всецело посвященная тому, кто начинал

#i_002.png

 

Галилей. Принцип относительности

«Я склоняю свои колени перед достопочтенными генерал-инквизиторами, прикасаюсь к святому евангелию и заявляю, что я верю и буду впредь верить всему тому, что признает истинным и чему учит церковь.

Мне запрещено было святой инквизицией верить или учить ложному учению о движении Земли и покое Солнца, потому что оно противоречит священному писанию. Несмотря на это, я написал и даже издал книгу, в которой я излагаю это проклятое учение и привожу сильные доводы в его пользу. Потому меня заподозрили в ереси.

Дабы рассеять у каждого христианина-католика это справедливое подозрение, я отрекаюсь и проклинаю упомянутые заблуждения и ереси, а также вообще всякое другое заблуждение и мнение, идущее вразрез с учением церкви. В то же время я клянусь в будущем никогда не высказывать ни устно, ни письменно чего-нибудь такого, что могло бы вызвать против меня подобное подозрение. И наоборот, я обязуюсь немедленно сообщить святому судилищу, если я где-нибудь встречу ересь или буду предполагать ее наличие».

Эти покаянные и благонамеренные слова, произнесенные Галилео Галилеем 22 июня 1633 года, в приличествующей случаю обстановке, на коленях и в рубище, с внешней стороны явились как бы итогом его жизненного пути.

Оставшиеся ему девять лет он проводил почти в полном уединении (причем на всякий случай под домашним арестом), и специальный интердикт «раба рабов божьих» — святейшего Урбана VIII запрещал ему печатать какие-либо труды.

К сожалению «власть предержащих», интердикт был нарушен. В 1638 году в Нидерландах, где, как известно, процветала проклятая богом и людьми протестантская ересь, издается основной труд Галилея, действительный итог его жизни — «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых областей науки…»

Галилео Галилей — продолжатель обедневшего, но знатного дворянского рода флорентийских нобилей — родился в Пизе в 1564 году.

Уже примерно столетие, как тесный мир средневековья удивительным образом расширился. Португальские, испанские, а теперь английские и голландские корабли бродят по Mare incognitum[1]Mare incognitum — Море неизвестности (Неведомое море).
в поисках золота, пряностей, слоновой кости, рабов, эльдорадо — источника вечной жизни и всех мыслимых и немыслимых возможностей молниеносного обогащения. Каждое плавание — прыжок в неизвестность. А потому вторым, а иногда и первым лицом на корабле является штурман («пилот»). Он обязан разбираться в «портуланах» и «периплах»[2]« Портуланы » и « периплы » — компасные морские карты и лоции.
, вести счисление пути и по звездам (ибо другого выхода нет) определять место корабля. Каждый моряк и, что еще важнее, снарядивший его корабль купец (а купцов становится все больше) заинтересованы в том, чтобы его снабдили наилучшими картами и инструментами, ибо все уже понимают: от них успех плавания зависит не меньше, чем от мореходных качеств корабля. Отчасти поэтому математики и астрологи (астрономы) считаются уважаемыми и достойнейшими мужами.

Моряки в случае успеха иногда получают деньги, славу и титулы. Иногда не получают ничего. Но торговые дома в итоге всегда получают прибыль.

Возникает торговый, а затем мало-помалу и промышленный капитал, — возникает буржуазия, и все более расшатываются сонные уклады феодальной Европы.

Перемен не смогла избегнуть и церковь. Католические обряды и молитвы чересчур сложны и, главное, слишком дороги. Нужна «дешевая церковь».

И вот торжествует лютеранство в Германии и в Скандинавии, кальвинизм — в Швейцарии, в Голландии, в Англии. Религиозные войны сотрясают Францию.

Новому классу необходимы и новые идеи и новая наука, которая давала бы практические результаты. Вера в авторитеты подорвана — ведь многие утверждения ученейших мужей, даже освященные авторитетом Рима, оказались на поверку чистейшим вздором. Воистину наступает на редкость «смутное и проклятое время», кое-кто (таких, правда, страшно мало) начинает сомневаться даже в самом бытии всевышнего.

