Як Галілей повернув хід історії
Спростувати Аристотеля було неважко. Спостерігаючи за падінням куль, однакових за розміром, але розрізняються по вазі, скажімо в десять разів, легко переконатися, що час падіння різниться зовсім не в десять разів. Схоже, вже на початку своїх сумнівів Галілей здогадався, що швидкість падіння визначає не сама по собі різниця в тяжкості. Питання було в тому, що ж визначає?
Треба віддати належне і Арістотелем, якого недарма відносять до найбільших мислителів. Питання-то першим поставив він. А значить, наважився припустити, що на таке питання можна відповісти. Відповідь була неправильним, але було вже від чого відштовхуватися. Неправильність Галілей запідозрив ще на рівні міркувань. Якщо швидкість падіння пропорційна ваги тіла, то, розділивши тіло на дві частини подумки або реально і залишивши частини в безпосередній близькості, слід очікувати, що кожна з частин буде падати повільніше, ніж ціле. Абсурдний висновок показує неправоту Аристотеля, але звідси зовсім не випливає, що саме питання правильний, що на нього можливий певний відповідь. На виправдання Аристотеля можна сказати, що він говорив про падіння тіл, що розрізняються тільки вагою. Але, скоріше, йому було просто ... колись. Для нього падіння тіл було лише одним питанням однієї з багатьох наук, якими він займався. До головних його заслуг відносять створення логіки як дисципліни мислення. Через його школу логіки пройшов в студентські роки і Галілей, і все люди науки тієї епохи. Дивлячись же на Аристотеля з нашого часу, можна сказати, що потужний мислитель занадто міцно тримався за свій "здоровий глузд", заснований, як зазвичай, на власних життєвих спостереженнях. А рухатися вперед можна, спираючись не тільки на землю під ногами, а й на повітря під крилами, як це роблять птахи. Тоді можна подолати і непрохідний, скажімо, сильно заболочена, ділянку землі. Галілей фактично винайшов такий - крилатий - метод опори в пошуку наукової істини.
Портрет Галілео Галілея. Художник Оттавіо Леоні, 1624 р
Науковими амбіціями Галілей не поступалася Арістотелем, але прагнув не так вшир, як углиб і вгору. Він не претендував на володіння всіма науками, зате вірив, що в основі всієї фізики Всесвіту - і підмісячної і надлунний - діють якісь загальні фундаментальні закони, і вірив, що може з'ясувати закон вільного падіння. На з'ясування потрібні були десятиліття досліджень. І знадобилися ще роки, щоб викласти свої результати переконливо.
Основне його відкриття полягало в тому, що в порожнечі все тіла, незалежно від їх тяжкості, падають з однаковою швидкістю, але що ця швидкість визначається не швидкістю самої по собі, а швидкістю зміни швидкості, тобто прискоренням. Його результати, писав він, "настільки нові і на перший погляд настільки далекі від істини, що якби [він] не знайшов способів висвітлити їх і зробити ясніше сонця, то волів би скоріше промовчати про них, ніж їх викладати".
Головна новизна криється в "порожнечі". Мало того, що, відповідно до Аристотеля, порожнечі немає і бути не може, як він "довів" різними способами (наприклад, кажучи, що "порожнеча" - це "ніщо", а ніщо і не заслуговує ніяких обговорень). Важливіше те, що Галілей порожнечі ніколи не бачив - ні в яких своїх дослідах. Як же він міг що-небудь про неї дізнатися ?!
Це було важче, ніж просто спростувати старий закон Аристотеля, спираючись на очевидний результат прямого досвіду. І Арістотель спирався на очевидність. А Галілей знав, що "більшість людей і при хорошому зорі не бачить того, що інші відкривають шляхом вивчення і спостереження, що відокремлюють істину від брехні, і що залишається прихованим для більшості".
Так Галілей написав у своїй останній книзі, навчений півстолітнім досвідом наукових роздумів і експериментів. Але коли він, 25-річний, тільки починав свої дослідження, він сподівався на просту пряму перевірку - перевірку не тільки Аристотеля, скільки своєї власної гіпотези.
Цей дивний рукописний результат спонукав одного знаменитого історика сказати, що Галілей такого досвіду взагалі не робив; то був нібито риторичне прийом. Однак у наш час досвід відтворили, і результат збігся з галилеевой. Пояснення знайшлося не фізичне, а фізіологічне. Рука, що утримує важкий куля, стискає його міцніше, ніж інша рука - легкий, і міцніше стислій руці потрібно трохи більше часу, щоб розтиснути, отримавши команду від голови. Тому легкий куля починає своє падіння раніше на той самий "трохи".
Про таку незручності рук Галілей навряд чи здогадувався, він думав про фізику. Думав десять років і зрозумів, що вивчати вільне падіння прямо не вийде - занадто швидко воно відбувається. Якщо куля падає з невеликої висоти, не встигаєш оком моргнути, не те що виміряти. А падаючи з великої висоти, куля набере більшу швидкість, і, отже, збільшиться опір повітря. Всякий, який тримав в руках віяло, знає: чим швидше їм махати, тим важче.
Галілей придумав два способи "уповільнити" вільне падіння.
