4. Принцип относительности Галилея. Траектория и скорость движения тела зависят от системы отсчета, в которой они наблюдаются.
Одним из аргументов, которые приводились против вращения Земли, было утверждение, что если бы Земля вращалась, то тело, брошенное с вершины башни, не должно было бы упасть прямо к подножию, поскольку поверхность вращающейся Земли должна немного передвинуться за время падения. Обоснованность этого аргумента можно проверить в аналогичной ситуации, бросив камень с верхушки мачты плывущего корабля. Отклонится ли траектория камня к корме корабля? Французский философ Пьер Гассенди (1592–1655) проделал такой опыт и обнаружил, что камень всегда падает на палубу рядом с основанием мачты и никакого отклонения нет! Даже падая, объект перемещается вместе с кораблем. Галилей заключил, что наблюдатель, участвующий в равномерном движении, не может обнаружить это движение в эксперименте со свободным падением. Интересно, что, с точки зрения наблюдателя, стоящего на берегу, падающий камень движется по параболической траектории. Какая же из этих траекторий «настоящая» — прямая вертикальная линия или кривая парабола? Галилей говорил, что обе траектории правильные, так как они зависят от системы отчета, которую можно связать либо с берегом, либо с равномерно движущимся кораблем, в зависимости от положения наблюдателя.
Во времена Галилея важность этих законов движения определялась двумя обстоятельствами. Во-первых, они четко отрицали старые взгляды, основанные на физике Аристотеля. Во-вторых, они помогали понять, что Земля может быть подвижной без каких-либо драматических последствий кроме ежедневных восходов и заходов Солнца и других небесных светил. Атмосфера может двигаться вместе с Землей, не производя сильного ветра и не улетая в космос.
Уже то было замечательно, что Галилей показал, как можно использовать эксперименты для проверки философских идей о материи и движении и как они могут открывать новые законы природы на Земле. Но это было еще не все. Он смог взглянуть на небо с помощью нового инструмента, возможности которого намного превысили способность невооруженного глаза и позволили обнаружить новые явления во Вселенной.
Галилео услышал, что в Нидерландах шлифовщик линз построил прибор, приближающий далекие объекты. Летом 1609 года он сам сделал такой же инструмент, который мы теперь называем телескопом. В первую очередь Галилей думал о том, что прибор может быть использован моряками и что продажа телескопов могла бы улучшить его материальное положение. Он показал свой инструмент правителям Венеции, которые с удивлением обнаружили, что можно увидеть далекий корабль в Венецианском заливе и еще до его приближения распознать, друг это или враг. Галилео представил свой телескоп верховному правителю Венеции — дожу. Тот был настолько впечатлен, что продажи Галилея увеличились вдвое, а его временная должность профессора стала пожизненной. Два телескопа, изготовленные Галилеем, демонстрируются в Музее истории науки (Institute е Museo di Storia della Scienza) во Флоренции. Линзы их объективов имеют диаметры 16 и 26 мм. По современным стандартам телескоп Галилея был, конечно, не самым лучшим. Но он радикально усилил возможности человеческого глаза при наблюдении небольших, тусклых и далеких объектов. Направив телескоп в небо, Галилей сделал неожиданные открытия. В книге «Звездный вестник», опубликованной в 1610 году, Галилей рассказал о своих новых космических открытиях.
• Луна, которая кажется ровной сферой, в действительности имеет неровную поверхность с горами, ямами и долинами, наряду с большими плоскими районами.
• Многие новые звезды, невидимые невооруженным глазом, появляются на небе при наблюдении в телескоп, особенно Млечный Путь — огромное облако тусклых звезд.
• У Юпитера четыре обращающихся вокруг него спутника.
Позднее, в 1610 году, Галилей совершил новые открытия.
• Венера имеет фазы наподобие Луны.
• На Солнце есть пятна, движение которых по диску отражает его вращение с периодом около месяца (возможно, это открытие независимо сделали и другие астрономы).
Все это было настолько ново и радикально, что многие не смогли сразу принять и согласиться, тем более что кроме слов самого Галилея никаких других доказательств не было. А наблюдение в телескоп не очень-то помогало: размазанное дрожащее изображение первых телескопов не пользовалось доверием. Современный маленький бинокль дает гораздо лучшее изображение. Быть может, вам захочется с помощью бинокля найти на небе Юпитер и заметить один из его четырех крупных спутников. В конце концов вам, вероятно, удастся увидеть один или даже несколько спутников, но для этого понадобится прочный и устойчивый современный штатив, вроде тех, что у фотоаппаратов.
Открытия Галилео стали сенсацией, а его книга — бестселлером. Бе первые 550 экземпляров оказались быстро распроданы. Слава автора не ограничилась Европой: через четыре года книга была издана в Китае священником-иезуитом, описывающим новые небесные явления, открытые в далекой экзотической Италии.
Рис. 7.2. Фазы Венеры ясно показывают, что она действительно обращается вокруг Солнца, а не бродит туда-сюда между Землей и Солнцем, как утверждалось в древней системе мира. Рисунок: NASA.