Как в старой сказке про ученика чародея, погибшего от им же вызванных духов, новая эпоха порождает идеи куда более революционные, чем ей по плечу. И надо сказать, что католическая церковь — а власть ее все еще беспредельно велика — очень быстро и резко реагирует на новую ситуацию.

Впрочем, когда речь идет о ереси, реформаторы вполне солидарны с католиками, и костры в Риме и Женеве складываются из одинаковых поленьев. Особенно часто они пылают в «любимых чадах» Рима — Испании, Португалии и Италии.

И всякий христианин-католик слишком хорошо осведомлен об этом.

Но дело не только в том, что, восставая против общепринятых взглядов, ученый должен иметь в виду и такой неопровержимый научный аргумент, как «очищающее душу, по возможности кроткое, без пролития крови» отправление к предвечному.

Отшлифованная веками, продуманная и отточенная, всецело подчиненная Риму, система воспитания с детских лет прививает слепое поклонение авторитету и цитате. Метод изучения любого нового явления изумительно ясен: следует отыскать в текстах отцов церкви соответствующее место. Если же явление противоречит текстам — его не существует.

«Этот род людей полагает, — раздраженно пишет Кеплеру Галилей, — что философия — какая-то книга, как „Энеида“ или „Одиссея“; истину же надо искать не в природе, а путем сличения текстов… Они пытались логическими аргументами, как бы магическими прельщениями, отозвать и удалить с неба новые планеты».

И подобная система давала свои результаты. Страшно подумать, сколько талантливых людей растратило свою жизнь на толкование какого-либо туманного места Фомы Аквинского (а у святейших отцов подобных мест было предостаточно) или изучение такой, скажем, актуальной проблемы: каким образом произошло непорочное зачатие? Чтобы вырваться из цитатного плена схоластики, нужно обладать исключительно ярким умом. Но тогда…

Томмазо Кампанелла (1568–1639) — социолог, философ и астролог — «более страшная змея, чем Лютер и Кальвин», по категорическому заключению отцов-иезуитов, 27 лет провел в 50 различных тюрьмах, где его семь раз подвергали жесточайшим пыткам.

…Джордано Бруно — философ (1548–1600) — сожжен в Риме.

…Луиджи Ванини — философ (1585–1619) — злостнейший еретик, отрицавший, в частности, божественность Христа, повешен в Тулузе. Перед казнью ему вырвали язык; тело казненного сожгли, а прах развеяли по ветру.

…Нидерландский врач Везалий (1514–1564) — основатель научной анатомии — присужден к смерти испанской инквизицией.

…Испанский врач Сервет сожжен Кальвином в Женеве в 1553 году.

Можно долго продолжать этот жуткий реестр.

Мало кому из отступников суждено умереть своей смертью. Особенно тщательно за этим следит специально созданный для борьбы с ересью орден «Псов господних» — иезуитов.

Новый путь в науке, пожалуй, опаснее, чем дороги конквистадоров, ибо нет надежды на счастливый конец.

Казнь еретиков настолько обычное явление, что, например, смерть такого крупнейшего философа, как Джордано Бруно, сожженного при колоссальном стечении народа, почти не замечена современниками. Документальных свидетельств о его гибели крайне мало, и, как ни удивительно, существовала версия, что было сожжено его изображение, а сам Бруно остался жив.

Основная масса народа и даже просвещенные круги все еще полностью преданы церкви и находятся во власти самых диких суеверий. Ученые не составляют исключения. Нам почти невозможно представить, как в те времена причудливо уживались гениальные идеи рядом с поразительными нелепостями.

Многие все еще рассчитывают найти страну людей с песьими головами и остров Сирен. Во всяком случае, их существование охотно допускается.

Еще в конце XVII века на заседании Королевского общества в Лондоне серьезно проверяли, может ли паук выбраться из круга, сделанного из толченого рога носорога. Паук убегал, что и заносилось в протокол. А быть может, на следующем заседании Ньютон докладывал о своих работах.

Новой науки еще нет, и, пожалуй, основное — нет и нового метода, он только-только создается.

В науке же официальной все еще безраздельно царит Аристотель. Из его учения давно уже вычищено все, что может пробуждать самостоятельную мысль. Труды его тысячу раз прокомментированы и истолкованы.

