[260]. Он уходит от средневековых представлений о центре Вселенной как о месте, где обитают души, обреченные на мучения в аду (рис. 3). Напротив, он предлагает новое видение Земли, такой же яркой, как Луна, и не менее достойной, чем другие планеты.
Однако новая картина мира вызывала среди богословов немалое беспокойство. Если в центре Вселенной находится Солнце, то где же находится ад? И что еще важнее – где определено место для рая? Средневековым священникам было достаточно указать на небо, чтобы прихожанам было ясно, что речь идет о Боге и небесах, и указать вниз, чтобы было понятно, как важно вести праведную жизнь, дабы не обречь себя на вечные муки в геенне огненной. Авторитет церкви строился на том, что она отводила себе роль проводника для человечества в блужданиях между раем и адом. Увы, когда Галилей с помощью телескопа разглядел на небесах лишь каменистую поверхность, авторитет церкви как единственного путеводителя в мире сверхъестественных сил заметно пошатнулся.
Возможно, чтобы не провоцировать споры, Галилей лишь раз упоминает Коперника в «Звездном вестнике» и приводит только косвенные доказательства в пользу гелиоцентрической системы. Одно из них – Медицейские спутники Юпитера, существование которых не является доказательством вращения Земли. Второй аргумент – так называемый земной свет – отраженные Землей солнечные лучи, освещающие темную поверхность Луны. Это явление подтверждало, что Земля, являясь небесным телом, имеет ту же природу, что и другие планеты, однако не доказывало того, что она вертится.
Даже в своем фундаментальном сочинении «Диалог о двух главнейших системах мира – Птолемеевой и Коперниковой», опубликованном два десятилетия спустя, в 1632 году (когда Галилею было 68 лет), он приводит лишь два дополнительных аргумента в пользу гелиоцентрической картины мира. Первый касался фаз Венеры, которые он наблюдал с помощью телескопа в 1610 году и сделал вывод, что они аналогичны фазам Луны. Это предположение возможно лишь в том случае, если Венера вращается вокруг Солнца, а не Земли, что противоречило системе Птолемея. Однако фазы Венеры не нарушали положения геоцентрической системы Тихо Браге, согласно которой неподвижная Земля – в центре, а вокруг нее вращается Солнце, вокруг которого, в свою очередь, вращаются внутренние планеты (рис. 12). Галилео выдвинул еще один аргумент, оказавшийся ошибочным: он утверждал, что приливы и отливы вызваны движением Земли вокруг Солнца. Правда, даже в XVII веке подобное заявление не вызывало доверия, поскольку уже тогда было известно, что на морские приливы влияет не Солнце, а Луна. Следует отметить и то, что Галилей на протяжении всей своей жизни был сторонником сложной системы Коперника со множеством эпициклов, предпочитая ее более простой модели Кеплера, согласно которой все планеты движутся по эллиптическим орбитам.
Однако публикация «Диалога» в 1632 году привела к печально известному конфликту с католической церковью. Галилей был вынужден отказаться от своих слов о том, что Земля вертится, о чем было сложено немало историй[261]. Возможно, доводы Оккама в пользу отделения науки от теологии звучали убедительно для Галилея, но не для католической церкви, в глазах которой трон королевы наук по-прежнему принадлежал теологии.
Несмотря на открытия Галилея, природа земного и небесного в понимании науки в начале XVII века имела четкое разграничение. В то время как законы Кеплера могли объяснить движение небесных тел, для земных существовал лишь один математический закон движения – теорема о средней скорости, предложенная Оксфордскими калькуляторами еще в XIV веке.
Галилей полагал: «Философия написана в величественной книге (я имею в виду Вселенную), которая постоянно открыта нашему взору, но понять ее может лишь тот, кто сначала научится постигать ее язык и толковать знаки, которыми она написана. Написана же она на языке математики, и знаки ее – треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человек не смог бы понять в ней ни единого слова; без них он был бы обречен блуждать в потемках по лабиринту»[262]. Это утверждение объясняло природу движения небесных тел, однако движение земных тел было хаотичным и, казалось, не подчинялось никаким законам. Даже теорема о средней скорости работала только на бумаге. Тем не менее Галилей был убежден в том, что вопреки доводам разума движение земных тел, как и движение тел небесных, подчинено математическим законам, однако их действие на Земле не столь очевидно из-за особенностей земного мира. Галилей решился на еще более революционный шаг: доказать свою догадку опытным путем.
