Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

Своим авторитетом, однако, он обязан умению мыслить, а не эксперименту. Это еще один великий теоретик. Я же хочу найти те редкие случаи, когда, используя подручный материал, любопытствующая душа умудряется задать вопрос Вселенной и не успокаивается, пока не получит ответа, В идеале даже сами приборы, с помощью которых ищется этот ответ, должны отличаться красотой — полированное дерево, бронза, сияющий черный эбонит. Но еще большее значение имеет красота схемы эксперимента и его исполнения, чистота линий человеческой мысли.

По этой причине мне придется оставить древнюю Грецию и переместиться сразу в XVII век, когда человек по имени Галилей сформулировал фундаментальный закон движения. От этого пункта я последовал дальше, периодически делая остановки на славном пути науки, пока наконец не встретился с Милликеном и его крохотными звездами.

Не исключено, что у читателей моей книги может сложиться свой список. Мой друг, возражая мне, спросил: «А стоит ли называть книгу «Десять самых красивых экспериментов»?» Может, он и прав. Но мне кажется, что и в отборе экспериментов, и в том, что мне захотелось рассказать о них, есть что-то от случая, а что-то — от искусства. Это книга не о великих открытиях, не о счастливой случайности, которая помогла Галилею разглядеть движение спутников Юпитера, а Чарльзу Дарвину выбрать для своих наблюдений зябликов, — в этих историях нет сознательной, управляемой попытки задать вопрос и получить ответ. Мою книгу также нельзя рассматривать как сборник кратких научных биографий, которых и так существует великое множество. Некоторые жизнеописания, например Антуана Лорана Лавуазье и Альберта Майкельсона, привлекли меня своей необычностью. О Галилее и Ньютоне и без меня рассказано много. Я старался выделять самое главное и так, чтобы эксперимент, а не экспериментатор становился героем моей книги.

Желая сократить объем книги до разумного минимума, я решил не тратить много чернил на то, чтобы каждому отдать должное, тем более что для историка это представляет непростую задачу. Удивительное открытие Джеймса Джоуля, касающееся энергии и теплоты, предвиделось еще Робертом Майером, однако только Джоулю удалось поставить великолепный эксперимент. Поэтому мне хочется процитировать лорда Кельвина, который однажды сказал: «Вопрос о личном приоритете, каким бы важным он ни казался некоторым ученым, теряет всякое значение на фоне захватывающей перспективы — проникнуть в тайны природы».

Глава I

ГАЛИЛЕЙ

Правда о движении

Ничто не вызывает такой неприязни и раздражения, как люди, настаивающие на своем равенстве с другими учеными в определенной области и принимающие как должное некоторые выводы, которые со временем легко и просто опровергаются[2].

Когда вы бросаете камень, ловите мяч или прыгаете достаточно энергично, чтобы взять барьер, мозжечок, представляющий собой древнюю, бессознательную часть мозга, естественным образом ощущает на себе действие фундаментальных законов движения. Сила равна массе, умноженной на ускорение. Всякое действие вызывает равное ему противодействие. Но физическая сущность этого скрыта от более нового, головного мозга, благодаря которому мы мыслим и осознаем себя. Можно прыгать с грациозностью кошки, но при этом не иметь никакого понятии о гравитации.

В IV веке до н. э. Аристотель сделал первую амбициозную попытку сформулировать законы движения. Предмет падает пропорционально своему весу — чем тяжелее камень, тем быстрее он достигает поверхности земли. Для других видов движения (толкание книги на поверхности стола, движение плуга по полю) силу нужно прилагать постоянно. Чем больше прилагаемая сила, тем быстрее двигается предмет. Как только перестаешь его толкать, он тут же останавливается.

Хотя это звучит на первый взгляд разумно и кажется очевидным, но, по сути, такое утверждение ложно.

Что станет с книгой, если ее положить на лед и легонько толкнуть? Она будет двигаться еще какое-то время и после того, как сила на нее перестала действовать. (Когда Аристотеля спросили, почему стрела летит, расставшись с тетивой, он ответил, что она летит, подталкиваемая воздухом.) Теперь мы знаем, что все, чему сообщается движение, продолжает двигаться до тех пор, пока ему на пути не встретится что-нибудь другое или пока его не остановит трение. Кроме того, если с одной высоты бросить килограммовую и пятикилограммовую гири, то они, как показал Галилей, приземлятся одновременно.