Сам Аристотель, как совершенно «точно» известно, посмертно удостоен высшей награды — всевышний специальным указом избавил его от адских мук, которые были ему уготованы, как явному язычнику.

Почти приравнены к творениям отцов церкви его труды, и сомневаться в них (даже признавая истинным все священное писание) — очень и очень смахивает на ересь. А лавры еретика, напомним еще раз, слишком хорошо известны каждому христианину.

В этой приятной атмосфере и начинает Галилей.

Начало образования, конечно, монастырь. Он даже принят послушником в монашеский орден. Но, на счастье, отец забирает его домой, и духовная карьера Галилея прерывается. Надо думать, что его отец — обедневший флорентийский дворянин Винченцо Галилей — был, по существу, первым воспитателем ученого. Широко образованный, страстный поклонник музыки и математики, безусловно талантливый и интересный человек, он передал сыну свою любовь к науке и свой скептицизм по отношению к авторитетам.

Любопытная деталь — отцу принадлежит трактат о старой и новой музыке, написанный в форме диалога (в будущем — любимая литературная форма сына), в котором он, между прочим, весьма скептически характеризует цитирование авторитетов как высший довод в научных спорах. Подобные соображения по тем временем близки к крамоле.

По настоянию отца юноша начинает изучать медицину в Пизанском университете. Но дело не ладится, а физика Аристотеля, которую приходится скрупулезно штудировать, вызывает все более серьезные сомнения. И вообще Галилей не собирается быть медиком или физиком — он мечтает о карьере художника.

Снова вмешивается отец. По его совету сын изучает работы Архимеда и Эвклида. И Галилей быстро забывает о своем «призвании»: отныне и до конца дней своих он будет принадлежать физике.

Есть великолепный портрет Галилея в старости. С него глядит на нас не хрестоматийный старец, мученик инквизиции, терзаемый последние годы угрызениями совести. Умное, властное, суровое лицо человека, который прожил нелегкую и сложную жизнь, подчиненную одной идее.

С юных лет — покровители, без которых ученый той эпохи подобен моряку без компаса. Первый — маркиз дель-Монте, сам крупный ученый, бескорыстно восхищавшийся талантом юноши. В дальнейшем покровителей придется добывать при помощи интриг и унизительной лести.

Еще молодым он привыкнет держать свои мысли при себе. Слишком памятна история в Пизе… Сначала всеобщее возмущение «научных кругов» его критикой Аристотеля. Потом повод — резкий отзыв о нелепом проекте одного из многочисленных побочных сыновей его законного государя Козимо Медичи I — и его выгоняют с кафедры.

После этого восемнадцать лет Галилей ведет кафедру в Падуе. Его взгляды уже определились. Он давно знает, что физика Аристотеля несостоятельна; он знает и то, что учение Коперника истинно. Почти все, что появится через тридцать лет в «Диалоге о двух главнейших системах мира», уже готово. Но он продолжает читать лекции, придерживаясь Птолемея, а результаты своих трудов сообщает только друзьям. Он пишет Кеплеру (1597 год!):

«Я счастлив, что в поисках истины нашел столь великого союзника. Действительно, больно видеть, что есть так мало людей, которые стремятся к истине и готовы отказаться от превратного способа философствования. Но здесь не место жаловаться на печальное состояние нашего времени, я хочу лишь пожелать тебе удачи в твоих замечательных исследованиях. Я делаю это тем охотнее, что уже много лет являюсь приверженцем учения Коперника. Оно объяснило мне причину многих явлений, совершенно непонятных с точки зрения общепринятых взглядов. Я собрал множество аргументов для опровержения последних, но я не решаюсь их опубликовать. Конечно, я сделал бы это, будь больше таких людей, как ты. Но так как этого нет, я держу себя осторожно».

И все же временами он срывается. В 1604 году резкая стычка со схоластами по поводу новой звезды, появление которой противоречило учению Аристотеля о неизменности сферы неподвижных звезд. Настораживают и его отдельные сомнительные высказывания. Подозрительны и лекции, читаемые не на традиционной латыни, а на родном итальянском.

