Для введения экспериментального метода в механику было недостаточно лишь сознания его необходимости. Требовалось не только уметь ставить опыты, но и выводить из них теоретические правила — законы. Вывод законов мог быть сделан путем математической обработки результатов экспериментов.
В XVI веке в Италии уже работало много математиков — последователей Тартальи. Эти ученые обладали достаточными познаниями для вывода законов механики. Но они не были экспериментаторами и не могли дать новое направление этой науке. Делавшие же опыты художники, техники и ремесленники не обладали систематической научной подготовкой. Поэтому и они также не были в состоянии из результатов своих опытов выводить общие законы.
Только гениальному Галилею, обладавшему талантом экспериментатора и математическими познаниями, удалось заложить основы учения о движении — динамики.
В детстве Галилей увлекался изготовлением действующих моделей машин и игрушек. Уже тогда он проявил большие способности. Видя это, его отец изменил свои намерения в отношении будущности Галилея: вместо торговой конторы он отдал его в Пизанский университет.
Галилей принялся усердно за изучение физики по Аристотелю, астрономии — по Птолемею, геометрии — по Евклиду. По выходе из университета он должен был стать врачом.
Но схоластическое естествознание было основано на безусловном признании мнений авторитетов. Оно исключало самую возможность критики, если даже она исходила из результатов опыта и наблюдений.
Исследовательский дух Галилея не мог примириться с мертвой схоластикой. Незадолго до окончания университета Галилей в возрасте двадцати лет оставил его.
Галилей чувствовал большой интерес к технике, к прикладной математике и к механике. Эти науки не преподавались в университетах. С ними Галилей мог познакомиться только в Художественной академии, бывшей одновременно и высшей технической школой. Он стал посещать лекции в академии и брал частные уроки механики и прикладной математики.
Учителем Галилея был математик школы Тартальи — Остилио Риччи, преподававший прикладную математику молодым людям. Он решал со своим учеником задачи, встречающиеся в практической деятельности инженеров, артиллеристов и других техников.
Стремление связать теорию с практикой было отличительной чертой Галилея как ученого. Поэтому, оставив оторванную от жизни схоластику, Галилей охотно взялся за изучение прикладной математики.
Образование, полученное Галилеем под руководством Риччи, вполне соответствовало духу, господствовавшему в академиях и среди художников-инженеров той эпохи.
Галилей близко познакомился с проведением каналов, подъемными машинами, регулированием рек и другими вопросами практической гидравлики. Он, по-видимому, участвовал в наблюдении за работами по сооружению крепостей, по постройке мостов и водопроводов.
Эти занятия вполне отвечали наклонностям Галилея, который и в дальнейшем в течение всей своей научной деятельности занимался практической техникой. Сделанные Галилеем записи лекций Риччи свидетельствуют, что эти лекции определили, по крайней мере вначале, деятельность его ученика.
В 1586 году Галилей построил чувствительные и точные гидростатические весы для определения относительной плотности тел. В небольшой работе он описал эти весы и способ их применения, проявив стремление к необычной для того времени точности.
Тогда же Галилей собирался написать «несколько книг для солдат, чтобы не только познакомить их с теорией, но и сообщить им также точные познания обо всех заслуживающих внимания, зависящих от математики вопросах, как, например, о технике рытья окопов, боевого строя, возведения крепостей, топографических съемок, артиллерийской техники и т. п.».
Как техник Галилей выступил с изобретенным им прибором для топографических съемок, приспособленным для военных целей.
Но интересы Галилея не исчерпывались практической техникой. С самого начала своей деятельности он отдавал много времени и сил теоретическим исследованиям.
Для Галилея была характерна его способность от вопросов техники переходить к глубоким теоретическим соображениям. В отличие от его предшественников и современников, у него теория всегда получала перевес над техникой.
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».