Во Флоренции Галилей продолжал самостоятельное изучение полюбившихся ему точных наук, пока не встретился с профессором Риччи, специалистом по математике, физике и гидравлике. Риччи убедил Галилея-старшего не упорствовать в своих попытках сделать из сына врача, а разрешить тому заниматься близкими его сердцу науками. В 1586 году Галилей написал свою первую небольшую научную работу, посвященную гидростатическим весам. В работе описывался способ определения плотности твердых тел с помощью гидростатического взвешивания. С этой работы Галилей сделал несколько списков и попытался их распространить. На молодого ученого обратил внимание маркиз Гвидо Убальдо дель Монте, – известный физик, математик и автор учебника по механике. Маркиз, занимавший достаточно высокий пост в Тоскане, сразу отдал должное способностям Галилея, составил ему протекцию, благодаря которой в 1589 году молодой ученый получил должность профессора математики в Пизанском университете, учебу в котором бросил еще совсем недавно.
В Пизе Галилей работал на протяжении трех лет. Уже к 1590 году молодой ученый произвел свои знаменитые опыты, бросая шары различной массы с Пизанской башни. Результатом этих и других экспериментов стала работа «О движении», в которой автор покусился на святыню современного ему научного мира – учение Аристотеля. Великий грек утверждал, что скорость падения тел зависит от их веса. Проведенные в присутствии большого количества свидетелей эксперименты Галилео показывали ошибочность этой точки зрения. Несмотря на всю свою очевидность, такие выводы настроили против Галилея большое количество его коллег, фанатично поклонявшихся Аристотелю и его учению.
В 1591 году отец Галилео умер. После этого молодой ученый был вынужден изыскивать средства для содержания многочисленного семейства. Здесь ему опять помогло покровительство маркиза дель Монте. Он выхлопотал для своего протеже более хлебное и престижное место – кафедру математики в Падуанском университете. В Падую Галилей отправился в 1592 году.
На новом месте в обязанности Галилео входило преподавание геометрии, механики, астрономии. Последнюю дисциплину Галилей должен был излагать в рамках Птолемеевой системы мира и даже написал небольшое пособие по астрономии, основанное на идее геоцентризма. Но эта работа не соответствовала истинным мировоззрениям ученого. Об этом свидетельствует, например, отрывок из его письма Кеплеру, написанного в 1597 году: «К мнению Коперника я пришел много лет назад и, исходя из него, нашел объяснения многим естественным явлениям».
Что касается научной деятельности, 18 лет, проведенные в Падуе, стали самым плодотворным периодом жизни ученого. Сфера его научных интересов была очень широка. Первые несколько лет Галилей в основном занимался изучением механики и механических свойств различных материалов, изобретал новые методы исследований, конструировал разнообразные научные инструменты. Так, он создал термоскоп – первый в мире прибор для исследования тепловых процессов, ставший предшественником термометра, а также сконструировал пропорциональный циркуль, используемый при различных расчетах и построениях.
В 1594 году результаты многих своих исследований Галилео изложил в трактате «О механике». Эта работа писалась как учебное пособие для студентов. На основе общих принципов, изложенных в трактате, Галилей вывел «золотое правил механики» – один из вариантов закона сохранения энергии, согласно которому никакой механизм не может дать выигрыша в работе.
Лекции Галилея пользовались большой популярностью среди студентов, в частности, и потому, что он часто читал их не на латыни, а на итальянском языке. Трактат о механике и записки по астрономии, составленные Галилео, быстро распространились и получили признание среди большинства прогрессивно настроенных ученых Европы. Имя Галилео Галилея становилось знаменитым.
Ко времени пребывания Галилея в Падуе относится одно из важнейших достижений в физике – формулирование принципа относительности движения. Согласно этому принципу, движение относительно, то есть, говоря о движении, необходимо уточнять, относительно какой точки отсчета это движение происходит. В качестве примера Галилей рассуждал о том, что, находясь в закрытом помещении на корабле, невозможно определить, находится корабль в состоянии покоя или равномерно и прямолинейно движется. Впоследствии этот закон лег в основу теории относительности Эйнштейна. Изучая динамику, Галилео также подробно исследовал и описал закономерности движения тел по наклонной плоскости и тел, брошенных под углом к горизонту.
Отдельного внимания заслуживают, естественно, астрономические наблюдения Галилея. Недаром, когда речь заходит об этом ученом, в первую очередь вспоминают, что он был астрономом и одним из первых последователей теории Коперника.
В 1608 году Галилей получил информацию об изобретенной в Нидерландах зрительной (подзорной) трубе. Естественно, что ученый заинтересовался этим изобретением, причем не только стал самостоятельно конструировать и совершенствовать подзорные трубы, но и придумал для них совершенно новое применение. Именно Галилей первым догадался применять оптические приборы для астрономических наблюдений и создал первый телескоп, примерно с 30-кратным увеличением. В августе 1609 года ученый продемонстрировал телескоп сенату Венеции.
Использование зрительной трубы для наблюдения небесных тел позволило сделать огромный прорыв в астрономии. В короткий срок Галилео сделал целый ряд удивительных открытий. 7 января 1610 года он с помощью своего телескопа открыл три спутника Юпитера. В дальнейшем он же открыл и четвертый спутник и обнаружил, что спутники вращаются вокруг Юпитера. Эти спутники ученый, следуя традициям своего времени, назвал «светилами Медичи» в честь Козимо II Медичи, герцога Тосканского. Также в телескоп он увидел, что на Луне есть горы, и в целом поверхность спутника напоминает земную, а так же выяснил, что Млечный Путь не что иное, как громадное скопление звезд. Кроме того, Галилей взял на себя и просветительские функции. Он приглашал не только студентов, но и многих других сограждан на демонстрации, во время которых показывал в телескоп те или иные небесные объекты. Многим европейским правителям Галилео отправлял в подарок собранные им телескопы, способствуя тем самым распространению инструментальной астрономии и популяризации астрономических наблюдений.
Весной 1610 года Галилео Галилей опубликовал результаты своих наблюдений в «Звездном вестнике», который также был посвящен герцогу Козимо II. Тираж этой книги, по нашим временам, смехотворен – 550 экземпляров. Но во времена Галилея это было очень солидно. Слава Галилея к тому моменту была настолько громкой, что весь тираж разошелся в считанные дни.
