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: Прочая научная литература
• 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.

---

Во времена Галилея несколько итальянских ученых шестнадцатого столетия также описывали эксперименты с падающими телами, результаты которых противоречили положениям аристотелевской теории. Среди них был профессор Пизанского университета (преподававший в нем, когда там учился Галилей) по имени Джироламо Борро. Он писал, что несколько раз «подбрасывал» – Борро употребляет весьма двусмысленный глагол – тела одинакового веса, но разного размера и плотности и всякий раз, к своему изумлению, обнаруживал, что более плотные из них падали медленнее других30.

Подобно исследованиям всех великих ученых, чьи научные интересы отличались чрезвычайной широтой, исследования Аристотеля, конечно, не были свободны от ошибок и заблуждений. Но до Галилея большинство европейских мыслителей не рассматривали эти недостатки как нечто серьезное. Принципиальным достижением Галилея стала демонстрация того, что аристотелевская теория движения должна рассматриваться в контексте научной картины мира, включающей далеко не только проблему падения тел. И что теория движения, которая могла бы адекватно объяснить поведение падающих тел, должна включать понятие ускорения, а это, в свою очередь, требует создания принципиально иной картины мира.

Аристотелю было известно, что при падении тела набирают скорость (ускоряются), но он полагал, что для свободного падения это неважно. Он рассматривал ускорение как случайную и незначимую характеристику движения, которая имеет место между моментом начала движения тела и тем мгновением, когда оно достигает своей «естественной» скорости. Поначалу Галилей также разделял эту точку зрения. Однако со временем он пришел не только к пониманию важности феномена ускорения, но и к выводу, что ускорение нельзя просто «добавить» в систему Аристотеля. Если аристотелевская теория падения тел неверна, то ее невозможно «слегка подправить», ее необходимо полностью заменить другой теорией.

Галилей далеко не сразу пришел к такому заключению. Начинал он с предположения (считавшегося тогда вполне естественным), что Аристотель был во всем прав. И отдельные свидетельства обратного не могли заставить его сразу изменить свою точку зрения. К революционному пересмотру своих взглядов он пришел в результате целого ряда научных изысканий: как астрономических, так и вполне «наземных», включавших изучение движения маятника и падающих тел.

В своих ранних рассуждениях о поведении падающих тел – в не опубликованной при жизни рукописи «О движении» (написанной, вероятно, в первые годы работы в Пизанском университете) – Галилей придерживается точки зрения Аристотеля: тела падают со скоростью, зависящей от их плотности; это одно из наиболее «общих правил, руководящих соотношением скоростей [естественного] движения тел». Шар из золота должен падать со скоростью в два раза большей, чем шар такой же величины, сделанный из серебра, так как плотность первого почти в два раза превышает плотность второго. Очевидно, Галилей попытался проверить данное утверждение экспериментально, но, к своему удивлению и разочарованию, увидел, что правило не работает. Он пишет:

«Если взять два разных тела с такими характеристиками, что первое должно падать в два раза быстрее второго, и если потом бросить их с башни, первое из них не достигнет земли заметно быстрее и, уж конечно, не в два раза быстрее»31.

Из данного отрывка историки науки заключают, что даже на заре своей научной карьеры Галилей любые теоретические положения проверял на практике. Однако в том же сочинении Галилей делает странное замечание, что более легкое тело вначале опережает более тяжелое, но затем более тяжелое тело вновь нагоняет более легкое. Это замечание заставило некоторых исследователей серьезно усомниться либо в логической последовательности Галилея, либо в его экспериментаторских способностях.

Тем не менее через несколько лет Галилей изменил свою точку зрения на проблему падения тел и полностью отказался от принципов Аристотеля. Исследовательский процесс, который привел его к этому, был достаточно сложен и включал много различных экспериментов и теоретических размышлений, которые касались отнюдь не только движения земных тел. Многое в цепи его рассуждений было восстановлено исследователями научного творчества Галилея в ходе тщательного постраничного анализа его записных книжек. В своих книгах «Диалог о двух главнейших системах мира, Птолемеевой и Коперниковой» (1632) и «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых областей науки» (1638) Галилей предлагает серию аргументов относительно поведения падающих тел. Они представлены не очень привычным для нас способом: каждая книга состоит из длинных бесед, продолжающихся в течение нескольких дней между тремя собеседниками: Сальвиати, выражающим мысли самого Галилея; Симпличио (его имя означает «Простоватый»), который представляет аристотелевскую позицию и, возможно, ранние взгляды самого Галилея; и Сагредо, человека образованного и к тому же наделенного здравым смыслом.

Подобная литературная форма давала Галилею возможность обсуждать некоторые рискованные в политическом и богословском плане темы (в особенности систему Коперника), не высказывая прямо и открыто собственную точку зрения. Если Сальвиати и случалось выразить то или иное не слишком благочестивое мнение, Галилей всегда мог заявить, что это мнение вымышленного персонажа, взгляды которого автор не разделяет. Избранный жанр также позволял ему испробовать различные варианты представления своих аргументов. Аргументы Сальвиати не обязательно демонстрируют нам реальный процесс размышлений Галилея, а лишь обосновывают выводы, к которым пришел ученый.

В обеих книгах Сальвиати и Сагредо обсуждают несколько экспериментов, которые, по их словам, они проводили с телами разного веса и состава. В «Беседах и математических доказательствах», в ходе первого разговора в День первый, Сальвиати подвергает сомнению заявление Аристотеля о том, что тот якобы на опыте проверил факт, что тяжелые тела падают быстрее легких. Сагредо отвечает ему:

«Но я, не производивший никаких опытов, уверяю вас, что пушечное ядро весом в сто, двести и более фунтов не опередит и на одну пядь мушкетную пулю весом меньше полфунта при падении на землю с высоты двухсот локтей…»

А Сальвиати добавляет:

«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.