Прямоходящие мыслители. Путь человека от обитания на деревьях до постижения миро устройства
Шрифт:
Галилео Галилей, с картины фламандского художника Юстуса Сустерманса, 1636 год
Двумя годами позже Галилей все же стал преподавателем в Пизе. Там он учил своему любимому Евклиду, а также преподавал курс по астрологии, нацеленный помочь студентам-медикам определять, когда пора делать пациенту кровопускание. Да, человек, столько сделавший для научной революции, наставлял начинающих врачей, как влияет положение Водолея на места постановки пиявок. Ныне астрология лишена всякого доверия, однако в прежние времена, пока мы еще мало что знали о законах природы, представление о том, что небесные тела влияют на наши жизни на Земле, казалось вполне разумным. В конце концов, правда же, что Солнце, да и Луна, как давно было известно, неисповедимо связаны с приливами и отливами.
Галилей составлял астрологические прогнозы и из личного интереса, и ради заработка, и брал со своих студентов по двенадцать скуди за прогноз. Если получалось пять прогнозов
Ближе к тридцати, высокий, статный, светлокожий и слегка рыжеволосый Галилей людям нравился. Но его преподавательской практике в Пизе не суждено было длиться долго. Хоть в целом начальство он и чтил, но позволял себе саркастические высказывания и мог быть язвителен и к своими интеллектуальным противникам, и к университетским управленцам, если те гладили его против шерсти. В Пизе его однажды «погладили» так, что Галилей вышел из себя: университет упрямо настаивал, чтобы профессора носили академические облачения не только когда преподают, но и если просто перемещаются по городу.
Галилей, любивший писать стихи, в ответ сочинил стихотворение, посвященное университетскому начальству. Предмет сочинения – одежда, Галилей выступил против нее. По его мнению, это обман. К примеру, невеста могла бы взглянуть на своего жениха, будь он без одежды, и «Увидать, не мал ли он, иль французским хворям сдался, тот, кто так осведомлен, хошь бросай, а хошь – хватайся» [164] . Таким стихотворением парижан не умилишь. В Пизе оно тоже не понравилось, и юный Галилей опять оказался на рынке труда.
164
Heilbron, Galileo, стр. 61.
Как выяснилось, все к лучшему. Галилей вскоре получил приглашение работать близ Венеции, в Падуе, с начальным годовым заработком в 180 скуди, втрое выше его первой ставки, и позднее описывал пребывание там как лучшие восемнадцать лет своей жизни.
Ко времени переезда в Падую Галилей уже успел разочароваться в Аристотелевой физике [165] . По Аристотелю, наука состояла в наблюдении и теоретизировании. Для Галилея в этом не доставало ключевого шага – экспериментов, и в руках Галилея экспериментальная физика развилась в той же мере, в какой и теоретическая. Ученые веками ставили эксперименты, однако те в основном были направлены на иллюстрирование уже принятых взглядов. Ныне же, напротив, ученые проводят опыты ради строгой проверки своих взглядов. Эксперименты Галилея – нечто среднее. То были исследования – больше, чем просто иллюстрации, но пока все же не строгая проверка выводов.
165
Галилей, вероятно, пережил множество разочарований. Уильям Э. Уоллес рассказывает в своей книге Galileo, the Jesuits, and the Medieval Aristotle (Burlington, Vt.: Variorum, 1991), что Галилей, готовясь к работе в Пизе, на самом деле включил в свои лекции много чего из преподававшегося иезуитами в Коледжо Романо между 1588-м и 1650-м годами. У Уоллеса есть и глава под названием «Galileo’s Jesuit Connections and Their Influence on His Science», из собрания Мордекая Файнгольда Jesuit Science andthe Republic ofLetters (Cambridge, Mass.: MIT Press, 2002).
У подхода Галилея к эксперименту есть две важнейших стороны. Во-первых, получая удивительный для себя результат [166] , он его не отвергал – он сомневался в правильности своих рассуждений. Во-вторых, его эксперименты были количественными, что вполне революционно для его времени.
Эксперименты Галилея очень походили на те, которые ныне показывают в средней школе на уроках физики, хотя, конечно, его лаборатория отличалась от современной школьной: в ней не было электричества, газа, воды и прикольного оборудования – а под «прикольным оборудованием» я подразумеваю, к примеру, часы. И потому Галилею приходилось быть Макгайвером [167] XVI века – создавать сложные приборы из того, что в эпоху Возрождения могло заменить скотч и вантуз. К примеру, чтобы сделать себе секундомер, Галилей провертел дырочку в дне здоровенного ведра. Когда требовалось засечь протяженность того или иного события, он наливал в эту емкость воду, собирал вытекшее и взвешивал его – масса воды была пропорциональна продолжительности события.
166
Bernal, Science in History, стр. 429.
167
Герой американского приключенческого сериала «Тайный агент Макгайвер» (1985–1992, телеканал «Эй-би-си»), находчивый мастер «самоделкин». – Примеч. перев.
