Куда течет река времени

Учение Н. Коперника поначалу не вызывало особого беспокойства католической церкви. Этому способствовало предисловие к книге «О вращении небесных сфер», которое было анонимным. В этом предисловии (автором его был богослов Оспандер) говорилось, что цель автора состояла лишь в предложении способа математического вычисления наблюдаемого положения небесных светил и что он вовсе не пытается выяснить действительное движение этих тел. «Гипотезы его, — говорилось в предисловии, — могут быть и несправедливыми, могут быть даже невероятными; достаточно, если они приводят нас к вычислениям, удовлетворяющим нашим наблюдениям».

Однако в начале XVII века, когда учение Коперника начало широко распространяться и реально угрожать церковным догматам, книга его была занесена церковью в «Индекс запрещенных книг», где находилась в течение более двух веков.

В это время Г. Галилей (1564–1642) создал новое понимание физики, сформулировал первые по-настоящему обоснованные начала науки о времени, нашедшие свое четкое воплощение в последующих трудах И. Ньютона.

Г. Галилей сделал в науке много важных открытий, о которых читатель, без сомнения, знает. Но самым важным, безусловно, является его новый подход к естественным наукам, его убеждение, что для исследования природы в первую очередь необходимо ставить продуманные опыты. Только проверяя предположения экспериментом, только «задавая Природе вопросы», можно понять окружающий мир. В этом он резко расходился с Аристотелем, который считал возможным познание мира чисто логическим путем. Г. Галилей утверждал также, что поверхностные наблюдения без должного анализа могут приводить к ложным заключениям.

Все это вместе явилось началом современного научного метода исследования природы. «Наука, связывающая теорию и эксперимент, фактически началась с работ Галилея», — писал А. Эйнштейн.

Открытия Г. Галилея в физике основаны на многочисленных проведенных им опытах. Для нашего повествования особенно важным является его открытие инерции и инерциального движения.

В повседневной жизни наглядные наблюдения за движением тел веками убеждали людей в том, что если не поддерживать движения, не подталкивать, скажем, катящийся шар, то тело останавливается. Аристотель подытожил все эти наблюдения так: «Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие». Но мы знаем сегодня, что катящийся шар останавливается вовсе не потому, что на него не действует подталкивающая сила, а потому, что его тормозит сила трения, связанная с неровностями поверхности и с сопротивлением воздуха. Если делать поверхность все ровней и ровней и убрать сопротивление воздуха, то шар будет катиться все дальше. В пределе шар никогда не остановится. Таков был вывод Г. Галилея: «…движение по горизонтали является вечным, ибо если оно является равномерным, то оно ничем не ослабляется, не замедляется и не уничтожается».

Закон движения по инерции, открытый Г. Галилеем, лежит в основе принципа механической относительности.

Этот принцип означает, например, что независимо от того, стоит корабль или равномерно движется по спокойной воде, в каюте на корабле все процессы будут протекать совершенно одинаково. Мы можем ходить, бросать предметы, мухи могут свободно летать по каюте, и движение корабля на всем этом никак не сказывается. Вот что говорит по этому поводу один из действующих лиц в книге Г. Галилея «Диалоги о двух главнейших системах мира» Сальвиати: «Запритесь с кем-нибудь из друзей в кают-компании под палубой большого корабля, взяв с собой мух, бабочек и других небольших летающих животных. Возьмите и большой сосуд с водой, в котором плавают рыбы. Повесьте бутыль, из которой капля по капле вытекает вода в широкий сосуд внизу. Пока ваше судно стоит на месте, внимательно наблюдайте, как насекомые летают по помещению с одинаковыми скоростями во все стороны. Рыбы плавают как угодно, не предпочитая какого-либо особого направления. Капли падают в сосуд под бутылью.

Если же вы бросите что-нибудь вашему другу, то вы приложите одинаковое усилие, в каком бы направлении ни бросали, если расстояния одинаковы. Прыгая обеими ногами сразу, вы будете пролетать одинаковое расстояние в любом направлении. Тщательно пронаблюдав все это (хотя вы и не сомневались, что все будет происходить именно так, пока корабль стоит на месте), отдайте команду, чтобы корабль начал двигаться с любой скоростью, лишь бы его движение было равномерным и не подвергалось каким бы то ни было возмущениям. Ни в одном из указанных процессов вы не обнаружите ни малейших изменений и не сможете ни по одному из них узнать, движется корабль или стоит на месте. Прыгая, вы будете пролетать над полом те же расстояния, что и раньше, и ваши прыжки в сторону кормы не окажутся длиннее прыжков в сторону носа корабля, несмотря на то, что, пока вы находились в воздухе, пол под вами двигался в направлении, противоположном вашему. Для того чтобы перебросить какой-нибудь предмет вашему другу, вам не понадобится затратить большее усилие, если ваш друг стоит ближе к носу корабля, а не к корме, когда вы расположились против него. Капли будут продолжать падать в стоящий внизу сосуд, не отклоняясь к корме, хотя, пока они летят в воздухе, судно успевает передвинуться на несколько пядей. Рыбы будут плавать в воде в своем сосуде с одинаковой легкостью во все стороны и в равной мере хватать приманку, в какой бы угол сосуда мы ее ни поместили. Наконец, бабочки и мухи будут совершать полеты равно во всех направлениях, и вы никогда не обнаружите, что они скопились у кормы, как бы устав поспевать за ходом корабля, от которого они были отделены, находясь длительное время в воздухе».

Это удивительно яркое описание является одним из первых описаний принципа относительности движения. Заметим, что произведения Г. Галилея — это не только сокровища человеческой мысли, но и выдающиеся литературные произведения. Итальянские школьники изучают их именно как литературное наследие своей страны.

