Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации
Другой способ изучать свободное падение родился у Галилея в церкви, но не в связи с грехопадением Евы. Во время церковной службы, глядя поверх священника, он обнаружил удивительное явление. Вверху висела люстра и раскачивалась — по воле сквозняка — то сильнее, то слабее. Галилей сравнил длительность отдельных качаний, измеряя время ударами собственного пульса, и обнаружил, что большое колебание люстры длится столько же, сколько малое. С этого начались его исследования маятника, а это — любой груз, висящий на нити. Галилей наблюдал за колебаниями маятника, меняя грузы, длину нити и начальное отклонение.
Наблюдая сразу за двумя маятниками, он убедительно подтвердил свое церковное наблюдение. Если взять два одинаковых маятника, слегка отклонить грузы на разные углы и отпустить, то маятники будут колебаться в такт, совершенно синхронно: период малого колебания — тот же, что и большого. Ну а «если с какой-нибудь балки спустить два шнура равной длины, на конце одного прикрепить шарик из свинца, а на конце другого шарик из хлопка, одинаково отклонить оба, а затем предоставить их самим себе»? Период колебаний опять одинаков, хотя размах колебаний быстрее уменьшается у легкого шарика. В движении более легких тел сопротивление среды заметнее. Это ясно, если сравнить движения в воздухе и в воде: «мраморное яйцо опускается в воде во сто раз быстрее куриного яйца; при падении же в воздухе с высоты двадцати локтей оно опережает куриное яйцо едва ли на четыре пальца». Свободное колебание маятника мало похоже на свободное падение, но оба определяются тяжестью. А при уменьшении размаха колебаний уменьшится скорость маятника и, значит, уменьшится роль сопротивления среды.
Результаты своих опытов и рассуждений Галилей подытожил в новом законе природы: в пустоте все тела свободно падают с одним и тем же ускорением.
Ну а как же знаменитая история о том, как Галилей якобы сбрасывал шары с Пизанской «падающей» башни? А наблюдавшая за этим ученая публика якобы тут же после одновременного приземления разных шаров признала триумфальную победу Галилея над Аристотелем.
Это — легенда. Не было такого триумфа. Да и приземлиться одновременно разные шары не могли из-за сопротивления воздуха. А ученые коллеги, за малым исключением, охраняли авторитет Аристотеля, которого выучили еще студентами и преподавали новым поколениям. Именно неприятие его идей побудило Галилея, помимо современной физики, заняться еще и научно-популярной литературой. Его главные книги имеют форму бесед между тремя персонажами. Один — Симпличио — представляет взгляды почитателей Аристотеля. Второй — Сальвиати — самостоятельный исследователь, похожий на Галилея. А третий — Сагредо — похож на здравомыслящего человека, быть может, и не искушенного в науках, но готового выслушать обоих оппонентов и задать уточняющие вопросы, прежде чем решить, кто прав. Именно для таких читателей Галилей писал. Ради них он перешел с латыни — языка тогдашней учености — на живой итальянский язык, чтобы рассказать о драме идей, в которой сам участвовал, о слепой уверенности тех, кому все ясно, о духе сомнения в поисках истины и о способах установления истинных законов природы.
Историю о «падающей башне» впервые рассказал ученик Галилея в биографии, написанной спустя десятилетие после смерти учителя и полвека спустя после предположительных опытов. Ученик был физиком, а не историком, и когда он пришел в науку, было уже совершенно ясно, кто прав. Он, похоже, усмотрел автобиографическое свидетельство Галилея в словах его литературного персонажа:
Сальвиати. Аристотель говорит, что «шар весом в сто фунтов, падая с высоты ста локтей, достигнет земли прежде, чем однофунтовый шар пролетит один локоть». Я утверждаю, что они долетят одновременно. Делая опыт, вы увидите, что, когда больший достигнет земли, меньший отстанет на ширину двух пальцев. За этими двумя пальцами не спрятать девяносто девять локтей Аристотеля.
Сам Галилей нигде не утверждал, что сбрасывал шары с Пизанской башни. Для него гораздо важнее был новый закон свободного падения, чем опровержение старого. А движение шаров по наклонной плоскости и малые колебания маятников были гораздо убедительнее эффектных публичных демонстраций.
Первый современный физик?
