Научная деятельность Галилея не ограничивалась областью чисто теоретической. В Падуе он построил небольшую лабораторию (мастерскую) для проведения научных опытов. Именно в ней он сконструировал такие измерительные приборы, как: угломеры, масштабные циркули, компасы и т. д. Но самым важным инструментом, созданным ученым, была подзорная труба (телескоп). Как известно, Галилей не был ни первым изобретателем подзорной трубы, ни первым, кому пришла в голову мысль об использовании ее для наблюдений за небесными телами. Все началось с того, что в 1608 г. в Голландии — стране с развитой наукой и техникой изготовления оптических изделий — была изобретена подзорная труба. Узнав об этом, Галилей принимается за создание собственной подзорной трубы, и, как он со временем писал, «построил себе прибор в такой степени чудесный, что с его помощью предметы казались почти в тысячу раз больше, и более, чем в тридцать раз ближе, чем при наблюдении простым глазом». В трактате «Звездный вестник», вышедшем в Венеции 12 марта 1610 г., он описал открытия, сделанные им с помощью этого телескопа: обнаружение гор на Луне, четырех спутников у Юпитера, доказательство, что Млечный Путь состоит из множества звезд. Создание телескопа и астрономические открытия принесли Галилею широкую известность. Вскоре он открывает фазы у Венеры, пятна на Солнце и т. д. Галилей налаживает у себя производство телескопов. В 1610–14 гг., изменяя расстояние между линзами, создает микроскоп.
Благодаря Галилею линзы и оптические приборы стали мощным орудием научных исследований. «Именно от Галилея, — писал академик С. И. Вавилов, — оптика получила наибольший стимул для дальнейшего теоретического и технического развития».
Оптические исследования Галилея были также посвящены природе света, физической оптике и учению о свете.
Галилей отчетливо осознавал, что его астрономические открытия со всей очевидностью подтверждают правильность учения Коперника и ошибочность системы Аристотеля и Птолемея. В связи с этим он решает написать большой трактата, в котором были бы рассмотрены все доводы «за» и «против» этих двух систем. Хотя ученый предполагал выпустить книгу в «скором времени», но на ее создание потребовалось 22 года.
В 1610 г. Галилей оставляет Падуанский университет и переезжает во Флоренцию, где получает место придворного математика и философа (без обязанностей преподавания) у правителя Флоренции герцога Козимо II Медичи. С этого времени начинается наиболее драматический период жизни ученого.
Несмотря на появление в научном мире все новых и новых подтверждений правоты Коперника, сторонники геоцентрической системы мира не сдавались. Более того, с церковных кафедр все чаще раздавались голоса о том, что учение Коперника несовместимо со Священным Писанием. Будучи не согласен с таким аргументом, Галилей в 1613 г. в письме к своему ученику и другу Б. Кастелли писал: «…Разумно, полагаю, было бы, если бы никто не позволял себе прибегать к местам Писания и некоторым образом насиловать их с целью подтвердить то или иное научное заключение, которое позже вследствие наблюдения и бесспорных аргументов придется, быть может, изменить на противоположное. И кто возьмет на себя смелость поставить предел человеческому духу?
Кто решится утверждать, что мы знаем все, что может быть познано в этом мире?»
В 1615 г. на Галилея был составлен донос и передан в Инквизицию. Галилей едет в Рим и блестяще защищается. Однако 5 марта 1616 г. книга Коперника была запрещена, а его учение признано противоречащим Священному Писанию. С этого момента открыто пропагандировать гелиоцентрическую систему было опасно. Но… критика Птолемея и Аристотеля официально не была запрещена.
Воспользовавшись этим, Галилей с разрешения церковных властей в 1632 г. публикует «Диалог о двух главнейших системах мира».
Полное название книги, составленное согласно желанию папы римского Урбана VIII, гласило: «Диалог Галилео Галилея, члена Академии Линчеи, математика Пизанскеого университета и Главного математика и философа Великого герцога Тосканского, в котором в течение четырех дней обсуждаются две главнейшие системы мироздания — Птолемея и Коперника, в защиту каждой из которых выдвигаются неокончательные философские и научные аргументы. С правом на издание во Флоренции у Г. Б. Ландини, 1632.
Разрешено властями». Эта острополемичная книга была действительно написана в форме диалога, который ведут Сагредо и Симпличио, а также флорентинец Сальвиати.
Сальвиати и Сагредо — имена двух (умерших к тому времени) друзей Галилея, из которых первый выражает мысли самого автора, а второй ему сочувствует. Симпличио (по-итальянски «простак») защищает взгляды перипатетиков, постоянно обращаясь к авторитету Птолемея и Аристотеля.