Глава 12
Падающие башни и телескопы Галилея

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.

Галилею пришлось доказывать, убеждать людей в том, что телескоп показывает реальные вещи.

Куда более тревожным и даже опасным был тот факт, что наблюдения Галилея стали отличным доказательством того, что Коперник не ошибался – что Луна вращается вокруг Земли, а сама Земля вместе с Луной и другие планеты вращаются вокруг Солнца. К тому времени труд Коперника находился в печати более семидесяти лет, и у него имелось значительное число сторонников как среди протестантов, так и между католиков.

Официальная позиция католической церкви была такова – идеи Коперника полезны в том, что касается движения планет, но они не являются правдой в буквальном смысле. Если признать их истиной, то слишком многие положения Библии окажутся под сомнением и потребуют нового осмысления.

Но Галилей хотел рассказать людям о своих астрономических открытиях.

В 1615 году он прибыл в Рим, надеясь получить от церкви разрешение на преподавание. Многие люди – даже в Риме – относились к ученому с симпатией, но ему все же было запрещено писать о системе Коперника или рассказывать о ней. Он не отступился, возвращался в Рим в 1624 и 1630 годах, чтобы прозондировать почву, хотя к тому времени постарел и утратил здоровье.

В конечном счете Галилей пришел к убеждению, что пока он будет осторожен, пока он станет представлять схему Коперника только как одну из возможных, ему ничто не угрожает. Его собственная книга «Диалог о двух системах мира» написана как беседа между тремя людьми, один представляет Аристотеля, другой Коперника, а третий выступает в роли ведущего дискуссии. Только таким способом Галилео смог показать все за и против старых и новых идей об устройстве Вселенной, не говоря при этом, какая из них верна, а какая – ошибочна.

Это прекрасная книга, полная шуток и написанная, как и большинство работ Галилея, на его родном языке, итальянском (а ученые по всей Европе в те времена обычно писали на латыни). И с самого начала ясно, на чьей стороне находится автор, какое мнение он поддерживает, хотя бы потому, что последователь Аристотеля поименован Симплицио. В самом деле существовал комментатор Аристотеля, писавший под этим именем, но и на итальянском и на английском это слово похоже на существительное «простак», и персонаж не может похвастаться умом. Последователь Коперника, названный Сальвиати (однокоренное со словами «мудрый» и «надежный») озвучивает, без сомнений, лучшие идеи и аргументы.

Галилей приложил серьезные усилия, чтобы получить разрешение церкви на издание своего труда. Цензор в Риме, решавший, что может пойти в печать, относился с симпатией к автору, но понимал, что будут проблемы, так что оттягивал решение.

Галилео не стал ждать и опубликовал книгу во Флоренции.

Когда церковные иерархи прочли ее, они испытали совсем не радость и вызвали старика-автора в Рим. Кто-то извлек из архивов древнее запрещение на преподавание системы Коперника Галилеем, и после «суда», длившегося три месяца в 1633 году, его принудили заявить, что книга была ошибкой, продуктом тщеславия.

«Земля, – утверждал он в заверенном подписью признании, – не движется и находится в центре Вселенной».

Существует легенда, что сразу после вынесения приговора Галилей пробормотал: «Eppur si muove» («И все-таки она вертится»). Сказал он это вслух или нет, доподлинно неизвестно, и он точно верил в это, и никакие церковные запреты не могли заставить его переменить взгляды на устройство мира.

Церковь имела достаточно власти, чтобы заточить Галилея в тюрьму или даже пытать его, но судьи признали, что он очень необычный человек, и ограничились домашним заключением. Его первый «домашний арест» в городе Сиена стал не таким уж жестоким – он был душой многих званых обедов, – так что власти настояли, чтобы ученый вернулся в свой дом на окраине Флоренции, где все его гости оказались под наблюдением.

Одна из его дочерей, бывшая монахиней, вскоре умерла, и последние годы Галилей провел в одиночестве. Но он продолжил работу, вернувшись к проблемам падающих объектов и сил, производящих всякие движения, которые мы видим вокруг каждый день. Его знаменитый трактат «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (1638) стал одной из опор современной физики.

Галилей снова обратился к ускорению падающих предметов и использовал математику, чтобы доказать, что ускорение может быть измерено тем способом, который предвосхитил знаменитую работу Исаака Ньютона о гравитации. Он также предложил новый способ рассмотрения траекторий объектов, летящих по воздуху, вроде пушечных ядер, и показал, как можно рассчитать, где именно они упадут. После этой работы концепция «силы» – того, что заставляет объект двигаться определенным образом – заняла свое место в физике.

Если вы когда-либо слышали выражение «бунтарь без причины», то вот Галилей был бунтарем с причиной. Он сражался за то, что наука – это знание, которое в состоянии объяснить, как функционирует физический, реальный мир. Некоторые из его мятежных идей были позже оставлены, поскольку оказались неверными или объясняли все не до конца. Но это и есть тот способ, каким наука двигается вперед, и ни один из ее разделов не является закрытой книгой, в которой содержатся ответы на все вопросы.

Галилей это знал, как и положено современному ученому.