Стівен Вайнберг - Пояснюючи світ

заборонених Католицькою церквою аж до 1835 року, хоча ще задовго до того астрономія Коперника була широко визнана в більшості католицьких, а також протестантських країн. У XIX столітті Церква реабілітувала Ґалілея28. У 1979 році папа Іоанн-Павло II відгукнувся про «Лист до Крістіни» Ґалілея як про такий, що «сформулював важливі норми епістемологічного характеру, необхідні для примирення Святого Письма з наукою»29. Була скликана спеціальна комісія, щоб переглянути справу Ґалілея, яка відзвітувала, що тоді Церква припустилася помилки. Папа на це відповів: «Помилкою теологів того часу, коли вони захищали ідею про центральну роль Землі, було думати, що наше розуміння побудови фізичного світу якось диктується Святим Письмом у буквальному сенсі»30.

Особисто я вважаю, що це не зовсім правильно. Церква, звісно, не може уникати знання, яке сьогодні поділяють всі, і має визнати, що помилялася в питанні щодо руху Землі. Але припустімо, що Церква мала рацію щодо астрономії, а Ґалілей помилявся. У такому разі Церква все одно тоді помилялася б, засуджуючи Ґалілея до ув’язнення й забороняючи йому публікуватися, так само, як вона помилялася, спаливши Джордано Бруно, яким би страшним єретиком він не був31. На щастя, хоч я не знаю, чи це усвідомила Церква, сьогодні вона й подумати не може про такі свої дії. За винятком тих ісламських країн, де все ще карають за богохульство чи віровідступництво, світ загалом засвоїв урок, що уряди, правителі та релігійні авторитети не мають права встановлювати кримінальну відповідальність за релігійні переконання – істинні чи хибні.

З розрахунків та спостережень Коперника, Тіхо Браге, Кеплера та Ґалілея й виник правильний опис Сонячної системи, закодований у трьох законах Кеплера. А от пояснення, чому планети підкоряються цим законам, довелося чекати ціле покоління, аж до появи наукового внеску Ньютона.

12. Початок експериментів

Якимось чином маніпулювати небесними тілами не в змозі ніхто, тому видатні досягнення в астрономії, описані в розділі 11, вимушено ґрунтувалися лише на пасивному спостереженні. На щастя, рухи планет у Сонячній системі досить прості, щоб після багатьох століть спостережень за допомогою дедалі досконаліших інструментів ці рухи можна було хоча б правильно описати. Однак розв’язати інші проблеми можна було, лише якщо вийти за межі простого спостереження та вимірювання й почати проводити експерименти, за допомогою яких загальні теорії перевіряють або висувають, штучно маніпулюючи фізичними явищами.

Насправді люди завжди експериментували, використовуючи метод спроб та помилок, щоб відкрити способи досягнення бажаного результату – від топлення металів до випікання пирогів. Говорячи тут про початок експериментів, я маю на увазі лише експерименти, що проводили, щоб відкрити або перевірити загальні теорії про закони природи.

У цьому сенсі точно визначити час початку експериментів надзвичайно складно1. Можливо, ще Архімед перевіряв свою теорію гідростатики експериментально, але його трактат «Про плаваючі тіла» дотримується суто дедуктивного стилю математики й не містить жодного натяку на експерименти. Герон та Птолемей проводили експерименти, щоб перевірити свої теорії відбиття та заломлення світла, але їхній приклад почали наслідувати лише багато століть по тому.

Одним із нових аспектів проведення експериментів у XVII столітті було прагнення публічно використовувати їхні результати, щоб оцінювати обґрунтованість фізичних теорій. Це можна побачити вже в роботах із гідростатики, як-от у творі Ґалілея «Міркування про тіла, що перебувають у воді» 1612 року. Важливішим був кількісний аналіз руху тіл, що падають, – необхідна передумова для подальшої роботи Ньютона. Саме робота над вивченням цієї проблеми, а також природи тиску повітря і стала справжнім початком сучасної експериментальної фізики.

Як і багато чого іншого, експериментально вивчати проблеми руху почав Ґалілей. Його висновки про рух з’явилися у творі «Бесіди й математичні докази двох нових наук», завершеному в 1635 році, коли він перебував під домашнім арештом в Арчетрі. Публікувати цей твір заборонили через включення його до «чорного списку» Церкви, але кілька примірників усе-таки були таємно вивезені з Італії. У 1638 році ця книжка була опублікована у протестантському університетському містечку Лейден видавництвом Людовіка Ельзевіра. Дійовими особами «Двох нових наук» знову стали Сальвіаті, Сімплічіо та Саґредо в тих самих ролях, що й раніше.

Серед багатьох інших тез розділ «Перший день» «Двох нових наук» містить ідею, що важкі та легкі тіла падають з однаковою швидкістю, усупереч доктрині Арістотеля, що важкі тіла падають швидше за легкі. Безумовно, через опір повітря легкі тіла справді падають трохи повільніше за важкі. Розбираючись із цим, Ґалілей демонструє своє розуміння потреби науковців жити з наближеннями, виступаючи проти давньогрецького прагнення до точних тверджень, що ґрунтуються на чіткій математиці. Сальвіаті пояснює це Сімплічіо2:

Арістотель каже: «Стофунтова залізна куля, що падає з висоти ста ліктів, ударяє в землю раніше, ніж однофунтова опуститься хоча б на один лікоть». Я ж кажу, що вони впадуть одночасно. Провівши експеримент, ти помітиш, що більша випереджає меншу на два дюйми – тобто, коли більша впаде на землю, інша опиниться за два дюйми позаду неї. А тепер ти хочеш сховати за цими двома дюймами дев’яносто дев’ять ліктів Арістотеля й говорити лише про мою крихітну помилку, не згадуючи його величезну.

Ґалілей також демонструє, що повітря має додатну вагу; оцінює його густину; розглядає рух крізь середовище, що чинить опір; пояснює музичну гармонію; і повідомляє про той факт, що маятнику потрібен буде той самий час для кожного коливання незалежно від амплітуди цих коливань[48]. Десятиліттями пізніше цей принцип приведе до винайдення маятникових годинників і точного вимірювання прискорення тіл, що падають.

«Другий день» «Двох нових наук» присвячений міцності тіл різноманітної форми. А от на «Третій день» Ґалілей повертається до проблеми руху й робить свій найцікавіший висновок. Він починає «Третій день» оглядом деяких тривіальних властивостей рівномірного руху, а потім продовжує визначенням рівномірного прискорення в тому самому дусі, що й у визначенні Мертон-коледжу XIV століття: швидкість зростає на однакову величину за рівні проміжки часу. Ґалілей також пропонує доведення теореми про середній градус швидкості в тому самому дусі, що й доведення Ніколи Орезмського, але він жодним чином не посилається на Орезмського чи керманичів Мертону. На відміну від своїх середньовічних попередників, Ґалілей виходить за межі цієї математичної теореми і стверджує, що тіла, що вільно падають, зазнають рівномірного прискорення, але він відмовляється шукати причину такого прискорення.

Як ми вже згадували в розділі 10, у ті часи дуже поширеною була альтернативна теорія – про те, що тіла падають із нерівномірним прискоренням. Згідно з цим іншим поглядом, швидкість, якої набувають тіла, що вільно падають, у будь-який проміжок часу, пропорційна відстані, пройденій за цей проміжок, а не часу