Геннадий Горелик Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации Москва: CORPUS, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие

1. Как Галилей изобрел современную физику?

С Архимедом против Аристотеля

Как Галилей повернул ход истории

Первый современный физик?

2. Первый астрофизик во Вселенной

Астрономические картины

Астрофизика, астрономия и астрология

Рождение экспериментальной астрофизики

Вера и знание

Скорость света – первая фундаментальная константа

3. Гравитация – первая фундаментальная сила

С небес на землю и обратно

Мог ли Галилей открыть закон всемирного тяготения?

Рождение теории гравитации

4. Загадка рождения современной физики

Вопрос Нидэма

Физика современная и физика фундаментальная

Источник веры в фундаментальную закономерность

Постулаты и предрассудки Библейской цивилизации

Пред‑рассудок свободы

5. Первая и единая теория поля

Атомы, физика и этика

Вглубь микромира и во всю ширь Вселенной

Что было в самом начале?

“Великий фундаментальный закон прогресса”?

От силовых линий Фарадея до поля Максвелла

Глобальное электромагнитное объединение

6. Начало квантовой эпохи

Профессор, не желавший делать открытия

Фотоэффектная роль h

Атом, который понял Бор

Драма квантовых идей

Новая вероятность

7. Пространство‑Время Эйнштейна

Что = Где + Когда

Принцип относительности и поиск абсолютного

Теория относительности или закон всемирного тяготения?

Гравитация – геометрия пространства‑времени

Как приходит мирская слава

8. Открытие Вселенной

Александр Фридман: “Вселенная не стоит на месте”

Закон красного смещения

Жорж Леметр, астрофизик в сутане

Расширяется Вселенная или стареют фотоны?

Три фундаментальные константы c, G и h

Звуки физики Джаз‑банда

9. Как не состоялась ch‑революция и родилась cGh‑проблема

Квантовая гравитация во Вселенной 1916 года

В ожидании ch‑революции

Альфа, бета, Гамов и “Новый кризис теории квант”

ch‑контрреволюция

Матвей Бронштейн и проблема cGh‑теории

Критерии правильной теории и квантовые границы гравитации

Галилей, 1937

10. Физики в горячей Вселенной

“Работа в области теории взрыва”

Георгий Гамов – прадед водородной бомбы

Незаконное рождение Горячей Вселенной

Подарок судьбы Андрея Сахарова

Симметрии асимметричной Вселенной

Три условия для ранней Вселенной

Гравитация как упругость вакуума

“Мировая наука и мировая политика” в 1967 году

Теоретик‑изобретатель

Послесловие. Три вопроса о прошлом и будущем

13,7?

“…Квантовая гравитация физически бессмысленна”?

Кризис фундаментальной физики?

Исторический источник оптимизма

Хронология важнейших событий, упомянутых в книге

Основные источники

Предисловие

Обитатели интернета – а это уже около трети человечества – встречают слово “наука” чаще, чем слова “мама” или “воздух”. Немудрено: в интернете плодами науки пользуется каждый. А главная наука, стоящая за изобретением интернета, – это физика.

Если наукой называть все, чему можно научить другого, то ее родословная сплетена с родословной человека. Согласно генетикам, все нынешние люди произошли от одной женщины, жившей около двух тысяч веков назад. Ее назвали Евой Митохондриальной – по причинам, связанным с Библией и с механизмом наследственности. Генетические преимущества и удача помогли потомкам этой праматери пережить всех не ее потомков и образовать наш вид – Хомо Сапиенс, то бишь Человек разумный. Одним из преимуществ нашей праматери был, вероятно, любознательный разум.

На протяжении многих тысячелетий потомки любознательной Евы Сапиенс приобретали полезные знания благодаря счастливым случаям и передавали их новым поколениям вместе с приемами изготовления инструментов, кулинарными рецептами и прочими сокровищами народной мудрости.

Современная наука работает совсем иначе, и появилась она лишь недавно в масштабах возраста Человека разумного – всего четыре века назад, в эпоху Великой научной революции. Ее главные герои хорошо известны – Николай Коперник, Галилео Галилей, Иоганн Кеплер, Исаак Ньютон. Причины этой революции и отсутствие ее неевропейских аналогов до сих пор не имеют убедительного объяснения. Но радикальность происшедшего четыре века назад ясна и без решения этой загадки – расширение и углубление научных знаний ускорились раз в сто.

Если верить Эйнштейну, “отцом современной физики и, по сути, всего современного естествознания” был Галилей.

“Драма идей” – сказал тот же Эйнштейн об истории науки. Науку отличает способность к точным предсказаниям, однако ее главные открытия совершенно непредсказуемы, что означает драму людей. Эти две драмы переплетаются в поворотные моменты жизни науки. О таких моментах и пойдет у нас речь. А начнем с того, как Галилей изобрел современную физику.

Глава 1.   Как Галилей изобрел современную физику?

С Архимедом против Аристотеля

Галилея иногда называют первым физиком. Это не так, и сам он наверняка возразил бы. Он внимательно изучал Архимеда и высоко чтил его. Тот был самым настоящим физиком. Знаменитый закон Архимеда о плавании тел работает поныне безо всяких поправок и известен каждому школьнику. Когда же Галилей учился в университете, первым и главным физиком почитался другой древний грек – Аристотель, живший за век до Архимеда и за двадцать веков до Галилея. Именно Архимед помог Галилею усомниться в физике Аристотеля.

Прежде чем разбираться в этом драматическом треугольнике, прочувствуем разницу. Две тысячи лет отделяли Галилея от его коллег‑предшественников, выводы которых он принимал или оспаривал. А коллеги‑последователи Галилея взялись за его выводы – проверять, уточнять, исправлять, развивать – практически сразу. Что же он такое изобрел, если темп науки так ускорился?

Сомнения возникли у Галилея еще в студенческие годы, еще в шестнадцатом веке, когда физика считалась частью философии, где царил Аристотель. Труды Архимеда не входили тогда в учебную программу, и можно понять почему: он решал лишь отдельные задачи, а Аристотель давал общие ответы на главные вопросы. Кроме того, Архимед был тогда, как ни странно, в новинку – книгу его трудов издали незадолго до того, а Аристотеля штудировали в университетах уже веками, притом с благословения святого Фомы Аквинского.

Аристотель (фрагмент фрески Рафаэля, 1509) и Архимед (Д. Фетти, 1620). Оба изображения вполне мог видеть Галилей.

Для студента Галилея общие философские ответы звучали неубедительно и авторитет имен мало что менял. Гораздо убедительней и интересней была математика, хоть ее в учебной программе было мало. Студент стал искать пищу для ума за пределами программы и за пределами университета. И нашел книгу Архимеда, получив ее от математика‑профессионала, но в той же книге, помимо красивых теорем о математических фигурах, Галилей нашел утверждения о реальных явлениях – о действии рычага, о центре тяжести, о плавании. Утверждения эти были не менее убедительны своей математической точностью, и к тому же их можно было проверить на опыте.

Свое первое изобретение Галилей сделал под впечатлением от самой знаменитой задачи Архимеда. Задачу ту поставил царь, получив от ювелира заказанную золотую корону. Царя вполне устроила форма изделия, и весила корона сколько полагалось, но не заменил ли ювелир часть золота на серебро? С этим сомнением царь обратился к Архимеду. Согласно преданию, решение задачи пришло к ученому мужу, когда он погружался в ванну, и его радостное восклицание “Эврика!” известно ныне даже тем, кто не знает, что по‑гречески оно значит “Нашел!”. Суть найденного решения, по мнению Галилея, – сравнить корону и равный ей по весу слиток золота, положив их на чаши весов, погруженных в воду: если в воде слиток перевесит корону, значит, ювелир сжульничал.

Так действует великий закон Архимеда, точнее – Архимедова выталкивающая сила, еще точнее – различие в выталкивающих силах. А чтобы с ювелирной точностью измерять такое различие (и заодно честность ювелиров), 22‑летний Галилей придумал особые весы со шкалой в виде проволоки, ровно намотанной кольцами на плечо коромысла. Место, в котором надо прицепить чашу весов, чтобы она уравновесилась, даст число колец и значение измеряемой величины.

Скромное начало для основоположника современной физики?

Не такое уж и скромное. В своем изобретении Галилей соединил математическую точность теоретического закона с физическим измерением – соединил два главных инструмента современной физики.

Да и началом это вряд ли можно назвать. Не только потому, что юный Галилей уже решал и другие задачи Архимеда. Начало личности – это формирование взгляда на мир и на себя самого еще в детстве. Юному Галилею повезло с отцом, искусным музыкантом и теоретиком музыки, который к тому же исследовал музыку как явление природы.

Еще Пифагор в Древней Греции вслушивался в звучание струн в зависимости от их длин и сделал поразительное открытие: если длины струн относятся, как целые числа 1:2, 2:3, 3:4, то их совместное звучание гармонично. Свое открытие Пифагор обобщил до принципа “Все есть число”, провозгласив ключевую роль математики в устройстве мира. А что касается музыкальной гармонии, то со времен Пифагоровых считалось, что “гармоничные” числа должны быть небольшими. Отец Галилея, однако, в оценке созвучий верил собственным ушам и, обнаружив, что отношение 16:25 тоже дает благозвучие, смело отверг авторитетное мнение. А сын получил от отца урок поиска истины, в котором сошлись эксперимент, математика, свобода мысли и доверие к собственным чувствам и разуму.

Будущему физику повезло с отцом не только в этом. Отец платил за его образование, рассчитывая, что старший сын станет врачом и поможет ему поддерживать их немалую семью, – заработка музыканта хватало с трудом. Можно представить себе досаду отца, узнавшего, что сын, вместо медицинской премудрости, углубляется в математику, которая не обещала никакой практической профессии, а значит, и надежного достатка. Однако, прежде чем принять решение, отец побеседовал с тем математиком, который давал сыну книги. Математик убеждал его, что у сына талант, который заслуживает поддержки. Отец внял доводам математика и призванию сына. И сын оправдал доверие – после смерти отца стал опорой семьи и к тому же прославил их родовое имя.

Путь к мировой славе начался с сомнений и неудач.

Сомнения возникли еще в студенческие годы, когда Галилей изучал Аристотеля. На первый взгляд Архимед не сопоставим с Аристотелем, поскольку получил свои результаты для узкой области явлений. Ну что такое закон рычага?! Неловко здесь звучит даже слово “закон”. Кому не понятно, что грузы на коромысле уравновешены, если произведение величины груза на плечо одно и то же по обе стороны?! Да, с помощью этого простого закона Архимед находил центры тяжести хитрых фигур, рассуждая математически. Но результат можно проверить, подвесив фигуру за теоретически найденный центр тяжести и увидев, что она не шелохнется. Это уже физика, а в целом, значит, математическая физика. И все же в бесконечном разнообразии явлений природы Архимед исследовал лишь немногие. Он не претендовал на то, чтобы объяснить устройство мира. Пообещал лишь повернуть мир, то бишь земной шар, если ему дадут надлежащую точку опоры и крепкий рычаг.

Аристотель же своих амбиций не ограничивал – он писал о земном и небесном, о живом и неживом, об этике и политике и, наконец, о физике и метафизике. Слово “физика” ввел сам Аристотель, произведя его от греческого слова “природа”. А вот слово “метафизика” придумал издатель сочинений Аристотеля, назвав так том, следующий за “Физикой”, что “мета‑физика” и означает по‑гречески. Фактически же Аристотель рассуждает там о пред‑физике, или о первофилософии – о самых общих основах любого знания.

Дух захватывает от такой широты. Но широта не требует глубины, как показывает физика Аристотеля. Веками ее считали вершиной науки. Одна из причин столь долгосрочного авторитета – согласие этой науки с обыденным здравым смыслом. Аристотель, к примеру, отверг идею о том, что природа устроена из невидимых атомов, движущихся и взаимодействующих в пустоте, – раз никто не видел атомов, значит, их и нет, как нет и пустоты. Он, по сути, не исследовал природу, а наводил порядок в ее описании, опираясь на свой здравый смысл. И пришел к выводу, что движения на небе и на земле принципиально различны. В небесном мире всякое движение – естественное, вечное и круговое. В мире земном насильственное движение определяется силой, а естественное движение рано или поздно непременно прекращается. Аристотель считал, что тела бывают по сути своей тяжелые или легкие: тяжелое тело естественно движется вниз, а легкое – как огонь или дым – вверх. Выглядит правдоподобно, если особенно не вглядываться в физические явления.

Галилей вглядывался, имея образцом точную физику Архимеда. И обратил внимание на утверждение Аристотеля, претендующее на точность: “Более тяжелое тело падает быстрее легкого во столько же раз, во столько раз оно тяжелее”. Эта фраза дала Галилею точку опоры, с помощью которой он повернул ход истории науки, а то и мировой истории.

Как Галилей повернул ход истории

Опровергнуть Аристотеля было нетрудно. Наблюдая за падением шаров, одинаковых по размеру, но различающихся по весу, скажем в десять раз, легко убедиться, что время падения различается вовсе не в десять раз. Похоже, уже в начале своих сомнений Галилей догадался, что быстроту падения определяет не сама по себе разница в тяжести. Вопрос был в том, что же определяет?

Надо отдать должное и Аристотелю, которого недаром относят к величайшим мыслителям. Вопрос‑то первым поставил он. А значит, осмелился предположить, что на такой вопрос можно ответить. Ответ был неправильным, но было уже от чего отталкиваться. Неправильность Галилей заподозрил еще на уровне рассуждений. Если скорость падения пропорциональна тяжести тела, то, разделив тело на две части мысленно или реально и оставив части в непосредственной близости, следует ожидать, что каждая из частей будет падать медленнее, чем целое. Абсурдный вывод показывает неправоту Аристотеля, но отсюда совершенно не следует, что сам вопрос правилен, что на него возможен определенный ответ. В оправдание Аристотеля можно сказать, что он говорил о падении тел, различающихся только тяжестью. Но, скорее, ему было просто… некогда. Для него падение тел было лишь одним вопросом одной из многих наук, которыми он занимался. К главным его заслугам относят создание логики как дисциплины мышления. Через его школу логики прошел в студенческие годы и Галилей, и все люди науки той эпохи. Глядя же на Аристотеля из нашего времени, можно сказать, что мощный мыслитель слишком крепко держался за свой “здравый смысл”, основанный, как обычно, на собственных жизненных наблюдениях. А двигаться вперед можно, опираясь не только на землю под ногами, но и на воздух под крыльями, как это делают птицы. Тогда можно преодолеть и непроходимый, скажем, сильно заболоченный, участок земли. Галилей фактически изобрел такой – крылатый – метод опоры в поиске научной истины.

Портрет Галилео Галилея. Художник Оттавио Леони, 1624 г.

Научными амбициями Галилей не уступал Аристотелю, но стремился не столько вширь, сколько вглубь и ввысь. Он не претендовал на владение всеми науками, зато верил, что в основе всей физики Вселенной – и подлунной и надлунной – действуют некие общие фундаментальные законы, и верил, что может выяснить закон свободного падения. На выяснение потребовались десятилетия исследований. И понадобились еще годы, чтобы изложить свои результаты убедительно.

Основное его открытие состояло в том, что в пустоте все тела, независимо от их тяжести, падают с одинаковой быстротой, но что эта быстрота определяется не скоростью самой по себе, а скоростью изменения скорости, то есть ускорением. Его результаты, писал он, “столь новы и на первый взгляд столь далеки от истины, что если бы [он] не нашел способов осветить их и сделать яснее солнца, то предпочел бы скорее умолчать о них, нежели их излагать”.

Главная новизна кроется в “пустоте”. Мало того, что, согласно Аристотелю, пустоты нет и быть не может, как он “доказал” разными способами (например, говоря, что “пустота” – это “ничто”, а ничто и не заслуживает никаких обсуждений). Важнее то, что Галилей пустоты никогда не видел – ни в каких своих опытах. Как же он мог что‑либо о ней узнать?!

Это было потруднее, чем просто опровергнуть старый закон Аристотеля, опираясь на очевидный результат прямого опыта. И Аристотель опирался на очевидность. А Галилей знал, что “большинство людей и при хорошем зрении не видит того, что другие открывают путем изучения и наблюдения, отделяющих истину ото лжи, и что остается скрытым для большинства”.

Так Галилей написал в своей последней книге, умудренный полувековым опытом научных размышлений и экспериментов. Но когда он, 25‑летний, только начинал свои исследования, он надеялся на простую прямую проверку – проверку не столько Аристотеля, сколько своей собственной гипотезы.

Под впечатлением от физики Архимеда Галилей предположил, что быстрота падения, как и плавучесть, определяется не тяжестью тела, а его плотностью, то есть тяжестью единицы объема. Если взять два шара одинакового размера, сделанные из дерева и из свинца, и выпустить их из рук в воде, то деревянный шар не то что будет падать медленнее свинцового, он станет подниматься. А если дать им падать в воздухе? Оказалось, что деревянный шар вначале немного опередил свинцовый, но затем тяжелый догнал и перегнал его. Это Галилей зафиксировал в своей рукописи “О движении”, которую… не опубликовал, – результат его эксперимента опровергал и закон Аристотеля, и собственную гипотезу. Тут надо было думать.

Этот странный рукописный результат побудил одного знаменитого историка сказать, что Галилей такого опыта вообще не делал; то был якобы риторический прием. Однако в наше время опыт воспроизвели, и результат совпал с Галилеевым. Объяснение нашлось не физическое, а физиологическое. Рука, удерживающая тяжелый шар, сжимает его крепче, чем другая рука – легкий, и крепче сжатой руке требуется немного большее время, чтобы разжаться, получив команду от головы. Поэтому легкий шар начинает свое падение раньше на то самое “немного”.

О такой неловкости рук Галилей вряд ли догадывался, он думал о физике. Думал десять лет и понял, что изучать свободное падение впрямую не получится – слишком быстро оно происходит. Если шар падает с небольшой высоты, не успеваешь глазом моргнуть, не то что измерить. А падая с большой высоты, шар наберет большую скорость, и, значит, увеличится сопротивление воздуха. Всякий, державший в руках веер, знает: чем быстрее им махать, тем труднее.

Галилей придумал два способа “замедлить” свободное падение.

Один – пускать шары по наклонной плоскости. Чем меньше угол наклона, тем движение более растянуто и тем легче его изучать. Но можно ли скатывание назвать свободным падением? Назвать можно как угодно. Важнее реальное физическое родство. Чем глаже плоскость, тем свободнее движение. А чем больше угол наклона, тем движение больше похоже на падение, становясь обычным падением, когда плоскость станет вертикальной. Проделывая такие опыты с наклонной плоскостью, Галилей первым делом убедился, насколько неверной была его исходная гипотеза. Ведь он предполагал, что всякое тело падает с некой постоянной быстротой, подразумевая, что мера быстроты – это расстояние, проходимое за единицу времени. Так он мог думать лишь потому, что обычное свободное падение длится слишком недолго. Растянув падение в движение по пологой наклонной плоскости, легче заметить, что в начале движения тело движется медленнее, чем в конце. Значит, быстрота движения увеличивается?

А что такое вообще быстрота? В обыденном языке это – скорость, стремительность, а если еще быстрее, то можно сказать молниеносность и даже мгновенность. Все эти слова в обыденном языке – синонимы. Но в языке науки – для определенности ее утверждений и для проверки их на опыте – нужны слова четко определенные – научные понятия. Пример четкой определенности слов давала математика, но всего лишь пример: в математике нет времени, движения, скорости, тяжести. Чтобы сказать свое новое слово в науке, нередко надо ввести в науку новые слова‑понятия. Особенно не хватало научных понятий, когда Галилей начинал современную физику. Ему приходилось уточнять, что скорость – это изменение положения за единицу времени. А ускорение – изменение скорости за единицу времени. Надо сказать, что тогда точное измерение времени само по себе было проблемой. Галилей время взвешивал: открывал струйку воды в начале и закрывал в конце измеряемого интервала, а сколько времени утекло, определял на весах. Весы тогда были самым точным прибором.

Другой способ изучать свободное падение родился у Галилея в церкви, но не в связи с грехопадением Евы. Во время церковной службы, глядя поверх священника, он обнаружил удивительное явление. Вверху висела люстра и раскачивалась – по воле сквозняка – то сильнее, то слабее. Галилей сравнил длительность отдельных качаний, измеряя время ударами собственного пульса, и обнаружил, что большое колебание люстры длится столько же, сколько малое. С этого начались его исследования маятника, а это – любой груз, висящий на нити. Галилей наблюдал за колебаниями маятника, меняя грузы, длину нити и начальное отклонение.

Наблюдая сразу за двумя маятниками, он убедительно подтвердил свое церковное наблюдение. Если взять два одинаковых маятника, слегка отклонить грузы на разные углы и отпустить, то маятники будут колебаться в такт, совершенно синхронно: период малого колебания – тот же, что и большого. Ну а “если с какой‑нибудь балки спустить два шнура равной длины, на конце одного прикрепить шарик из свинца, а на конце другого шарик из хлопка, одинаково отклонить оба, а затем предоставить их самим себе”? Период колебаний опять одинаков, хотя размах колебаний быстрее уменьшается у легкого шарика. В движении более легких тел сопротивление среды заметнее. Это ясно, если сравнить движения в воздухе и в воде: “мраморное яйцо опускается в воде во сто раз быстрее куриного яйца; при падении же в воздухе с высоты двадцати локтей оно опережает куриное яйцо едва ли на четыре пальца”. Свободное колебание маятника мало похоже на свободное падение, но оба определяются тяжестью. А при уменьшении размаха колебаний уменьшится скорость маятника и, значит, уменьшится роль сопротивления среды.

Результаты своих опытов и рассуждений Галилей подытожил в новом законе природы: в пустоте все тела свободно падают с одним и тем же ускорением.

Ну а как же знаменитая история о том, как Галилей якобы сбрасывал шары с Пизанской “падающей” башни? А наблюдавшая за этим ученая публика якобы тут же после одновременного приземления разных шаров признала триумфальную победу Галилея над Аристотелем.

Это – легенда. Не было такого триумфа. Да и приземлиться одновременно разные шары не могли из‑за сопротивления воздуха. А ученые коллеги, за малым исключением, охраняли авторитет Аристотеля, которого выучили еще студентами и преподавали новым поколениям. Именно неприятие его идей побудило Галилея, помимо современной физики, заняться еще и научно‑популярной литературой. Его главные книги имеют форму бесед между тремя персонажами. Один – Симпличио – представляет взгляды почитателей Аристотеля. Второй – Сальвиати – самостоятельный исследователь, похожий на Галилея. А третий – Сагредо – похож на здравомыслящего человека, быть может, и не искушенного в науках, но готового выслушать обоих оппонентов и задать уточняющие вопросы, прежде чем решить, кто прав. Именно для таких читателей Галилей писал. Ради них он перешел с латыни – языка тогдашней учености – на живой итальянский язык, чтобы рассказать о драме идей, в которой сам участвовал, о слепой уверенности тех, кому все ясно, о духе сомнения в поисках истины и о способах установления истинных законов природы.

Историю о “падающей башне” впервые рассказал ученик Галилея в биографии, написанной спустя десятилетие после смерти учителя и полвека спустя после предположительных опытов. Ученик был физиком, а не историком, и когда он пришел в науку, было уже совершенно ясно, кто прав. Он, похоже, усмотрел автобиографическое свидетельство Галилея в словах его литературного персонажа:

Сальвиати. Аристотель говорит, что “шар весом в сто фунтов, падая с высоты ста локтей, достигнет земли прежде, чем однофунтовый шар пролетит один локоть”. Я утверждаю, что они долетят одновременно. Делая опыт, вы увидите, что, когда больший достигнет земли, меньший отстанет на ширину двух пальцев. За этими двумя пальцами не спрятать девяносто девять локтей Аристотеля.

Сам Галилей нигде не утверждал, что сбрасывал шары с Пизанской башни. Для него гораздо важнее был новый закон свободного падения, чем опровержение старого. А движение шаров по наклонной плоскости и малые колебания маятников были гораздо убедительнее эффектных публичных демонстраций.

Первый современный физик?

Настал момент, чтобы читатель типа Сагредо, поздравив Галилея с открытием нового закона, спросил: а чем уж так он отличается от закона Архимеда и чем, собственно, Галилей заслужил титул “отца современной физики”?

Преимущество закона Архимеда очевидно. Плавание – практически важное явление, а свободное падение – явление редкое, краткое и… фатальное. Кому важно знать, сколько точно секунд длится падение с крыши до земли?! К тому же закон Галилея дает точную величину лишь для падения в пустоте, которую в те времена никто не видел, а учетом влияния воздуха Галилей не занимался.

