Galileo Galilei

Elämä

Galileo Galilei syntyi Pisassa, Toscanan maakunnassa, Italiassa 15. helmikuuta 1564. Hän oli matemaatikko ja muusikko Vincenzo Galilein ja Giulia Ammannatin seitsemästä  lapsesta vanhin. Silloiseen toscanalaiseen tapaan esikoisen nimi oli muunnelma sukunimestä. Monien mielestä juuri Galileo oli perheen lapsista lahjakkain. Hän opiskeli jo nuorena latinaa, kreikkaa ja filosofiaa. Vuonna 1581 hän aloitti lääketieteen opiskelut Pisan yliopistossa. Pian hän kuitenkin huomasi, että on kiinnostunut enemmän matematiikasta kuin lääketieteestä, ja vaihtoi alaa. Galilei joutui jättämään yliopisto-opiskelunsa kesken, koska vanhemmilla ei ollut varaa maksaa hänen opintojaan, mutta hänelle tarjottiin silti opettajan paikka Pisan yliopiston matematiikan laitoksesta vuonna 1589. Vuonna 1592 hän siirtyi Padovan yliopistoon ja toimi siellä matematiikan laitoksessa geometrian, tähtitieteen ja mekaniikan opettajana aina vuoteen 1610 saakka. Sinä aikana Galilei keskittyi tieteelliseen työhön ja teki monia merkittäviä havaintoja.
Vaikka Galileo Galilei oli harras katolinen, hänellä oli kolme aviotonta lasta Marina Gamban kanssa: tyttäret Virginia (s. 1600) ja Livia (s. 1601) sekä poika Vincenzio (s. 1606). Aviottoman syntyperänsä vuoksi molemmat tyttäret lähetettiin jo nuorina San Matteon luostariin Arcetriin, ja he viettivät luostarissa loppuelämänsä. Isänsä älykkyyden perinyt Virginia ryhtyi nunnaksi ja otti nimekseen Maria Celeste. Hän kuoli 2. huhtikuuta 1634, ja hänet on haudattu isänsä kanssa Basilica di Santa Croce di Firenzeen. Koko ikänsä sairaalloinen Livia otti luostarissa nimekseen Suor Arcangela. Vincenzio, jonka isyyden Galilei myöhemmin tunnusti, meni naimisiin Sestilia Bocchinerin kanssa.
Vuonna 1612 Galilei lähti Roomaan, jossa hän liittyi Accademia dei Linceihin ja ryhtyi tutkimaan auringonpilkkuja. Samana vuonna vastustus Galilein kannattamaa Kopernikuksen teoriaa kohtaan alkoi kasvaa. Vuonna 1614 Isä Tommaso Caccini tuomitsi Galilein ajatukset maapallon liikkeistä vaarallisiksi ja lähes harhaoppisiksi. Galilei puolustautui, mutta vuonna 1615 kardinaali Roberto Bellarmino nuhteli häntä henkilökohtaisesti ja kielsi esittämästä kopernikaanisia ajatuksia. Vuonna 1622 Galilei kirjoitti teoksen Il Saggiatore, joka hyväksyttiin ja julkaistiin vuonna 1623. Vuonna 1624 Galilei vieraili taas Roomassa ja yritti saada Kopernikuksen ajatuksia koskevaa kieltoa kumotuksi. Siinä hän ei onnistunut, mutta sai paavilta kuitenkin luvan kirjoittaa teoksen Ptolemaioksen ja Kopernikuksen malleista. Ainoa ehto oli se, että teoksessa oli päädyttävä katolisen kirkon kannalta sopivaan lopputulokseen. Tämä teos, nimeltään Dialogo dei due massimi sistemi del mondo (suomeksi Dialogi kahdesta suuresta maailmankuvasta), ilmestyi vuonna 1632. Vaikka kirjan loppupäätelmä olikin kirkon käskyn mukainen, lukijalle ei voinut jäädä epäselväksi, kummalle puolelle Galilei asettui. Teoksen takia Galilei joutui inkvisition eteen ja hänet tuomittiin loppuiäksi arestiin. Galilei kykeni kuitenkin jatkamaan työtään arestista huolimatta. Hän oli ensin arestissa Sienan kaupungissa, mutta joulukuussa 1633 Galilei sai luvan vetäytyä huvilalleen Arcetriin, Firenzeen. Mekaniikkaa käsittelevä teos, nimeltään Discorsi e Dimostrazioni Matematiche, intorno a due nuoue scienze (suom. Kaksi uutta tiedettä) valmistui vuonna 1634, mutta se julkaistiin vasta 1638 Leidenissa, Hollannissa. Galilei oli tuolloin jo lähes sokea. 
Galileo Galilei kuoli Arcetrissa, lähellä Firenzeä 8. tammikuuta 1642.