Репутация Галилея как благонамеренного католика явно не на высоте. И он предусмотрительно запасается высокими покровителями. Светлейший великий герцог Тосканский — его признательный ученик (а он его «первый философ и математик», «почтительнейший и преданнейший слуга и вассал»). Будущий папа Урбан VIII — кардинал Барберини — его личный друг, которому он посвящает свои работы.

Он живет среди интриг, споров о приоритете, нелепых возражений, чаще всего среди полного равнодушия и непонимания.

«Когда я через мою трубу хотел показать профессорам Флорентийской гимназии спутников Юпитера, то они отказались посмотреть и на них и на трубу…»

Все время приходится быть настороже. И все время он напряженно работает, работает до последних дней.

Тяжко больной, разбитый физически и морально, отрекшийся и осужденный, он заканчивает труд своей жизни «Беседы» и почти ослепший (!) ведет астрономические наблюдения. «Я хоть и молчу, но провожу время не совсем праздно», — как всегда, очень сдержанно напишет он в эти годы.

Десятилетия унизительной борьбы с невеждами наложили на Галилея свою печать. Он резок, замкнут, пожалуй, даже угрюм. Часто цинично насмешлив. Он уважает и ценит очень немногих и весьма нелестно отзывается о роде человеческом: «Число дураков бесконечно».

С годами он привык умело уклоняться и от светской болтовни о науке с титулованными «любителями» и от дискуссий с окружающими его бесчисленными «докторами зубрежки» (его собственное определение).

Но он не совсем одинок. Узкий круг друзей и ученики, которые боготворят своего учителя, — обетованный островок в море невежества. В этом обществе он не брюзгливый старец, не льстивый и искушенный царедворец, он тот, кто он есть, — гуманист, смелый тонкий мыслитель и всегда и прежде всего гениальный физик, влюбленный в свою науку.

Ученики, кстати, окажут ему позднее плохую услугу. Преклонение их так велико, что они сильно приукрасят его биографию, и многому, о чем они сообщат, попросту нельзя верить.

Его интересы широки. Он блестящий знаток античного и современного искусства и сам в часы отдыха слагает сонеты. В его книгах рассыпаны ссылки на поэтов, остроумные примеры, и, помимо всего, он создает новый жанр — научно-популярную литературу.

Но когда речь идет о работе, в нем нет ничего от поэта: точно, сухо и непредвзято он исследует факты и только факты, сдерживая полет фантазии. Проходят годы, прежде чем он сформулирует выводы.

Являя собой полную противоположность сверкающему фантазеру Джордано Бруно, которого так любят с ним сравнивать, исповедовавший одну религию — истину, Галилей обладал, на мой взгляд, не меньшим личным мужеством.

Вот таким представляется человек, о котором лучше всего сказал Лагранж:

«Открытие спутников Юпитера, фаз Венеры, солнечных пятен и т. д. потребовало лишь наличия телескопа и некоторого трудолюбия, но нужен был необыкновенный гений, чтобы открыть законы природы в таких явлениях, которые всегда пребывали перед глазами, но объяснение которых тем не менее всегда ускользало от изысканий философов».

У нас нет возможности, да это и не входит в наши задачи, сколько-нибудь подробно исследовать творчество Галилея, и дальнейшие страницы никоим образом не нужно расценивать как творческую биографию.

Даже простое перечисление работ Галилея заняло бы слишком много места, и о подавляющем числе научных результатов не будет даже упомянуто. Очень кратко мы коснемся только одной, правда, самой важной стороны творчества Галилея — анализа законов движения. Той работы, которая и поныне заставляет ученых поражаться его необыкновенным гением.

Еще одно маленькое отступление, и мы перейдем к сути дела.

Лучше всего понять гений Галилея можно, сопоставив его с Эйнштейном. Основные идеи Эйнштейна ничуть не сложнее и не парадоксальнее тех, которые выдвинул Галилей.

Но если идеи Галилея кажутся большинству людей нашего времени понятными и простыми, то взгляды Эйнштейна требуют известного напряжения мысли. Это естественно. С детских лет мы воспитываемся в духе классической физики, а люди с большим трудом изменяют привычные представления.

