Научная революция XVII века - Владимир Кирсанов

Второй день «Диалога» посвящен обсуждению проблемы суточного движения Земли. Вначале подробно рассматриваются возражения против такого представления, выдвигаемые Аристотелем, Птолемеем и их последователями. Симпличио излагает пять возражений Аристотеля, из которых можно выделить два основных: 1) для Земли естественным движением является движение по прямой линии, если же она движется по окружности, то такое движение ее будет насильственным и противоестественным, а потому не может быть вечным; 2) опыты с падением тяжелых тел доказывают, что, «падая сверху вниз, они идут перпендикулярно к поверхности Земли, и совершенно также тела, брошенные перпендикулярно вверх, возвращаются по тем же самым линиям вниз, даже если они были брошены на огромную высоту» [16, I, с. 223]. По мнению Аристотеля, если бы Земля двигалась, то камень, брошенный вертикально вверх, никогда не смог бы вернуться в ту точку, из которой он был брошен.

Сальвиати, который говорит от имени Галилея, разбивает эти доводы, основываясь частично на результатах бесед Первого дня, а частично на работах Галилея тридцатилетней давности, в которых он установил законы падения и принцип независимости движений. Что касается первого возражения Аристотеля, то опровержение его не представляет труда, поскольку в дискуссиях Первого дня уже было установлено, что все движения на Земле и на небе необходимо являются круговыми, то нет никаких оснований полагать, будто круговое же движение Земли будет являться для нее противоестественным. Более того, согласно принципу круговой инерции, равномерное движение по окружности необходимо будет вечным.

Второй довод против суточного вращения Земли является предметом гораздо более внимательного и подробного рассмотрения. По мнению Сальвиати, это самое сильное возражение его противников. Действительно, говорит он, «ведь если бы Земля обладала бы суточным обращением, то башня, с вершины которой дали упасть камню, перенесется обращением Земли, пока падает камень, на много сотен локтей к востоку, и на таком расстоянии от подножья башни камень должен был бы удариться о Землю» [16, I, с. 224]. Аналогичное явление можно наблюдать, если бросать свинцовый шар с мачты движущегося корабля. «Когда корабль движется, то место падения шара должно будет находиться на таком удалении от первого (т. е. от подножия мачты.— В. К.), на какое корабль ушел вперед за время падения свинца» (Там же).

Выход из этого затруднения также хорошо известен Галилею. Здесь он неясно использует принцип независимости движений, а также принцип относительности движения, который впоследствии он изложит весьма пространно. Сальвиати говорит, что при падении камня с вершины башни его движение «слагалось бы из двух, а именно из того, которым он отмеривает башню (т. е. движения по вертикали, свободного падения. — В. К.), и из другого, которым он за ней следует (т. е. суточного вращения Земли, в котором участвует и башня, и камень.— В. К.). Из такого сложения вытекало бы, что камень описывает не простую прямую и отвесную линию, а наклонную, и, может быть, не прямую» [16, I, с. 238]. При этом Галилей прекрасно знает, что относительно неподвижной системы координат камень опишет параболу — это он выяснил не позднее 1608 г., но здесь он решает не вдаваться в математические или экспериментальные доказательства этого факта, который поясняет лишь качественно.

Интересно, что Галилей-Сальвиати в этом споре с Симпличио относительно камня, падающего с мачты движущегося корабля, ведет себя так же, как падуанский профессор Кремонини, его друг и неизменный оппонент в космологических вопросах, который отказался смотреть в телескоп Галилея, ибо, согласно его представлениям о мироздании, ничего нового он увидеть там не мог. Точно так же и Сальвиати на вопрос Симпличио, как же он берется настаивать на правильности своего утверждения, если не проделал ни одного эксперимента для его подтверждения, отвечает: «Я и без опыта уверен, что результат будет такой, как я вам говорю, так как необходимо, чтобы он последовал» [16, I, с. 243]. Мы видим, что и Галилей, и Кремонини обладают одинаковым темпераментом, но их научная убежденность зиждется на разной основе, и в этом коренное отличие между университетской философией, базирующейся на тысячелетнем авторитете аристотелевской доктрины, и новой физикой Галилея, которая основывается — явно или неявно — на экспериментальной процедуре, не имеющей антецедентов в прошлом.

В продолжение дискуссии Второго дня Галилей критикует представление Аристотеля, что среда является причиной движения брошенного тела. Он говорит, что среда может только препятствовать движению, а не вызывать его. Это дает ему повод продолжить свои рассуждения о характере движения брошенных тел, а затем перейти к опровержению аргументов Птолемея против движения Земли вокруг собственной оси. Возражения Птолемея сводятся к тому, что, во-первых, птицы и облака, не связанные с Землей и потому ею не увлекающиеся, не испытывают никакого влияния вследствие ее движения с огромной скоростью, хотя они, очевидно, должны были бы отставать от нее; во вторых, «скалы, здания и целые города» должны были бы разрушиться вследствие центробежного эффекта при вращении.

Первый довод Птолемея опровергается Галилеем на том основании, что с физической точки зрения одушевленные предметы не отличаются от неодушевленных, и поэтому движение птиц не должно отличаться от движения камня — птица не может не касаться Земли, а как только это происходит, ей тотчас же передается суточное движение Земли. В следующем за этим рассуждении описывается мысленный эксперимент, объясняющий также и движение облаков. По сути дела он является красочным описанием того, что сегодня мы называем принципом относительности Галилея: физические законы инвариантны относительна систем отсчета, движущихся равномерно и прямолинейно.

Описание Галилея столь замечательно, что приведем его целиком: «Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, поставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в поставленный сосуд, и вам, бросая какой-либо предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у вас не возникает никакого сомнения в том, что, пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту или другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно. Прыгая, вы переместитесь на полу на то же расстояние, что и раньше, и не будете делать больших прыжков в сторону кормы, чем в сторону носа, на том основании, что корабль быстро движется, хотя за то время, что вы будете в воздухе, пол под вами будет двигаться в сторону, противоположную вашему прыжку, и, бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать ее с большей силой, когда он будет находиться на носу, чем когда ваше взаимное положение будет обратным; капли, как и - ранее, будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдет много пядей; рыбы в воде не с большим усилием будут плыть к передней, чем к задней части сосуда; настолько же проворно они бросятся к пище, положенной в какой угодно части сосуда; наконец, бабочки и мухи по-прежнему будут летать во всех направлениях, и никогда не случится того, чтобы они собрались у стенки, обращенной к корме, как если бы устали, следуя за быстрым движением корабля, от которого они были совершенно обособлены, держась долгое время в воздухе; и если от капли зажженного ладана образуется немного дыма, то видно будет, как он восходит вверх и держится наподобие облачка, двигаясь безразлично в одну сторону не более, чем в другую. И причина согласованности всех этих явлений заключается в том, что движение корабля обще всем находящимся на нем предметам, так же как и воздуху» [16, I, с. 286].

Так Галилей справляется и с возражением Птолемея относительно облаков. Отметим, что в современной трактовке принципа относительности мы говорим, что физические законы не изменяются безразлично к тому, описывают ли они события в покоящейся системе координат или движущейся равномерно и прямолинейно. У Галилея мы не встретим слова «прямолинейно», но это и понятно, ведь для него пока все движения круговые!