Roger Orrit - Природа описывается формулами. Галилей. Научный метод.

• Название: Природа описывается формулами. Галилей. Научный метод.
• Автор: Roger Orrit
• Издательство: ООО «Де Агостини»,
• Жанр: Научпоп

Гениальный ученый Галилео Галилей посвятил свою жизнь нескольким областям науки. Во-первых, он проводил астрономические наблюдения, благодаря которым сделал удивительные открытия фаз Венеры, спутников Юпитера, неровной поверхности Луны и пятен на Солнце. Во-вторых, он изучал движение тел. в результате чего поставил под сомнение всю аристотелевскую физику, господствовавшую в западной науке на протяжении 2000 лет. Но главной заслугой ученого, оставившей наиболее глубокий след в истории, стало его стремление даже под риском смерти на костре отстаивать новый способ изучения мира - научный метод, основанный на эмпирических фактах и математической точности.

---

Использование телескопа — еще один пример того, какую роль играло наблюдение в создании Галилеем новой науки. Он сумел воспользоваться всеми возможностями в изучении небесной сферы, которые дает этот инструмент, изобретенный голландскими ремесленниками. Ученый увидел пятна на Солнце, спутники Юпитера, равнины, горы и кратеры на поверхности Луны и больше звезд в Млечном Пути, чем кто-либо когда-либо. Более того, ничто из увиденного не совпадало с описанием Вселенной, данным Аристотелем. Как можно было поверить, что древнегреческий философ с помощью простых рассуждений был в состоянии познать устройство всего мироздания? Его конечный космос из неразрушимого материала, эфира или квинтэссенции, в котором движение было круговым и вечным, а светила — правильными гладкими шарами, был всего лишь плодом воображения. Телескоп Галилея сорвал маску с придуманного мира, а наблюдение стало главным помощником в разрушении этой иллюзии.

Но не все были готовы принять данные, полученные экспериментально. Представление перипатетиков о мире было прямо противоположно теориям Галилея, и многие из них, глядя в телескоп, предпочитали не верить своим глазам. В результате пятна на Солнце становились дефектами линз или крошечными небесными телами, располагавшимися между Солнцем и Землей, а лунные кратеры — оптическими иллюзиями. Галилею пришлось смириться с тем, что некоторые его коллеги, не желая менять мировоззрение, отказывались смотреть в телескоп.

ОПЫТ ИЛИ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИТУАЦИИ

Галилею было недостаточно наблюдать явления, он должен был еще и создавать условия для их возникновения: повторные эксперименты были очень важны для проведения измерений с максимально возможной точностью. В случае необходимости Галилей проводил один и тот же опыт сотни раз, и полученные результаты играли важнейшую роль в подтверждении или разрушении его догадок и гипотез. Галилей был скрупулезным и дотошным экспериментатором. Для выявления действительно важных сведений он мог проводить один и тот же опыт столько раз, сколько понадобится.

Портрет Галилея работы Оттавио Леони (1624).

Современная репродукция знаменитого эксперимента Галилея, в ходе которого ученый якобы поднялся на Пизанскую башню и сбросил вниз два предмета разного веса, показав, что они упадут на землю одновременно — вопреки теории Аристотеля.

Рисунки Луны, сделанные самим Галилеем на основе его наблюдений в телескоп и опубликованные в «Звездном вестнике».

Готовя опыт в искусственных условиях, можно было сконцентрироваться на самых важных аспектах, которые являлись предметом изучения. С другой стороны, эксперименты были необходимы для того, чтобы обеспечить математическую точность, с которой Галилей формулировал свои гипотезы. Если математическое описание ускорения показывало некоторую закономерность, то ее надо было проверить и при необходимости исправить, чтобы она совпадала с данными экспериментов. Наблюдения Галилея помогли положить конец философским концепциям, укоренившимся в представлении его современников, а эксперименты стали фундаментом современной физики. Более того, Галилей не боялся исправлять и улучшать свои гипотезы. Например, вначале он был уверен, что при свободном падении тела двигаются с постоянной скоростью, но впоследствии убедился, что она увеличивается.

Некоторые историки науки, например Койре, сомневаются в том, что Галилей в действительности проделывал опыты, но это подтверждают многочисленные документы. Галилей описывал свои эксперименты, делал рисунки и фиксировал полученные данные. В одном из таких документов рассматриваются выстрелы снарядами с разными скоростями, полученные при этом результаты и сравнение их с предварительными прогнозами. В опубликованных сочинениях Галилей также ссылается на эксперименты, проведенные для изучения равноускоренного движения: он детально объясняет свой опыт с наклонными плоскостями, по которым катятся шары.

