Квинтэссенция. Книга первая
Шрифт:
Так Галилей впервые осуществил на опыте переход к пределу. Переход, который до него был возможен только в математике. В этом опыте положение доски менялось между двумя крайними положениями, между двумя пределами: горизонтальным и вертикальным.
Важнейший вывод из опытов с наклонной плоскостью опровергает утверждение Аристотеля о том, что скорость движения зависит от величины действующей силы. Сила (сила тяжести) вызывает не какую-то определенную скорость, а ее изменение.
При опытах с наклонной плоскостью предмет, бывший неподвижным у ее верхнего конца, постепенно увеличивает скорость своего движения, которая становится наибольшей у нижнего
Аристотель ошибся потому, что принимал второстепенное (силу трения) за главное. При движении по ровной дороге лошади работали против силы трения. Скорость при этом зависит не только от силы, с которой тянут лошади, но и от трения в ступицах колес и от трения обода колеса о дорогу.
Продолжая опыт с наклонной плоскостью, Галилей снова обратил внимание на то, что шарик, удаляясь от нижнего конца желоба, отходит от него одинаково далеко, если верхний конец наклонной плоскости поднят на постоянную высоту. Он понял, что постепенное уменьшение скорости шарика вызвано трением. Но что заставляет шарик двигаться после того, как он скатился с наклонной плоскости? Ведь на плоском полу сила тяжести уравновешивается противодействием пола!
Галилей снова обращается к рассуждениям. Тело, брошенное вверх, постепенно замедляется силой тяжести. Затем сила тяжести направляет его вниз и он падает все скорее. Сила тяжести, действующая на каждое тело, постоянна и определяется его весом. Галилей не знал, что эта сила на высокой горе меньше, чем на равнине. Но это не препятствовало истолкованию проводимых им опытов.
Путь тела, брошенного горизонтально, постепенно искривляется вниз и оно падает на землю. Упав, оно еще некоторое время движется по земле в направлении первоначального броска.
Постоянная сила, сила тяжести изменяет скорость и направление движения предмета. Сила трения может только уменьшить величину скорости.
Галилей снова обращается к наклонной плоскости. Скатываясь с нее, шарик движется все быстрее. Если его толкнуть так, чтобы он поднимался на наклонную плоскость — его скорость постепенно уменьшается. Она может уменьшиться до нуля, и тогда шарик начнет скатываться вниз. Но если устранить наклон, снять подпорку из под верхнего конца доски, она станет горизонтальной. Теперь действие силы тяжести гасится противодействием горизонтальной доски и шарик остается неподвижным.
ПЕРВЫЕ МЫСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Перед умственным взором Галилея возникает невероятное видение: по гладкому полу, совершенно лишенному трения, скользит предмет. Его путь прям, его скорость постоянна.
Это первый мысленный эксперимент. Ученый «ставит» его, отвлекаясь от действия мешающего трения. В действительности, к такому эксперименту можно лишь приблизиться, уменьшая трение. Но реализовать его абсолютно точно — невозможно.
В мысленном эксперименте тело движется равномерно и прямолинейно. Почему оно движется именно так?
Аристотель должен был бы объяснить это действием особой силы, как он поступил в случае движения стрелы. Но Аристотель не сделал этого, ибо не понимал, что следует опускать в рассуждениях второстепенное (здесь силу трения), для того, чтобы осознать главное.
Галилей сумел возвыситься до абстракции, до пренебрежения второстепенным. Но дело осложнялось тем, что Галилей знал: силы не поддерживают движение, а видоизменяют его. Изменяют скорость или направление движения.
Сила тяжести увеличивает скорость падения тела, которое сперва покоится в руке, а когда рука
Обдумывая все это, Галилей делает уступку Аристотелю: может быть существует особая сила? Сила, не изменяющая ни величины, ни направления скорости движения тела. Сила, поддерживающая прямолинейное равномерное движение тела, если другие силы, включающие и силу трения, совершенно отсутствуют.
Может быть, такая сила свойственна всем телам, свободным от действия обычных сил? Может быть, это свойство определяется косностью тел, их стремлением двигаться так, как они двигались в предыдущий момент? Может быть это особая «сила косности», «сила инерции»?
Следующий шаг — еще один опыт.
Снова мысленный опыт. Точнее целый набор мысленных опытов, выполненных в закрытом помещении под палубой корабля. Опыты мысленно выполняются дважды. Первый раз, когда корабль стоит неподвижно. Второй раз корабль равномерно без качки движется с постоянной скоростью по спокойной воде.
Ни один из хитроумных опытов, проведенных в каюте этого корабля, не позволяет определить: неподвижен корабль или он движется прямолинейно с постоянной скоростью?
Вот как Галилей описывает этот мысленный опыт: «Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд…
Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки…) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно… И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам, так же как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находится под палубой…»
Этим мысленным опытом, обобщающим целый ряд реальных наблюдений и экспериментов, Галилей добился двух целей. Прежде всего он опроверг перед читающей публикой возражения последователей Аристотеля против движения Земли. Они говорили, что все механические движения на поверхности Земли происходят так, как если бы Земля была неподвижна. Если бы она двигалась, разъясняли они, все было бы иначе.
Но Галилей утверждает: все механические движения на движущейся Земле происходят точно так же как и на неподвижной, ибо она за время опыта движется практически прямолинейно и равномерно, как корабль, о котором мы рассказали.
Второй более важный результат, извлеченный Галилеем из этого мысленного опыта — принцип относительности. Он рассуждал так: на основании опытов, проведенных под палубой корабля, нельзя судить о том, неподвижен корабль или он движется прямолинейно с постоянной скоростью. Тем более невозможно, не выглядывая наружу, определить скорость корабля, движущегося прямолинейно и равномерно.