Знание-сила

Знание-сила научно-популярный журнал

Вход Вход
iiene     
Он-лайн ТВ Знание - Сила РФ Проекты Фотогалереи Лекторий ЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Горячая новость:
Подписаться на журнал "ЗНАНИЕ-СИЛА" стало проще
 

 





СВЕЖИЙ НОМЕР

Главная тема:

Тексты и История


Органические молекулы в космосе
 
 

Семь причин праздновать юбилей Галилея

Геннадий Горелик

По словам американского физика-теоретика Ли Смолина, некоторые его коллеги считают, что период современной физики, основанной Галилеем, закончился, и началась «эпоха пост-современной науки, когда математическая согласованность теории может доказать ее правильность, а эксперимент и невозможен и не требуется». Если так, то 450-летие Галилея было бы омрачено. Однако, ожидая пока postmodernовые физики раскроют хоть один супер-струнный секрет супер-странной мульти-Вселенной, стоит оглядеть ту Вселенную, которая у нас точно есть, и поразмыслить над множеством ее секретов, раскрытых за истекшие четыре столетия благодаря последователям Галилея, который…

… изобрел современную физику

После того, как в XVII веке возникла новая физика, развитие науки ускорилось многократно. Не зря Эйнштейн назвал Галилея «отцом современной физики» – той физики, которой посвятил жизнь и Эйнштейн. Ключевое новшество Галилея – свобода изобретать фундаментальные понятия. Понятия эти могут выглядеть странно и нелогично при рождении, но основанная на них теория проверяема на опыте, и успех проверки оправдывает новоизобретенные понятия.

Чтобы быть проверяемой, теория должна быть выражена точным языком, а опыт должен содержать измерение. Поэтому в физике совершенно необходимы два инструмента – Опыт и Математика. Но для создания теории не менее важен третий инструмент – «отважнейшие измышления, способные перекинуть мосты между данными опытов», как писал Эйнштейн.

Первые два инструмента применял – еще за две тысячи лет до Галилея – первый настоящий физик Архимед, который был и великим математиком и инженером-изобретателем.

А Роджер Бэкон – за четыре века до Галилея – провозгласил, что «без эксперимента невозможно знать что-либо основательно» и что «никакую науку нельзя узнать без математики».

Физику сделал современной именно третий инструмент, впервые примененный, когда Галилей изобрел физическое понятие «вакуум», или «движение в вакууме».

Все понятия физики Архимеда описывали нечто видимое-осязаемое (вес, плотность, геометрическая форма). Вакуум же – попросту пустота – штука невидимая. Но Галилей обнаружил, что основные понятия вовсе не обязаны быть наглядно-очевидными. Их оправдывает целостное развитие науки, соединяющее теорию и эксперимент. Как подчеркивал Эйнштейн, «понятия никогда нельзя вывести из опыта логически безупречно. …Не согрешив против логики, обычно никуда и не придешь». Тут подразумевается логика предыдущей теории, или предыдущий здравый смысл, но когда понятие изобретается, другой логики и нет.

Галилей не ощущал вакуум своими органами чувств, но, размышляя над своими опытами, счел себя вправе ввести новое понятие. Он ввел «вакуум» как понятие физическое, а не философско-логическое, и ввел вопреки величайшему авторитету Аристотеля, который, как считалось, доказал НЕсуществование того, что есть ничто, или пустота, на латыни вакуум. В философской логике, основателем которой считается Аристотель, критерий истины – чистый разум, а в физике верховный судья – опыт. Понятие «невидимого» вакуума оправдалось в опытах и оказалось чрезвычайно плодотворным в теории. С этого и началась современная физика.

За «вакуумом» Галилея последовали другие «невидимые» понятия, изобретенные таким же образом: «тяготение» Ньютона, «поле» Максвелла, «кванты» Планка, «фотоны» Эйнштейна и так далее. Именно такое изобретательство стало главным двигателем современной науки. При этом, вводя новое фундаментальное понятие, теоретик должен освободиться от некоторых старых, что бывает не легче, чем освоить новые…

Галилей получил помощь свыше – от новой астрономии Коперника. Тот, по сути, отважился внимательно рассмотреть движения планет с солнечной точки зрения, как если бы наблюдатель находился на Солнце. Исходя из вида неба земного наблюдателя, он рассчитал небо наблюдателя солнечного и пришел к результатам поразительным и – для астронома – убедительным. Но для физика возникла проблема воистину астрономического масштаба – объяснить, почему огромная скорость движения Земли (~ 30 км/с) не ощущается землянами, и объяснить это доводами земными, эмпирическими. Путь к такому объяснению Галилей и открыл с помощью понятия «движение в вакууме».

За это, возможно, и получил дар свыше – возможность увидеть на небе то, что до него не видел никто. Так что замечательные астрономические открытия сделал…

… первый астрофизик во Вселенной

Эта возможность открылась в 1609 году, когда Галилей узнал о том, что в Голландии изобрели подзорную трубу. Он сильно улучшил новый прибор, направил его на звездное небо, о котором размышлял как физик, и был вознагражден серией замечательных астрономических открытий.

Первым делом он обнаружил, что Луна, подобно Земле, имеет горы и долины, а не идеально гладкую сферическую форму, как считалось со времен Аристотеля. Это открытие подкрепило веру Галилея в единство Вселенной – единство подлунного и надлунного миров. Именно на эту веру он опирался в поисках земного объяснения небесных явлений – с помощью опытов с маятниками, наклонными плоскостями и свободным падением.

Самым же поразительным стало открытие четырех новых «странствующих звезд», или планет (от греческого слова «странник»). Старые планеты, известные испокон веков, перемещались по небу весьма хитрым образом, иногда даже вспять. А новые двигались совершенно размеренно, каждая со своим периодом, вокруг Юпитера – самой большой планеты. Это наглядно подкрепило идею Коперника о том, что малые небесные тела вращаются вокруг большого.

Астрономические открытия Галилея быстро получили подтверждение астрономов, начиная с коперниканца Кеплера и включая астрономов-иезуитов. Этого хватило для европейской славы и для того, чтобы кардинал Барберини, будущий Папа Урбан VIII, сочинил хвалебную оду о Галилее. Но этого было мало, чтобы доказать истинность системы Коперника для чисто земного здравого смысла. До первой ясной демонстрации того, что Земля движется, – до маятника Фуко – оставалось два века, но Галилей думал, что уже располагает доказательством. Он считал, что морские приливы – это результат сложения двух движений Земли: вокруг собственной оси и вокруг Солнца. Это не так, но …

… великий физик может быть прав, даже если он неправ

Объяснение было неверным, но Галилей был прав в стремлении объяснить приливы на основе физики. Он переупростил задачу, не задействовав собственное физическое открытие – закон свободного падения, первый фундаментальный результат в исследовании гравитации. Понятие всемирного тяготения было в пределах его досягаемости, но сделать еще и это открытие было, видимо, слишком много для одного человека, даже гениального. Понадобился Ньютон, чтобы на основе закона всемирного тяготения дать правильную теорию приливов. Тем не менее в знаменитых «Началах» Ньютон отметил вклад предшественника, открывшего, что, свободно падая, «тела снижаются пропорционально квадрату времени и движутся по параболе, с точностью до малого торможения, вызванного сопротивлением воздуха».

Главные свои результаты в физике Галилей получил до того, как сделал свой первый телескоп, однако его астрономические открытия сыграли чрезвычайно важную роль и в его личной судьбе, и в возникновении современной науки. Свои телескопические открытия он начал записывать на родном итальянском языке, но вскоре – вероятно, осознав масштаб прорыва в неведомое – переключился на латынь, международный язык европейской учености. И действительно, его книга «Звездный вестник», изданная в марте 1610 года, произвела сенсацию.

Поразительные астрономические открытия помогли ему стать главным математиком и философом при дворе Великого герцога Тосканского, и он мог теперь заниматься наукой, не отвлекаясь на преподавание.

Увенчанный славой, Галилей решил открыто поддержать астрономию Коперника, хотя за тринадцать лет до того писал Кеплеру:

«Я давно уже принял систему Коперника и на ее основе открыл причины явлений природы, необъяснимых ныне …публиковать же до сих пор не решился, остерегаясь участи Коперника, нашего учителя, заслужившего бессмертную славу у немногих и осмеянного толпами глупцов».

Чтобы выступить в защиту системы Коперника, была у Галилея и сверхъестественная причина: он чувствовал «бесконечную благодарность Богу», как он писал в «Звездном вестнике», за возможность открыть для смертных столь удивительные вещи на небе. Высокую честь открыть столь важные истины о Вселенной Галилей оправдал старанием просветить любознательных читателей. Свой опыт научных исследований и результаты он изложил на живом итальянском языке, а не на профессорской латыни. И выбрал доступную форму – диалоги трех персонажей разного уровня знаний и свободы мысли.

Два его главных труда, опубликованные в последнее десятилетие его жизни, быстро разошлись по Европе. Эпоха Нового времени получила учебник нового способа познания и новой науки, которой предстояло стать мощным двигателем истории.

Новая наука не только добывала новые знания, но и расчищала старые, освобождая от представлений, не выдерживающих суд нового научного мышления и опытной проверки. Прежде всего наукой перестала быть астрология.

Астрофизика, а не астрология

Ныне физик с изумлением узнает, что в начале своей научной жизни Галилей преподавал астрологию. Преподавал студентам-медикам, которым, по тогдашним канонам медицины, полагалось перед выбором лечения составить пациенту гороскоп, чтобы узнать прогноз. Быть может, так Галилей зарабатывал на жизнь, излагая основы астрономии и не относясь всерьез к основной задаче астрологии? Сохранились, однако, гороскопы, составленные им для себя самого и своих детей.

Это было обычным делом в догалилееву эпоху, когда лучшие в мире астрономы Т. Браге и И. Кеплер слыли и знаменитыми астрологами. Кеплер считал родство астрономии и астрологии столь же близким, как у матери и дочери, но разделял астрологов на плохих и хороших. Стоит также напомнить, что многие века главным авторитетом и для астрономов и для астрологов был Птолемей с его двумя книгами «Альмагест» и «Тетрабиблос», излагающими соответственно основы астрономии и астрологии.

Самым наглядным образом астрологию подорвало открытие Галилеем четырех новых планет. Значит, древнее «научное искусство» астрологии никогда не учитывало этих планет?! Тогда, даже если верить во влияние планет на жизни людей, все составленные гороскопы были неверны.

Кроме того, уже открытые фундаментальные законы дали образец точного естествознания, на фоне которого астрологические рецепты выглядели еще более сомнительно. Во всяком случае, в конце жизни первый современный физик Галилей писал об астрологии с явной иронией. Быть может, к общенаучным доводам он добавил то, что в своих гороскопах не видел предстоящее ему испытание – суд инквизиции и пожизненное лишение свободы. Через это испытание он прошел во благо науки – написав главную свою книгу, а, кроме того, доказав, что физик может быть…

…святее Папы Римского и лучшего мнения о Творце

Инквизиция осудила Галилея, защищавшего учение Коперника, потому что, во-первых, это учение «научно абсурдно и ложно», и лишь во-вторых, потому что оно «противоречит Священному Писанию». Уже отсюда ясно, что церковники превысили полномочия. Зачем? Чтобы, попросту говоря, укрепить свою власть над людьми, подавляющее большинство которых не сомневались в неподвижности земли у них под ногами. В этом сходились и люди необразованные, и большинство профессоров, и даже великий астроном Тихо Браге.

Так думал и тогдашний Папа – Урбан VIII, человек образованный и когда-то в стихах воспевший астрономические открытия Галилея. Астрофизические доводы звучали для Папы неубедительно. Он, тем не менее, разрешил Галилею обсуждать систему Коперника как гипотезу, удобную для астрономических расчетов, и сравнивать ее с другой гипотезой – с системой Птолемея. Однако Папа отверг претензию на раскрытие подлинного устройства Вселенной, созданной Всевышним. Такая претензия, по мнению Папы, принижала возможности Бога и богохульно завышала способность человека понять замыслы Божьи. Это было серьезной личной причиной для Урбана VIII, чтобы начать пресловутое судебное расследование.

Три с половиной века спустя, по инициативе Папы Иоанна Павла II в Ватикане учредили комиссию с целью внимательно изучить это расследование. Подводя итоги 10-летнего изучения, Иоанн Павел II выступил с речью в Папской академии наук и заявил, что в подходе к Библии и ее интерпретации прав был Галилей, а не противостоящие ему теологи. Учитывая, что Иоанна Павла II причислили к лику святых, можно сказать, что Галилей был в свое время святее Папы Римского (Урбана VIII).

Извлекая уроки из истории, Иоанн Павел II указал в своей речи, что «теологи должны постоянно следить за успехами науки, чтобы учитывать их в своих размышлениях». Подавая пример, он тут же заметил, что противопоставление земной и солнечной точек зрения в физике Вселенной, которое было столь острым во времена Галилея, утратило важность в картине мира после Эйнштейна, поскольку в ней вообще нет абсолютно предпочтительной системы отсчета. Иоанн Павел II, следя за успехами науки, похоже, читал популярную книгу Эйнштейна «Эволюция физики», где есть фраза: «Борьба между воззрениями Птолемея и Коперника, столь жестокая в ранние дни науки, стала совершенно бессмысленной».

Поверив в это утверждение, читатель, не знающий теорию гравитации Эйнштейна, может подумать, что Коперник и Галилей зря трудились, «чтоб доказать Земли вращенье», и что если не теологически, то научно прав-то оказался Папа Урбан VIII: Галилею следовало говорить не об истине, а лишь о гипотезах более или менее удачных?! В той же книге Эйнштейна, правда, сказано, что «величие открытия Коперника может быть оценено лишь с физической точки зрения», но как совместить это величие с бессмысленным, якобы, различием между взглядами Птолемея и Коперника, Эйнштейну, увы, объяснить не удалось. Для этого ему надо было бы прояснить действительно сложный вопрос об инерциальной системе отсчета в искривленном пространстве-времени.

История физики, однако, и без таких сложностей помогает понять, что Галилей был совершенно прав, ища истину. Уже в картине мира Ньютона стало ясно, что дело не в том, где находится «центр Вселенной», а в общих законах движения. Путь же к этим общим законам открылся благодаря галилеевским законам инерции и свободного падения. А без механики Ньютона не могла бы появиться теория пространства-времени Эйнштейна. Так что истинное устройство Вселенной открывалось поэтапно. Каждый этап давал истину более глубокую и совершенно необходимую для следующего углубления. Эйнштейн понял, что его теория не является истиной полной и окончательной, уже спустя несколько месяцев после построения теории, когда – на ее основе – понял, что новорожденную теорию гравитации предстоит углубить с учетом квантовой теории.

Папа Иоанн Павел II процитировал высказывание Эйнштейна: «Самое непостижимое в нашем мире – то, что он постижим». Глава Католической церкви объяснил познаваемость мира тем, что в его устройстве запечатлена Всевышняя мудрость. Однако вера Галилея в возможность постигнуть устройство мироздания опиралась, скорее, на его веру в любовь Творца к человеку, созданному как Его подобие – то есть наделенному творческими способностями для познания мира и его Творца.

В ХХ веке оснований для такой веры стало гораздо больше не только из-за множества новых успехов науки. Чудесная упорядоченность мира, открывавшаяся поочередно Копернику, Кеплеру, Галилею, Ньютону, Максвеллу, Планку, Эйнштейну и их последователям, требовала перестроек – углубления – научной картины мира, отталкиваясь от предыдущей. Успешность таких перестроек означает, что Вселенная устроена очень дружелюбно по отношению к человеку. Она устроена проще, чем радиоприемник. Попади оный в руки Ньютону, тот вряд ли что-нибудь понял в его устройстве, не ведая о грядущей электродинамике. А в устройстве Вселенной важные закономерности удалось понять уже

в XVII веке с помощью простых экспериментов и простой математики – очень простых по сравнению с нынешними. «Господь изощрен, но не злонамерен», – так кратко выразил веру в познаваемость мира Эйнштейн. Он в ХХ веке, как и Галилей в XVII, был лучшего мнения о Творце, чем римские папы.