Наблюдение и эксперимент стали краеугольными камнями научного метода, признаками, определяющими его и отличающими от других методов. Обращение к опыту резко контрастировало с необоснованными абстрактными рассуждениями, которыми оперировали коллеги ученого, натурфилософы. У Галилея не было соперников. Если бы на одну чашу весов положили доказательства Галилея с его наблюдениями и опытами, а на другую — доводы натурфилософов с их порочными логическими кругами, очевидные факты бесспорно склонили бы весы в свою сторону. Натурфилософии суждено было потерпеть поражение, ведь в природе истина определяется далеко не теологическими рассуждениями о божественной воле. Для достижения истинного знания о реальности недостаточно интеллектуального абстрагирования.

ГАЛИЛЕЙ-ЭКСПЕРИМЕНТАТОР

В своих «Беседах...» Галилей подробно описывает опыт, в котором он подошел к решению задачи о падении тел с помощью наклонной плоскости. Галилей установил, что пройденный путь пропорционален квадрату времени. Эту пропорцию до сих пор изучают в школах. Сейчас ее записывают следующим образом: расстояние (s) и время (t) при равноускоренном движении соотносятся как s = ½gt², где g — ускорение свободного падения, значение которого на уровне моря равно 9,81 м/с².

«Вдоль узкой линейки или, лучше сказать, деревянной доски длиной около двенадцати локтей, шириной пол-локтя и толщиной около трех дюймов был прорезан канал шириной немного больше одного дюйма. Канал этот был прорезан совершенно прямым и, чтобы сделать его достаточно гладким и скользким, оклеен внутри возможно ровным и полированным пергаментом; по этому каналу мы заставляли падать гладкий шарик из твердейшей бронзы совершенно правильной формы. Установив изготовленную таким образом доску, мы поднимали конец ее над горизонтальной плоскостью, когда на один, когда на два локтя, и заставляли скользить шарик по каналу, отмечая [...] время, необходимое для пробега им всего пути; повторяя много раз один и тот же опыт, чтобы точно определить время, мы не находили никакой разницы даже на одну десятую времени биения пульса. Точно установив это обстоятельство, мы заставляли шарик проходить лишь четвертую часть длины того же канала; измерив время его падения, мы всегда находили самым точным образом, что оно равно всего половине того, которое наблюдалось в первом случае. Производя далее опыты при различной иной длине пути, сравнивая время прохождения всей линейки со временем прохождения половины, двух третей, трех четвертей или любых иных частей ее и повторяя опыты сотни раз, мы постоянно находили, что отношение пройденных путей равно отношению квадратов времени их прохождения при всех наклонах плоскости, то есть канала, по которому скользил шарик».

На рисунке показано, что за одну единицу времени шар проходит одну единицу расстояния, за две единицы времени — 4 (= 1 + 3) единицы расстояния (или за половину единицы времени — четверть расстояния); за три единицы времени — 9 (= 1 + 3 + 5) единиц расстояния и так далее. Таким образом, пройденное расстояние всегда равно квадрату временных промежутков (1², 2², З²,...).

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ТОЧНОСТЬ

Метод Галилея, помимо опытов и наблюдения за действительностью, отличается его стремлением описывать природные явления при помощи законов, которые можно выразить математически. Математика была профессией и страстью Галилея, и ее законы позволяли ему получать более или менее точные прогнозы. А эксперименты должны были установить, оправдывались ли эти прогнозы. Чем точнее они были, тем легче было понять, верным был тот или иной закон или же в нем содержалась ошибка. Вместо того чтобы объяснять все не подлежащими оспариванию постулатами, Галилей в качестве метода познания предлагал проверять теории на практике. Но любовь ученого к опытам не означает, что он выводил все свои знания из них или из простого наблюдения. В ходе эксперимента в качестве гипотезы по очереди проверялись состоятельность математического закона и уровень его обобщения. В научном методе гипотеза — это начальный вариант, который необходимо подвергнуть проверке и который может разбиться о реальные факты. Пройдя опыты и проверки, гипотеза уточняется и может стать законом.

Для большей точности, помимо той, которую обеспечивали математические законы, Галилей должен был использовать инструменты, способные измерить и предоставить нужные ему данные. Во времена, когда не существовало часов, барометров или термометров, он был вынужден создавать для своих вычислений как можно более точные приборы. Чтобы измерить время в ходе эксперимента с наклонной плоскостью, он пускал струйку воды из ведра в цилиндр с отметками. Объемы воды, собранные в конце каждого опыта, можно было сравнить друг с другом и соотнести с расстоянием, пройденным шаром.