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

• Название: Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
• Автор: Роберт Криз
• Жанр: Научпоп
• Год: 2014

Может ли наука быть красивой? Автор этой книги, известный философ и историк науки Роберт Криз, уверен, что именно красота делает научный эксперимент по-настоящему убедительным. «Призма и маятник» – это увлекательное научное путешествие длиной в 2500 лет: от первых опытов Эратосфена по измерению окружности Земли до последних открытий в области физики элементарных частиц. Детальное описание великих экспериментов поможет нам понять, как устроено мышление гениальных ученых, сумевших открыть и наглядно продемонстрировать нам фундаментальные основы мира, в котором мы живем.

---

...

«Да и без дальнейших опытов путем краткого, но убедительного рассуждения мы можем ясно показать неправильность утверждения, будто тела более тяжелые движутся быстрее, нежели более легкие, подразумевая тела из одного и того же вещества».

И далее он приходит к заключению: «Думаю, что если бы совершенно устранить сопротивление среды, то все тела падали бы с одинаковой скоростью». Позднее, в день четвертый, Сальвиати замечает:

...

«Опыт показывает нам, что два шарика одинаковой величины, из коих один весит в десять или в двенадцать раз более другого (а такое отношение веса существует, например, у шариков из свинца и дуба), достигают земли при падении с высоты от 150 до 200 локтей с самой незначительной разницей в скорости; это показывает нам, что сопротивление воздуха и замедление движения обоих тел очень мало»32.

Сальвиати, конечно же, выдуманный персонаж, но он, вне всякого сомнения, высказывает взгляды самого Галилея. Его слова о том, что он собственноручно провел данный эксперимент, для многих историков служат свидетельством того, что Галилей и в самом деле сбрасывал предметы различного веса для проверки аристотелевской теории движения. Скорее всего, он проводил подобные эксперименты на башнях – не исключено, что и на Пизанской башне тоже, – и, к огромному разочарованию его коллег, державшихся аристотелевских представлений, результаты исследований Галилея ставили под сомнение не только теорию движения Аристотеля, но и всю его систему в целом.

Нельзя отрицать, что некоторые предшественники Галилея тоже указывали на отдельные недостатки аристотелевской теории движения, однако Галилей пошел значительно дальше, разработав альтернативную теорию и к тому же добавив к ней эмпирическое доказательство. Бросал ли Галилей на самом деле ядра и пули с Пизанской башни, не так уж и важно. Главное, что он стал тем, кто впервые разработал альтернативу аристотелевской теории падения тел.

Вивиани был хорошим учеником и достойно отплатил за свою науку. Se non è vero, è ben trovato [4] , гласит итальянская поговорка, так что мы с полным правом можем рассуждать об эксперименте Галилея на Пизанской башне.

Но почему все-таки этот эксперимент так прочно вошел в научный фольклор, стал символом поворотного момента в истории науки Нового времени?

Одна из причин заключается в яркости описания, данного Вивиани, – описания короткого, но захватывающего. В целом Вивиани, внимательный и точный историк, прекрасно понимал, что пишет для особой аудитории: ученых-филологов, священнослужителей, политиков и представителей других интеллектуальных профессий, не связанных с естественными науками, которых будет интересовать не столько математический аппарат исследования и его технические детали, сколько увлекательные подробности. «Вивиани даже в голову не могло прийти, – пишет историк науки Майкл Сегре, – что его сочинение спустя много лет попадет в руки недоверчивого историка науки»33.

Вторая причина заключается в довольно распространенной особенности, характерной для популярной и даже серьезной исторической литературы: какой-то один эпизод становится символическим обобщением целого ряда важных событий. В картине перехода от Аристотелевой к современной картине мира «эксперимент на Пизанской башне» идеально исполняет такую роль, хотя оборотной стороной этого становится некоторое тушевание всего контекста событий: создается ложное впечатление, что один лишь этот эксперимент явился причиной пересмотра Галилеем теории движения и что именно проблема движения была главной в конфликте двух систем мироздания.

И, наконец, последняя причина: мы любим истории про Давида и Голиафа, в которых некий носитель власти и авторитета обличается, унижается и лишается величия благодаря какому-нибудь ловкому приему. В каком-то смысле подобные истории повышают нашу значимость в собственных глазах.