Tähtitiede

Galilei ei keksinyt linssikaukoputkea, mutta kehitti sitä merkittävästi. Lisäksi hän oli ensimmäisiä, joka käytti sitä tähtitaivaan havaitsemiseen. Hollannissa 1608 tehtyjen luonnosten avulla hän rakensi kaukoputken, jonka suurennos oli kolminkertainen. Myöhemmin hän pääsi 32-kertaiseen suurennokseen. Galilei esitteli ensimmäistä kaukoputkeaan venetsialaisille lainlaatijoille  25. elokuuta 1609. Hänen kehitystyönsä muodostui myös taloudellisesti kannattavaksi sivutoimeksi, sillä kauppiaat hyötyivät siitä merenkulussa. Galilei julkaisi kaukoputkellaan tekemänsä havainnot maaliskuussa 1610 lyhyessä tutkielmassa nimeltään Sidereus Nuncius.
Galilei löysi 7. tammikuuta 1610 kolme Jupiterin neljästä suurimmasta kuusta eli Ion, Europan ja Kalliston. Ganymedeksen hän löysi vajaa viikko myöhemmin. Hän havaitsi, että kuut ilmestyvät ja katoavat näkyvistä jaksollisesti. Tämän hän arveli johtuvan niiden liikkeestä Jupiterin ympäri, mistä hän päätteli niiden olevan Jupiterin kuita. Hän havaitsi niitä kevään 1610. Sitten Jupiter katosi Auringon taakse. Jupiterin tultua uudestaan näkyviin monet muutkin havaitsivat Jupiterin kuita syksyllä 1610.  
Galilei antoi kuille nimen mesenaattiensa Medicien mukaan, mutta nykyisin niitä kutsutaan Galilein kuiksi. Se, että planeetoilla havaittiin kiertolaisia, oli ongelmallista maakeskisen maailmankuvan kannalta.
Syyskuusta 1610 alkaen Galilei teki havaintoja Venuksesta. Hän havaitsi Venuksella olevan kaikki kuun vaiheet, kuten Kopernikuksen kehittelemä aurinkokeskinen teoria ennustikin. Maakeskisen kuvan mukaan kaikkia vaiheita ei olisi pitänyt näkyä. Tämä havainto tuki aurinkokeskistä mallia mutta ei todistanut sitä.
Galilei oli myös yksi ensimmäisistä auringonpilkkuja havainneista eurooppalaisista. Hän myös tulkitsi uudelleen Kaarle Suuren ajan pilkkuhavainnot, joiden aiemmin arveltiin johtuneen Merkuriuksesta. Auringonpilkkujen olemassaolo oli ristiriidassa vanhan käsityksen kanssa, jonka mukaan taivas oli muuttumaton. Francesco Sizin ensimmäisenä havaitsemat vuosittaiset muutokset pilkuissa aiheuttivat ongelmia sekä maakeskiselle että Tyko Brahen kuvalle. Galilein ja Christoph Scheinerin välille syntyi pitkä ja katkera kiista siitä, kumpi havaitsi auringonpilkut varhemmin. 
Galilei raportoi ensimmäisenä kuun vuorista ja kraattereista 30. marraskuuta 1609. Niiden olemassaolon hän päätteli kuun pinnan valon ja varjon muodoista, ja hän jopa arvioi vuorten korkeuksia havaintojensa perusteella. Hän päätteli Kuun pinnan olevan epätasainen yhtä lailla kuin Maan, päinvastoin kuin perinteinen aristoteelinen näkemys täydellisestä pallosta. Sidereus Nunciuksessa hän kirjoittaa:

»Vielä erästä melkoisella ihmetyksellä havaitsemaani ilmiötä en saata sivuuttaa. Melkein keskellä Kuuta sijaitsee nimittäin kaikkia muita suurempi ja muodoltaan täydellisen pyöreä painautuma. Sen olen nähnyt molempien neljännesten vaiheilla ja olen kykyjeni mukaan yrittänyt jäljentää sen jälkimmäiseen yllä olevista kuvista. Varjostuksineen ja valaistuksineen se tarjoaa samankaltaisen näkymän kuin Maan päällä Böömin kaltainen alue, jos sitä joka puolelta ympäröisivät täysin pyöreäksi reunaksi sijoittuneet erittäin korkeat vuoret.» 
(Galileo Galilei: ”Sidereus Nuncius”. Suomennos: Raimo Lehti.)
Galilei tarkoitti tällä mahdollisesti Kuun Albategnius-kraatteria.
Galilei havainnoi Linnunrataa, jota aiemmin pidettiin kaasusumuna, ja havaitsi sen olevan niin tiheä tähtipaljous, että Maasta katsoen se näyttää pilveltä. Hän havaitsi monia paljaalle silmälle liian himmeitä tähtiä. Tähän joukkoon kuului myös Neptunus, jonka hän havaitsi 1612 ja 1613 mutta ei tunnistanut planeetaksi.

Galilei, Kepler ja vuorovesi

Galilei ei koskaan hyväksynyt Keplerin esittämiä elliptisiä planeettojen ratoja, vaikka niitä tuki Tyko Brahen suuri havaintoaineisto. Kopernikaaninen teoria käytti monimutkaisia episyklejä toisin kuin Keplerin teoria. Galilei piti vuoroveden aiheuttajana liikemäärää, Kepler kuuta. Kummallakaan ei ollut kuitenkaan toimivaa fysikaalista mallia vuorovedelle. Galilei väitti, että jos Maa pyörii akselinsa ympäri ja kiertää Aurinkoa tietyllä nopeudella, täytyy osan Maasta liikkua ”nopeammin” yöllä ja ”hitaammin” päivällä.
Mikäli tämä teoria olisi totta, ei olisi kuin yksi vuoksi eli vuoroveden korkein kohta vuorokaudessa keskipäivän kohdalla. Galilei aikalaisineen tiesi hyvin, että vuoksia oli kaksi vuorokaudessa. Hän kuitenkin hylkäsi tämän poikkeuksen ja piti sitä seurauksena useista toissijaisista syistä, muun muassa meren muodosta ja sen syvyydestä. On väitetty, että Galilei oli epärehellinen tehdessään nämä argumentit, mutta Albert Einstein kehitti vastakkaisen näkemyksen, että Galilei kehitti ”hurmaavat argumenttinsa” ja hyväksyi ne kritiikittä Maan liikkeen fysikaalisen syyn toivossa.
Tunnettu kirjailija Arthur Koestler väitti Kepleristä kertovassa kirjassaan The Sleepwalkers (suom. Vedenjakajalla), että Galilei oli räikeästi epätieteellinen ja epärehellinen menettelytavoissaan ja antoi harvoin kunnian sille, jolle se kuului. Toisten mielestä on epäoikeudenmukaista arvioida häntä modernin tieteen kriteereillä, jotka hänen aikanaan vasta alkoivat kehittyä. Oman aikansa mittapuulla hän oli hyvinkin halukas muuttamaan näkemyksiään havaintojen mukaan. Voidaan myös väittää, että myös modernit tieteilijät (ja ihmiset yleisestikin) tulkitsevat havaintojaan ja uskomuksiaan aiemmin muodostamiensa näkemystensä avulla. Vaikka tämä voi vaikuttaa epärehelliseltä toiminnalta, sitä vaaditaan hiukan tieteellisen prosessin toimimiseksi (ks. Bayesin teoreema). Galileon epärehellisyydessä ei siten ollut mitään epätavallista.

