Разработав собственную модель телескопа, он наблюдал за движением небесных тел, постепенно приходя к выводу, противоречащему геоцентрическим представлениям того времени: Земля вращается вокруг Солнца, Вселенная же, вероятно, бесконечна.
Проводя мысленный эксперимент по падению тела в шахте, проходящей через всю толщу Земли насквозь, он пришел к выводу, что в безвоздушном пространстве тело будет двигаться сначала ускоренно, затем замедленно, на выходе же из шахты скорость тела будет равна первоначальной. Скатывая шарики с наклоненных под различными углами плоскостей, он постепенно приходит к пониманию закона инерции, по которому тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного движения в случае отсутствия действия на него силы.
Галилей на основании данных своих экспериментов установил, что свободно падающее тело движется с постоянным ускорением, брошенное же под углом к горизонту тело движется сначала равномерно прямолинейно по горизонтали, а затем равноускоренно по вертикали, в целом же по особой траектории — параболе.
Очень важным этапом в понимании относительности пространства и времени является открытие Галилеем принципа относительности, согласно которому «для двух наблюдателей, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, наблюдаемые ими движения с учетом разницы в начальных условиях одинаковы». Математическое обоснование этот принцип получил лишь с открытием основных законов механики Исааком Ньютоном, распространение же на остальные разделы физики — в специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.
Однако вернемся к хронологической последовательности. Итак, согласно Ньютону, пространство и время являются абсолютными величинами, не зависящими от внешних обстоятельств. Пространство бесконечно, однородно в трех измерениях, время также бесконечно и однородно, но в одном измерении; обе эти величины существуют помимо человеческих представлений о них.
Сама идея о законе всемирного тяготения пришла к Ньютону, как известно, во время наблюдения за падением яблока. Ньютон рассуждал следующим образом: на яблоко и гораздо более высоко расположенные тела (Луна, Солнце) должна действовать имеющая одну и ту же природу сила тяготения. Между ускорениями, с которыми все тела «падают» на Землю, должна существовать какая-то связь. Предположив, что орбита Земли круговая, он определил следующую закономерность: сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояний от тела до Земли.
Вся сумма наблюдений и рассуждений Ньютона, описанных в его «Началах», сводится к трем известным всем в настоящее время законам движения, которые вкупе с законом всемирного тяготения указали на единые механизмы существования всего на нашей планете. Ньютону, знакомому с идеями Коперника, необходимо было ввести понятие универсально абсолютного пространства, одинакового и неподвижного в любой точке Вселенной, и абсолютного времени, в которых бы имели место прямолинейные движения и покой. С введением этих абсолютных констант законы движения принимали космическую значимость. Именно благодаря формулировке этих законов стал возможным дальнейший технический прогресс человечества и, собственно, полет в космос.
Итак, в эпоху Ньютона (конец XVII в.) время с позиции науки сохраняло свою абсолютность, или равномерность, и неизменность под воздействием внешних обстоятельств. Несмотря на всю свою значимость, законы Ньютона не могли объяснить многих вещей. Так, например, не было возможности объяснить мгновенную передачу тяготения с Земли на любое тело, удаленное как угодно далеко.
Другим значительным противоречием была несопоставимость 3-го закона и понятия абсолютности пространства: если тело с определенной массой в силу своей инерции сопротивляется действию ускоряющего пространства, то и само пространство должно испытывать влияние этого тела на себя, но оно же неизменно по самому определению. Как все это соотнести?
Согласно концепции об абсолютном пространстве, равномерное прямолинейное движение и покой можно легко разграничить, однако сами принципы механики Ньютона отрицают физическое различие между этими двумя состояниями. Иначе говоря, относительность различий покоя и равномерного движения не может существовать в условиях абсолютных пространства и времени. Стремясь логически ликвидировать эту неувязку, Ньютон вводит понятие центра тяжести (точнее, инерции Солнечной системы), который всегда находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Именно относительно этого гипотетического центра и возникают абсолютные пространство и время.
