопротивления воздуха невелико, оно больше, если учесть, например, выстрел из пушки.

[292] Эффект от попадания снаряда в цель уменьшается, если цель может свободно двигаться. Скорость движущегося тела может превышать скорость более крупного тела, если его скорость пропорционально больше сопротивления.

[310] Натянутый шнур или цепь никогда не бывает горизонтальной, но также приближается к параболе. (Но см. Также контактную сеть .)

Дополнительный день: Сила удара

[323] Каков вес воды, падающей из ведра, подвешенного на балансирном рычаге, на другое ведро, подвешенное к тому же рычагу?

[325] Укладка деревянных опор для фундамента; молотки и сила удара.

[336] Скорость падения по наклонным плоскостям; опять же по принципу инерции.

Методология

Многие современные ученые, такие как Гассенди , оспаривают методологию Галилея по концептуализации его закона падающих тел. Два основных аргумента состоят в том, что его эпистемология следовала примеру платонической мысли или гипотетико-дедуктивистской мысли. В настоящее время считается, что это ex предположение , или знание того, как и почему эффекты от прошлых событий, чтобы определить требования для производства аналогичных эффектов в будущем. Методология Галилея отражала аристотелевскую и архимедову эпистемологию. После письма кардинала Беллармина в 1615 году Галилей выделил свои аргументы и аргументы Коперника как естественные предположения в отличие от «вымышленных», которые «вводятся только ради астрономических вычислений», таких как гипотеза Платона об эксцентриках и уравнениях.

Ранние сочинения Галилея, считавшиеся Juvenilia, или юношеские сочинения, считаются его первой попыткой создания конспектов лекций для его курса «Гипотеза небесных движений» во время преподавания в Падуанском университете . Эти записи отражали записи его современников в Collegio, а также содержали «аристотелевский контекст с явным томистическим подтекстом ( св. Фома Аквинский )». Считается, что эти более ранние статьи побудили его применить демонстративные доказательства, чтобы подтвердить свои открытия о движении.

Обнаружение листа 116v свидетельствует об экспериментах, о которых ранее не сообщалось, и, следовательно, демонстрирует фактические расчеты Галилея для Закона падающих тел.

Его методы экспериментов были подтверждены записями и воссозданием, выполненными такими учеными, как Джеймс Маклахлан, Стиллман Дрейк, Р. Х. Тейлор и другими, чтобы доказать, что он не просто представлял свои идеи, как утверждал историк Александр Койре , но стремился доказать их математически. .

Галилей считал, что знания можно получить с помощью разума и подкрепить наблюдениями и экспериментами. Таким образом, можно утверждать, что Галилей был рационалистом, а также что он был эмпириком.

Две новые науки

Две науки, упомянутые в названии, - это прочность материалов и движение объектов (предшественники современной материаловедения и кинематики ). В названии книги «механика» и «движение» разделены, так как во времена Галилея «механика» означала только статику и сопротивление материалов.

Материаловедение

Обсуждение начинается с демонстрации причин, по которым большая структура, пропорциональная точно такой же, как и меньшая, обязательно должна быть более слабой, известной как закон квадрата-куба . Позже в обсуждении этот принцип применяется к толщине костей крупного животного, возможно, это первый количественный результат в биологии , предвосхищающий работу Дж. Б. С. Холдейна « Быть правильным размером» и другие эссе под редакцией Джона Мейнарда Смита .

Движение предметов

Галилей впервые ясно выражает постоянное ускорение падающего тела, которое он смог точно измерить, замедляя его с помощью наклонной плоскости.

В « Двух новых науках» Галилей (Сальвиати говорит от его имени) использовал деревянную лепнину «12 локтей в длину, пол-локтя в ширину и три ширины пальца» в качестве пандуса с прямой, гладкой, полированной канавкой для изучения катящихся шаров (« твердый, гладкий и очень круглый бронзовый шар »). Он выложил канавку « пергаментом , тоже гладким и отполированным, насколько это возможно». Он наклонял рампу под разными углами, эффективно замедляя ускорение настолько, чтобы можно было измерить прошедшее время. Он позволял мячу катиться по рампе на известное расстояние и с помощью водяных часов измерял время, необходимое для прохождения известного расстояния. Эти часы были

большой сосуд с водой, поставленный на возвышении; ко дну этого сосуда была припаяна труба небольшого диаметра, дающая тонкую струю воды, которую мы собирали в небольшой стакан во время каждого спуска, будь то на всем протяжении канала или на части его длины. Собранную воду взвешивали, и после каждого спуска на очень точных весах разница и соотношение этих весов давали ему разницу и соотношение времен. Это было сделано с такой точностью, что, хотя операция повторялась много-много раз, заметных расхождений в результатах не было.