Fysiikka

Galilein teoreettinen ja kokeellinen työ kappaleiden liikkeen kuvaamiseksi muodosti pohjan klassiselle mekaniikalle, jonka Sir Isaac Newton kehitti myöhemmin. Hän oli pioneeri ainakin Euroopassa täsmällisessä kokeellisuudessa ja luonnonlakien matemaattisessa kuvaamisessa.
Eräs kuuluisimmista Galileita koskevista tarinoista kertoo, että hän pudotti erimassaisia palloja Pisan kaltevasta tornista osoittaakseen, että putoamisaika ei riipu kappaleen massasta. Tämä oli vastoin Aristoteleen oppia, jonka mukaan kappale putoaa sitä nopeammin, mitä enemmän se painaa. Giambattista Benedetti oli saavuttanut saman tuloksen vuosia aiemmin, 1553. Vaikka tarina tornista kerrotaan ensimmäisen kerran jo Galilein oppilaan Vincenzo Vivianin kirjoittamassa elämäkerrassa, sitä ei nykyisin pidetä totena. Galilei suoritti myös kokeita, joissa hän vieritti palloja kaltevaa tasoa pitkin. Näistä yksi on edelleen Firenzessä. Kaltevaa tasoa pitkin vieriminen vastaa hidasta putoamista, kun kappaleen massajakauma on tasainen. Vaikka Galilei oli ensimmäinen asiaa kokeillut, hän ei ollut ensimmäinen, joka väitti putoamisajan olevan riippumaton massasta: Johannes Filoponos oli väittänyt näin jo vuosisatoja aiemmin.
Galilei määritti oikean matemaattisen lain kiihtyvyydelle: kuljettu matka levosta lähtien on verrannollinen kuluneen ajan neliöön (). Hän ilmaisi tämän geometrista konstruktiota ja matemaattisesti eksakteja sanoja käyttäen, oman aikansa mukaisesti. Matematiikan kehityttyä asia voitiin ilmasta myös algebrallisesti. Hän päätteli myös, että kappaleet säilyttävät nopeutensa, mikäli niihin ei vaikuta mikään voima. Hän siis hylkäsi aristoteelisen näkemyksen, että kappaleiden vauhti hidastuu itsestään, ellei mikään voima vaikuta niihin. Tämäkään ei ollut uusi ajatus, vaan Ibn al-Haitham oli ehdottanut sitä jo satoja vuosia aiemmin; Jean Buridan ja Joseph Needhamin mukaan Mo Tzu oli esittänyt saman ajatuksen vielä aikaisemmin. Galilei kuitenkin ilmaisi asian ensimmäisenä matemaattisesti. Galilein inertiaperiaate kuuluu, että ”tasaisella tasolla liikkuva kappale jatkaa samaan suuntaan tasaisella nopeudella, ellei sitä häiritä”. Tämä periaate sisältyy Newtonin ensimmäiseen lakiin.
Galileo havaitsi, että heilurin heilahdusaika ei riipu heilahduksen laajuudesta. Tarinan mukaan hän päätyi johtopäätökseen katsellessaan, miten Pisan katedraalin kynttelikkö heilui, ja käytti pulssiaan ajastuksessa. Vaikka Galileo uskoi verrannollisuuden olevan eksakti, se on vain pienille amplitudeille pätevä approksimaatio. Se on kuitenkin tarpeeksi tarkka kellossa käytettäväksi.
1600-luvun alussa Galilei ja hänen apulaisensa yrittivät mitata valonnopeuden. He seisoivat eri kukkuloilla ja pitivät kumpikin ikkunaluukullista lyhtyä. Ensin Galileo avasi oman lyhtynsä luukun, ja apulainen avasi omansa nähtyään valon. Runsaan kilometrin matkalla Galilei ei voinut havaita viivettä yhtään enempää kuin silloin, kun he olivat vain muutaman metrin päässä toisistaan. Hän ei voinut tehdä päätöstä siitä, etenikö valo välittömästi, mutta hän arveli, että välimatka oli liian lyhyt hyvän mittauksen saavuttamiseksi. Galilei oli yksi ensimmäisistä, joka ymmärsi äänen taajuuden. Kun hän raapi taltalla eri nopeuksilla, hän havaitsi yhteyden äänenkorkeuden ja raapimisen nopeuden (taajuuden) välillä.
Galilei esitti vuonna 1632 Dialogissaan fysikaalisen teorian, joka käsitteli vuorovesi-ilmiötä. Mikäli se olisi ollut oikea, se olisi puoltanut vahvasti Maan liikettä. Hänen teoriansa oli ensimmäinen käsitys siitä, että meren muoto vaikutti vuoroveden amplitudiin ja taajuuteen. Hän selosti oikein sen, että vuorovesi oli Adrianmeren keskellä vähäinen rannikoihin verrattuna. Vuoroveden syyn hänen teoriansa kuitenkin esitti väärin, ja vasta Kepler ja muut yhdistivät vuoroveden oikein Kuuhun. Kunnollisen fysikaalisen teorian teki myöhemmin Newton.
Galilei kehitti myös suhteellisuuden perusperiaatteen eli Galilei-invarianssin, jonka mukaan fysiikan lait ovat samat missä tahansa suoraan tasaisella vauhdilla liikkuvassa systeemissä. Täten ei ole olemassa absoluuttista liikettä eikä lepoa. Tämän periaatteen avulla Newton kehitti mekaniikan peruslait, ja siitä Einstein loi edelleen Erityisen suhteellisuusteorian ensimmäisen postulaatin.