Поэтому лучше всего постараться как бы забыть все, что мы знаем, и спокойно делать выводы из тех фактов, которые мы находим в «самой великой книге — природе», как любил говорить Галилео Галилей.

Итак, движение. Причина движения, безусловно, сила. Телега не едет, если в нее не впряжены лошади.

Если в телегу впрячь четырех лошадей, то они повезут ее быстрее, чем две. Отсюда вывод: чем большая действует сила, тем больше скорость.

Далее, если выпрячь лошадей, телега остановится. В этом нас убеждает повседневный опыт. Следовательно, для поддержания скорости всегда требуется сила. А чтобы тело двигалось равномерно и прямолинейно, к нему должна быть приложена постоянная по величине и направлению сила.

Не стоит торопиться с улыбками. Вы сразу увидели ошибочность теории движения Аристотеля только потому, что с шестого класса помните законы механики, которые получили, что называется, даром.

И все же позволю себе предположить, что вы тем не менее обмануты. Вряд ли кто-либо обратил внимание на то, что были использованы такие понятия, как «равномерное и прямолинейное движение» и «постоянная по величине и направлению сила». А ведь, употребив эти слова, мы сказали либо очень многое, либо ничего. По существу, анализ этих понятий должен привести к вполне определенному взгляду на пространство и время. Можно возразить, что такие вещи, как пространство, время и сила, определять незачем — это самоочевидные категории и понятия. Но… самые глубокие заблуждения в науке возникают обычно тогда, когда что-либо считается самоочевидным.

Несколько забегая вперед, скажем: великая заслуга Эйнштейна именно в том, что он показал, что даже в конце XIX столетия у физиков не было ясного представления о таких «очевидных» понятиях, как время.

Однако оставим пока вопрос о времени.

Как опровергнуть Аристотеля? Как нельзя оценить обед, не пообедав, точно так же нельзя опровергнуть (или утвердить) физическую теорию, не прибегнув к эксперименту. И Галилей первый в средневековой Европе понял это с предельной ясностью и глубиной.

Конечно, не стоит преувеличивать — подобные взгляды высказывались и до него. Уже легендарный Парацельс[3]Теофраст Бомбаст Парацельс — виднейший врач и химик средневековья.
чеканно сформулировал: «Теория, не подтвержденная фактами, — все равно, что святой, не сотворивший чуда». Но Галилей был первым, во всяком случае в физике, кто незыблемым принципом своего творчества положил изучение и анализ эксперимента, практики. И на этом пути он обнаружил ошибку Аристотеля. Галилей не доверяет словам. Он ставит опыты.

Сравнительно легко он находит, что за равные отрезки времени свободно падающее тело проходит все возрастающие отрезки пути и что постоянная сила — вес тела (хотя ясного представления о силе у Галилея нет) приводит к равноускоренному движению.

Правда, чтобы точно измерять малые отрезки времени (доли секунды), ему понадобилось создать совершенно новый для того времени вариант водяных часов, что он и делает с замечательным остроумием. Да и вообще ему не раз приходилось преодолевать чисто экспериментальные трудности подобного рода. Предшественников нет: первооткрывателем приходится быть во всем. Но в конце концов эта часть работы требовала всего лишь исключительного упорства и замечательной изобретательности.

Значительно труднее сделать совершенно неожиданное и неочевидное обобщение: если бы отсутствовало сопротивление воздуха, «то все тела падали бы одинаково, то есть с одинаковой скоростью при равных высотах падения… двигаясь при этом равномерно ускоренно так, что в равные промежутки времени скорость возрастает на равные величины». Иначе говоря, Галилей подмечает, что полученные цифры приводят к так хорошо известному в наши дни каждому восьмикласснику закону изменения скорости падения, как функции времени падения, V = g · t.

Говоря о Галилее как о физике-теоретике, стоит отметить два момента.

Во-первых, он не блуждает в бесконечных поисках причины явления, что было характерно для школы Аристотеля. (По существу, он принимает метод принципов Ньютона, речь о котором впереди.)

Действительно, Галилею не известно ничего о законе тяготения, он не владеет, по существу, понятием силы, он не знает, почему Земля притягивает все тела, сообщая им одинаковое ускорение. Галилей прежде всего ставит вопрос: как происходит явление? И ответ ищет в анализе опытов.

