Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Аристотель, наблюдая за движением падающих тел, обнаружил, что их скорость различна в разных средах и зависит от того, являются ли данные среды «тонкими», как воздух, или «плотными», как жидкости. Он заметил, что тела, падая, достигают некой постоянной скорости и что эта скорость прямо пропорциональна их весу. Эти представления вполне согласуются с нашим повседневным опытом. Если мы бросим из окна мячик для гольфа и мячик для тенниса, то мячик для гольфа будет падать быстрее и упадет на землю первым. Если же мы бросим мячик для гольфа в бассейне, ему потребуется больше времени, чтобы достигнуть дна, чем в ходе падения из окна на землю. Стальной же шар в таком соревновании в бассейне опередит его. Ну и конечно, молоток в любом случае приземлится гораздо быстрее перышка.

Аристотель кодифицировал свои выводы в то, что современные философы науки называют научной парадигмой. Она выстраивалась на основе повседневных явлений, которые он пытался объяснить. Например, некий агент (лошадь), приводящий в движение некое тело (телегу) сталкивается с препятствиями (трением и другими видами сопротивления). В подобных обычных обстоятельствах движение почти всегда представляет собой баланс между силой и сопротивлением ей. Таким образом, Аристотель подходил к проблеме падения тел с точки зрения баланса сил: природная сила (естественная тенденция, которая, по его мнению, влекла тела к центру Вселенной) уравновешивалась сопротивлением (различной степенью плотности – мы сказали бы «вязкости» – среды, в которой они движутся). Аристотель также пришел к выводу, что при отсутствии сопротивления среды скорость падающих тел должна быть бесконечной.

Однако в концепции движения Аристотеля не нашлось места для ускорения. Ученые заметили это упущение великого греческого философа задолго до Галилея. Уже в шестом веке нашей эры византийский ученый Иоанн Филопон писал об экспериментах, опровергавших учение Аристотеля:

«Ибо, если вы бросите с одинаковой высоты два груза, из которых один во много раз тяжелее другого, вы увидите, что скорость их движения вовсе не пропорциональна их весу и что разница во времени [падения] очень невелика».

Более того, продолжает Филопон, если одно из тел лишь в два раза превосходит по весу другое, «во времени их [падения] вообще не будет никакой разницы или же она будет неуловимой» 28.

В 1586 году, незадолго до того, как Галилей отправился в Падую, его современник фламандский математик Симон Стевин описал эксперименты, опровергавшие систему Аристотеля. Стевин бросал два свинцовых шара, один из которых был в десять раз тяжелее второго, с высоты в тридцать футов на дощатую поверхность, и в момент, когда шар приземлялся, был слышен звук удара. «И выяснилось, – писал Стевин, – что более легкий [шар] летел не в десять раз дольше, чем более тяжелый, а что они оба упали совершенно в одно время, так что оба звука от их падения слились в один удар» 29. Короче говоря, Аристотель ошибался.

Во времена Галилея несколько итальянских ученых шестнадцатого столетия также описывали эксперименты с падающими телами, результаты которых противоречили положениям аристотелевской теории. Среди них был профессор Пизанского университета (преподававший в нем, когда там учился Галилей) по имени Джироламо Борро. Он писал, что несколько раз «подбрасывал» – Борро употребляет весьма двусмысленный глагол – тела одинакового веса, но разного размера и плотности и всякий раз, к своему изумлению, обнаруживал, что более плотные из них падали медленнее других 30.

Подобно исследованиям всех великих ученых, чьи научные интересы отличались чрезвычайной широтой, исследования Аристотеля, конечно, не были свободны от ошибок и заблуждений. Но до Галилея большинство европейских мыслителей не рассматривали эти недостатки как нечто серьезное. Принципиальным достижением Галилея стала демонстрация того, что аристотелевская теория движения должна рассматриваться в контексте научной картины мира, включающей далеко не только проблему падения тел. И что теория движения, которая могла бы адекватно объяснить поведение падающих тел, должна включать понятие ускорения, а это, в свою очередь, требует создания принципиально иной картины мира.

Аристотелю было известно, что при падении тела набирают скорость (ускоряются), но он полагал, что для свободного падения это неважно. Он рассматривал ускорение как случайную и незначимую характеристику движения, которая имеет место между моментом начала движения тела и тем мгновением, когда оно достигает своей «естественной» скорости. Поначалу Галилей также разделял эту точку зрения. Однако со временем он пришел не только к пониманию важности феномена ускорения, но и к выводу, что ускорение нельзя просто «добавить» в систему Аристотеля. Если аристотелевская теория падения тел неверна, то ее невозможно «слегка подправить», ее необходимо полностью заменить другой теорией.