Текст книги "Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки"

Вивиани был хорошим учеником и достойно отплатил за свою науку. Se non è vero, è ben trovato[4]4
  Хорошо сказано, даже если и неправда.


[Закрыть], гласит итальянская поговорка, так что мы с полным правом можем рассуждать об эксперименте Галилея на Пизанской башне.

Но почему все-таки этот эксперимент так прочно вошел в научный фольклор, стал символом поворотного момента в истории науки Нового времени?

Одна из причин заключается в яркости описания, данного Вивиани, – описания короткого, но захватывающего. В целом Вивиани, внимательный и точный историк, прекрасно понимал, что пишет для особой аудитории: ученых-филологов, священнослужителей, политиков и представителей других интеллектуальных профессий, не связанных с естественными науками, которых будет интересовать не столько математический аппарат исследования и его технические детали, сколько увлекательные подробности. «Вивиани даже в голову не могло прийти, – пишет историк науки Майкл Сегре, – что его сочинение спустя много лет попадет в руки недоверчивого историка науки»³³.

Вторая причина заключается в довольно распространенной особенности, характерной для популярной и даже серьезной исторической литературы: какой-то один эпизод становится символическим обобщением целого ряда важных событий. В картине перехода от Аристотелевой к современной картине мира «эксперимент на Пизанской башне» идеально исполняет такую роль, хотя оборотной стороной этого становится некоторое тушевание всего контекста событий: создается ложное впечатление, что один лишь этот эксперимент явился причиной пересмотра Галилеем теории движения и что именно проблема движения была главной в конфликте двух систем мироздания.

И, наконец, последняя причина: мы любим истории про Давида и Голиафа, в которых некий носитель власти и авторитета обличается, унижается и лишается величия благодаря какому-нибудь ловкому приему. В каком-то смысле подобные истории повышают нашу значимость в собственных глазах.

* * *

Эксперимент, подобно многим другим явлениям окружающего мира, имеет свою биографию: зарождение и появление на свет (первое проведение), «взросление» и дальнейшее развитие. Подобно эксперименту Эратосфена с измерением окружности Земли, эксперимент Галилея со свободно падающими телами был проведен в определенное время и в определенном месте, но, с другой стороны, он стал неким шаблоном, по которому можно было проделывать различные опыты с разными телами и с различной мерой точности. Со временем эксперимент Галилея породил целый специфический жанр экспериментов и демонстраций – потомков эксперимента на Пизанской башне.

К примеру, десятилетие спустя после смерти Галилея был изобретен вакуумный воздушный насос, с помощью которого можно удалить воздух из некоего замкнутого пространства и тем самым создать вакуум (неидеальный), что позволило англичанину Роберту Бойлю и голландцу Виллему Якобу Гравезанду проверить утверждение Галилея, что тела разного веса в вакууме упадут одновременно.

Демонстрации падения тел в вакууме с познавательной и развлекательной целью продолжали пользоваться популярностью и в XVIII столетии, когда новая физика, к созданию которой приложил руку Галилей, полностью вытеснила физику Аристотеля. К примеру, британский король Георг III пожелал, чтобы для него была устроена специальная демонстрация с падением перышка и золотой монеты внутри трубки, из которой предварительно был выкачан воздух. Один из свидетелей вспоминает:

«Мистер Миллер… рассказывал, что его попросили объяснить эксперимент с гинеей и пером в трубке насоса Георгу III. В ходе проведения эксперимента молодой оптик достал перо, а король предоставил гинею. В завершение король похвалил молодого человека за его мастерство экспериментатора, но гинею, со свойственной ему скаредностью, положил к себе обратно в жилетный карман»³⁴.

Даже в ХХ веке некоторые ученые продолжали экспериментировать со свободно падающими телами с целью измерения точного времени падения при экспериментальной проверке уравнений для тел, движущихся с ускорением при сопротивлении среды. Один подобный эксперимент имел место совсем недавно, в 1960-е годы, на метеорологической башне Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, и проводил его физик-теоретик Джеральд Фейнберг. Он писал:

«Основная причина обращения к вопросу, который представляется давно решенным, состоит в том, что результаты теоретических разработок вступают в противоречие с данными интуиции, по крайней мере интуиции тех, кто был воспитан на законах Галилея. Уравнения, используемые в течение столетий, все еще требуют определенных уточнений»³⁵.