Экспериментальный метод был не так уж нов. Архимед проводил знаменитые эксперименты по изучению плавучести и действия рычага. Арабский физик и астроном Ибн аль-Хайсам (965–1039) проводил эксперименты по оптике, которые позже описал в сочинении «Книга оптики» (араб. Kitab al-Manazir). За несколько десятилетий до Галилея английский философ Уильям Гильберт (1544–1603) описал свои опыты с природными магнитами и янтарем в книге «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Однако первые эксперименты сводились в основном к наблюдениям – за лучом света, который отражается в зеркале, или за тем, как иголка притягивается к магниту. Революционный подход Галилея заключался в том, что он тщательно планировал каждый эксперимент и условия его проведения, чтобы открыть закономерности движения физических тел. Вот почему его нередко называют отцом современной экспериментальной науки.
Примерно в 1604 году в возрасте 40 лет Галилей начинает серию экспериментов с целью измерить скорость падения. Проблема заключалась в том, что тела падали слишком быстро, и это делало измерение практически невозможным. Он придумывает оригинальное решение. Вместо свободного падения он позволяет телам катиться по наклонной плоскости, используя для этого дощечки, которые крепятся под углом к поверхности стола. Затем, чтобы исключить погрешности, связанные с неровностями предметов и объектов земного мира, он тщательно шлифует металлические и деревянные шарики, стремясь придать им идеально ровную форму и одинаковый размер. Он прорезает в дощечках желобки, чтобы шарики катились ровно, и выстилает эти бороздки вощеной бумагой, чтобы уменьшить трение. Сначала он измеряет время, опираясь на сердечный пульс, но затем придумывает более надежный способ на основе водяных часов[263] с точной настройкой, позволяющей безошибочно определить, сколько воды вытекает за единицу времени. Сотни таких экспериментов позволили получить средние значения и вывести закономерности, что невозможно сделать из-за отклонений, помех и шумов, присутствующих в единичном эксперименте.
Во-первых, Галилей обнаружил, что Аристотель ошибался, когда утверждал, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. История про то, как Галилей сбрасывал предметы с Пизанской башни, – всего лишь легенда, однако известны другие факты: его опыты с катанием небольших деревянных шаров по откосам показали, что более легкие деревянные шары катятся с той же скоростью, что и более тяжелые железные. Во-вторых, вопреки утверждению Аристотеля, что тела падают с постоянной скоростью, Галилей обнаружил, что тела падают с ускорением под действием силы тяжести, и это ускорение равномерно. Это на практике подтверждало теорему о средней скорости, которую сформулировали Оксфордские калькуляторы и графически доказал последователь Оккама Николай Орем. В известной степени Галилей опытным путем повторил графическое решение теоремы о средней скорости (рис. 7), не ссылаясь при этом ни на кого из своих средневековых предшественников.
В расчетах траектории летящего тела, например пушечного ядра, Галилей отдельно рассматривал горизонтальное и вертикальное движение. Он предположил, что расстояние, пройденное в горизонтальном направлении за единицу времени, будет приблизительно (если не учитывать сопротивление воздуха) постоянным и пропорциональным времени (0–4 секунды на рис. 17). В вертикальном направлении тело будет падать с равномерным ускорением и пройдет расстояние, пропорциональное квадрату времени (1–4 секунды на рис. 17), что следует из теоремы о средней скорости. Сопоставив графические отображения обеих траекторий, Галилей получил параболу. Парабола, как и эллипс, является коническим сечением, и такое интересное совпадение позволяет установить связь между движением земных тел и открытыми Кеплером эллиптическими орбитами, по которым движутся планеты. К сожалению, Галилей не увидел этой связи, возможно, он не читал или не обратил внимания на книгу Кеплера «Новая астрономия», которая была опубликована почти за 30 лет до появления его собственного сочинения «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки», появившегося в 1638 году.
Рис. 17. Анализ движения брошенного тела, представленный Галилеем
Представление о, пожалуй, самом важном законе, открытом Галилеем, мы можем получить из его «Диалога о двух главнейших системах мира», который по ясности и доходчивости изложения служит образцом научной прозы. Научный принцип, который сейчас принято называть принципом относительности или инвариантности Галилея, изложен в форме диалога, где автор приглашает нас мысленно подняться на борт корабля, как когда-то это сделал Уильям Оккам, чтобы продемонстрировать относительность движения.
Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно