Читать книгу "Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон"

При тщательном рассмотрении его слава как космолога тоже меркнет. Да, Галилей был самым красноречивым сторонником гелиоцентрической системы Коперника, а его «Диалог о двух главнейших системах мира» — первый выдающийся образчик научно-популярной литературы, однако в нем отсутствовало то, что оказалось совершенно очевидным для Кеплера: планеты движутся по эллипсам. Галилей считал, что орбиты должны представлять собой совершенный круг. В этом он следовал за Аристотелем, который заявил, что если на Земле (в подлунном мире) движение должно иметь начало и конец, то движение на небесах обязано быть круговым.

Если допустить, что эта идея верна и не противоречит тому, что происходит на небе, то отсюда следует, что планеты должны двигаться не просто по кругам, но по кругам внутри кругов. Мы приходим к тем же старым добрым эпициклам, которые так утяжелили геоцентрическую систему Птолемея.

Но самое большое разочарование нас ждет, когда мы узнаем, что его раскаяние перед католической инквизицией не было, как гласит легенда, неискренним и он никогда не произносил «Eppur si muove» («И все-таки она вертится!»). Он не был мучеником. Узнав о своем поражении, он просто удалился в Арчетри зализывать раны.

По-настоящему великим Галилея сделала работа, которую он выполнил задолго до того, как у него возникли проблемы с Ватиканом. Тогда он изучал движение не огромных звезд и планет, а обычных, земных предметов, которое оказалось намного загадочней, чем это можно себе представить. И тут нам совершенно не важно, проводил ли Галилей свои опыты на Пизанской башне или нет.

Этот эксперимент он изложил в другом своем шедевре — «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки», которые написал в последний год ссылки. Как и более ранняя его работа, эти «Беседы» представляют собой разговор трех знатных итальянских граждан, Сальвиати, Сагредо и Симпличио, которые хотят понять, как устроен мир.

Сальвиати — это, по сути, сам Галилей. С самого начала общей беседы он утверждает, что пушечное ядро весом 100 фунтов и мушкетная пуля весом один фунт достигнут земли почти одновременно, если их сбросить в один и тот же момент с одной и той же высоты. Правда, в эксперименте более тяжелый предмет опережал более легкий «на толщину двух пальцев», но Сальвиати объяснял это действием других факторов, которые искажают результаты, например сопротивлением воздуха. Главным было то, что оба предмета двигались «почти в унисон». Когда пушечное ядро достигло уровня земли, мушкетная пуля прошла не одну сотую расстояния или один локоть, как мог бы подсказать здравый смысл. Под двумя «пальцами» не скроешь 99 локтей, на которых настаивал Аристотель, описывая подобные опыты. Но если обращать внимание на такую крохотную погрешность, то и значительно большую ошибку Аристотеля тоже замолчать не удастся. При всех равных условиях скорость, с какой тело падает на землю, не зависит от его веса.

Труднее ответить на вопрос, что с телом происходит с начала падения до того момента, когда оно коснулось земли. Общеизвестно, что оно ускоряется. Но как это происходит? Ускоряется ли тело с самого начала или происходит много маленьких ускорений по мере движения?

Не имея рапид-фотографии и электронных датчиков для хронометража падающего тела, можно лишь предаваться рассуждениям. Галилею нужен был аналогичный эксперимент, но с меньшей скоростью падения, которая позволяла бы делать наблюдения. Ну, например, шарик, который катится по гладкой наклонной плоскости. То, что справедливо для движения при небольшом наклоне, будет справедливым и при большом, и при самом максимальном, т. е. при падении. Он нашел способ правильно задать вопрос.

Случилось это, наверное, в 1604 году. Через тридцать лет он, а точнее, Сальвиати, так описал эксперимент:

Берем деревянную болванку или брус длиной 12 локтей, в локоть шириной и толщиной в три пальца, Прорежем в нем желоб шириной чуть более одного пальца. Сделав эту канавку очень прямой, ровной и отполированной и выстелив ее пергаментом, тоже гладким и отполированным настолько, насколько это возможно, начнем катать по ней твердый, гладкий и очень круглый шар.

Флорентийский локоть равен двадцати дюймам, поэтому можно представить, как Галилей прилаживал под определенным углом шестиметровую доску шириной двадцать пять сантиметров.

Установив доску наклонно путем поднятия одного ее конца на два локтя над другим ее концом, мы пускали шарик, как я уже говорил, по желобу, отмечая, как будет описано отдельно, время, необходимое шарику для спуска. Мы повторяли этот эксперимент несколько раз, чтобы измерить время с точностью, не хуже одной десятой сердечного ритма.

Усовершенствовав методику, рассказывал Сальвиати, удалось измерить время, необходимое шарику, чтобы преодолеть одну четвертую пути, две трети, а затем три четверти пути. Эксперименты повторялись при разных углах наклона доски, и всего было проведено то измерений, при этом использовалось простое устройство под названием водяные часы, которые похожи на песочные, только вместо песка в них вода.

Изображение эксперимента с наклонной плоскостью. Скатывающийся шарик заставляет колокольчики звенеть

Рис. Элисон Кент

Мы взяли большой сосуд с водой и установили его на некотором возвышении. К днищу этого сосуда была припаяна трубка небольшого диаметра, через которую протекала тонкая струйка воды. В течение каждого спуска вода собиралась в стеклянный кувшин, как за время преодоления всего желоба, так и прохода отдельных частей пути. Собранная после каждого скатывания вода затем взвешивалась на очень точных весах. Разница в весе и соотношение весов давали нам разницу и соотношение времени, причем с такой точностью, что, несмотря на многократное повторение действия, заметного расхождения результатов не наблюдалось.

Вес воды был эквивалентом продолжительности времени. Гениально! Хотя не исключено, что некоторые современные историки науки так и не считают.

К примеру, Александр Койре[3], читая тремя столетиями позже, в 1953 году, эти написанные Галилеем слова, с трудом сдерживал раздражение:

Бронзовый шарик, катящийся по «гладкому и отполированному» деревянному желобу! Сосуд с водой, имеющий небольшое отверстие, через которое вытекала вода и которую собирали в небольшой кувшин для последующего взвешивания, измеряя таким образом время скатывания шарика… Тут целый набор источников ошибок и неточностей! Совершенно очевидно — эксперименты Галилея абсолютно бесполезны.

Койре подозревал, что эксперименты эти вообще не проводились и что Галилей лишь представлял, как скатывается шарик, используя этот пример в педагогических целях как иллюстрацию закона физики, который он сформулировал математически, применяя старомодный метод рассуждений. Казалось, Галилея опять удалось развенчать.