И во-вторых, гениальная интуиция позволяет Галилею учесть и отбросить все побочное, нехарактерное и выхватить основное при анализе наблюдаемого явления.

Так, изучая падение тел, он учитывает не только сопротивление воздуха, но и эффекты, обусловленные законом Архимеда. Он прямо указывает: «При падении тела в какой-нибудь среде надо иметь в виду, что на тело действует не полный его вес, а лишь избыток веса над весом вытесненной жидкости или среды».

Переход от опыта к теоретическому обобщению — обычно самый трудный этап. Физику никогда не доводится изучать явление в «чистом виде». Можно сказать, что он обычно оказывается в положении фотографа, рассматривающего снимок, на котором отпечатано сразу несколько негативов. История науки знает сотни примеров, когда ученые пропускали открытия только потому, что не понимали, что они наблюдают. И именно в анализе результатов проявляется полностью талант Галилея.

А как тяжело было разобраться в законах движения, можно судить уже по тому, что представления Аристотеля оставались незыблемыми около 2 тысяч лет.

Изучая законы падения тел и рассмотрев вертикальное отвесное падение, Галилей, естественно, переходит к движению по наклонной плоскости. Он находит, что ускорение при падении постоянно во времени и тем меньше, чем меньше угол наклона. В предельном случае горизонтальной плоскости, утверждает Галилей, тело будет двигаться вообще без ускорения. И причиной движения тела по наклонной плоскости оказывается сила тяжести. При этом Галилей понимает, что когда тело находится на наклонной плоскости, то движение вызывается не всем весом, а лишь его частью, тем меньшей, чем меньше наклон.

Еще раз следует напомнить: Галилей не знает, почему тело падает на Землю. Более того, у него нет ясного понятия о силе, нет формулы, связывающей силу и ускорение, он не читал «Начал» Ньютона: они выйдут в свет лишь спустя 35 лет после его смерти.

Но его интуиция позволяет заключить: «Когда тело движется в горизонтальной плоскости, не встречая сопротивления своему движению… то движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца».

Итак, если отсутствует сила — скорость остается постоянной.

«Скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, строго сохраняется, если устранены внешние причины ускорения или замедления».

Образно говоря, это утверждение ставит с головы на ноги всю механику.

Стоит обратить особое внимание на соотношение теорий Галилея и Аристотеля. Как уже упоминалось, Аристотель считал, что для поддержания постоянной скорости необходимо воздействие постоянной силы. Взгляды Галилея диаметрально противоположны.

Только в том случае, когда на тело не действуют никакие силы, скорость остается неизменной. Речь идет не об уточнении старой теории, не об ее развитии или ограничении области ее применения. Отнюдь нет! Вся механика Аристотеля начисто зачеркивается.

Подобные ситуации очень редки в истории наук и обычно встречаются в годы их юности. Чаще всего у открывателей есть точка отправления, есть отметки на том пути, по которому они идут. Лишь пионерам нечего взять от предшественников и приходится начинать на пустом месте.

Таким основоположником в физике был Галилео Галилей. Он заложил фундамент той механики, создать которую было суждено Ньютону.

Очень многое ему оставалось неясным. Часто он ошибался и сворачивал с правильного пути.

Трудно и ожидать чего-либо другого; сам Галилей лучше всех сознавал и значение и недостатки своих работ (вспомните его слова в эпиграфе).

И хотя в его трудах часто встречаются утверждения, прочитав которые можно подумать, что не только первый, но и второй закон механики были ему известны и, следовательно, Ньютон в известной мере был лишь популяризатором его идей, пожалуй, не стоит увлекаться переоценкой работ Галилея. Даже первый закон механики, тот самый закон инерции, который Галилей сформулировал, казалось бы, предельно четко, ни он, ни все остальные предшественники Ньютона не понимали до конца. И только у Ньютона законы механики принимают ту ясную, законченную форму, в которой они известны нам. (Впрочем, мы увидим в дальнейшем, что даже сам Ньютон не избежал ошибок.)