Объясняя вклад Галилея, говорят, что он основал науку экспериментальную или экспериментально‑математическую, что он “математизировал” природу и изобрел “гипотетико‑дедуктивный” метод. Все эти утверждения, однако, применимы и к Архимеду, по книгам которого Галилей учился и которого называл “божественнейшим”. Физик Архимед был еще и великим математиком, и инженером‑изобретателем, а гипотеза и логическая дедукция служили инструментами мышления и до Архимеда. Более того, и эксперименты Галилея, и используемая им математика не выходили за пределы возможного у Архимеда.

Что же сделало Галилея “отцом современной физики”, по выражению Эйнштейна, или, проще говоря, первым современным физиком? Читателю, который хотел бы сам найти ответ на этот вопрос, стоит поразмыслить над законом свободного падения в пустоте и учесть при этом, что Галилей не делал опытов в пустоте – только в воздухе и в воде.

Уже после смерти Галилея его ученик Торричелли научился создавать (почти полную) пустоту, названную “торричеллиевой”. Для этого нужна пробирка длиной, скажем, около метра, заполненная ртутью. Перевернув пробирку вверх дном и опустив ее открытый конец в сосуд с ртутью, получим вблизи дна пробирки, оказавшегося наверху, примерно 24 сантиметра пустоты (если давление воздуха нормальное – 760 мм ртутного столба). В такой пустоте пушинка и монета падают совершенно одинаково.

Три века спустя, в 1971 году, подобную картину увидели миллионы телезрителей, когда на их телеэкранах участник лунной экспедиции “Апполон‑15” астронавт Дэйв Скотт, находясь на поверхности Луны, выпустил из рук молоток и перышко, и те прилунились одновременно – в полном согласии с законом Галилея, поскольку там нет воздуха. Репортаж об этом лунном эксперименте занял всего 40 секунд:

Итак, в левой руке у меня перышко, а в правой – молоток. Одна из причин, почему мы попали сюда, связана с джентльменом по имени Галилей, который давным‑давно сделал важное открытие о падении тел в гравитационных полях. Мы подумали, что показать вам его открытие лучше всего на Луне. Сейчас я выпущу из рук перо и молоток, и, надеюсь, они достигнут поверхности за одно и то же время… Вот так!.. [аплодисменты в Хьюстоне] <…>что и доказывает правоту мистера Галилея.

Присоединяясь к аплодисментам в Хьюстоне, историк науки заметил бы, что Галилей понятия не имел о “гравитационных полях”, а говорил просто о свободном падении. И что для физиков закон Галилея вполне подтверждался малыми колебаниями маятника, поскольку их период не зависит от того, какой груз висит на нити.

Пустота была первым важным “не‑наглядным” понятием в физике. Затем появились другие – всемирное тяготение, электромагнитное поле, атомы, электроны, кванты света… Никто их не видел и не щупал, но лишь на основе этих ненаглядных понятий стали возможны технические изобретения, преобразившие обыденную жизнь. И нынешние физики применяют эти понятия столь же уверенно, как самые обычные слова “стол” и “стул”, “любовь” и “дружба”.

Изобрести фундаментальную физику Галилею помогли его природные таланты и вера в познаваемость мира, в фундаментальность мироздания.

Сейчас, когда наука и основанная на ней техника достигли гигантских успехов, познаваемость мира кажется очевидной, но до всех этих успехов – в шестнадцатом веке – ситуация была совершенно иной. Тогда сама власть законов в природе отнюдь не была общепризнанной. С начала размышлений Галилея и его первых опытов до публикации итогов работы прошло около полувека. Полвека настойчивых поисков истины – и такой простой закон, “ежу понятный”, как скажут нынешние школьники.

А Галилей считал, что “лишь открыл путь и способы исследования, которыми воспользуются более проницательные умы, чтобы проникнуть в более удаленные области обширной и превосходной науки”, и что “таким образом познание может охватить все области природных явлений”.

Глава 2.   Первый астрофизик во Вселенной

Современники Галилея очень удивились бы, узнав, что в рассказе о его главном научном достижении не упомянуты его астрономические открытия. Открытия и впрямь великие, однако сделал их не астроном, а астрофизик Галилей, самый первый астрофизик, и задолго до появления этого слова. Вторым был Ньютон. А их соучастников в Великой Научной Революции – Коперника и Кеплера – лучше назвать астроматематиками, и далеко не первыми: астрономия испокон веков опиралась на математику. Астроном стремится точно описать происходящее на звездном небе, а физик хочет объяснить наблюдаемое причинами, доступными для опытного исследования. Речь идет о двух взаимно плодотворных, но разных взглядах на мир, и каждый взгляд в одной ситуации может вести к успеху, а в другой – к конфузу.

Прежде чем говорить о замечательных открытиях и заблуждениях первого астрофизика, напомним картину Вселенной, какой ее тогда видели астрономы.

Астрономические картины

Картина эта пришла из античности и называли ее системой мира Птолемея, по имени астронома, подытожившего тогдашние знания. В книгах, по которым учился Галилей, эту картину мира изображали набором концентрических окружностей, где самый малый круг в центре обозначал Землю. Систему эту называют геоцентрической, поскольку в центре ее – Гея, что по‑гречески – Земля. Профессионалы, конечно, знали, что эта плоская картинка переупрощает объемную конструкцию Птолемея, не вполне даже геоцентрическую: Земля там не в самом центре, а на некоем расстоянии от него. Вокруг пустого центра – восемь концентрических небесных сфер. На внешней сфере закреплены несметные неподвижные звезды, а на остальных поодиночке расположены звезды блуждающие, по‑гречески планеты: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, и два светила – Солнце и Луна. Каждая из сфер вращается вокруг своей оси со своей скоростью. Сфера неподвижных звезд вращается как целое и делает ровно один оборот за сутки. А планеты движутся более хитрым образом – каждая закреплена на некой малой сфере под названием “эпицикл” с центром, прикрепленным к своей большой небесной сфере. Так что каждая планета участвует сразу в двух вращениях. Все большие и малые сферы абсолютно прозрачны и каким‑то образом не мешают друг другу.

Причины этих хитрых расположений и вращений заменяли ссылкой на Аристотеля, согласно которому небесные явления принципиально отличаются от земных: на небе все сделано из особо небесного материала – эфира, и все небесные движения круговые. А единственной суперпричиной всего небесного устройства объявлялся его Творец.

Как же люди узнали это устройство, и соответствует ли оно реальности? На это астроном шестнадцатого века ответил бы ссылкой на божественный гений Птолемея и на возможность с помощью его системы рассчитать положение небесных светил в любой момент времени. Для таких расчетов, впрочем, не нужен был ни эфир, ни Бог, достаточно было знать лишь положение планет в данный момент времени, радиусы и скорости вращения небесных сфер. Так предсказывали солнечные и лунные затмения и объясняли диковинные попятные движения планет, когда планета останавливается и движется в обратном направлении.

Система Птолемея исправно служила астрономам много столетий, прежде чем в середине шестнадцатого века Коперник поставил ее с ног на голову, по мнению подавляющего большинства коллег, или с головы на ноги, как сочли совсем немногие. Коперник, в сущности, спросил, как выглядело бы звездное небо, если смотреть с Солнца. И ответил гелиоцентрической системой, столь же полно описав движения на небе, как и система Птолемея. Коперник использовал прежний способ описания – большие и малые небесные сферы, только в центре поместил Солнце, а не Землю. Картина небесных движений радикально изменилась: сфера неподвижных звезд и сама стала неподвижной, Земля вращалась вокруг своей оси и вокруг Солнца, став одной из планет, также вращавшихся вокруг Солнца. Лишь Луна осталась в прежней роли – так же вращалась вокруг Земли. И картина неба, наблюдаемая с Земли, разумеется, осталась прежней. Только астрономы понимали, что эта – реально наблюдаемая – картина рассчитывается двумя разными математическими теориями.

Система Коперника настолько отлична от птолемеевской, что непостижимой кажется сама исходная мысль: посмотреть на Вселенную с солнечной точки зрения. Помогла Копернику, похоже, его гуманитарная образованность. Он прекрасно знал древнегреческий язык, и труд Птолемея был для него лишь одной из античных книг. Из других книг он знал о древнем греке Аристархе Самосском, который сумел оценить количественно размер Солнца, много больший размера Земли, и предположил, что Земля вращается вокруг Солнца – малое вокруг большого. Для Птолемея, как и других древних астрономов, этот довод никак не перевешивал очевидную неподвижность Земли, и он гелиоцентрическую идею даже не рассматривал. Почему и как Коперник решил эту идею исследовать, почему его интуиция взлетела на такую странную высоту, сам он не объяснил. Ясно лишь то, что в великом Птолемее он видел коллегу, а не безошибочного гения.

Чтобы исследовать гелиоцентрическую идею, Копернику надлежало проделать большую работу: детально описать конструкцию гелиоцентрической системы, чтобы можно было рассчитать положение любой планеты. Из своей системы он извлек несколько замечательных следствий: планеты перестали “пятиться”, орбиты почти круговые, а периоды обращения тем больше, чем дальше от Солнца. Закончив многолетний труд, он долго откладывал публикацию. Астрономические преимущества – прежде всего отсутствие попятных движений планет – дались не даром: в системе Коперника Земля вместе с ее обитателями движется с огромной скоростью – тысячи километров в час. Цена была слишком велика для тех, кого небо интересовало лишь на предмет завтрашней погоды: ну как можно мчаться с такой сумасшедшей скоростью, не замечая этого?! Цена была чрезмерной и для людей образованных, но не желающих свое образование повышать.

Были, однако, и другие.

Первым следует назвать Тихо Браге, заслужившего титул “короля астрономов” за количество и точность наблюдений. Он принял систему Коперника и… сделал шаг в обратном направлении, никак не влияющий на расчеты и наблюдения, но аннулирующий скорость Земли. Он предложил в системе Коперника смотреть на мир с Земли. Тогда Земля – опять неподвижный центр Вселенной, а вращается Солнце, вокруг которого вращаются все другие планеты. Это была гелиоцентрическая система с геоцентрической точки зрения. Астронома‑наблюдателя не смущало, что вокруг Земли вращается нечто гораздо большее ее по размеру. Как Всевышний сотворил Вселенную, так она и вращается. Если систему Коперника непочтительно сравнить с игрушечным заводным автомобилем, то можно сказать, что Тихо Браге держал заведенную машину за колесо в воздухе: колесо не двигалось, а машина вращалась вокруг него. Неуклюже, но игрушка та же самая.

Геоцентрическая система Птолемея, гелиоцентрическая система Коперника и геогелиоцентрическая система Тихо Браге.

Для астроматематика Кеплера математическая стройность системы Коперника перевешивала все земные проблемы. А для астрофизика Галилея самым интересным стал как раз земной вопрос: почему планетное движение неощутимо? Усилиями обоих содержание картины мира Коперника расширилось и углубилось. А неожиданным “побочным” результатом этого стало рождение современной науки. Именно поэтому труд Коперника считают началом Научной Революции.

Участники этой революции, если смотреть из нашего просвещенного будущего, не отличали свои пораженья от побед, как рекомендовал поэт Пастернак. И правильно делали. В истории науки, чтобы ясно отличить пораженье от победы, человеческой жизни обычно не хватает. А главное, в современной науке, как пояснял физик Эйнштейн, разум, свободно взлетая с твердой почвы фактов, заранее не знает, чем полет завершится и не придется ли взлетать заново, в другом направлении.

Гелиоцентрический кубок шести планет Кеплера.

Первая книга 25‑летнего Кеплера “Космографическая тайна” (1596) стала первой публикацией в защиту системы Коперника, в которой Кеплер видел лишь первый шаг к объяснению картины Космоса. Он был уверен, что сделал следующий шаг – объяснил число планет, равное шести. Объяснил с помощью точной и красивой математики. Еще античные математики знали, что имеется всего пять правильных многогранников (у которых все грани равны). Кеплер обратил внимание, что если эти пять многогранников расположить матрешкой так, чтобы каждый касался двух сфер – гранями касался вписанной сферы, а вершинами – описанной, то получится ровно шесть сфер. Шесть планетных сфер! Оставалось подобрать нужный порядок многогранников, чтобы размеры сфер совпали с наблюдаемыми. И это ему удалось, что и убедило его в правильности догадки. Он, стало быть, не допускал мысли, что откроют еще хотя бы одну планету, исходя, вероятно, из того, что все шесть планет известны с незапамятных времен.

Свою книжку Кеплер послал Галилею. Тот ответил письмом, всецело поддержав гелиоцентризм:

Как и Вы, я давно уже принял идеи Коперника и на их основе открыл причины явлений природы, необъяснимых для нынешних теорий. Много обоснований и опровержений я записал, но публиковать их до сих пор не решился, остерегаясь участи Коперника, нашего учителя, заслужившего бессмертную славу у немногих и осмеянного толпами глупцов.

В движении Земли Галилей видел не только проблему, но и возможность объяснить хорошо известное и загадочное явление – морские приливы. Подсказку он нашел, наблюдая за баржей, перевозившей (пресную) воду. Он заметил, что при ускорении или замедлении баржи вода поднимается у задней или передней стенки емкости, а если баржа плывет с постоянной скоростью, вода в емкости выглядит точно так же, как и на барже, неподвижной. Чтобы сопоставить баржу с Землей, а воду в емкости с океаном, надо быть смелым физиком, верящим в единство законов Вселенной. Галилей был именно таким, что само по себе, однако, не гарантировало успех каждому взлету его разума.

Сравнение баржи с Землей стало началом его пути к великому принципу относительности и к закону инерции, которые освободили систему Коперника от главной трудности. Если вода в емкости “не замечает” постоянную скорость баржи, то это верно при любой скорости, хоть и тысячи километров в час, и эту скорость невозможно обнаружить никаким иным внутренним способом – проделывая опыты на барже в каюте с закрытыми окнами. Тем самым рассеялась главная физическая проблема системы Коперника: в земном опыте астрономическая скорость Земли не заметна.

А изменением скорости “большой баржи” – земной поверхности – Галилей взялся объяснить морские приливы. Изменение это – ускорение и замедление – происходит из‑за того, что скорости вращений Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси складываются на ночной стороне Земли, но вычитаются – на дневной.

Такое объяснение приливов Галилей считал важным доводом в пользу Коперника, но так и не сумел превратить свой замысел в настоящую теорию. Он так и не понял, что его замысел – заблуждение. Лишь сорок лет спустя после его смерти Ньютон откроет истинную причину приливов – лунное притяжение. К этой драме идей добавилась ирония истории. Дело в том, что Галилей не раз слышал о возможной связи Луны с приливами, но такую возможность категорически отвергал:

Среди великих людей, рассуждавших о приливах, более всех других удивляет меня Кеплер, наделенный умом свободным и острым, хорошо знающий движения, приписываемые Земле, но допускающий особую власть Луны над водой, тайные свойства и тому подобные ребячества.

Астрофизика, астрономия и астрология

Читая Кеплера сегодняшними глазами, легко удивиться и жестким словам Галилея, и тому, что объяснение приливов приписывают Ньютону. Ведь уже Кеплер писал: “Луна, находясь над океаном, притягивает воды со всех сторон, и берега при этом обнажаются”, а это, казалось бы, и есть краткое изложение нынешней теории приливов. Надо, однако, понимать расстояние между обыденным словом и научным понятием, обозначенным тем же словом. Во времена Галилея у слова “притяжение”, как его использовал Кеплер для объяснения планетной системы, и слова “тяжесть” как причины падения тел общим был лишь грамматический корень, а не физическая природа обозначаемых ими явлений. Общую физическую природу этих двух явлений – небесного и земного – установит Ньютон в законе всемирного тяготения. А в объяснении Кеплера Галилей видел лишь слова, безо всякого намека на количественную оценку и проверку: на сколько именно вода поднимется к Луне, а берега обнажатся – на дюйм или на милю?

В результате своих исследований Галилей узнал о физике тяжести больше кого‑либо из современников, и он понимал, что Кеплер на такой вопрос не ответил бы. Связывая морские приливы и отливы с ускоренным и замедленным движением морского дна, Галилей тоже не мог пока оценить прилив количественно, но, по крайней мере, мог искать ответ, делая опыты с водой в сосуде, меняя форму сосуда и величину ускорения. А слова Кеплера давали лишь некое “художественное” описание наблюдений.

Галилей прекрасно знал также, что о связи положения Луны с приливами говорили задолго до Кеплера. Еще в древнем трактате Птолемея об астрологии сказано о влиянии Луны на весь земной мир: на тела одушевленные и неодушевленные, реки и моря, растения и животных.

Нынешние авторы иногда, упрекнув Галилея в том, что он не заметил “здравое зерно” в описаниях Кеплера, тут же оправдывают эту “слепоту” отвращением Галилея к “лженауке” астрологии. Это не так. И Кеплер и Галилей профессионально занимались астрологией, составляли гороскопы и для заказчиков, и для своих близких. Тогда это было обычным делом астрономов и врачей, не лженаукой, а скорее искусством. И мало общего имело с нынешней астрологией “для масс”, когда сразу сотням миллионов “козерогов” даются универсальные рекомендации, как избежать неудач и добиться успехов.

Во времена Галилея – Кеплера, чтобы дать прогноз и рекомендации, составляли гороскоп для данного момента времени и места – например, для времени и места рождения данного человека. Гороскоп – это положение свода неподвижных звезд и семи звезд подвижных – планет. Ясно, что такие данные давала наука астрономия. А пришедшая из глубин веков астрология наделяла каждую планету и каждое созвездие зодиака своим влиянием. Чтобы сложить все эти влияния в прогноз, астролог – осознанно или неосознанно – помимо астрономических данных опирался на свое понимание земных обстоятельств “пациента” и на воображение, короче, на свое астрологическое искусство.

Но неужели Галилей и его коллеги‑астрономы верили, что это “искусство” имеет отношение к реальности?! Встанем на их место. От великого Птолемея они получили двойное наследство: трактат по астрономии (“Альмагест”) и трактат по астрологии (“Тетрабиблос”). Астрономическая теория Птолемея много веков подтверждалась наблюдениями, и теория Коперника по точности ее не превзошла. Подтвердить же астрологию наблюдениями практически невозможно. Астрологический прогноз всегда вероятностный и говорит о неповторимой ситуации. Поэтому если какой‑то прогноз не оправдался, легче усомниться в искусстве данного астролога, чем в самой астрологии. Аналогично искусство врачевания: данный врач, опираясь на медицинские знания, может и не вылечить данного больного, но это не зачеркивает саму медицину и необязательно даже подорвет репутацию врача. Кстати сказать, во времена Галилея врач должен был уметь составить гороскоп пациенту, чтобы оценить перспективы намеченного лечения. И врач знал, что есть силы выше его медицинского искусства и выше астрологии.

Главной опорой астрологии было желание людей, особенно имущих, увеличить свои шансы на успех в жизни. И это вполне материально поддерживало астрономические наблюдения за звездами и планетами. Появление модели Коперника привело к конкуренции двух теоретических описаний одной и той же наблюдаемой астрономической реальности. Поражение астрономии Птолемея подрывало и авторитет его астрологии.

Первый астрофизик оказался последним астрологом среди астрономов. Галилей, в отличие от Кеплера, к концу жизни успел, похоже, исключить астрологию из своего мировоззрения. Однако вовсе не это различало их подходы к явлениям природы. После смерти Кеплера Галилей заметил в письме: “Я всегда ценил ум Кеплера – острый и свободный, пожалуй, даже слишком свободный, но способы мышления у нас совсем разные”.

Слишком свободный ум?! Что это значит? Это – разные способы мышления астрофизика и астроматематика. Вспомним разгадку Кеплером “космографической тайны” с помощью правильных многогранников. Эту разгадку Галилей не принял. Почему именно многогранники и почему в такой последовательности? Если учесть, что пять многогранников дают 120 возможных комбинаций, то уже не столь поражает близость радиусов вписанных и описанных сфер – в одной из этих комбинаций – к наблюдаемым орбитам.

Галилей не стремился описать Вселенную какой‑то одной красивой формулой, он искал фундаментальные физические законы, определяющие устройство мироздания и многообразие его форм. Для такого поиска астрономическое небо, уникально устроенное, – не лучшая лаборатория для исследователя. Там не изменишь условия проведения опытов‑наблюдений, в лучшем случае можно ждать, когда эти условия изменятся сами. В земной лаборатории гораздо больше свободы в постановке опытов и в проверке теоретических идей.

Конечно, звездное небо – с его постоянством и цикличностью перемен – с древних времен вдохновляло на поиск закономерности. Это был замечательный задачник, где все задачи – со звездочками. При этом важную роль играли астроматематики, которые ставили задачи с математической определенностью, несмотря на все физические неопределенности и невероятности. Коперник своей гелиоцентрической системой поставил задачу выбора между двумя системами мира. За эту задачу и взялся физик Галилей. Физически обосновывая новую астроматематическую картину, он свел многосложную систему Коперника фактически к простейшей системе двух тел – очень большого и малого, где малое тело движется равномерно по идеально круговой орбите вокруг большого (планета вокруг Солнца, Луна вокруг Земли). Такова была, можно сказать, модель Солнечной системы Галилея.

Такое упрощение озадачивает многих и кажется чуть ли не возвращением Галилея к временам до Птолемея, когда считалось, что все небесные движения – чисто круговые и равномерные. Ведь и у Птолемея и у Коперника планетные орбиты не круговые: в обеих системах использовались дополнительные малые сферы – эпициклы – для описания движения планет. Особенно смущает, что Галилей проигнорировал главное открытие Кеплера, с которым тот вошел в историю, – три элегантных закона планетных движений, основанные на многочисленных и высокоточных наблюдениях, сделанных Тихо Браге и его помощниками.

Разыскивая гармонию в планетных движениях, Кеплер опирался на тот же – астроматематический – способ мышления, которым он в юности “разгадал” космографическую тайну расположения планет. В множестве астрономических наблюдений Кеплер искал скрытую там, как он верил, математическую стройность мироздания. Но если первую тайну, оказавшуюся миражом, 25‑летний Кеплер “раскрыл” вдохновенным быстрым натиском, то на поиски трех законов Кеплера ушли многие годы.

Перед ним были длинные колонки цифр – обширнейшие данные астрономических наблюдений, а он неустанно искал математическую закономерность за этими сухими цифрами. Он знал, что орбиты овальны, но в математике есть разные овалы. Восемь лет гипотез и проверок привели его к тому, что форма орбиты – эллипс. Окружность описывается одним числом – расстоянием от ее точек до центра, а эллипс – двумя: расстоянием между двумя центрами‑фокусами и постоянной суммой расстояний от его точек до фокусов. Чем меньше расстояние между фокусами, тем эллипс ближе к окружности. Это легко понять, если круг рисовать не циркулем, а, привязав шнур двумя концами к гвоздику на плоскости, натянуть полученную петлю карандашом и вести линию. Эллипс получится, если вести линию, привязав шнур к двум разным гвоздикам.

Первые два закона Кеплера утверждают, что орбита – эллипс, в одном из фокусов которого – Солнце, и что скорость планеты тем больше, чем она ближе к Солнцу. В 1609 году Кеплер опубликовал эти законы в книге “Новая астрономия” и послал ее Галилею. Тот не отозвался ни словом.

Что это значит? Ведь, в отличие от “космографических” многогранников, угаданных в шести числах, новые закономерности Кеплера основаны на самых обширных и точных наблюдениях того времени. А обнаруженное математическое изящество разве не доказывало правильность солнечной идеи Коперника? Ведь орбиты эллиптичны, лишь если смотреть на планеты с солнечной точки зрения.

В текстах Галилея нет прямого ответа на эти вопросы. Ответ можно предложить, опираясь на его слова о “совсем разных способах мышления” его и Кеплера.

Галилей не просто знал и ценил математику, он верил, что наука

написана в великой книге Вселенной – книге, постоянно открытой нашему взору, но понять ее может лишь тот, кто научится понимать ее язык. Написана эта книга на языке математики, и буквы ее – треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без помощи которых человек не понял бы в ней ни слова, блуждая в потемках по лабиринту.

Однако в математике Галилей видел лишь инструмент познания. Стремился же он понять содержание книги Вселенной, и прежде всего узнать, на каком фундаменте Мироздание стоит. Для этого от математики требуется не элегантность или изощренность, а помощь в изобретении физических понятий и в проведении придуманных экспериментов.

Эйнштейн:
“Галилей – отец современной физики и, по сути, всего современного естествознания”
“Все надо делать как можно проще, но не проще, чем надо”
“Господь изощрен, но не злонамерен”

Разумеется, Галилей знал, что некоторые планетные орбиты – не круговые. Но знал он и то, что другие – почти круговые. Значит, для исследования физического фундамента астрономии круговая орбита – разумное упрощение. Подобным образом, в поисках закона свободного падения, Галилей упростил ситуацию, устранив сопротивление воздуха. Об этом же заповедь Эйнштейна: “Все надо делать как можно проще, но не проще, чем надо”. Так мыслят физики.

Слева – траектории планеты, с точки зрения земной (с петлями попятного движения) и солнечной (первый закон Кеплера). Справа – физическая модель Галилея

Да, этим способом и своей моделью планетного движения Галилею не удалось создать теорию приливов – явление оказалось дальше от фундамента, чем он полагал. Но эта творческая неудача окупилась “побочными продуктами” исследования – принципом относительности и ключевым понятием ускорения.

Рождение экспериментальной астрофизики

Послав Галилею в 1609 году свою “Новую астрономию”, Кеплер не успел обидеться на молчание итальянского коллеги. Весной 1610 года он узнал сногсшибательную новость:

Пришла в Германию весть, что ты, мой Галилей, вместо чтения чужой книги занялся собственной и невероятнейшего содержания – о четырех до сих пор неизвестных планетах, найденных при помощи двух очковых линз, что книга эта уже в печати и придет со следующими гонцами. Новость так изумила меня, что я еле успокоился. Ведь в моей книге “Космографическая тайна”, изданной тринадцать лет тому назад, пять правильных многогранников допускают не более шести планет вокруг Солнца. Но если вокруг Земли вращается Луна, не входящая в эти шесть, то почему не может быть лун вокруг Юпитера? И если четыре планеты скрывались до сих пор, то, значит, можно ожидать открытий множества новых?

Весной 1610 года еще не было термина “спутник”, да в нем и надобности не было, пока Луна была единственной в своем роде. В книжке “Звездный вестник”, изданной в марте, Галилей открытые им “планеты” назвал просто звездами, какими они и увиделись его глазу, вооруженному двумя очковыми линзами, поставленными необычным образом.

Получив эту книжку, Кеплер узнал, что Галилей за считанные недели, помимо четырех спутников Юпитера, обнаружил еще несколько изумляющих фактов. На самом близком астрономическом объекте – Луне – он обнаружил горы и впадины, а самых дальних – “неподвижных” – звезд оказалось много больше, чем считалось. Некоторые астрономические объекты, наоборот, исчезли, точнее – преобразились: туманности, включая самую большую – Млечный Путь, предстали огромными совокупностями звезд.

Все эти открытия стали первыми результатами экспериментальной астрофизики – астрономическими фактами, добытыми с помощью физического прибора – подзорной трубы.

Для Галилея то был подарок судьбы, или счастливая случайность, или дар Небес – в зависимости от того, как глядеть на мир. Если смотреть глазами историка, то дар вполне заслуженный – за усердный труд исследователя.

Саму подзорную трубу изобрели далеко от Италии – в Голландии. И изобрели вовсе не физики, а очковых дел мастера. По неизвестной причине или от нечего делать посмотрев через две линзы, поставленные не так, как полагается, а одна за другой – выпуклая за вогнутой, они увидели, что далекие объекты заметно приблизились. Изобретение сразу нашло себе важные применения. Например, заранее обнаружить приближение неприятеля, чтобы подготовиться к встрече. Или просто утолить любопытство, подсматривая издали, кто что делает.

Любопытство Галилея было направлено не столько по сторонам – на дела земные, сколько вверх. Поэтому, узнав о новейшем изобретении в самых общих чертах, Галилей сам сделал несколько труб, довел увеличение до тридцатикратного и направил прибор в небо, на объекты далекие, но близкие его мыслям. Так возник телескоп.

Первым делом он обнаружил и зарисовал гористые ландшафты Луны. Затем ему повезло обнаружить рядом с Юпитером совершенно неизвестные маленькие звездочки, а следующей ночью заметить, что положение этих звездочек изменилось. Для такого везения, конечно, требовалось знать звездное небо как свои пять пальцев, а также незаурядная пристальность. Продолжив наблюдения, Галилей обнаружил, что новые звездочки все время оставались вблизи “блуждающей звезды” Юпитера и что их положения относительно Юпитера повторялись через равные промежутки времени. Это напоминало движение Луны вокруг Земли. Галилей понял, что открыл четыре “луны” Юпитера, и завершил свое открытие, измерив периоды их обращения.

Так появился новый и наглядный довод в поддержку основной идеи Коперника: вокруг большого небесного тела – Юпитера – вращаются малые, как планеты вокруг Солнца и как Луна вокруг Земли. У Галилея и Кеплера и без того хватало уверенности в правоте Коперника, но для других астрономов и тем более для не‑астрономов такая наглядность могла уже перевесить книжный авторитет Птолемея. Если, конечно, смотреть открытыми глазами. А это было не так легко, как видно из письма Галилея полгода спустя после публикации “Звездного вестника”:

Посмеемся, мой Кеплер, над великой глупостью людской. Здешние ученые мужи, несмотря на мои тысячекратные приглашения, так и не взглянули ни на планеты, ни на Луну, ни на телескоп. Для них физика – это некая книга, где и надо искать истину – не в природе, а сравнивая тексты. Как бы Вы смеялись, слушая первого здешнего философа, который старался изо всех сил логическими доводами, как магическими заклинаниями, убрать с неба новые планеты!..

Вот какие доводы, например, приводил тогда некий философический астроном:

В голове животного устроено семь окон, через которые воздух допускается к телесному микрокосму, чтобы его просвещать, согревать и питать: две ноздри, два глаза, два уха и рот. Так же и в небесном макрокосме имеются две благоприятные звезды, две неблагоприятные, два светила, и Меркурий – неопределенный и безразличный. Отсюда и из многих других подобных устроений природы, таких как семь металлов и т. д., что утомительно перечислять, мы понимаем, что планет необходимо именно семь. Более того, эти спутники Юпитера невидимы невооруженному глазу и, следовательно, не могут оказывать влияние на земле, потому бесполезны, а значит, и не существуют. Кроме того, евреи и другие древние народы, как и современные европейцы, разделяют неделю на семь дней, названных в соответствии с именами семи планет. Так что, если мы увеличим число планет, вся эта целостная и прекрасная система рухнет.

На такое Галилею сказать было нечего. И не до смеху ему было среди подобных астрономов, которые, видя неубедительность своих доводов и не желая расставаться с выученным в юности, искали теологические дефекты в новой картине мира. Кто ищет, тот всегда найдет. И нашли строчки в Библии, которые, если понимать их буквально, говорили о неподвижности Земли. Это стало грозным оружием в руках не желающих искать истину в природе. Обвиняя Галилея и Коперника в противоречии Священному Писанию, ученые мужи взывали к церковным властям.

Галилей решил опередить противников и в 1611 году сам направился в Рим, захватив с собой телескоп. У него были основания верить в силу своих доводов и в убедительность астрономических открытий: спустя несколько месяцев после публикации “Звездного вестника” он получил почетный и высокооплачиваемый пост главного ученого при дворе герцога Медичи – правителя Флоренции.

В Риме его чествовала Академия деи Линчеи (Академия рысьеглазых) – одно из первых научных обществ, созданное за несколько лет до того любителями и покровителями науки. Галилей принял приглашение вступить в это общество и впоследствии писал свои книги, ориентируясь на читателей, подобных членам этой Академии, – не претендующих на звание профессионалов в астрономии или физике, но открытыми глазами и с большим интересом глядящих на новые научные идеи и факты.

Не меньший успех ожидал Галилея при дворе Папы Римского. То был период особого внимания к астрономии со стороны Католической Церкви, по инициативе которой западный мир незадолго до того перешел на новый – григорианский – календарь. Разработку календарной реформы возглавлял астроном и математик Клавиус, принадлежавший к Ордену иезуитов вместе с другими весьма квалифицированными астрономами. Главной миссией этого Ордена, учрежденного незадолго до того (в ответ на ересь Реформации), было просвещение и образование. Календарная реформа опиралась на новую астроматематику Коперника. А Галилей добавил новейший довод в пользу системы Коперника, когда в своих телескопических наблюдениях обнаружил фазы Венеры, подобные фазам Луны. В отличие от Луны, Венера виделась маленьким диском, когда была далеко, и крупным серпом – когда была близко. Это доказывало вращение Венеры вокруг Солнца, а не Земли.

Парадоксальный контраст: университетские профессора‑астрономы, держась за привычные тексты древних авторитетов, отрицают и телескоп, и наблюдательные открытия Галилея, а папские астрономы одобряют то и другое?! Главное отличие здесь не в близости к папскому престолу, а в практическом деле, которым в календарной реформе занимались папские астрономы, тогда как университетские профессора лишь трактовали старые тексты.

Фазы Венеры, зарисованные Галилеем и изображенные схематически.

Галилей занимался другим практическим делом – расследовал фундаментальную физику реальной Вселенной. Одобрение папскими астрономами его астрономических открытий имело важное “но”. Для них система Коперника была правильной математикой, раз ее результаты соответствовали наблюдениям, но принимали эту систему они в геогелиоцентрической версии Тихо Браге, в которой Земля неподвижна – в полном соответствии со всеми известными тогда наблюдениями, начиная с повседневного опыта. Ведь для земных астрономических расчетов важно лишь то, как небесные тела движутся относительно Земли. Для папских астрономов система Коперника означала лишь другую схему промежуточных вычислений.

Галилей и Кеплер были уверены, что Земля вращается вокруг Солнца подобно другим планетам, но прямых свидетельств этого тогда еще не было, только косвенные, гипотетические. Поэтому Кеплер не мог убедить Тихо Браге, с которым сотрудничал, хотя обоих считали первыми астрономами своего времени. А Галилей не мог убедить папских астрономов, высоко ценивших его астрономические открытия. Для первоклассных астрономов‑наблюдателей реальный гелиоцентризм был гипотезой не только сомнительной, но и бесполезной: все равно расчеты надо было приводить к точке зрения земного наблюдателя – к геоцентрической картине. Такие астрономы, твердо стоящие на земле, внимательно слушали Галилея, ожидая узнать о наблюдаемых проявлениях движения Земли, но получали только доводы об устройстве Вселенной (то бишь Солнечной системы), объяснения, почему вращение Земли столь незаметно, а также сомнительные аналогии и слова о стройности Мироздания.

Но так ли уж убедительна аналогия между Землей под ногами и далекими “блуждающими” звездочками, о которых ничего не известно, кроме их движения по небосводу? И горы, обнаруженные на близкой Луне, разве доказывают, что далекие планеты устроены так же? Зачем так далеко ходить за обоснованием, почему не удостоверить земное вращение прямо на Земле? Ведь, вращаясь на карусели, ощущаешь вращение даже с закрытыми глазами?! Конечно, если карусель делает один оборот в сутки или в год, заметить вращение трудно, но и спутники Юпитера были незаметны до изобретения телескопа. Так что надо найти какой‑то способ прямо засвидетельствовать это вращение, если оно и правда существует. А иначе гелиоцентризм останется удачной математической гипотезой, полезной для расчетов, но не более.

Нечто в этом роде мог сказать Галилею астроном, твердо стоящий на Земле. И, надо признать, в начале семнадцатого века на это нечем было ответить. Наглядные прямые свидетельства вращения Земли (вокруг своей оси и вокруг Солнца) появились лишь два века спустя: маятник Фуко, закон Бэра (согласно которому река подмывает свой правый берег в Северном полушарии), смещение “неподвижных” звезд вследствие перемещения Земли. Однако уже задолго до того астрофизики в таких доказательствах не нуждались – уже с конца семнадцатого века, когда Ньютон – завершив работу, начатую Галилеем, – сформулировал фундаментальные законы физики, управляющие всеми движениями в Солнечной системе. Следствие этих законов – движение Земли вокруг Солнца. Другое следствие – вполне определенная малость проявлений этого движения на самой Земле, всего доли процента.

Вера и знание

Почему же Галилей еще в конце шестнадцатого века уверился в движении Земли? Почему он так доверился косвенным доводам и своим общим представлениям об устройстве Вселенной и почему не придавал значения трезвым возражениям астрономов‑реалистов? На эти вопросы у историков нет четкого ответа, но ясно, что гениальные предрассудки Галилея – вера в фундаментальную закономерность Вселенной и в способность человека познать эту закономерность – помогли ему изобрести фундаментальную физику.

В середине двадцатого века поэт‑публицист попытался ответить за историков:

Твердили пастыри, что вреден

и неразумен Галилей,

но, как показывает время:

кто неразумен, тот умней.

 Ученый, сверстник Галилея,

был Галилея не глупее.

Он знал, что вертится земля,

но у него была семья.

Рифмованный ответ, увы, противоречит реальной истории. Во‑первых, ученые сверстники Галилея, за малым исключением, твердо знали, что Земля неподвижна. Во‑вторых, архипастыри Католической Церкви, зная о его взглядах, долгие годы вполне благожелательно относились к нему. Пока речь шла лишь о научных гипотезах, их разрешалось обсуждать.

Ситуация изменилась, когда научные противники Галилея, исчерпав земные доводы, взялись за Священное Писание. Там, конечно, нет никакой астрономии, никаких планет, ни слова о том, плоска ли Земля или шарообразна. Но, забыв о смысле библейского рассказа, можно найти фразы, выражающие обыденные представления о том, что солнце движется – всходит и заходит, а земная твердь покоится. Соответствующими цитатами и вооружились противники Галилея, держа Библию в качестве щита. Если бы он не обращал внимания на таких оппонентов, мог бы спокойно заниматься своей наукой. Так ему советовали и его доброжелатели среди “пастырей”.

Однако Галилей не последовал этому совету. Он не только свободно мыслил, но и свободно верил в Бога. Библия говорила о человеке, сотворенном по подобию Божию, она была его внутренней опорой, но не источником знаний о внешнем мире – кроме того, что мир этот сотворен для человека и доступен познанию. Поэтому, был уверен Галилей, Библия не может противоречить результатам научного исследования и, в частности, движению Земли. Он пришел к этому выводу, опираясь на собственный разум точно так же, как и в своих физических исследованиях.

Такое понимание Библии, надо сказать, присутствовало и в церковной традиции. Галилей цитировал одного кардинала, с которым беседовал: “Библия учит тому, как попасть на небо, а не тому, как небеса движутся”. Библия также учит не лгать, и Галилей не внял советам доброжелателей, а честно излагал свое понимание Библии и свою уверенность в том, что Земля движется. Уверенности ему добавили его астрономические открытия и их признание.

Что позволено сказать о Библии кардиналу в частной беседе, то не дозволено мирянину, даже если этот мирянин – прославленный астроном. Тем более когда бдительно правоверные шлют доносы. В 1616 году эксперты инквизиции определили, что утверждение о движении Земли “абсурдно в научном отношении и противоречит Священному Писанию”. Официальное постановление звучало мягче, но три книги были запрещены, начиная с книги Коперника, за 70 лет до того ушедшего в историю. Галилей в этом постановлении не упоминался – почтение к нему было столь велико, что архипастыри ограничились устным увещеванием. Позже сам Папа Римский пояснил ему, что, хоть и нельзя утверждать движение Земли как истину, системы Птолемея и Коперника можно обсуждать и сравнивать как математические гипотезы. И книгу Коперника запретили лишь на время, пока ее поправят, подчеркнув, что система Коперника – это лишь математическая гипотеза.

Изобретательный Галилей придумал, как остаться честным и не нарушить церковное предостережение. Раз ему разрешили обсуждать и сравнивать гипотезы Птолемея и Коперника, он напишет книгу в форме беседы между тремя персонажами, двое представят позиции Коперника и Птолемея, а третий – непредвзятый здравый смысл. И пусть сам читатель решит, кто прав.

Книгу “Диалог о двух главнейших системах мира” Галилей завершил полтора десятилетия спустя. Не без трудностей он получил одобрение церковной цензуры, и в 1632 году первые экземпляры книги вышли из типографии. Вскоре, однако, в историю науки вмешалась Католическая Церковь – ее решением книги конфисковали, а Галилея вызвали на суд инквизиции. Знаменито‑бесславный суд длился несколько месяцев. Галилея обвинили в том, что он нарушил церковное указание 1616 года трактовать систему Коперника лишь как гипотезу: из его книги слишком ясно было, какая гипотеза верна. Суд книгу запретил и приговорил Галилея к пожизненному тюремному заключению.

За кулисами следствия и в ходе суда действовали и личные мотивы, и факторы церковной политики, но в основе тех событий можно разглядеть… мощный закон инерции. Галилей, открывший физический закон инерции, в полной мере испытал на себе и действие инерции людской. Служители Церкви, разумеется, не могли глубоко вникнуть в систему астрофизических доводов в пользу движения Земли и попросту – по инерции – держались представлений, освоенных в юности. Ведь и выдающиеся люди науки держались этих представлений, прежде всего “король астрономов” – Тихо Браге.

Можно было бы не осуждать церковных судей за их научную инерционность, если бы они не взяли на себя роль научных экспертов: в церковных постановлениях 1616 и 1633 годов движение Земли признано, во‑первых, научно ложным и, только во‑вторых, противоречащим Библии. Тем самым, судьи‑инквизиторы использовали свое служебное положение в личных целях – чтобы сохранить привычное представление. Дело было не в религии как таковой: среди учеников и горячих сторонников Галилея были люди духовного звания. И даже суд был не единогласен – приговор подписали лишь семеро из десяти судей.

Исполнение приговора, как и высшая власть в Церкви, были тогда в руках одного человека – Папы Урбана VIII. Будучи еще кардиналом, он восхищался астрономическими открытиями Галилея и, став Папой, тоже проявлял к нему благосклонность, разрешив обсуждать систему Коперника наряду с системой Птолемея. Но у него был свой довод, почему обе системы навсегда останутся лишь гипотезами: Даже если какая‑то гипотеза удовлетворительно объясняет некое явление, всемогущий Бог может произвести это явление совершенно иным образом, недоступным человеческому разуму, и нельзя ограничивать Его всемогущество возможностями человеческого понимания. Папа подарил свой довод Галилею, а тот что сделал?! Вложил этот довод в уста персонажа, который представлял отжившую философию Аристотеля и выглядел очень обидно для Папы:

Симпличио. <…> Я знаю, что на вопрос, мог ли всемогущий Бог сообщить воде наблюдаемое переменное движение [приливы и отливы] иным образом, нежели двигая водоемы, возможен лишь один ответ: Он мог бы сделать это многими способами, немыслимыми для нашего ума. А если так, то чрезмерной дерзостью было бы ограничить Божественное могущество каким‑либо измышлением человека.

Так что надо еще благодарить Его Святейшество за то, что он заменил тюремное заключение на домашний арест. А историк науки может даже, забыв о приличиях, поблагодарить за то, что Галилей находился под постоянным наблюдением инквизиции, которая решала, с кем он мог встречаться. Кипучий темперамент физика имел единственный выход – работу над второй и самой главной книгой, в которой он обосновал закон свободного падения – первый фундаментальный закон физики.

Что касается папского довода, то Галилей употребил его не из вредности. Речь шла о сути новой – фундаментальной – физики. Довод очевидно опирался на библейскую фразу “Пути Господни неисповедимы”, в современном переводе: “Непостижимы Его решения и неисследимы пути Его”. Что мог на это возразить Галилей, с его несомненной верой в Бога и с полным доверием к Слову Божьему?

Он мог сказать, что контекст этой фразы говорит не об устройстве Вселенной, а об отношении Бога к человеку и о внутреннем мире человека с его свободой и неповторимостью. А внешний мир – Вселенная – уже звездным небом дает человеку пример постоянства и закономерности. Не зря же Бог наделил человека способностью к познанию. Галилей чувствовал это по себе. И знал по своему опыту, что человек способен не только выдвигать правдоподобные гипотезы, но и проверять их, отвергать или подтверждать, устанавливая их соответствие устройству Вселенной, созданной Творцом. В Библии ничего не написано о законе плавания, но Архимед сумел этот закон открыть. И Галилей в своем поиске фундаментальных законов природы опирался на веру в закономерность мироздания.

Исследуя пути Господни в устройстве Вселенной и зная, как опыт и язык математики позволяют познавать это устройство, Галилей защищал Библию от чуждых ей задач и, соответственно, от противоречий с результатами научного познания. Он был лучшего мнения о Творце, чем Папа Урбан VIII, а в отношении к истине – святее Папы Римского.

Скорость света – первая фундаментальная константа

Среди неудач Галилея одна столь поучительна, что язык не поворачивается назвать ее неудачей.

В своей последней книге Галилей рассказал о попытке измерить скорость света, и, судя по всему, поводом стало измерение другой скорости – скорости звука. Это, конечно, “две большие разницы”. Услышав эхо своего голоса, легко понять, что звук вернулся через малое, но заметное время, и, значит, он распространяется не мгновенно, а с какой‑то – пусть и большой – скоростью. Однако в обыденном опыте нет никаких признаков того, что и свету требуется какое‑то время на путешествие от источника света до освещенного предмета. Аристотель подытожил это философски: “Свет – это присутствие чего‑то, а не движение чего‑либо”. Так же думали и все коллеги‑современники Галилея. Он первым употребил само выражение “скорость света”.

Мгновенность – или бесконечная скорость – света предполагалась и в первых измерениях скорости звука. Наблюдая издалека выстрел пушки и полагая, что вспышку выстрела видят немедленно, измеряли время между вспышкой и звуком выстрела. Разделив расстояние до пушки на это время, определили, что скорость звука – около 500 метров в секунду (что всего в полтора раза больше истинного значения).

Галилей, однако, полагал, что мгновенность света – лишь гипотеза, и придумал, как ее проверить. Для этого нужны два человека с фонарями, которые можно открывать и закрывать – сейчас бы сказали: включать и выключать. Сначала они, находясь вблизи, тренируются включать фонарь, увидев свет другого фонаря. Затем расходятся на большое расстояние. Первый включает фонарь, увидев свет которого, включает свой фонарь второй. И первый измеряет время от момента, когда он включил свой фонарь, до момента, когда увидел свет второго фонаря. За это время свет прошел путь туда и обратно.

Если второй фонарь откроется так же быстро, как и на близком расстоянии, – пишет Галилей, – значит, свет доходит мгновенно, а если свету требуется время, то расстояния в три мили хватило бы, чтобы обнаружить задержку. Если же опыт делать на расстоянии, скажем, 8–10 миль, то увидеть слабый свет от далекого фонаря можно, используя телескоп.

Судя по словам Галилея, он проделал такой опыт лишь на расстоянии одной мили и задержку не заметил. И все же высказал догадку, что свет распространяется не мгновенно, хоть и необычайно быстро.

Отец современной физики не объяснил, почему трех миль хватило бы, чтобы обнаружить не‑мгновенность света, и зачем тогда увеличивать расстояние до 10 миль. Если минимальным промежутком времени счесть один удар пульса, то проделанный им опыт означал, что свет прошел две мили за время, меньшее секунды, то есть со скоростью как минимум в 10 раз большей скорости звука. А если бы задержки не обнаружилось и на расстоянии 10 миль, это означало бы, что скорость света как минимум в 100 раз больше скорости звука.

Галилей не виноват, что на самом деле скорость света больше скорости звука в миллион раз. Если бы он это заподозрил, то мог сообразить, что земных миль для его опыта не хватит, и вспомнил бы открытые им спутники Юпитера. Ведь, вращаясь, спутник играет роль фонаря, который открывается, выходя из тени Юпитера, и закрывается, заходя в его тень. Конечно, впрямую для опыта Галилея такой фонарь не годится – открывается безо всякой команды через равные интервалы времени. Но опыт можно изменить, заметив, что земной наблюдатель не сидит на месте, даже вглядываясь в телескоп: вместе с телескопом и с планетой Земля он движется вокруг Солнца. Когда наблюдатель приближается к Юпитеру, каждый следующий “восход” спутника наблюдается раньше “положенного” (усредненного), потому что первому лучу от спутника надо пройти меньшее расстояние до Земли. Первый луч прибудет раньше на долю периода, пропорциональную скорости Земли и обратно пропорциональную скорости света. Значит, скорость света можно вычислить, измеряя опережение (или запаздывание) восхода спутника Юпитера.

До такого способа сам Галилей не додумался, хотя в его духе были и земные применения астрономии, и приложение земной физики к пониманию небесных явлений. Он же предложил использовать телескоп в земном опыте по измерению скорости света. А открыв спутники Юпитера и измерив периоды их обращения, разглядел в этом небесные часы “с боем” в момент восхода каждого спутника. Такие часы, доступные всем (у кого есть телескоп), сообразил Галилей, можно использовать для определения географической долготы. А это было жизненно важно для дальнего мореплавания и для экономики.

Так что отец современной физики не только изобрел ее, но и продемонстрировал взаимосвязь науки, техники и экономики.

В физике Галилея проявилось хитрое взаимодействие теории и эксперимента в поиске фундаментальных законов природы. Ясно, как важно проверять закон со все большей точностью. Однако нередко малая точность измерений помогала делать открытия. Например, важнейший для Галилея закон о том, что период колебаний маятника не зависит от амплитуды колебаний, выполняется тем точнее, чем меньше амплитуда. Поэтому, если бы Галилей проверял этот закон не своим пульсом, а очень точным хронометром, ему было бы труднее.