Закон падающих тел

В то время как Аристотель заметил, что более тяжелые объекты падают быстрее, чем более легкие, в « Двух новых науках» Галилей постулировал, что это произошло не из- за более сильных сил, действующих на более тяжелые объекты, а из-за уравновешивающих сил сопротивления воздуха и трения. Чтобы компенсировать это, он проводил эксперименты, используя пологий наклонный пандус, сглаженный таким образом, чтобы исключить как можно большее трение, по которому он катил шары разного веса. Таким образом, он смог предоставить эмпирические доказательства того, что материя ускоряется вертикально вниз с постоянной скоростью, независимо от массы, из-за эффектов гравитации.

Незарегистрированный эксперимент, найденный в фолио 116V, проверял постоянную скорость ускорения падающих тел под действием силы тяжести. Этот эксперимент заключался в падении шара с заданной высоты на дефлектор, чтобы перевести его движение из вертикального в горизонтальное. Данные экспериментов с наклонной плоскостью использовались для расчета ожидаемого горизонтального движения. Однако в результатах эксперимента были обнаружены расхождения: наблюдаемые горизонтальные расстояния не соответствовали расчетным расстояниям, ожидаемым при постоянной скорости ускорения. Галилей объяснил расхождения сопротивлением воздуха в эксперименте, о котором не сообщалось, и трением в эксперименте с наклонной плоскостью. Эти несоответствия заставили Галилея утверждать, что постулат выполняется только в «идеальных условиях», то есть при отсутствии трения и / или сопротивления воздуха.

Тела в движении

Аристотелевская физика утверждала, что Земля не должна двигаться, поскольку люди неспособны воспринимать эффекты этого движения. Популярным оправданием этого является эксперимент с лучником, стреляющим стрелой прямо в воздух. Аристотель утверждал, что если бы Земля двигалась, стрела должна упасть в другом месте, чем точка запуска. Галилей опроверг этот аргумент в « Диалогах о двух главных мировых системах» . Он привел пример моряков на борту лодки в море. Лодка явно движется, но моряки этого движения не улавливают. Если бы моряк уронил утяжеленный объект с мачты, этот объект упал бы у основания мачты, а не позади нее (из-за поступательного движения корабля). Это было результатом одновременного горизонтального и вертикального движения корабля, моряков и мяча.

Относительность движений

Изображение в « Дискорси» Галилея (1638 г.), иллюстрирующее относительность движений.

Один из экспериментов Галилея относительно падающих тел заключался в том, что он описывает относительность движений, объясняя, что при определенных обстоятельствах «одно движение может накладываться на другое, не влияя ни на одно ...». В « Двух новых науках» Галилей обосновал этот аргумент, и он стал основой первого закона Ньютона , закона инерции.

Он задает вопрос, что происходит с мячом, упавшим с мачты парусного корабля, или стрелой, выпущенной в воздух на палубе. Согласно физике Аристотеля , упавший мяч должен приземлиться на корму корабля, когда он падает прямо вниз из исходной точки. Точно так же стрела, выпущенная прямо вверх, не должна приземляться в одном месте, если корабль находится в движении. Галилей предлагает два независимых движения. Первое - это ускоряющееся вертикальное движение, вызванное силой тяжести, а другое - равномерное горизонтальное движение, вызываемое движущимся кораблем, которое продолжает влиять на траекторию полета мяча по принципу инерции. Комбинация этих двух движений дает параболическую кривую. Наблюдатель не может идентифицировать эту параболическую кривую, потому что шар и наблюдатель разделяют горизонтальное движение, сообщаемое им судном, а это означает, что воспринимается только перпендикулярное вертикальное движение. Удивительно, но никто не проверял эту теорию с помощью простых экспериментов, необходимых для получения окончательного результата, пока Пьер Гассенди не опубликовал результаты этих экспериментов в своих письмах, озаглавленных De Motu Impresso a Motore Translato (1642).

бесконечность

В книге также обсуждается бесконечность . Галилей рассматривает пример чисел и их квадратов . Он начинает с того, что отмечает:

Нельзя отрицать, что [квадратов] столько же, сколько и чисел, потому что каждое число является [квадратным] корнем из некоторого квадрата: 1 ↔ 1, 2 ↔ 4, 3 ↔ 9, 4 ↔ 16 и так далее.

(На современном языке существует взаимно однозначное соответствие между элементами множества натуральных чисел N и множеством квадратов S, а S - собственное подмножество нулевой плотности .) Но он отмечает то, что кажется противоречием:

Однако вначале мы сказали, что чисел намного больше, чем квадратов, поскольку большая часть из них не квадраты. Более того, пропорциональное количество квадратов уменьшается по мере того, как мы переходим к большим числам.

Он разрешает противоречие, отрицая возможность сравнения бесконечных чисел (и сравнения бесконечных и конечных чисел):

Мы можем только сделать вывод, что совокупность всех чисел бесконечна, что число квадратов бесконечно и что число их корней бесконечно; ни количество квадратов не меньше совокупности всех чисел, ни последнее не больше первого; и, наконец, атрибуты «равно», «больше» и «меньше» применимы не к бесконечным, а только к конечным количествам.