Matematiikka

Galilein matematiikan soveltaminen kokeelliseen fysiikkaan oli innovatiivista, mutta hänen matemaattiset metodinsa olivat aikansa mukaiset. Analyysi ja todistukset perustuivat enimmäkseen Eudoksoksen suhteiden teoriaan. Eukleideen teoksen Alkeet viides kirja käsittelee tätä teoriaa. Se oli tullut käyttöön vasta sata vuotta aiemmin Tartaglian tarkan käännöksen ansiosta. René Descartesin kehittämät algebralliset metodit olivat kuitenkin jo syrjäyttämässä sitä.
Galileo teki yhden pienen, mutta profeetallisen matemaattisen tuotoksen, Galilein paradoksin. Se sanoo, että on olemassa yhtä monta täydellistä neliötä kuin on kokonaislukuja, vaikka kaikki kokonaisluvut eivät ole neliöitä. Paradoksin ratkaisi 250 vuotta myöhemmin Georg Cantor.

Tekniikka

Galilei kehitti muutamia välineitä, joita nykyisin kutsuttaisiin tekniikkaan liittyviksi keksinnöiksi, erotukseksi puhtaasta fysiikasta. Aristoteelisen määrittelyn mukaan kaikki Galilein fysiikkaa koskevat keksinnöt olivat techneä tai käytännöllistä tietoa erotuksena episteemisestä filosofisesta tutkimuksesta.
1593 Galilei kehitti laitteen, joka tunnetaan nimellä Galilein lämpömittari. Se muodostuu suljetusta lasisylinteristä ja sen sisällä olevasta kirkkaasta nesteestä. Nesteessä kelluu eri lämpötiloja edustavia painoja, jotka ovat tavallisesti suljettuja, erivärisiä nesteitä sisältäviä lasiastioita. Nesteen lämpötilan muuttuessa muuttuu myös sen tiheys. Nesteessä kelluvat lasiastiat asettuvat sylinterissä kohtaan, jossa niiden tiheys on sama kuin ympäröivän nesteen.
1594 Galilei sai patentin Venetsian senaatilta pumppukeksintöönsä, joka oli yhdellä hevosella toimiva vedennosto- ja kastelupumppu. 22-vuotiaana Galilei teki kirjoitelman, jolle hän antoi nimeksi La Bilancetta. Siinä hän kuvaili keksinnön, joka parantaa vastapainovaa'an tarkkuutta. Vaakaa käytettiin kappaleiden punnitsemiseen ilmassa ja vedessä niiden seossuhteiden määrittämiseksi. Tämä kirjoitelma kuvastaa hyvin sitä, miten Galilei yhdisti tieteellisen teorian ja käytännön, toisin kuin useimmat aikalaisensa.
