Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ВКЛАД ГАЛИЛЕЯ В НАУКУ

ВКЛАД ГАЛИЛЕЯ В НАУКУ

Ученые пытаются достучаться до небес и мечтают преодолеть порог, отделяющий познанное от непознанного. В любой момент, о каком бы ни шла речь, любое исследование начинается с набора правил и уравнений, предсказывающих те явления, которые мы на этот момент способны измерить. Но мы всегда стремимся перейти к режимам, которые до сих пор не удавалось протестировать экспериментально. Вооружившись новейшей техникой и математикой, мы начинаем систематически изучать вопросы, которые в прошлом были лишь предметом ничем не подкрепленных рассуждений или веры. Чем больше максимально точных наблюдений у нас есть, чем определеннее теоретические рамки, в которые укладываются новые измерения, тем лучше и полнее мы понимаем окружающий мир.

После поездки в Падую и осмотра ее исторических достопримечательностей я в полной мере осознала, насколько важную роль сыграл Галилей в формировании такого способа мышления. Одна из самых знаменитых достопримечательностей Падуи — капелла Скровеньи с фресками Джотто начала XIV в. Эти изображения примечательны по многим причинам, но для ученого самым интересным, пожалуй, является необычайно реалистичное изображение пролета кометы Галлея 1301 г. в сцене поклонения волхвов (рис. 6). Это настоящее чудо! В то время, когда художник рисовал эту фреску, комету можно было видеть на небе невооруженным глазом.

Но эти изображения еще не были корректными с научной точки зрения. Девушка–гид показала мне Млечный путь на астрологических фресках Палаццо делла Раджоне (по крайней мере, ее учили, что это именно Млечный путь). Однако более опытный гид позже объяснил ей, что такая трактовка изображения неверна и не соответствует времени создания фрески. В те времена люди просто рисовали то, что видели. Вероятно, художник хотел изобразить звездное небо ясной ночью, но не имел в виду ничего определенного вроде нашей Галактики. Науки в современном понимании еще не было.

РИС. 6. