Жаропонижающие средства для детей назначаются педиатром. Но бывают ситуации неотложной помощи при лихорадке, когда ребенку нужно дать лекарство немедленно. Тогда родители берут на себя ответственность и применяют жаропонижающие препараты. Что разрешено давать детям грудного возраста? Чем можно сбить температуру у детей постарше? Какие лекарства самые безопасные?
«О философии написано в величайшей книге вселенной, которая всегда открыта нашему взгляду… Написана она на языке математики» ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙ
Италия эпохи Возрождения представляла собой ряд независимых государств, значительно отличающихся друг от друга по форме управления. Одно могло быть демократической республикой, другое — наследным владением герцогов. Подобное разнообразие показывало, что не существует какой-то одной оптимальной формы правления. Существовало очень много мнений по экономическим и социальным вопросам. В этом относительно открытом обществе, готовом к восприятию новых мыслей, начал свое образование Галилео Галилей.
Но существовало две сферы, где не могло быть и речи о «плюрализме мнений». Монополией на религиозную жизнь владела Римская католическая церковь, а в университетах царствовала философия Аристотеля. Тем не менее, во времена Галилея церкви и науке пришлось перейти в оборону: набирала силу Реформация, сказывались начатки свободомыслия, рожденного Ренессансом.
Реформация и Ренессанс не могли не повлиять на жизнь и труд Галилея, этой парадоксальной личности — того, кого так часто называют отцом современной науки. Вряд ли какие другие события из истории науки обсуждались шире, чем осуждение церковью теории Коперника в 1616 году и суд над Галилеем в 1633 году. Эти два факта всплывают всякий раз, когда заходит речь о противоречии между наукой и религией.
Галилео был человеком среднего роста, плотного телосложения, вспыльчивым, но отходчивым; характером обладал пылким и сильным, всегда становясь центром внимания в классе или на научном диспуте. Талант и острый ум помогли ему приобрести немало интереснейших друзей в университете, при дворе и среди духовенства. Его друзьями были художники, музыканты, ремесленники. Но своими ядовитыми насмешками над научными противниками он нажил себе ряд влиятельных врагов. Галилео любил спорить, вступать в интеллектуальные и словесные бои, ибо знал: теорию нужно доказать, а людей — убедить. Жизнь Галилея-ученого проходила не только в наблюдениях и вычислениях, но и в дебатах, потому что он стремился и развить новое научное мировоззрение, и популяризировать его.
Творческую жизнь Галилея можно разбить на три главных периода. Первый (1564-1610 гг.) включает в себя студенческие годы, работу в Пизанском и Падуанском университетах. Второй (1610-1632 гг.) длится от возвращения во Флоренцию до издания «Диалога». Последний (1633-1643 гг.) начинается судебным процессом и охватывает десятилетие, проведенное под домашним арестом. В этой главе мы поговорим о первом периоде его жизни, о научных открытиях, сделанных вплоть до осуждения церковью системы Коперника в 1616 году. В главе 5 мы расскажем о богословских воззрениях Галилея во втором периоде творчества, о суде над ученым и последнем десятилетии жизни.
Ранние годы
Галилео — выходец из знатного, но обедневшего флорентииского рода. Его отец Винченцо ди Микеланджело Галилей был музыкантом, великолепно игравшим на лютне, занимавшимся теорией музыки. Больше всего его интересовали проблемы звучания отдельных инструментов: проводя эксперименты со специально созданными им однострунными инструментами, он обнаружил математический закон, опровергающий фундаментальные основы традиционной музыкальной теории. Этому он посвятил книгу «Диалог о старой и новой музыке».
У Винченцо возникли крупные противоречия с Джозеффо Зарлино, признанным музыкальным авторитетом, вместе с которым он учился два года в Венеции (1) . После оживленной переписки Винченцо написал свой «Диалог», но Зарлино не дал опубликовать книгу в Венеции, и тогда Галилей-старший издал ее во Флоренции. Он всегда считал, что даже остроумнейшая и авторитетнейшая теория не может заменить ухо музыканта. Его экспериментальный подход и полемический задор, видимо, произвели впечатление на сына, который впоследствии точно так же, как отец, обходился со своими противниками.
В 1562 году Винченцо женился на Джулии Амманнати ди Пеша, умной и образованной женщине из Пизы, где он тогда обосновался. Галилео был старшим из семи детей, он родился 15 февраля 1564 года, в том же году, что и Шекспир. Он рос в творческой атмосфере, многому учился у отца, от которого унаследовал любовь к музыке и математике. Молодой Галилей неплохо играл на лютне, был хорошим органистом. Возможно, знание музыки помогло ему в научных исследованиях. Он любил поэзию, живопись. От отца ему передалась тяга к экспериментам; ему, как и Ньютону в раннем возрасте, нравилось мастерить всякие механические устройства. Способности к механике пригодились Галилею: уже став ученым, он сам изготавливал приборы для проверки своих теорий и научных исследований.
В 1574 году семья перебралась во Флоренцию. Галилео поступил в школу при знаменитом бенедиктинском монастыре Валламброза, где изучал поэзию, музыку, рисование, практическую механику — все те дисциплины, которые привнесла в образование эпоха Ренессанса, — и богословские предметы Галилео чуть было не стал монахом — лишь отец отговорил его от этого решения. Тем не менее, мальчик проучился в монастыре до 1581 года.
В возрасте семнадцати лет Галилео, чтобы изучать медицину, поступил в университет в Пизе. В те годы Италия была одним из центров университетского образования — в ней насчитывалось тринадцать университетов (сравните: в Англии и Шотландии в те годы было лишь три университета). Но несмотря на все открытия и новшества, которые дала миру эпоха Возрождения, стиль обучения в университетах мало изменился; по-прежнему не поощрялась свобода мышления, а ко всему новому относились с явной неприязнью. В философии и науке продолжал господствовать подход Аристотеля: возвращаться вновь и вновь к достижениям золотого века Греции не считалось зазорным — зазорным было превзойти их. Обучение вели на латинском языке, причем студенты и вне занятий говорили только по-латыни. Учеба была проникнута античными традициями — но на пороге уже стоял новый мир.
Пока единственными доступными книгами для студентов были рукописи, университеты еще могли как-то удерживать монополию на знания (2) . Но после 1500 года ситуация в корне изменилась. Во многих городах появились книжные издательства. Чем большим тиражом выходили книги — тем легче было издателям вернуть затраченные на оборудование средства, а потому они выпускали недорогие книги, способные заинтересовать широкий круг читателей. Пользовались спросом и книги новых писателей. Таким образом, появились новые способы передачи практической информации, и научные знания вышли за пределы университетских городов.
От наплыва дешевых книг меньше всех выиграли университеты. Так как в течение многих веков текстов не хватало, то основными методами обучения были лекции и дебаты. Учебники содержали лишь самые основные труды, а задачи натурфилософов ограничивались устной передачей знаний студентам. Тут было не до экспериментов и новшеств. В результате важнейшие научные открытия XVI века (за исключением открытий в медицине) свершились вне университетских стен. Новая астрономия Коперника и Тихо Браге, разработки в области механики и физики так и не попали в университетские курсы. Во многих отношениях университетская наука отстала даже от того уровня, на котором была два столетия назад, и все потому, что не хотела признавать перемен.
В такой обстановке молодой Галилей знакомился с трудами римского врача I века Галена и еще более древней философией Аристотеля. Но уже в студенческие годы у него развилась независимость суждений, склонность к дискуссиям, чем, видимо, он и заслужил прозвище «задира». Его споры со сторонниками философии Аристотеля длились около полувека.
Тем временем, интерес Галилея к медицине постоянно убывал. Деньги закончились, и в 1585 году он оставил Пизанский университет, так и не получив ученой степени. Решив сосредоточиться на физике и математике, Галилей продолжил изучение трудов Эвклида и Архимеда под руководством друга своего отца Остилло Риччи. За год ему удалось соорудить усовершенствованные гидростатические весы, которые привлекли к нему внимание флорентийской знати. Его первые теоремы о центре тяжести твердых тел принесли ему известность и за границей. Постановка задач и методы их решения показывают, что Галилей находился под влиянием Архимеда, к трудам которого часто обращался (3) . Нельзя сказать, что работы Архимеда были неизвестны в средние века, но до XVI века им не уделяли должного внимания. В это же время у Галилея проявилась любовь к классической и современной литературе.
Профессор в Пизе и Падуе
После нескольких лет успешных научных исследований Галилей в 1589 году возвращается в Пизу, где получает на три года пост профессора математики. Изучая явления природы, он понял всю значимость механики — науки о движении, которая в натурфилософии Аристотеля считалась простейшим типом изменения материи. Но Галилею важно было разобраться в точных причинах движения: это, по его мнению, являлось первым и основополагающим знанием о материальной вселенной. Математики под влиянием Эвклида и Архимеда объясняли природные явления исходя из знания геометрических фигур и законов математики. Но такая наука считалась на порядок ниже натурфилософии, призванной дать объяснение сущности материального мира. Эти сторонники Аристотеля не были готовы впустить в свою физику какого-то простого математика и позволить ему выдвигать новые концепции движения.
Вскоре Галилей начал работу над трактатом, который не имел названия, но теперь известен как «De motu» («О движении»); он так и не был опубликован и распространялся в рукописи (4) . В этой работе Галилей опровергает мысль Аристотеля о существовании двух типов движения — естественного (например, падение предметов на землю) и вынужденного (полет снаряда). Галилей дает определение «нейтральному» движению. Потом эта мысль подведет его к открытию инерции. Гений Галилея позволил ему ставить «мысленные эксперименты», во время которых он представлял себе движение в идеальных условиях, например, при отсутствии трения.
В работе «О движении» ученый постарался опровергнуть два предположения Аристотеля, касающихся падающих тел: 1) скорость падения тела прямо пропорциональна весу этого тела; 2) скорость падения тела обратно пропорциональна плотности среды. Он показал условия равновесия предметов на наклонных плоскостях, но в то время не смог понять значимость ускорения свободного падения. В результате ему тогда так и не удалось связать свои наблюдения с собственными теориями движения. (Рассказ об эксперименте Галилея, во время которого он бросал большое и малое ядра с наклонной Пизанской башни, описанный его биографами, видимо, не имеет под собой реальной почвы, хотя позднее он оброс научными подробностями, призванными показать истинность этого «самого известного из всех научных экспериментов») (008) .
К сожалению, Галилей был не очень коммуникабельным человеком. Его открытые выступления против университетских порядков обеспечили ему множество врагов. Он даже сочинил стихотворную сатиру, высмеивая правило, предписывающее всем профессорам всегда носить мантии («Даже в спальне?» — спрашивал он). Это стихотворное издевательство было написано не по-латыни, а на разговорном итальянском языке. Потом Галилей неоднократно прибегал именно к этому языку для написания ряда трудов. Но в последний год его пребывания в Пизе коллегам пришлось столько вынести от Галилея, что в отместку они стали ходить на все лекции профессора и освистывать те высказывания, с которыми были несогласны.
Когда в 1592 году закончился срок его работы, Галилей понял, что подавать прошение о возобновлении контракта бесполезно. Поэтому с помощью нескольких влиятельных друзей он стал добиваться места профессора математики в Падуанском университете, неподалеку от Венеции. Предпочтение было отдано именно ему, а не перипатетику (стороннику Аристотеля) Джованни Мажини, у которого подходил к концу срок работы в Болонском университете. С тех пор Мажини затаил злобу на Галилея. Свободомыслие Падуанского университета привлекало в него талантливейших студентов со всей Европы, многие из которых приезжали специально для того, чтобы учиться у Галилео. Он преподавал в Падуе 18 лет.
Продолжал Галилей и свои занятия математикой, экспериментальной физикой, не забывал о практических изобретениях (5) . В 1595 году он придумал механическое объяснение приливов и отливов, основанное на двух типах вращения Земли, о которых говорил Коперник. Хотя его теория и оказалась неверной, она возбудила в Галилее интерес к астрономии. Два года спустя один немецкий путешественник передал ему первую книгу Кеплера «Космографическая тайна». В благодарственном письме автору Галилей утверждает, что уже давно стал приверженцем новой астрономии.
Исследуя способы измерения температуры воздуха, Галилей придумал термоскоп — предшественник термометра. Для исследований он завел мастерскую — и сам разрабатывал для нее оборудование. Прибавку к жалованью давали частные лекции, которые он читал дворянским детям, изучавшим строительство укреплений, баллистику и другие технические дисциплины. Именно Галилей изобрел «геометрический, или военный компас», который был очень полезен мореплавателям, баллистам и для сооружения солнечных часов. В 1599 году он нанял ремесленников, которые изготовляли разработанные им приборы и механизмы для продажи.
После смерти отца на плечи Галилея легли заботы о семье — матери, брате и сестрах. Побочные доходы от лекций и мастерской служили хорошим дополнением к его скромному профессорскому жалованью и дали возможность выделить сестре щедрое приданое, когда она в 1601 году выходила замуж. В Падуе у него была любовница-венецианка Марина Гамба, которая родила ему двух дочерей и сына. Обе дочери поступили в монастырь, где старшая Вирджиния приняла имя Мария Челесте. Она была особо близка отцу. Сын Винченцо много помогал отцу в последние годы его жизни. Но после отъезда Галилея во Флоренцию, Марина Гамба вернулась в Венецию и позднее вышла там замуж.
Время, проведенное в Падуе, было насыщено занятиями механикой. В 1602 году Галилей проводил исследования движений маятника и падения тел, что привело к открытию им ускорения. Его изначальные вычисления строились на ошибочном мнении, что скорость падения предмета прямо пропорциональна пройденному им расстоянию, но последующие исследования движения маятников и движения тел по наклонной поверхности подвели его к открытию закона ускорения свободного падения: пройденное предметом расстояние прямо пропорционально квадрату времени падения. Применив математику к решению проблем динамики, Галилей превзошел своего учителя Архимеда, который исследовал только статику.
В 1604 году, когда Галилей писал о законе падения тел, на вечернем небе вспыхнула новая звезда (6) . Сравнив наблюдения, проведенные в других городах, со своими и не обнаружив параллакса, Галилео пришел к выводу, что эта звезда находится от Земли на очень большом расстоянии, где-то в сфере неподвижных звезд. Но, по теории Аристотеля, в «надлунном» мире никаких изменений происходить не могло! Стараясь заработать научный капитал на этом взбудоражившем всю Европу событии, Галилей прочел три публичные лекции, разъясняя, как на основании наблюдений и тщательных измерений было доказано, что данный объект — действительно новая звезда, а не просто «комета, застрявшая неподалеку от Луны». Было совершенно ясно: Аристотель ошибался.
Это событие стало поводом к первому из пяти крупных разногласий между ученым и университетскими философами. Цезарь Кремонини, профессор философии при Падуанском университете, встал на защиту Аристотеля. Он не мог допустить, чтобы какой-то математик доказал изменчивость «надлунного мира», пусть даже этот математик — его личный и давний друг. Вступив в полемику, два профессора под вымышленными именами издавали письма друг против друга.
Галилео взял на вооружение распространенный литературный прием, который стал в его руках разящим полемическим оружием. Чтобы разбить аргументы Кремонини, он сочинил диалог между двумя крестьянами, написанный на простонародном падуанском диалекте. Один из крестьян рассуждал куда разумнее именитого профессора. На аргумент о том, что земные мерки никак не подходят для измерения небес, крестьянин с сарказмом отметил: «А чего вообще философы понимают в мерках?».
Хотя аристотелева традиция признавала важность наблюдений, предпочтение она отдавала качественным показателям. А вот Галилея, прежде всего, интересовали количественные. Когда предоставлялась возможность, он измерял движение небесных тел, показав, сколько нужно изобретательности и старания, чтобы получить осмысленные результаты (7) .
Кремонини выступал против подхода Галилея и старался опровергнуть те его научные доводы, которые они столь часто обсуждали вместе в Падуе. Пять лет спустя, когда Галилей опубликовал результаты своих астрономических наблюдений, Кремонини даже отказался взглянуть на небо через «зрительную трубу». Так что нет ничего удивительного в том, что именно он стал прообразом перипатетика в знаменитом «Диалоге» Галилея.
Новый телескоп и астрономические наблюдения
Сам Галилей убедился, что Земля вращается вокруг Солнца, но продолжал оставаться «тайным» последователем Коперника к большому неудовольствию Кеплера, который уговаривал его открыто заявить о своих взглядах (8) . Галилео отмалчивался, ибо не мог пока представить публике убедительных доказательств и поэтому боялся насмешек. Но одно открытие на многие годы переключило его интерес на другую сферу науки.
В середине 1609 года Галилео узнал, что голландский оптик Липперсгей с помощью выпуклой и вогнутой линз сделал зрительную трубу (9) . Понимая, насколько морской Венеции важно иметь подобный инструмент, он быстро изготовил пару линз и собрал собственный телескоп. После ряда экспериментов у него получилась зрительная труба, дающая девятикратное увеличение (большее, чем у некоторых современных биноклей). В конце августа он продемонстрировал телескоп венецианскому совету: с его помощью приближающийся корабль можно было заметить на два часа раньше, чем невооруженным глазом. В благодарность венецианский дож даровал Галилею пожизненное место профессора Падуанского университета, увеличив ему жалованье в два раза. Таких жалований профессора математики раньше не получали!
Галилео тут же переоборудовал свою мастерскую, чтобы в лей можно было изготовлять телескопы. Качество его телескопов оставалось непревзойденным. Он провел эксперименты с десятками инструментов и произвел сотни наблюдений. Отвечая свои противникам, Галилей говорил, что никто не смеет утверждать, будто он обманывал людей, сам выдумывая результаты.
С помощью телескопа, дающего двадцатикратное увеличение, он рассматривал небеса и обнаружил бесчисленные новые миры. Оказалось, что Млечный путь — это скопление звезд. Учение о бесконечности вселенной, выдвинутое Коперником, переставало казаться невероятным! Еще больше его поразили тела, не столь отдаленные от Земли. Но эти открытия полностью противоречили учению Аристотеля: Галилей увидел, что Луна — это вовсе не идеальный шар, сияющий внутренним светом. На ней есть горы, долины, холмы и впадины. Наблюдая положения Луны и длину теней, он смог рассчитать высоту лунных гор. Но что еще более странно, на Солнце обнаружились черные пятна, которые то появлялись, то исчезали. Даже Солнце оказалось не таким, каким его описывал Аристотель. Галилео пришел к выводу: либо Солнце вращается вокруг своей оси, либо Земля вращается вокруг Солнца.
Еще более тревожным оказалось открытие четырех тел небольшого размера, движущихся недалеко от Юпитера. Проведя ряд наблюдений за ними и вычислив их смещение, Галилей сделал вывод, что они — спутники, т.е. луны Юпитера. А согласно учению Аристотеля, лишь Земля — центр мира — могла иметь Луну. Теперь Юпитер с четырьмя вращающимися вокруг него спутниками стал «минимоделыо» Солнечной системы Коперника: так и планеты вращаются вокруг Солнца.
Хотя теория Коперника, казалось бы, противоречит здравому смыслу, эти свидетельства видны любому, кто удосужится взглянуть в телескоп. Созерцание небес через зрительную трубу стало любимым послеобеденным времяпрепровождением знати и высшего духовенства. После 1609 года даже не сведущие в математике люди могли увидеть ошибки Аристотеля: «Зрительная труба не доказала истинности системы Коперника. Но она дала мощное оружие сторонникам его теории. Это было не доказательство, а наглядная агитация… Вот каково значение астрономических исследований Галилея: он смог популяризировать астрономию, причем астрономию коперниковскую» (10) .
Вскоре и сам Галилей понял всю значимость своих открытий. К марту 1610 года он опубликовал небольшую книжку под названием «Звездный вестник», где рассказал читателю о великих и удивительных тайнах вселенной (11) . Результаты наблюдений были описаны ясным и доступным языком. Простая металлическая трубка с двумя линзами по краям стала той дубиной, которой теперь можно было бить перипатетиков и разрушать их вселенную. Но и в популярнейшем «Звездном вестнике» не содержалось прямых заверений в том, что Галилей принял теорию Коперника!
Второе издание этой книжки вышло во Франкфурте несколько месяцев спустя. В возрасте сорока пяти лет Галилей неожиданно стал европейской знаменитостью. В Праге тосканский посланник передал экземпляр книги Кеплеру с просьбой Галилея написать о ней отзыв. Брошюра Кеплера «Рассуждение о звездном вестнике» стала как бы дополнением к работе Галилея. В обеих книгах говорилось о зрительной трубе и астрономических наблюдениях.
Вскоре, наблюдая за Венерой, Галилей сделал еще одно замечательное открытие. Когда он впервые занялся наблюдением за небесами, Венера находилась слишком близко от Солнца. Но во втором полугодии 1610 года ученому удалось различить фазы Венеры, как и должно было быть, если верна теория Коперника. Одним ударом открытие фаз Венеры разрушило систему Птолемея.
Второй публичный спор Галилея разгорелся с тем же Джузеппе Мажини, которому восемнадцать лет назад из-за Галилея было отказано в профессорской кафедре. Мажини стал профессором астрономии в Болонье и после опубликования «Звездного вестника» заявил, что обязательно «сотрет с неба» открытые Галилеем спутники. Протеже Мажини Мартин Горки издал книгу с опровержением открытий Галилея. Кстати говоря, большинство астрономов либо смеялось над Галилеем, либо обвиняло его во лжи.
Мажини первым из ученых попытался втянуть в борьбу с Галилеем духовенство. Он подсказал молодому фанатичному христианину Франко Сици написать невероятную книгу с полурелигиозными идеями о том, что планет может быть только семь, поэтому «луны» Юпитера — это всего лишь иллюзия. Книга Сици была, конечно же, холостым выстрелом, но показала, как далеко могут зайти противники Галилея. Ученый счел, что не стоит отвечать на эти безосновательные обвинения, но один из студентов все-таки дал ответ от его имени.
Тьма сгущается
В июне 1610 года Галилей принял решение, которое имело абсолютно непредсказуемые последствия. Он отказался от пожизненного поста профессора Падуанского университета и сопутствующего ему жалованья. (Пост был «подарен» ему венецианским дожем в благодарность за сооружение телескопа). Оставив Венецианскую республику с ее политической стабильностью, Галилео вернулся во Флоренцию, став придворным философом и математиком великого герцога. Новая должность давала Галилею официальное признание как философа и возможность влиять на университетские учебные программы. Освободившись от профессорских обязанностей, он мог больше времени уделять экспериментам и работе над Двумя новыми книгами — «обширный замысел, включающий в себя философию, астрономию и геометрию» (12) . После двадцати лет размышлений Галилей хотел, чтобы эти труды, в которые вошли данные о новых открытиях в астрономии и физике, окончательно утвердили систему Коперника.
В сентябре Галилей перебрался во Флоренцию, но ему и там не удалось добиться «совершенного спокойствия ума», в котором он так нуждался. Сначала ученый думал, что множество его открытий, в том числе открытие фаз Венеры, убедит упрямых профессоров — сторонников Аристотеля. Но некоторые из них отказались даже взглянуть через его тонкую «оптическую тростинку», а другие взглянули, но продолжали утверждать, что ничего не видели. Кто-то предположил, что все его «открытия» — это лишь пузырьки воздуха в линзах или оптическая иллюзия.
Галилео чувствовал нарастающую опасность, ибо понимал, как далеко могут зайти ученые, защищая свои традиции и труды классиков. Завидуя большому жалованью Галилея и расположению к нему великого герцога, противники Галилея бились к тому же за свои профессорские места, отстаивали свой научный авторитет, Галилео физически чувствовал, как стягиваются силы противника из его «альма-матер» — Пизанского университета, Падуи и Болоньи.
Тогда он понял, что нужно получить подтверждение своих открытий от независимых наблюдателей. В апреле 1611 года Галилей отправился в Рим, где побеседовал с отцом Клавием и другими астрономами-иезуитами из Римской коллегии. Он захватил один из своих телескопов, показал, как он работает, и оставил иезуитам, чтобы они сами могли перепроверить его открытия. Ночь за ночью наблюдая открытые Галилеем явления, астрономы убедились в его правоте и стали горячими сторонниками ученого. Даже вера старого отца Клавия в систему Птолемея была поколеблена. Признанному авторитету иезуитской астрономии было нелегко изменить свои взгляды на происходящее в небесах, но и он сдался. В докладе церковной комиссии, возглавляемой кардиналом Беллармино, Клавий, правда, совершенно справедливо отметил, что указанные наблюдения не дают прямых подтверждений истинности теории Коперника.
Во время пребывания в Риме Галилей был избран членом Academium Lincei (Академии рысьеглазых, или Академии Линчей) — научного общества, основанного князем Федерико Цеси (13) . Последующая переписка Галилея с членами научного общества позволила ему постоянно быть в курсе научной жизни Рима.
Тогда же он получил аудиенцию у Папы Павла V, который приятно удивил его. Посетил ученый и кардинала Маттео Барберини, математика, выходца из знатного флорентийского рода, который впоследствии стал Папой Урбаном VIII. Казалось, что Барберини благосклонно отнесся к открытиям, и Галилей надеялся, что в будущем он сможет открыто принять новую теорию.
Окрыленный успехом, Галилей возвращается домой в полной уверенности, что его путешествие прошло удачно. Ведь подтвердили же высшие астрономические авторитеты страны его открытия! Более того, теперь он подружился с кардиналом Беллармино и князем Цеси. Чего бояться, если на твоей стороне церковь и знать? Ответа не пришлось долго ждать.
Пристыженные профессора Пизанского университета объединились с недовольными флорентийцами и организовали секретное движение сопротивления, названное «Лигой» (14) . Главной фигурой его был флорентийский философ Людовико делла Коломб. В 1611 году он опубликовал на итальянском языке работу, которая начиналась традиционными аргументами против движения Земли и заканчивалась цитатами из Библии, показывавшими, что данная теория противоречит Священному Писанию. Если нельзя было победить Галилея с помощью чисто научных аргументов, то, решила Лига, нужно перенести «поле боя» на богословские земли. Прозванные «голубями» (коломби) по имени своего предводителя ученые составили заговор, о котором часто говорил Галилей.
Астрономические воззрения Галилея становились все более популярными, и Лига решила сразиться с астрономом по вопросам физики во Флоренции, где у него было меньше всего сторонников. Нужно было вовлечь его в публичный диспут, в котором он наверняка будет разбит. Местом встречи избрали виллу друга Галилея Филиппо Сальвиати, где часто собирались ученые и профессора, чтобы отдохнуть от городской жизни. Застольные беседы о плавающих телах и их формах стали приобретать интересный ракурс. Коломб предложил экспериментально доказать неправоту своего соперника. (Он уже затаил на Галилея злобу за то, что тот раскритиковал его книгу о новой звезде, вышедшую в 1604 году). Они обменялись письмами и провели публичные эксперименты в поддержку своих позиций. Великий герцог предложил Галилею обсудить эту проблему с пизанским профессором философии во время обеда, который собирался дать в честь двух гостей-кардиналов. Позицию Галилея поддержал кардинал Маттео Барберини. Победа Галилея была абсолютной.
Третий публичный диспут привел к написанию книги «Беседа о телах, находящихся в воде», которая тут же приобрела известность и выдержала два переиздания в 1612 году. Интерес широкой публики к книге объяснялся тем, что в ней можно было найти описание множества забавных экспериментов, для проведения которых не требовалось специального оборудования. Снова Галилей нанес удар научному сообществу. Он отметил, что Архимед (его любимый древнегреческий натурфилософ) обладает не большим авторитетом, чем Аристотель. Но Архимед оказался прав лишь потому, что его предположения были подтверждены экспериментально. Во время дебатов Галилей обвинил Коломба в словоблудии, в том, что он старается говорить о вопросах, в которых ничего не понимает. Жажда мести профессора была удовлетворена чуть позже, когда он схватился с Галилеем уже не на научной почве.
Тем временем Галилей был втянут в четвертый публичный диспут, который имел очень неприятные последствия для него. То, что на первый взгляд казалось лишь спором по астрономическим вопросам, оказалось «ящиком с двойным дном». Отец Кристофер Шайнер — астроном-иезуит, трудившийся при Ингольштадтском университете в Баварии, — соорудил телескопы, основанные на конструкции Кеплера, и в апреле 1611 года начал наблюдать за Солнцем. Семь месяцев спустя он обнаружил пятна на поверхности светила. Шайнер решил, что пятна — это или изъяны на Солнце, или небольшие вращающиеся вокруг него тела. Он склонялся в пользу второго предположения потому что не мог поверить, чтобы на столь яркой поверхности были пятна. Шайнер стремился, чтобы его теория пятен не вызвала сомнений в учении Аристотеля, который говорил, что все небесные тела совершенны и неизменны.
Когда Галилей прочел в 1612 году отчеты Шайнера, он выпазил свое несогласие с ним. Галилею нравилась теория пятен, потому что она показывала: Солнце так же, как и Земля, несовершенно, это обычное небесное тело. На основании рисунков Шайнера и своих наблюдений он смог показать, что солнечные пятна меняют форму. Это громадные тучи над поверхностью Солнца!
В 1613 году вышла книга Галилея «История и демонстрация солнечных пятен». Напечатала ее Академия Линчей. Это было первое открытое выступление Галилея в защиту новой астрономии. В приложении он приводил убедительные доводы в пользу теории Коперника: писал о затмениях лун Юпитера и простейших методах их предсказания.
Аристотель учил, что небесные явления качественно отличаются от явлений земных, а потому и объяснять их нужно, исходя из иных законов. В противовес ему Галилей объяснял небесные явления по аналогии с земными. Из «Истории» стало ясно, что Галилей не только противник Аристотеля, но и ярый последователь Коперника: лишь на основании новой теории можно было объяснить результаты астрономических наблюдений, сделанных с помощью телескопа. Во вступлении Галилей заявил, что первым обнаружил пятна на Солнце, и это очень разозлило Шайнера. Оскорбились и многие другие иезуиты, приняв в этой долгой междоусобице сторону Шайнера.
В том же году бывший ученик Галилея Бенедетто Кастелли был назначен профессором на кафедру математики Пизанского университета. С самого начала местные профессора отнеслись к нему враждебно. Университетские власти заранее предупредили нового профессора, что в университете запрещено преподавать теорию Коперника, на что Кастелли ответил: Галилео Галилей его об этом уже проинформировал.
Фланговая атака
Будучи не в состоянии разбить Галилея в лобовой атаке на фронтах физики и астрономии, Лига сменила стратегию. Военные действия теперь развернулись при дворце: враги решили обсудить астрономические открытия Галилея с чисто богословских позиций. В 1613 году на званом обеде, данном великим герцогом Косимо II (патроном Галилея), завели разговор о новой астрономии. Так как сам Галилей на обеде не присутствовал, в защиту его взглядов выступил Кастелли. Во время этой беседы профессор Бостагли объявил, что движение Земли вообще невозможно, потому что это противоречит Священному Писанию. После обеда великая герцогиня Кристина много расспрашивала Кастелли об этом вопросе (15) . Во время их беседы Бостагли помалкивал.
Кастелли написал Галилею полный отчет о споре: обсуждать при дворе вопросы натурфилософии было привычным делом. Обеспокоившись, как бы его враги не направили обсуждение научных вопросов в опасное богословское русло, Галилей решил, что настало время встретиться с врагом в открытом бою.
В «Письме к Кастелли», написанном перед Рождеством 1613 года, Галилео тщательно изобразил свои позиции ученого и католика. Он подтвердил, что остается верен истине и Библии, а потом поднял вопрос о толковании Священного Писания. Очевидно, что в Библии есть места, написанные образным языком, а есть места совершенно ясные, понятные каждому читателю. Галилей выразил озабоченность тем, что «Священное Писание собираются вынести на диспут, посвященный чисто научным вопросам». Бог же дал нам две книги — книгу Природы и книгу Откровения. «И Священное Писание, и Природа произошли от Божьего Слова, первое в виде Слова Духа, а второе — как видимое исполнение Божьих Слов» (16) . Он отметил, что эти две истины не могут вступать в противоречие друг с другом, хотя и выражены разными языками и являются предметами изучения разных дисциплин: Писанием занимаются религия и этика, а природой — физика.
Почему же тогда с помощью Библии пытаются защитить позиции одних философов в споре с другими?
Рукописные копии этого письма передавались из рук в руки ученые и богословы постепенно разбивались на два лагеря Целью Галилея было показать всю нелогичность возражений против системы Коперника, но его враги старались представить слова Галилея как богохульство. Интригам и сплетням не было конца. В 1614 году ученого неоднократно обвиняли в том, что он старался подорвать доверие людей к Писанию, вмешивался в богословские вопросы.
Пятый крупный конфликт Галилея с ученым миром получил широчайшую огласку. 20 декабря 1614 года отец Томмазо Каччини, сочувствующий перипатетикам доминиканский фриар, прочел с кафедры главной флорентийской церкви проповедь о том, как Бог задержал Солнце на небе при Иисусе Навине. Идею о движении Земли он назвал ересью, а всех математиков окрестил слугами дьявола, которых следует отлучить от церкви. Это было серьезное обвинение. Для обывателя математик — значит, астролог, а к ним тогда начинали относиться все с большим недоверием.
Галилео написал римским друзьям, что его очень обеспокоила воскресная проповедь, центром которой стал он сам. То, что доминиканец потом принес ему формальные извинения, ученого не успокоило. Он знал, что многие власть имущие с симпатией относятся к новым открытиям — проповедь Каччини сплотила противников Галилея.
Вскоре после атаки Каччини священник Николо Лорини прочел копию «Письма к Кастелли». Если ученый размышляет о природе — это естественно, но совершенно другое дело, когда мирянин пишет о том, как толковать Библию, чтобы подогнать толкование под свои теории. Возможно, Лорини везде видел призраки протестантизма — протестантской герменевтики и возможности толкования Священного Писания каждым христианином. И вот 7 февраля 1615 года он направил копию «Письма Кастелли» кардиналу-секретарю римской инквизиции, выразив тревогу тем, что последователи Галилея «считают себя вправе толковать Священное Писание в свете своих личных воззрений… Они стараются разрушить всю аристотелеву философию… Я верю, что все сторонники Галилея — люди порядочные и добрые христиане, но излишне мудрствуют в своих суждениях» (17) .
Когда Галилей узнал, что его письмо передано в Священную коллегию, он тут же направил его копию в Рим своему другу архиепископу Пьеро Дини и попросил показать его кардиналу Беллармино. Галилео отметил, что набросал письмо в спешке и теперь хочет подробнее осветить ряд содержащихся в нем положений. В июне 1615 года он написал «Письмо великой герцогине-матери Кристине Лотарингской». Его тоже переписывали и передавали из рук в руки (оно было опубликовано лишь в 1636 году в Страсбурге).
О последствиях этого шага, приведших к окончательному осуждению теории Коперника в 1616 году, мы поговорим в следующей главе. А пока стоит остановиться на особенностях научного метода Галилея.
Научный метод Галилея
Чтобы оценить вклад Галилея в развитие западно-европейской мысли, нужно понять, каков же был его научный метод. Но при этом следует учесть, что существовали «Галилей-символ» и «Галилей-ученый». Галилей стал легендой еще при жизни. Для многих он — символ революции, борьбы свободной мысли и разума против предрассудков и ложных авторитетов, ясных научных идей против размытых догм средневекового богословия.
Первые историки науки — французские энциклопедисты конца XVIII века — рассматривали его труды как «водораздел» между новой и старой наукой, полный разрыв с прошлым. Для них ученый был символом. Они сделали из Галилея «святого мученика» и «покровителя» борьбы за интеллектуальные свободы против религиозных авторитетов. Вплоть до начала XX столетия никто не мог по достоинству оценить натурфилософию позднего средневековья и Ренессанса. Лишь недавно ученые вдруг обнаружили, что еще в XIV веке существовала неаристотелева математическая механика. И тут все впали в другую крайность: стало казаться, что Галилей просто старался спасти от забвения открытия прошлого и лишь дал им точные формулировки.
На самом деле истина, видимо, лежит где-то посредине, но остаются и вопросы, не получившие ответа. Насколько оригинальными были методы Галилея? В чем они заключались? Каким образом результаты его работы помогли становлению новой науки?
Мы уже обрисовали ту атмосферу, в которой развивалась натурфилософия Аристотеля и в рамках которой Галилей начал вести исследования в математике и механике. Мы уже говорили, по каким вопросам он расходился с учеными своего времени и как начал отходить от традиционной науки. Галилео не работал в вакууме, и можно отыскать источники, из которых он черпал научное вдохновение. Четырьмя главными источниками этого являются: чтение; экспериментаторство; размышления и мысленные эксперименты; коперниканство (18) .
Еще в Пизе Галилей пытался вывести законы движения и тогда наверняка читал написанное до него, особенное представителями школы «impetus». Будучи преподавателем в Падуе, он не мог не знать основных работ по теории движения Аристотеля, написанных его предшественниками, а также по сложнейшей математике, созданной школой Мертона. Что касается экспериментов, то Галилей, несомненно, умел их ставить, хотя и не занимался этим слишком часто. Он неоднократно писал о значении экспериментаторства. «Когда математические объяснения сопутствуют какому-то природному явлению.., то принципы (законы), открытые во время проведения грамотно поставленных экспериментов, ложатся в основу всего научного здания» (19) .
Что касается третьего источника, то Галилей очень часто ставил «мысленные эксперименты». Так проще было разобраться во всех тонкостях гипотезы и показать ее логичность. Это многое говорит о его мыслительных способностях. Порой он давал новое толкование хорошо известным фактам. А вот убежденность Галилея в истинности коперниковской системы мира направляла его исследования в совершенно конкретное русло и подвигла на труд всей его жизни — работу над законами механики.
Исследователи жизни и творчества Галилея приписывают решающую роль то одному, то другому из этих факторов, но нужно сказать, что каждый из них сказался на формировании мышления и мировоззрения великого ученого. Говоря о научном методе Галилея, не нужно искать простых объяснений. В отличие от Кеплера, он не информировал широкую публику о своих взглядах на тот или иной предмет, а в падуанский период жизни (1597-1610 гг.) практически ничего не написал для печати, хотя именно тогда у него сформировались новые представления о механике. Галилей не имел четкой программы издания собственных научных трудов и всю жизнь находился в поиске. Как многие ученые-практики, он писал именно о тех научных проблемах, над которыми работал, не стараясь подвести под них философское обоснование. Так как Галилею «трава по обе стороны забора казалась зеленой», то целый ряд философских школ оспаривали право «собственности» на него. Но мы воздержимся от обсуждения этой проблемы, отметив лишь основные элементы научного метода ученого.
Ключом к открытию тайн вселенной для него была математика.
«Эту великую книгу невозможно понять, если не научиться сначала ее языку, не узнать алфавита, которым она написана. Она написана на языке математики, ее буквы — это треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без знания которых совершенно невозможно понять в ней не единого слова. Без этих знаний чтение будет подобно плутанию по темному лабиринту» (20) .
По мере превращения математика в физика Галилей обретал понимание материального мира, познавая и его геометрическую структуру. Он верил, что «допросить» природу можно лишь на языке математики, но одновременно верил и в то, что отвечать она будет так, как захочет. Другими словами, математический анализ и теория должны основываться на экспериментальных фактах. Для Галилея научные факты — это наблюдения и измерения «основных» свойств предмета (количество, форма, размер, движение), а не «вторичных» (цвет, звук и запах), занимавших столь важное место в натурфилософии Аристотеля. Природа отвечает на вопросы, заданные на языке математики, потому что она — царство меры и порядка.
О месте эксперимента в научном методе Галилея много говорили и спорили. Большинство экспериментов, которые ему приписывали и которые он описывал сам, так и не было поставлено: он — великий толкователь, а не собиратель фактов. Ряд его экспериментов составляли «мысленные эксперименты»: он представлял себе конкретную ситуацию и размышлял, какие последствия может иметь в данной ситуации то или иное действие. Но у него присутствовало главное качество экспериментатора: он всегда старался подтвердить свои теории конкретными экспериментами, ибо знал, что теории, на которых строится гипотеза, нужно проверять экспериментально. Хорошие научные теории должны совершенно естественно вписываться в действительность (21) . Нельзя назвать подход Галилея чисто математическим, скорее, он — физико-математический: для него реальность — это воплощение математики.
Как же нужно ставить эксперименты? Эксперимент — это больше, чем простое накопление данных. Для Галилея лаборатория — это не место, где создают новое, а место, где проверяют теории. Физические или мысленные эксперименты дают результат лишь тогда, когда их ставят для проверки конкретной гипотезы. Лишь при этом условии собранные данные можно подвергнуть математическому анализу: факты не заговорят, если их ни о чем не спрашивать, ответы же зависят от постановки вопроса. Сами по себе эксперименты не дают основания для построения новых теорий, а лишь доказывают, подтверждают или опровергают существующую теорию. Кроме того, эксперимент может подсказать пути усовершенствования теории.
Один из величайших вкладов Галилея в развитие научного метода исследований — это его привычка идеализировать проблему. Он умел свести ее к главному и основному, исключить те факторы, которые не оказывали непосредственного влияния на то или иное явление. Он сумел открыть законы, которые не описывали движение реального тела, а скорее, показывали, как оно будет вести себя, если ограничить или вообще убрать воздействие на него внешней среды. Например, в идеальном варианте поверхность земли — ровная. Проведенные к ней перпендикуляры образуют параллельные линии. В идеале тело падает, не испытывая трения и сопротивления среды. В идеале существует точка, к которой тяготеет масса тела. Галилео умел различить «главные и второстепенные стороны философии Аристотеля и сосредоточился на изучении первых. Он не стал останавливаться на сложной проблеме причин, а сразу перешел к поиску математических доказательств. Привычка «идеализировать» проблему позволила ему сразу достигать сути и строить логичные математические теории» (22) .
Три основные элемента научного подхода Галилея — это интуиция, доказательства и эксперименты. Во-первых, он представлял себе задачу в идеальном виде, чтобы четко ее сформулировать, выделить основные элементы и вывести гипотезу или модель. Во-вторых, он дедуктивным методом разрабатывал математическую модель и придумывал, как можно экспериментально проверить свои выкладки. В-третьих, он ставил эксперименты — реальные или мысленные — и анализировал их результаты. Галилео отмечал, что данный метод начинается с действий органов чувств, но порой приводит к выводам, которые противоречат данным, полученным органами чувств. Например, в коперниковской астрономии математические выводы (Земля вращается вокруг Солнца) противоречат ощущениям органов чувств (мы видим, что движется именно Солнце).
Новая наука?
Выступив против полного «бесплодия» аристотелевой науки XVI века, пионеры, подобные Фрэнсису Бэкону и Декарту, претендовали на открытие совершенно нового метода научных исследований. Но не об этом ли говорил Галилей, когда писал в «Разговоре» о «совершенно новой науке, изучающей очень старые материи»? В каком смысле считал он свою науку «совершенно новой»? Он говорил не о новом методе и не о новой концепции науки, а о тех аспектах движения, которые «не были ранее замечены и объяснены» (23) .
Галилей унаследовал и подтвердил аристотелеву концепцию науки, как «знания», которые можно «показать» или «смоделировать», т.е. доказать, объяснить и преподать (24) . Чтобы называться полностью «научными», знания должны быть направлены на достижение всех трех целей и сами иметь доказательства и объяснения. Аристотель выделял два типа научных знаний: «Что?» и «Зачем?» — следствие и причину. Один тип знания занимается поиском фактов (например, поведение шара, катящегося по наклонной плоскости), а другой разъясняет, откуда эти факты взялись (дает математическое объяснение). Галилей развенчал физику Аристотеля, но в «Диалоге» он не осуждает аристотелеву концепцию науки: он не соглашался с греческим философом по вопросу о «новых явлениях и наблюдениях», но сказал, что если бы Аристотель был жив, то, «несомненно», изменил бы свое мнение.
Галилео поддерживал и «научный реализм» Аристотеля — мнение о том, что существует истинная физическая теория, которую можно сформулировать на основании размышлений и наблюдений, и альтернативные ложные научные теории. Он верил, что отличительная черта наук о природе — это возможность сделать «истинные и однозначные» выводы, а истинного знания причин можно достичь, создавая математические модели явлений. В «Разговоре» много раз встречаются такие слова, как жесткое доказательство и объяснение.
Тем не менее, он не был согласен с Аристотелем по вопросу о природе материальной действительности. Он говорил, что по своей форме она — математическая, следовательно, математическая теория должна определять структуру экспериментальных исследований. Лишь с помощью математики можно дать однозначный ответ на вопрос, т.е. идеальная наука — та, которая дает математическое объяснение всем видимым явлениям. В этом Галилей следовал учению любимого им Архимеда.
К сожалению, телескоп открыл новые загадочные миры, где невозможно было создать «истинную и однозначную» модель. Для изучения небесных тел нужна была иная наука, новые косвенные методы доказательств, так как тела эти были далеки и не изучены: выводы в такой ситуации трудно проверить, потому что невозможно поставить реальный эксперимент. Галилео понимал, что наука, построенная на наглядном эксперименте, не сможет ответить на такие вопросы, как природа комет (как не смогла она войти и в области сверхмалого — мира атомов). В результате все выводы Галилея, например, о характере поверхности Луны основывались на аналогиях, сравнениях и ретродукции (когда на основании следствия делают выводы о причине, а потом вновь возвращаются к следствию, чтобы, проверив прогноз, сделать выводы об истинности гипотезы — см. главу 9).
Несостоятельность наглядной науки Галилей увидел, столкнувшись с коперниковской системой мира. Он использовал метод, который советовал ему Кеплер: исключать все гипотезы, пока не отыщется истинная. Потому-то он и выступал против физики Аристотеля и астрономии Птолемея. Чтобы показать, насколько проще предположение о вращении Земли, чем о вращении звезд, он привел семь аргументов, но тут же признал, что это не доказательство, а просто свидетельство о высокой степени вероятности данной гипотезы. Эти аргументы не являлись наглядным доказательством вращения Земли, потому-то он и обратился к проблеме приливов и отливов, о чем мы подробнее поговорим в следующей главе.
Итак, в трудах Галилея слились две различные концепции науки. От греческой он унаследовал идеал «наглядности», которого всегда придерживался и не оставил до самой смерти, хотя применительно к изучению вселенной его трудно было использовать. Вторая концепция — ретродуктивный метод.
Он проявляется в размышлениях Галилея о явлениях, чьи причины находятся вне сферы нашей досягаемости (кометы, солнечные пятна), которые слишком загадочны (движение Земли) или невидимы (атомы). Он мастерски овладел этим методом, но истинной наукой продолжал считать лишь то, что можно было доказать опытным путем (25) .
Пока велись разговоры о новых методах науки, Галилею удалось обнаружить наглядную науку о движении. Он был ученым, а не философом. Он не занимался разработкой теории «новой науки», а создавал новую науку, заложив основание современной математической физики, и при этом открыл путь, который, в конечном итоге, привел к возникновению новых представлений о научных исследованиях.
(008) «Первые люди на Луне» — американские астронавты — поставили в честь знаменитого ученого так называемый «эксперимент Галилея». Они взяли молоток и легонькое перышко, подняли их повыше и разом отпустили — оба предмета упали на лунный грунт одновременно — прим. перев.
Предисловие
Обитатели интернета - а это уже около трети человечества - встречают слово «наука» чаще, чем слова «мама» или «воздух». Немудрено: в интернете плодами науки пользуется каждый. А главная наука, стоящая за изобретением интернета, - это физика.
Если наукой называть все, чему можно научить другого, то ее родословная сплетена с родословной человека. Согласно генетикам, все нынешние люди произошли от одной женщины, жившей около двух тысяч веков назад. Ее назвали Евой Митохондриальной - по причинам, связанным с Библией и с механизмом наследственности. Генетические преимущества и удача помогли потомкам этой праматери пережить всех не ее потомков и образовать наш вид - Хомо Сапиенс, то бишь Человек разумный. Одним из преимуществ нашей праматери был, вероятно, любознательный разум.
На протяжении многих тысячелетий потомки любознательной Евы Сапиенс приобретали полезные знания благодаря счастливым случаям и передавали их новым поколениям вместе с приемами изготовления инструментов, кулинарными рецептами и прочими сокровищами народной мудрости.
Современная наука работает совсем иначе, и появилась она лишь недавно в масштабах возраста Человека разумного - всего четыре века назад, в эпоху Великой научной революции. Ее главные герои хорошо известны - Николай Коперник, Галилео Галилей, Иоганн Кеплер, Исаак Ньютон. Причины этой революции и отсутствие ее неевропейских аналогов до сих пор не имеют убедительного объяснения. Но радикальность происшедшего четыре века назад ясна и без решения этой загадки - расширение и углубление научных знаний ускорились раз в сто.
Если верить Эйнштейну, «отцом современной физики и, по сути, всего современного естествознания» был Галилей.
«Драма идей» - сказал тот же Эйнштейн об истории науки. Науку отличает способность к точным предсказаниям, однако ее главные открытия совершенно непредсказуемы, что означает драму людей. Эти две драмы переплетаются в поворотные моменты жизни науки. О таких моментах и пойдет у нас речь. А начнем с того, как Галилей изобрел современную физику.
Глава 1
Как Галилей изобрел современную физику?
С Архимедом против Аристотеля
Галилея иногда называют первым физиком. Это не так, и сам он наверняка возразил бы. Он внимательно изучал Архимеда и высоко чтил его. Тот был самым настоящим физиком. Знаменитый закон Архимеда о плавании тел работает поныне безо всяких поправок и известен каждому школьнику. Когда же Галилей учился в университете, первым и главным физиком почитался другой древний грек - Аристотель, живший за век до Архимеда и за двадцать веков до Галилея. Именно Архимед помог Галилею усомниться в физике Аристотеля.
Прежде чем разбираться в этом драматическом треугольнике, прочувствуем разницу. Две тысячи лет отделяли Галилея от его коллег-предшественников, выводы которых он принимал или оспаривал. А коллеги-последователи Галилея взялись за его выводы - проверять, уточнять, исправлять, развивать - практически сразу. Что же он такое изобрел, если темп науки так ускорился?
Сомнения возникли у Галилея еще в студенческие годы, еще в шестнадцатом веке, когда физика считалась частью философии, где царил Аристотель. Труды Архимеда не входили тогда в учебную программу, и можно понять почему: он решал лишь отдельные задачи, а Аристотель давал общие ответы на главные вопросы. Кроме того, Архимед был тогда, как ни странно, в новинку - книгу его трудов издали незадолго до того, а Аристотеля штудировали в университетах уже веками, притом с благословения святого Фомы Аквинского.
Аристотель (фрагмент фрески Рафаэля, 1509) и Архимед (Д. Фетти, 1620). Оба изображения вполне мог видеть Галилей.
Для студента Галилея общие философские ответы звучали неубедительно и авторитет имен мало что менял. Гораздо убедительней и интересней была математика, хоть ее в учебной программе было мало. Студент стал искать пищу для ума за пределами программы и за пределами университета. И нашел книгу Архимеда, получив ее от математика-профессионала, но в той же книге, помимо красивых теорем о математических фигурах, Галилей нашел утверждения о реальных явлениях - о действии рычага, о центре тяжести, о плавании. Утверждения эти были не менее убедительны своей математической точностью, и к тому же их можно было проверить на опыте.
Свое первое изобретение Галилей сделал под впечатлением от самой знаменитой задачи Архимеда. Задачу ту поставил царь, получив от ювелира заказанную золотую корону. Царя вполне устроила форма изделия, и весила корона сколько полагалось, но не заменил ли ювелир часть золота на серебро? С этим сомнением царь обратился к Архимеду. Согласно преданию, решение задачи пришло к ученому мужу, когда он погружался в ванну, и его радостное восклицание «Эврика!» известно ныне даже тем, кто не знает, что по-гречески оно значит «Нашел!». Суть найденного решения, по мнению Галилея, - сравнить корону и равный ей по весу слиток золота, положив их на чаши весов, погруженных в воду: если в воде слиток перевесит корону, значит, ювелир сжульничал.
Так действует великий закон Архимеда, точнее - Архимедова выталкивающая сила, еще точнее - различие в выталкивающих силах. А чтобы с ювелирной точностью измерять такое различие (и заодно честность ювелиров), 22-летний Галилей придумал особые весы со шкалой в виде проволоки, ровно намотанной кольцами на плечо коромысла. Место, в котором надо прицепить чашу весов, чтобы она уравновесилась, даст число колец и значение измеряемой величины.
Скромное начало для основоположника современной физики?
Не такое уж и скромное. В своем изобретении Галилей соединил математическую точность теоретического закона с физическим измерением - соединил два главных инструмента современной физики.
Да и началом это вряд ли можно назвать. Не только потому, что юный Галилей уже решал и другие задачи Архимеда. Начало личности - это формирование взгляда на мир и на себя самого еще в детстве. Юному Галилею повезло с отцом, искусным музыкантом и теоретиком музыки, который к тому же исследовал музыку как явление природы.
Еще Пифагор в Древней Греции вслушивался в звучание струн в зависимости от их длин и сделал поразительное открытие: если длины струн относятся, как целые числа 1:2, 2:3, 3:4, то их совместное звучание гармонично. Свое открытие Пифагор обобщил до принципа «Все есть число», провозгласив ключевую роль математики в устройстве мира. А что касается музыкальной гармонии, то со времен Пифагоровых считалось, что «гармоничные» числа должны быть небольшими. Отец Галилея, однако, в оценке созвучий верил собственным ушам и, обнаружив, что отношение 16:25 тоже дает благозвучие, смело отверг авторитетное мнение. А сын получил от отца урок поиска истины, в котором сошлись эксперимент, математика, свобода мысли и доверие к собственным чувствам и разуму.
Будущему физику повезло с отцом не только в этом. Отец платил за его образование, рассчитывая, что старший сын станет врачом и поможет ему поддерживать их немалую семью, - заработка музыканта хватало с трудом. Можно представить себе досаду отца, узнавшего, что сын, вместо медицинской премудрости, углубляется в математику, которая не обещала никакой практической профессии, а значит, и надежного достатка. Однако, прежде чем принять решение, отец побеседовал с тем математиком, который давал сыну книги. Математик убеждал его, что у сына талант, который заслуживает поддержки. Отец внял доводам математика и призванию сына. И сын оправдал доверие - после смерти отца стал опорой семьи и к тому же прославил их родовое имя.
Путь к мировой славе начался с сомнений и неудач.
Сомнения возникли еще в студенческие годы, когда Галилей изучал Аристотеля. На первый взгляд Архимед не сопоставим с Аристотелем, поскольку получил свои результаты для узкой области явлений. Ну что такое закон рычага?! Неловко здесь звучит даже слово «закон». Кому не понятно, что грузы на коромысле уравновешены, если произведение величины груза на плечо одно и то же по обе стороны?! Да, с помощью этого простого закона Архимед находил центры тяжести хитрых фигур, рассуждая математически. Но результат можно проверить, подвесив фигуру за теоретически найденный центр тяжести и увидев, что она не шелохнется. Это уже физика, а в целом, значит, математическая физика. И все же в бесконечном разнообразии явлений природы Архимед исследовал лишь немногие. Он не претендовал на то, чтобы объяснить устройство мира. Пообещал лишь повернуть мир, то бишь земной шар, если ему дадут надлежащую точку опоры и крепкий рычаг.
Аристотель же своих амбиций не ограничивал - он писал о земном и небесном, о живом и неживом, об этике и политике и, наконец, о физике и метафизике. Слово «физика» ввел сам Аристотель, произведя его от греческого слова «природа». А вот слово «метафизика» придумал издатель сочинений Аристотеля, назвав так том, следующий за «Физикой» , что «мета -физика» и означает по-гречески. Фактически же Аристотель рассуждает там о пред -физике, или о первофилософии - о самых общих основах любого знания.
Дух захватывает от такой широты. Но широта не требует глубины, как показывает физика Аристотеля. Веками ее считали вершиной науки. Одна из причин столь долгосрочного авторитета - согласие этой науки с обыденным здравым смыслом. Аристотель, к примеру, отверг идею о том, что природа устроена из невидимых атомов, движущихся и взаимодействующих в пустоте, - раз никто не видел атомов, значит, их и нет, как нет и пустоты. Он, по сути, не исследовал природу, а наводил порядок в ее описании, опираясь на свой здравый смысл. И пришел к выводу, что движения на небе и на земле принципиально различны. В небесном мире всякое движение - естественное, вечное и круговое. В мире земном насильственное движение определяется силой, а естественное движение рано или поздно непременно прекращается. Аристотель считал, что тела бывают по сути своей тяжелые или легкие: тяжелое тело естественно движется вниз, а легкое - как огонь или дым - вверх. Выглядит правдоподобно, если особенно не вглядываться в физические явления.
Галилей вглядывался, имея образцом точную физику Архимеда. И обратил внимание на утверждение Аристотеля, претендующее на точность: «Более тяжелое тело падает быстрее легкого во столько же раз, во столько раз оно тяжелее». Эта фраза дала Галилею точку опоры, с помощью которой он повернул ход истории науки, а то и мировой истории.
Как Галилей повернул ход истории
Опровергнуть Аристотеля было нетрудно. Наблюдая за падением шаров, одинаковых по размеру, но различающихся по весу, скажем в десять раз, легко убедиться, что время падения различается вовсе не в десять раз. Похоже, уже в начале своих сомнений Галилей догадался, что быстроту падения определяет не сама по себе разница в тяжести. Вопрос был в том, что же определяет?
Надо отдать должное и Аристотелю, которого недаром относят к величайшим мыслителям. Вопрос-то первым поставил он. А значит, осмелился предположить, что на такой вопрос можно ответить. Ответ был неправильным, но было уже от чего отталкиваться. Неправильность Галилей заподозрил еще на уровне рассуждений. Если скорость падения пропорциональна тяжести тела, то, разделив тело на две части мысленно или реально и оставив части в непосредственной близости, следует ожидать, что каждая из частей будет падать медленнее, чем целое. Абсурдный вывод показывает неправоту Аристотеля, но отсюда совершенно не следует, что сам вопрос правилен, что на него возможен определенный ответ. В оправдание Аристотеля можно сказать, что он говорил о падении тел, различающихся только тяжестью. Но, скорее, ему было просто… некогда. Для него падение тел было лишь одним вопросом одной из многих наук, которыми он занимался. К главным его заслугам относят создание логики как дисциплины мышления. Через его школу логики прошел в студенческие годы и Галилей, и все люди науки той эпохи. Глядя же на Аристотеля из нашего времени, можно сказать, что мощный мыслитель слишком крепко держался за свой «здравый смысл», основанный, как обычно, на собственных жизненных наблюдениях. А двигаться вперед можно, опираясь не только на землю под ногами, но и на воздух под крыльями, как это делают птицы. Тогда можно преодолеть и непроходимый, скажем, сильно заболоченный, участок земли. Галилей фактически изобрел такой - крылатый - метод опоры в поиске научной истины.
Портрет Галилео Галилея. Художник Оттавио Леони, 1624 г.
Научными амбициями Галилей не уступал Аристотелю, но стремился не столько вширь, сколько вглубь и ввысь. Он не претендовал на владение всеми науками, зато верил, что в основе всей физики Вселенной - и подлунной и надлунной - действуют некие общие фундаментальные законы, и верил, что может выяснить закон свободного падения. На выяснение потребовались десятилетия исследований. И понадобились еще годы, чтобы изложить свои результаты убедительно.
Основное его открытие состояло в том, что в пустоте все тела, независимо от их тяжести, падают с одинаковой быстротой, но что эта быстрота определяется не скоростью самой по себе, а скоростью изменения скорости, то есть ускорением. Его результаты, писал он, «столь новы и на первый взгляд столь далеки от истины, что если бы [он] не нашел способов осветить их и сделать яснее солнца, то предпочел бы скорее умолчать о них, нежели их излагать».
Главная новизна кроется в «пустоте». Мало того, что, согласно Аристотелю, пустоты нет и быть не может, как он «доказал» разными способами (например, говоря, что «пустота» - это «ничто», а ничто и не заслуживает никаких обсуждений). Важнее то, что Галилей пустоты никогда не видел - ни в каких своих опытах. Как же он мог что-либо о ней узнать?!
Это было потруднее, чем просто опровергнуть старый закон Аристотеля, опираясь на очевидный результат прямого опыта. И Аристотель опирался на очевидность. А Галилей знал, что «большинство людей и при хорошем зрении не видит того, что другие открывают путем изучения и наблюдения, отделяющих истину ото лжи, и что остается скрытым для большинства».
Так Галилей написал в своей последней книге, умудренный полувековым опытом научных размышлений и экспериментов. Но когда он, 25-летний, только начинал свои исследования, он надеялся на простую прямую проверку - проверку не столько Аристотеля, сколько своей собственной гипотезы.
Под впечатлением от физики Архимеда Галилей предположил, что быстрота падения, как и плавучесть, определяется не тяжестью тела, а его плотностью, то есть тяжестью единицы объема. Если взять два шара одинакового размера, сделанные из дерева и из свинца, и выпустить их из рук в воде, то деревянный шар не то что будет падать медленнее свинцового, он станет подниматься. А если дать им падать в воздухе? Оказалось, что деревянный шар вначале немного опередил свинцовый, но затем тяжелый догнал и перегнал его. Это Галилей зафиксировал в своей рукописи «О движении», которую… не опубликовал, - результат его эксперимента опровергал и закон Аристотеля, и собственную гипотезу. Тут надо было думать.
Этот странный рукописный результат побудил одного знаменитого историка сказать, что Галилей такого опыта вообще не делал; то был якобы риторический прием. Однако в наше время опыт воспроизвели, и результат совпал с Галилеевым. Объяснение нашлось не физическое, а физиологическое. Рука, удерживающая тяжелый шар, сжимает его крепче, чем другая рука - легкий, и крепче сжатой руке требуется немного большее время, чтобы разжаться, получив команду от головы. Поэтому легкий шар начинает свое падение раньше на то самое «немного».
О такой неловкости рук Галилей вряд ли догадывался, он думал о физике. Думал десять лет и понял, что изучать свободное падение впрямую не получится - слишком быстро оно происходит. Если шар падает с небольшой высоты, не успеваешь глазом моргнуть, не то что измерить. А падая с большой высоты, шар наберет большую скорость, и, значит, увеличится сопротивление воздуха. Всякий, державший в руках веер, знает: чем быстрее им махать, тем труднее.
Галилей придумал два способа «замедлить» свободное падение.
Один - пускать шары по наклонной плоскости. Чем меньше угол наклона, тем движение более растянуто и тем легче его изучать. Но можно ли скатывание назвать свободным падением? Назвать можно как угодно. Важнее реальное физическое родство. Чем глаже плоскость, тем свободнее движение. А чем больше угол наклона, тем движение больше похоже на падение, становясь обычным падением, когда плоскость станет вертикальной. Проделывая такие опыты с наклонной плоскостью, Галилей первым делом убедился, насколько неверной была его исходная гипотеза. Ведь он предполагал, что всякое тело падает с некой постоянной быстротой, подразумевая, что мера быстроты - это расстояние, проходимое за единицу времени. Так он мог думать лишь потому, что обычное свободное падение длится слишком недолго. Растянув падение в движение по пологой наклонной плоскости, легче заметить, что в начале движения тело движется медленнее, чем в конце. Значит, быстрота движения увеличивается?
А что такое вообще быстрота? В обыденном языке это - скорость, стремительность, а если еще быстрее, то можно сказать молниеносность и даже мгновенность . Все эти слова в обыденном языке - синонимы. Но в языке науки - для определенности ее утверждений и для проверки их на опыте - нужны слова четко определенные - научные понятия. Пример четкой определенности слов давала математика, но всего лишь пример: в математике нет времени, движения, скорости, тяжести. Чтобы сказать свое новое слово в науке, нередко надо ввести в науку новые слова-понятия. Особенно не хватало научных понятий, когда Галилей начинал современную физику. Ему приходилось уточнять, что скорость - это изменение положения за единицу времени. А ускорение - изменение скорости за единицу времени. Надо сказать, что тогда точное измерение времени само по себе было проблемой. Галилей время взвешивал: открывал струйку воды в начале и закрывал в конце измеряемого интервала, а сколько времени утекло, определял на весах. Весы тогда были самым точным прибором.
Другой способ изучать свободное падение родился у Галилея в церкви, но не в связи с грехопадением Евы. Во время церковной службы, глядя поверх священника, он обнаружил удивительное явление. Вверху висела люстра и раскачивалась - по воле сквозняка - то сильнее, то слабее. Галилей сравнил длительность отдельных качаний, измеряя время ударами собственного пульса, и обнаружил, что большое колебание люстры длится столько же, сколько малое. С этого начались его исследования маятника, а это - любой груз, висящий на нити. Галилей наблюдал за колебаниями маятника, меняя грузы, длину нити и начальное отклонение.
Наблюдая сразу за двумя маятниками, он убедительно подтвердил свое церковное наблюдение. Если взять два одинаковых маятника, слегка отклонить грузы на разные углы и отпустить, то маятники будут колебаться в такт, совершенно синхронно: период малого колебания - тот же, что и большого. Ну а «если с какой-нибудь балки спустить два шнура равной длины, на конце одного прикрепить шарик из свинца, а на конце другого шарик из хлопка, одинаково отклонить оба, а затем предоставить их самим себе»? Период колебаний опять одинаков, хотя размах колебаний быстрее уменьшается у легкого шарика. В движении более легких тел сопротивление среды заметнее. Это ясно, если сравнить движения в воздухе и в воде: «мраморное яйцо опускается в воде во сто раз быстрее куриного яйца; при падении же в воздухе с высоты двадцати локтей оно опережает куриное яйцо едва ли на четыре пальца». Свободное колебание маятника мало похоже на свободное падение, но оба определяются тяжестью. А при уменьшении размаха колебаний уменьшится скорость маятника и, значит, уменьшится роль сопротивления среды.
Результаты своих опытов и рассуждений Галилей подытожил в новом законе природы: в пустоте все тела свободно падают с одним и тем же ускорением .
Ну а как же знаменитая история о том, как Галилей якобы сбрасывал шары с Пизанской «падающей» башни? А наблюдавшая за этим ученая публика якобы тут же после одновременного приземления разных шаров признала триумфальную победу Галилея над Аристотелем.
Это - легенда. Не было такого триумфа. Да и приземлиться одновременно разные шары не могли из-за сопротивления воздуха. А ученые коллеги, за малым исключением, охраняли авторитет Аристотеля, которого выучили еще студентами и преподавали новым поколениям. Именно неприятие его идей побудило Галилея, помимо современной физики, заняться еще и научно-популярной литературой. Его главные книги имеют форму бесед между тремя персонажами. Один - Симпличио - представляет взгляды почитателей Аристотеля. Второй - Сальвиати - самостоятельный исследователь, похожий на Галилея. А третий - Сагредо - похож на здравомыслящего человека, быть может, и не искушенного в науках, но готового выслушать обоих оппонентов и задать уточняющие вопросы, прежде чем решить, кто прав. Именно для таких читателей Галилей писал. Ради них он перешел с латыни - языка тогдашней учености - на живой итальянский язык, чтобы рассказать о драме идей, в которой сам участвовал, о слепой уверенности тех, кому все ясно, о духе сомнения в поисках истины и о способах установления истинных законов природы.
Историю о «падающей башне» впервые рассказал ученик Галилея в биографии, написанной спустя десятилетие после смерти учителя и полвека спустя после предположительных опытов. Ученик был физиком, а не историком, и когда он пришел в науку, было уже совершенно ясно, кто прав. Он, похоже, усмотрел автобиографическое свидетельство Галилея в словах его литературного персонажа:
Сальвиати. Аристотель говорит, что «шар весом в сто фунтов, падая с высоты ста локтей, достигнет земли прежде, чем однофунтовый шар пролетит один локоть». Я утверждаю, что они долетят одновременно. Делая опыт, вы увидите, что, когда больший достигнет земли, меньший отстанет на ширину двух пальцев. За этими двумя пальцами не спрятать девяносто девять локтей Аристотеля.
Сам Галилей нигде не утверждал, что сбрасывал шары с Пизанской башни. Для него гораздо важнее был новый закон свободного падения, чем опровержение старого. А движение шаров по наклонной плоскости и малые колебания маятников были гораздо убедительнее эффектных публичных демонстраций.
Первый современный физик?
Настал момент, чтобы читатель типа Сагредо, поздравив Галилея с открытием нового закона, спросил: а чем уж так он отличается от закона Архимеда и чем, собственно, Галилей заслужил титул «отца современной физики»?
Преимущество закона Архимеда очевидно. Плавание - практически важное явление, а свободное падение - явление редкое, краткое и… фатальное. Кому важно знать, сколько точно секунд длится падение с крыши до земли?! К тому же закон Галилея дает точную величину лишь для падения в пустоте, которую в те времена никто не видел, а учетом влияния воздуха Галилей не занимался.
Объясняя вклад Галилея, говорят, что он основал науку экспериментальную или экспериментально-математическую, что он «математизировал» природу и изобрел «гипотетико-дедуктивный» метод. Все эти утверждения, однако, применимы и к Архимеду, по книгам которого Галилей учился и которого называл «божественнейшим». Физик Архимед был еще и великим математиком, и инженером-изобретателем, а гипотеза и логическая дедукция служили инструментами мышления и до Архимеда. Более того, и эксперименты Галилея, и используемая им математика не выходили за пределы возможного у Архимеда.
Что же сделало Галилея «отцом современной физики», по выражению Эйнштейна, или, проще говоря, первым современным физиком? Читателю, который хотел бы сам найти ответ на этот вопрос, стоит поразмыслить над законом свободного падения в пустоте и учесть при этом, что Галилей не делал опытов в пустоте - только в воздухе и в воде.
Уже после смерти Галилея его ученик Торричелли научился создавать (почти полную) пустоту, названную «торричеллиевой». Для этого нужна пробирка длиной, скажем, около метра, заполненная ртутью. Перевернув пробирку вверх дном и опустив ее открытый конец в сосуд с ртутью, получим вблизи дна пробирки, оказавшегося наверху, примерно 24 сантиметра пустоты (если давление воздуха нормальное - 760 мм ртутного столба). В такой пустоте пушинка и монета падают совершенно одинаково.
Три века спустя, в 1971 году, подобную картину увидели миллионы телезрителей, когда на их телеэкранах участник лунной экспедиции «Апполон-15» астронавт Дэйв Скотт, находясь на поверхности Луны, выпустил из рук молоток и перышко, и те прилунились одновременно - в полном согласии с законом Галилея, поскольку там нет воздуха. Репортаж об этом лунном эксперименте занял всего 40 секунд:
Итак, в левой руке у меня перышко, а в правой - молоток. Одна из причин, почему мы попали сюда, связана с джентльменом по имени Галилей, который давным-давно сделал важное открытие о падении тел в гравитационных полях. Мы подумали, что показать вам его открытие лучше всего на Луне. Сейчас я выпущу из рук перо и молоток, и, надеюсь, они достигнут поверхности за одно и то же время… Вот так!.. [аплодисменты в Хьюстоне] <…> что и доказывает правоту мистера Галилея.
Присоединяясь к аплодисментам в Хьюстоне, историк науки заметил бы, что Галилей понятия не имел о «гравитационных полях», а говорил просто о свободном падении. И что для физиков закон Галилея вполне подтверждался малыми колебаниями маятника, поскольку их период не зависит от того, какой груз висит на нити.
Пустота была первым важным «не -наглядным» понятием в физике. Затем появились другие - всемирное тяготение, электромагнитное поле, атомы, электроны, кванты света… Никто их не видел и не щупал, но лишь на основе этих ненаглядных понятий стали возможны технические изобретения, преобразившие обыденную жизнь. И нынешние физики применяют эти понятия столь же уверенно, как самые обычные слова «стол» и «стул», «любовь» и «дружба».
Изобрести фундаментальную физику Галилею помогли его природные таланты и вера в познаваемость мира, в фундаментальность мироздания.
Сейчас, когда наука и основанная на ней техника достигли гигантских успехов, познаваемость мира кажется очевидной, но до всех этих успехов - в шестнадцатом веке - ситуация была совершенно иной. Тогда сама власть законов в природе отнюдь не была общепризнанной. С начала размышлений Галилея и его первых опытов до публикации итогов работы прошло около полувека. Полвека настойчивых поисков истины - и такой простой закон, «ежу понятный», как скажут нынешние школьники.
А Галилей считал, что «лишь открыл путь и способы исследования, которыми воспользуются более проницательные умы, чтобы проникнуть в более удаленные области обширной и превосходной науки», и что «таким образом познание может охватить все области природных явлений».
Глава 2
Первый астрофизик во Вселенной
Современники Галилея очень удивились бы, узнав, что в рассказе о его главном научном достижении не упомянуты его астрономические открытия. Открытия и впрямь великие, однако сделал их не астроном, а астрофизик Галилей, самый первый астрофизик, и задолго до появления этого слова. Вторым был Ньютон. А их соучастников в Великой Научной Революции - Коперника и Кеплера - лучше назвать астроматематиками , и далеко не первыми: астрономия испокон веков опиралась на математику. Астроном стремится точно описать происходящее на звездном небе, а физик хочет объяснить наблюдаемое причинами, доступными для опытного исследования. Речь идет о двух взаимно плодотворных, но разных взглядах на мир, и каждый взгляд в одной ситуации может вести к успеху, а в другой - к конфузу.
Прежде чем говорить о замечательных открытиях и заблуждениях первого астрофизика, напомним картину Вселенной, какой ее тогда видели астрономы.
Астрономические картины
Картина эта пришла из античности и называли ее системой мира Птолемея, по имени астронома, подытожившего тогдашние знания. В книгах, по которым учился Галилей, эту картину мира изображали набором концентрических окружностей, где самый малый круг в центре обозначал Землю. Систему эту называют геоцентрической, поскольку в центре ее - Гея, что по-гречески - Земля. Профессионалы, конечно, знали, что эта плоская картинка переупрощает объемную конструкцию Птолемея, не вполне даже геоцентрическую: Земля там не в самом центре, а на некоем расстоянии от него. Вокруг пустого центра - восемь концентрических небесных сфер. На внешней сфере закреплены несметные неподвижные звезды, а на остальных поодиночке расположены звезды блуждающие, по-гречески планеты : Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, и два светила - Солнце и Луна. Каждая из сфер вращается вокруг своей оси со своей скоростью. Сфера неподвижных звезд вращается как целое и делает ровно один оборот за сутки. А планеты движутся более хитрым образом - каждая закреплена на некой малой сфере под названием «эпицикл» с центром, прикрепленным к своей большой небесной сфере. Так что каждая планета участвует сразу в двух вращениях. Все большие и малые сферы абсолютно прозрачны и каким-то образом не мешают друг другу.
Причины этих хитрых расположений и вращений заменяли ссылкой на Аристотеля, согласно которому небесные явления принципиально отличаются от земных: на небе все сделано из особо небесного материала - эфира, и все небесные движения круговые. А единственной суперпричиной всего небесного устройства объявлялся его Творец.
Как же люди узнали это устройство, и соответствует ли оно реальности? На это астроном шестнадцатого века ответил бы ссылкой на божественный гений Птолемея и на возможность с помощью его системы рассчитать положение небесных светил в любой момент времени. Для таких расчетов, впрочем, не нужен был ни эфир, ни Бог, достаточно было знать лишь положение планет в данный момент времени, радиусы и скорости вращения небесных сфер. Так предсказывали солнечные и лунные затмения и объясняли диковинные попятные движения планет, когда планета останавливается и движется в обратном направлении.
Система Птолемея исправно служила астрономам много столетий, прежде чем в середине шестнадцатого века Коперник поставил ее с ног на голову, по мнению подавляющего большинства коллег, или с головы на ноги, как сочли совсем немногие. Коперник, в сущности, спросил, как выглядело бы звездное небо, если смотреть с Солнца. И ответил гелиоцентрической системой, столь же полно описав движения на небе, как и система Птолемея. Коперник использовал прежний способ описания - большие и малые небесные сферы, только в центре поместил Солнце, а не Землю. Картина небесных движений радикально изменилась: сфера неподвижных звезд и сама стала неподвижной, Земля вращалась вокруг своей оси и вокруг Солнца, став одной из планет, также вращавшихся вокруг Солнца. Лишь Луна осталась в прежней роли - так же вращалась вокруг Земли. И картина неба, наблюдаемая с Земли, разумеется, осталась прежней. Только астрономы понимали, что эта - реально наблюдаемая - картина рассчитывается двумя разными математическими теориями.
Система Коперника настолько отлична от птолемеевской, что непостижимой кажется сама исходная мысль: посмотреть на Вселенную с солнечной точки зрения. Помогла Копернику, похоже, его гуманитарная образованность. Он прекрасно знал древнегреческий язык, и труд Птолемея был для него лишь одной из античных книг. Из других книг он знал о древнем греке Аристархе Самосском, который сумел оценить количественно размер Солнца, много больший размера Земли, и предположил, что Земля вращается вокруг Солнца - малое вокруг большого. Для Птолемея, как и других древних астрономов, этот довод никак не перевешивал очевидную неподвижность Земли, и он гелиоцентрическую идею даже не рассматривал. Почему и как Коперник решил эту идею исследовать, почему его интуиция взлетела на такую странную высоту, сам он не объяснил. Ясно лишь то, что в великом Птолемее он видел коллегу, а не безошибочного гения.
Чтобы исследовать гелиоцентрическую идею, Копернику надлежало проделать большую работу: детально описать конструкцию гелиоцентрической системы, чтобы можно было рассчитать положение любой планеты. Из своей системы он извлек несколько замечательных следствий: планеты перестали «пятиться», орбиты почти круговые, а периоды обращения тем больше, чем дальше от Солнца. Закончив многолетний труд, он долго откладывал публикацию. Астрономические преимущества - прежде всего отсутствие попятных движений планет - дались не даром: в системе Коперника Земля вместе с ее обитателями движется с огромной скоростью - тысячи километров в час. Цена была слишком велика для тех, кого небо интересовало лишь на предмет завтрашней погоды: ну как можно мчаться с такой сумасшедшей скоростью, не замечая этого?! Цена была чрезмерной и для людей образованных, но не желающих свое образование повышать.
Были, однако, и другие.
Первым следует назвать Тихо Браге, заслужившего титул «короля астрономов» за количество и точность наблюдений. Он принял систему Коперника и… сделал шаг в обратном направлении, никак не влияющий на расчеты и наблюдения, но аннулирующий скорость Земли. Он предложил в системе Коперника смотреть на мир с Земли. Тогда Земля - опять неподвижный центр Вселенной, а вращается Солнце, вокруг которого вращаются все другие планеты. Это была гелиоцентрическая система с геоцентрической точки зрения. Астронома-наблюдателя не смущало, что вокруг Земли вращается нечто гораздо большее ее по размеру. Как Всевышний сотворил Вселенную, так она и вращается. Если систему Коперника непочтительно сравнить с игрушечным заводным автомобилем, то можно сказать, что Тихо Браге держал заведенную машину за колесо в воздухе: колесо не двигалось, а машина вращалась вокруг него. Неуклюже, но игрушка та же самая.
Геоцентрическая система Птолемея, гелиоцентрическая система Коперника и геогелиоцентрическая система Тихо Браге.
Для астроматематика Кеплера математическая стройность системы Коперника перевешивала все земные проблемы. А для астрофизика Галилея самым интересным стал как раз земной вопрос: почему планетное движение неощутимо? Усилиями обоих содержание картины мира Коперника расширилось и углубилось. А неожиданным «побочным» результатом этого стало рождение современной науки. Именно поэтому труд Коперника считают началом Научной Революции.
Участники этой революции, если смотреть из нашего просвещенного будущего, не отличали свои пораженья от побед, как рекомендовал поэт Пастернак. И правильно делали. В истории науки, чтобы ясно отличить пораженье от победы, человеческой жизни обычно не хватает. А главное, в современной науке, как пояснял физик Эйнштейн, разум, свободно взлетая с твердой почвы фактов, заранее не знает, чем полет завершится и не придется ли взлетать заново, в другом направлении.
Гелиоцентрический кубок шести планет Кеплера.
Первая книга 25-летнего Кеплера «Космографическая тайна» (1596) стала первой публикацией в защиту системы Коперника, в которой Кеплер видел лишь первый шаг к объяснению картины Космоса. Он был уверен, что сделал следующий шаг - объяснил число планет, равное шести. Объяснил с помощью точной и красивой математики. Еще античные математики знали, что имеется всего пять правильных многогранников (у которых все грани равны). Кеплер обратил внимание, что если эти пять многогранников расположить матрешкой так, чтобы каждый касался двух сфер - гранями касался вписанной сферы, а вершинами - описанной, то получится ровно шесть сфер. Шесть планетных сфер! Оставалось подобрать нужный порядок многогранников, чтобы размеры сфер совпали с наблюдаемыми. И это ему удалось, что и убедило его в правильности догадки. Он, стало быть, не допускал мысли, что откроют еще хотя бы одну планету, исходя, вероятно, из того, что все шесть планет известны с незапамятных времен.
Свою книжку Кеплер послал Галилею. Тот ответил письмом, всецело поддержав гелиоцентризм:
Как и Вы, я давно уже принял идеи Коперника и на их основе открыл причины явлений природы, необъяснимых для нынешних теорий. Много обоснований и опровержений я записал, но публиковать их до сих пор не решился, остерегаясь участи Коперника, нашего учителя, заслужившего бессмертную славу у немногих и осмеянного толпами глупцов.
В движении Земли Галилей видел не только проблему, но и возможность объяснить хорошо известное и загадочное явление - морские приливы. Подсказку он нашел, наблюдая за баржей, перевозившей (пресную) воду. Он заметил, что при ускорении или замедлении баржи вода поднимается у задней или передней стенки емкости, а если баржа плывет с постоянной скоростью, вода в емкости выглядит точно так же, как и на барже, неподвижной. Чтобы сопоставить баржу с Землей, а воду в емкости с океаном, надо быть смелым физиком, верящим в единство законов Вселенной. Галилей был именно таким, что само по себе, однако, не гарантировало успех каждому взлету его разума.
Сравнение баржи с Землей стало началом его пути к великому принципу относительности и к закону инерции, которые освободили систему Коперника от главной трудности. Если вода в емкости «не замечает» постоянную скорость баржи, то это верно при любой скорости, хоть и тысячи километров в час, и эту скорость невозможно обнаружить никаким иным внутренним способом - проделывая опыты на барже в каюте с закрытыми окнами. Тем самым рассеялась главная физическая проблема системы Коперника: в земном опыте астрономическая скорость Земли не заметна.
А изменением скорости «большой баржи» - земной поверхности - Галилей взялся объяснить морские приливы. Изменение это - ускорение и замедление - происходит из-за того, что скорости вращений Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси складываются на ночной стороне Земли, но вычитаются - на дневной.
Такое объяснение приливов Галилей считал важным доводом в пользу Коперника, но так и не сумел превратить свой замысел в настоящую теорию. Он так и не понял, что его замысел - заблуждение. Лишь сорок лет спустя после его смерти Ньютон откроет истинную причину приливов - лунное притяжение. К этой драме идей добавилась ирония истории. Дело в том, что Галилей не раз слышал о возможной связи Луны с приливами, но такую возможность категорически отвергал:
Среди великих людей, рассуждавших о приливах, более всех других удивляет меня Кеплер, наделенный умом свободным и острым, хорошо знающий движения, приписываемые Земле, но допускающий особую власть Луны над водой, тайные свойства и тому подобные ребячества.
Астрофизика, астрономия и астрология
Читая Кеплера сегодняшними глазами, легко удивиться и жестким словам Галилея, и тому, что объяснение приливов приписывают Ньютону. Ведь уже Кеплер писал: «Луна, находясь над океаном, притягивает воды со всех сторон, и берега при этом обнажаются», а это, казалось бы, и есть краткое изложение нынешней теории приливов. Надо, однако, понимать расстояние между обыденным словом и научным понятием, обозначенным тем же словом. Во времена Галилея у слова «притяжение», как его использовал Кеплер для объяснения планетной системы, и слова «тяжесть» как причины падения тел общим был лишь грамматический корень, а не физическая природа обозначаемых ими явлений. Общую физическую природу этих двух явлений - небесного и земного - установит Ньютон в законе всемирного тяготения. А в объяснении Кеплера Галилей видел лишь слова, безо всякого намека на количественную оценку и проверку: на сколько именно вода поднимется к Луне, а берега обнажатся - на дюйм или на милю?
В результате своих исследований Галилей узнал о физике тяжести больше кого-либо из современников, и он понимал, что Кеплер на такой вопрос не ответил бы. Связывая морские приливы и отливы с ускоренным и замедленным движением морского дна, Галилей тоже не мог пока оценить прилив количественно, но, по крайней мере, мог искать ответ, делая опыты с водой в сосуде, меняя форму сосуда и величину ускорения. А слова Кеплера давали лишь некое «художественное» описание наблюдений.
Галилей прекрасно знал также, что о связи положения Луны с приливами говорили задолго до Кеплера. Еще в древнем трактате Птолемея об астрологии сказано о влиянии Луны на весь земной мир: на тела одушевленные и неодушевленные, реки и моря, растения и животных.
Нынешние авторы иногда, упрекнув Галилея в том, что он не заметил «здравое зерно» в описаниях Кеплера, тут же оправдывают эту «слепоту» отвращением Галилея к «лженауке» астрологии. Это не так. И Кеплер и Галилей профессионально занимались астрологией, составляли гороскопы и для заказчиков, и для своих близких. Тогда это было обычным делом астрономов и врачей, не лженаукой, а скорее искусством. И мало общего имело с нынешней астрологией «для масс», когда сразу сотням миллионов «козерогов» даются универсальные рекомендации, как избежать неудач и добиться успехов.
Во времена Галилея - Кеплера, чтобы дать прогноз и рекомендации, составляли гороскоп для данного момента времени и места - например, для времени и места рождения данного человека. Гороскоп - это положение свода неподвижных звезд и семи звезд подвижных - планет. Ясно, что такие данные давала наука астрономия. А пришедшая из глубин веков астрология наделяла каждую планету и каждое созвездие зодиака своим влиянием. Чтобы сложить все эти влияния в прогноз, астролог - осознанно или неосознанно - помимо астрономических данных опирался на свое понимание земных обстоятельств «пациента» и на воображение, короче, на свое астрологическое искусство.
Но неужели Галилей и его коллеги-астрономы верили, что это «искусство» имеет отношение к реальности?! Встанем на их место. От великого Птолемея они получили двойное наследство: трактат по астрономии («Альмагест») и трактат по астрологии («Тетрабиблос»). Астрономическая теория Птолемея много веков подтверждалась наблюдениями, и теория Коперника по точности ее не превзошла. Подтвердить же астрологию наблюдениями практически невозможно. Астрологический прогноз всегда вероятностный и говорит о неповторимой ситуации. Поэтому если какой-то прогноз не оправдался, легче усомниться в искусстве данного астролога, чем в самой астрологии. Аналогично искусство врачевания: данный врач, опираясь на медицинские знания, может и не вылечить данного больного, но это не зачеркивает саму медицину и необязательно даже подорвет репутацию врача. Кстати сказать, во времена Галилея врач должен был уметь составить гороскоп пациенту, чтобы оценить перспективы намеченного лечения. И врач знал, что есть силы выше его медицинского искусства и выше астрологии.
Главной опорой астрологии было желание людей, особенно имущих, увеличить свои шансы на успех в жизни. И это вполне материально поддерживало астрономические наблюдения за звездами и планетами. Появление модели Коперника привело к конкуренции двух теоретических описаний одной и той же наблюдаемой астрономической реальности. Поражение астрономии Птолемея подрывало и авторитет его астрологии.
Первый астрофизик оказался последним астрологом среди астрономов. Галилей, в отличие от Кеплера, к концу жизни успел, похоже, исключить астрологию из своего мировоззрения. Однако вовсе не это различало их подходы к явлениям природы. После смерти Кеплера Галилей заметил в письме: «Я всегда ценил ум Кеплера - острый и свободный, пожалуй, даже слишком свободный, но способы мышления у нас совсем разные».
Слишком свободный ум?! Что это значит? Это - разные способы мышления астрофизика и астроматематика. Вспомним разгадку Кеплером «космографической тайны» с помощью правильных многогранников. Эту разгадку Галилей не принял. Почему именно многогранники и почему в такой последовательности? Если учесть, что пять многогранников дают 120 возможных комбинаций, то уже не столь поражает близость радиусов вписанных и описанных сфер - в одной из этих комбинаций - к наблюдаемым орбитам.
Галилей не стремился описать Вселенную какой-то одной красивой формулой, он искал фундаментальные физические законы, определяющие устройство мироздания и многообразие его форм. Для такого поиска астрономическое небо, уникально устроенное, - не лучшая лаборатория для исследователя. Там не изменишь условия проведения опытов-наблюдений, в лучшем случае можно ждать, когда эти условия изменятся сами. В земной лаборатории гораздо больше свободы в постановке опытов и в проверке теоретических идей.
Конечно, звездное небо - с его постоянством и цикличностью перемен - с древних времен вдохновляло на поиск закономерности. Это был замечательный задачник, где все задачи - со звездочками. При этом важную роль играли астроматематики, которые ставили задачи с математической определенностью, несмотря на все физические неопределенности и невероятности. Коперник своей гелиоцентрической системой поставил задачу выбора между двумя системами мира. За эту задачу и взялся физик Галилей. Физически обосновывая новую астроматематическую картину, он свел многосложную систему Коперника фактически к простейшей системе двух тел - очень большого и малого, где малое тело движется равномерно по идеально круговой орбите вокруг большого (планета вокруг Солнца, Луна вокруг Земли). Такова была, можно сказать, модель Солнечной системы Галилея .
Такое упрощение озадачивает многих и кажется чуть ли не возвращением Галилея к временам до Птолемея, когда считалось, что все небесные движения - чисто круговые и равномерные. Ведь и у Птолемея и у Коперника планетные орбиты не круговые: в обеих системах использовались дополнительные малые сферы - эпициклы - для описания движения планет. Особенно смущает, что Галилей проигнорировал главное открытие Кеплера, с которым тот вошел в историю, - три элегантных закона планетных движений, основанные на многочисленных и высокоточных наблюдениях, сделанных Тихо Браге и его помощниками.
Разыскивая гармонию в планетных движениях, Кеплер опирался на тот же - астроматематический - способ мышления, которым он в юности «разгадал» космографическую тайну расположения планет. В множестве астрономических наблюдений Кеплер искал скрытую там, как он верил, математическую стройность мироздания. Но если первую тайну, оказавшуюся миражом, 25-летний Кеплер «раскрыл» вдохновенным быстрым натиском, то на поиски трех законов Кеплера ушли многие годы.
Перед ним были длинные колонки цифр - обширнейшие данные астрономических наблюдений, а он неустанно искал математическую закономерность за этими сухими цифрами. Он знал, что орбиты овальны, но в математике есть разные овалы. Восемь лет гипотез и проверок привели его к тому, что форма орбиты - эллипс. Окружность описывается одним числом - расстоянием от ее точек до центра, а эллипс - двумя: расстоянием между двумя центрами-фокусами и постоянной суммой расстояний от его точек до фокусов. Чем меньше расстояние между фокусами, тем эллипс ближе к окружности. Это легко понять, если круг рисовать не циркулем, а, привязав шнур двумя концами к гвоздику на плоскости, натянуть полученную петлю карандашом и вести линию. Эллипс получится, если вести линию, привязав шнур к двум разным гвоздикам.
Первые два закона Кеплера утверждают, что орбита - эллипс, в одном из фокусов которого - Солнце, и что скорость планеты тем больше, чем она ближе к Солнцу. В 1609 году Кеплер опубликовал эти законы в книге «Новая астрономия» и послал ее Галилею. Тот не отозвался ни словом.
Что это значит? Ведь, в отличие от «космографических» многогранников, угаданных в шести числах, новые закономерности Кеплера основаны на самых обширных и точных наблюдениях того времени. А обнаруженное математическое изящество разве не доказывало правильность солнечной идеи Коперника? Ведь орбиты эллиптичны, лишь если смотреть на планеты с солнечной точки зрения.
В текстах Галилея нет прямого ответа на эти вопросы. Ответ можно предложить, опираясь на его слова о «совсем разных способах мышления» его и Кеплера.
Галилей не просто знал и ценил математику, он верил, что наука
написана в великой книге Вселенной - книге, постоянно открытой нашему взору, но понять ее может лишь тот, кто научится понимать ее язык. Написана эта книга на языке математики, и буквы ее - треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без помощи которых человек не понял бы в ней ни слова, блуждая в потемках по лабиринту.
Однако в математике Галилей видел лишь инструмент познания. Стремился же он понять содержание книги Вселенной, и прежде всего узнать, на каком фундаменте Мироздание стоит. Для этого от математики требуется не элегантность или изощренность, а помощь в изобретении физических понятий и в проведении придуманных экспериментов.
Эйнштейн: «Галилей - отец современной физики и, по сути, всего современного естествознания». «Все надо делать как можно проще, но не проще, чем надо». «Господь изощрен, но не злонамерен».
Разумеется, Галилей знал, что некоторые планетные орбиты - не круговые. Но знал он и то, что другие - почти круговые. Значит, для исследования физического фундамента астрономии круговая орбита - разумное упрощение. Подобным образом, в поисках закона свободного падения, Галилей упростил ситуацию, устранив сопротивление воздуха. Об этом же заповедь Эйнштейна: «Все надо делать как можно проще, но не проще, чем надо». Так мыслят физики.
Да, этим способом и своей моделью планетного движения Галилею не удалось создать теорию приливов - явление оказалось дальше от фундамента, чем он полагал. Но эта творческая неудача окупилась «побочными продуктами» исследования - принципом относительности и ключевым понятием ускорения.
Рождение экспериментальной астрофизики
Послав Галилею в 1609 году свою «Новую астрономию», Кеплер не успел обидеться на молчание итальянского коллеги. Весной 1610 года он узнал сногсшибательную новость:
Пришла в Германию весть, что ты, мой Галилей, вместо чтения чужой книги занялся собственной и невероятнейшего содержания - о четырех до сих пор неизвестных планетах, найденных при помощи двух очковых линз, что книга эта уже в печати и придет со следующими гонцами. Новость так изумила меня, что я еле успокоился. Ведь в моей книге «Космографическая тайна», изданной тринадцать лет тому назад, пять правильных многогранников допускают не более шести планет вокруг Солнца. Но если вокруг Земли вращается Луна, не входящая в эти шесть, то почему не может быть лун вокруг Юпитера? И если четыре планеты скрывались до сих пор, то, значит, можно ожидать открытий множества новых?
Слева - траектории планеты, с точки зрения земной (с петлями попятного движения) и солнечной (первый закон Кеплера). Справа - физическая модель Галилея
Весной 1610 года еще не было термина «спутник», да в нем и надобности не было, пока Луна была единственной в своем роде. В книжке «Звездный вестник», изданной в марте, Галилей открытые им «планеты» назвал просто звездами, какими они и увиделись его глазу, вооруженному двумя очковыми линзами, поставленными необычным образом.
Получив эту книжку, Кеплер узнал, что Галилей за считанные недели, помимо четырех спутников Юпитера, обнаружил еще несколько изумляющих фактов. На самом близком астрономическом объекте - Луне - он обнаружил горы и впадины, а самых дальних - «неподвижных» - звезд оказалось много больше, чем считалось. Некоторые астрономические объекты, наоборот, исчезли, точнее - преобразились: туманности, включая самую большую - Млечный Путь, предстали огромными совокупностями звезд.
Все эти открытия стали первыми результатами экспериментальной астрофизики - астрономическими фактами, добытыми с помощью физического прибора - подзорной трубы.
Для Галилея то был подарок судьбы, или счастливая случайность, или дар Небес - в зависимости от того, как глядеть на мир. Если смотреть глазами историка, то дар вполне заслуженный - за усердный труд исследователя.
Саму подзорную трубу изобрели далеко от Италии - в Голландии. И изобрели вовсе не физики, а очковых дел мастера. По неизвестной причине или от нечего делать посмотрев через две линзы, поставленные не так, как полагается, а одна за другой - выпуклая за вогнутой, они увидели, что далекие объекты заметно приблизились. Изобретение сразу нашло себе важные применения. Например, заранее обнаружить приближение неприятеля, чтобы подготовиться к встрече. Или просто утолить любопытство, подсматривая издали, кто что делает.
Любопытство Галилея было направлено не столько по сторонам - на дела земные, сколько вверх. Поэтому, узнав о новейшем изобретении в самых общих чертах, Галилей сам сделал несколько труб, довел увеличение до тридцатикратного и направил прибор в небо, на объекты далекие, но близкие его мыслям. Так возник телескоп.
Первым делом он обнаружил и зарисовал гористые ландшафты Луны. Затем ему повезло обнаружить рядом с Юпитером совершенно неизвестные маленькие звездочки, а следующей ночью заметить, что положение этих звездочек изменилось. Для такого везения, конечно, требовалось знать звездное небо как свои пять пальцев, а также незаурядная пристальность. Продолжив наблюдения, Галилей обнаружил, что новые звездочки все время оставались вблизи «блуждающей звезды» Юпитера и что их положения относительно Юпитера повторялись через равные промежутки времени. Это напоминало движение Луны вокруг Земли. Галилей понял, что открыл четыре «луны» Юпитера, и завершил свое открытие, измерив периоды их обращения.
Так появился новый и наглядный довод в поддержку основной идеи Коперника: вокруг большого небесного тела - Юпитера - вращаются малые, как планеты вокруг Солнца и как Луна вокруг Земли. У Галилея и Кеплера и без того хватало уверенности в правоте Коперника, но для других астрономов и тем более для не -астрономов такая наглядность могла уже перевесить книжный авторитет Птолемея. Если, конечно, смотреть открытыми глазами. А это было не так легко, как видно из письма Галилея полгода спустя после публикации «Звездного вестника»:
Посмеемся, мой Кеплер, над великой глупостью людской. Здешние ученые мужи, несмотря на мои тысячекратные приглашения, так и не взглянули ни на планеты, ни на Луну, ни на телескоп. Для них физика - это некая книга, где и надо искать истину - не в природе, а сравнивая тексты. Как бы Вы смеялись, слушая первого здешнего философа, который старался изо всех сил логическими доводами, как магическими заклинаниями, убрать с неба новые планеты!..
Вот какие доводы, например, приводил тогда некий философический астроном:
В голове животного устроено семь окон, через которые воздух допускается к телесному микрокосму, чтобы его просвещать, согревать и питать: две ноздри, два глаза, два уха и рот. Так же и в небесном макрокосме имеются две благоприятные звезды, две неблагоприятные, два светила, и Меркурий - неопределенный и безразличный. Отсюда и из многих других подобных устроений природы, таких как семь металлов и т. д., что утомительно перечислять, мы понимаем, что планет необходимо именно семь. Более того, эти спутники Юпитера невидимы невооруженному глазу и, следовательно, не могут оказывать влияние на земле, потому бесполезны, а значит, и не существуют. Кроме того, евреи и другие древние народы, как и современные европейцы, разделяют неделю на семь дней, названных в соответствии с именами семи планет. Так что, если мы увеличим число планет, вся эта целостная и прекрасная система рухнет.
На такое Галилею сказать было нечего. И не до смеху ему было среди подобных астрономов, которые, видя неубедительность своих доводов и не желая расставаться с выученным в юности, искали теологические дефекты в новой картине мира. Кто ищет, тот всегда найдет. И нашли строчки в Библии, которые, если понимать их буквально, говорили о неподвижности Земли. Это стало грозным оружием в руках не желающих искать истину в природе. Обвиняя Галилея и Коперника в противоречии Священному Писанию, ученые мужи взывали к церковным властям.
Галилей решил опередить противников и в 1611 году сам направился в Рим, захватив с собой телескоп. У него были основания верить в силу своих доводов и в убедительность астрономических открытий: спустя несколько месяцев после публикации «Звездного вестника» он получил почетный и высокооплачиваемый пост главного ученого при дворе герцога Медичи - правителя Флоренции.
В Риме его чествовала Академия деи Л нчеи (Академия рысьеглазых) - одно из первых научных обществ, созданное за несколько лет до того любителями и покровителями науки. Галилей принял приглашение вступить в это общество и впоследствии писал свои книги, ориентируясь на читателей, подобных членам этой Академии, - не претендующих на звание профессионалов в астрономии или физике, но открытыми глазами и с большим интересом глядящих на новые научные идеи и факты.
Не меньший успех ожидал Галилея при дворе Папы Римского. То был период особого внимания к астрономии со стороны Католической Церкви, по инициативе которой западный мир незадолго до того перешел на новый - григорианский - календарь. Разработку календарной реформы возглавлял астроном и математик Клавиус, принадлежавший к Ордену иезуитов вместе с другими весьма квалифицированными астрономами. Главной миссией этого Ордена, учрежденного незадолго до того (в ответ на ересь Реформации), было просвещение и образование. Календарная реформа опиралась на новую астроматематику Коперника. А Галилей добавил новейший довод в пользу системы Коперника, когда в своих телескопических наблюдениях обнаружил фазы Венеры, подобные фазам Луны. В отличие от Луны, Венера виделась маленьким диском, когда была далеко, и крупным серпом - когда была близко. Это доказывало вращение Венеры вокруг Солнца, а не Земли.
Парадоксальный контраст: университетские профессора-астрономы, держась за привычные тексты древних авторитетов, отрицают и телескоп, и наблюдательные открытия Галилея, а папские астрономы одобряют то и другое?! Главное отличие здесь не в близости к папскому престолу, а в практическом деле, которым в календарной реформе занимались папские астрономы, тогда как университетские профессора лишь трактовали старые тексты.
Фазы Венеры, зарисованные Галилеем и изображенные схематически.
Галилей занимался другим практическим делом - расследовал фундаментальную физику реальной Вселенной. Одобрение папскими астрономами его астрономических открытий имело важное «но». Для них система Коперника была правильной математикой, раз ее результаты соответствовали наблюдениям, но принимали эту систему они в геогелиоцентрической версии Тихо Браге, в которой Земля неподвижна - в полном соответствии со всеми известными тогда наблюдениями , начиная с повседневного опыта. Ведь для земных астрономических расчетов важно лишь то, как небесные тела движутся относительно Земли. Для папских астрономов система Коперника означала лишь другую схему промежуточных вычислений.
Галилей и Кеплер были уверены, что Земля вращается вокруг Солнца подобно другим планетам, но прямых свидетельств этого тогда еще не было, только косвенные, гипотетические. Поэтому Кеплер не мог убедить Тихо Браге, с которым сотрудничал, хотя обоих считали первыми астрономами своего времени. А Галилей не мог убедить папских астрономов, высоко ценивших его астрономические открытия. Для первоклассных астрономов-наблюдателей реальный гелиоцентризм был гипотезой не только сомнительной, но и бесполезной: все равно расчеты надо было приводить к точке зрения земного наблюдателя - к геоцентрической картине. Такие астрономы, твердо стоящие на земле, внимательно слушали Галилея, ожидая узнать о наблюдаемых проявлениях движения Земли, но получали только доводы об устройстве Вселенной (то бишь Солнечной системы), объяснения, почему вращение Земли столь незаметно, а также сомнительные аналогии и слова о стройности Мироздания.
Но так ли уж убедительна аналогия между Землей под ногами и далекими «блуждающими» звездочками, о которых ничего не известно, кроме их движения по небосводу? И горы, обнаруженные на близкой Луне, разве доказывают, что далекие планеты устроены так же? Зачем так далеко ходить за обоснованием, почему не удостоверить земное вращение прямо на Земле? Ведь, вращаясь на карусели, ощущаешь вращение даже с закрытыми глазами?! Конечно, если карусель делает один оборот в сутки или в год, заметить вращение трудно, но и спутники Юпитера были незаметны до изобретения телескопа. Так что надо найти какой-то способ прямо засвидетельствовать это вращение, если оно и правда существует. А иначе гелиоцентризм останется удачной математической гипотезой, полезной для расчетов, но не более.
