Анатолий Ахутин - История принципов физического эксперимента от античности до XVII века

Но, может быть, самым гениальным было использование маятника для демонстрации одного из наиболее трудных утверждений Галилея о независимости скорости падения тел в пустоте от их веса. Это «изобретение» маятника — поистине, шедевр конструктивного воображения Галилея.

После того, как Сальвиати предложил несколько мысленных экспериментов, «доказывающих» независимость скорости падения тел в пустоте от их веса (мы коснемся их позже), он оставляет попытки прямой идеализации явления (падение тела) и переходит к более сложному построению. Он разбирает сначала трудности запроектированного эксперимента. При этом теоретическая идея (независимость скорости падения от веса) и мысленные условия (пустота) выступают в качестве критериев проекта. Проект не должен остаться простой и неубедительной мысленной абстракцией, которую в принципе нельзя проверить ни на каком опыте. Интуитивная убежденность, полученная в предшествующих попытках прямой идеализации (можно заключить «с большой вероятностью» (II, 173), «я убежден» (11,174), говорит Сальвиати), становится здесь конструктивным принципом, а предметность — критерием убедительности. Дело заключается в том, чтобы изобрести предмет, реальные свойства которого максимально близки к идеально необходимым.

Основным препятствием для осуществления прямого опыта является среда. Следовательно, изучая падение тел с больших высот, мы никогда не получим чистого результата, так как весьма существенны ошибки, вносимые средой. Если же бросать тела с малых высот, то трудно уловить разницу, поскольку невозможно точно отмерять время. «Поэтому,— говорит Сальвиати,— я пришел к мысли повторить опыт с падением с малой высоты столько раз, чтобы, отмечая и складывая незначительные разницы, могущие обнаружиться во время достижения конца пути тяжелым и легким телом, получить в итоге разницу не только просто заметную, но весьма заметную. Затем, чтобы иметь дело с движением по возможности медленным, при котором уменьшается сопротивление среды, изменяющее явление, обусловленное простой силой тяжести, я придумал заставлять тело двигаться по наклонной плоскости, поставленной под небольшим углом к горизонту... Идя далее, я захотел освободиться от того сопротивления, которое обусловливается соприкосновением движущихся тел с наклонной плоскостью» (II, 181). Итак, условия возможного конструирования даны. Но вместе с ними почти уже обрисовался тот предмет, который может дать максимальное приближение к этим условиям. Тело, которое много раз проходит по наклонной плоскости малой высоты и при этом не касается самой плоскости,— это, разумеется, шарик маятника с длинной нитью и малыми амплитудами. «Для этого,— продолжает Сальвиати,— я взял, в конце концов, два шара — один из свинца, другой — из пробки, причем первый был в сто раз тяжелее второго, и прикрепил и подвесил их на двух одинаковых тонких нитях длиной в четыре или пять локтей» (там же). Теперь уже нетрудно было установить изохронизм колебаний обоих маятников, причем было ясно, что при уменьшении амплитуды или при увеличении длины нити соответствие будет возрастать.

Дело, таким образом, сводилось непосредственно к изучению движения маятника, но таким способом сконструированный маятник значил в теоретическом отношении куда больше, чем просто идеализованный маятник. Он обнаруживал в себе, в своей единичности всеобщий закон движения. Благодаря такому построению маятник включен в сложный теоретический контекст и тем самым впервые получил такое содержание, которое до этого нельзя было различить при любой тщательности наблюдения. И тот же самый маятник, который мы мыслим как абстракцию, как результат простого отвлечения от сопротивления воздуха, веса нити и т. д., оказался поистине микрокосмом механического мира Галилея. Здесь объединяются движения по наклонным плоскостям одинаковой и разной высоты, бесконечность инерциального движения, закон свободного падения, независимость скорости падения от высоты, образование сложного движения из двух простых.

Вот другой пример подобного построения. Разбирая на Четвертый день «Бесед» форму баллистической кривой, участники вновь наталкиваются на проблему идеализации, а именно, насколько можно считать равномерным движением горизонтальную составляющую движения снаряда. Уяснив сначала, что ее вообще можно считать горизонтальной, т. е. бесконечно удаленной от центра, Сальвиати затем касается сопротивления среды. Прежде всего он замечает, что учесть сопротивление среды в данном случае практически невозможно, настолько оно разнообразно. «Поэтому,— говорит Сальвиати,— для научного трактования такого предмета необходимо сперва отвлечься от всего этого (вес, скорость, форма тел, сопротивление среды.— А. А.), а найдя и доказав положения, не приняв во внимание сопротивление, пользоваться ими на практике в тех пределах, которые укажет опыт» (И, 311). Заметим мимоходом ту разницу между практическим опытом (источник эмпирических концепций) и теоретическим «для научного трактования», на которую здесь указывает Сальвиати.

Но что значит отвлечься? Каким образом мы можем на самом деле доказать предметность, экспериментальную достоверность нашего теоретического утверждения? Что нам наблюдать? Как строить эксперимент? Если нельзя просто «абстрагироваться» от помех материи, следует сформировать эту материю так, чтобы свести к возможному минимуму эти помехи. Следует выбрать соответствующее вещество, вес, форму. Так. надо взять возможно более гладкое и тяжелое тело, возможно более округлой формы, которое при быстром движении действует так, как если бы оно было математической точкой. «У снарядов, которые мы применяем,— обращает внимание Сальвиати,— и которые делаются круглой формы из тяжелого вещества, и даже у тел, менее тяжелых и имеющих цилиндрическую форму, как, например, стрелы, брошенные посредством пращи или лука,— отклонения их движения от точной параболической линии почти незаметно» (там же).

Мы привели здесь весьма длинные извлечения из «Бесед» потому что в них, по-видимому, с наибольшей ясностью обнаруживается суть теоретической идеализации и механизм изобретения реального эксперимента, механизм открытия тех самых искусственных условий, в которых естественные вещи должны обнаружить свою внутреннюю природу. Теоретик, как видим, не начинает просто с изучения маятников, наклонных плоскостей и летящих снарядов. Он не сможет в них ничего высмотреть, если предварительно не построит их весьма косвенным путем в качестве предметов, в которых ближайшим образом реализуются идеальные условия движения теоретического объекта (например, движение тонки в пустоте). В таком случае они становятся для него экспериментальными объектами, т. е. такими, в предметном функционировании которых как бы живет и движется теоретическое понятие. Именно эта его жизнь и выступает в синтетической, конструктивной деятельности теоретика эквивалентом доказательства, это значит здесь — представление мысленного понятия в форме созерцаемого (пусть в воображении) предмета.