Возможно, подобная оценка творчества Галилея излишне сдержанна, однако детальный анализ его работ, к сожалению, увел бы нас слишком далеко в сторону, и потому… Пойдем далее.

Если следовать Галилею, между покоящимся и равномерно движущимся телом в известном смысле устанавливается равноправие. Равномерно двигающийся по поверхности моря корабль и корабль, мирно стоящий на якоре, в равной степени не подвержены «воздействию внешних причин, вызывающих ускорение или замедление». Более того, наша Земля может покоиться в пространстве или равномерно двигаться — в обоих случаях отсутствуют «внешние причины».

Но если это так, то, может быть (может быть!), все физические процессы, протекающие на равномерно движущемся теле, в частности на Земле (если она равномерно двигается, конечно), должны протекать так же, как на покоящемся?

И (внимание!) Галилей высказывает эту мысль.

Да, он полагает, что с точки зрения механики совершенно равноправны тело, находящееся в покое, и тело, которое равномерно движется.

Любой механической опыт, поставленный на равномерно и прямолинейно движущемся теле, будет протекать точно так же, как если бы оно покоилось.

Это положение — принцип относительности Галилея — один из самых замечательных и удивительных законов природы.

Однако уже сейчас необходимо сделать несколько замечаний.

Во-первых, внимательный читатель, вероятно, обратил внимание, что мы еще не объяснили, что такое движение, а следовательно, наши рассуждения о движущихся и покоящихся телах пока, строго говоря, бессодержательны. В дальнейших главах подробно разбирается понятие движения в механике — вопрос не такой простой и очевидный, как может казаться. Пока же мы следуем за Галилеем, а у него (как ни странно!) не было четкого представления о понятии механического движения.

Во-вторых, позже, когда будут сформулированы законы Ньютона, мы увидим, как принцип относительности Галилея можно вывести из этих законов. Сейчас же заметим, что одного закона инерции еще недостаточно, чтобы утвердить принцип относительности. И хотя несколько выше мы как бы связывали в сознании Галилея закон инерции и принцип относительности, следует признаться, что это не более чем литературная вольность.

Между законом инерции и принципом относительности действительно очень тесная связь, но Галилей скорее всего просто гениально угадал свой принцип, «подглядел» его в природе, не связывая с законом инерции. В это можно поверить, прочитав те страницы «Диалога о двух главнейших системах мира», где, по существу, утверждается принцип относительности. (Вероятно, излишне пояснять, что в современном виде сам Галилей никогда не формулировал «принцип относительности Галилея».)

«Диалог» Галилея — работа, окончательно уничтожившая систему Птолемея, — замечателен не только содержанием, но и формой. Прямо проповедовать учение Коперника нельзя — это запрещено. Но при обширных связях Галилея можно добиться появления книги, где всего лишь обсуждается эта «еретическая» система. Такая книга и написана. Он не защищает Коперника. Нет! С внешней стороны абсолютно беспристрастно анализируется спор «Птолемей — Коперник». Автор со своим отношением к предмету как будто отсутствует. Никаких выводов вроде бы не сделано. Два ученых — сторонник Коперника и защитник Птолемея — спорят между собой, а он, Галилео Галилей, просто пересказывает их дискуссию. Читатель же волен судить, чьи доводы убедительней. И вот, как беспристрастный судья, Галилей разбирает попытки опровергнуть Коперника, использовав законы аристотелевой механики.

Ведь если какие-либо механические опыты, произведенные на Земле, дали бы возможность установить, что Земля не движется вокруг Солнца, а находится в покое, то спор бы был разрешен.

И Галилей в «Диалоге» прямо приводит, казалось бы, очень веские возражения против Коперника.

Если Земля движется, то камень, падающий с башни, должен отклониться в сторону, поскольку он стремится двигаться только к центру Земли, а за время падения камня Земля «проезжает» под ним. Снаряд, выпущенный из орудия вертикально вверх, по той же причине должен упасть далеко в стороне от жерла пушки. Ядро, пущенное на запад, пролетит значительно дальше, чем на восток, так как суточное движение Земли, если оно существует, увлекает орудие к востоку, и в первом случае пушка «уезжает» от ядра, а во втором «догоняет» его. Облака и птицы должны отставать от Земли и т. д. Но повседневный опыт убеждает нас в обратном. Следовательно, Земля покоится?!