Эксперимент на Пизанской башне продолжает нас удивлять и поныне.

* * *

Опыт Галилея отвечает на вполне фундаментальный вопрос: как различные тела – от пушечного ядра до перышка – ведут себя под воздействием силы, которая так или иначе влияет на всех нас. Организация этого эксперимента предельно проста, для его проведения не нужно ни сложного оборудования, ни даже простых часов. И он не оставляет никаких вопросов, в результате мы переживаем тот особый вид удовольствия, который можно было бы назвать «ожидаемым удивлением». Хотя разумом мы понимаем истинность галилеевского представления о мире, интуитивно мы живем в аристотелевском мире. Если бы мы были обитателями Луны, где нет сопротивления воздуха, поведение тел, падающих в вакууме, было бы нам знакомо, ничего нового данный эксперимент нам бы не открыл. Однако повседневный опыт подталкивает нас к предположению, что предметы будут вести себя в соответствии с аристотелевской теорией, и часто мы не обманываемся в своих интуитивных ожиданиях. Тяжелые предметы гораздо сильнее, чем легкие, оттягивают наши руки вниз, по направлению к центру Земли, и мы делаем совершенно логичный вывод: они и падать должны гораздо быстрее, как если бы стремились «вернуться на землю».

Именно по этой причине нам до сих пор доставляет удовольствие зрелище разрушения привычной для нас «бытовой» картины мира – зрелище, которое повышает в наших собственных глазах значимость нашего рационального мышления и информации, полученной с его помощью. Это удовольствие напоминает игру Fort! Da!, описанную Фрейдом: ребенок прячет какой-то предмет, а затем снова его демонстрирует. Ребенку доставляет огромную радость сам факт все новой демонстрации предмета, несмотря на то, что он прекрасно знает, что предмет никуда не исчезал, а все время был где-то рядом.

До недавнего времени с экспериментами Галилея с падающими телами было связано несколько загадок. Одна из них восходит к его странному наблюдению, приведенному в трактате «О движении», что менее плотное тело при падении вначале опережает более плотное тело, которое затем нагоняет его. В 1980-е годы историк науки Томас Сеттл повторил эксперименты Галилея с участием психолога и, к своему изумлению, обнаружил то же, на что в свое время обратил внимание Галилей. Дальнейшие исследования пролили свет на эту загадку: от удерживания более тяжелого предмета рука больше устает, что заставляет экспериментатора отпускать предмет медленнее, хотя сам он убежден, что бросает оба предмета одновременно³⁶.

Еще одна недавно раскрытая загадка касается описания Вивиани и того, почему, если эксперимент на Пизанской башне действительно имел место, Галилей ни разу не упомянул о нем в своих собственных сочинениях. В 70-е годы ХХ столетия историк науки Стиллман Дрейк, изучавший наследие Галилея, внимательно проанализировал переписку ученого за 1641–1642 годы. Галилей, к тому времени уже практически слепой и находившийся под домашним арестом, просил Вивиани читать ему вслух приходившие письма и диктовал ответы. В начале 1641 года Галилей получил несколько писем от своего старого друга и коллеги Винченцо Реньери, который незадолго до того стал профессором математики в Пизанском университете, заняв ту кафедру, во главе которой когда-то стоял сам Галилей.