Аналогично – со спутниками Юпитера. Измерив их периоды обращения, Галилей оставил их дальнейшее изучение астрономам. Оставил он также им в наследство свою идею использовать эти спутники в качестве универсальных часов для определения долготы. Для этого требовалось знать периоды обращения спутников, или расписание их затмений, как можно точнее, чем астрономы и занялись, стремясь к свойственной им астрономической точности. Через тридцать лет после смерти Галилея астрономы накопили достаточное количество наблюдений, чтобы обнаружить странную неравномерность хода космических часов. Период обращения спутника иногда был короче, иногда длиннее. В этой неравномерности обнаружилась своя закономерность: короче период становился, когда Земля приближалась к Юпитеру, и длиннее – когда удалялась. Тогда‑то астрономы, изучавшие Галилеевы спутники, вспомнили об уверенности Галилея в том, что свет распространяется с огромной, но конечной скоростью. Соединив наблюдения периодов спутников со знанием планетных движений, и получили впервые величину скорости света – 220 тысяч километров в секунду, что близко к истинной величине – около 300 тысяч километров в секунду.

Таким образом, интуиция Галилея оправдалась, как ни удивительно. А это очень удивительно. Ведь не было никаких наблюдаемых свидетельств в пользу конечной скорости света. И выдающиеся современники Галилея, которые занимались наукой о свете, Кеплер и Декарт, считали скорость света бесконечной. Почему Галилей оказался проницательней своих коллег? Потому что был гением и фундаментальным физиком.

Размышляя о скорости света, Галилей видел весь мир физических явлений и верил в глубинное единство этого мира. Зная, что солнечный свет, собранный в вогнутом зеркале, способен расплавить свинец, он сопоставил это “яростное” действие света с разрядом молнии и взрывом пороха, которые “сопровождаются движением и притом очень быстрым”. И заключил: “Поэтому я не представляю себе, чтобы действие света обходилось без движения, притом наибыстрейшего”.

Галилей был уверен, что Книга Природы “написана на языке математики”, но знал, что содержание этой книги – физика. Поэтому, слушая свою интуицию, он не верил ей на слово, а придумывал, как проверять ее самым надежным для физика путем – измерительными экспериментами. Со светом ему это не удалось – точность измерений была слишком мала. Но ему удалось подарить физике саму идею конечной скорости света. Эта идея, благодаря другому подарку – Галилеевым спутникам Юпитера – стала достоверным фактом науки спустя лишь несколько десятилетий после его смерти, в самом начале его бессмертной славы.

Послушаем теперь фрагмент беседы из последней книги Галилея “Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых наук”, где впервые поставлен вопрос о скорости света:

О наибыстрейшем движении света

Сагредо. Я видел, как солнечный свет, собранный вогнутым зеркалом диаметром около трех ладоней, быстро плавил свинец и зажигал разные горючие материалы. Неужели столь яростное действие света возможно без движения?

Сальвиати. В других случаях – таких как разряд молнии и взрыв пороха – горение и распад сопровождаются движением, и притом очень быстрым. Поэтому я не представляю себе, чтобы действие света обходилось без движения, притом наибыстрейшего.

Сагредо. Но какой степени быстроты должно быть это движение? Оно мгновенно или совершается во времени, как другие движения? Нельзя ли в опыте узнать, каково оно?

Симпличио. Повседневный опыт показывает, что свет распространяется мгновенно. Если издалека наблюдать за выстрелом пушки, то вспышка выстрела достигает наших глаз сразу же, а звук доходит до ушей лишь через заметный интервал времени.

Сагредо. Из подобных опытов можно лишь заключить, что звук движется медленнее света, но не то, что свет доходит мгновенно.

Сальвиати. Неубедительность таких наблюдений побудила меня придумать способ выяснить, распространяется ли свет действительно мгновенно.

Пусть два экспериментатора держат по фонарю, которые можно открывать и закрывать. Сначала, стоя рядом, они упражняются открывать свой фонарь, заметив свет другого. Затем расходятся мили на три и, дождавшись ночи, повторяют свое перемигивание фонарями. Если второй фонарь откроется так же быстро, как и вблизи, значит, свет доходит мгновенно, а если свету требуется время, то расстояния в три мили хватило бы, чтобы обнаружить задержку. Делая опыт на расстоянии, скажем, десяти миль, можно использовать телескопы, чтобы увидеть слабый свет от далекого фонаря.

Сам я провел этот опыт лишь на расстоянии одной мили и не убедился, возвращается ли свет мгновенно. Ясно лишь, что чрезвычайно быстро, почти мгновенно. Я бы сравнил это со сверканием молнии, видном на расстоянии 8–10 миль. Мы видим начало вспышки, или ее источник, в определенном месте среди туч и видим, как молния пронзает соседние тучи. Значит, для распространения требуется некоторое время. Ведь если бы вспышка молнии возникала во всех частях сразу, мы не могли бы различить ее источник, середину и удаленные части. В каком же океане мы незаметно для себя оказались?! Пустота и бесконечности, неделимые атомы и мгновенные движения – сможем ли мы достичь берега, хотя бы и после тысячи обсуждений?

На патетический вопрос в конце фрагмента Галилей ответил своей книгой отважно и оптимистически. Но сам вопрос изобличает физика – фундаментального физика. Его выдающиеся коллеги математического склада мышления – Кеплер и Декарт – смело ставили перед собой задачу полностью и окончательно объять реальный физический мир каким‑то единым математическим принципом или небольшим набором, и думали, что достигли своей цели: у Кеплера – кубок шести планет, у Декарта – семь принципов физики. А Галилей понимал, что находится лишь в начале великого пути, где работы хватит на всех, у кого хватит свободы и смелости задавать вопросы об устройстве мироздания и искать на них убедительные – измерительные – ответы.

Заряжаясь его смелостью, очень хотелось бы задать вопросы и ему самому.

Почему он думает, что скорость света не просто конечна, но и “наибыстрейшая”? Как вообще какая‑то скорость может быть максимальной? Догадывается ли он, что скорость света – фундаментальная константа природы, причастная к любому физическому явлению, даже протекающему в кромешной тьме?

Наука ответила на эти вопросы три века спустя после жизни Галилея, после нескольких драматических преображений фундаментальной физики, связанных с именами Ньютона, Максвелла и Эйнштейна. Остается лишь изумляться, что изобретатель фундаментальной физики открыл путь и к первой фундаментальной константе в истории.

Глава 3.   Гравитация – первая фундаментальная сила

С небес на землю и обратно

В современной физике говорят о четырех фундаментальных силах. Первой открыли силу гравитации. Известный школьникам закон всемирного тяготения определяет силу притяжения F между любыми массами m и M, разделенными расстоянием R:

F = G mM/R².

Школьникам обычно не говорят, что сам Ньютон такую формулу не писал. Он лишь утверждал, что притяжение пропорционально количеству вещества и обратно пропорционально квадрату расстояния. Пропорциональность количеству вещества не удивительна, а вот как Ньютон догадался, что сила зависит от расстояния именно в квадрате, а, скажем, не в кубе?

Школьникам также обычно не говорят, что догадался он не первым. Открытие Ньютоном закона гравитации можно даже назвать закрытием. Он закрыл вопрос, подтвердив догадку астрономическими наблюдениями, подытоженными Кеплером в его планетных законах. Величайший успех Ньютона в глазах его современников – то, что он вывел законы Кеплера из закона гравитации. Для этого ему пришлось сделать дело, великое уже в глазах мировой истории: создать общую теорию движения – механику, изобретя для нее новый математический язык. Главный закон движения связал ускорение a массы m с действующей на нее силой F

F= ma,

а изобретенный математический аппарат (дифференциальное исчисление) позволил решать любую задачу о движении тел на небе и на земле.

Первую небесную задачу решил астроном Эдмонд Хэли (Галлей). Опираясь на закон движения и закон гравитации, он предсказал, что комета 1682 года вернется через 76 лет. И она действительно явилась в должное время! До того можно было еще сомневаться в теории Ньютона, которая “всего лишь” вывела старые законы Кеплера из новых законов движения и гравитации. Но небесный триумф физики обещал ей победы и в задачах земных.

По этому поводу один историк заметил: “Современная наука спустилась с небес на землю по наклонной плоскости Галилея”. Не меньше оснований сказать, что – по той же наклонной плоскости – земная физика поднялась до небес. Галилей получил с неба лишь один вопрос: почему столь неощутимо движение Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца с огромными скоростями в тысячи километров в час? Ответ на этот вопрос он искал – и нашел – на Земле, изучая движение с помощью двух своих главных инструментов – эксперимента и математически точного языка. Его ответ – закон инерции и принцип относительности – Ньютон назвал Первым законом механики. А Галилеев закон свободного падения, обнаружив ключевую роль ускорения, дал подсказку для Второго закона – главного закона движения.

Лишь в законе гравитации роли Галилея не видно. Исправляя эту несправедливость спустя два века после его смерти, некий умелец с антикварным уклоном смастерил коллекцию исторических документов, которую получила Французская академия наук. Бумаги – с именами Галилея, Паскаля, Ньютона и других видных фигур – рисовали такую картину. В последние годы жизни (итальянец) Галилей якобы теоретически вывел из второго закона Кеплера, что небесные тела притягиваются обратно пропорционально квадрату расстояния. Об этом открытии он сообщил (французу) Паскалю, который на этой основе построил небесную механику, вычислив еще и массы планет, о чем сообщил (англичанину) Ньютону. А уж тот без стыда и совести опубликовал чужие результаты как свои собственные.

Во Французской академии, ревностно следившей за успехами англичан, азартно изучали сенсационные документы, пока не обнаружили, что одно из писем коллекции адресовано Ньютону, когда тому было всего 10 лет от роду. Автор коллекции не ладил с хронологией. И совсем не ладил с историей науки.

История, конечно, зависит от сохранившихся документальных свидетельств – писем, рукописей, публикаций. Но когда свидетельств о каком‑то человеке сохранилось много, подделать совершенно новое свидетельство очень нелегко. Поверить, что 75‑летний Галилей вывел закон гравитации из второго закона Кеплера, может лишь тот, кто не читал их книг и совсем не понимает, как можно вывести одно из другого.

Галилей не придавал значения законам Кеплера и тем более его высказываниям о Солнце как источнике силы, движущей планетами, о том, что сила эта убывает обратно пропорционально расстоянию (а не его квадрату), и о силе притяжения как о “симпатии родственных тел”, их “стремлении к соединению”. “Стремление” это Кеплер иногда лишь уподоблял магнетизму, иногда отождествлял с ним. Из его текстов неясно, имел ли он в виду одну силу или две. Ясно лишь, что он надеялся на физиков, раз писал: “Пусть физики проверят…”

В 1600 году англичанин Гильберт опубликовал книгу “О магните, магнитных телах и большом магните – Земле”, где, кроме прочего, высказал идею о том, что Земной шар – огромный магнит, и экспериментально обосновал это с помощью модели Земли – шарообразного магнита, следя за поведением стрелки компаса на поверхности шара. Под впечатлением от этой книги Кеплер и писал о магнитных силах в планетной системе, внедряя последнее слово физики в астрономию. Но, в отличие от Гильберта, Кеплер не дал никаких конкретных, хотя бы качественных, доводов и никак не связал магнитную физику ни с его гипотезой о планетных силах, убывающих обратно пропорционально расстоянию, ни с собственными точными законами планетного движения. В таком обращении с наукой физик Галилей видел проявление “слишком свободного” ума, а попросту – легкомыслие. По поводу же исследований Гильберта он, высоко их оценив, пожелал, чтобы тот был “немного больше математиком”. Не потому что Галилей любил математику, а потому что математически точный язык открывает путь к экспериментальной проверке и, стало быть, к точному знанию.

Фундаментальный физик Галилей мог смотреть на законы Кеплера как на математические соотношения, не менее изящные, чем космография планет юного Кеплера, но и не более проникающие в физическую суть планетной системы. Через две точки можно провести только одну прямую, а через множество точек планетных наблюдений – сколько угодно разных кривых, в том числе, быть может, и изящных. С планетами не поэкспериментируешь, меняя параметры их движения. Поэтому Галилей старался проникнуть в фундаментальные законы планетной физики, опираясь на земной эксперимент, который надо придумать, и используя простейшую орбиту из возможных – круговую, тем более что орбиты Земли и Венеры почти точно круговые.

Чтобы вывести закон гравитации, надо было слово “притяжение” сделать физическим понятием, доступным для экспериментального исследования. Надо было связать это понятие с измеримыми величинами, прежде всего с самим движением. Это и сделал Ньютон. А до того о планетных силах и их зависимости от расстояния можно было лишь говорить.

Самый ранний “разговор” о силе, пропорциональной 1/R², состоялся в книге французского астронома Буйо в 1645 году. Автор чтил Коперника, Галилея и Кеплера, но планетную силу – не по Кеплеру – уподобил освещенности, убывающей с расстоянием от источника света именно как 1/R². Но затем, в той же самой книге, Буйо отверг само существование движущей силы. Уже отсюда ясна неубедительность гипотезы Кеплера. Легко представить себе, что Галилей ребяческими счел бы и разговоры Буйо: откуда аналогия между светом и планетными силами?! Впрочем, ко времени издания книги французского астронома Галилей уже три года как ушел в историю. А неубедительные слова о силе, обратно пропорциональной квадрату расстояния, тем не менее в историю вошли. И дошли до времен Ньютона.

Что же получается?! Важнейшая физическая идея родилась незаконно и долгое время жила подкидышем?! А ее рождению более всех противился отец современной физики?! Так, но не совсем. Во‑первых, и к научным идеям применимы слова поэта: “Когда б вы знали, из какого сора растут стихи, не ведая стыда…” Рождение нового – всегда чудо. А во‑вторых, идея 1/R² стала важной лишь в сочетании с другими идеями, которые появились спустя десятилетия.

История науки, как и всякая интересная история, – это неповторимый ход событий. Отсюда шаблонная фраза о том, что история не знает сослагательного наклонения. История не знает, но физик, вглядываясь в историю, привычно делает мысленные эксперименты, меняя – в пределах возможного – поступки исторических персонажей и разворачивая новую цепь событий, чтобы оценить вероятности и невероятности реально происшедшего. За этот прием мышления надо благодарить Галилея, который, создавая современную физику, мастерски им пользовался. Мысленный эксперимент – схема эксперимента, допускаемая известными фактами, не считаясь с затратами. Свободно меняя условия эксперимента, легче ставить вопросы и отвечать на них с помощью известных фактов и законов природы.

Перенося этот прием из физики в ее историю, зададим вопрос: “Мог ли Галилей узнать скорость света?”, разумеется, в пределах его исторически реальных возможностей – его знаний, способа мышления и его предубеждений. На этот вопрос история позволяет ответить отрицательно. В эксперименте придуманного им типа, даже если дать ему все ресурсы тогдашней техники, заведомо не хватало точности. А чтобы придумать эксперимент с участием спутников Юпитера, ему надо было оставить физику, стать астрономом‑наблюдателем и не менее года вести наблюдения, зачем‑то уточняя уже измеренные им периоды спутников. Это кажется невероятным. Так что скорость света открыть он не мог, хоть и был предубежден, что она конечна.

Галилей был также предубежден, что никакого планетного притяжения нет. Но это не значит, что ясен ответ на вопрос:

Мог ли Галилей открыть закон всемирного тяготения?

Выдающийся физик и веселый человек Ричард Фейнман так изложил предысторию закона гравитации:

Во времена Кеплера некоторые считали, что планеты движутся вокруг Солнца, потому что невидимые ангелы толкают их вдоль орбиты. Это не так уж далеко от истины: ангелы толкают планеты, но не вдоль, а поперек орбиты, в направлении к ее центру.

Стремясь к краткости, Фейнман опустил важный промежуточный этап. Галилей обходился вовсе без ангелов, считая круговое движение планеты вокруг Солнца движением естественным, свободным. Вопрос о размерах орбит и о скоростях планет оставался открытым, но Галилей видел массу открытых вопросов, что его не огорчало и не смущало, а лишь раззадоривало. Как и Кеплер, Галилей верил, что другие планеты по своей природе подобны Земле, и укрепил свою веру, увидев в телескоп гористую поверхность Луны. Его вера давала надежду, что изучение законов природы на Земле поможет понять и законы планетных движений.

На Земле Галилей открыл закон свободного падения, а также закон движения тела, брошенного под углом к горизонту. Траектория такого движения, как знают ныне школьники, – парабола. Это свое открытие Галилей долго не публиковал. Он понимал, что результат получен в приближении “плоской Земли”: парабола тем точнее описывает траекторию, чем ее размер меньше по сравнению с радиусом Земли, то есть чем меньше начальная скорость, или же чем меньшую часть траектории рассматривать. Он не знал, какова форма траектории в случае “большого движения”, когда начальная скорость достаточно велика, и уже нельзя пренебречь сферичностью Земли.

Трудность была теоретической, и эксперимент не мог помочь: чтобы в лаборатории заметить сферичность Земли, размеры лаборатории должны быть сравнимы с радиусом Земли. Галилей мог, однако, воспользоваться мысленным экспериментом, в чем был большой мастак. Надо было лишь придумать вопрос для мысленного экспериментатора.

Например, такой. Если бросить шар в горизонтальном направлении с небольшой скоростью, он упадет на землю поблизости, двигаясь по крутой параболе. Если начальную скорость увеличить, парабола станет более пологой. А с какой скоростью надо бросить шар, чтобы, падая, он оставался на одном и том же удалении от поверхности Земли, уходящей “вниз” из‑за своей сферичности?

Эту задачу Галилей мог решить, пользуясь математикой не сложнее теоремы Пифагора, зная радиус Земли R и ускорение свободного падения g, им измеренное. Искомая скорость, как может убедиться нынешний школьник,

V= (gR)^1/2 ~ 8 км/сек.

Это конечно же первая космическая скорость, то есть скорость, с которой нужно бросить шар, чтобы он стал искусственным спутником Земли. Впервые это удалось сделать в России в 1957 году, а в Италии семнадцатого века слов таких не знали и величину скорости назвали бы астрономической. Она была скорее астрофизической. Но астрофизику Галилею мысленный шар, летящий на постоянном расстоянии от поверхности Земли, конечно, напомнил бы Луну.

Он бы легко убедился, однако, что для Луны полученное соотношение, увы, не выполняется, и очень сильно. Скорость Луны в 60 раз меньше, “чем надо”. Поскольку скорость Луны и расстояние до нее были хорошо известны, Галилей подумал бы об ускорении свободного падения g, которое сам измерил. Но измерил‑то на поверхности Земли, а не на высоте Луны. Соотношение выполнилось бы, если ускорение свободного падения на высоте Луны в 3600 раз меньше земного. Расстояние до Луны в 60 раз больше радиуса Земли. Напрашивается гипотеза: ускорение свободного падения меняется с удалением от Земли обратно пропорционально квадрату расстояния. Эту гипотезу Галилей мог подтвердить и на спутниках Юпитера, и на спутниках Солнца – планетах. В результате он получил бы новый закон природы – общий закон свободного падения, определяющий ускорение свободного падения g(R) в точке, удаленной на расстояние R от небесного тела массы M

g(R) = GM/R² ,

здесь G – константа, одинаковая для любого небесного тела, а значит, константа фундаментальная.

Как Галилей мог открыть общий закон свободного падения

Исследуя свободное падение, Галилей выяснил, что шар, брошенный горизонтально в пустоте, падает по параболе, форма которой определяется начальной скоростью V и ускорением свободного падения g: при этом скорость движения по горизонтали сохраняется V_г = V, а по вертикали растет со временем V_в = gt.

Сделаем мысленный эксперимент, поднявшись вместе с мысленным Галилеем на легендарную башню. Будем бросать шары горизонтально со все большей скоростью. Если скорость броска мала, шар упадет – по крутой параболе – на землю поблизости от башни. А если скорость очень велика, парабола станет очень пологой, и шар улетит очень далеко от Земли.

Спрашивается, с какой скоростью надо бросить шар, чтобы, свободно падая, он оставался на той же высоте от земной поверхности, уходящей закругленно “вниз”?

На этот вопрос ныне может ответить и школьник, нарисовав указанную схему, применив теорему Пифагора и учтя, что радиус Земли R ≈ 6000 км, а ускорение свободного падения g ≈ 10 м/сек². Эти величины, как и теорему Пифагора, знал также и Галилей. И мог получить, что искомая скорость связана с g и R соотношением

V²= gR

и равна примерно 8 км/сек. Летя с такой скоростью, шар оставался бы на постоянном удалении от земной поверхности. Совсем как Луна.

Однако Галилей легко обнаружил бы, что лунные величины R_л  ≈ 400 000 км и V_л ≈ 1 км/сек никак не укладываются в полученное соотношение. А чтобы уложились, нужно значение g_л, примерно в 3600 раз меньшее измеренного Галилеем на поверхности Земли. Расстояние до Луны больше радиуса Земли примерно в 60 раз, а 60 60 = 3600. Отсюда Галилей мог предположить, что ускорение свободного падения g меняется с удалением от Земли обратно пропорционально квадрату расстояния R:

g ~ 1/ R ².

Отсюда, с учетом предыдущего соотношения, следует, что скорость спутника меняется с расстоянием R от небесного тела:

V ~ 1/ R ^1/2.

А если небесное тело имеет несколько спутников, то для них всех величина VR ^1/2 одна и та же.

Подтвердить это свойство Галилей мог на им же открытых спутниках Юпитера:

Подтвердили бы это и спутники Солнца, то есть планеты (орбиты которых близки к круговым).

Так закон свободного падения, установленный в земных физических опытах, поднялся бы до астрономических высот. И так Галилей пришел бы к новому закону природы, который мог назвать общим законом свободного падения: ускорение свободного падения на расстоянии R от центра небесного тела

g(R) = A/R ²,

где А – некая константа, определяемая свойствами небесного тела.

Из наблюдательных данных Галилей мог вычислить соотношения таких констант для Земли, Юпитера и Солнца:

A_{Юпитера} ≈ 300 A_Земли,

A_Солнца ≈ 300 000 A_Земли.

Глядя на эти три величины, характеризующие Землю, Юпитер и Солнце, естественно было спросить, какие различия небесных тел ведут к различиям их констант A. Из явных различий в размере, в количестве вещества (массе) и в состоянии светимости легче всего предположить, что величина A пропорциональна массе небесного тела M: A = GM с неким коэффициентом G (который тоже можно грубо оценить, считая среднюю плотность Земли близкой к плотности ее твердых пород).

В результате Галилей получил бы общую зависимость сразу для всех трех небесных тех – Земли, Юпитера и Солнца:

g (R) = GM/R ²,

и здесь константа G – не простая, а фундаментальная, поскольку одинакова для Земли, Юпитера и Солнца и, судя по этому, для любого другого тела.

Это и есть общий закон свободного падения, открыть который вполне мог Галилей на его уровне знаний и умений.

Новый закон уже намекает на гравитацию Ньютона, до которой оставалось более полувека. Но для Галилея всего важнее было бы оправдание его веры в физическое единство мира – и мира подлунного, и мира надлунного. Он понял бы, что причина падения тел на Земле и причина, определяющая орбиты планет, – одна и та же. А поскольку причину падения естественно называть притяжением (к Земле), то так можно назвать и планетную силу. Мысленный спутник Земли помог бы Галилею увидеть, что свободное падение и движение планет – явления глубоко родственные.

Так он понял бы, что слова Кеплера о планетно‑солнечных притяжениях не столь и ребяческие. Никакой солнечной силы, движущей планетами, конечно, нет, но притяжение есть и подчиняется вполне определенному закону. Более того, из этого закона следует и (третий) закон Кеплера, связывающий время, за которое планета проходит свою орбиту, с ее радиусом (T² ~ R³). Значит, из закона свободного падения, установленного в земных физических опытах, следует астрономический закон, полученный Кеплером в результате многолетнего анализа множества астрономических наблюдений. Следует пока лишь для круговых орбит. Но если ускорение свободного падения известно в каждой точке пространства вокруг большого небесного тела, то можно и ставить задачу о том, как изменится круговая орбита спутника, если его толкнуть. Труднее, конечно, было заподозрить и тем более доказать, что при этом окружность превратится в эллипс. Но зато теперь Галилей мог уже принять подсказку первого закона Кеплера – об эллиптичности планетных орбит, к великой радости автора и к успокоению историков, ломающих головы над молчанием Галилея по поводу законов Кеплера.

Имея в своем распоряжении мысленный спутник, Галилей вряд ли бы остановился на достигнутом, а понял бы также, что законы Кеплера… лишь приближенные. Запуская мысленный спутник на разных расстояниях от Земли, легко дойти до места посередине между Землей и Марсом. А тогда возникнет вопрос: мы запускаем спутник Земли или Марса? Владея понятием составного движения, Галилей “сложил” бы оба ускорения свободного падения с учетом разных направлений (нынешними словами – векторно) и получил бы суммарное движение, совсем не похожее на эллипс. Отсюда следовало бы, что законы Кеплера – приближенные, они тем точнее, чем дальше находятся все массивные тела от одного, “центрального”. И возникла бы общая задача о движении “спутника” вблизи нескольких массивных тел. Все это вело к представлению о всеобщем – “всемирном” – притяжении. Но оно уже было бы основано не на словах полуастрологического происхождения, как у Кеплера, а на физическом исследовании свободного падения вблизи поверхности Земли.

Кроме прочего, в итоге Галилей убедился бы, что был прав, взяв фундаментальной моделью планетного движения не эллипс Кеплера, а круговую орбиту. Только это простое движение позволило нам – вместе с Галилеем или вместо него – пройти путь от закона свободного падения до закона всеобщего притяжения, откуда уже рукой подать до Ньютоновой физики, если под рукой окажется человек уровня Ньютона.

Почему же Галилей не пошел по этому пути?

Вглядываясь в его многотрудную и многогранную жизнь, можно предположить, что главная причина такой незадачи – его религиозная вера. Будь он атеистом, его бы устроила формула, предложенная ему Папой Римским для спокойной научной работы, – называть свои научные исследования гипотезами. Ироничный Галилей вовсе не был фанатиком. Общественные условности его смешили, но искоренять их – не его забота. Будь он атеистом, он бы вовсе не думал о том, соответствуют ли его “гипотезы” Библии – старой ненаучной книге, которую многие люди почему‑то принимают всерьез. Он бы не тратил время и силы на свои “Диалоги” и “Беседы” с такими людьми, а делал бы чисто научные работы, излагал бы их профессионалам, предохраняя себя парой ритуальных фраз о гипотетичности науки. И тогда не отняли бы у него столько времени и сил преследования Церкви и пожизненное домашне‑тюремное заключение.

Историк науки, однако, – в интересах самой же науки – поостерегся бы советовать Всевышнему лишить Галилея веры в Него. А вдруг, чем черт не шутит, эта вера каким‑то образом помогла Галилею открыть закон свободного падения? Например, тем, что дала ему веру в существование подобного закона, веру, совершенно необходимую для поиска… Но к этому странному вопросу вернемся, подождав, пока Ньютон откроет закон всемирного тяготения, изобретет математические инструменты, с помощью которых выведет из этого физического закона все астрономические законы Кеплера, и создаст первую всеобъемлющую физическую теорию, которую называют классической механикой.

Сделал все это Ньютон на основе трудов Галилея, которые помимо изложения найденных Галилеем научных истин дали новый метод поиска истины. А метод дороже отдельных результатов – с его помощью можно получить и многие другие результаты. Книги Галилея, прочитанные в Европе, сделали для современной науки не меньше, чем его результаты – яркие демонстрации его метода.

Рождение теории гравитации

Вернемся из сослагательной истории в реальную, где закон всемирного тяготения носит имя Ньютона. Это непростая и невеселая история, в которой неустанно обсуждают вопрос, по праву ли этот закон носит его имя. При всей мировой славе сэра Исаака Ньютона, начавшейся при его жизни, ему давно предъявляют моральную претензию в том, что он якобы не поделился славой с Робертом Гуком, выдающимся физиком‑экспериментатором. Тот очень даже претендовал на соавторство, считая, что именно он сообщил Ньютону ключевую гипотезу: притяжение планет к Солнцу, обратно пропорциональное квадрату расстояния, определяет эллиптическую форму орбиты. Сам он это доказать не мог и в 1679 году обратился за помощью к Ньютону, уже славному своей математической мощью.

История надежно подтверждает и это обращение, и тот факт, что лишь после него Ньютон написал свой знаменитый труд “Математические начала натуральной философии”, или просто “Начала”, где изложил и теорию гравитации, и общую теорию движения. Однако Ньютон претензию Гука на соавторство отвергал, указывая, что о притяжении, обратно пропорциональном квадрату расстояния, говорили до Гука, начиная с Буйо, что вообще дело не в словесных гипотезах, а в точных количественных соотношениях, и, наконец, что сам он – Ньютон – открыл закон всемирного тяготения задолго до письма Гука, но об этом не сообщал из‑за неправильного значения радиуса Земли, которое он тогда брал в свои вычисления.

Эти доводы Ньютона не убеждают многих историков, особенно любителей, которые смотрят на фундаментальную физику “сбоку” – со стороны математики или судебной психологии. В приоритетном конфликте Гука с Ньютоном действовали совершенно разные человеческие характеры и чувства, которые трудно оценить однозначно. Очевидны раздражение и досада Ньютона, но что за этим стояло: жадность к славе, личная антипатия или нежелание признать правдой неправду, пусть и “во имя мира”? Отвечая на этот вопрос, обычно меряют на свой аршин, а этот измерительный прибор у каждого действительно свой. Характер Гука, даже по свидетельствам его друзей, был далеко не ангельским. Плодовитый и разносторонний экспериментатор, он предъявлял свои авторские претензии – в самой острой форме – далеко не только Ньютону. И сочувствие к Гуку нередко питается тем, что материально и социально он был гораздо менее благополучен, чем Ньютон.

Вместо того чтобы погружаться в личностные детали этого конфликта, сосредоточимся на его научном драматизме. Оба прежде всего были людьми науки, для каждого наука – дело жизни.

Те, кто оправдывают претензии Гука, опираются на то, что тот поставил перед Ньютоном задачу об эллиптических орбитах, ответ которой знал, но не мог доказать, а Ньютон доказал, проведя необходимые математические выкладки. Поэтому принимающие сторону Гука считают отговорками слова Ньютона о том, что он якобы открыл закон всемирного тяготения еще во время знаменитых чумных каникул 1665–1666 годов, когда из‑за чумы в Лондоне 23‑летний Ньютон уехал на родительскую ферму.

Еще менее серьезно сторонники Гука относятся к знаменитой истории – или легенде? – о падающем яблоке, которое якобы помогло Ньютону в его открытии. Эта история привлекла новое внимание, когда недавно Лондонское Королевское общество опубликовало рукопись одной из самых первых биографий Ньютона, написанную человеком, лично знакомым с ним. Биограф, кроме прочего, рассказал о своем визите к 83‑летнему сэру Исааку в апреле 1726 года. После обеда они вышли в сад:

Мы пили чай в тени яблонь, беседуя на разные темы, когда он мне рассказал, как в точно такой обстановке ему в голову пришла идея гравитации. Он был погружен в размышления, когда увидел падающее яблоко. И подумал: “Почему яблоко всегда падает отвесно вниз, к земле, а не в сторону или вверх? Конечно, причина в том, что Земля притягивает его. В веществе должна быть какая‑то притягивающая сила. А суммарное притяжение вещества Земли должно быть в ее центре. Потому‑то яблоко падает по направлению к центру. И притяжение должно быть пропорционально количеству вещества. Яблоко притягивает Землю так же, как Земля притягивает яблоко”. Значит, сила, подобная той, что мы называем тяжестью, простирается по всей Вселенной. <…>Так родилось поразительное открытие, которое легло в фундамент построенной им науки – к изумлению всей Европы.

Рассказ, написанный четверть века спустя после смерти Ньютона, содержит его прямую речь и мысли, откуда ясно, что рассказчика более заботит литературное качество истории, чем необходимость изложить свои воспоминания как можно точнее. Рассказчик не был ни физиком, ни историком науки, он был археологом и относил себя к “друидам” (жрецам кельтов в древности). Есть все основания принимать его свидетельство лишь условно. Во‑первых, “точно такой” обстановка быть не могла – в апреле яблоки еще не падают. Во‑вторых, вряд ли Ньютон объяснял гуманитарию ход своих астрофизических мыслей. Еще менее вероятно, чтобы нефизик точно воспроизвел их спустя много лет. Скорее, он свои давние воспоминания скрестил с научно‑популярными описаниями достижений Ньютона.

В сухом остатке простое свидетельство: падение яблока каким‑то образом направило мысль Ньютона к идее всемирного тяготения. Надеюсь, я не единственный историк физики, для кого объяснение археолога‑друида не работает: не видна убедительная последовательность мыслей Ньютона, в начале которой “яблоко падает отвесно вниз”, а в конце – великий закон. Поэтому я бы рискнул предположить, что тот счастливый для Ньютона день был ветреный, а ветер – порывистый. Тогда Ньютон мог увидеть, как порыв ветра сорвал яблоко, и оно падало не отвесно вниз, а по законной Галилеевой параболе. Физик‑теоретик вполне мог спросить себя: а как бы оно падало, если бы порыв ветра был сильней, еще сильней, гораздо сильней?.. И этот мысленный вопрос привел бы его к открытию закона всемирного тяготения тем путем, которым в предыдущей главе прошли “мы с Галилеем”.

Для такого предположения есть несколько оснований. Из записных книжек Ньютона, относящихся к 1660‑м годам, ясно, что он пришел к зависимости 1/R², рассматривая именно круговые орбиты. О том же говорит его ссылка на неправильное значение радиуса Земли, задержавшее его мысль. И наконец, важнейшее указание содержится в первой версии его главного труда, предшественнице “Начал”. Эту версию Ньютон писал общедоступно, фактически то был научно‑популярный текст. И, подводя к идее всемирного тяготения, он использовал мысленный эксперимент с пушкой, выбрасывающей снаряд в горизонтальном направлении со все большей скоростью, пока снаряд не превратится в спутник Земли. Закончив рукопись, Ньютон, однако, отложил ее, решительно изменил жанр и стал писать лаконичным языком, предназначенным лишь коллегам‑профессионалам. В систематическом изложении, по примеру Евклида, не требовалось объяснять и оправдывать введение новых понятий.

Удивляться надо не тому, что он изменил характер изложения, а тому, что начал с научно‑популярного. Возможно, он брал пример с “Диалогов” Галилея. Но уж очень они с Галилеем различались и характерами, и обстоятельствами жизни. Галилей был общителен, красноречив, рвался в бой, стремился к публикации; Ньютон – молчалив, уединен, избегал открытых конфликтов, замыкал свои рукописи на десятилетия. У Галилея было мало коллег для общения на равных, Ньютон уже входил в научное общество, которое издавало научный журнал. Галилей знал, что за его словами бдительно следит инквизиция, Ньютон жил в условиях академической и изрядной духовной свободы. Так что у Ньютона не было резонов, подобных Галилеевым, чтобы публиковать общедоступное изложение своих идей.

К счастью, его рукопись сохранилась и была издана посмертно под названием “Трактат о Системе Мира”. Первая иллюстрация в этой книге изображает ту самую мысленную пушку:

Возвращаясь к малоприятному конфликту между Гуком и Ньютоном, отделим закон всемирного тяготения от задачи об эллиптической орбите: первое возможно без второго. И тогда легче понять Ньютона и посочувствовать ему. Ведь он пришел к астрономическому закону всемирного тяготения, начав путь от физического явления, вполне исследованного Галилеем, – свободного падения вблизи поверхности Земли. А его побуждали признать ценность фраз Гука, не имеющих четкого физико‑математического смысла. То, что Гук, болезненно ревнивый, выдвигает свои приоритетные претензии направо и налево, – не достаточное основание, чтобы искажать истину. Максимум, что можно сделать, – это промолчать. После приоритетных претензий Гука на оптические результаты Ньютона тот замолчал до смерти Гука, замолчал на четверть века, хотя его исследования свойств света – вторая важнейшая область его достижений. Накопленные результаты Ньютон опубликовал в монографии “Оптика” лишь после смерти Гука, притом несколько раз упомянув его добрым словом. Он бы, возможно, отложил и публикацию своей теории тяготения, но книга эта издавалась по инициативе и на средства его друга и коллеги. Ньютон пошел ему навстречу и упомянул Гука наряду с другими, кто говорил о законе 1/R². Это было правдой, хоть и не обязательной для изложения теории в научном стиле.

Отношение Ньютона к предшественникам, по книгам которых он учился, и к собственным исследованиям видно в его словах из записной книжки: “В науке нет иного правителя, кроме истины… Кеплеру, Галилею, Декарту следует поставить памятники из золота, на каждом написав: “Платон – друг, Аристотель – друг, но главный друг – истина”.

Мировая слава пришла к Ньютону при жизни, что выразил его современник‑поэт с библейской лаконичностью: “Природа и ее законы были скрыты во тьме, когда Бог сказал: “Да будет Ньютон”. И осветилось все”.

Но сам Ньютон видел себя иначе: “Себе я кажусь ребенком, который нашел пару камешков поглаже и ракушек покрасивее на берегу океана нераскрытых истин”.

Это касалось и его главного открытия: “Причину свойств гравитации я до сих пор не мог вывести из явлений…”

Ньютон легко бы понял и принял два уточнения теории гравитации, ждать которых пришлось целый век. Сначала британский физик Кавендиш сумел измерить в лаборатории крошечную силу гравитационного притяжения между двумя телами известных масс. Массы он взял 350 и 1,5 килограмма, а измеренная сила притяжения оказалась равна весу песчинки. Это измерение дало возможность точно определить массу нашей планеты, а значит, как мы видели в предыдущей главе, и массы других небесных тел. И это же измерение позволило определить фундаментальную константу гравитации G в формуле законе F = G mM/R², как только такая запись появилась в начале девятнадцатого века.

Однако вряд ли Ньютон мог предположить, что пройдет еще два столетия, прежде чем физики узнают нечто более глубокое о гравитации. За это время физики расширили применения физики Галилея – Ньютона, не зря называемой ныне классической. Тем труднее было предположить появление новых фундаментальных понятий, сопоставимых по глубине с первыми понятиями современной физики. Метод, изобретенный Галилеем и триумфально примененный Ньютоном, дал новые плоды в руках Дж. Максвелла, М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора и других современных физиков.

Глава 4.   Загадка рождения современной физики

Вопрос Нидэма

Наука в самом общем смысле, как получение знаний о природе, даты и места рождения не имеет. Тысячи лет жила она, соединенная с техникой и другими формами народной мудрости, в самых разных культурах. Однако, если говорить о физике, в семнадцатом веке родилась, можно сказать, новая – современная – наука, и темп развития ее ускорился в сотню раз.

Мало кто сомневается в том, что основатель современной физики – Галилей, хоть он и опирался на законы Архимеда, вдохновлялся открытием Коперника, поддерживался Кеплером, и лишь Ньютон развил его идеи до полного триумфа.

Знатоки спорят, однако, о вопросе Джозефа Нидэма, знаменитого историка китайской науки:

Почему современная наука, с ее математизацией гипотез о природе и с ее ролью в создании передовой техники, возникла лишь на Западе во времена Галилея? Почему она не развилась в Китайской цивилизации (или Индийской), а только в Европе? [Ведь] до пятнадцатого века Китайская цивилизация была намного эффективнее Западной в применении знаний о природе к практическим нуждам человека.

Эйнштейн, отвечая на сходный вопрос, обострил его еще более:

Развитие западной науки основано на двух великих достижениях – на греческом изобретении формально‑логической системы (в геометрии Евклида) и на открытой в эпоху Возрождения возможности находить причинные связи посредством систематических опытов. Меня не удивляет, что китайские мудрецы не сделали этих шагов. Изумляет, что эти открытия были сделаны вообще.

“Чудом науки” Эйнштейн восторгался не раз, но отказался искать ответ, который проверить нельзя. Чудеса новой физики основаны на многократной опытной проверке ее гипотез. История же состоялась единожды, она не воспроизводима – значит, гипотезы о ее причинных связях опытами не проверить.

Подобные доводы не обескураживают размышляющих об истории науки, в которой драма идей переплетается с судьбами людей. Главное событие в развитии науки – рождение идеи, а это, как известно, дело сугубо человеческое, и потому история физики – наука гуманитарная, хоть в ней и говорят о физических измерениях и математических соотношениях.

В гуманитарных делах также возможна определенность, как, например, в правосудии, решающий орган которого – коллегия присяжных, то есть обычные, не искушенные в юриспруденции граждане. Присяжным дано право выслушать доводы и, опираясь на свой здравый смысл, согласиться с предложенным им утверждением или его отвергнуть. Подобную роль может взять на себя вдумчивый читатель.

Вопрос Нидэма прежде всего следует расширить в пространстве и во времени, чтобы говорить не об одном лишь уникальном событии – рождении современной физики. Само слово “физика” появилось в четвертом веке до нашей эры у Аристотеля, а век спустя Архимед открыл первые физические законы, полностью сохранившие смысл доныне, – законы равновесия и плавания. В последующие две тысячи лет, однако, физика изменилась так мало, что в своих книгах Галилей опровергал Аристотеля и восхищался Архимедом. Исследования же самого Галилея и его последователей к концу семнадцатого века оформились в новую физику.

Новую науку приняли: Декарт во Франции, Гюйгенс в Голландии, Ньютон в Англии, Лейбниц в Германии, Ломоносов в России, но за пределы Европы Галилеева наука почему‑то не проникала, хотя в шестнадцатом веке Китай, Индия и мир Ислама не уступали Европе по уровню развития. В Европе освоили технологию производства бумаги, пришедшую из Китая и ставшую предпосылкой книгопечатания. Приняли также десятичную систему счисления, принесенную из Индии, у арабов позаимствовали “алгебру” и пр.

Учитывая приведенные факты, расширим вопрос Нидэма:

Чего не хватало античной науке, чтобы сделать следующий после Архимеда шаг, и почему после рождения современной физики неевропейские цивилизации не участвовали в ее развитии по меньшей мере три столетия?

Историки пытались связать рождение новой науки то с запросами капитализма, то с Реформацией, якобы освятившей реальный земной опыт. Наперекор этому возникла идея о том, что главной силой Научной Революции стала “математизация природы”, а вовсе не опыты сами по себе. Пытались понять, с чего началось сотрудничество практиков и теоретиков, сравнивая Европу с другими цивилизациями. В таком сравнении Нидэм и пришел к своему вопросу.

Само разнообразие типов объяснений свидетельствует об их неубедительности. Беря за основу некую черту исторической реальности, не учитывали другие факторы. Первые достижения новой физики – в небесной механике – не имели выхода в экономику. Необходимость соединить опыт с математикой Роджер Бэкон провозгласил еще в тринадцатом веке, а по сути, без философских деклараций, их соединил уже Архимед, совмещавший три профессии: математик, инженер‑изобретатель и физик. Среди основателей новой науки были и католики, и протестанты. И наконец, в Китае, без капитализма, теоретики успешно сотрудничали с “технарями”, а физика не возникла.

Ответ на вопрос Нидэма должен объяснить, чем характерно время рождения новой науки, что объединяло страны, в которых она легко прижилась, какие силы способствовали ее рождению и развитию.

Первый же взгляд на культурное пространство новой науки обнаруживает, что пространство это было христианским. Христианство, однако, возникло за 16 веков до того и успело разделиться на три непримиримые конфессии. Да и каким образом религия могла бы пробудить физику после многовековой дремы?!

Физика современная и физика фундаментальная

Прежде всего выясним суть новой физики, отличавшую ее от физики предыдущей. Ведь опыты и математика Галилея не выходили за пределы возможностей Архимеда, которого Галилей не зря называл “божественнейшим”. В чем Галилей вышел за эти пределы, помогает увидеть Эйнштейн, изобразивший свое понимание физики схемой:

Здесь аксиомы A – основные понятия и законы теории – “свободные изобретения человеческого духа, не выводимые логически из эмпирических данных”. Аксиомы эти изобретает интуиция, взлетающая (дугообразной стрелой), оттолкнувшись от почвы эмпирики Э. Из аксиом логически выводят конкретные утверждения У: их приземляют (пунктирными стрелками), сопоставляя с данными наблюдений Э.

Аксиомы изобретают гораздо реже, чем применяют уже известные для объяснения новых явлений, но поразительные успехи современной физики достигнуты именно методом, изображенным Эйнштейном. А изобрел этот метод Галилей, открыв, можно сказать, способ изобретения новых понятий.

Этот метод предполагает, что:

1. Природа основана на глубинных, вовсе не очевидных, законах.

2. Человек способен постичь устройство Природы, свободно изобретая понятия и проверяя их опытами.

Назовем эти предположения двойным постулатом фундаментальной науки, поскольку они означают веру в то, что природа – стройное мироздание, стоящее на некоем невидимом – “подземном” – фундаменте и, тем не менее, доступное познанию. Невооруженный глаз видит лишь “надземные” этажи, но физики стремятся понять архитектурный план, начиная с фундамента, очам не видного. Природе задают вопросы в виде измерительных опытов. Измерения дают четкие ответы, позволяя подтвердить или опровергнуть математически выраженную теорию. Потому и необходим комплект из двух инструментов – опыта и математики. Но требуется и нечто большее – то, что Эйнштейн назвал “отважнейшими измышлениями, способными связать эмпирические данные”.

Главное, фундаментальные понятия вовсе не обязаны быть очевидными – эти “свободные изобретения человеческого духа” оправдываются или отвергаются в процессе познания. “Понятия нельзя вывести из опыта логически безупречным образом”, “не согрешив против логики, обычно никуда и не придешь”, – писал Эйнштейн, подразумевая логику предыдущей теории. Но, совершая первый шаг – первый взлет интуиции, другой логики физик еще и не имеет.

Плодотворность неочевидных идей в познании Вселенной обнаружил Коперник, получив убедительные следствия из абсурдного для того времени представления о движении Земли. Успех Коперника помог Галилею изобрести метод познания, следуя которому физик волен изобретать сколь угодно неочевидные – “воображаемые” – понятия, отталкиваясь от наблюдений, если затем соединит творческий взлет разума с надежным приземлением.

Именно таким образом Галилей открыл закон свободного падения – первый фундаментальный закон, согласно которому в пустоте движение любого тела не зависит от того, из чего оно состоит. Неочевидное и “нелогичное” понятие, которое ему понадобилось, – “пустота”, точнее – “движение в пустоте”. И понятие это он ввел вопреки величайшему тогда авторитету Аристотеля, доказавшего логически, как считалось, что пустота, то есть ничто, реально не существует. Галилей не воспринимал пустоту органами чувств, не проводил опытов в пустоте. Он мог лишь сопоставить эксперименты с движениями в воде и в воздухе, и это стало взлетной полосой для его изобретательного разума. Так он пришел к понятию “невидимой” пустоты, что помогло ему открыть закон инерции, принцип относительности и, наконец, закон свободного падения. Тем самым он показал, как работает изобретенный им метод.

На схеме Эйнштейна отличие физики Галилея от физики Архимеда – стрела изобретательной интуиции, взлетающая вверх. Все физические понятия Архимеда наглядны: форма тела, плотность вещества и плотность жидкости. И этого хватило для создания теории плавания – малыми шагами, последовательно. Подобным же образом Птолемей составил геоцентрическую теорию планетных движений. Не любую теорию, однако, можно создать, ограничиваясь лишь наглядными понятиями и малыми шагами.

Коперник, совершив идейный взлет, решил исследовать, как выглядят планетные движения, если на них смотреть с “солнечной точки зрения”. А взлет Кеплера – предположение о том, что траектории планет описываются не разными комбинациям круговых циклов и эпициклов, а неким единым образом. И Коперник, и Кеплер, фактически принимая постулат фундаментальной науки, изучали по сути лишь один объект – Солнечную систему. Они опирались лишь на астрономические, “пассивные”, наблюдения, а главным их теоретическим инструментом была математика. Их можно назвать фундаментальными астроматематиками.

Галилей применил изобретательную свободу познания в мире явлений земных, где возможны активные систематические опыты. Он верил в то, что оба мира – подлунный и надлунный – подвластны единым законам. Обнаружив в земных явлениях фундаментальность закона инерции, он считал его действующим и для астрономических явлений. И стал первым современным физиком (и астрофизиком).

С тех пор так работает физика переднего края, которую можно назвать Галилеевой. Оставшуюся часть физики можно назвать Архимедовой: здесь к понятиям наглядно‑очевидным добавляются фундаментальные понятия, уже проверенные и ставшие привычными. Следующие, после Галилеевой “пустоты”, неочевидные понятия – всемирное тяготение, электромагнитное поле, кванты энергии, фотоны, пространство‑время и пр. Чтобы ввести в науку “новое слово”, нередко необходимо отказаться от привычных старых (от эфира, например), что бывает даже труднее.

Метод Галилея стал главным двигателем науки, давая новые понятия и законы природы. Начинал же Галилей с веры в фундаментальную закономерность природы и в способность человека к познанию.

Источник веры в фундаментальную закономерность

Размышляя о научном познании, Эйнштейн заметил: “Невозможно построить дом или мост без использования лесов, не являющихся частью самой конструкции”. Какие же леса помогали строителям новой науки?

О современнике Галилея – Кеплере – Эйнштейн писал, что тот

жил в эпоху, когда власть закона в природе отнюдь не была общепризнанной. А его вера в единообразный закон была столь велика, что дала ему сил на десять лет терпеливого труда – эмпирически исследовать движения планет, чтобы найти их математические законы.

Все основатели новой науки разделяли такую веру в фундаментальную закономерность природы. Вера и знание сотрудничают в науке: вера определяет начало и энергию исследования, а знание – его итог. В чем источник этой веры?

Неожиданную подсказку обнаружил историк‑марксист (и, разумеется, атеист) Э. Цильзель, исследуя происхождение выражения “закон природы”. Оказалось, что выражение это возникло лишь в семнадцатом веке и притом благодаря библейскому мировосприятию. Слово “закон” до того имело лишь юридический смысл.

В своих книгах Галилей вместо этого слова писал “ragione” (соотношение) или “principio” (принцип). В его теологических письмах, однако, началось превращение:^[2]

И Библия и Природа исходят от Бога. Библия продиктована Им, а Природа лишь исполняет Его веления.

Библия, убеждая в истинах, необходимых для спасения, нередко использует иносказания, понятные даже людям необразованным. А прямое значение слов было бы богохульством, когда, например, говорится о руках и глазах Бога, о Его гневе и сожалении, о Его забывчивости и незнании будущего. Природа же, никогда не нарушая законов, установленных для нее Богом, вовсе не заботится о том, доступны ли человеческому восприятию ее скрытые причины и способы действия. Бог наделил нас органами чувств, языком и разумом, чтобы мы сами могли познавать устройство Природы. Поэтому, когда мы узнаем нечто о природных явлениях, опираясь на опыт и надежные доказательства, это знание не следует подвергать сомнению на основе фраз из Библии, которые кажутся имеющими иной смысл. Особенно это относится к явлениям, о которых там лишь несколько слов. Ведь в Библии не упомянуты даже все планеты.

Галилей тут фактически изложил постулат фундаментальной науки: нерушимые законы управляют скрытыми причинами в Природе, а человек способен их понять.

К концу семнадцатого века Галилеевы “законы, установленные Богом для природы”, превратились просто в “законы природы” – благодаря Декарту и Ньютону, глубоко религиозным и очень авторитетным людям науки. Для атеиста Цильзеля выражение “закон природы” – это лишь “метафора библейского происхождения”, но для религиозных основателей новой науки это было метафорой не более, чем другие описания Бога. Выражение “закон природы” вошло в общий язык верующих и неверующих, а к двадцатому веку забылось и то, что оно существовало не всегда, и его библейское происхождение.

Не так важна история словосочетания “закон природы”, как роль библейского мировосприятия в мышлении основателей новой науки. Связь двух видов веры в их сознании помогает увидеть зависимость постулата фундаментальный науки от постулатов Библии о Творце‑Законодателе и о человеке, созданном как Его подобие.

Вернемся к вопросу Нидэма. Что общего у стран, где новая наука приживалась легко? Сравнивать, впрочем, следует не страны в целом – разные по истории и уровню развития, – а людей, идущих в науку, то есть, очевидно, людей читающих. К семнадцатому веку наиболее читаемой книгой христианской Европы была Библия, доступность которой резко выросла благодаря изобретению книгопечати в пятнадцатом веке, и Реформации в шестнадцатом.

Буквально все основатели новой науки были верующими. Коперник имел духовное звание, Галилей и Кеплер в юности хотели стать священниками, а Ньютон о Библии написал больше, чем о физике. В своих научных исследованиях они, по выражению Кеплера, видели служение Богу. А в религии мыслили так же свободно, как и в науке. Причем в науке истину они искали, опираясь на книгу Природы, а в религии опирались на Библию, полагая, что у обеих книг один Автор.

Конечно, и в семнадцатом веке, когда возникала современная физика, были атеисты. Атеизм “жил и работал” еще во времена Архимеда – у Эпикура и его последователей. Открытым атеистом был коллега и друг Ньютона – астроном Э. Хэли (Галлей). Однако среди основателей новой физики атеистов не было. Чтобы это объяснить, выделим на схеме Эйнштейна три рода задач: изобретение новых понятий и аксиом Э=>A, вывод из аксиом проверяемых утверждений A=>У, эмпирическая проверка этих утверждений У=>Э. Изобретению новых фундаментальных понятий способствуют интуиция и вера, присущие религиозному мировосприятию. А для последних двух задач требуется изобретательное конструирование из уже известных теоретических и материальных элементов, и религиозность этому не помогает, а то и мешает, “отвлекая от дела”. Так что физикам‑атеистам – таким как Людвиг Больцман, Поль Дирак, Лев Ландау, Стивен Вайнберг – работы хватает.

Все три звена эйнштейновской схемы необходимы, чтобы замкнуть цикл познания. Но начать следующий виток спирали науки способен лишь новый взлет изобретательной интуиции, основанной на вере. В начале же первого цикла, при рождении современной физики, роль новых понятий была особенно велика, и, соответственно, определяющей стала роль верующих физиков. Это объяснение охватывает и следующих изобретателей фундаментальных понятий – Максвелла, Планка и Эйнштейна, которые тоже не были атеистами.

Кредо Эйнштейна: “Господь изощрен, но не злонамерен”. Друга его, атеиста М. Соловина, беспокоило, что в подобных шутках слишком большая доля религии. Эйнштейн пояснял, что “не нашел лучшего слова, чем “религиозная”, для уверенности в рациональном характере реальности, доступной человеческому уму, а там, где это чувство отсутствует, наука вырождается в бескрылый эмпиризм”. И добавил:

Ты находишь странным, что я говорю о познаваемости мира как о чуде или как о вечной тайне. Но ведь следовало бы ожидать мира хаотического, который мы могли бы упорядочить лишь подобно алфавитному порядку слов. Совершенно иной порядок проявился, например, в теории гравитации Ньютона. Он придумал аксиомы этой теории, но сам ее успех означает высокую упорядоченность объективного мира, ожидать чего заранее нельзя. В этом и состоит “чудо”, которое лишь усиливается при расширении наших знаний.

Так Эйнштейн выразил основной постулат фундаментальной науки… и библейское представление об отеческом отношении Творца к венцу своего творения, о чем за три века до Эйнштейна писал Галилей.

Постулаты и предрассудки Библейской цивилизации

Эйнштейну легко было верить в существование фундаментальных законов – многие уже были открыть. В шестнадцатом веке не знали еще ни одного. Поэтому основатели новой физики нуждались в поддержке, которую получили от своих религиозных предрассудков. Их пред‑физику можно назвать и более возвышенно: скажем, метафизикой или постулатом, но слово “предрассудок” точнее выражает суть дела. Речь идет об исходной позиции исследователя, пред‑шествующей научным исследованиям его рассудка. Слово “предрассудок” в таком нейтральном смысле будем писать через дефис: “пред‑рассудок”.

Постулат – утверждение, принимаемое без доказательства. Евклид предложил набор постулатов, чтобы из набора этого следовали все остальные утверждения геометрии. Пример постулата: через две точки можно провести лишь одну прямую линию. Представив себе прямую в виде натянутой нити, утверждение это легко принять на основе собственного жизненного опыта.

Другой постулат не столь очевиден: на плоскости через точку вне данной прямой можно провести одну, и только одну, прямую, не пересекающуюся с первой. Веками математики пытались доказать этот постулат, сведя его к очевидным. Лобачевский понял, что это невозможно, когда заменил постулат его отрицанием и получил систему утверждений, логически безупречную. Подобные системы описывают геометрии не на плоскости, а на искривленной поверхности. Так что в математике неэквивалентные наборы постулатов определяют разные геометрические миры.

Совсем иной характер имеет постулат о фундаментальном устройстве реального мира и о его познаваемости. Он не следует логически из научных знаний или из житейского опыта. А чтобы постулат этот был крепкой опорой, в него нужно “свято” верить. Таким образом, речь идет о научном пред‑рассудке, который для основателей новой науки следовал из их религиозных представлений. Пред‑рассудки очевидны лишь для их носителя, поскольку усвоены незаметно, обычно в юном возрасте, из культурного окружения, подобно тому, как усваивают родной язык.

Взаимосвязь пред‑рассудков религиозных и научных обнаружили миссионеры, которые принесли в Китай и Библию, и европейскую науку, а в 1737 году писали в своем отчете:

Мы объясняем китайцам, что Бог, создавший Вселенную из ничего, управляет ею посредством всеобщих законов, достойных Его бесконечной мудрости, и что все творения подчиняются этим законам изумительно точно. Китайцы отвечают, что эти высокопарные слова не несут им никакого смысла. Законом они называют порядок, установленный законодателем, имеющим власть предписывать законы тем, кто способны их исполнять, а значит, способны их понимать. Считать же, что Бог установил всеобщие законы, означает, что животные, растения и вообще все тела знают эти законы и, следовательно, наделены пониманием. А это, говорят китайцы, абсурдно.

Абсурдно для тех, кто не верит в Создателя‑Законодателя Вселенной. А без понятия “всеобщих законов” фундаментальная наука невозможна.

Когда в Китае составляли процитированный отчет, в России, на 12‑м году существования ее Академии наук, 25‑летний Михаил Ломоносов усердно осваивал европейскую ученость. Этот сын рыбака с дальнего Севера на пути к науке преодолел множество препятствий, но “китайского” барьера среди них не было. В России, при всех ее отличиях от Западной Европы, в науку точно так же шли люди из просвещенного, читающего меньшинства, которое опиралось на те же библейские пред‑рассудки, что и просвещенное меньшинство в Западной Европе. Библия для Ломоносова была книгой столь же важной, как для Галилея и Ньютона, так же укрепляла его веру в закономерность мира и помогала критически воспринимать земные авторитеты, провозглашая высший авторитет Создателя‑Законодателя Вселенной.

Влияние Библии началось, разумеется, задолго до шестнадцатого века, но резко усилилось, когда изобретение книгопечати позволило осуществить принцип Реформации Sola Scripture (только Писание), провозгласивший Библию единственным источником вероучения. Отсюда вытекала необходимость ее перевода на разговорные языки. Чтобы противостоять протестантам, появились и католические переводы Библии. А религиозные дебаты о смысле библейского текста побуждали верующих читать древнюю книгу. Это могло помочь развитию науки, например, таким образом.

Примем, что врожденные способности к исследованию (любознательность, интеллект, воображение, целеустремленность) встречаются в разных культурах одинаково часто, точнее – одинаково редко. Пред‑рассудки данной культуры, однако, помогают или мешают выявлению таких людей. Библейские постулаты о незримом Творце‑Законодателе, создавшем мир для человека, заражали познавательным оптимизмом.

Книгопечатание содействует развитию науки и другими путями – повышая уровень грамотности и распространяя научные знания, но определяющим было не это, типографии ни в Китае, ни в мире Ислама науке не помогли.

После того как физика Галилея – Ньютона оправдалась триумфально, верить в фундаментальное устройство мира и в его познаваемость стало возможно и без опоры на Библию. Убеждали сами триумфы. А “самоочевидный” ныне постулат фундаментальной науки вместе с другими установками библейского происхождения образовали инфраструктуру цивилизации, именуемой Западной, или Европейской, или Христианской. Точнее эту цивилизацию назвать Библейской, поскольку именно Библия, растворившись в национальных культурах от Италии до Скандинавии и от Англии до России, стала реальной основой их общности.

Роль Библии в рождении современной науки не более удивительна, чем ее вклад в развитие литературы. Культурный европеец, даже считая себя неверующим, знаком с библейскими сюжетами. Принципы Европейской цивилизации, кажущиеся самоочевидными, имеют библейское происхождение, хоть ныне звучат секулярно. Само представление об общечеловеческих ценностях не было общечеловеческим. Единство людского рода, выраженное в Библии единым происхождением от Адама и Евы, заповедь о еженедельном дне отдыха для “раба и рабыни” наравне с членами семьи, благожелательность к “пришельцам”, равенство людей перед Богом и личная ответственность человека за свои действия – все это в Библейской цивилизации развилось в сегодняшние представления о человеческом достоинстве, о верховенстве закона и о равенстве людей перед ним. Крылатая фраза “Человек!.. Это звучит… гордо!” в пьесе Горького следует за словами: “Человек может верить и не верить… это его дело! Человек – свободен… он за все платит сам: за веру, за неверие, за любовь, за ум – человек за все платит сам, и потому он – свободен!”

На основе библейского мировоззрения сформировался западный секулярный гуманизм. Нынешние атеисты, свободно говоря о своих взглядах, едва ли осознают, что такая их свобода – свобода совести – плод библейской цивилизации. Первыми эту свободу провозгласили люди глубоко религиозные, которые, в стремлении к духовной свободе, переселились за океан. Чтобы гарантировать эту свободу, они впервые отделили Церковь от государства законодательно.

Библейское наследие принадлежит как верующим, так и неверующим, а культурная дистанция между библейским теистом и библейским атеистом много меньше расстояния между различными цивилизациями. Европейские атеисты, не принимающие всерьез религиозных постулатов Библии, несут в себе секулярное следствие этих постулатов – веру в познаваемость Мироздания. Такая вера предшествовала распространению науки Галилея – Ньютона по Европе. А необходимая для новой науки внутренняя свобода роднит глубоко верующих и глубоко неверующих. Пред‑рассудок личной свободы отличает их от непросвещенных “мелко верующих” – признающих лишь то, что можно пощупать, независимо от того, посещают они церковь или нет.

Пред‑рассудок свободы

Гипотеза о том, что ключевой предпосылкой Научной Революции была Библия, отвечает на вопрос Нидэма: библейские тексты объединяют страны, где наука легко укоренилась, а эпоха Научной Революции характеризуется стремительным распространением Библии.

Если так, то современная физика, а вместе с ней и вся современная наука, – результат соединения библейского культурного кода с научно‑философской традицией, идущей из Древней Греции.

Уже греческие философы говорили о неких первичных элементах природы вроде апейрона и атомов. Пифагор, открывший зависимость звука струны от ее длины, провозгласил, что основа мира – числовые соотношения. Платон учил о первичности идеальных форм в понимании материального мира. Отсюда, казалось бы, один шаг до поиска фундаментальных законов Вселенной, но шага этого не сделал никто. Ни за оставшиеся семь веков античной цивилизации, ни и в Золотой век Ислама.

Учение Платона отверг даже его великий ученик Аристотель, которого занимал прежде всего сам реальный мир. Платон подкрепил свои идеи фигурой Демиурга – “божественного мастера”, создавшего реальный мир в соответствии с идеальными формами. Материал, однако, был не идеальным, чем и объяснялись несовершенства мира. Некоторые христианские философы приписали Платону предвидение библейского Бога‑Творца. Едва ли сам Платон согласился бы опознать Демиурга в боге, придуманном народом, не знающим геометрии. Достаточно сопоставить философские диалоги Платона и сказания Библии.

Мировосприятие Галилея основывалось на гораздо более надежных пред‑рассудках, чем мнение какого‑либо философа. Галилей не сомневался: Сотворивший Вселенную, сотворил и исходный материал, создал и человека, наделив его качествами, необходимыми для познания. В своих исследованиях Галилей применял достижения великих греков: и Архимеда, которого почти боготворил, и Аристотеля, с приверженцами которого сражался, но у которого учился дисциплине мышления. Он оттолкнулся от учения Аристотеля, чтобы шагнуть вперед, а значит, оперся и на этого великого грека.

Историк, даже не веря ни в какого бога, но желая понять ход мыслей религиозного физика вроде Галилея и Ньютона, должен понимать, во что именно те верили, в чем состояли их религиозные пред‑рассудки. Уникальный библейский пред‑рассудок, важнейший для исследователя, – взгляд на человека как на венец творения и подобие самого Творца. Первый библейский сюжет, где человек принимает решение сам, – рассказ о Древе познания – учит свободе выбора и ответственности за свой выбор. Стремление к познанию проявилось в самом первом поступке Евы, а значит, стремлением этим ее наделил сам Создатель.

Библейское определение человека (в разных переводах) и первый опыт познания (фрагмент скульптуры в соборе Парижской Богоматери и иллюстрации из “Библии для бедных”, XV в.)

Именно библейский образ человека, божественно свободного, окрылил античную рациональную традицию и привел к рождению новой – современной – науки.

Среди нынешних физиков есть и верующие и неверующие, в США их примерно поровну. Более детальную картину дал опрос британского журнала “Physics World”. Пятая часть его читателей считают себя атеистами и уверены, что религия несовместима с наукой. Более половины считают, что религия и наука мирно сосуществуют, имея дело с разными сторонами реальности, и эти миролюбивые физики назвали себя верующими и неверующими примерно поровну. И, наконец, еще одна пятая часть, называя себя верующими, утверждают, что вера обогащает их восприятие науки.

Тем, кто думает, что религия несовместима с наукой, стоит иметь в виду мнения двух физиков, не считавших себя рабами Божьими.

Советский физик Сергей Вавилов серьезно занимался историей науки, в частности, переводил Ньютона и написал его биографию. И вот что он записал в дневнике: “…ХХ век. Прошли и Галилей и Ньютон и Ломоносов. Такие вещи возможны только на религиозной почве. Естествознание?!” При этом сам Вавилов религиозную веру давно утратил, о чем писал в дневнике, но, внимательно читая Галилея, Ньютона и Ломоносова, видел, что из истории их высших достижений религию не изъять.

Так думал и Эйнштейн: “Наши моральные наклонности и вкусы, наше чувство прекрасного и религиозные инстинкты помогают нашей мыслительной способности прийти к ее наивысшим достижениям”.

Где место гуманитарных сил среди измерений и формул? Вспомним эйнштейновскую схему, в которой стрела интуиции взлетает вверх, а пунктирные стрелки, тоже с участием интуиции, приземляют высоко парящие мысли. Интуиция как свободное непосредственное усмотрение истины не сводится к логике, не гарантирует подтверждение “усмотренной истины”, но позволяет взлетать и парить на такой высоте, откуда легче разглядеть скрытые связи эмпирических фактов. Подъемную силу при этом могут дать и упомянутые Эйнштейном “религиозные инстинкты”, включая пред‑рассудок свободы. Продвигаются в неведомое, опираясь не только на землю под ногами, но и на воздух под крыльями, чтобы преодолеть непроходимый участок.

Великое изобретение в науке – всегда чудо, то есть нечто непредсказуемое, не вытекающее логически из уже известного, нечто иррациональное. И такая иррациональность – важнейшая сила развития рациональной и реалистической науки.

Если библейский ответ на вопрос Нидэма и на загадку рождения современной физики не кажется читателю убедительным, он свободен искать иной либо же присоединиться к Эйнштейну, считавшему чудо фундаментальной физики необъяснимым:

Позитивисты и профессиональные атеисты горды тем, что не только избавили этот мир от богов, но и “разоблачили все чудеса”. Как ни странно, нам приходится удовлетвориться признанием упомянутого “чуда”, и никакого иного законного выхода нет.

Для физиков в двадцатом веке чудо познаваемости стало еще большим, когда обнаружилось, что чудесная упорядоченность мира, открытая Ньютоном в законе всемирного тяготения, оказалась лишь приближенной. Эйнштейн, перестроив фундамент, создал новую теорию тяготения – глубоко родственную прежней, хоть внешне на нее и не похожую, а, главное, точнее соответствующую опыту. В двадцатом веке физика пережила еще несколько подобных перестроек и ожидает следующую.

Успешность таких перестроек фундамента означает, что Вселенная устроена весьма дружелюбно по отношению к человеку. Она устроена проще, чем радиоприемник. Попади он в руки Ньютону, тот ничего не понял бы в его устройстве, даже приближенно, до появления электродинамики. А в устройстве Вселенной очень важные закономерности удалось понять уже в семнадцатом веке с помощью простых экспериментов и простой математики – очень простых по сравнению с веком двадцатым.

Как понимать такую дружелюбность Вселенной, зависит от мировосприятия человека. Библейский теист увидит в этом подтверждение любви Создателя Вселенной к своему главному творению – Человеку. Атеист может принять на веру так называемый антропный принцип, согласно которому Вселенная такова, как она есть, потому что в иначе устроенной Вселенной человек не мог бы появиться. Остается и подход Эйнштейна: просто признать чудом познаваемость мира, в котором мы живем, и участвовать в его познании.

Глава 5. Первая и единая теория поля

Атомы, физика и этика

Вглубь микромира и во всю ширь Вселенной

Что было в самом начале?

“Великий фундаментальный закон прогресса”?

От силовых линий Фарадея до поля Максвелла

Глобальное электромагнитное объединение

Глава 6. Начало квантовой эпохи

Профессор, не желавший делать открытия

Фотоэффектная роль h

Атом, который понял Бор

Драма квантовых идей

Новая вероятность

Глава 7. Пространство‑Время Эйнштейна

Что = Где + Когда

Принцип относительности и поиск абсолютного

Теория относительности или закон всемирного тяготения?

Гравитация – геометрия пространства‑времени

Как приходит мирская слава

Глава 8. Открытие Вселенной

Александр Фридман: “Вселенная не стоит на месте”

Закон красного смещения

Жорж Леметр, астрофизик в сутане

Расширяется Вселенная или стареют фотоны?

Три фундаментальные константы c, G и h

Звуки физики Джаз‑банда

Глава 9. Как не состоялась ch‑революция и родилась cGh‑проблема

Квантовая гравитация во Вселенной 1916 года

В ожидании ch‑революции

Альфа, бета, Гамов и “Новый кризис теории квант”

ch‑контрреволюция

Матвей Бронштейн и проблема cGh‑теории

Критерии правильной теории и квантовые границы гравитации

Галилей, 1937

Глава 10. Физики в горячей Вселенной

“Работа в области теории взрыва”

Георгий Гамов – прадед водородной бомбы

Незаконное рождение Горячей Вселенной

Подарок судьбы Андрея Сахарова

Симметрии асимметричной Вселенной

Три условия для ранней Вселенной

Гравитация как упругость вакуума

“Мировая наука и мировая политика” в 1967 году

Теоретик‑изобретатель

Послесловие.   Три вопроса о прошлом и будущем

13,7?

В наше время культурный человек, претендующий на знакомство с наукой, должен знать число 13,7. Иначе сайт Общественного радио США, посвященный науке и культуре, не сделал бы это число своим названием: www.npr.org/13.7/ (русская десятичная запятая переводится английской точкой).

Впервые увидев это название, хочется проверить, действительно ли научно‑культурные люди сразу поймут, что это – возраст Вселенной, выраженный в миллиардах лет. Проверить это в наше время легче всего, прогуглив “13.7”. И получив почти четыре миллиона подтверждений плюс сотню тысяч уточнений:

“13.7 billion years” результатов примерно 3 920 000

“13.72 billion years” результатов примерно 113 000

Легко представить себе фаната науки, который, видя уточнение даты важнейшего события в истории Вселенной, ожидает, что вскоре наука выяснит эту дату вплоть до дня, чтобы затем отмечать день рождения Вселенной (только бы не 29 февраля). Долю таких фанатов среди просто научно‑культурных людей оценим, разделив одно число результатов на другое. Получим, что доля эта – примерно один из тридцати человек, точнее, согласно моему калькулятору, один из 34,69026548672566.

Если читатель, не проверяя, заподозрит неладное в этой сверхточной оценке, значит, у него с научной культурой все в порядке. Действительно, из чисел, округленных до процента, не получишь результат с большей точностью. А если калькулятор получил, то лишь потому, что не умел проводить приближенные вычисления, фактически предполагая, что числа в него закладывают абсолютно точные.

Тот калькулятор, который впервые получил число 13,7, тоже не знал всех предпосылок своих арифметических действий. Предпосылки эти описаны в научных статьях и книгах. Их авторы, как обычно в науке, различаются во мнениях о точности исходных измерений – своих и чужих – и о роли других, более хитрых, предпосылок, но, уверен, сходятся в том, что уточнение величины “13,7” для науки не имеет особого значения. Знания о Вселенной, добытые с помощью космических и земных приборов, вовсе не сводятся к одному числу. Если какая‑то предпосылка изменится и вместо 13,7 появится, скажем, 17,3, наука это легко переживет. Вот если появится величина, существенно меньшая, чем 13,7, – скажем, 7,13, то возникнет проблема. Дело в том, что известны звездные скопления, возраст которых больше 11 миллиардов лет.

Все это объясняется на сайте Космического агентства США (NASA), спутники которого собрали основные наблюдательные данные о Вселенной. Там же сказано, что нынешняя точность определения числа 13,7 составляет от 1 до 2 %, в зависимости от предпосылок. Отсюда следует, что говорить о величине 13,72, то есть о точности 0,1 %, и не научно, и не культурно.

А вот обсудить смысл понятия “возраст Вселенной” стоит. Определяют эту величину примерно так, как криминалист определяет, откуда стрелял пистолет, изучая отверстие в стене и пулю. Зная марку пистолета и, стало быть, начальную скорость пули, он рассчитает ее траекторию. Криминалисту гораздо труднее, если пистолет – уникальный, ручной работы, или если пуля вообще вылетела не из пистолета, а была, скажем, последней ступенью маленькой ракеты.

Аналогично астрофизик, измерив нынешнюю скорость расширения Вселенной, то есть скорость разлета галактик, пытается выяснить, когда расширение началось – когда произошел “выстрел”, названный Большим взрывом. Роль пистолета выполняет уравнение гравитации Эйнштейна, которое описывает разлет галактик, если известны все формы вещества и энергии, заполняющие пространство. На сегодняшний день астрофизики имеют представление о веществе, составляющем, как считается, лишь около 5 % всей начинки Вселенной. Остальные 95 %, так называемые “темная материя” и “темная энергия”, – дело темное. Сама же теория гравитации Эйнштейна, хорошо проверенная в масштабах Солнечной системы, предполагается применимой и в масштабах, в миллиарды раз больших.

Уже отсюда ясно, что за числом 13,7 кроются многие предпосылки. В одних астрофизики уверены на 99 %, в других меньше, о третьих спорят на конференциях. Так почему же число 13,7 (с точностью до процента!) вошло в сознание научно‑культурной публики? Это случилось не так давно.

Оценки “возраста Вселенной” утряслись к ныне принятой величине еще в 1960‑е годы, однако в публичную культуру научное число 13,7 вошло много позже благодаря С. Хокингу, автору самых популярных в истории физики книг, в одной из которых читаем:

При наблюдаемом количестве вещества во Вселенной решения уравнения Эйнштейна имеют одно очень важное общее свойство: некогда в прошлом (около 13,7 миллиарда лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. Другими словами, вся Вселенная была сжата в одну точку нулевого размера, в сферу нулевого радиуса. В тот момент плотность Вселенной и кривизна пространства‑времени были бесконечны. Этот момент мы называем Большим взрывом.

Величина 13,7 здесь выглядит вполне научно‑культурно, но ее объяснение, как сказал бы Ландау, – “обман трудящихся”. Во‑первых, “точка нулевого размера” – понятие чисто математическое, а не физическое. А во‑вторых, и в самых главных, вместо исчезающе малой точки следовало бы поставить огромный вопросительный знак. Дело в том, что теория гравитации Эйнштейна, как обнаружил он сам еще в 1916 году, нуждается в квантовой доработке. Поэтому для физика и “решение уравнения Эйнштейна” осмысленно лишь тогда, когда имеет смысл само уравнение.

Квантовые границы нынешней теории гравитации и “обессмысливают” слова Хокинга о начальной точке. Уходя во все более давнее прошлое Вселенной, ее плотность, прежде чем стать формально бесконечной, приблизится к пограничной величине

Ρ_cGh = c⁵/G²h ≈ 10⁹⁴ г/см³.

Дальше необходима теория квантовой гравитации, или cGh‑теория. В физике пока нет понятий, с помощью которых можно говорить о явлениях за этой границей. И значит, слова о “Вселенной, сжатой в точку нулевого размера”, и о моменте времени этого нулевого события – слова пустые. Речь должна идти не о точке, а о вопросительном знаке, поставленном в 1936 году Матвеем Бронштейном, который предсказал необходимость “отказа от обычных представлений о пространстве и времени и замены их какими‑то гораздо более глубокими и лишенными наглядности понятиями”. Если за cGh‑границей не работает понятие времени, то нет и смысла говорить о моментах времени “за‑граничного”.

На языке нынешней физики можно говорить о моменте, когда излучение в расширяющейся и остывающей Вселенной расцепилось с веществом и стало реликтовым. Можно говорить о более раннем времени, когда еще сцепленное с веществом излучение остыло настолько, что средней энергии фотона уже не хватало на образование пары барион‑антибарион, то есть о моменте, когда закончилось накопление барионной асимметрии. Можно говорить о времени, прошедшем с тех пор до наших дней, близком к 13,7 миллиардам лет. Однако в физике нет пока слов, чтобы описать самый первый момент в истории Вселенной – ее “рождение”. Поэтому начало отсчета времени – там, где “до н. э.” становится “н. э.”, – можно связать с любым событием, кроме “рождения Вселенной”, о котором науке ничего не известно.

Говорить же о “рождении Вселенной” на языке научно‑популярном лучше всего, объясняя смысл самого выражения. Тогда не случился бы казус популярно‑музыкальный и поучительный для научно‑культурной публики. Несколько лет назад юная британская певица спела такую песенку:

There are nine million bicycles in Beijing

That’s a fact,

It’s a thing we can’t deny

Like the fact that I will love you till I die.

We are twelve billion light years from the edge,

That’s a guess,

No one can ever say it’s true

But I know that I will always be with you.

В Пекине 9 миллионов велосипедов,

это – факт, который мы не можем отрицать,

как и тот факт, что я буду любить тебя,

пока не умру.

Мы – в 12 миллиардах световых лет от края,

это – догадка,

и никто никогда не сможет сказать, так ли это.

Но я знаю, что с тобой я навсегда.

Некий научный слушатель обиделся на непочтительную замену точного числа 13,7 на сомнительную догадку – 12 и выразил свою обиду в газете “Гардиан”. В защиту песни высказались несколько читателей, в том числе и продвинутые в науке. Никто, правда, не сказал о проблеме cGh‑края Вселенной, но и так свобода лирического слова победила.

Будь я читателем “Гардиан”, я бы поддержал британскую певицу яблоком, помня его заслуги перед британской физикой. И сделал бы это примерно так.

Уподобим Вселенную яблоку в июле, когда оно еще растет в размерах. Предыдущие месяцы жизни яблока уподобим миллиардам лет жизни Вселенной, а на поверхности яблока разместим аналог земной цивилизации, соответственно уменьшенной. За века яблочной научной эры – занявшие пять – десять земных секунд – яблоко изменится так же мало, как и наша Вселенная за время от Архимеда до Хокинга. Но все же изменится, хоть тамошним ученым заметить это будет непросто. Сперва тамошний Гаусс решит проверить Евклидову геометрию, измерив углы в реальном треугольнике на поверхности яблока. И с удивлением обнаружит, что, если измерять с высокой точностью, то сумма углов окажется больше 180°! Из такого рода измерений яблочные ученые сделают вывод, что их Вселенная – поверхность яблока – не плоская, а подобна сфере, и вычислят ее радиус. Спустя некоторое время, увеличив точность измерений, физики обнаружат, что радиус этот увеличивается со временем. Теоретики установят закон расширения их Яблочной вселенной, а продолжая этот закон в прошлое, тамошний Хокинг заявит, что когда‑то – пару земных месяцев назад – вся Яблочная вселенная была сжата в одну точку нулевого размера, в сферу нулевого радиуса.

Сумеют ли тамошние физики догадаться, что яблоко начинается не с нулевой точки, а с цветка, внешне совершенно не похожего на яблоко? Для этого им понадобятся гораздо более глубокие понятия, чем обычные поверхностные представления… о яблоке.

В нашей земной цивилизации подобную догадку высказал три четверти века назад Матвей Бронштейн. Но до сих пор физики не придумали, как описать “цветок” квантовой гравитации в физике рождения Вселенной.

“…Квантовая гравитация физически бессмысленна”?

В 2004 году в издательствах Кембриджского и Оксфордского университетов вышли две солидные монографии с одинаковым лаконичным названием “Quantum Gravity”. Монографию обычно пишут, чтобы подытожить исследования, изложенные в многочисленных статьях. В данном случае статей было так много, а проблема столь открыта, что монографии нарисовали весьма разные картины прошлого, настоящего и будущего. В частности, авторы по‑разному восприняли главный вывод Бронштейна: один его попросту не заметил или не понял, а другой сочувственно процитировал, но не объяснил суть доводов о cGh‑неизмеримости.

В том же, 2004 году нерожденная теория квантовой гравитации пережила также покушение на убийство. Совершил его знаменитый физик‑теоретик Фримен Дайсон, предположив, что этот проклятый вопрос современной физики обречен на безответность, потому что “квантовая гравитация физически бессмысленна” и, значит, многолетние поиски следует прекратить, за отсутствием предмета поисков. Свое мнение обосновал он так:

Любая теория квантовой гравитации предполагает частицу “гравитон” – квант гравитации, точно так же как фотон – квант света. Наличие фотонов легко обнаружить, как показал Эйнштейн, по электронам, выбитым с поверхности металла под действием света. Но гравитационное взаимодействие неимоверно слабее электромагнитного, и, чтобы обнаружить гравитон по электрону, выбитому с поверхности металла под действием гравитационных волн, пришлось бы ждать дольше, чем позволяет возраст Вселенной. Но, если отдельные гравитоны невозможно наблюдать в эксперименте, значит, они не имеют никакой физической реальности. Можно считать их несуществующими, подобно эфиру девятнадцатого века. И тогда гравитационное поле, описываемое теорией Эйнштейна, – это чисто классическое поле безо всякого квантового поведения.

В девятнадцатом веке физики верили, что все объекты погружены в эфир, и мучились над вопросом, каким законам подчиняется эта универсальная, но неуловимая среда, в одних отношениях похожая на твердое тело, в других – на сверхразреженный газ. Мучения прекратил Эйнштейн, объяснив неуловимость эфира тем, что ловить попросту нечего и что без эфира можно прекрасно обойтись. Дайсон предложил последовать примеру Эйнштейна и отменить квантовую гравитацию. Есть, однако, важное отличие.

Неуловимый эфир можно назвать пережитком древнегреческой мифологии, в которой этим словом называли верхний – чистый и прозрачный – слой неба на вершине горы Олимп, где обитали греческие боги. Греческие философы разглядели идеально прозрачный эфир в устройстве надлунного мира, а две тысячи лет спустя физики этим словом назвали универсальную среду, в которой распространяется свет и другие электромагнитные взаимодействия.

Гравитон же – это, скорее, “недожиток”. И причину неуловимости гравитона может понять даже школьник, который в “выбивании электронов с поверхности металла под действием света” узнает фотоэффект, давно вошедший в обыденную жизнь. Каждый пассажир метро, входя через турникет, прерывает фотоэффект на секунду‑другую. Потому легко поверить, что обнаружить фотон – секундное дело. Легко также подсчитать, во сколько раз гравитационные силы слабее электрических, если вспомнить школьные законы Кулона и всемирного тяготения: F= e²/r² и F= GmM/r², и взять из школьного учебника величины заряда и масс электрона и протона. В итоге окажется, что электрическая сила больше гравитационной примерно в 10⁴⁰ раз. Так что, если обнаружить фотон – секундное дело, то для обнаружения гравитона надо время масштаба 10⁴⁰ секунд, или 10³³ лет, по сравнению с чем даже возраст Вселенной (~ 10¹⁰ лет) – ничтожная величина.

Это и имел в виду Дайсон, прекрасно понимая, на что поднимает руку. Свое мнение он высказал в рецензии на популярную книгу о теории струн и элегантной Вселенной. За последние десятилетия изданы сотни книг о квантовой гравитации, опубликованы многие тысячи статей тысяч авторов. Не слишком ли много для теории, которой нет? Так, похоже, думает Дайсон. Он издалека следит за странными струнными идеями молодых коллег и кажется им старым чудаком, отставшим от скорого поезда прогресса. Ему самому когда‑то подобными чудаками казались Эйнштейн и Дирак.

Однако физик Дайсон поставил ясный вопрос, зажав гравитон между фотоном и эфиром. А о фотоне он знает больше других, как один из создателей квантовой электродинамики, которой подчиняется каждый фотон. Поскольку никто из физиков не ответил на его критический довод, предложу свой историко‑научный взгляд.

В конце 1940‑х годов, когда Дайсон пришел в науку, уже давней историей были жаркие споры вокруг “релятивистской теории квант”, от которой ожидали революционную перестройку масштаба теории относительности и квантовой механики. Те споры завершились признанием возможности частичного успеха – в квантовой электродинамике. Успех пришел пятнадцать лет спустя, когда, при участии Дайсона, была построена эта на сегодняшний день самая точная из физических теорий. Поэтому и его критический взгляд на квантовую гравитацию, в свете наилучшей теории… света, заслуживает внимания.

Ответить на его критику помогает работа Бронштейна, первым осознавшего глубину проблемы. Естественной кажется аналогия между фотоном и гравитоном, и слова эти рифмуются, и закон Кулона похож на закон всемирного тяготения, однако квантовая электродинамика принципиально отличается от квантовой гравитации. Отличие это подрывает понятие “гравитон” как самостоятельное и равноправное с понятием “фотон”. Коренится отличие в опытном факте, открытом Галилеем и ставшем первым фундаментальным законом современной науки, а три века спустя – основой теории гравитации. Речь идет о законе свободного падения, о равенстве инертной и гравитационной масс и о принципе эквивалентности.

Фотон, или “частица света”, вполне определенным образом соответствует электромагнитной волне, которая точно следует из уравнений электродинамики. А гравитационная волна – лишь приближенное следствие уравнений гравитации. Поэтому гравитон – не столь же органическая часть еще не созданной теории квантовой гравитации, как фотон – часть квантовой электродинамики. Не всякая волна связана с каким‑то квантом: волна на поверхностности моря не связана с “квантом волнения”, который можно было бы назвать частицей “поверхон”.

Главное, Дайсон не объяснил, что делать с двумя принципиальными физическими явлениями – с началом космологического расширения и с завершением коллапса звезды. Какой теории, если не квантовой гравитации, эти явления можно поручить? Необходимость такой теории наступает за cGh‑рубежом, как впервые обнаружил Бронштейн, хоть масштаб cGh‑границ, очень далекий от возможностей нынешних экспериментов, действительно ставит проблему.

Поэтому есть за что поблагодарить Дайсона. Его отважное сомнение подчеркивает исключительность проблемы квантовой гравитации в истории физики и нынешнее ее кризисное положение.

Теоретик же, который, не отвлекаясь на кризисы, готовит очередной текст для публикации, напоминает ученого соседа, к которому пришел за советом сосед неученый. У неученого дохнут куры, и он просит ученую рекомендацию. И получает: сыпать куриный корм в нарисованный на полу зеленый квадрат. Куры, увы, продолжают дохнуть. Тогда ученый предлагает красный круг. И так далее, пока все куры не передохли. “Как жаль! – восклицает ученый сосед. – У меня еще столько вариантов!”

Куры в данном случае – это эйнштейновское “внешнее оправдание”, которого в квантовой гравитации катастрофически не хватает. Неужели – впервые в истории физики – к успеху приведет путь “чисто внутреннего совершенства”?

Кризис фундаментальной физики?

История помогает видеть нынешние проблемы науки лишь в том случае, если суть науки не изменилась. Эйнштейн признал в Галилее коллегу, потому что узнал в его физике свою науку. А как насчет нынешней фундаментальной физики? Ситуацию здесь называют кризисом, имея в виду разные проявления, но витает и общий вопрос: заканчивается ли четырехвековая история современной физики, и если да, что идет на смену?

“Да”, сказали физики‑теоретики Гарвардского университета, добавив к названию своего семинара эпитет “постсовременный”. Постсовременные теоретики отменили ключевую роль эксперимента, полагая, что истинный вариант теории докажет свою достоверность собственным внутренним совершенством, которое и гарантирует охват реальности. Ищут этот вариант, перебирая разные математические возможности, и чем больше переборщиков, тем больше, стало быть, шансов на успех?

Издано уже более четырехсот книг, где обсуждается квантовая гравитация. Около двухсот содержат в названии слова “квантовая гравитация”. Соответственно, статей на эту тему – многие тысячи. И все это без результатов, экспериментально подтвержденных или опровергнутых. В несоответствии усилий и результатов проявляется кризис нынешней фундаментальной физики.

Красноречивые теоретики нередко говорят, что из возможных направлений поиска наиболее перспективным они считают такое‑то. Историк науки при этом вспоминает ситуацию до 1905 года, когда рассматривали разные теории эфира, кроме той, в которой само понятие эфира сдавалось в архив. Аналогично до 1915 года наиболее перспективным направлением в гравитации большинство теоретиков, за исключением одного, считали вовсе не эйнштейновское. И вообще, до сих пор в фундаментальной физике правым оказывалось меньшинство, обычно один человек. А правоту определяли опыты.

История фундаментальной физики развивалась весьма неравномерно. Ньютоновский этап длился около двух веков, максвелловский – три десятилетия, а первая треть двадцатого века вместила в себя перемены, сопоставимые по масштабу лишь с началом современной физики: кванты, относительность и много чего еще. При этом число фундаментальных физиков измерялось десятками. Результаты последних десятилетий совершенно несопоставимы с тем временем, а теоретиков, занятых фундаментальной физикой, сейчас в сотни раз больше.

Если причина столь понизившейся эффективности – только неравномерность истории, то об этом историки узнают в свое время. Если же это – следствие кризиса науки, то в чем могут быть его причины?

Начнем с самой простой причины – с денег, тем более что ее недавно подчеркнул американский теоретик, нобелевский лауреат С. Вайнберг в статье “Кризис Большой науки”. Он обвинил Конгресс США в отказе финансировать большие – дорогие – экспериментальные установки, начиная с гигантского ускорителя элементарных частиц “Суперколлайдера” в 1992 году. Затем закрыли несколько проектов космических телескопов. Речь идет о приборах для фундаментальной физики стоимостью в миллиарды долларов. Вайнберг упрекает членов Конгресса в том, что те заботятся лишь об интересах своих избирателей и не понимают важность открытия фундаментальных законов природы. В целом знаменитый теоретик смотрит в будущее с пессимизмом.

Историк же науки, рассматривая и сравнивая разные времена и страны, может прийти к почти противоположному выводу о сути кризиса.

Физики, разумеется, живут и работают в мире экономических проблем и политических решений. Отказ Конгресса США в 1992 году дать миллиарды на субъядерную суперфизику надо сопоставить с событиями в Советском Союзе, который прекратил свое существование в конце 1991 года, и с постоянным сокращением расходов США на оборону, начиная с 1987 года (и вплоть до теракта Аль‑Каиды в Нью‑Йорке в 2001‑м). Напомню, что именно в конце 1986‑го, освободив академика Сахарова из ссылки, советский лидер М. Горбачев доказал лидерам Запада серьезность советской “перестройки”.

Во время “холодной войны” для политиков обеих сторон субъядерная физика была прежде всего наукой супероружия. Исчезновение потенциального противника вело к пересмотру этого статуса и – соответственно – финансирования. Конечно, всегда есть проблема распределения средств между разными областями науки и социальной жизни, но в этом главная забота членов парламента. Если же они исходят из интересов своих избирателей, надо ли их за это упрекать?

История советской физики помогает увидеть ситуацию с особой ясностью, поскольку в Советском государстве основные решения принимались без таких сложностей, как участие избирателей и их депутатов. В довоенное время в СССР социальный статус и заработок физика были заметно ниже, чем у инженера, поэтому в науку шли в основном по призванию. Государственная пропаганда внедряла в умы “научный социализм”, но заодно “технику и науку”. Именно в таком порядке эти два слова шли тогда в газетном языке, но после войны порядок изменился на привычный ныне – “наука и техника”. Изменился взгляд “корифея всех наук”, коим Сталина провозгласили к его 60‑летию накануне войны. Появление ядерного оружия побудило его многократно увеличить финансирование физико‑технических наук и троекратно увеличить зарплаты ученым.

Для получения конкретного научного “продукта” – ядерного оружия – объем расходов был, конечно, важен. Но если говорить о чистой науке, то довоенные физики были в среднем эффективнее послевоенных, которые шли в науку уже не только в силу призвания, а еще и учитывая высокий социальный статус профессии. Достаточно сравнить нобелевский потенциал советских физиков разных поколений. Не в деньгах счастье человека науки.

Большой талант в науке – такая же редкость, как и в других областях. В науке хватает работы для людей разных способностей, но в фундаментальной физике, как показывает история, срабатывают лишь штучные идеи, а не правдоподобные в глазах большинства.

Автор штучной идеи тоже нуждается в критических обсуждениях, но их плодотворность зависит не от количества участников, а от их качества. Когда же количество превышает некий уровень, возникает угнетающий коллективный эффект. Члены коллектива должны подтверждать участие в науке своими публикациями. Увеличение числа потенциальных авторов способствует ослаблению критериев того, что годится для публикации. В фундаментальной физике самый легкий путь – ослабить или вовсе не требовать от текста связи с экспериментом. Подобное “перепроизводство” текстов и происходит в области квантовой гравитации.

Перепроизводство не только топит возможный полезный сигнал в шуме множества публикаций. Как известно, нельзя родить ребенка за месяц, собрав девять женщин в одном коллективе. Если же в коллективе толкаются локтями, уменьшается и шанс родить здорового ребенка в срок. Да и зачатию новой идеи (от Святого духа научного прогресса) большой коллектив не помогает.

Эти общие соображения подкрепляют наблюдения, собранные в книге “Неприятности с физикой: взлет теории струн, падение науки и что будет дальше” видного американского теоретика Ли Смолина, вполне успешного – по внешним признакам – в сообществе “постсовременных” физиков на протяжении четверти века, пока бесплодность их стараний не побудила его отвергнуть новый способ поиска истины. Он выразительно обрисовал социальную психологию самоподдержки в этом сообществе, которое, неудивительно, встретило эту книгу безо всякого восторга и, в силу той же психологии, сразу нашло эгоистические мотивы “предателя”. При этом в доверительных беседах члены сообщества признают, что, “в сущности, играют в игры”, надеясь на нечаянное попадание в цель.

Добавлю еще свидетельство, не столь весомое, но зато абсолютно достоверное, поскольку оно мое собственное. Заканчивая кафедру теоретической физики в начале 1970‑х годов, я писал дипломную работу по так называемой скалярно‑тензорной теории гравитации. Тогда она считалась обобщением и конкурентом теории гравитации Эйнштейна, а экспериментально проверялись обе теории. Истоком скалярно‑тензорной теории была гипотеза великого Дирака, к ней добавились и другие доводы, на мой тогдашний взгляд, совершенно неубедительные, что омрачало размышления и выкладки. Мало утешала и мысль о том, что дипломная работа лишь показывает владение методами науки. Удивляло то, что некоторые вполне взрослые теоретики с серьезным видом публиковали исследования в той же области как‑бы‑физики. Диплом с отличием не увеличил уважения к этой как‑бы‑теории, и до сих пор помню привкус имитационной науки.

Отсюда историко‑научная гипотеза: низкая эффективность нынешней фундаментальной физики объясняется не сокращением финансирования, а его избытком в десятилетия “холодной войны” и “перепроизводством кадров”, точнее, последствиями былого избытка. В СССР гордились числом ученых на душу населения, но в постсоветское время, когда включились механизмы конкурентной экономики, обнаружилось перепроизводство научно‑технических кадров на фоне недопроизводства экономистов в широком смысле слова. Частично “перепроизведенные кадры” ушли в другие сферы деятельности и в другие страны. Но и на Западе после окончания “холодной войны” молодые физики‑теоретики также стали уходить в другие сферы.

Эффективность фундаментальных физиков вряд ли можно называть производительностью труда, поскольку речь идет не о массовом производстве статей, а об изобретении штучных идей, подобно художественным творениям. Людей, способных на такое, всегда мало, и шедевры от оплаты не очень зависят. Эйнштейн свои первые научные шедевры вообще сотворил бесплатно – “на общественных началах”, работая патентным экспертом. Если же фундаментальную физику финансировать сверх меры, то это можно сравнить с избыточной поливкой растения. И даже после того как избыток закончился, его последствия сказываются еще некоторое время.

Авторы штучных идей, как правило, и сами личности штучные. Создавая надлежащие условия в обществе, можно помочь их выявлению, но их число никакими расходами не увеличить за пределы, определяемые Всевышним или Природой (ненужное зачеркнуть).

В нынешней фундаментальной физике экспериментальная часть заметно эффективнее теоретической: в космологии Нобелевские премии уже трижды присуждались экспериментаторам и ни разу теоретикам. Однако вопрос об эффективности касается и экспериментаторов. Установка, с помощью которой Резерфорд открыл в 1911 году структуру атома с крошечным ядром в центре, помещалась у него на коленях и стоила меньше сотни фунтов. Спустя двадцать лет неизбежно и вполне оправданно стали строить установки, в сотни раз более масштабные, – ускорители. Но эффективность установки определяется не ее стоимостью, а людьми, которые придумывают эксперименты.

Тут опять поучителен советский пример. В стремлении “догнать и перегнать” советское руководство дважды находило средства, чтобы построить ускоритель, превосходящий по своим параметрам все другие в мире, и такое первенство держалось на протяжении нескольких лет. На этих рекордных установках, однако, не удалось получить результаты, сопоставимые с западными. Причина была социальной – косная, неконкурентная система организации советской науки.

Общий вывод из этой истории с политической географией состоит в том, что эффективность расходов на науку – законный вопрос государственной политики, открытый для обсуждения. Фундаментальные физики должны быть готовы к конкуренции за государственный бюджет с физиками других областей, представителями других наук и других сфер социальной жизни. А разумное ограничение расходов на фундаментальную физику может даже повысить ее эффективность в соответствии с русской пословицей “Голь на выдумки хитра” и с несколько более слабой английской “Necessity is the mother of invention”.