Не стоит, однако, слишком строго судить теологов, которые не поспевали за развитием науки в ХХ веке. Лучше других поспевал католический священник Жорж Леметр, ставший астрофизиком. Он открыл наблюдательный факт расширения Вселенной и, на основе теории Эйнштейна, сделал сногсшибательный вывод, что расширение это началось с взрывного рождения Вселенной из некого сверхплотного состояния. При этом, тридцать лет спустя, незадолго до того, как стать президентом Папской академии наук, астрофизик в сутане на конференции по астрофизике заявил, что космологическая теория рождения Вселенной «находится вне всяких религиозных вопросов. Материалисту она оставляет свободу отрицать всякое сверхъестественное существо. Верующему она не дает возможности ближе познакомиться с Богом. Она созвучна словам Исайи, говорившего о «скрытом Боге», скрытом даже в начале творения... Для силы разума нет естественного предела. Вселенная не составляет исключения, – она не выходит за пределы способности понимания».

Вот как свободомыслящий теолог соединял науку и религию в ХХ веке.

Загадка же рождения современной науки состоит в том, что все ее свободомыслящие основатели были людьми глубоко верующими.

Наука пост-современная и пред-современная

Различия между основателями современной науки не менее интересны, чем их сходство. Особенно различие между Кеплером и Галилеем. Кеплер был на семь лет младше, но жил в эпоху догалилеевой физики, поскольку главные труды Галилея по физике появились лишь после смерти Кеплера. Кеплер посылал Галилею свои книги, восторженно поддержал его астрономические открытия и, похоже, не обиделся на то, что тот не откликнулся на его достижения.

Предлагались разные объяснения такому безразличию Галилея: не оценил, не понял, позавидовал? Для столь мощных людей науки важнее всего различие стилей и мировосприятий.

Кеплера можно назвать астроматематиком: он имел дело лишь с астрономическими объектами, а главным его инструментом была математика.

В астрономических наблюдениях он искал скрытую там, как он верил, математическую стройность мироздания. Успеха он добился благодаря смелым прыжкам математического воображения. Первый такой прыжок 25-летний Кеплер сделал, когда решил, что разгадал «космографическую тайну», – объяснил число и расположение планет, исходя из радиусов их орбит и «матрешки», составленной из пяти правильных многогранников. Эта разгадка, однако, оказалась миражом, когда – 13 лет спустя – обнаружились новые планеты.

Древнюю пифагорову идею о гармонии небесных сфер Кеплер пытался воплотить, разыскивая во множестве астрономических величин гармонии звуков, издаваемых «душами небесных тел». (Восприимчивость человеческих душ к этим звукам давала «физическое» основание и для астрологии.) Астрономических величин очень много, еще больше соотношений между ними... Все эти соотношения, увы, растворились в воздухе истории, но одно стало третьим законом Кеплера, не объяснившего, какая музыка помогла ему открыть этот закон.

В биографии Галилея настоящая земная музыка сыграла важную роль, не только развивая его душу, но и готовя его ум к экспериментальным исследованиям. Дело в том, что юный Галилей принимал участие в исследованиях его отца, музыканта и музыковеда. Доверяя своему уху больше, чем книгам древних авторитетов, отец Галилея, в опытах со струнами, проверял, опровергал и дополнял древне-авторитетные суждения о созвучиях и благозвучиях. Так и физик Галилей в своих физических исследованиях не полагался на математические фантазии, а придумывал умные опыты, чтобы с их помощью дойти до сути физических явлений.

Перепрыгнув через четыре с половиной века, можно заметить, что нынешняя «пост-современная» физика очень похожа на пред-современную астроматематику Кеплера. Пост-современные физики надеются удачным математическим прыжком, обходясь без новых экспериментов, разгадать космографическую тайну гигантски расширенной и расширяющейся Вселенной, какой она открылась к нашему времени. Притом разгадать полностью и окончательно.