В одном из писем Реньери упомянул о своем эксперименте, в ходе которого он сбросил два шара – один деревянный, другой свинцовый – с «верха соборной звонницы», каковой и является знаменитая «Падающая башня». Ответ Галилея не дошел до нас, однако из следующего письма Реньери становится ясно, что Галилей в этом ответе сослался на собственное описание подобных экспериментов в «Беседах и математических доказательствах» и предложил Реньери повторить эксперимент с телами разного веса, но сделанными из одного и того же материала, чтобы выяснить, не влияет ли выбор материала на результат (как оказалось, не влияет). Письмо Реньери оживило воспоминания Галилея о его собственных экспериментах в Пизе с падающими телами из одинакового материала, которые он, вероятно, описывал Реньери или, по меньшей мере, Вивиани. Если это действительно так, то становится ясным, откуда Вивиани была известна история, которую сам Галилей мог давно забыть, и почему Вивиани в своем сочинении совершенно определенно сообщает, что Галилей пользовался шарами из одного и того же материала.

Конечно, труд Вивиани не свободен от неточностей; обычно это незначительные ошибки в хронологии, в оценке значимости и в отдельных мелких деталях. С другой стороны, почему Галилей должен был обязательно упоминать в своих сочинениях Пизанскую башню? Он упоминает о «высоких строениях», и тот факт, что одним из таких высоких строений была Пизанская башня – весьма второстепенная особенность эксперимента, никак не влияющая на достоверность и ценность его результатов. После анализа всех имевшихся в нашем распоряжении материалов Дрейк пришел к выводу, что в письме к Реньери Галилей, возможно, описал эксперимент с падающими телами, который он провел именно на Пизанской башне, и данное описание и стало источником знаменитой истории в книге Вивиани³⁷.

Еще одного известного историка науки Бернарда Коэна утомили бесконечные вопросы: «бросал ли Галилей шары с Пизанской башни»» и «что будет, если их оттуда все же сбросить?» на которые ему приходилось постоянно отвечать: «Не знаю». Во время Международного конгресса по истории науки 1956 года, заседания которого проходили в разных городах Италии, включая Пизу, Коэн пришел к Пизанской башне, попросил коллег и студентов удалить всех прохожих от ее подножия и поднялся по скользким ступеням накренившейся лестницы на самый верх. Оказавшись там, он вытянул руки над парапетом южной стороны башни и – не без усилия – сбросил оттуда два шара разного веса. Они ударились о землю практически одновременно – бум-бум! – на глазах у завороженных зрителей. Завороженных не тем, что они увидели нечто неожиданное, а совсем наоборот – они стали свидетелями исторического события: прославленный эксперимент Галилея был проведен у них на глазах.

И, возможно, вообще впервые.

Интерлюдия
Эксперименты и демонстрации

«Мишель воспроизводит эксперимент Галилея на Пизанской башне» – так называется эта экспозиция в Бостонском музее науки. Мишель – это девочка-афроамериканка лет двенадцати в комбинезоне. Она взгромоздила на стол два ящика, затем сама взобралась туда и теперь держит в левой руке ярко-красный бейсбольный мяч, а в правой – ярко-желтый мяч для гольфа. Она уже, по всей видимости, собиралась бросить их, как вдруг вошла ее мать и в мгновение, запечатленное в скульптуре, с явным неодобрением смотрит на дочь. Как сообщает табличка у нее над головой, мать Мишель думает: «Господи, что тут такое происходит?!» Мысли Мишель совсем иные: «Интересно, какой из них упадет первым?»

«Как движутся падающие тела? – продолжает табличка. – Упадет ли бейсбольный мяч раньше, чем мяч для гольфа? Мишель, как Галилей за 400 лет до нее, решила сама это выяснить… „Я сам это проверю“ – так говорим мы всякий раз, когда не хотим просто принять чьи-то слова на веру».

Эта экспозиция демонстрирует концептуальную простоту легендарного эксперимента Галилея на Пизанской башне; но она также является свидетельством некоторого упрощения данной легенды и, наконец, иллюстрирует определенное различие между экспериментом и демонстрацией.

Мишель проводит эксперимент – некую последовательность действий, которые впервые откроют ей какую-то истину. Мы задумываемся о необходимости проведения подобной процедуры, когда отыскание ответа на определенный вопрос становится для нас принципиально важным, а отыскать его путем теоретических построений не удается. Для получения ответа нам необходимо спланировать эксперимент, осуществить его, тщательно пронаблюдать и интерпретировать результаты. Мы не можем знать заранее, каковы будут эти результаты. Подобная неуверенность заставляет нас с чрезвычайной тщательностью готовить все аспекты процедуры.

Получение некоего результата в ходе эксперимента не похоже на получение правильного ответа на вопрос в тесте множественного выбора, поскольку в эксперименте важен любой результат, даже если он не оправдывает наши ожидания и оставляет нас в еще большем недоумении. Но его следствием все равно становится определенная научная трансформация. Здесь заключено одно из основных отличий между шахматами и математикой, на которые обращал внимание Харди. Играя в шахматы, мы не меняем правила игры, однако отыскание математического доказательства – или результат научного эксперимента – изменяет науку, добавляя к ней некое новое знание. Благодаря этому наши исследования не заканчиваются экспериментом, а лишь получают новый поворот и еще более углубляются.

По какой-то причине Мишель заинтересовалась проблемой падения тел. Мы не знаем, почему. Возможно, она что-то прочитала о Галилее и это удивило ее. Она достаточно серьезно подходит к проведению своего эксперимента. Совершенно очевидно также и то, что, какими бы ни были результаты ее эксперимента, он не станет завершением ее изысканий, так как поставит перед ней новые вопросы.

Повторение эксперимента без изменений превращает его в демонстрацию. В первом проведении экспериментатор и зритель – это один и тот же человек, эксперимент проводится ради того, чтобы прояснить нечто важное для самого экспериментатора и, возможно, его коллег. Демонстрация же – стандартизованная процедура, в которой демонстратор и аудитория не одно и то же. Если Галилей на самом деле сбрасывал шары различного веса с крыши Пизанской башни, вполне возможно, что он делал это в качестве демонстрации: не столько чтобы прояснить нечто для себя самого, сколько чтобы убедить других.

Сегодняшние ключевые эксперименты завтра превратятся в предмет обычных демонстраций. Демонстрация есть воспроизведение эксперимента с некой внешней целью, и в зависимости от цели – повышение мотивации учащихся, стремление убедить инвестора или произвести впечатление на журналистов – демонстрация организуется по-разному. Граница между экспериментом и демонстрацией не всегда четкая, так как нередко ученый уже в ходе планирования и подготовки эксперимента начинает понимать, каков должен быть его результат, и предприимчивый экспериментатор включает уже в первый эксперимент элемент демонстрации. С другой стороны, не все демонстрации проходят так, как первоначально планировалось. Иногда их ход нарушают вполне обыденные обстоятельства, но порой в них проявляется некий новый фактор, о котором ранее ничего не было известно.

Мы обычно сталкиваемся с демонстрациями во время посещения музея науки. К примеру, в Бостонском музее науки проводится демонстрация эксперимента с падением тел. Рядом стоят два плексигласовых цилиндра, в каждом из них механические клешни захватывают находящиеся на дне предметы разного веса, поднимают их наверх и одновременно бросают. Траектория и скорость падающих объектов отслеживаются с помощью электроники. К радости кураторов музея и некоторому неудовольствию уборщиков, у этой экспозиции всегда полно детей (в демонстрационный аппарат можно засовывать и собственные предметы).

В «Эксплораториуме» в Сан-Франциско можно наблюдать несколько иную демонстрацию. Там имеется отдельно стоящий четырехфутовый цилиндр из плексигласа, насаженный на специальную ось таким образом, что он может переворачиваться и вращаться. Внутри цилиндра находятся два предмета: перышко и какая-нибудь игрушка, например плюшевый мишка. Цилиндр присоединен к вакуумному насосу, который посетитель музея может собственноручно включать и выключать. Цилиндр начинает вращаться – и оба объекта оказываются на специальной полочке, когда же цилиндр полностью переворачивается, они с нее падают. Если в цилиндр впустить воздух, перышко начинает отставать в своем полете, ему потребуется несколько дополнительных секунд, чтобы приземлиться. Но когда из цилиндра полностью выкачан воздух, оба предмета приземляются одновременно. Демонстрация пользуется огромной популярностью, у стенда неизбежно собирается толпа детей.