Между прочим, в «Диалоге» используется очень изящный прием спора. Все эти доводы против гипотезы о движении Земли высказывает и убедительно развивает Сальвиати — убежденный сторонник Коперника, а Симпличио — защитник Аристотеля — восхищенно слушает и поддакивает. И вот, продемонстрировав более глубокое понимание Аристотеля, чем его поклонники, использовав, казалось бы, неопровержимые аргументы в его пользу, Сальвиати — Галилей резко меняет фронт.

Провозглашая принцип относительности, он проводит аналогию между Землей и равномерно плывущим кораблем. Все тела на корабле ведут себя так, как будто он покоится: камень, падающий с мачты, всегда опускается у ее подножия; мяч, брошенный по движению или против движения корабля, полетит одинаково далеко. Ни один опыт на равномерно движущемся корабле не дает возможности установить: плывет корабль или покоится. А следовательно, ни один опыт на Земле не может сказать нам, покоится она или мчится в пространстве с колоссальной скоростью, вращаясь при этом вокруг оси.

Возможно, многие из вас с трудом сдерживают возмущение или, в лучшем случае, недоумение — ведь хорошо известны десятки опытов, проделанных на Земле и позволяющих установить ее суточное движение. Достаточно вспомнить о маятнике Фуко, о том, что камень, брошенный с вершины башни, отклонится к востоку[4]Вообще говоря, падающий предмет отклоняется к юго-востоку, но отклонение на юг очень мало по сравнению с отклонением на восток.
и т. д. В наши дни проявлять подобную безграмотность, безусловно, неловко — эти факты известны любому десятикласснику. Эти факты известны и автору. Но Галилею они известны не были.

Ирония судьбы. Предлагая принцип относительности, Галилей не понимает, что он верен только для равномерного прямолинейного движения, и использует его для равномерного вращательного движения.

Мы-то знаем, что механические явления на вращающемся теле будут протекать по-другому, чем на неподвижном или равномерно и прямолинейно движущемся.

Равномерное движение по окружности можно обнаружить благодаря центробежным силам и легко отличить от состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Но все эти азбучные для нас истины Галилею неведомы. Однако и в своих ошибках он значительно ближе к истине, чем Аристотель.

Человек со средним образованием может легко увидеть ошибки и путаные места в его трудах. Но чтобы получить новые результаты такого же масштаба, необходим такой же «необыкновенный гений».

Вот и все о Галилее. В дальнейшем, вооруженные законами Ньютона, мы вернемся ко всем вопросам, которые нами разбирались. Мы четко сформулируем основные принципы механики, достигнем как будто предельной ясности и… особо остановимся на тех местах, которые остались неясными и Ньютону, — на его ошибках.

И далее мы увидим, как исследование, казалось бы, совсем другой области физики — учения об электромагнитных волнах — привело к необходимости полностью изменить все наши представления о пространстве и времени или, говоря точнее, заставить физиков задуматься над вопросом: «Что же такое время и пространство?»

Вероятно, через некоторое время произойдут новые революции в физике. Возможно, через несколько поколений взгляды нашего поколения будут казаться такими же наивными, какими представляются нам некоторые идеи Галилея, но физик любой эпохи будет с преклонением вспоминать Галилея — первого, который понял во всей глубине, что новые идеи надо искать в «великой книге — природе», опираясь только на факты.

В заключение стоит привести один пример, очень четко характеризующий строгий и честный стиль научного мышления Галилея. Многие слыхали, конечно, что гипотеза о бесконечности вселенной впервые выдвинута Джордано Бруно. Но это не совсем точно. Эта проблема, видимо, очень занимала Галилея, он неоднократно к ней возвращался. И пожалуй, пошел дальше Бруно.

Поскольку еще нет никаких опытных данных в пользу конечности или бесконечности вселенной, Галилей заключает: «Я остаюсь в нерешимости, какое из этих двух положений правильно, хотя мои личные доводы заставляют меня склоняться скорее к идее бесконечности мира…»