Нечто в этом роде мог сказать Галилею астроном, твердо стоящий на Земле. И, надо признать, в начале семнадцатого века на это нечем было ответить. Наглядные прямые свидетельства вращения Земли (вокруг своей оси и вокруг Солнца) появились лишь два века спустя: маятник Фуко, закон Бэра (согласно которому река подмывает свой правый берег в Северном полушарии), смещение «неподвижных» звезд вследствие перемещения Земли. Однако уже задолго до того астрофизики в таких доказательствах не нуждались - уже с конца семнадцатого века, когда Ньютон - завершив работу, начатую Галилеем, - сформулировал фундаментальные законы физики, управляющие всеми движениями в Солнечной системе. Следствие этих законов - движение Земли вокруг Солнца. Другое следствие - вполне определенная малость проявлений этого движения на самой Земле, всего доли процента.
Вера и знание
Почему же Галилей еще в конце шестнадцатого века уверился в движении Земли? Почему он так доверился косвенным доводам и своим общим представлениям об устройстве Вселенной и почему не придавал значения трезвым возражениям астрономов-реалистов? На эти вопросы у историков нет четкого ответа, но ясно, что гениальные предрассудки Галилея - вера в фундаментальную закономерность Вселенной и в способность человека познать эту закономерность - помогли ему изобрести фундаментальную физику.
В середине двадцатого века поэт-публицист попытался ответить за историков:
Рифмованный ответ, увы, противоречит реальной истории. Во-первых, ученые сверстники Галилея, за малым исключением, твердо знали, что Земля неподвижна. Во-вторых, архипастыри Католической Церкви, зная о его взглядах, долгие годы вполне благожелательно относились к нему. Пока речь шла лишь о научных гипотезах, их разрешалось обсуждать.
Ситуация изменилась, когда научные противники Галилея, исчерпав земные доводы, взялись за Священное Писание. Там, конечно, нет никакой астрономии, никаких планет, ни слова о том, плоска ли Земля или шарообразна. Но, забыв о смысле библейского рассказа, можно найти фразы, выражающие обыденные представления о том, что солнце движется - всходит и заходит, а земная твердь покоится. Соответствующими цитатами и вооружились противники Галилея, держа Библию в качестве щита. Если бы он не обращал внимания на таких оппонентов, мог бы спокойно заниматься своей наукой. Так ему советовали и его доброжелатели среди «пастырей».
Однако Галилей не последовал этому совету. Он не только свободно мыслил, но и свободно верил в Бога. Библия говорила о человеке, сотворенном по подобию Божию, она была его внутренней опорой, но не источником знаний о внешнем мире - кроме того, что мир этот сотворен для человека и доступен познанию. Поэтому, был уверен Галилей, Библия не может противоречить результатам научного исследования и, в частности, движению Земли. Он пришел к этому выводу, опираясь на собственный разум точно так же, как и в своих физических исследованиях.
Такое понимание Библии, надо сказать, присутствовало и в церковной традиции. Галилей цитировал одного кардинала, с которым беседовал: «Библия учит тому, как попасть на небо, а не тому, как небеса движутся». Библия также учит не лгать, и Галилей не внял советам доброжелателей, а честно излагал свое понимание Библии и свою уверенность в том, что Земля движется. Уверенности ему добавили его астрономические открытия и их признание.
Что позволено сказать о Библии кардиналу в частной беседе, то не дозволено мирянину, даже если этот мирянин - прославленный астроном. Тем более когда бдительно правоверные шлют доносы. В 1616 году эксперты инквизиции определили, что утверждение о движении Земли «абсурдно в научном отношении и противоречит Священному Писанию». Официальное постановление звучало мягче, но три книги были запрещены, начиная с книги Коперника, за 70 лет до того ушедшего в историю. Галилей в этом постановлении не упоминался - почтение к нему было столь велико, что архипастыри ограничились устным увещеванием. Позже сам Папа Римский пояснил ему, что, хоть и нельзя утверждать движение Земли как истину, системы Птолемея и Коперника можно обсуждать и сравнивать как математические гипотезы. И книгу Коперника запретили лишь на время, пока ее поправят, подчеркнув, что система Коперника - это лишь математическая гипотеза.
Изобретательный Галилей придумал, как остаться честным и не нарушить церковное предостережение. Раз ему разрешили обсуждать и сравнивать гипотезы Птолемея и Коперника, он напишет книгу в форме беседы между тремя персонажами, двое представят позиции Коперника и Птолемея, а третий - непредвзятый здравый смысл. И пусть сам читатель решит, кто прав.
Книгу «Диалог о двух главнейших системах мира» Галилей завершил полтора десятилетия спустя. Не без трудностей он получил одобрение церковной цензуры, и в 1632 году первые экземпляры книги вышли из типографии. Вскоре, однако, в историю науки вмешалась Католическая Церковь - ее решением книги конфисковали, а Галилея вызвали на суд инквизиции. Знаменито-бесславный суд длился несколько месяцев. Галилея обвинили в том, что он нарушил церковное указание 1616 года трактовать систему Коперника лишь как гипотезу: из его книги слишком ясно было, какая гипотеза верна. Суд книгу запретил и приговорил Галилея к пожизненному тюремному заключению.
За кулисами следствия и в ходе суда действовали и личные мотивы, и факторы церковной политики, но в основе тех событий можно разглядеть… мощный закон инерции. Галилей, открывший физический закон инерции, в полной мере испытал на себе и действие инерции людской. Служители Церкви, разумеется, не могли глубоко вникнуть в систему астрофизических доводов в пользу движения Земли и попросту - по инерции - держались представлений, освоенных в юности. Ведь и выдающиеся люди науки держались этих представлений, прежде всего «король астрономов» - Тихо Браге.
Можно было бы не осуждать церковных судей за их научную инерционность, если бы они не взяли на себя роль научных экспертов: в церковных постановлениях 1616 и 1633 годов движение Земли признано, во-первых, научно ложным и, только во-вторых, противоречащим Библии. Тем самым, судьи-инквизиторы использовали свое служебное положение в личных целях - чтобы сохранить привычное представление. Дело было не в религии как таковой: среди учеников и горячих сторонников Галилея были люди духовного звания. И даже суд был не единогласен - приговор подписали лишь семеро из десяти судей.
Исполнение приговора, как и высшая власть в Церкви, были тогда в руках одного человека - Папы Урбана VIII. Будучи еще кардиналом, он восхищался астрономическими открытиями Галилея и, став Папой, тоже проявлял к нему благосклонность, разрешив обсуждать систему Коперника наряду с системой Птолемея. Но у него был свой довод, почему обе системы навсегда останутся лишь гипотезами: Даже если какая-то гипотеза удовлетворительно объясняет некое явление, всемогущий Бог может произвести это явление совершенно иным образом, недоступным человеческому разуму, и нельзя ограничивать Его всемогущество возможностями человеческого понимания. Папа подарил свой довод Галилею, а тот что сделал?! Вложил этот довод в уста персонажа, который представлял отжившую философию Аристотеля и выглядел очень обидно для Папы:
Симпличио. <…> Я знаю, что на вопрос, мог ли всемогущий Бог сообщить воде наблюдаемое переменное движение [приливы и отливы] иным образом, нежели двигая водоемы, возможен лишь один ответ: Он мог бы сделать это многими способами, немыслимыми для нашего ума. А если так, то чрезмерной дерзостью было бы ограничить Божественное могущество каким-либо измышлением человека.
Так что надо еще благодарить Его Святейшество за то, что он заменил тюремное заключение на домашний арест. А историк науки может даже, забыв о приличиях, поблагодарить за то, что Галилей находился под постоянным наблюдением инквизиции, которая решала, с кем он мог встречаться. Кипучий темперамент физика имел единственный выход - работу над второй и самой главной книгой, в которой он обосновал закон свободного падения - первый фундаментальный закон физики.
Что касается папского довода, то Галилей употребил его не из вредности. Речь шла о сути новой - фундаментальной - физики. Довод очевидно опирался на библейскую фразу «Пути Господни неисповедимы», в современном переводе: «Непостижимы Его решения и неисследимы пути Его». Что мог на это возразить Галилей, с его несомненной верой в Бога и с полным доверием к Слову Божьему?
Он мог сказать, что контекст этой фразы говорит не об устройстве Вселенной, а об отношении Бога к человеку и о внутреннем мире человека с его свободой и неповторимостью. А внешний мир - Вселенная - уже звездным небом дает человеку пример постоянства и закономерности. Не зря же Бог наделил человека способностью к познанию. Галилей чувствовал это по себе. И знал по своему опыту, что человек способен не только выдвигать правдоподобные гипотезы, но и проверять их, отвергать или подтверждать, устанавливая их соответствие устройству Вселенной, созданной Творцом. В Библии ничего не написано о законе плавания, но Архимед сумел этот закон открыть. И Галилей в своем поиске фундаментальных законов природы опирался на веру в закономерность мироздания.
Исследуя пути Господни в устройстве Вселенной и зная, как опыт и язык математики позволяют познавать это устройство, Галилей защищал Библию от чуждых ей задач и, соответственно, от противоречий с результатами научного познания. Он был лучшего мнения о Творце, чем Папа Урбан VIII, а в отношении к истине - святее Папы Римского.
Скорость света - первая фундаментальная константа
Среди неудач Галилея одна столь поучительна, что язык не поворачивается назвать ее неудачей.
В своей последней книге Галилей рассказал о попытке измерить скорость света, и, судя по всему, поводом стало измерение другой скорости - скорости звука. Это, конечно, «две большие разницы». Услышав эхо своего голоса, легко понять, что звук вернулся через малое, но заметное время, и, значит, он распространяется не мгновенно, а с какой-то - пусть и большой - скоростью. Однако в обыденном опыте нет никаких признаков того, что и свету требуется какое-то время на путешествие от источника света до освещенного предмета. Аристотель подытожил это философски: «Свет - это присутствие чего-то, а не движение чего-либо». Так же думали и все коллеги-современники Галилея. Он первым употребил само выражение «скорость света».
Мгновенность - или бесконечная скорость - света предполагалась и в первых измерениях скорости звука. Наблюдая издалека выстрел пушки и полагая, что вспышку выстрела видят немедленно, измеряли время между вспышкой и звуком выстрела. Разделив расстояние до пушки на это время, определили, что скорость звука - около 500 метров в секунду (что всего в полтора раза больше истинного значения).
Галилей, однако, полагал, что мгновенность света - лишь гипотеза, и придумал, как ее проверить. Для этого нужны два человека с фонарями, которые можно открывать и закрывать - сейчас бы сказали: включать и выключать. Сначала они, находясь вблизи, тренируются включать фонарь, увидев свет другого фонаря. Затем расходятся на большое расстояние. Первый включает фонарь, увидев свет которого, включает свой фонарь второй. И первый измеряет время от момента, когда он включил свой фонарь, до момента, когда увидел свет второго фонаря. За это время свет прошел путь туда и обратно.
Если второй фонарь откроется так же быстро, как и на близком расстоянии, - пишет Галилей, - значит, свет доходит мгновенно, а если свету требуется время, то расстояния в три мили хватило бы, чтобы обнаружить задержку. Если же опыт делать на расстоянии, скажем, 8-10 миль, то увидеть слабый свет от далекого фонаря можно, используя телескоп.
Судя по словам Галилея, он проделал такой опыт лишь на расстоянии одной мили и задержку не заметил. И все же высказал догадку, что свет распространяется не мгновенно, хоть и необычайно быстро.
Отец современной физики не объяснил, почему трех миль хватило бы, чтобы обнаружить не -мгновенность света, и зачем тогда увеличивать расстояние до 10 миль. Если минимальным промежутком времени счесть один удар пульса, то проделанный им опыт означал, что свет прошел две мили за время, меньшее секунды, то есть со скоростью как минимум в 10 раз большей скорости звука. А если бы задержки не обнаружилось и на расстоянии 10 миль, это означало бы, что скорость света как минимум в 100 раз больше скорости звука.
Галилей не виноват, что на самом деле скорость света больше скорости звука в миллион раз. Если бы он это заподозрил, то мог сообразить, что земных миль для его опыта не хватит, и вспомнил бы открытые им спутники Юпитера. Ведь, вращаясь, спутник играет роль фонаря, который открывается, выходя из тени Юпитера, и закрывается, заходя в его тень. Конечно, впрямую для опыта Галилея такой фонарь не годится - открывается безо всякой команды через равные интервалы времени. Но опыт можно изменить, заметив, что земной наблюдатель не сидит на месте, даже вглядываясь в телескоп: вместе с телескопом и с планетой Земля он движется вокруг Солнца. Когда наблюдатель приближается к Юпитеру, каждый следующий «восход» спутника наблюдается раньше «положенного» (усредненного), потому что первому лучу от спутника надо пройти меньшее расстояние до Земли. Первый луч прибудет раньше на долю периода, пропорциональную скорости Земли и обратно пропорциональную скорости света. Значит, скорость света можно вычислить, измеряя опережение (или запаздывание) восхода спутника Юпитера.
До такого способа сам Галилей не додумался, хотя в его духе были и земные применения астрономии, и приложение земной физики к пониманию небесных явлений. Он же предложил использовать телескоп в земном опыте по измерению скорости света. А открыв спутники Юпитера и измерив периоды их обращения, разглядел в этом небесные часы «с боем» в момент восхода каждого спутника. Такие часы, доступные всем (у кого есть телескоп), сообразил Галилей, можно использовать для определения географической долготы. А это было жизненно важно для дальнего мореплавания и для экономики.
Так что отец современной физики не только изобрел ее, но и продемонстрировал взаимосвязь науки, техники и экономики.
В физике Галилея проявилось хитрое взаимодействие теории и эксперимента в поиске фундаментальных законов природы. Ясно, как важно проверять закон со все большей точностью. Однако нередко малая точность измерений помогала делать открытия. Например, важнейший для Галилея закон о том, что период колебаний маятника не зависит от амплитуды колебаний, выполняется тем точнее, чем меньше амплитуда. Поэтому, если бы Галилей проверял этот закон не своим пульсом, а очень точным хронометром, ему было бы труднее.
Аналогично - со спутниками Юпитера. Измерив их периоды обращения, Галилей оставил их дальнейшее изучение астрономам. Оставил он также им в наследство свою идею использовать эти спутники в качестве универсальных часов для определения долготы. Для этого требовалось знать периоды обращения спутников, или расписание их затмений, как можно точнее, чем астрономы и занялись, стремясь к свойственной им астрономической точности. Через тридцать лет после смерти Галилея астрономы накопили достаточное количество наблюдений, чтобы обнаружить странную неравномерность хода космических часов. Период обращения спутника иногда был короче, иногда длиннее. В этой неравномерности обнаружилась своя закономерность: короче период становился, когда Земля приближалась к Юпитеру, и длиннее - когда удалялась. Тогда-то астрономы, изучавшие Галилеевы спутники, вспомнили об уверенности Галилея в том, что свет распространяется с огромной, но конечной скоростью. Соединив наблюдения периодов спутников со знанием планетных движений, и получили впервые величину скорости света - 220 тысяч километров в секунду, что близко к истинной величине - около 300 тысяч километров в секунду.
Таким образом, интуиция Галилея оправдалась, как ни удивительно. А это очень удивительно. Ведь не было никаких наблюдаемых свидетельств в пользу конечной скорости света. И выдающиеся современники Галилея, которые занимались наукой о свете, Кеплер и Декарт, считали скорость света бесконечной. Почему Галилей оказался проницательней своих коллег? Потому что был гением и фундаментальным физиком.
Размышляя о скорости света, Галилей видел весь мир физических явлений и верил в глубинное единство этого мира. Зная, что солнечный свет, собранный в вогнутом зеркале, способен расплавить свинец, он сопоставил это «яростное» действие света с разрядом молнии и взрывом пороха, которые «сопровождаются движением и притом очень быстрым». И заключил: «Поэтому я не представляю себе, чтобы действие света обходилось без движения, притом наибыстрейшего».
Галилей был уверен, что Книга Природы «написана на языке математики», но знал, что содержание этой книги - физика. Поэтому, слушая свою интуицию, он не верил ей на слово, а придумывал, как проверять ее самым надежным для физика путем - измерительными экспериментами. Со светом ему это не удалось - точность измерений была слишком мала. Но ему удалось подарить физике саму идею конечной скорости света. Эта идея, благодаря другому подарку - Галилеевым спутникам Юпитера - стала достоверным фактом науки спустя лишь несколько десятилетий после его смерти, в самом начале его бессмертной славы.
Послушаем теперь фрагмент беседы из последней книги Галилея «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых наук», где впервые поставлен вопрос о скорости света:
О наибыстрейшем движении света
Сагредо. Я видел, как солнечный свет, собранный вогнутым зеркалом диаметром около трех ладоней, быстро плавил свинец и зажигал разные горючие материалы. Неужели столь яростное действие света возможно без движения?
Сальвиати. В других случаях - таких как разряд молнии и взрыв пороха - горение и распад сопровождаются движением, и притом очень быстрым. Поэтому я не представляю себе, чтобы действие света обходилось без движения, притом наибыстрейшего.
Сагредо. Но какой степени быстроты должно быть это движение? Оно мгновенно или совершается во времени, как другие движения? Нельзя ли в опыте узнать, каково оно?
Симпличио. Повседневный опыт показывает, что свет распространяется мгновенно. Если издалека наблюдать за выстрелом пушки, то вспышка выстрела достигает наших глаз сразу же, а звук доходит до ушей лишь через заметный интервал времени.
Сагредо. Из подобных опытов можно лишь заключить, что звук движется медленнее света, но не то, что свет доходит мгновенно.
Сальвиати. Неубедительность таких наблюдений побудила меня придумать способ выяснить, распространяется ли свет действительно мгновенно.
Пусть два экспериментатора держат по фонарю, которые можно открывать и закрывать. Сначала, стоя рядом, они упражняются открывать свой фонарь, заметив свет другого. Затем расходятся мили на три и, дождавшись ночи, повторяют свое перемигивание фонарями. Если второй фонарь откроется так же быстро, как и вблизи, значит, свет доходит мгновенно, а если свету требуется время, то расстояния в три мили хватило бы, чтобы обнаружить задержку. Делая опыт на расстоянии, скажем, десяти миль, можно использовать телескопы, чтобы увидеть слабый свет от далекого фонаря.
Сам я провел этот опыт лишь на расстоянии одной мили и не убедился, возвращается ли свет мгновенно. Ясно лишь, что чрезвычайно быстро, почти мгновенно. Я бы сравнил это со сверканием молнии, видном на расстоянии 8-10 миль. Мы видим начало вспышки, или ее источник, в определенном месте среди туч и видим, как молния пронзает соседние тучи. Значит, для распространения требуется некоторое время. Ведь если бы вспышка молнии возникала во всех частях сразу, мы не могли бы различить ее источник, середину и удаленные части. В каком же океане мы незаметно для себя оказались?! Пустота и бесконечности, неделимые атомы и мгновенные движения - сможем ли мы достичь берега, хотя бы и после тысячи обсуждений?
На патетический вопрос в конце фрагмента Галилей ответил своей книгой отважно и оптимистически. Но сам вопрос изобличает физика - фундаментального физика. Его выдающиеся коллеги математического склада мышления - Кеплер и Декарт - смело ставили перед собой задачу полностью и окончательно объять реальный физический мир каким-то единым математическим принципом или небольшим набором, и думали, что достигли своей цели: у Кеплера - кубок шести планет, у Декарта - семь принципов физики. А Галилей понимал, что находится лишь в начале великого пути, где работы хватит на всех, у кого хватит свободы и смелости задавать вопросы об устройстве мироздания и искать на них убедительные - измерительные - ответы.
Заряжаясь его смелостью, очень хотелось бы задать вопросы и ему самому.
Почему он думает, что скорость света не просто конечна, но и «наибыстрейшая»? Как вообще какая-то скорость может быть максимальной? Догадывается ли он, что скорость света - фундаментальная константа природы, причастная к любому физическому явлению, даже протекающему в кромешной тьме?
Наука ответила на эти вопросы три века спустя после жизни Галилея, после нескольких драматических преображений фундаментальной физики, связанных с именами Ньютона, Максвелла и Эйнштейна. Остается лишь изумляться, что изобретатель фундаментальной физики открыл путь и к первой фундаментальной константе в истории.
Глава 3
Гравитация - первая фундаментальная сила
С небес на землю и обратно
В современной физике говорят о четырех фундаментальных силах. Первой открыли силу гравитации. Известный школьникам закон всемирного тяготения определяет силу притяжения F между любыми массами m и M , разделенными расстоянием R :
F = G mM/R 2 .
Школьникам обычно не говорят, что сам Ньютон такую формулу не писал. Он лишь утверждал, что притяжение пропорционально количеству вещества и обратно пропорционально квадрату расстояния. Пропорциональность количеству вещества не удивительна, а вот как Ньютон догадался, что сила зависит от расстояния именно в квадрате, а, скажем, не в кубе?
Школьникам также обычно не говорят, что догадался он не первым. Открытие Ньютоном закона гравитации можно даже назвать закрытием. Он закрыл вопрос, подтвердив догадку астрономическими наблюдениями, подытоженными Кеплером в его планетных законах. Величайший успех Ньютона в глазах его современников - то, что он вывел законы Кеплера из закона гравитации. Для этого ему пришлось сделать дело, великое уже в глазах мировой истории: создать общую теорию движения - механику, изобретя для нее новый математический язык. Главный закон движения связал ускорение a массы m с действующей на нее силой F
а изобретенный математический аппарат (дифференциальное исчисление) позволил решать любую задачу о движении тел на небе и на земле.