Однако у демонстраций есть один недостаток: они несколько размывают представление о сложностях, связанных с планированием, проведением и пониманием экспериментов, создавая определенную дистанцию между зрителем и феноменом, которая в ходе настоящего эксперимента отсутствует. Кроме того, демонстрации частенько до крайности упрощают экспериментальный процесс, используя оборудование, специально спроектированное для получения «правильного» ответа.

Демонстрации и описания экспериментов, которые приводятся в учебниках, способны исказить представление о процессе научных исследований, создав у зрителя и читателя впечатление, что научный эксперимент – это всего лишь иллюстрация к заранее проработанной концепции. Поэтому демонстрация способна уничтожить то, что я именую красотой науки. Если научный эксперимент открывает какую-то совсем незначительную истину, писал историк науки Фредерик Холмс, эта истина извлекается из «матрицы сложности» и неизбежно направляет экспериментатора к неким новым измерениям сложности³⁸. Это в полной мере относится и к эксперименту на Пизанской башне. Ученым потребовалось довольно много времени, чтобы уяснить важность экспериментов с падением тел, которые, в конечном итоге, сделали науку не проще, а, напротив, еще более сложной.

Когда астронавты «Аполлона-15» бросали перышко и молоток на поверхность Луны, это, конечно же, было демонстрацией. Для научного эксперимента (если не брать в расчет наиболее грубые его разновидности) процедура была проведена чрезвычайно небрежно. Никто не измерил высоту, с которой предметы были сброшены. Никого не заботило то, что руки Скотта не были вытянуты параллельно поверхности планеты. Ничего не было сделано, чтобы гарантировать одновременное начало падения предметов, да и в момент их прилунения также не осуществлялось никаких измерений. Слова командира корабля («одним из тех, благодаря кому мы оказались сегодня здесь, был джентльмен по имени Галилей…») подтверждают, что ученым давно и в деталях известны сила притяжения Луны и законы поведения тел под действием ускорения (если бы они этого не знали, с их стороны было бы крайне безрассудно запускать на Луну космический корабль с людьми на борту).

Между прочим, демонстрация с перышком и молотком едва не закончилась полным провалом, даже не начавшись. За несколько мгновений до начала демонстрации командир корабля Дэвид Скотт с ужасом обнаружил, что под действием статического электричества перышко прилипло к перчатке его скафандра. Однако стоило включить камеру, как перышко чудесным образом отлипло, и демонстрация прошла удачно. Экзотическое место проведения, показ в прямом эфире по телевидению, а впоследствии и размещение видеоклипа на сайте НАСА сделали «эксперимент», проведенный командой «Аполлона-15», без сомнения, самой популярной научной демонстрацией в истории.

Рис. 5. Наклонная плоскость с желобом, экспонат Музея истории науки во Флоренции. Этот инструмент был изготовлен в конце XVIII века и предназначался для демонстраций во время лекций. Маятник в задней части плоскости снабжен колокольчиком, который звенит при каждом качании, отмечая, таким образом, равные промежутки времени. Вдоль наклонной плоскости также устанавливаются колокольчики, которые звенят всякий раз, когда мимо них прокатывается шар. Эти колокольчики можно передвигать вдоль желоба, и демонстратор путем подбора размещает их таким образом, чтобы катящийся по желобу шар задевал их одновременно с качаниями маятника. Измерив затем расстояния от начала желоба до первого колокольчика, а также между колокольчиками, демонстратор и его зрители обнаружат, что названные расстояния относятся друг к другу как последовательность нечетных чисел, начиная с единицы – то есть, что длины соответствующих отрезков пути по наклонной плоскости от начала движения прямо пропорциональны квадратам времени движения. Данное приспособление позволяет хорошо продемонстрировать справедливость закона Галилея, однако не существует никаких свидетельств того, что установка Галилея была именно такой