Догадки о существовании тяготения, родившиеся до конца XVI века, не образуют стройной системы. Нельзя построить, расположив их в хронологическом порядке, лестницы, по ступеням которой познание в этой конкретной области двигалось бы от Аристотеля к Галилею. Чтобы превратить здесь отдельные «провидения» в доказанные законы, человечеству нужно было предварительно получить, так сказать, общее среднее образование: накопить достаточно сведений астрономических и физических, освоить систематические знания по математике, обучиться на новом уровне философии и логике…
Открытия средневековья и Возрождения во многих отраслях науки подготовили тот прорыв физики вперед, который оказался связан прежде всего с исследованием проблем тяготения.
Подступы. Галилей и Кеплер
Чтобы появились законы, надо было найти четкие связи между явлениями и выразить их в математических формулах.
Тяготение равно повелевает падением тел, находящихся на Земле, и движением небесных тел. Чтобы найти общий, единый «для неба и земли» закон всемирного тяготения, надо было сначала выяснить — по отдельности— казавшиеся не связанными между собой закономерности падения камня и движения светил.
Выполнение первой из этих задач выпало на долю Галилео Галилея.
Для истории исследования тяготения важны прежде всего не астрономические наблюдения и открытия великого астронома, хотя именно они составили его славу, не горы на Луне, не спутники Юпитера и многое другое, но его умение ставить опыты на Земле, вырывая у природы истину.
Так писал Евгений Евтушенко в стихотворении «Карьера». Поэт, в общем, точен. После Коперника не так уж мало ученых разбиралось в том, что вокруг чего вертится. Галилей был достаточно смел, чтобы вести пропаганду идей Коперника до той самой минуты, когда перед ним замаячил костер. Он отрекся, но после стольких лет борьбы, что само отречение — с точки зрения церкви— уже запоздало. Народная память задним числом оправдала борца, вложив ему в уста знаменитое: «А все-таки она вертится!»
Нисколько не умаляя значения Галилея в истории науки, мы вправе посчитать защиту и пропаганду гелиоцентрической системы при всей важности этого дела только мелкой деталью его биографии. Да и важна ока оказалась постольку, поскольку за популяризатором стоял его авторитет как ученого и талант как писателя. Как Ньютон велик и без анекдота про пресловутое яблоко, так Галилей велик и без преследований со стороны церкви.
Для темы этой книги всего важнее три направления в работах Галилея.
Первое связано с изучением падения тел и движения маятников.
Второе — с развитием принципа относительности (впрочем, о принципе относительности и вкладе в эту идею Галилея лучше поговорить позже, когда речь пойдет о научных событиях, в ходе которых этот принцип стал одной из основ теории тяготения).
На третьем направлении был открыт закон инерции, закон, по которому тело сохраняет состояние покоя или равномерного движения, пока не вмешается внешняя сила. Правда, это формулировка более поздняя, ньютоновская, но предтечей Ньютона был Галилей. Вот как сам великий итальянец изложил этот закон в конце своей жизни: «Степень скорости, обнаруживаемая телом, ненарушимо лежит в самой его природе, в то время как причины ускорения или замедления являются внешними».
Два самых ярких с внешней стороны эпизода научной жизни Галилея (если оставить в стороне его преследования церковью) связаны с двумя зданиями города Пизы. С высоты знаменитой Пизанской башни он бросал «пробные тела» (выражаясь языком современной физики) разного состава и массы и обнаружил, что все они падают с почти одинаковой скоростью; небольшая же разница зависит от сопротивления воздуха, которое, как мы знаем, сам Аристотель советовал принимать во внимание. Результат этих опытов известен нам всем по школьным урокам физики: все тела падают равномерно-ускоренно, с одним и тем же (если исключить влияние среды) ускорением.
С законами, управляющими движением маятника, мы все тоже познакомились в школе; кроме того, впереди у нас специальная глава об определении силы тяжести с помощью маятников.