По свидетельству Вивиани, первого биографа Галилео Гали лея, в 1583 г. 19-летний юноша Галилей, находясь в Пизанском соборе, обратил внимание на раскачивание люстры. Он заметил, отсчитывая удары пульса, что время одного колебания люстры остается постоянным, хотя размахи колебаний делаются все меньше и меньше. Эти наблюдения побудили Галилея приступить к исследованиям, в результате которых он установил главный за кон колебания маятника — независимость периода колебания при малых амплитудах. Этот закон, известный под названием изохронизма, имел не только теоретическое, но и большое практическое значение. Галилей сразу понял, какие важные последствия можно извлечь из сделанного им открытия. Первое практическое применение закон получил в медицине. Галилей устроил маятник, длину которого можно было изменять, и находил ту длину, при которой колебания совпадали с биением пульса. Удлиняя или укорачивая маятник, Галилей достигал согласования колебания маятника с биением пульса. Изохронным колебанием маятника, согласно свидетельству Вивиани, Галилей «воспользовался во многих опытах для измерения времени и движений и первый применил его к наблюдению небесных светил».
Исследуя колебание маятника, Галилей установил, что время качаний маятников разной длины пропорционально квадратным корням из их длин. Сам Галилей сформулировал этот закон в книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей…» (1638) следующим образом: «Что касается отношения времени качания тел, подвешенных к нитям раз личной длины, то промежутки времени относятся между собой, как корни квадратные из длин маятников, и, обратно, длины маятников… относятся друг к другу, как квадраты времени качания». Сын Галилея, Винченцо, впоследствии утверждал, что этот закон отец установил уже в 1583 г. в Пизе и при его помощи определил высоту собора.
Галилей установил также существование независимости периода колебаний маятника от его массы или что маятники одинаковой длины имеют колебания одинаковой продолжительности независимо от того, из какого материала они сделаны —и з дерева, камня или металла. Однако Галилей не дал математической формулы для определения периода колебаний маятника. Это было сделано потом Гюйгенсом, которому удалось доказать, что малые колебания физического маятника можно сделать так же изохронными, как и у математического маятника.
Свойство изохронности колебания делало маятник весьма удобным средством для создания часов с таким регулятором. Галилей живо интересовался решением проблемы определения дол готы (ему принадлежит идея определения долготы по наступлению моментов затмений спутников Юпитера); он был заинтересован в создании хороших часов для целей механических, физических и астрономических исследований. Галилей, безусловно, не мог упустить из виду практической возможности использования установленного им закона изохронизма колебаний маятника для устройства часов с этим регулятором.
И действительно, в конце жизни, когда Галилей уединился в Арчетри, он вплотную занялся проблемой определения долготы, а в связи с этим и вопросом применения маятниковых часов, о чем свидетельствует его письмо генеральным штатам Нидерландов от 15 августа 1636 г. Оно было извлечено из национального архива Гааги и опубликовано в 16-м томе трудов Галилея и в 3-м томе собрания сочинений Гюйгенса. «У меня есть,— писал Галилей генеральным штатам,— такой измеритель времени, что если бы сделать 4 или 6 таких приборов и запустить их, то мы бы обнаружили (в подтверждение их точности), что измеряемое и показываемое ими время не только из часу в час, но изо дня в день, из месяца в месяц не отличалось бы на различных приборах даже на секунду, настолько одинаково они шли».
Идея Галилея о создании маятниковых часов, высказанная им в письме 1636 г., по-видимому, весьма заинтересовала генеральные штаты Нидерландов. Известно, что ученый по этому поводу вступил с ними в переговоры. Голландская делегация в составе Гортензиуса и Блау посетила Галилея, когда он усиленно занимался разработкой проекта создания маятниковых часов. Генеральные штаты Нидерландов послали в подарок ученому золотую цепь — знак особого внимания.
В письме от 6 июня 1637 г. к Лоренцо Реалю, бывшему губернатору Голландской Индии, Галилей сообщил об изобретении им особого устройства для счета колебаний маятника, предназначенного для определения долготы. Этот прибор не был собственно часами, а был только счетчиком колебаний маятника. Зубчатое колесо под действием растяжения и сокращения свиной щетины приводилось в движение толчками — зуб за зубом. Щетина в данном случае действовала как храповик с собачкой. По-видимому, Галилей тогда еще не считал для себя возможным взяться за конструирование механизма маятниковых часов, поскольку был убежден, что опытные голландские часовщики сами сумеют решить эту техническую задачу.
Реаль в то время был членом комиссии, которой голландское правительство поручило рассмотреть предложение Галилея об определении долготы по наблюдению затмения спутников Юпитера.
Содержание письма Галилея генеральным штатам от 1636 г. с его сообщением о маятниковых часах, идущих из месяца в месяц, определенно свидетельствует, что такие часы тогда уже бы ли задуманы, но еще не были воплощены ни в чертежах, ни в моделях. К конструктивной разработке идеи о своих часах Галилей смог приступить лишь в 1641 г.; на этом пути самым крупным его достижением было изобретение совершенного спускового регулятора хода маятниковых часов. Об этом эпизоде жизни и творчестве Галилея рассказывает его ученик и близкий друг Вивиани.
20 августа 1659 г. в письме к герцогу Леопольду он сообщил подробности, связанные с реализацией изобретения Галилея в реальной конструкции маятниковых часов. «В один из дней 1641 г., когда я находился в вилле Арчетри,— писал Вивиани,— Галилей поделился со мной своими мыслями о возможности при соединить маятник к часам, приводимым в движение грузом или пружиной, и что маятник, как точный регулятор хода часов, может корректировать до известной степени действие на ход не совершенств механической конструкции. Но,- будучи лишен зрения и уже слаб для того, чтобы выполнить план, созревший в его голове, Галилей ознакомил со своими мыслями сына Винченцо в один из его приездов в Арчетри из Флоренции. После этого они не раз обсуждали вопрос о создании реальной модели маятниковых часов: в итоге был составлен чертеж конструкции этих часов. Решено было сразу приступить к делу, с тем чтобы определить могущие быть трудности в этом деле, но которые невозможно заранее предвидеть при теоретической разработке конструкции. Винченцо был против того, чтобы привлекать к этому посторонних ремесленников, из боязни, что они могут раз болтать секрет устройства часов для определения долготы еще до представления их герцогу и в генеральные штаты. Поэтому он имел намерения изготовить модель часов собственными рука ми, но не мог исполнить этого сразу и долго откладывал выполнение работы. Но через несколько месяцев Галилей — автор этого замечательного изобретения — заболел и 8 января 1642 г. умер. После этого события у Винченцо пропал энтузиазм к выполнению модели, и только в апреле 1649 г. он стал работать над ее созданием согласно концепции своего отца, сообщенной ему в моем присутствии… Винченцо Галилей нанял молодого слесаря, который имел некоторый опыт в создании больших стенных часов. Он заставил его делать железную раму, колеса и их оси и оборотные колеса, но без нарезания зубцов. Всю остальную работу по изготовлению часов Винченцо выполнил собственными руками».
«Винченцо не раз демонстрировал,—свидетельствует Вивиа- ни,— мне механизм часов, заключенный между грузом и маятником, как знакомому с существом изобретения Галилея» и могущему, добавим мы, помочь ему советами и по достоинству оценить его работу.
Винченцо не надолго пережил отца: он скончался 16 мая 1649 г от острого припадка нервно-психического заболевания. В бреду он уничтожил большое количество часов, или, по словам Вивиани, «остановил их ход навечно»; по-видимому, пострадала и модель маятниковых часов, созданная его руками, но она не была полностью разрушена.