Нет ничего удивительного в том, что этот великий ниспровергатель Аристотеля, воспетый в пьесе Бертольта Брехта, опере Филипа Гласса и поп-группой Indigo girls, оказался ниспровергателем самого себя. Вряд ли, говорят историки, Галилей бросал гири с Пизанской «падающей» башни. Не верят они и в историю с маятником, будто Галилея осенило, что маятники совершают колебания, равные по времени, когда он наблюдал за колебаниями потолочного светильника в Пизанском соборе, измеряя его движение по биению своего сердца.

При тщательном рассмотрении его слава как космолога тоже меркнет. Да, Галилей был самым красноречивым сторонником гелиоцентрической системы Коперника, а его «Диалог о двух главнейших системах мира» — первый выдающийся образчик научно-популярной литературы, однако в нем отсутствовало то, что оказалось совершенно очевидным для Кеплера: планеты движутся по эллипсам. Галилей считал, что орбиты должны представлять собой совершенный круг. В этом он следовал за Аристотелем, который заявил, что если на Земле (в подлунном мире) движение должно иметь начало и конец, то движение на небесах обязано быть круговым.

Если допустить, что эта идея верна и не противоречит тому, что происходит на небе, то отсюда следует, что планеты должны двигаться не просто по кругам, но по кругам внутри кругов. Мы приходим к тем же старым добрым эпициклам, которые так утяжелили геоцентрическую систему Птолемея.

Но самое большое разочарование нас ждет, когда мы узнаем, что его раскаяние перед католической инквизицией не было, как гласит легенда, неискренним и он никогда не произносил «Eppur si muove» («И все-таки она вертится!»). Он не был мучеником. Узнав о своем поражении, он просто удалился в Арчетри зализывать раны.

По-настоящему великим Галилея сделала работа, которую он выполнил задолго до того, как у него возникли проблемы с Ватиканом. Тогда он изучал движение не огромных звезд и планет, а обычных, земных предметов, которое оказалось намного загадочней, чем это можно себе представить. И тут нам совершенно не важно, проводил ли Галилей свои опыты на Пизанской башне или нет.

Этот эксперимент он изложил в другом своем шедевре — «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки», которые написал в последний год ссылки. Как и более ранняя его работа, эти «Беседы» представляют собой разговор трех знатных итальянских граждан, Сальвиати, Сагредо и Симпличио, которые хотят понять, как устроен мир.

Сальвиати — это, по сути, сам Галилей. С самого начала общей беседы он утверждает, что пушечное ядро весом 100 фунтов и мушкетная пуля весом один фунт достигнут земли почти одновременно, если их сбросить в один и тот же момент с одной и той же высоты. Правда, в эксперименте более тяжелый предмет опережал более легкий «на толщину двух пальцев», но Сальвиати объяснял это действием других факторов, которые искажают результаты, например сопротивлением воздуха. Главным было то, что оба предмета двигались «почти в унисон». Когда пушечное ядро достигло уровня земли, мушкетная пуля прошла не одну сотую расстояния или один локоть, как мог бы подсказать здравый смысл. Под двумя «пальцами» не скроешь 99 локтей, на которых настаивал Аристотель, описывая подобные опыты. Но если обращать внимание на такую крохотную погрешность, то и значительно большую ошибку Аристотеля тоже замолчать не удастся. При всех равных условиях скорость, с какой тело падает на землю, не зависит от его веса.

Труднее ответить на вопрос, что с телом происходит с начала падения до того момента, когда оно коснулось земли. Общеизвестно, что оно ускоряется. Но как это происходит? Ускоряется ли тело с самого начала или происходит много маленьких ускорений по мере движения?

Не имея рапид-фотографии и электронных датчиков для хронометража падающего тела, можно лишь предаваться рассуждениям. Галилею нужен был аналогичный эксперимент, но с меньшей скоростью падения, которая позволяла бы делать наблюдения. Ну, например, шарик, который катится по гладкой наклонной плоскости. То, что справедливо для движения при небольшом наклоне, будет справедливым и при большом, и при самом максимальном, т. е. при падении. Он нашел способ правильно задать вопрос.