* * *

Эксперимент, подобно многим другим явлениям окружающего мира, имеет свою биографию: зарождение и появление на свет (первое проведение), «взросление» и дальнейшее развитие. Подобно эксперименту Эратосфена с измерением окружности Земли, эксперимент Галилея со свободно падающими телами был проведен в определенное время и в определенном месте, но, с другой стороны, он стал неким шаблоном, по которому можно было проделывать различные опыты с разными телами и с различной мерой точности. Со временем эксперимент Галилея породил целый специфический жанр экспериментов и демонстраций – потомков эксперимента на Пизанской башне.

К примеру, десятилетие спустя после смерти Галилея был изобретен вакуумный воздушный насос, с помощью которого можно удалить воздух из некоего замкнутого пространства и тем самым создать вакуум (неидеальный), что позволило англичанину Роберту Бойлю и голландцу Виллему Якобу Гравезанду проверить утверждение Галилея, что тела разного веса в вакууме упадут одновременно.

Демонстрации падения тел в вакууме с познавательной и развлекательной целью продолжали пользоваться популярностью и в XVIII столетии, когда новая физика, к созданию которой приложил руку Галилей, полностью вытеснила физику Аристотеля. К примеру, британский король Георг III пожелал, чтобы для него была устроена специальная демонстрация с падением перышка и золотой монеты внутри трубки, из которой предварительно был выкачан воздух. Один из свидетелей вспоминает:

...

«Мистер Миллер… рассказывал, что его попросили объяснить эксперимент с гинеей и пером в трубке насоса Георгу III. В ходе проведения эксперимента молодой оптик достал перо, а король предоставил гинею. В завершение король похвалил молодого человека за его мастерство экспериментатора, но гинею, со свойственной ему скаредностью, положил к себе обратно в жилетный карман»34.

Даже в ХХ веке некоторые ученые продолжали экспериментировать со свободно падающими телами с целью измерения точного времени падения при экспериментальной проверке уравнений для тел, движущихся с ускорением при сопротивлении среды. Один подобный эксперимент имел место совсем недавно, в 1960-е годы, на метеорологической башне Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, и проводил его физик-теоретик Джеральд Фейнберг. Он писал:

...

«Основная причина обращения к вопросу, который представляется давно решенным, состоит в том, что результаты теоретических разработок вступают в противоречие с данными интуиции, по крайней мере интуиции тех, кто был воспитан на законах Галилея. Уравнения, используемые в течение столетий, все еще требуют определенных уточнений»35.

Эксперимент на Пизанской башне продолжает нас удивлять и поныне.

* * *

Опыт Галилея отвечает на вполне фундаментальный вопрос: как различные тела – от пушечного ядра до перышка – ведут себя под воздействием силы, которая так или иначе влияет на всех нас. Организация этого эксперимента предельно проста, для его проведения не нужно ни сложного оборудования, ни даже простых часов. И он не оставляет никаких вопросов, в результате мы переживаем тот особый вид удовольствия, который можно было бы назвать «ожидаемым удивлением». Хотя разумом мы понимаем истинность галилеевского представления о мире, интуитивно мы живем в аристотелевском мире. Если бы мы были обитателями Луны, где нет сопротивления воздуха, поведение тел, падающих в вакууме, было бы нам знакомо, ничего нового данный эксперимент нам бы не открыл. Однако повседневный опыт подталкивает нас к предположению, что предметы будут вести себя в соответствии с аристотелевской теорией, и часто мы не обманываемся в своих интуитивных ожиданиях. Тяжелые предметы гораздо сильнее, чем легкие, оттягивают наши руки вниз, по направлению к центру Земли, и мы делаем совершенно логичный вывод: они и падать должны гораздо быстрее, как если бы стремились «вернуться на землю».

Именно по этой причине нам до сих пор доставляет удовольствие зрелище разрушения привычной для нас «бытовой» картины мира – зрелище, которое повышает в наших собственных глазах значимость нашего рационального мышления и информации, полученной с его помощью. Это удовольствие напоминает игру Fort! Da! , описанную Фрейдом: ребенок прячет какой-то предмет, а затем снова его демонстрирует. Ребенку доставляет огромную радость сам факт все новой демонстрации предмета, несмотря на то, что он прекрасно знает, что предмет никуда не исчезал, а все время был где-то рядом.