Настал момент, чтобы читатель типа Сагредо, поздравив Галилея с открытием нового закона, спросил: а чем уж так он отличается от закона Архимеда и чем, собственно, Галилей заслужил титул «отца современной физики»?
Преимущество закона Архимеда очевидно. Плавание — практически важное явление, а свободное падение — явление редкое, краткое и… фатальное. Кому важно знать, сколько точно секунд длится падение с крыши до земли?! К тому же закон Галилея дает точную величину лишь для падения в пустоте, которую в те времена никто не видел, а учетом влияния воздуха Галилей не занимался.
Объясняя вклад Галилея, говорят, что он основал науку экспериментальную или экспериментально-математическую, что он «математизировал» природу и изобрел «гипотетико-дедуктивный» метод. Все эти утверждения, однако, применимы и к Архимеду, по книгам которого Галилей учился и которого называл «божественнейшим». Физик Архимед был еще и великим математиком, и инженером-изобретателем, а гипотеза и логическая дедукция служили инструментами мышления и до Архимеда. Более того, и эксперименты Галилея, и используемая им математика не выходили за пределы возможного у Архимеда.
Что же сделало Галилея «отцом современной физики», по выражению Эйнштейна, или, проще говоря, первым современным физиком? Читателю, который хотел бы сам найти ответ на этот вопрос, стоит поразмыслить над законом свободного падения в пустоте и учесть при этом, что Галилей не делал опытов в пустоте — только в воздухе и в воде.
Уже после смерти Галилея его ученик Торричелли научился создавать (почти полную) пустоту, названную «торричеллиевой». Для этого нужна пробирка длиной, скажем, около метра, заполненная ртутью. Перевернув пробирку вверх дном и опустив ее открытый конец в сосуд с ртутью, получим вблизи дна пробирки, оказавшегося наверху, примерно 24 сантиметра пустоты (если давление воздуха нормальное — 760 мм ртутного столба). В такой пустоте пушинка и монета падают совершенно одинаково.
Три века спустя, в 1971 году, подобную картину увидели миллионы телезрителей, когда на их телеэкранах участник лунной экспедиции «Апполон-15» астронавт Дэйв Скотт, находясь на поверхности Луны, выпустил из рук молоток и перышко, и те прилунились одновременно — в полном согласии с законом Галилея, поскольку там нет воздуха. Репортаж об этом лунном эксперименте занял всего 40 секунд:
Итак, в левой руке у меня перышко, а в правой — молоток. Одна из причин, почему мы попали сюда, связана с джентльменом по имени Галилей, который давным-давно сделал важное открытие о падении тел в гравитационных полях. Мы подумали, что показать вам его открытие лучше всего на Луне. Сейчас я выпущу из рук перо и молоток, и, надеюсь, они достигнут поверхности за одно и то же время… Вот так!.. [аплодисменты в Хьюстоне] <…> что и доказывает правоту мистера Галилея.
Присоединяясь к аплодисментам в Хьюстоне, историк науки заметил бы, что Галилей понятия не имел о «гравитационных полях», а говорил просто о свободном падении. И что для физиков закон Галилея вполне подтверждался малыми колебаниями маятника, поскольку их период не зависит от того, какой груз висит на нити.
Пустота была первым важным «не-наглядным» понятием в физике. Затем появились другие — всемирное тяготение, электромагнитное поле, атомы, электроны, кванты света… Никто их не видел и не щупал, но лишь на основе этих ненаглядных понятий стали возможны технические изобретения, преобразившие обыденную жизнь. И нынешние физики применяют эти понятия столь же уверенно, как самые обычные слова «стол» и «стул», «любовь» и «дружба».
Изобрести фундаментальную физику Галилею помогли его природные таланты и вера в познаваемость мира, в фундаментальность мироздания.
Сейчас, когда наука и основанная на ней техника достигли гигантских успехов, познаваемость мира кажется очевидной, но до всех этих успехов — в шестнадцатом веке — ситуация была совершенно иной. Тогда сама власть законов в природе отнюдь не была общепризнанной. С начала размышлений Галилея и его первых опытов до публикации итогов работы прошло около полувека. Полвека настойчивых поисков истины — и такой простой закон, «ежу понятный», как скажут нынешние школьники.
А Галилей считал, что «лишь открыл путь и способы исследования, которыми воспользуются более проницательные умы, чтобы проникнуть в более удаленные области обширной и превосходной науки», и что «таким образом познание может охватить все области природных явлений».