Вряд ли Галилей подбодрил бы их. И вряд ли бы их понял Ричард Фейнман, совершенно не склонный к почтительности, но сказавший:

«Все, что мы делаем в физике сегодня, все идеи и методы, все соответствует духу Галилея. Через четыре сотни лет мы пользуемся методами рассуждений о вещах, которые он разработал. Следуем им даже в деталях, делая измерения и размышляя над ними. И новые направления науки разрабатываются с помощью методов, прямо следующих из его первоначальных идей».

Познавательный оптимизм, свобода исследования и личное смирение

Среди других идей Галилея, заслуживающих восхищения и размышления, была его уверенность, что действия света – результат «его движения и притом наибыстрейшего». Так он думал вопреки и древнему Аристотелю, и выдающимся современникам Кеплеру и Декарту, которые верили, что свет – это присутствие или отсутствие чего-то, а не движение, другими словами, что свет распространяется мгновенно, то есть его скорость бесконечна. Галилей предложил способ, как измерить скорость света с помощью двух наблюдателей, двух ламп и одних часов. Спустя несколько десятилетий астроном Ремер проделал подобный опыт, улучшив схему Галилея и используя его астрономическое наследие. Ремер сообразил, что каждый из спутников Юпитера, открытых Галилеем, представляет собой комбинацию лампы и часов, и поэтому для измерения скорости света достаточно одного наблюдателя. Прошло еще несколько веков, и Эйнштейн, осознав, что движение света, действительно, является наибыстрейшим, положил этот факт в основу теории относительности.

Взаимоотношения между физикой и математикой не столь просты, как намекает название знаменитой статьи «Непостижимая эффективность математики в естественных науках» нобелевского лауреата Ю. Вигнера. Сама статья фактически говорит о непостижимой эффективности физики, в чем математика лишь играет роль одного инструмента.

Эту эффективность первым обнаружил Галилей, изобретя метод современной науки, чему помог удивительный союз его познавательного оптимизма и личного смирения. Он писал, что, исследуя «скрытые причины и способы действия Природы», оказался в «океане пустот и бесконечностей, неделимых атомов и мгновенных движений», откуда очень трудно было выбраться на сушу. И тем не менее верил в «возможность дойти до истинных и первичных причин природных явлений», а в своих результатах видел лишь «начало пути к весьма обширной и важной науке, в глубокие тайны которой проникнут умы более проницательные», чем его.

Познавательный оптимизм Галилея относился ко всему любознательному человечеству и держался на вере в личную свободу исследования в сочетании с личным смирением. Это сочетание было, можно сказать, гуманитарным предрассудком его научных исследований, но предрассудком чрезвычайно плодотворным. Его унаследовал Ньютон, казавшийся себе «ребенком, который нашел пару камешков поглаже и ракушек покрасивее на берегу океана нераскрытых истин». Предрассудок этот поддерживал последователей Галилея и Ньютона в изобретательстве новых слов науки, ставшей главным источником новых технологий и самым могучим двигателем мировой истории.

Научная вера Галилея – золотая середина между верой в Полную-Окончательную Теорию Всего и неверием в закономерность мира. Даже в ХХ веке, когда цивилизация стала явно научной, эффективность физики казалась чудесной для Эйнштейна. Насколько же невероятным был познавательный оптимизм в XVI веке, когда еще не было открыто ни одного фундаментального закона физики?!

Не наукой единой жил оптимистичный изобретатель современной физики. Жил он также музыкой, поэзией, семейными заботами и радостями. Любил он и вино, в котором видел «свет, удерживаемый влагой», и которое, увы, в последние месяцы жизни врачи ему запретили. Так почему бы нам сейчас, с бокалом вина в руке, не отпраздновать его 450-летие, поблагодарив его за свет, пролитый на устройство Вселенной, и поздравив с этим всех нас – наследников Галилео Галилея?

ЗС 10/2014

Номера журнала

 

Читать номера on-line

 

вернуться


Карта сайта | Контактная информация | Условия перепечатки | Условия размещения рекламы

«Сайт журнала «Знание-сила»» Свидетельство о регистрации электронного СМИ ЭЛ №ФС77-38764 от 29.01.2010 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
© АНО «Редакция журнала «Знание-сила» 2012 год

По техническим вопросам функционирования сайта обращайтесь к администратору

При поддержке медицинского портала ОкейДок


Rambler's Top100
av-source