Galilei kehitti harpin kaltaisen laitteen, niin kutsutun Galilein sektorin, jota voitiin käyttää muun muassa tykistössä. Hän kirjoitti sektorille ohjeistuksen ja 1598 palkkasi Marcantonio Mazzolenin valmistamaan niitä. Hänen oppilaansa ostivat sitten sektoreita ohjeineen.
1609 Galileo sai tietää kaukoputken olemassaolosta erään ystävänsä kirjeestä. Pian Galilei valmisti oman kaukoputken tehden jopa linssit itse. Kaukoputki, jolle hän antoi nimen aperspillum, vahvisti 30-kertaisesti. Vaikka Galilei kertoi, ettei se ollut hänen keksintönsä, hän sai palkankorotuksen Venetsian valtiolta korvaukseksi oikeudesta valmistaa niitä. Samana vuonna Galilei jo käytti ensimmäisten joukossa kaukoputkea tähtien, planeettojen ja kuiden tarkkailuun.
Määritettyään Jupiterin kuiden kiertoajat vuonna 1612 Galilei ehdotti, että jos niiden kiertoradat tiedettäisiin tarpeeksi tarkkaan, niitä voisi käyttää universaalina kellona. Se tekisi edelleen mahdolliseksi määrittää pituuspiirin. Galilei työskenteli tämän ongelman parissa ajoittain lopun elämäänsä, mutta käytännön ongelmat olivat suuret. Metodia käytti onnistuneesti ensimmäisen kerran Giovanni Domenico Cassini 1681 ja myöhemmin monet laajojen maa-alueiden kartoittajat, esimerkiksi Lewis ja Clark. Merinavigaatiossa, missä herkkiä teleskooppihavaintoja oli vaikea tehdä, pituuspiirin määritys onnistui vasta kannettavan kronometrin, kuten John Harrisonin laite, keksimisen jälkeen.
Viimeisinä vuosinaan jo täysin sokea Galilei suunnitteli pidäkemekanismia heilurikelloon, mutta ensimmäisen toimivan heilurikellon teki kuitenkin Christiaan Huygens vasta 1650-luvulla.

Legendat ja tarinat

Galilein elämästä kerrotaan monia tarinoita, joiden todenperäisyys lienee kyseenalainen. Galilei tuskin pudotteli esineitä Pisan kaltevasta tornista, eikä hän varmaankaan mumissut ”Se pyörii sittenkin” (Eppur si muove, oikeammin ”Se liikkuu sittenkin”) inkvisitiotuomioistuimessa. Vaikka Galilein yhteenotto inkvisitiotuomioistuimen kanssa onkin tieteenhistoriallisesti erittäin merkittävä, sen dramaattisuutta on tavattu suuresti liioitella. Esimerkiksi maalauksissa usein esitetään Galilein oikeudenkäynnissä olleen läsnä suuri joukko ihmisiä, vaikka tosiasiassa paikalla oli vain muutamia.