Научная революция XVII века - Владимир Кирсанов

Другой важной проблемой, возникающей при обсуждении понятия импетуса, является ускорение. Многим философам Средневековья казалось, что снаряд, брошенный рукой или каким-либо орудием, достигает наибольшей скорости в течение некоторого времени после броска, т. е. он сначала ускоряется, достигает максимума скорости, а затем уже его скорость начинает убывать. Такая точка зрения основывалась, как считали, на опыте; однако Буридан ее не разделял и говорил, что он никогда не делал таких наблюдений. С другой стороны, Орем был ее ревностным защитником, и что наиболее интересно, такая неправильная точка зрения привела его к замечательному выводу: чтобы объяснить ускорение тела, он провозгласил, что импетус надо рассматривать как причину не постоянной скорости, а постоянного ускорения. Такая точка зрения не может не вызвать аналогии с ньютоновым понятием силы. Как бы то ни было, подобные аналогии показательны в том смысле, что многие понятия классической механики, пусть неявно или случайно, но содержались в своеобразном конгломерате идей и теорий доклассической науки. Творцам новой науки предстояло отобрать из него наиболее ценные и поместить в новые концептуальные рамки.

Буридан также обсуждает проблему ускоренного движения в связи с понятием импетуса, но он приходит к ней, исходя из совершенно других предпосылок, чем Орем, анализируя случай снаряда, брошенного вверх. Здесь он исходит из общего положения своей теории, что в процессе любого насильственного движения снаряд необходимо теряет свой импетус вследствие всеобщей и естественной склонности тяжелых тел двигаться вертикально вниз. Но если освободиться от этой «склонности» и рассмотреть движение снаряда, падающего вертикально вниз, тогда, согласно Буридану, тело будет ускоряться (движение лишено сопротивления), а причиной ускорения будет непрерывное увеличение импетуса.

«Нужно представить, что тяжелое тело не только само приобретает движение от основного движителя, т. е. своей тяжести, но оно также приобретает для себя некоторый импетус в процессе этого движения. Этот импетус имеет способность двигать тяжелое тело наряду с перманентной естественной тяжестью. А поскольку такой импетус приобретается в процессе движения, то чем быстрее движение, тем больше и сильнее становится импетус. Итак, следовательно, тяжелое тело движется в начале движения только вследствие своей естественной тяжести, поэтому оно движется медленно. В дальнейшем оно движется как вследствие той же самой тяжести, так и вследствие импетуса, приобретенного за некоторое время; в результате оно движется более быстро. А так как движение становится быстрее, импетус также становится больше и сильнее, и таким образом тело движется быстрее вследствие своей естественной тяжести и этого большего импетуса, и снова оно будет двигаться быстрее; и таким образом оно будет всегда и непрерывно ускоряться до самого конца» {4, с. 560-561}.

Здесь у Буридана, как и ранее у Орема, импетус приобретает характерные черты современного понятия силы: импетус (хотя и не постоянный) является причиной ускорения тела. Но что самое важное в этом отрывке — это то, что анализ Буридана «вводит в рассмотрение ускорения необходимую разрывность, факт, на который не обратили внимания историки и который является ключом к средневековой теории импетуса, а также к пониманию его развития много позже» {5, с. 37}.

Обсуждая роль дискретности в физических представлениях Средневековья, Дрейк подчеркивает, что для них была характерна существенная разница между физическим и математическим понятиями мгновения. Лучшим примером этому является проблема «первого мгновения» движения, т. е. можно ли считать первое мгновение движения идентичным с последним мгновением покоя? Если да, то такое заключение содержит противоречие, ибо в таком случае тело будет одновременно находиться и в состоянии покоя, и в состоянии движения. Если мгновение мыслится математически, то задача не имеет смысла, однако физическое мгновение всегда имеет некоторую длительность, как бы мала она ни была, поэтому проблема решается просто — легко отделить последнее мгновение, когда тело еще находится в покое, от первого мгновения, когда тело уже движется. С таким представлением, замечает при этом Дрейк, вполне согласуется молчаливое предположение средневековых физиков, что физическое время имеет квазиатомную структуру и что физические моменты делимы только потенциально {5, с. 31}.

Возвращаясь к задаче о падении тела, теперь можно показать, что Буридан решал ее в чисто аристотелевском стиле. Действительно, если бы движение вниз зависело только от веса, то, как и предполагал Аристотель, оно совершалось бы с неизменной скоростью, т. е. было бы равномерным. Таковым, согласно Буридану, является движение вниз в начальный момент движения, когда импетус еще не оказывает на движение (и скорость) никакого воздействия. В дальнейшем накопление импетуса и приращение скорости идет последовательными квантовыми скачками, а не совершается непрерывно. Графиком скорости такого ускоренного движения была ступенчатая функция, а не треугольник, и, возможно, именно вследствие различия между физическими (т. е. реальными) явлениями и явлениями, мыслимыми в абстракции, представители Парижской школы не применяли найденные ими треугольные конфигурации к анализу реального падения. (Отметим, что, когда Орем обсуждает действительное движение, он использует ступенчатые функции, как в случае движения с бесконечно увеличивающейся скоростью или в случае движения, длящегося бесконечно.)