Открытия Галилея, сделанные при помощи телескопа, поддержали идею Коперника. Ее оппоненты утверждали, что если бы Земля обращалась вокруг Солнца, то Луна должна была бы отстать. Теперь же стало видно, что спутники Юпитера обращаются вокруг него и не отстают при движении Юпитера по орбите. Венера, как и Луна, меняет фазы, и это означает, что она при движении вокруг Солнца выходит из-за Солнца и оказывается между Землей и Солнцем (рис. 7.2). Наконец, кратеры на Луне и солнечные пятна указывают, что эти тела состоят из вещества, похожего на вещество «несовершенной» Земли (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Галилей был одним из первых, кто заметил пятна на Солнце. Это современное фото показывает группу огромных пятен, наблюдавшихся на Солнце в 2001 году. Солнечные пятна — это временные образования: одни пятна со временем исчезают, другие появляются. Теперь мы знаем, что причиной появления пятен служат сильные магнитные поля, выходящие из внутренних областей Солнца. Пятна кажутся темными, потому что они немного холоднее окружающей поверхности.
Кеплер и Галилей были совершенно разными людьми, и это отразилось в их подходе к науке. Кеплер был тихим, глубоким теоретиком, с хрупким здоровьем и слабым телом. Галилей, крупный и здоровый, имел горячий нрав, ясный ум и острый язык. Поэтому он часто конфликтовал с другими учеными. Хотя Галилей не принял кеплеровскую теорию движения планет (он рассматривал круговые движения как естественные), их работы дополняли друг друга на протяжении всего времени, пока мостилась дорога к новой физике Земли и небесных объектов.
В 1616 году католическая церковь объявила учение о движении Земли абсурдным и еретическим. Этому предшествовала сложная цепь событий. Определенную роль сыграли зависть малограмотных профессоров, споры между вспыльчивым Галилеем и начальством университета, а также желание втянуть Галилея в спор о системе мира и положениях Библии. В результате книга Коперника и ряд других книг были «задержаны, пока не будут исправлены». Ну а, к примеру, книга Фоскарини была вообще запрещена — монах ордена кармелитов пытался доказать, что движение Земли не противоречит Библии. В 1620 году были запрещены и «все другие книги, утверждающие то же самое». И так было вплоть до издания «Индекса запрещенных книг» 1835 года, после которого идеи Коперника более не преследовались.
Один из веских аргументов в пользу запрета — как со стороны религии, так и со стороны науки — состоял в том, что движение Земли все еще не было доказано. Эта чрезвычайно смелая теория вынуждена была вести борьбу на двух взаимосвязанных фронтах — в науке и в обществе. В 1632–1633 годах перед трибуналом инквизиции в Риме состоялся суд над Галилеем. Причиной судебного разбирательства послужила книга «Диалог о двух главнейших системах мира». Папа Урбан VIII, который проявлял интерес к космологии, уговорил своего друга Галилея написать новую книгу. Но он сказал Галилею, что система Коперника должна быть представлена только как гипотеза (это позволял Декрет 1616 года), и Галилей согласился. Но когда книга была издана, оказалось, что в ней Галилей пытается доказать, что Земля движется. Положение усугубилось еще и тем, что не очень умный персонаж книги — Симпличио, приверженец геоцентрической картины мира, был явной карикатурой на папу. Вердикт суда принудил Галилея публично объявить, что Земля неподвижна. К счастью, во время суда с 70-летним ученым обращались хорошо, его не поместили в камеру и не пытали.
Злоключения Галилея, подобно казням Сократа и Бруно, стали символом борьбы за свободу мысли. Но было бы слишком просто считать это столкновением науки и религии. Революционеры в науке — Коперник, Кеплер и Галилей, а затем и Ньютон — верили в Бога, как и большинство их современников в Европе, и не утверждали, что Библия противоречит науке. Новые идеи были враждебно встречены религиозными лидерами, которые приспособили систему Птолемея для своих догм, что позже назвали «незаконным браком науки и религии».
Суд над Галилеем стал частью коперниканской революции и вынудил учен. ых искать дополнительные доказательства в пользу новой системы мира. Однако история с Галилеем заставила на некоторое время прекратить открытые дискуссии на эту тему. Одним из тех, кого в 1633 году встревожили новости из Рима, был Рене Декарт (1596–1650), французский философ и математик, только что закончивший работу «Мир». В этой книге он представил свою физическую систему мира, включающую гелиоцентризм. Декарт решил отложить рукопись, и она была опубликована лишь после его смерти.
Впрочем, Декарт сделал и многое другое, что повлияло на философию, физику и математику еще при его жизни. Отправной точкой «картезианской физики» был закон инерции. Он обсуждался Галилеем, но только Декарт сформулировал его для идеальной частицы в бесконечном пространстве. Если частица не соприкасается с другой частицей, то она будет либо сохранять начальное состояние покоя, либо двигаться с постоянной скоростью по прямой. Закон Декарта о движении свободной частицы по инерции очень похож на первый закон движения Ньютона, который мы обсудим позднее. Однако, в отличие от гравитационного притяжения сквозь пустое пространство, в физике Декарта ничего не происходит, пока частица не отклонится при столкновении с другой частицей; иными словами — изменения в нашем мире вызываются столкновениями. Нет загадочного взаимодействия на расстоянии; все тела постоянно находятся в контакте с другими телами. Даже пространство между звездами не пустое, а заполнено частицами эфира.