Шон Кэрролл - Вселенная

По преданию, Галилей поставил подобный эксперимент сам, бросая шары разного веса (которые, однако, испытывают вполне сравнимое сопротивление воздуха) с верхушки Пизанской башни. Похоже, сам Галилей ни о чём подобном не заявлял, но позже на данном факте настаивал его ученик Винченцо Вивиани, написавший биографию своего наставника.

Пизанская башня

Точно известно, что Галилей ставил другой эксперимент, который проще подготовить и проконтролировать: он скатывал по наклонной плоскости шары с разной массой. Ему удалось показать, что шары приобретали ускорение по общему принципу; ускорение зависело от угла наклона плоскости, но не от массы шаров. Далее Галилей предположил, что если данная закономерность будет соблюдаться при любом наклоне плоскости, пусть даже плоскость располагается перпендикулярно полу, то мы получим такой же эффект, как если бы бросали предметы прямо вниз, без всякой плоскости. Следовательно, заключил он, без сопротивления воздуха тела любой массы одинаково падали бы вниз под действием тяготения.

Однако само это открытие не столь важно, как заключённый в нём глубинный смысл: можно изучить естественное движение объектов, мысленно абстрагировавшись от различных побочных эффектов, таких как сопротивление воздуха, а затем, возможно, построить более реалистичную картину движения, вновь учтя эти эффекты.

Это не рядовая догадка. Вероятно, это величайшая идея в истории физики.

Физика — решительно простейшая из наук. Нам так не кажется, поскольку мы очень много знаем о физике, причём физические знания зачастую кажутся элитарными и техническими. Однако физике очень идёт на пользу её следующее удивительное свойство. Она зачастую позволяет делать неправдоподобные упрощения и представлять поверхности, лишённые трения, идеальные сферы, игнорируя при этом всяческие сопутствующие эффекты; тем не менее в результате мы получаем невероятно точные результаты. Напротив, что касается большинства интересных проблем из других естественных наук — от геологии до биологии и психологии, если бы вы смоделировали лишь один незначительный аспект системы и предположили бы, что всех прочих её аспектов не существует, то у вас получилась бы полная чушь (но некоторые всё равно пытаются так делать).

Эта грандиозная революционная догадка — в идеализированных ситуациях, когда можно игнорировать трение и потери энергии, физика упрощается — помогла сформулировать не менее весомую и, пожалуй, ещё более потрясающую концепцию: сохранение импульса . Возможно, на первый взгляд этот принцип не кажется столь поразительным, но именно импульс стал ключевым фактором, повлиявшим на изменение наших представлений о мире. На смену древнему космосу причин и следствий пришёл современный, в котором царят принципы и законы.

* * *

До того как в XVI–XVII веках Галилей и другие учёные совершили революцию в изучении движения, наиболее авторитетным мыслителем в этой области считался Аристотель. Представления Аристотеля о физике были решительно телеологическими: он считал, что каждому объекту присуще своё естественное состояние, которое изменяется по мере того, как объект направляется к своей цели. Известно мнение Аристотеля о том, что существует четыре вида «причин», но, вероятно, он, скорее, имел в виду «виды объяснения». Это материальная причина — вещество, из которого состоит объект; формальная причина — определяющее свойство, позволяющее считать объект таковым; движущая причина — фактор, обусловливающий существование объекта (это понятие наиболее сближается с нашим типичным представлением о «причине»), и целевая причина — цель, ради которой существует объект. Чтобы понять, почему вещи движутся так и не иначе и проявляют те или иные свойства, достаточно рассмотреть их в контексте этих причин.

По Аристотелю, движение объекта определяется его природой. Два из четырёх классических элементов — вода и земля — стремятся вниз, а два других — воздух и огонь — вверх. Объект может пребывать в естественном состоянии движения или покоя до тех самых пор, пока не подвергнется «насильственному движению», после чего вновь вернётся в естественное состояние.

Представьте себе чашку кофе, неподвижно стоящую на столе. В данном случае её естественное состояние — это покой (если только мы не сбросим её со стола — в таком случае она перейдёт в естественное падение, но давайте обойдёмся без этого). Теперь допустим, что мы совершаем насильственное движение, толкнув чашку через стол. Мы её толкнули, и она пришла в движение; остановившись, она вернётся в своё естественное состояние покоя. Чтобы чашка продолжала двигаться, мы должны и далее воздействовать на неё. Как говорил Аристотель, «всё, что находится в движении, движется благодаря воздействию другого».

Именно так ведут себя кофейные чашки в реальном мире с «наличной» точки зрения. Разница между Галилеем и Аристотелем заключалась не в том, что один говорил истинные вещи, а другой — ложные; дело в том, что те феномены, на которых заострял внимание Галилей, оказались удобной основой для более строгого и полного изучения феноменов, выходящих далеко за рамки исходных примеров, чего не скажешь об Аристотеле.

В VI веке Иоанн Филопон, философ и теолог родом из Египта, начал путь от философии Аристотеля к нашим современным представлениям о движении. Он считал, что следует выделять движущую силу, или «импетус», сообщаемую телу при изначальном толчке и поддерживающую это движение, пока весь импетус не будет истрачен. Это был небольшой шаг вперёд, но именно он впервые позволил по-новому взглянуть на природу движения. В данном случае мы не говорим о причинах, а обращаем внимание на количественные показатели и свойства самой материи.

Ещё один важнейший вклад в решение этой проблемы был внесён персидским мыслителем Ибн Синой (также известным под латинизированным именем Авиценна) — одним из величайших светочей исламского золотого века, жившим около 1000 года. Он развил идею Филопона об импетусе, введя понятие «склонность». Именно Авиценна предположил, что склонность утрачивается не сама собой, а только из-за сопротивления воздуха или под влиянием других внешних воздействий. В пустоте, указывает он, такие воздействия отсутствуют, поэтому брошенный снаряд, если ему не препятствовать, будет вечно двигаться с неизменной скоростью.

Ибн Сина (Авиценна), персидский философ и энциклопедист (умер в 1037 году)