Первым, кто использовал треугольную конфигурацию для анализа реального падения, был Галилей.

2

Галилео Галилей родился в Пизе 15 февраля 1564 г. в знатной, но обедневшей семье флорентийца Винченцо Галилея. Винченцо был высокообразованным человеком, профессиональным музыкантом, а также торговцем. Некоторые его сочинения по теории музыки пользовались известностью и после его смерти, а его обширные познания в языках и математике были общеизвестны. Галилей унаследовал от отца вместе с любовью к музыке и некоторые черты характера, в том числе независимость и агрессивность[11].

Галилей получил начальное образование дома под руководством некоего Якопо Боргини, но затем отец отдал его в иезуитскую школу знаменитого монастыря св. Марии в Валломброзо (к этому времени семья переехала во Флоренцию). Галилей отнесся к своему пребыванию в монастыре гораздо серьезнее, чем того желал Винченцо, и в 1578 г. вступил в орден как новиций. Однако отец Галилея вовсе не желал видеть своего сына монахом и забрал его домой под предлогом того, что тот нуждается в лечении глаз. Некоторое время Винченцо сам занимается с сыном, а впоследствии домашними учителями Галилея вновь становятся монахи из монастыря Валломброза.

В 1581 г. Галилей поступил на факультет искусств Пизанского университета, чтобы стать врачом. Его семья оставалась жить во Флоренции, в то время как он сам обосновался у сестры своей матери в Пизе. В университете он слушал лекции Франческо Буонамико (по астрономии) и Джироламо Боро (по физике), которые строго придерживались воззрений Аристотеля, а также лекции Андреа Чезальпино по медицине. Математики в университете не читали — кафедра математики оставалась вакантной в течение почти всего времени пребывания Галилея в университете. Но случилось так, что к медицине Галилей особого интереса не выказал, зато в нем обнаружился неподдельный интерес к математике. Он сам нашел себе учителя: во время летних каникул 1583 г. он попросил Остилио Риччи, близкого друга своего отца и учителя математики при Тосканском дворе, помочь ему в овладении этой наукой. Риччи согласился, и они приступили к занятиям втайне от Винченцо. Страсть, с которой Галилей занимался математикой, заставила Риччи обратиться к его отцу и убедить того разрешить продолжать занятия. А у Риччи было чему поучиться: ученик Николо Тартальи, он передал Галилею свою любовь к произведениям греческих математиков, и в первую очередь к Архимеду, который в глазах Тартальи и его учеников был идеалом, соединяющим в себе выдающиеся способности теоретика и экспериментатора. Его преподавание математики включало занятия военной и строительной механикой, астрономией, физикой и другими естественными науками. Вскоре Галилей настолько освоился с новой наукой, что уже сам мог вести самостоятельные исследования.

В первый год своего пребывания в Пизанском университете (1582) Галилей сделал и свое первое открытие: он обнаружил изохронность колебаний маятника, т. е. что время колебаний маятника всегда одинаково и не зависит от амплитуды. Согласно легенде он пришел к этой мысли, наблюдая за качаниями тяжелой люстры в кафедральном соборе (люстру отводили в сторону, чтобы зажечь свечи, а когда отпускали, она продолжала качаться). Галилей заметил, что период колебаний сохраняется, несмотря на то что размах качаний уменьшается, причем время он отсчитывал по своему собственному пульсу. В действительности люстры, о которой идет речь, не существовало в соборе до 1587 г. Более того, «нынешняя люстра, хотя сейчас она электрифицирована, первоначально была устроена таким образом, что ее не нужно было отводить в сторону, чтобы зажечь свечи, ибо это привело бы к тому, что при обратном движении пламя бы погасло» [6, с. 63]. Верна эта легенда или нет, не так уж важно, важно то, что Галилей первым в Европе открыл это явление и эксперименты с маятником сыграли важную роль в его исследованиях законов падения тел. (А. Мюллер в своем исследовании о Галилее утверждает, что явление изохронизма маятника было известно до Галилея на арабском Востоке, в частности оно было знакомо Ибн-Юнису (950—1009). Но сочинения Ибн-Юниса не были тогда известны в Европе, и Галилей об этом знать не мог [7].)