Галилей применял эти «водяные часы», пытаясь разобраться с противоречивыми вопросами свободного падения – процесса, при котором предмет падает на землю под воздействием силы тяжести. Для Аристотеля свободное падение – разновидность естественного движения, которое подчиняется определенным ключевым правилам, например: «Если половинный вес проходит расстояние за данное время, двойной вес [то есть целый] пройдет это же расстояние за половину времени». Иными словами, предметы падают с постоянной скоростью, пропорциональной
их весу.Если вдуматься, это вполне соответствует здравому смыслу: камень падает быстрее древесного листка. И поскольку измерительных и записывающих инструментов под рукой еще не было, а об ускорении знали мало, Аристотелево описание свободного падения должно было казаться разумным. Но если вдуматься, оно же и противоречит здравому смыслу. Как отмечал астроном-иезуит Джованни Риччоли, даже мифологический орел, убивший Эсхила, уронив ему на голову черепаху, интуитивно понимал, что предмет, сброшенный кому-нибудь на голову, нанесет больший урон, если сбросить его откуда-нибудь повыше [168] , а это значит, что предметы, падая, ускоряются. Ввиду всех этих рассуждений успела сложиться давняя традиция думать о свободном падении и так, и эдак, и различные ученые в разные века выражали свой скептицизм относительно Аристотелевой теории.
168
G. B. Riccioli, Almagestum novum astronomiam (1652), т. 2, стр. 384; Christopher Graney, «Anatomy of a Fall: Giovanni Battista Riccioli and the Story of G», Physics Today (сентябрь, 2012), стр. 36.
Галилей знал о высказанной критике и хотел провести личное исследование этого явления. Понимал он и то, что его водяные часы недостаточно точны для экспериментов с падающими предметами, а потому требовалось придумать процесс, протекавший медленнее, но все равно по тем же физическим принципам. Он решил измерить время, нужное гладко отполированным бронзовым шарам, чтобы скатиться по гладким мосткам, наклоненными под разными углами.
Изучать свободное падение, замеряя время качения шаров по пандусам, – все равно что покупать наряд, исходя из того, как он смотрится в интернете: нельзя исключать, что на вас он будет смотреться не так, как на роскошной модели. Однако, вопреки опасностям, подобный ход мысли есть суть мышления современных физиков. Искусство планирования хорошего эксперимента состоит преимущественно в понимании, какие стороны задачи важно сохранить, а на какие не обращать внимания – и как потом толковать полученные результаты.
В случае свободного падения гений Галилея должен был измыслить эксперимент с катящимися шарами, не позабыв о двух критериях. Первый: требовалось, чтобы процесс происходил медленнее – тогда можно успеть все измерить; второй, не менее важный: минимизировать воздействие сопротивления воздуха и трения. Хотя трение и сопротивление воздуха – часть нашего повседневного опыта, Галилей чуял, что они смущают простоту фундаментальных законов, правящих природой. Камни в естественных условиях, может, и падают быстрее перьев, но законы, стоящие за любым падением, предполагал Галилей, постановляют, что в вакууме и камень, и перышко будут падать с одной и той же скоростью. Нужно «освободиться от этих трудностей, – писал он, – и, открыв и явив эти теоремы для случая, когда отсутствует сопротивление, […] применять их [к реальному миру]… с теми ограничениями, какие покажет опыт» [169] .
169
Laura Fermi, Gilberto Bernardini, Galileo and the Scientific Revolution (New York: Basic Books, 1961), стр. 125.
Для небольших углов наклона в эксперименте Галилея все происходило довольно медленно, и данные добывались без особых усилий. Он заметил, что при малых углах расстояние, пройденное шаром, всегда пропорционально квадрату времени в пути. Можно математически доказать: это значит, что шар набирает скорость равномерно, то есть равномерно ускоряется. Более того, Галилей отметил и то, что скорость падения шара не зависит от его массы.
Поразительно было другое: это утверждение оставалось верным и когда пандус наклоняли под большими углами; каким бы ни был угол наклона, расстояние, пройденное шаром, не зависело от массы шара и было пропорционально квадрату времени, потребного для качения. Если это верно для наклона в сорок, пятьдесят, шестьдесят или даже семьдесят градусов, чего б и не девяносто? И вот тут-то Галилей приводит очень современное рассуждение: он говорит, что его наблюдения за шаром, скатывающимся по наклонной плоскости, должны быть верны и для свободного падения, которое можно рассматривать как «предельный случай» наклона плоскости под прямым углом. Иными словами, он рассудил гипотетически, что, если приподнять плоскость вплоть до вертикального положения, и шар при этом фактически падал, а не катился, скорость он все равно будет набирать равномерно, а это означает, что усмотренная им для случая наклонных плоскостей закономерность распространяется и на свободное падение.
Так Галилей заместил Аристотелев закон свободного падения своим собственным. Аристотель говорил, что все тела падают со скоростью, пропорциональной их весу, но Галилей, постулируя идеальный мир, в котором фундаментальные законы природы являют себя наблюдателю, пришел к другому выводу: в отсутствие сопротивления среды – к примеру, воздуха, – все тела падают с одним и тем же постоянным ускорением.
Помимо склонности к математике Галилей тяготел и к абстрактному мышлению. И до того оно было у него развито, что ученый временами любил обдумывать что-нибудь целиком и полностью умозрительно. Не-ученые называют это фантазиями, ученые – мысленными экспериментами, по крайней мере – когда говорят о физике. Хорошо в мысленных экспериментах то, что их можно проводить целиком у себя в голове и не возиться со сборкой работающих приборов, но с их помощью проверять логические следствия тех или иных соображений. Таким манером, потопив Аристотелеву теорию свободного падения посредством практических экспериментов с наклонными плоскостями, Галилей, применив мысленный эксперимент, присоединился к обсуждению одного из предметов Аристотелевой физики, подвергшегося острейшей критике, а именно – движения снарядов.