Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

* * *

Согласно легенде, эксперимент на Пизанской башне впервые позволил убедительно установить, что предметы разного веса падают с одинаковой скоростью. Таким образом было опровергнуто авторитетное до той поры мнение Аристотеля. Упомянутая легенда связывает это событие с конкретным человеком (итальянским математиком, физиком и астрономом Галилео Галилеем) и конкретным местом («падающая» Пизанская башня), притом считается, что данное событие было однократным. Но насколько правдива эта легенда? Какие еще вопросы с ней связаны?

Галилей (1564–1642) родился в Пизе, в музыкальной семье. Его отец, Винченцо, был известным композитором и лютнистом, склонным к разнообразному экспериментированию. Он проводил опыты с музыкальным интонированием, интервалами, настройкой инструментов, всякий раз подчеркивая преимущество эмпирических данных над авторитетом древних мыслителей. Его сын унаследовал от отца сильную волю и настойчивость. Биограф Галилея Стиллман Дрейк называет две ключевые черты его личности, которые, по мнению Дрейка, стали основой его научного успеха. Во-первых, это был «бойцовский характер» Галилея, благодаря которому ученый не только не боялся каких бы то ни было конфликтов, но даже стремился к ним, чтобы «ниспровергнуть традицию и отстоять свою точку зрения». Во-вторых, личность Галилея как бы балансировала между двумя крайностями темперамента. С одной стороны, «он получал огромное удовольствие от наблюдения за вещами в окружающем мире, отмечал сходства и связи между ними, делал обобщения, не обращая особого внимания на явные исключения и аномалии». С другой же стороны, «его мучили любые необъясненные отклонения от правила, и он даже часто предпочитал полное отсутствие правила такому, которое не работало с идеальной математической точностью».

Обе эти черты характера очень важны в науке, и все ученые в той или иной мере обладают ими обеими, но в большинстве случаев какая-то одна из них преобладает. Особенность темперамента Галилея, по мнению Дрейка, как раз и состояла в том, что обе крайности имели над ним одинаковую власть26. Кроме того, большое значение для успешности научной деятельности Галилея имел литературный талант, которым он, несомненно, обладал и с помощью которого мог убеждать своих читателей и слушателей.

Галилей поступил в Пизанский университет, вероятно, осенью 1580 года с намерением изучать медицину, однако его сразу же увлекла математика. В 1589 году он получил должность преподавателя в университете и начал изучать особенности движения падающих тел. В Пизанском университете он преподавал три года. Эксперимент на Пизанской башне, скорее всего, имел место именно в этот период. В 1592 году Галилей перебрался в Падую, где прожил восемнадцать лет и сделал бо́льшую часть своих важнейших научных открытий, включая и постройку телескопа. С помощью изобретенного им телескопа он первым увидел спутники Юпитера. Именно эти наблюдения стали причиной горячей научной полемики, так как противоречили системе Птолемея (согласно которой Солнце вращается вокруг Земли), а также аристотелевской концепции движения и, напротив, подтверждали основные положения системы Коперника (согласно которой Земля вращается вокруг Солнца).

В Падуе Галилей также прославился своими впечатляющими демонстрациями физических законов. Он читал лекции перед аудиторией в две тысячи слушателей. В 1610 году Галилей переехал во Флоренцию ко двору великого герцога Тосканского. В 1616 году доктрина Коперника была признана еретической, и Галилей получил предупреждение никак ее «не поддерживать и не защищать», однако шестнадцать лет спустя, в 1632-м, опубликовал блестящую работу «Диалог о двух главнейших системах мира, Птолемеевой и Коперниковой», которая, несмотря на то что была одобрена флорентийской цензурой, воспринималась всеми как мощное доказательство правоты Коперника.

В 1633 году по приказанию папы Галилея вызвали в Рим, где он предстал перед церковным трибуналом и был вынужден заявить, что «отрекается и проклинает, возненавидев» свои ошибочные взгляды. Его приговорили к домашнему аресту, и свои последние годы Галилей провел в Арчетри, пригороде Флоренции. Незадолго до смерти Галилея у него появился верный ученик, многообещающий юный математик по имени Винченцо Вивиани, ставший также и усердным секретарем ученого, к тому времени уже совершенно ослепшего. Именно Вивиани Галилей доверял воспоминания и размышления своих последних лет. Вивиани, посвятивший свою жизнь сохранению памяти Галилея, написал первую биографию великого ученого.

