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

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.

До недавнего времени с экспериментами Галилея с падающими телами было связано несколько загадок. Одна из них восходит к его странному наблюдению, приведенному в трактате «О движении», что менее плотное тело при падении вначале опережает более плотное тело, которое затем нагоняет его. В 1980-е годы историк науки Томас Сеттл повторил эксперименты Галилея с участием психолога и, к своему изумлению, обнаружил то же, на что в свое время обратил внимание Галилей. Дальнейшие исследования пролили свет на эту загадку: от удерживания более тяжелого предмета рука больше устает, что заставляет экспериментатора отпускать предмет медленнее, хотя сам он убежден, что бросает оба предмета одновременно36.

Еще одна недавно раскрытая загадка касается описания Вивиани и того, почему, если эксперимент на Пизанской башне действительно имел место, Галилей ни разу не упомянул о нем в своих собственных сочинениях. В 70-е годы ХХ столетия историк науки Стиллман Дрейк, изучавший наследие Галилея, внимательно проанализировал переписку ученого за 1641–1642 годы. Галилей, к тому времени уже практически слепой и находившийся под домашним арестом, просил Вивиани читать ему вслух приходившие письма и диктовал ответы. В начале 1641 года Галилей получил несколько писем от своего старого друга и коллеги Винченцо Реньери, который незадолго до того стал профессором математики в Пизанском университете, заняв ту кафедру, во главе которой когда-то стоял сам Галилей.

В одном из писем Реньери упомянул о своем эксперименте, в ходе которого он сбросил два шара – один деревянный, другой свинцовый – с «верха соборной звонницы», каковой и является знаменитая «Падающая башня». Ответ Галилея не дошел до нас, однако из следующего письма Реньери становится ясно, что Галилей в этом ответе сослался на собственное описание подобных экспериментов в «Беседах и математических доказательствах» и предложил Реньери повторить эксперимент с телами разного веса, но сделанными из одного и того же материала, чтобы выяснить, не влияет ли выбор материала на результат (как оказалось, не влияет). Письмо Реньери оживило воспоминания Галилея о его собственных экспериментах в Пизе с падающими телами из одинакового материала, которые он, вероятно, описывал Реньери или, по меньшей мере, Вивиани. Если это действительно так, то становится ясным, откуда Вивиани была известна история, которую сам Галилей мог давно забыть, и почему Вивиани в своем сочинении совершенно определенно сообщает, что Галилей пользовался шарами из одного и того же материала.