Когда умер великий герцог Козимо II Медичи, Галилей остался на время без покровителя. Новому герцогу Фердинанду II было всего 11 лет, и в случае неприятностей он не смог бы защитить ученого от инквизиции. Галилей спокойно жил во Флоренции, занимался обучением Фердинанда и его братьев, продолжал свои исследования в области астрономии и других наук, проводил многочисленные эксперименты, к которым привлекал молодых подрастающих принцев, и писал научные труды. Пока он сосредоточился на критике умозаключений Аристотеля о неподвижности Земли и о вращении семи планет вокруг нее, включая Солнце и Луну. Насчет Луны Аристотель не ошибся, но все остальное ученый подверг сомнению. Теории Галилея вызвали большое возмущение защитников древнегреческого философа, один аббат писал ученому: «Я прочитал все труды Аристотеля и не нашел в них ничего похожего на то, что утверждаете вы. Пятна на Солнце – это всего лишь дефекты вашего телескопа». Ответы Галилея на такие письма становились все более резкими и непримиримыми, постепенно он нажил себе немало врагов среди церковников.

В 1623 году Галилей закончил писать книгу «Пробирных дел мастер» – памфлет, направленный против иезуитов. В этой книге Галилей излагает свою ошибочную теорию комет: он полагал, что кометы – это не космические тела, а оптические явления в атмосфере Земли. Позиция иезуитов и Аристотеля в данном случае была ближе к истине: кометы – внеземные объекты. В том же году его давний знакомый, кардинал Маффео Барберини, был избран папой под именем Урбан VIII. Понтифик запретил иезуитам вступать в споры с Галилеем, а самого ученого в шутку предупредил, что пока он занимается только математикой и экспериментами и не настаивает на правдивости коперниканства, – он в безопасности. Математические методы Галилей применял и в других отраслях науки, кроме физики. Он считал, что сама книга природы написана на языке математики, а ее персонажи – это треугольники, кубы, квадраты, круги и другие геометрические фигуры. Так, например, знаменитая последовательность Фибоначчи проявляется в природе в расположении листьев растений, семян подсолнуха, ячеек сосновых шишек, лепестков цветков, ячеек ананаса, колец на стволах срубленных деревьев и веток.

Галилей размышлял о природе вещества и пришел к выводу, что материя состоит не из четырех элементов: воды, воздуха, земли и огня, а из множества неделимых частиц. К этой идее пришел еще древнегреческий философ Демокрит Абдерский в IV веке до нашей эры, он называл эти частицы атомами, от греческого atomos, что означает «неделимое». Пройдет еще три столетия, пока атомы смогут увидеть и сосчитать. Но тогда Тридентский собор заклеймил атомизм как ересь. Получается, Галилей возродил идеи Демокрита в науке, что положило начало научному ренессансу.

Еще в VI веке до нашей эры древнегреческий философ Анаксимандр Милетский говорил о том, что Земля движется и парит в центре мира, ни на что не опираясь. Правда, он считал, что Земля имеет форму колонны – цилиндра, диаметр основания которого в три раза превышает высоту. Анаксимандр полагал, что землю окружают исполинские трубчатые кольца-торы, наполненные огнем. Потом учитель Александра Македонского, древнегреческий философ Аристотель, в IV веке до нашей эры заявил о том, что земля находится в центре Вселенной и вокруг нее расположились Солнце, Луна и известные тогда пять планет. Все беспрекословно поверили Аристотелю, который был в те времена основным авторитетом. В III веке до нашей эры древнегреческий философ, математик и астроном Аристарх с острова Самос выдвинул теорию о гелиоцентрической системе мира: Солнце находится в центре Вселенной, и все планеты вертятся вокруг него. Но так как он не был Аристотелем – ему никто не поверил, и впоследствии Аристарх был обвинен в безбожии и неблагочестии.

Во II веке до нашей эры позднеэллинистический астроном, астролог, математик, механик, оптик, теоретик музыки и географ Птолемеей, который жил и работал в Александрии Египетской, еще раз подтвердил теорию Аристотеля. И с тех пор до времен Коперника, который жил в XVI веке нашей эры, никаких сдвигов в этом отношении не было. Размышляя о гелиоцентрической модели Вселенной, Галилей пришел к заключению о том, что планеты вращаются благодаря некоторым магнитным силам, притягивающим предметы друг к другу. Таким образом он подошел вплотную к теории гравитации, или закону всемирного тяготения, который открыл Исаак Ньютон примерно 60 лет спустя. По легенде, за 4 дня до смерти Галилео родился Ньютон. На самом деле он родился через год после смерти Галилея – 4 января 1643 года.

Галилей считается одним из основателей механицизма. Этот научный подход рассматривает Вселенную как гигантский механизм, а сложные природные процессы – как комбинации простейших причин, главная из которых – механическое движение. Анализ механического движения он описал в своем труде «Пробирных дел мастер». Галилей сформулировал правильные законы падения: скорость нарастает пропорционально времени, а путь – пропорционально квадрату времени. В соответствии со своим научным методом он тут же привел опытные данные, подтверждающие открытые им законы. В 1624 году Галилей опубликовал книгу «Письма к Инголи», в которой он отвечает на антикоперниканский трактат богослова Франческо Инголи. Галилей сразу оговаривает, что не собирается защищать коперниканство, а хочет всего лишь показать, что у него имеются прочные научные основания.

В 1629 году женился Винченцо, сын Галилея. Он с женой поселился у отца, и на следующий год родился внук ученого, которого назвали в честь деда Галилео. Но во время эпидемии чумы 1630 года Винченцо с семьей уезжает из Флоренции в Пизу. В следующем году Галилей поселился в поселке Арчетри на вилле, которую ему подарил Козимо II. Арчетри находится недалеко от церкви Сан-Миньято и современной площадки Микеланджело во Флоренции. Он давно хотел туда переехать, потому что там рядом был францисканский монастырь, где жили его дочери Ливия и Вирджиния. Ливия приняла в монашестве имя Арканжела, но она часто болела и умерла в возрасте 33 лет. Вирджиния приняла при постриге имя Мария Челесте, она переписывалась с отцом и встречалась с ним. Галилей привозил ей в монастырь продукты, Мария Челесте варила ему варенье из яблок и чинила одежду.

В марте 1630 года ученый почти закончил работу над книгой «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой», это был результат почти тридцати лет его исследовательской работы. Он решает, что пора ее опубликовать, потому что наступил благоприятный момент: инквизиция его не трогала, а папа Урбан VIII – это его давний хороший знакомый. Чтобы книга прошла цензуру, Галилей идет на хитрость: он добавляет предисловие, где объясняет своей целью развенчание коперниканства. После одобрения тосканской цензурой Галилей отправляет рукопись в Рим. В следующем году он, наконец, получает разрешение на публикацию, и в 1632 году его труд был издан.

Книга написана в виде диалога между тремя персонажами: ученым Сальвиати, сторонником коперниканства, нейтральным участником Сагредо и простаком Симпличио