Многие знаменитые легенды о жизни Галилея восходят к этой биографии, исполненной глубокого и искреннего чувства уважения к учителю. Одна из них – история о том, как Галилей, еще будучи студентом-медиком в 1581 году, измерял период качаний люстры в баптистерии Пизанского собора по ударам собственного пульса и обнаружил, что они остаются изохронными при затухании колебаний. Современные историки уточняют, что люстру, которая висит в соборе сегодня, повесили там лишь в 1587 году, однако ее предшественница, какой бы она ни была, без всякого сомнения, подчинялась тем же законам физики, что и нынешняя. Самая знаменитая легенда Вивиани повествует о том, как Галилей взобрался на самый верх Пизанской башни и «в присутствии других наставников, философов и всех студентов» с помощью «несколько раз повторенных экспериментов» продемонстрировал, что «скорость тел одинакового состава, но различного веса, движущихся в одной и той же среде, вовсе не прямо пропорциональна их весу, как утверждал Аристотель, а, напротив, одинакова»27.

В своих собственных трудах Галилей выдвигает аргументы разного плана с использованием логики, мысленных экспериментов, аналогий для доказательства того, что два предмета разного веса в вакууме будут падать с одинаковой скоростью. Он не упоминает о Пизанской башне, зато сообщает о проведении «испытания под открытым небом» с пушечным ядром и мушкетной пулей, в ходе которого выяснилось, что, как правило, оба снаряда приземляются практически одновременно. Вивиани в своих воспоминаниях вообще не упоминает об этом эксперименте, зато он единственный, кто рассказывает об эпизоде с Пизанской башней, и это заставляет многих историков науки усомниться, что эксперимент на башне вообще имел место.

На самом деле не столь уж и важно, проводил Галилей эксперимент на Пизанской башне или нет, гораздо важнее его интеллектуальный переход в ходе анализа особенностей движения от аристотелевского к собственному взгляду на мир. Философия природы, которая была разработана Аристотелем и в которую входили его анализ движения и то, что мы называем его физикой, представляла собой довольно логичную, очень продуманную систему, основанную на идее неподвижной Земли, находящейся в центре мироздания, и окружающей ее небесной сферы, в которой предметы ведут себя совершенно иначе, нежели на Земле. Галилей бросил вызов аристотелевской системе, усомнившись сразу в обеих ее важнейших составляющих: в идее неподвижной Земли и в представлении Аристотеля о движении тел на Земле.

Основным принципом аристотелевского представления о Вселенной было то, что небо и Земля – это две абсолютно различные сферы, состоящие из разных субстанций и управляемые разными законами. Движение небесных тел упорядоченное, математически точное и регулярное, в то время как движение земных тел хаотичное и нерегулярное и описывать его можно только качественно, но не количественно. Более того, характер движения тел на Земле определялся их тенденцией отыскать свое «естественное место». Для плотных тел таковым является движение вниз, к центру Земли. Таким образом, Аристотель различал неестественное движение тяжелых объектов вверх, так называемое «насильственное движение», и их «естественное движение», направленное вниз.

Аристотель, наблюдая за движением падающих тел, обнаружил, что их скорость различна в разных средах и зависит от того, являются ли данные среды «тонкими», как воздух, или «плотными», как жидкости. Он заметил, что тела, падая, достигают некой постоянной скорости и что эта скорость прямо пропорциональна их весу. Эти представления вполне согласуются с нашим повседневным опытом. Если мы бросим из окна мячик для гольфа и мячик для тенниса, то мячик для гольфа будет падать быстрее и упадет на землю первым. Если же мы бросим мячик для гольфа в бассейне, ему потребуется больше времени, чтобы достигнуть дна, чем в ходе падения из окна на землю. Стальной же шар в таком соревновании в бассейне опередит его. Ну и конечно, молоток в любом случае приземлится гораздо быстрее перышка.

Аристотель кодифицировал свои выводы в то, что современные философы науки называют научной парадигмой. Она выстраивалась на основе повседневных явлений, которые он пытался объяснить. Например, некий агент (лошадь), приводящий в движение некое тело (телегу) сталкивается с препятствиями (трением и другими видами сопротивления). В подобных обычных обстоятельствах движение почти всегда представляет собой баланс между силой и сопротивлением ей. Таким образом, Аристотель подходил к проблеме падения тел с точки зрения баланса сил: природная сила (естественная тенденция, которая, по его мнению, влекла тела к центру Вселенной) уравновешивалась сопротивлением (различной степенью плотности – мы сказали бы «вязкости» – среды, в которой они движутся). Аристотель также пришел к выводу, что при отсутствии сопротивления среды скорость падающих тел должна быть бесконечной.