Краткая история науки - Уильям Байнум

Третий закон оказался более практичным, он показал, что есть связь между временем, за которое планета обходит вокруг Солнца, и ее средним расстоянием от светила. Это позволило астрономам определить расстояние между Солнцем и планетами, понять наконец, насколько велика Солнечная система, и сколь мала, если сравнивать дистанции внутри нее с дистанциями до звезд.

К счастью, примерно в это же время оказался изобретен инструмент, позволивший заглянуть далеко в пространство. Человек, превративший телескоп в источник невероятных познаний, стал самым известным астрономом, и имя его Галилео Галилей.

Должно быть, одно из самых странных зданий в мире – 850-летняя башня колокольни Пизанского собора в Италии. Вы могли слышать о ней как о Падающей или Пизанской башне, и обычное развлечение – сделать фото рядом с ней, чтобы казалось, что ваш друг поддерживает слегка покосившееся строение, не давая ему упасть.

Ходят истории о том, как Галилей использовал башню, чтобы ставить собственные опыты – бросал с верхушки два шара разного веса, пытаясь увидеть, какой достигнет земли первым. На самом деле это байка, но Галилео действительно проводил эксперименты такого рода, и благодаря им он понял, что шар весом в десять фунтов и в один фунт ударятся о грунт одновременно.

И точно так же как с Солнцем, которое не оборачивается вокруг Земли за сутки, результат противоречит нашему повседневному опыту. В конце концов, если уронить с башни перо и пушечное ядро, то они упадут вовсе не одновременно.

И почему два шара разного веса ведут себя иначе?

Галилео Галилей (1564–1642) родился в Пизе (Галилей – это фамилия, но нашего героя часто звали по имени). Его отец был музыкантом, и фактически Галилео вырос в соседней Флоренции, потом вернулся в Пизу, в университет как студент-медик, но куда больше интересовался математикой, поэтому он оставил учебу, заработав репутацию человека с острым и быстрым умом.

В 1592 году он перебрался в Падую, чтобы учиться математике и тому, что мы назвали бы физикой. Он находился там в то время, когда Уильям Гарвей, о котором мы скоро будем говорить, учился в этом же городе, но увы, эти двое, по всей вероятности, никогда не встречались.

Жизнь Галилео была полна противоречий, его идеи всегда бросали вызов общепринятым взглядам, в особенности той физике и астрономии, которой следовал Аристотель и прочие древние. Он оставался искренним католиком, но одновременно верил, что религия касается морали и веры, а наука имеет дело с материальным миром. Как он понимал. Библия говорит исключительно о том, как попасть на Небеса и как все происходит там, и это привело ученого к конфликту с католической церковью, яростно защищавшейся от тех, кто осмеливался выступить против ее идеалов и авторитета.

Церковь в то время начала контролировать все возрастающий поток печатных книг, помещая неприемлемые в особый перечень, именовавшийся Index Librorium Prohibitorium (Список запрещенных книг). У Галилея было множество друзей на высоких должностях (в их числе принцы, епископы, кардиналы и даже римские папы), он имел поддержку части клириков, но другие страстно желали уничтожить его идеи, оградить и сохранить устоявшуюся веками систему обучения.

Ранние труды Галилео касались сил, действующих на движущиеся объекты.

С самого начала он хотел наблюдать и делать измерения, и если это возможно, то выражать результат в виде уравнений. В одном из самых известных опытов он аккуратно скатывал шар по наклонной поверхности и измерял время, необходимое для того, чтобы тот прошел разные расстояния. Как легко представить, шар набирал скорость по мере того, как скатывался (мы бы сказали, что он ускоряется). Галилео увидел жесткую взаимосвязь между скоростью шара и временем, прошедшим с момента начала движения. Скорость связана с квадратом (число, умноженное само на себя, например 3 на 3) времени, так что если пройдет две секунды, то он будет двигаться в четыре раза быстрее, чем вначале.

Квадрат времени еще появится в работах ученых более позднего времени, так что присмотрим за ним. Природа, судя по всему, любит возведенные в квадрат величины.

И в этом, и в других экспериментах Галилей показал себя вполне современным исследователем, поскольку он понял, что результаты его измерений не всегда совпадают: иногда мы моргаем не вовремя, или требуется время для того, чтобы зафиксировать что-то, или дает сбой наше несовершенное оборудование. Но тем не менее так обстоит дело в любых наблюдениях, относящихся к реальности, и Галилео всегда интересовался в первую очередь физической реальностью как она есть, а не неким абстрактным миром, где все идеально и точно.

Ранние работы Галилея по поводу движущихся объектов показали, насколько иначе он видит мир в сравнении с Аристотелем и сотнями мыслителей, живших после того. И все это несмотря на все еще непоколебленный авторитет Аристотеля, которого держались в университетах, находившихся под управлением церкви.

В 1609 году Галилей узнал о новом инструменте, способном бросить еще более серьезный вызов старому образу мышления. Вскоре этот инструмент был назван «телескопом» от словосочетания «смотреть далеко», точно так же как телефон – от сочетания «говорить далеко», а микроскоп – «рассматривать маленькое».

И телескоп, и микроскоп сыграли важнейшую роль в истории науки.

Первый инструмент, созданный Галилеем, способен был на очень небольшое увеличение, но сам ученый оказался впечатлен. Быстро усовершенствовал свое творение, комбинируя линзы, и получил тем самым увеличительную силу примерно такую же, как у среднего современного бинокля – примерно в пятнадцать раз.

Звучит не очень сильно, но произвело сенсацию.

Используя его, можно было обнаружить корабли в море задолго до того, как они станут различимы невооруженным взглядом. Но более важным стало то, что Галилей повернул свой инструмент к небесам и оказался поражен тем, что там увидел: глянув на Луну, он сообразил, что это вовсе не идеальный, гладкий округлый объект, который представляли люди, что на ней есть горы и кратеры; направив телескоп на планеты, он смог наблюдать их движение, рассмотрел, что у одной из них. Юпитера, есть собственные «луны», а другую. Сатурн, окружают два расплывчатых пятна, которые мы называем «кольцами». Он имел возможность разглядывать Венеру и Марс и подтвердил, что они меняют направление движения и скорость регулярным и предсказуемым образом. На Солнце обнаружились темные области или пятна, немного сдвигавшиеся день за днем по некоему шаблону (Галилей научился смотреть на светило не прямо, чтобы уберечь глаза).

Его телескоп открыл, что Млечный путь – мы видим его в качестве изумительного, туманного покрывала из света, когда смотрим невооруженным глазом – на самом деле состоит из тысяч и тысяч звезд, расположенных очень далеко от нашей планеты.

Используя инструмент. Галилей сделал не только эти, но и другие важные наблюдения. Он написал о них книгу, озаглавленную «Звездный вестник», выход которой стал причиной суматохи. Каждое из открытий ставило под вопрос картину неба, в которую в Европе верили столетиями. Многие люди думали, что идеи Галилео основаны на фокусах, которые показывает его «труба», как тогда называли телескопы, поскольку то, что не видимо для обычного глаза, может и не существовать.