Первую небесную задачу решил астроном Эдмонд Хэли (Галлей). Опираясь на закон движения и закон гравитации, он предсказал, что комета 1682 года вернется через 76 лет. И она действительно явилась в должное время! До того можно было еще сомневаться в теории Ньютона, которая «всего лишь» вывела старые законы Кеплера из новых законов движения и гравитации. Но небесный триумф физики обещал ей победы и в задачах земных.
По этому поводу один историк заметил: «Современная наука спустилась с небес на землю по наклонной плоскости Галилея». Не меньше оснований сказать, что - по той же наклонной плоскости - земная физика поднялась до небес. Галилей получил с неба лишь один вопрос: почему столь неощутимо движение Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца с огромными скоростями в тысячи километров в час? Ответ на этот вопрос он искал - и нашел - на Земле, изучая движение с помощью двух своих главных инструментов - эксперимента и математически точного языка. Его ответ - закон инерции и принцип относительности - Ньютон назвал Первым законом механики. А Галилеев закон свободного падения, обнаружив ключевую роль ускорения, дал подсказку для Второго закона - главного закона движения.
Лишь в законе гравитации роли Галилея не видно. Исправляя эту несправедливость спустя два века после его смерти, некий умелец с антикварным уклоном смастерил коллекцию исторических документов, которую получила Французская академия наук. Бумаги - с именами Галилея, Паскаля, Ньютона и других видных фигур - рисовали такую картину. В последние годы жизни (итальянец) Галилей якобы теоретически вывел из второго закона Кеплера, что небесные тела притягиваются обратно пропорционально квадрату расстояния. Об этом открытии он сообщил (французу) Паскалю, который на этой основе построил небесную механику, вычислив еще и массы планет, о чем сообщил (англичанину) Ньютону. А уж тот без стыда и совести опубликовал чужие результаты как свои собственные.
Во Французской академии, ревностно следившей за успехами англичан, азартно изучали сенсационные документы, пока не обнаружили, что одно из писем коллекции адресовано Ньютону, когда тому было всего 10 лет от роду. Автор коллекции не ладил с хронологией. И совсем не ладил с историей науки.
История, конечно, зависит от сохранившихся документальных свидетельств - писем, рукописей, публикаций. Но когда свидетельств о каком-то человеке сохранилось много, подделать совершенно новое свидетельство очень нелегко. Поверить, что 75-летний Галилей вывел закон гравитации из второго закона Кеплера, может лишь тот, кто не читал их книг и совсем не понимает, как можно вывести одно из другого.
Галилей не придавал значения законам Кеплера и тем более его высказываниям о Солнце как источнике силы, движущей планетами, о том, что сила эта убывает обратно пропорционально расстоянию (а не его квадрату), и о силе притяжения как о «симпатии родственных тел», их «стремлении к соединению». «Стремление» это Кеплер иногда лишь уподоблял магнетизму, иногда отождествлял с ним. Из его текстов неясно, имел ли он в виду одну силу или две. Ясно лишь, что он надеялся на физиков, раз писал: «Пусть физики проверят…»
В 1600 году англичанин Гильберт опубликовал книгу «О магните, магнитных телах и большом магните - Земле», где, кроме прочего, высказал идею о том, что Земной шар - огромный магнит, и экспериментально обосновал это с помощью модели Земли - шарообразного магнита, следя за поведением стрелки компаса на поверхности шара. Под впечатлением от этой книги Кеплер и писал о магнитных силах в планетной системе, внедряя последнее слово физики в астрономию. Но, в отличие от Гильберта, Кеплер не дал никаких конкретных, хотя бы качественных, доводов и никак не связал магнитную физику ни с его гипотезой о планетных силах, убывающих обратно пропорционально расстоянию, ни с собственными точными законами планетного движения. В таком обращении с наукой физик Галилей видел проявление «слишком свободного» ума, а попросту - легкомыслие. По поводу же исследований Гильберта он, высоко их оценив, пожелал, чтобы тот был «немного больше математиком». Не потому что Галилей любил математику, а потому что математически точный язык открывает путь к экспериментальной проверке и, стало быть, к точному знанию.
Фундаментальный физик Галилей мог смотреть на законы Кеплера как на математические соотношения, не менее изящные, чем космография планет юного Кеплера, но и не более проникающие в физическую суть планетной системы. Через две точки можно провести только одну прямую, а через множество точек планетных наблюдений - сколько угодно разных кривых, в том числе, быть может, и изящных. С планетами не поэкспериментируешь, меняя параметры их движения. Поэтому Галилей старался проникнуть в фундаментальные законы планетной физики, опираясь на земной эксперимент, который надо придумать, и используя простейшую орбиту из возможных - круговую, тем более что орбиты Земли и Венеры почти точно круговые.
Чтобы вывести закон гравитации, надо было слово «притяжение» сделать физическим понятием, доступным для экспериментального исследования. Надо было связать это понятие с измеримыми величинами, прежде всего с самим движением. Это и сделал Ньютон. А до того о планетных силах и их зависимости от расстояния можно было лишь говорить.
Самый ранний «разговор» о силе, пропорциональной 1/R 2 , состоялся в книге французского астронома Буйо в 1645 году. Автор чтил Коперника, Галилея и Кеплера, но планетную силу - не по Кеплеру - уподобил освещенности, убывающей с расстоянием от источника света именно как 1/R 2 . Но затем, в той же самой книге, Буйо отверг само существование движущей силы. Уже отсюда ясна неубедительность гипотезы Кеплера. Легко представить себе, что Галилей ребяческими счел бы и разговоры Буйо: откуда аналогия между светом и планетными силами?! Впрочем, ко времени издания книги французского астронома Галилей уже три года как ушел в историю. А неубедительные слова о силе, обратно пропорциональной квадрату расстояния, тем не менее в историю вошли. И дошли до времен Ньютона.
Что же получается?! Важнейшая физическая идея родилась незаконно и долгое время жила подкидышем?! А ее рождению более всех противился отец современной физики?! Так, но не совсем. Во-первых, и к научным идеям применимы слова поэта: «Когда б вы знали, из какого сора растут стихи, не ведая стыда…» Рождение нового - всегда чудо. А во-вторых, идея 1/R 2 стала важной лишь в сочетании с другими идеями, которые появились спустя десятилетия.
История науки, как и всякая интересная история, - это неповторимый ход событий. Отсюда шаблонная фраза о том, что история не знает сослагательного наклонения. История не знает, но физик, вглядываясь в историю, привычно делает мысленные эксперименты , меняя - в пределах возможного - поступки исторических персонажей и разворачивая новую цепь событий, чтобы оценить вероятности и невероятности реально происшедшего. За этот прием мышления надо благодарить Галилея, который, создавая современную физику, мастерски им пользовался. Мысленный эксперимент - схема эксперимента, допускаемая известными фактами, не считаясь с затратами. Свободно меняя условия эксперимента, легче ставить вопросы и отвечать на них с помощью известных фактов и законов природы.
Перенося этот прием из физики в ее историю, зададим вопрос: «Мог ли Галилей узнать скорость света?», разумеется, в пределах его исторически реальных возможностей - его знаний, способа мышления и его предубеждений. На этот вопрос история позволяет ответить отрицательно. В эксперименте придуманного им типа, даже если дать ему все ресурсы тогдашней техники, заведомо не хватало точности. А чтобы придумать эксперимент с участием спутников Юпитера, ему надо было оставить физику, стать астрономом-наблюдателем и не менее года вести наблюдения, зачем-то уточняя уже измеренные им периоды спутников. Это кажется невероятным. Так что скорость света открыть он не мог, хоть и был предубежден, что она конечна.
Галилей был также предубежден, что никакого планетного притяжения нет. Но это не значит, что ясен ответ на вопрос:
Мог ли Галилей открыть закон всемирного тяготения?
Выдающийся физик и веселый человек Ричард Фейнман так изложил предысторию закона гравитации:
Во времена Кеплера некоторые считали, что планеты движутся вокруг Солнца, потому что невидимые ангелы толкают их вдоль орбиты. Это не так уж далеко от истины: ангелы толкают планеты, но не вдоль, а поперек орбиты, в направлении к ее центру.
Стремясь к краткости, Фейнман опустил важный промежуточный этап. Галилей обходился вовсе без ангелов, считая круговое движение планеты вокруг Солнца движением естественным, свободным. Вопрос о размерах орбит и о скоростях планет оставался открытым, но Галилей видел массу открытых вопросов, что его не огорчало и не смущало, а лишь раззадоривало. Как и Кеплер, Галилей верил, что другие планеты по своей природе подобны Земле, и укрепил свою веру, увидев в телескоп гористую поверхность Луны. Его вера давала надежду, что изучение законов природы на Земле поможет понять и законы планетных движений.
На Земле Галилей открыл закон свободного падения, а также закон движения тела, брошенного под углом к горизонту. Траектория такого движения, как знают ныне школьники, - парабола. Это свое открытие Галилей долго не публиковал. Он понимал, что результат получен в приближении «плоской Земли»: парабола тем точнее описывает траекторию, чем ее размер меньше по сравнению с радиусом Земли, то есть чем меньше начальная скорость, или же чем меньшую часть траектории рассматривать. Он не знал, какова форма траектории в случае «большого движения», когда начальная скорость достаточно велика, и уже нельзя пренебречь сферичностью Земли.
Трудность была теоретической, и эксперимент не мог помочь: чтобы в лаборатории заметить сферичность Земли, размеры лаборатории должны быть сравнимы с радиусом Земли. Галилей мог, однако, воспользоваться мысленным экспериментом, в чем был большой мастак. Надо было лишь придумать вопрос для мысленного экспериментатора.
Например, такой. Если бросить шар в горизонтальном направлении с небольшой скоростью, он упадет на землю поблизости, двигаясь по крутой параболе. Если начальную скорость увеличить, парабола станет более пологой. А с какой скоростью надо бросить шар, чтобы, падая, он оставался на одном и том же удалении от поверхности Земли, уходящей «вниз» из-за своей сферичности?
Эту задачу Галилей мог решить, пользуясь математикой не сложнее теоремы Пифагора, зная радиус Земли R и ускорение свободного падения g , им измеренное. Искомая скорость, как может убедиться нынешний школьник,
V= (gR) 1/2 ~ 8 км/сек.
Это конечно же первая космическая скорость, то есть скорость, с которой нужно бросить шар, чтобы он стал искусственным спутником Земли. Впервые это удалось сделать в России в 1957 году, а в Италии семнадцатого века слов таких не знали и величину скорости назвали бы астрономической. Она была скорее астрофизической. Но астрофизику Галилею мысленный шар, летящий на постоянном расстоянии от поверхности Земли, конечно, напомнил бы Луну.
Он бы легко убедился, однако, что для Луны полученное соотношение, увы, не выполняется, и очень сильно. Скорость Луны в 60 раз меньше, «чем надо». Поскольку скорость Луны и расстояние до нее были хорошо известны, Галилей подумал бы об ускорении свободного падения g , которое сам измерил. Но измерил-то на поверхности Земли, а не на высоте Луны. Соотношение выполнилось бы, если ускорение свободного падения на высоте Луны в 3600 раз меньше земного. Расстояние до Луны в 60 раз больше радиуса Земли. Напрашивается гипотеза: ускорение свободного падения меняется с удалением от Земли обратно пропорционально квадрату расстояния . Эту гипотезу Галилей мог подтвердить и на спутниках Юпитера, и на спутниках Солнца - планетах. В результате он получил бы новый закон природы - общий закон свободного падения , определяющий ускорение свободного падения g(R) в точке, удаленной на расстояние R от небесного тела массы M
g(R) = GM/R 2 ,
здесь G - константа, одинаковая для любого небесного тела, а значит, константа фундаментальная.
Как Галилей мог открыть общий закон свободного падения
Исследуя свободное падение, Галилей выяснил, что шар, брошенный горизонтально в пустоте, падает по параболе, форма которой определяется начальной скоростью V и ускорением свободного падения g : при этом скорость движения по горизонтали сохраняется V г = V , а по вертикали растет со временем V в = gt .
Сделаем мысленный эксперимент, поднявшись вместе с мысленным Галилеем на легендарную башню. Будем бросать шары горизонтально со все большей скоростью. Если скорость броска мала, шар упадет - по крутой параболе - на землю поблизости от башни. А если скорость очень велика, парабола станет очень пологой, и шар улетит очень далеко от Земли.
Спрашивается, с какой скоростью надо бросить шар, чтобы, свободно падая, он оставался на той же высоте от земной поверхности, уходящей закругленно «вниз»?
На этот вопрос ныне может ответить и школьник, нарисовав указанную схему, применив теорему Пифагора и учтя, что радиус Земли R
НЕ МОЖЕТ ЗАБЛУЖДАТЬСЯ ПИСАНИЕ, НО ЗАБЛУЖДАТЬСЯ МОГУТ НЕКОТОРЫЕ ЕГО ИСТОЛКОВАТЕЛИ И ИЗЪЯСНИТЕЛИ
Пятнадцатого февраля исполняется 450 лет со дня рождения Галилео Галилея (†1642) — итальянского физика, астронома и математика, одним из первых, как написано в любой энциклопедии, применившего телескоп для наблюдения неба. Многим рассказывали в школе, что этот ученый открыл фазы Венеры, вращение Солнца вокруг своей оси, формы лунного рельефа, Млечный Путь как скопление звезд, а за распространение учения Коперника был преследуем инквизицией. Что из наследия этого теперь уже далекого предшественника современных ученых может оказаться нам полезным? В чем Галилей обогнал свое время, а в чем непоправимо заблуждался? На эти вопросы нам отвечает историк науки профессор философского факультета Санкт-Петербургского государственного университета, доктор химических наук Игорь Дмитриев.
— Игорь Сергеевич, часто говорят о революционном влиянии Галилея на развитие не только точных и естественных наук, но и на развитие современной цивилизации. Так ли это, на ваш взгляд?
— Галилею принадлежит ряд замечательных открытий в физике: закон равноускоренного движения, закон движения тела, брошенного под углом к горизонту, закон независимости периода собственных колебаний маятника от амплитуды этих колебаний (закон изохронности колебаний маятника) и т.д. Кроме того, с помощью сконструированного им телескопа он сделал несколько важных астрономических открытий: фазы Венеры, спутники Юпитера и др. Однако, сколь бы ни были велики его заслуги в конкретных науках, не менее, а в исторической перспективе даже более значимо другое — в его трудах рождалась методология новой науки, стиль современного научного мышления. Достижения Галилея — это не просто совокупность, пусть и очень важных, открытий в области астрономии и механики, но труд, запечатлевший глубокие изменения в отношении теоретика к своему предмету во всей его радикальности и культурной обусловленности.
В основе Галилеевой методологии лежит представление о том, что исследователь изобретает нереальные (часто экстремальные) ситуации, к которым применимы его понятия (масса, скорость, мгновенная скорость и т.д.) и тем самым понимает физическую суть реальных процессов и явлений. Опираясь на этот подход, Галилей выстраивал здание классической механики. Если обратиться к трактату Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира», сразу обращает на себя внимание: речь в нем идет о принципиальном разрыве с прошлым, что, кстати, проявилось не только в содержании и фразеологии трактата, но и в выборе гравюры для титульного листа, особенно во втором и последующих его изданиях (1635, 1641, 1663 и 1699/1700). Если в первом издании (1632) на титульном листе были изображены три персонажа (Аристотель, Птолемей и Коперник), беседующие на равных на фоне Венецианского арсенала, то в лейденском издании 1699/1700 года престарелый и немощный Аристотель сидит на скамье, Птолемей стоит в тени, а перед ними стоит моложавый Коперник в позе победителя в споре.
Традиционно натурфилософ изучал то, что стояло за реальностью, и потому его главная задача состояла в том, чтобы эту реальность (уже данную!) объяснить в причинно-следственных терминах, а не описывать ее. Описание — дело различных (конкретных) дисциплин. Однако по мере открытия новых объектов и явлений (географических открытий Колумба, астрономических открытий Тихо, Кеплера и Галилея и т.д.) выяснилось, что далеко не все они могут быть удовлетворительно объяснены с помощью традиционных схем. Поэтому нараставший эпистемологический кризис был прежде всего кризисом натурфилософским: традиционный объяснительный потенциал оказался недостаточным для охвата новой реальности (точнее, ее фрагментов, ранее неизвестных). Когда же в научных кругах Западной Европы заговорили об альтернативе «Птолемей — Коперник», речь уже шла не только о выборе между двумя (или тремя, если учесть теорию Тихо Браге) астрономическими (космологическими) теориями, но и о двух соперничавших натурфилософских системах, поскольку «новая астрономия» стала частью — и символом! — «новой натурфилософии (новой физики)», а шире — нового мировоззрения. Решающим событием, в корне изменившим ситуацию, на мой взгляд, следует считать телескопические открытия Галилея. Формально они не имели отношения к космологической тематике (во всяком случае из них никак не следовала физическая истинность теории Коперника), однако они заставили современников Галилея почти в буквальном смысле взглянуть на небеса другими глазами. Предметом дискуссий стали не движения светил, но сама «природа небес». Чисто математические аргументы отошли на второй план.
— Как повлияли идеи, исследования и открытия Галилея на осознание индивидуумом своей роли в мироздании? Сохраняется ли в мире, на ваш взгляд, это осознание сейчас?
— Начало Нового времени, XVI-XVII века — эпоха бунта. Человек стал своевольным и опасным, о чем блестяще писал российский искусствовед Александр Якимович. Творческому человеку Нового времени всего мало. Он тянется к новым смыслам, ценностям, фактам, образам, системам, но не для того, чтобы на них успокоиться, а для того, чтобы их тоже подвергнуть своей убийственной неудовлетворенности и в конечном счете уничтожить. И это неверие в способности человека, осознание его моральной, интеллектуальной и эмоциональной недостаточности стало движущей силой новоевропейской культуры. Да, человек плох, он слаб, неспособен ни познать истину, ни достойно устроить свою жизнь. А теперь за дело! Будем исправлять положение, раз уж у нас хватило мужества увидеть себя такими, какие мы есть! Надо рисковать, дерзать и дерзить! И если вернуться к Галилею, то он является результатом («продуктом») этой антропологической революции Нового времени. Он, как никто, умел и дерзать, и дерзить, нарушая традиции и подрывая устои.
Но есть и другая сторона. Галилей, закладывая основы новой науки и научной методологии, создавал модель мира природы, в котором человеку отводится роль внешнего, стороннего наблюдателя, который, познавая мир, отказывается черпать истины исключительно из трудов древних авторитетов — Аристотеля, Птолемея и др. Познавательный импульс выводит человека из мира традиционной книжной учености, но куда? В вольную природу? Нет, там можно многое увидеть, подметить кое-какие закономерности, но не познать глубинные законы явлений. Галилей выстраивает воображаемый мир, мир идеализированных объектов, который является порождением человека, но в котором человеку места нет. Это мир мысленных конструкций (материальных точек, абсолютно твердых тел и т.п.).
По мере развития науки и философии роль познающего субъекта изменилась. Многие мыслители нашего времени говорят о существовании фундаментальной согласованности основных законов и свойств Вселенной с существованием в ней жизни и разума. Это утверждение называется антропным принципом, который имеет множество формулировок. Исследования в астрофизике показывают: если бы в самые первые доли секунды Вселенная расширялась со скоростью, отличающейся от той, с которой она расширялась миллионы лет назад, то людей не было бы, поскольку не хватило бы углерода.
— Галилей много сделал для отделения науки от лженауки. Какова его роль в формировании современно-критичного отношения к научным версиям, требующего от них оформления в виде гипотез, подтверждения экспериментом и встраивания в научную теорию? Можно ли говорить, что Галилей и здесь стал реформатором, или же он следовал общему дискурсу познания мира своей эпохи?
— Галилей был скептиком и полемистом. Как любой ученый, он отстаивал свои идеи с привлечением всех доступных аргументов. При этом он не боялся идти против устоявшихся мнений и против мнений, представлявшихся ему ложными. Оба главных сочинения Галилея — «Диалог о двух главнейших системах мира» и «Беседы и математические доказательства» — пример его полемики с аристотелианцами по разным вопросам. Если говорить о лженауке и отделении ее от науки, то для Галилея лженаука — прежде всего перипатетическая натурфилософия. И, вступая в полемику, Галилей обращался к трем основным типам аргументов: к реальным наблюдениям и экспериментам (своим и чужим), мысленным экспериментам и математическим (прежде всего геометрическим) доводам. Такое сочетание аргументов было для многих его современников новым и непривычным. Поэтому многие оппоненты Галилея предпочитали переносить центр тяжести полемики в теологическую плоскость.
— Насколько серьезно, на ваш взгляд, Галилей повлиял на мировоззрение церковных людей? Был ли он верующим христианином или бунтарем-одиночкой?