Никакие механические опыты внутри каюты не помогут определить, движется ли корабль или покоится. Как уже говорилось, в наше время постоянных переездов и перелетов мы давно к этому привыкли. Для нас ясно, что утверждение, например, «чашка покоится» бессмысленно, если не будет указано, по отношению к чему чашка покоится. В летящем самолете чашка может стоять на нашем столике и покоиться по отношению к нам, но вместе с нами и с самолетом стремительно двигаться относительно Земли. Мы можем не спеша идти по салону самолета и в то же время с большой скоростью передвигаться по отношению к Земле. Всякий покой и движение тела, его скорость относительны, имеют смысл только когда указано, по отношению к какой «лаборатории» эти понятия употребляются.

Это открытие Г. Галилея — открытие того, что все происходит совершенно одинаково независимо от равномерного движения «лаборатории», в которой проводятся наблюдения, — и явилось научным аргументом против утверждения сторонников неподвижности Земли во Вселенной. Следуя Н. Копернику, Г. Галилей утверждал: «Положим в основу нашего познания то, что, каково бы ни было движение Земли, для нас, обитателей ее, оно незаметно, пока мы судим о нем по земным вещам».

Г. Галилей был страстным пропагандистом учения Коперника, в истинность которого он непоколебимо верил. Открытия в физике и астрономии сделали его самым знаменитым ученым в Европе. Поначалу католическая церковь старалась осторожными увещеваниями склонить его на ту точку зрения, что учение Коперника только удобная для вычисления гипотеза (как утверждал Оспандер в предисловии к книге Н. Коперника). Кардинал Беллормино писал стороннику коперниковского учения патеру Факарини: «Мне кажется, что Вы и сеньор Галилео поступили бы осторожно, если бы удовлетворились высказываниями suppositione (предположительно), но не абсолютно; так говорил, как я всегда думал, и Коперник. Действительно, когда утверждают, что в предположении, будто Земля движется и Солнце стоит неподвижно, все наблюдаемые явления спасаются лучше, чем при задании эпициклов и эксцентров, то это прекрасно сказано и не заключает в себе никакой опасности; а этого и достаточно для математики; но когда начинают говорить, что Солнце действительно стоит в центре мира и что оно только вращается вокруг самого себя, но не движется с востока на запад, и что Земля находится на третьем небе (третья по порядку планета от Солнца) и с большой скоростью вращается вокруг Солнца, то это вещь очень опасная и не только потому, что она раздражает всех философов и ученых-богословов, но и потому, что она вредит Св. вере, поскольку из нее вытекает ложность Св. писания».

Как замечает советский физик В. Гинзбург, милостивое разрешение «спасать» явления и заниматься математикой, но не касаться реальности, существа дела, вызывало бешенство у Г. Галилея. В послании герцогине Лотарингской он пишет: «Профессора-богословы не должны присваивать себе права регулировать своими декретами такие профессии, которые не подлежат их ведению, ибо нельзя навязывать естествоиспытателю мнения о явлениях природы… Мы проповедуем новое учение не для того, чтобы посеять смуту в умах, а для того, чтобы их просветить; не для того, чтобы разрушить науку, а чтобы ее прочно обосновать. Наши же противники называют ложным и еретическим все то, чего они не могут опровергнуть. Эти ханжи делают себе щит из лицемерного религиозного рвения и унижают Священное писание, пользуясь им как орудием для достижения своих личных целей… Предписывать самим профессорам астрономии, чтобы они своими силами искали защиты против их собственных наблюдений и выводов, как если бы все это были один обман и софистика, означало бы предъявлять к ним требования более чем невыполнимые; это было бы все равно, что приказывать им не видеть того, что они видят, не понимать того, что им понятно, и из их исследований выводить как раз обратное тому, что для них очевидно». «Замечательные слова, звучащие вполне современно», — добавляет В. Гинзбург.

Нам остается подчеркнуть, что далеко не всякое движение «лаборатории» незаметно для находящихся в ней людей и предметов. Так, если резко трогается автомобиль или он круто поворачивает на вираже, то мы явственно это ощущаем. Необнаружимы только равномерные и прямолинейные движения. Такие движения «лабораторий» или тел, которые происходят по инерции без действия каких-либо сил, или же когда все силы и «толкающие», и «тормозящие» или отклоняющие от прямолинейного движения точно уравновешивают друг друга, такие движения называют инерциальными, а «лаборатории» — инерциальными «лабораториями».

Конечно, в природе инерциальные «лаборатории» могут осуществляться только с той или иной степенью приближенности. Корабль, подверженный легкой качке волн, очевидно, не «идеальная инерциальная лаборатория». Покачивание корабля можно обнаружить. Но чем меньше всякого рода ускорения или чем плавнее повороты, тем ближе свойства такой «лаборатории» к инерциальным. Сама поверхность Земли тоже «инерциальная лаборатория» только приближенно. Мы знаем, например, что она участвует в круговом движении вокруг оси вращения.

Специально поставленные опыты могут это обнаружить. Читатель, возможно, видел или, по крайней мере, читал о маятнике Фуко. Большой маятник в виде груза на длинном подвесе в высоком помещении, колеблясь, стремится сохранить плоскость своего колебания неизменной по отношению к звездам. Поверхность Земли вместе со зданиями поворачивается в суточном вращении, и мы видим, что направление колебания маятника меняется по отношению к стенам здания. Такие опыты впервые были проделаны французским физиком Ж. Фуко много лет спустя после Г. Галилея, в 1851 году, с маятником в Понтеоне.