Исторический источник оптимизма

Лучший источник научного оптимизма – история фундаментальной физики. Если за прошедшие четыре века возможны были столь поразительные успехи науки при весьма скромных средствах, то преодолимы, можно надеяться, и последствия временного избытка. Когда заработает проверенный метод Галилея – Эйнштейна, “постсовременный” способ станет объектом изучения историков, которые заметят сходство постсовременной и предсовременной философий науки.

Вспомним впечатляющий конфуз в самый канун рождения современной физики – “Космографию” молодого Кеплера, его кубок шести планет. “Объяснив” число и положения планет с помощью изящной математики и астрономических данных, автор праздновал триумф и тоже не думал об экспериментальной проверке. Он пережил крушение своего триумфа, занявшись менее грандиозной и гораздо более трудоемкой задачей – поиском законов планетных движений. Пережил он без особой горечи и невнимание Галилея к его законам, поскольку, похоже, чувствовал потенциал Галилеева метода – метода современной физики – к познанию мира.

Этот метод в руках последователей Галилея привел к поразительным достижениям и в двадцатом веке, когда к исходной цели – узнать истинное устройство Мироздания – добавилось историческое измерение – выяснить соотношение разных теорий, представляющих физическую реальность с качественно разной глубиной и с разной количественной точностью.

Современные теоретики, считая, что математическое изящество физической теории достаточно для веры в ее правильность, исходят из невозможности экспериментов. Причина – чрезвычайная малость известных до сих пор квантово‑гравитационных эффектов.

Этой причине, если отсчитывать от первого cGh‑эффекта, указанного Эйнштейном в 1916 году, уже сто лет. Это много, но не беспрецедентно. Атомная гипотеза ждала экспериментального исследования более двух тысячелетий, а гипотеза Галилея о “наибыстрейшей” скорости света – два с половиной столетия. Так что стоит набраться терпения, необязательно коротая время “постсовременными” текстами. Лучше искать наблюдательные эффекты, как это делал Эйнштейн в начале пути к его теории гравитации.

Авторы недавнего обзора в журнале “Успехи физических наук” признали, что “теоретическая физика, предоставив обширный перечень возможных направлений и методов поиска частиц темной материи, исчерпала себя”. Закончили, однако, с оптимизмом: “Почему Природа столь щедра к нам и позволяет открывать свои секреты?” Единственное основание для этого дает именно четырехвековая история успехов физических наук.

В общественном восприятии подобный оптимизм, а то и слепая вера в могущество науки, соседствует ныне с мрачным пессимизмом: в сумасшедшем темпе научно‑технического прогресса видят аналог злокачественной опухоли, ведущей к гибели человечества. Оба взгляда порождены историей науки в двадцатом веке, когда она стала определяющим фактором жизни общества. В предыдущие века смещение даты какого‑то открытия на пару десятилетий ничего особенно не меняло в мировой истории. В двадцатом века это не так.

К примеру, деление урана, открытое в 1939 году, вполне могли открыть на пять лет раньше в опытах по искусственной радиоактивности. Тогда атомная бомба появилась бы на пять лет раньше – в 1940‑м, и, скорее всего, в Германии, где тогда была сильнейшая физика. Ради такого дела Гитлер мог и отложить “решение еврейского вопроса”, изгнавшее многих физиков из страны. А чем грозила человечеству атомная бомба в руках Гитлера, объяснять вряд ли надо.

Другой пример дает советское изобретение водородной бомбы, испытанной через пять месяцев после смерти Сталина. По мнению некоторых экспертов, проживи он еще пару лет в своем нараставшем безумии, и водородная бомба в его руках была бы страшнее атомной в руках германского фюрера.

В этих случаях человечеству повезло, что научно‑технические открытия задержались на несколько лет. Но в том, что Карибский кризис 1962 года не закончился мировой ядерной войной, сыграло свою роль уже разработанное термоядерное оружие с его гарантированным взаимным уничтожением обеих сторон.

На ядерное оружие обычно смотрят в лучшем случае как на бессмысленно растраченные ресурсы человечества. Однако если обнаружится, что Земле угрожает столкновение с астероидом, у человечества нет иного источника энергии, сопоставимого по мощи с термоядерным, чтобы отклонить маловероятное, но возможное событие, какие уже бывали в истории Земли. Тогда придется поблагодарить разработчиков “бессмысленного” оружия.

Самое здравое отношение к открытиям науки и техники выразил Владимир Вернадский еще в 1910 году, говоря о радиоактивности:

Перед нами открылись источники энергии, перед которыми по силе и значению бледнеют сила пара, сила электричества, сила взрывчатых химических процессов… С надеждой и опасением всматриваемся мы в нового союзника.

Сейчас, век спустя, неясно, на что можно надеяться и чего опасаться, когда (и если) решится проблема квантовой гравитации.

Самый ранний прогноз содержится в статье Трех мушкетеров 1928 года (см. гл. 8), во фразе “Представим себе законченную (!) физику”. Восклицательный знак поставили веселые авторы, и из их текста ясно, что “окончательной” может быть лишь cGh‑теория. Судя по тому, что к прогнозу этому никто из авторов впоследствии не возвращался, они к нему относились столь же несерьезно, как и к статье в целом.

В 1970‑е годы Хокинг уже вполне серьезно предположил, что окончательная теория возникнет еще в двадцатом веке. О конце физики говорили – с надеждой или с отвращением – и другие теоретики, не указывая определенную рубежную дату и опираясь на весьма неопределенные доводы типа: “Все, что делают люди, обязательно имеет конец”.

Более смелые прогнозы, однако, нацелились на главный инструмент науки – человеческое мышление. Р. Пенроуз предположил, что квантование гравитации поможет создать физическую теорию микроструктуры сознания. А крупномасштабным прогнозом озадачил многих Андрей Сахаров. Размышляя вслух о драме идей в физике двадцатого века, он напомнил, что в предыдущие века “религиозное мышление и научное мышление” считались противостоящими друг другу, взаимно исключающими:

Это противопоставление было исторически оправданным, оно отражало определенный период развития общества. Но я думаю, что оно все‑таки имеет какое‑то глубокое синтетическое разрешение на следующем этапе развития человеческого сознания. Мое глубокое ощущение… – существование в природе какого‑то внутреннего смысла, в природе в целом.

Это свое ощущение он извлек из картины мира, открывшейся в двадцатом веке.

Чтобы понять, как Сахаров соединял мышление и ощущение, надо знать его отношение к религии. Он всегда защищал свободу совести и верующих и атеистов. А его собственная духовная эволюция началась с детской религиозности, которую он получил от своей верующей мамы. В семье он увидел также свободу совести:

Мой папа, по‑видимому, не был верующим, но я не помню, чтобы он говорил об этом. Лет в 13 я решил, что я неверующий, – под воздействием общей атмосферы жизни и не без папиного воздействия, хотя и неявного. Я перестал молиться и в церкви бывал очень редко, уже как неверующий. Мама очень огорчалась, но не настаивала, я не помню никаких разговоров на эту тему.

Сейчас я не знаю, в глубине души, какова моя позиция на самом деле: я не верю ни в какие догматы, мне не нравятся официальные Церкви (особенно те, которые сильно сращены с государством или отличаются, главным образом, обрядовостью или фанатизмом и нетерпимостью). В то же время я не могу представить себе Вселенную и человеческую жизнь без какого‑то осмысляющего их начала, без источника духовной “теплоты”, лежащего вне материи и ее законов. Вероятно, такое чувство можно назвать религиозным.

Опять сошлись разум и чувство. Именно их союз рождает таинственную интуицию, силой которой Галилей и его последователи изобретали новые фундаментальные понятия. Таких изобретателей называют великими физиками. Вероятно, это имел в виду Виталий Гинзбург, сказав, что Сахаров “был сделан из материала, из которого делаются великие физики”. Сказал это нобелевский лауреат, не считавший себя великим физиком, и к тому же глубокий атеист. В конце 1940‑х годов они с Сахаровым изобретали термоядерную бомбу, а сорок лет спустя, на первых в СССР свободных выборах, обоих свободолюбивых физиков избрали в народные депутаты.

Ошибаться свойственно и великим физикам. И даже гениальная интуиция иногда ведет не туда. Но, независимо от того, сбудется ли научно‑гуманитарный прогноз Сахарова, его отношение к науке – познавательный и исторический оптимизм – также говорит о “материале, из которого он был сделан”.

Андрей Сахаров, 1989 (© Yousuf Karsh).

Лучше других понимая угрозы высоконаучного оружия уничтожения, видя в науке и средство улучшения жизни, и основу единства человечества, он верил, что “наука как самоцель, отражение великого стремления человеческого разума к познанию… оправдывает само существование человека на земле”. Корень этого стремления Сахаров видел в далеком прошлом человеческого рода, представляя себе, как “наш обезьяноподобный предок по инстинкту любопытства” приподнимал камни под ногами и находил там “жучков, служивших ему пищей. Из любопытства выросла фундаментальная наука. Она по‑прежнему приносит нам практические плоды, часто неожиданные для нас”.

Картинка эта говорит не столько о детстве человечества, сколько о детской любознательности человека науки, каким был Андрей Сахаров. Исторический оптимизм был ему опорой в то время, когда советские газеты поливали его грязью. Он верил, что “человечество найдет разумное решение сложной задачи осуществления грандиозного, необходимого и неизбежного прогресса с сохранением человеческого в человеке и природного в природе”, а свою нобелевскую лекцию завершил надеждой, что люди смогут “осуществить требования Разума и создать жизнь, достойную нас самих и смутно угадываемой нами Цели”.

Слова “смутно угадываемой” побуждают к размышлениям и к свободе, без чего невозможны ни наука, ни достойная жизнь.

---

Хронология важнейших событий, упомянутых в книге

VI в. до н. э. Фалес, основоположник греческой философии и науки, выдвинул идею “первоэлемента” в основе всех явлений природы.

V в. до н. э. Пифагор установил связь между длиной струны и высотой тона.

IV в. до н. э. Демокрит развивал идею атомного строения вещества.
Возникновение геоцентрической системы мира.

III в. до н. э. Аристарх Самосский впервые измерил расстояния до Луны и Солнца и выдвинул гелиоцентрическую систему мира.
Архимед открыл закон плавания тел.

II в. н. э. Птолемей завершил теорию геоцентрической системы мира.

1543 Труд Н. Коперника “О вращении небесных сфер”, содержащий теорию гелиоцентрической системы мира.

1583 Г. Галилей обнаружил изохронность колебаний маятника.

1600 Трактат У. Гильберта “О магните, магнитных телах и о большом магните Земли”.

1602–1609 Г. Галилей установил, что тела в пустоте падают с ускорением постоянным и не зависящим от природы тела, а тело, брошенное под углом к горизонту, движется по параболе.

1607 Г. Галилей попытался измерить скорость света.

1609 Труд И. Кеплера “Новая астрономия”, содержащий первые два закона движения планет.

1610 Г. Галилей в книге “Звездный вестник” описал свои открытия с телескопом.

1619 Трактат И. Кеплера “Гармония мира”, содержащий третий закон движения планет.

1632 Книга Г. Галилея “Диалог о двух основных системах мира – Птолемеевой и Коперниковой” (содержит принцип инерции и принцип относительности).

1638 Книга Г. Галилея “Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых областей науки” (содержит закон свободного падения).

1642 Умер Г. Галилей и родился И. Ньютон.

1644 Э. Торричелли получил вакуум (“торричеллиеву пустоту”) и создал барометр.

1665–1666 И. Ньютон открыл закон тяготения, обратно пропорционального квадрату расстояния между телами.

1666 И. Ньютон разложил белый свет в спектр.

1676 О. Ремер впервые измерил скорость света (по наблюдениям спутников Юпитера).

1687 Труд И. Ньютона “Математические начала натуральной философии” с изложением законов движения и закона всемирного тяготения.

1785 Ш. Кулон установил закон электрического взаимодействия.

1798 Г. Кавендиш при помощи крутильных весов измерил притяжение двух тел, подтвердив закон всемирного тяготения И.  Ньютона, и вычислил массу Земли.

1803 Дж. Дальтон ввел понятие атомного веса.

1815 Й. Фраунгофер обнаружил в солнечном спектре темные линии.

1820 X. Эрстед открыл магнитное действие тока, а А. Ампер открыл взаимодействие электрических токов.

1826 Н.И. Лобачевский открыл неевклидову геометрию.

1831 М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

1834 М. Фарадей ввел понятие силовых линий (идея поля).

1845 Математическая теория электромагнитных явлений на основе дальнодействия.

1849–1851 Опыты Л. Физо и Ж. Фуко по измерению скорости света в движущейся среде.

1851 Ж. Фуко при помощи маятника экспериментально продемонстрировал вращение Земли вокруг своей оси.

1853 У. Томсон получил формулу для периода электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора и индуктивности.

1854 Г. Риман создал общую дифференциальную (Риманову) геометрию.

1859 Г. Кирхгоф и Р. Бунзен открыли спектральный анализ.

1859 Дж. Максвелл открыл первый закон статистической физики – распределение молекул газа по скоростям.

1862 Г. Кирхгоф ввел понятие черного тела и дал его модель.

1865 Дж. Максвелл ввел понятие электромагнитного поля, создал основы его теории, из которой предсказал электромагнитные волны и выдвинул идею об электромагнитной природе света.

1869 Д.И. Менделеев открыл периодический закон химических элементов.

1887 Опыты А. Майкельсона и Э. Морли не обнаружили “эфирный ветер” – влияния движения источника света на скорость света.

1888 Г. Герц открыл фотоэффект и экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом.

1895 В. Рентген открыл излучение, названное его именем.
Создана модель абсолютно черного тела в виде полости с внутренними зеркальными стенками и узким отверстием.
А.С. Попов изобрел радио.

1896 А. Беккерель открыл радиоактивность урана.

1897 Дж. Дж. Томсон открыл электрон и выдвинул гипотезу об электронном составе атомов.

1899 Э. Резерфорд показал наличие в излучении урана двух компонентов – альфа– и бета‑лучей.

1900 М. Планк сформулировал квантовую гипотезу и ввел фундаментальную константу – постоянную Планка, положив начало квантовой теории.

1905 А. Эйнштейн создал теорию относительности (c‑теорию), открыл связь массы и энергии E=mc², выдвинул гипотезу о квантовом характере света, чтобы объяснить законы фотоэффекта.

1907 А. Эйнштейн, опираясь на выдвинутый им принцип эквивалентности, начал разрабатывать релятивистскую теорию гравитации.

1908 Г. Минковский предложил понятие четырехмерного пространства‑времени как геометрической основы теории относительности.

1911 На основе опытов по рассеянию альфа‑частиц в тонких металлических пленках Э. Резерфорд открыл атомное ядро и создал планетарную модель атома.

1913 Н. Бор предложил первую квантовую модель атома водорода.

1916 А. Эйнштейн завершил создание теории пространства‑времени и гравитации (cG‑теории) и предсказал ее наблюдательные эффекты.

1917 А. Эйнштейн из своей теории гравитации получил первую космологическую модель Вселенной.

1919 Э. Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород, и открыл протон.

1919 Первая экспериментальная проверка отклонения света звезды в поле тяготения Солнца, предсказанного теорией гравитации Эйнштейна.

1922 А.А. Фридман нашел нестационарные решения гравитационных уравнений Эйнштейна, включая возможность расширения Вселенной.

1923 Л. де Бройль высказал идею о волновых свойствах частиц.

1925–1927 Создана квантовая механика (h‑теория).

1927–1929 Ж. Леметр, на основе астрономических наблюдений Э.  Хаббла, открыл расширение Вселенной.

1927 Ч. Эллис и У. Вустер обнаружили нарушение баланса энергии в бета‑распаде.

1928 П. Дирак предложил ch‑уравнение движения электрона.

1928 Л.И. Мандельштам и М.А. Леонтович построили теорию туннельного эффекта, на основе которого Г. Гамов создал теорию альфа‑распада.

1929–1931 На основе опытов Эллиса – Вустера и теоретических парадоксов (“азотная катастрофа” и др.) Н. Бор предположил нарушение законов сохранения в физике ядра, а В. Паули, в противовес, выдвинул гипотезу новой ядерной – нейтральной – частицы.

1931 В статье Л. Ландау и Р. Пайерлса предсказана невозможность создания ch‑теории электромагнитного поля.

1931 П. Дирак предсказал античастицы, рождение и аннигиляцию пар.

1932 Открытие нейтрона и позитрона.

1933 Открыто рождение пары электрона и позитрона из гамма‑кванта и аннигиляция электрона и позитрона.

1933 В статье Н. Бора и Л. Розенфельда “обезврежено” предсказание Л.  Ландау и Р.  Пайерлса 1931 года, тем самым гарантирована возможность создания ch‑теории электромагнитного поля.

1936 В двух статьях М. Бронштейна о проблеме квантования гравитации выявлена несовместимость cG‑теории гравитации и квантовой h‑теории без радикального изменения основных понятий теории, включая понятия пространства и времени.

1937 Опровергнув гипотезу спонтанного распада фотонов, М. Бронштейн обосновал факт реального расширения Вселенной.

1938 Построена теория термоядерного источника энергии звезд.

1938 Открыто спонтанное деление ядра урана.

1946 Дж. Гамов выдвинул идею “Горячей Вселенной”.

1947–1949 Завершено создание современной квантовой электродинамики (ch‑теории).

1956–1957 Открыто несохранение четности (C‑асимметрия) и выдвинута гипотеза сохранения комбинированной четности (CP‑симметрия).

1964 Обнаружено несохранение комбинированной четности (СР‑асимметрия).

1965 Открыто реликтовое излучение – остаточное излучение ранней Вселенной.

1967 А. Сахаров предложил объяснение барионной асимметрии Вселенной, связанное с CP‑асимметрией “тремя условиями Сахарова”.

1979 Принимая кафедру, которую когда‑то занимал Ньютон, С. Хокинг произнес речь “Виден ли конец теоретической физики?”, в которой счел вполне вероятной возможность, что фундаментальная теоретическая физика будет закончена еще в XX веке.

2004 Вышли две солидные монографии с одинаковым названием “Квантовая гравитация” и равно безысходные, а видный физик‑теоретик Ф. Дайсон высказал идею, что “квантовая гравитация физически бессмысленна”.

2013 Первое присуждение премии им. М. Бронштейна за работы в теории квантовой гравитации. Премия имени 30‑летнего советского физика присуждена 34‑летнему итальянскому физику, работающему в Канаде. Прошло 75 лет после гибели Матвея Бронштейна.

---

Основные источники

Физики

Архимед. Сочинения. М.: Физматгиз, 1962.

Бор Н. Избранные научные труды: В 2. М.: Наука, 1970–1971.

Bohr N. Collected Works. Vol. 9 Nuclear Physics, 1929–1952. Amsterdam: North‑Holland, 1986.

Бронштейн М.П. Современное состояние релятивистской космологии // Успехи физических наук. 1931. № 11. С. 124–184.

Бронштейн М.П. К вопросу о возможной теории мира как целого // Успехи астрономических наук. 1933. № 3. С. 3–30

Бронштейн М. Квантование гравитационных волн (1936). // Альберт Эйнштейн и теория гравитации: Сборник статей / Под ред. Е.С. Куранского. – М.: Мир, 1979.

Бронштейн М. Квантовая теория слабых гравитационных полей (1936). // Эйнштейновский сборник. 1980–1981. М.: Наука, 1985. С. 267–282.

Галилей Г. Избранные труды: В 2 т. М.: Наука, 1964.

Galilei G. Dialogues on two world systems (transl. T. Salusbury), 1661; Dialogue Concerning the Two Chief World Systems (transl. S. Drake), 1967.

Galilei G. Letter to Benedetto Castelli (1613);  Letter to Madame Christina of Lorraine, Grand Duchess of Tuscany Concerning the Use of Biblical Quotations in Matters of Science (1615)

Гинзбург В.Л. О науке, о себе и о других. М.: Изд‑во физ‑мат. лит‑ры, 2003.

Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М.: Бюро Квантум, 1995.

Dyson F. The world on a string // New York Review of Books. 2004. May 13.

Зельдович Я.Б. Избранные труды. Частицы, ядра, Вселенная. М.: Наука, 1985.

Кеплер И. О шестиугольных снежинках. М., Наука, 1982.

Ландау Л.Д. Собрание трудов: В 2 т. М.: Наука, 1969.

Максвелл Дж. К. Статьи и речи. М.: Наука, 1968.

Newton I. A treatise of the system of the world, 1728.

Peierls R. Bird of Passage: Recollections of a Physicist. Princeton Univ. Press, 1985.

Паули В. Труды по квантовой теории. М.: Наука, 1977.

Планк М. Избранные труды. М.: Наука, 1975.

Сахаров А.Д. Воспоминания: В 3 т. / Сост. Боннэр Е. – М.: Время, 2006.

Сахаров А.Д. Дневники. М.: Время, 2006.

Сахаров А.Д. Научные труды. М.: ЦентрКом, 1995.

Тамм И.Е. Теоретическая физика. // Октябрь и научный прогресс. / Под ред. М.В. Келдыша и др. – М.: Изд‑во АПН, 1967.

Эйнштейн А. Собрание научных трудов: В 4 т. М.: Наука, 1965–1967.

История науки

Арнольд В.И. Гюйгенс и Барроу, Ньютон и Гук. М.: Наука, 1989.

Белый Ю.А. Иоганн Кеплер. 1571–1630. М.: Наука, 1971.

Вавилов С.И. Дневники. 1909–1951: В 2 кн. М.: Наука, 2012.

Вернадский В.И. Дневники. М.: Наука, 1999, 2001, 2006, 2008; М.: РОССПЭН, 2010.

Визгин В.П. Единые теории поля в первой трети ХХ века. М.: Наука, 1985.

Визгин В.П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование. 1900–1915). М.: Наука, 1981.

Карцев В.П. Максвелл. М.: Молодая гвардия, 1974.

Карцев В.П. Ньютон. М.: Молодая гвардия, 1987.

Он между нами жил… Воспоминания о Сахарове / Ред. Б.Л. Альтшулер. М.: ОТФ ФИАН – Практика, 1996.

Френкель В.Я., Джозефсон П. Советские физики – стипендиаты Рокфеллеровского фонда // Успехи физических наук. 1990. № 10.

Brewster D. Memoirs of the Life, Writings, and Discoveries of Sir Isaac Newton. 1855

Campbell L., Garnett W. The Life of James Clerk Maxwell. London: Macmillan, 1884.

Cohen H. F. The scientific revolution: a historiographical inquiry. University of Chicago Press, 1994.

Comte A. The positive philosophy of Auguste Comte (Transl. Harriet Martineau), 1896.

Cooper L. Aristotle, Galileo, and the Tower of Pisa. Ithaca, New York: Cornell University Press, 1935.

Frisch O. What Little I Remember. Cambridge University Press, 1979.

Hawking S., Mlodinow L. A Briefer History of Time. Bantam, 2005.

Heilbron J.L. Galileo. Oxford University Press, 2010.

Himmel Ch. The Galileo connection: Resolving conflicts between science and the bible. InterVarsity Press, Downers Grove, IL. 1986.

Luminet J.‑P. Editorial note to: Georges Lemaоtre, The beginning of the world from the point of view of quantum theory // General Relativity and Gravitation, vol. 43, no 10. 2011. P. 2929–30.

MacLachlan J. Galileo Galilei: First Physicist. Oxford University Press, 1997.

Needham J. The Grand Titration: Science and Society in East and West. Toronto: University of Toronto Press, 1969.

Niels Bohr and the Development of Physics. Ed. W Pauli. London: Pergamon Press, 1955.

Smolin L. The Trouble With Physics: The Rise of String Theory, The Fall of a Science, and What Comes Next. Mariner Books, 2007.

Stukeley W. Memoirs of Sir Isaac Newton’s life. 1752.

Zilsel E. The Social Origins of Modern Science. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2000.

Работы автора книги

Размерность пространства: историко‑методологический анализ. М.: Изд‑во МГУ, 1983.

Матвей Петрович Бронштейн (1906–1938). М.: Наука, 1990 (совм. с В.Я. Френкелем).

В.А.  Фок: философия тяготения и тяжесть философии // Природа. № 10. 1993.

Матвей Бронштейн и квантовая гравитация. К70‑летию нерешенной проблемы // Успехи физических наук. 2005. № 10.

Советская жизнь Льва Ландау. М.: Вагриус, 2008; Советская жизнь Льва Ландау глазами очевидцев. М.: Вагриус, 2009.

Андрей Сахаров: Наука и Свобода. М.: Молодая гвардия, 2010.

How the Modern Physics was invented in the 17th century // Scientific American, Guest Blog. April 2012.