Один - пускати кулі по похилій площині. Чим менше кут нахилу, тим рух більш розтягнуте і тим легше його вивчати. Але чи можна скочування назвати вільним падінням? Назвати можна як завгодно. Важливіше реальне фізичне спорідненість. Чим глаже площину, тим вільніше рух. А чим більше кут нахилу, тим рух більше схоже на падіння, стаючи звичайним падінням, коли площину стане вертикальною. Роблячи такі досліди з похилою площиною, Галілей першим ділом переконався, наскільки невірної була його вихідна гіпотеза. Адже він припускав, що всяке тіло падає з якоїсь постійної швидкістю, маючи на увазі, що міра швидкості - це відстань, яку проходить за одиницю часу. Так він міг думати лише тому, що звичайне вільне падіння триває занадто довго. Розтягнувши падіння в рух по пологій похилій площині, легше помітити, що на початку руху тіло рухається повільніше, ніж в кінці. Значить, швидкість руху збільшується?
А що таке взагалі швидкість? У повсякденній мові це - швидкість, стрімкість, а якщо ще швидше, то можна сказати блискавичну швидкість та навіть миттєвість. Всі ці слова в повсякденній мові - синоніми. Але в мові науки - для визначеності її тверджень і для перевірки їх на досвіді - потрібні слова чітко визначені - наукові поняття. Приклад чіткої визначеності слів давала математика, але всього лише приклад: в математиці немає часу, руху, швидкості, важкості. Щоб сказати своє нове слово в науці, нерідко треба ввести в науку нові слова-поняття. Особливо не вистачало наукових понять, коли Галілей починав сучасну фізику. Йому доводилося уточнювати, що швидкість - це зміна положення за одиницю часу. А прискорення - зміна швидкості за одиницю часу. Треба сказати, що тоді точне вимірювання часу саме по собі було проблемою. Галілей час зважував: відкривав цівку води на початку і закривав в кінці вимірюваного інтервалу, а скільки часу спливло, визначав на вагах. Ваги тоді були найточнішим приладом.
Інший спосіб вивчати вільне падіння народився у Галілея в церкві, але не в зв'язку з гріхопадінням Єви. Під час церковної служби, дивлячись поверх священика, він виявив дивовижне явище. Вгорі висіла люстра і розгойдувалася - по волі протягу - то сильніше, то слабше. Галілей порівняв тривалість окремих хитань, вимірюючи час ударами власного пульсу, і виявив, що велике коливання люстри триває стільки ж, скільки мале. З цього почалися його дослідження маятника, а це - будь-який вантаж, що висить на нитці. Галілей спостерігав за коливаннями маятника, змінюючи вантажі, довжину нитки і початкове відхилення.
Спостерігаючи відразу за двома маятника, він переконливо підтвердив своє церковне спостереження. Якщо взяти два однакових маятника, злегка відхилити вантажі на різні кути і відпустити, то маятники будуть коливатися в такт, абсолютно синхронно: період малого коливання - той же, що і великого. Ну а "якщо з якоїсь балки спустити два шнура рівної довжини, на кінці одного прикріпити кульку зі свинцю, а на кінці іншого кулька з бавовни, однаково відхилити обидва, а потім надати їх самим собі"? Період коливань знову однаковий, хоча розмах коливань швидше зменшується у легкого кульки. У русі легших тел опір середовища помітніше. Це ясно, якщо порівняти руху в повітрі і в воді: "мармурове яйце опускається в воді під сто разів швидше курячого яйця; при падінні же в повітрі з висоти двадцяти ліктів воно випереджає куряче яйце чи на чотири пальці ". Вільне коливання маятника мало схоже на вільне падіння, але обидва визначаються тяжкістю. А при зменшенні розмаху коливань зменшиться швидкість маятника і, отже, зменшиться роль опору середовища.
Результати своїх дослідів і міркувань Галілей підсумував в новому законі природи: в порожнечі все тіла вільно падають з одним і тим же прискоренням.
Ну а як же знаменита історія про те, як Галілей нібито скидав кулі з Пізанської "падаючої" вежі? А спостерігала за цим вчений публіка нібито тут же після одночасного приземлення різних куль визнала тріумфальну перемогу Галілея над Аристотелем.
Історію про "падаючої вежі" вперше розповів учень Галілея в біографії, написаній через десятиліття після смерті вчителя і через півстоліття після можливих дослідів. Учень був фізиком, а не істориком, і коли він прийшов в науку, було вже зовсім ясно, хто правий. Він, схоже, побачив автобіографічний свідоцтво Галілея в словах його літературного персонажа:
Сальвиати. Аристотель говорить, що "куля вагою в сто фунтів, падаючи з висоти ста ліктів, досягне землі перш, ніж однофунтові куля пролетить один лікоть". Я стверджую, що вони долетять одночасно. Роблячи досвід, ви побачите, що, коли більший досягне землі, менший відстане на ширину двох пальців. Наступними за цими двома пальцями не сховати дев'яносто дев'ять ліктів Аристотеля.
Сам Галілей ніде не стверджував, що скидав кулі з Пізанської вежі. Для нього набагато важливіше був новий закон вільного падіння, ніж спростування старого. А рух куль по похилій площині і малі коливання маятників були набагато переконливіше ефектних публічних демонстрацій.