Этот вывод о том, что приписывание размеров бесконечным множествам должно считаться невозможным из-за противоречивых результатов, полученных этими двумя якобы естественными способами попытки сделать это, является решением проблемы, которое согласуется с методами, но менее мощно, чем они. используется в современной математике. Решение проблемы можно обобщить, рассмотрев первое определение Галилео того, что означает, что множества имеют одинаковые размеры, то есть способность помещать их во взаимно однозначное соответствие. Оказывается, это дает способ сравнения размеров бесконечных множеств, свободный от противоречивых результатов.

Эти проблемы бесконечности возникают из-за проблем катящихся кругов. Если два концентрических круга разного радиуса катятся по линиям, то если больший не скользит, становится ясно, что меньший должен скользить. Но каким образом? Галилей пытается прояснить этот вопрос, рассматривая шестиугольники, а затем расширяя его до катящихся 100 000-угольников или n-угольников, где он показывает, что на внутренней форме происходит конечное число конечных сдвигов. В конце концов, он приходит к выводу, что «линия, пройденная большим кругом, состоит из бесконечного числа точек, которые полностью заполняют его; в то время как линия, прослеживаемая меньшим кругом, состоит из бесконечного числа точек, которые оставляют пустые места и лишь частично заполняют его. линия ", что в настоящее время не может считаться удовлетворительным.

Реакции комментаторов

Две новые науки внесли столь большой вклад в физику, что ученые давно утверждали, что эта книга предвосхитила законы движения Исаака Ньютона.

Галилей ... отец современной физики, точнее современной науки

Частью двух новых наук была чистая математика, как было указано математиком Альфредом Реньи , который сказал, что это была самая значительная книга по математике за более чем 2000 лет: греческая математика не занималась движением, и поэтому они никогда не формулировали математические формулы. законы движения, хотя Архимед развил дифференциацию и интеграцию. Две новые науки открыли путь к математическому рассмотрению физики, впервые рассматривая движение математически. Греческий математик Зенон разработал свои парадоксы, чтобы доказать, что движение нельзя рассматривать математически и что любая попытка сделать это приведет к парадоксам. (Он считал это неизбежным ограничением математики.) Аристотель усилил это убеждение, заявив, что математика может иметь дело только с абстрактными объектами, которые неизменны. Галилей использовал методы самих греков, чтобы показать, что движение действительно можно рассматривать математически. Его идея заключалась в том, чтобы отделить парадоксы бесконечного от парадоксов Зенона. Он сделал это в несколько этапов. Во-первых, он показал, что бесконечная последовательность S квадратов 1, 4, 9, 16, ... содержит столько же элементов, сколько последовательность N всех положительных целых чисел (бесконечность); это теперь называется парадоксом Галилея . Затем, используя геометрию в греческом стиле, он показал, что короткий интервал между линиями содержит столько же точек, сколько и более длинный интервал. В какой-то момент он формулирует общий принцип, согласно которому меньшее бесконечное множество может иметь столько же точек, сколько и большее бесконечное множество, содержащее его. Тогда стало ясно, что парадоксы Зенона относительно движения полностью являются результатом этого парадоксального поведения бесконечных величин. Реньи сказал, что, устранив этот 2000-летний камень преткновения, Галилей продолжил вводить свои математические законы движения, опережая Ньютона.

Мысли Гассенди

Пьер Гассенди отстаивал мнение Галилея в своей книге De Motu Impresso a Motore Translato . В статье Говарда Джонса «Защита Галилея: политика усмотрения» Гассенди, по словам Джонс, Гассенди продемонстрировал понимание аргументов Галилея и ясное понимание их значения для физических возражений против движения Земли.

Мысли Койре

Закон падения тел был опубликован Галилеем в 1638 г. Но в 20 - м веке некоторые органы оспорили реальность экспериментов Галилея. В частности, французский историк науки Александр Койре основывает свои сомнения на том факте, что эксперименты, описанные в Two New Sciences для определения закона ускорения падающих тел, требовали точных измерений времени, что казалось невозможным с технологией 1600 года. Согласно Койре, закон был создан дедуктивно, и эксперименты были просто иллюстративными мысленными экспериментами . Фактически, водяные часы Галилея (описанные выше) обеспечивали достаточно точные измерения времени, чтобы подтвердить его предположения.

Однако более поздние исследования подтвердили эти эксперименты. Эксперименты с падающими телами (фактически катящимися шарами) были воспроизведены с использованием методов, описанных Галилео, и точность результатов соответствовала отчету Галилея. Более поздние исследования неопубликованных рабочих документов Галилея от 1604 года ясно показали реальность экспериментов и даже указали на конкретные результаты, которые привели к закону квадрата времени.

Смотрите также

  • De Motu Antiquiora (самые ранние исследования Галилея движения падающих тел)

Примечания

использованная литература


внешние ссылки