Анатолий Ахутин - История принципов физического эксперимента от античности до XVII века

Может быть, одним из наиболее блестящих экспериментов Галилея является эксперимент с маятником. Но имеет ли он смысл простого изучения маятника как такового с целью получения известной формулы? Никоим образом. Маятник появляется всегда в наиболее важные моменты, ибо является одним из наиболее синтетических идеальных объектов. Достаточно напомнить классические опыты, демонстрирующие сохранение импульса (зависимость импульса только от высоты). Поскольку анализ движения по наклонной плоскости не обнаруживает этого с достаточной наглядностью, оставляя утверждение в области весьма вероятных заключений здравого смысла, Сальвиати говорит: «Я иду дальше признания вероятности и постараюсь подкрепить его опытом, чтобы это мало чем отличалось от непреложного доказательства» (II, 246). Он рассматривает движение маятника, когда на перпендикуляре, проходящем через точку подвеса, на пути нити маятника вбивается еще один гвоздь, который позволяет продолжать движение только нижней части нити. «И вот, синьоры,— говорит Сальвиати,— вы с удовольствием увидите, что шарик маятника достигнет той же самой горизонтали, с уровня которой он был пущен» (11,247).

Но, может быть, самым гениальным было использование маятника для демонстрации одного из наиболее трудных утверждений Галилея о независимости скорости падения тел в пустоте от их веса. Это «изобретение» маятника — поистине, шедевр конструктивного воображения Галилея.

После того, как Сальвиати предложил несколько мысленных экспериментов, «доказывающих» независимость скорости падения тел в пустоте от их веса (мы коснемся их позже), он оставляет попытки прямой идеализации явления (падение тела) и переходит к более сложному построению. Он разбирает сначала трудности запроектированного эксперимента. При этом теоретическая идея (независимость скорости падения от веса) и мысленные условия (пустота) выступают в качестве критериев проекта. Проект не должен остаться простой и неубедительной мысленной абстракцией, которую в принципе нельзя проверить ни на каком опыте. Интуитивная убежденность, полученная в предшествующих попытках прямой идеализации (можно заключить «с большой вероятностью» (II, 173), «я убежден» (11,174), говорит Сальвиати), становится здесь конструктивным принципом, а предметность — критерием убедительности. Дело заключается в том, чтобы изобрести предмет, реальные свойства которого максимально близки к идеально необходимым.

Основным препятствием для осуществления прямого опыта является среда. Следовательно, изучая падение тел с больших высот, мы никогда не получим чистого результата, так как весьма существенны ошибки, вносимые средой. Если же бросать тела с малых высот, то трудно уловить разницу, поскольку невозможно точно отмерять время. «Поэтому,— говорит Сальвиати,— я пришел к мысли повторить опыт с падением с малой высоты столько раз, чтобы, отмечая и складывая незначительные разницы, могущие обнаружиться во время достижения конца пути тяжелым и легким телом, получить в итоге разницу не только просто заметную, но весьма заметную. Затем, чтобы иметь дело с движением по возможности медленным, при котором уменьшается сопротивление среды, изменяющее явление, обусловленное простой силой тяжести, я придумал заставлять тело двигаться по наклонной плоскости, поставленной под небольшим углом к горизонту... Идя далее, я захотел освободиться от того сопротивления, которое обусловливается соприкосновением движущихся тел с наклонной плоскостью» (II, 181). Итак, условия возможного конструирования даны. Но вместе с ними почти уже обрисовался тот предмет, который может дать максимальное приближение к этим условиям. Тело, которое много раз проходит по наклонной плоскости малой высоты и при этом не касается самой плоскости,— это, разумеется, шарик маятника с длинной нитью и малыми амплитудами. «Для этого,— продолжает Сальвиати,— я взял, в конце концов, два шара — один из свинца, другой — из пробки, причем первый был в сто раз тяжелее второго, и прикрепил и подвесил их на двух одинаковых тонких нитях длиной в четыре или пять локтей» (там же). Теперь уже нетрудно было установить изохронизм колебаний обоих маятников, причем было ясно, что при уменьшении амплитуды или при увеличении длины нити соответствие будет возрастать.

Дело, таким образом, сводилось непосредственно к изучению движения маятника, но таким способом сконструированный маятник значил в теоретическом отношении куда больше, чем просто идеализованный маятник. Он обнаруживал в себе, в своей единичности всеобщий закон движения. Благодаря такому построению маятник включен в сложный теоретический контекст и тем самым впервые получил такое содержание, которое до этого нельзя было различить при любой тщательности наблюдения. И тот же самый маятник, который мы мыслим как абстракцию, как результат простого отвлечения от сопротивления воздуха, веса нити и т. д., оказался поистине микрокосмом механического мира Галилея. Здесь объединяются движения по наклонным плоскостям одинаковой и разной высоты, бесконечность инерциального движения, закон свободного падения, независимость скорости падения от высоты, образование сложного движения из двух простых.