— Галилей был правоверным католиком. Вместе с тем он искренне полагал, что его миссия (возложенная на него Богом) — открыть людям новый взгляд на мир и уберечь Католическую Церковь от поспешного осуждения гелиоцентрической теории Коперника по теологическим основаниям. В теологической полемике по поводу гелиоцентризма, в которую Галилей был вовлечен вопреки своей воле, он опирался на два положения: тезис кардинала Чезаре Баронио (C.Baronio; 1538-1607) «Дух Святой научает не тому, как перемещаются небеса, а тому, как нам туда переместиться» и тезис святого Августина «Истина заключена в сказанном Божественным авторитетом, а не в том, что полагается слабым человеческим разумением. Но если кто-либо невзначай сможет поддержать это утверждение таким доказательством, в коем невозможно усомниться, то тогда мы должны будем доказать, что сказанное в наших книгах о шатре небесном не противоречит этим истинным утверждениям» . При этом первый тезис используется Галилеем для обоснования второго в контексте представления о данных Всевышним двух книгах — Книге Божественного откровения, то есть Библии, и Книге Божественного творения, то есть Книге природы.
Однако все эти замечательные рассуждения имели мало ценности в глазах теологов. Фактически Галилей, при всей его искренней правоверности, когда речь заходила о демаркации между наукой и религией (точнее, теологией), отводил последней весьма скромную роль: теологические воззрения должны были временно заполнять пробелы в нашем познании мира. Теологи быстро разглядели, куда могут завести выступления «рысьеглазого» флорентийского патриция. Церковь видела в науке ту сформировавшуюся в контексте христианской культуры универсализирующую силу, которой была она сама, силу, посягающую на изучение и объяснение всего, что есть в мире. Идея разделения сфер компетенции науки и религии, которую отстаивал Галилей — мол, Дух Святой научает не тому, как перемещаются небеса, а тому, как нам туда переместиться, а следовательно, «весьма благоразумно не позволять никому использовать каким-либо образом священный текст для доказательства истинности любых натурфилософских утверждений», — теологически была совершенно неприемлема.
Вопросы о «перемещении неба» и о перемещении души на небо разделить, конечно, можно. Но остается реальная угроза, что рано или поздно найдется какой-нибудь кандидат физико-математических наук, который заявит, что и по поводу второго вопроса у него есть кое-какие соображения, и начнет писать формулы. А почему бы и нет, если Галилей в Dialogo убеждал читателя, что «хотя Божественный разум знает в них [в математических науках] бесконечно больше истин, ибо он объемлет их все, но в тех немногих, которые постиг человеческий разум, его познание по объективной достоверности равно Божественному». Был ли он бунтарем-одиночкой? Не сказал бы. Многие даже среди прелатов сочувствовали его взглядам, не говоря уже о многих математиках и астрономах в разных странах Европы, но предпочитали помалкивать. Как писал Евгений Евтушенко,
Ученый, сверстник Галилея,
Был Галилея не глупее.
Он знал, что вертится земля,
но у него была семья.
— Внес ли Галилей вклад в секуляризацию сознания, сопутствующую наступившей затем эпохе Просвещения? Можно ли назвать его предтечей просветителей?
— Думаю, внес. Действительно, обратимся к тексту его знаменитого письма своему ученику и другу Бенедетто Кастелли от 21 декабря 1613 года. В нем Галилей четко и ясно формулирует свои взгляды: «Хотя не может заблуждаться Писание, но заблуждаться могут иной раз некоторые его истолкователи и изъяснители. Ошибки эти могут быть различными, и одна из них является очень серьезной и очень распространенной; именно ошибочно было бы, если б мы захотели держаться буквального смысла слов, ибо, таким образом, получились бы не только различные противоречия, но и тяжкие ереси и даже богохульства, ибо тогда пришлось бы с необходимостью предположить, что Бог имеет руки, ноги, уши, что Он подвержен человеческим страстям, как, например, гневу, раскаянию, ненависти; что Он также иногда забывает прошлое и не знает будущего.
Итак, в Писании, правда, содержатся многие предложения, которые, взятые в буквальном смысле слова, кажутся ложными, но они выражены таким образом для того, чтобы приспособиться к невосприимчивости простонародья. Поэтому для тех немногих, которые достойны подняться над чернью, ученые истолкователи должны разъяснять истинный смысл этих слов и приводить основания, по которым этот смысл преподносится именно в таких словах.
Таким образом, если Писание, как мы выяснили, во многих местах не только допускает, но и с необходимостью требует истолкования, отличного от кажущегося смысла его слов, то мне представляется, что в научных спорах оно [Писание] должно привлекаться в последнюю очередь; ибо от слова Божия произошли и Священное Писание и Природа, первое как дар Святого Духа, а вторая во исполнение предначертаний Господа; но, как мы приняли, в Писании, чтобы приноровиться к пониманию большинства людей, высказываются многие положения, несогласные с истиной, если судить по внешности и брать буквально его слова, тогда как Природа, напротив, непреклонна и неизменна, и совершенно не заботится о том, будут или не будут ее скрытые основы и образ действия доступны пониманию людей, так что она никогда не преступает пределы законов, на нее наложенных».
Иными словами, Галилей предлагал в случае несоответствия научных утверждений буквальному смыслу священного текста отойти от его буквального понимания и воспользоваться иными (метафорическими, аллегорическими и прочими) его толкованиями. Однако теологам все эти остроумные рассуждения Галилея представлялись малоубедительными. Их контраргументы могли сводиться (и сводились) к следующему: возможно, буквалистское истолкование библейского текста и наивно, но это всё же текст Святого Духа, а не спекулятивные утверждения Галилея, в риторике которого никаких доводов, «обладающих силой необходимости и доказательности», не просматривается. Да, «две истины никогда не могут друг другу противоречить», но пока-то в наличии только одна — Священное Писание, тогда как утверждение, будто движение Солнца по небосводу — не более, чем иллюзия, еще нельзя считать «достоверным в силу опыта и неопровержимых доказательств». Я напомню, что гелиоцентрическая теория Коперника в то время еще не получила убедительных доказательств и Галилей явно переоценивал убедительность своих аргументов. Ведь что, собственно, он хотел сказать? Что геоцентрическая теория Птолемея противоречит буквальному смыслу Писания, а потому следует принять недоказанную теорию Коперника, которая тоже противоречит буквальному смыслу священного текста; к тому же, чтобы свести концы с концами, предлагается принять также некое аллегорическое толкование ряда фрагментов Библии. А чего ради?
Однако позиция Церкви по отношению к теории Коперника и науке вообще не была монолитной. Кардинал Беллармино, к примеру, делал акцент на недоказанности гелиоцентрической теории. А Папа Урбан VIII — на недоказуемости любой научной теории. Урбана VIII не устраивала не сама по себе теория Коперника и даже не то, что кто-то предпочитал ее системе Птолемея, но то, как Галилей трактовал любую научную теорию. В глазах Урбана VIII Галилей был виновен не в том, что теории Птолемея он предпочитал теорию Коперника, а в том, что он посмел утверждать, будто научная теория (любая!) может описывать реальность и раскрывать реальные причинно-следственные связи, что, по мнению Верховного понтифика, прямо вело к тяжкой доктринальной ереси — отрицанию важнейшего атрибута Бога: Его всемогущества (Potentia Dei absoluta), а если вдуматься, то и Его всеведения. В силу этого он обвинялся Церковью в распространении формальной ереси, поскольку налицо все необходимые условия для такого обвинения: «error intellectus contra aliquam fidei veritatem» («ошибка разума против какой-либо истины веры», причем ошибка, допущенная по собственной воле, — «voluntarius»), а также отягчающее обстоятельство: «cum pertinacia assertus», то есть упорство в ереси.
Не существует, по глубокому убеждению Урбана, физически истинных (и, соответственно, физически ложных) — актуально или потенциально — утверждений и теорий. Есть теории, которые лучше «спасают явления» и которые делают это хуже, есть теории более удобные для вычислений и менее удобные, есть теории, в которых больше внутренних противоречий и в которых их меньше, и т.д. Урбан полемизировал не с Галилеем (точнее, не только с ним)! Он на заре того, что часто называют научной революцией Нового времени, вел диалог (разумеется, по обстоятельствам эпохи и своего статуса, с позиции силы и в теологических терминах), если можно так выразиться, с самой методологией зарождающейся классической науки. Галилей спасал атрибуты новой науки, Урбан — атрибуты Бога. Вот что лежало в основе процесса над Галилеем 1633 года.
Папа, стоя на позициях «теологического скептицизма», требовал от Галилея признания:
— необходимости учета наряду с естественной причинностью также «причинности» иного рода, а именно учета действия некой сверхъестественной (Божественной) «каузальности», причем речь фактически шла не просто об эксклюзивном нарушении Богом «обычного хода Природы», но о детерминации естественного хода вещей сверхъестественными факторами;
— принципиальной непознаваемости истинных причин природных явлений (а не только ограниченности человеческого понимания природной реальности).
Получалось, по Урбану VIII, что даже если существует единственная непротиворечивая теория, «спасающая» явления, то есть описывающая их так, как мы их наблюдаем, то ее истинность всё равно остается в принципе недоказуемой в силу догмата о Божественном всемогуществе, который фактически лишал любую теорию ее когнитивной значимости. Человеку не дано построить истинную «систему мира». Поэтому, если натурфилософское утверждение противоречит библейскому тексту и это противоречие оказывается неразрешимым для человеческого разума, в этом случае, по мнению Папы, следует отдать предпочтение теории, наилучшим образом согласующейся с текстом Священного Писания и с теологической традицией, ибо Библия является единственным источником достоверного знания.
Вместе с тем, хотя аргумент Урбана и был облечен в теологическую форму (что естественно для Верховного понтифика), он не является чисто богословским. Если рассуждать отвлеченно-логически, позиция Папы сводилась к следующему: сколько бы наблюдаемых данных ни свидетельствовало в пользу некоторой теории, всегда можно представить некий мир, в котором все эти наблюдения будут истинными, но теория — ложной. Галилей в принципе понимал это затруднение, но ученого смущало обращение Папы именно к сверхъестественному миру. И смущало Галилея это обстоятельство, разумеется, не в силу его якобы недостаточной крепости в вере, а в силу убежденности, что Бог не иллюзионист и не обманщик, что Он создал упорядоченный мир, явления которого подчинены определенным, математически выражаемым законам, и задача науки — постичь эти законы (историк философии, разумеется, сразу уловит здесь картезианскую тему и будет прав). Если же ход естественных явлений определяется сверхъестественными причинами, то тогда в «естестве» (то есть в Природе) не остается ничего «естественного».
Прошло около десяти лет после героической смерти Бруно, и в 1610 г. по всему миру разнеслась весть о поразительных астрономических открытиях итальянского ученого Галилео Галилея .
Имя Галилея и до этого было известно ученым. прославился своими открытиями в физике и механике , но он с юных лет интересовался также астрономией и был убежденным сторонником учения Коперника.
Считал, что наблюдения и опыт - вернейшее средство познания природы. Поэтому в астрономии он придавал особенное значение наблюдениям неба.
Коперник, Бруно и их современники могли увидеть на небе только то, что доступно невооруженному глазу. был первым ученым, начавшим наблюдения неба при помощи построенных им зрительных труб.
Какими крохотными были эти трубы Галилея по сравнению с современными мощными телескопами, увеличивающими изображение в тысячи раз! Первая труба, с которой начал свои наблюдения, увеличивала только в три раза. Позднее ему удалось построить трубу с увеличением в тридцать два раза. Но какими волнующими, буквально потрясавшими современников были открытия, сделанные Галилеем при помощи этих самодельных инструментов!
Каждое из этих открытий было наглядным подтверждением учения гениального Николая Коперника . Наблюдая Луну, убедился, что на ней есть горы, равнины и глубокие впадины. А это означало, что лунная поверхность по своему устройству похожа на земную.
Открыл четыре спутника Юпитера, обращающиеся вокруг этой планеты. Это открытие неопровержимо доказало, что не только Земля может быть центром обращения небесных светил.
Наблюдая солнечные пятна, обнаружил , что они перемещаются по солнечной поверхности, и сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси. После этого легки было допустить, что вращение вокруг оси свойственно всем небесным телам, а не только Земле.
Но это было еще не все. Наблюдая звездное небо, убедился , что число звезд гораздо больше, чем может видеть невооруженный глаз.
Огромная белая полоса на небе - Млечный Путь - при рассмотрении ее в зрительную трубу отчетливо разделялась на отдельные звезды.
Так подтверждалась смелая мысль Бруно о том, что звезд - солнц - бесконечное множество, а значит, просторы Вселенной безграничны и неисчерпаемы.
Эти открытия Галилея были встречены восторженным удивлением современников. Вслед за Галилеем астрономы в разных странах начали наблюдать небо в астрономические трубы и полностью подтвердили открытия Галилея. Таким образом, для всех передовых людей становилось ясно, что правы Коперник и Бруно, что мнение о какой-то исключительной роли Земли в мироздании не выдерживает никакой критики.
Легко понять, какую бешеную злобу "отцов церкви" должны были вызвать открытия Галилея, наносившие еще более сокрушительный удар по религиозным вымыслам, чем в свое время вдохновенные идеи Бруно.
Передовая наука, подтвердившая правоту Коперника, была страшна для церкви . Злоба римских церковников обрушилась на всех последователей Коперника, и в первую очередь на Галилея. Специальным указом римского папы книга Коперника была изъята, а пропаганда его учения запрещена. Но не только не подчинился этому запрещению, а, наоборот, продолжал разрабатывать учение Коперника.
Много лет работал над большим трудом "Диалог о двух главнейших системах мира, Птолемеевой и Коперниковой". В этой книге, которую с огромными трудностями ему удалось издать в 1632 г., он, обобщая свои открытия, убедительно показывал безусловную правильность учения Коперника и полную несостоятельность системы Птолемея. Изданием этой книги как бы заявлял всему миру, что ему не страшны угрозы церкви, что он полон решимости до конца бороться за торжество науки против суеверия и предрассудков.
В ответ на появление этой книги римская церковь привлекла Галилея к суду инквизиции . В расправе над великим ученым "святые отцы" церкви видели единственный путь для спасения своего авторитета, разрушаемого успехами науки.
Трудно представить себе что-либо более позорное, чем судилище, перед которым пришлось предстать Галилею. Его силой заставили отречься от учения, что Земля вращается.
Осудив Галилея, инквизиция сделала все, чтобы отравить и последние годы его жизни . Он жил под домашним арестом, а постигшая его слепота не давала ему возможности продолжать заниматься наукой. В 1642 г. умер. Замечательный физик, механик, продолжатель дела Коперника, мужественный борец за науку против религиозного суеверия и невежества - таков был этот великий ученый.
Много веков в науке о Вселенной господствовало учение Птолемея. Оно принималось и поддерживалось церковью и казалось истинным и неопровержимым. Но шло время, росли города, развивались ремёсла и торговля, европейцы узнавали новые страны и народы. Открытия мореходов Португалии и Испании в XIV-XVI вв. изменили географическую карту. Люди поняли, как огромен мир, в котором они живут, а кругосветное путешествие Ф. Магеллана окончательно доказало шарообразность нашей планеты.
Система мира по Николаю Копернику
Человеком, которому удалось создать новую модель Вселенной, стал великий польский астроном Николай Коперник (1473-1543). Наблюдения за звёздами и планетами, изучение трудов древних мыслителей и своих современников, сложные математические расчёты позволили ему сделать вывод о том, что Земля обращается вокруг Солнца. Центром мира, по убеждению Коперника, является Солнце, вокруг которого движутся все планеты, вращаясь одновременно вокруг своих осей. Звёзды, по Копернику, неподвижны и находятся на огромных расстояниях от Земли и Солнца. Их вращение вокруг Земли кажущееся, и связано оно с тем, что наша планета сама вращается вокруг своей оси, совершая один оборот за 24 часа. Звёзды образуют сферу, которая ограничивает Вселенную.
Представление о Вселенной Джордано Бруно
Учение Коперника сразу же нашло сторонников среди учёных XVI в. Они распространяли идеи великого астронома в своих странах, расширяли и углубляли их. Так, итальянский учёный Джордано Бруно (1548-1600) считал, что Вселенная бесконечна, она не имеет и не может иметь единого центра. Солнце - центр Солнечной системы. Но само оно - одна из множества звёзд, вокруг которых обращаются планеты. Возможно, полагал Дж. Бруно, на них тоже есть жизнь. Да и Солнечная система пока полностью не изучена, не исключено, что в ней существуют ещё не открытые планеты. Как стало ясно позднее, многие из этих догадок Дж. Бруно были верными.
Изучение Вселенной Галилео Галилеем
Много сделал для развития учения Коперника и другой итальянский учёный - Галилео Галилей (1564-1642). В своих наблюдениях за небесными телами он впервые использовал телескоп, который изготовил самостоятельно (кто был изобретателем этого прибора, сейчас сказать трудно). Лучший телескоп Галилея давал увеличение всего лишь в 30 раз. Но и этого было достаточно, чтобы увидеть неровности на поверхности Луны и тёмные пятна на Солнце. Солнечные пятна не оставались неподвижными, они перемещались по его поверхности, но всегда в одну сторону. Напрашивался вывод, что Солнце вращается вокруг собственной оси. Больше всего поразило современников открытие Галилеем спутников Юпитера. Это доказывало, что не только вокруг Земли могут обращаться небесные тела.
Знакомя современников со своими открытиями, Галилей указывал на правильность учения Н. Коперника. Это учение медленно, в жестокой борьбе со старыми предрассудками завоёвывало всё новых и новых сторонников.
Современные представления о строении Вселенной
С тех пор прошло много времени. Чтобы создать современную модель Вселенной, трудилось не одно поколение учёных. Потребовались новые приборы и инструменты, новые методы исследования, полёты человека в космическое пространство.
Современная наука предполагает такую модель Вселенной. Наша Земля входит в состав Солнечной системы, которая является частью галактики (гигантского скопления звёзд). Наша и другие галактики, в свою очередь, образуют скопления галактик, а они - сверхскопления. Мир Вселенной очень многообразен и содержит бесчисленное количество небесных тел и их систем.
Учёные, перевернувшие мир
Николай Коперник родился в польском городе Торунь. Образование получил в Кракове, а затем в Италии. Коперник изучал не только астрономию, но и право, медицину, философию. Это был всесторонне образованный человек. Идеи Коперника о строении Вселенной изложены в его книге «Об обращениях небесных сфер», которая вышла в 1543 г., незадолго до смерти учёного. На создание своего учения Н. Коперник потратил 30 лет упорного труда.
Джордано Бруно родился на юге Италии. Посвятив свою жизнь распространению и развитию учения Н. Коперника, он вынужден был покинуть родину, скитаться по многим странам Европы. Его преследовала церковь, так как учение Коперника было ею запрещено. В то время церковь жестоко наказывала тех, чьи взгляды противоречили её установлениям. Дж. Бруно был схвачен и после нескольких мучительных лет тюрьмы сожжён в Риме 17 февраля 1600 г. Он погиб, но не отказался от своих убеждений.
Галилео Галилей родился в итальянском городе Пиза. Он получил разностороннее образование (изучал медицину, математику). Галилей сделал много научных открытий и был широко известен. В 1632 г. он издал книгу «Диалог о двух главнейших системах мира», в которой отстаивал учение Коперника и опровергал систему Птолемея. За эту книгу он был привлечён церковью к суду, на котором его, тогда уже старого человека, заставили отречься от своих убеждений.
Уильям Гершель родился в Ганновере. Обладал большими музыкальными способностями и в четырнадцать лет поступил музыкантом в полковой оркестр. Наряду с занятиями теорией музыки интересовался математикой, оптикой, астрономией. Занимался изготовлением телескопов. В 1789 г. Гершель изготовил самый большой телескоп своего времени. Главные работы Гершеля относятся к звёздной астрономии: он сделал вывод о существовании звёздных систем, наблюдал туманности и кометы, изучал структуру Млечного Пути. Прославился открытием планеты Уран и двух её спутников, а также двух спутников планеты Сатурн и инфракрасного излучения.
- Чем система мира, созданная Коперником, отличалась от системы мира по Птолемею?
- Каковы заслуги Дж. Бруно в развитии взглядов о Вселенной?
- Какой вклад внёс Галилей в изучение строения Вселенной?
- Какую модель Вселенной предлагает современная наука?
- Что такое галактика?
Долгое время в науке господствовало учение Птолемея о Вселенной. Великий польский астроном Николай Коперник создал новую модель Вселенной, согласно которой центром мира является Солнце, а вокруг него обращаются Земля и другие планеты. Взгляды Коперника распространяли и развивали Джордано Бруно и Галилео Галилей. Согласно современным представлениям, Земля входит в состав Солнечной системы, которая является частью гигантского скопления звёзд - галактики. Галактики образуют сверхскопления - метагалактики. Вселенную составляет огромное число галактик.
Буду благодарен, если Вы поделитесь этой статьей в социальных сетях:
Поиск по сайту.
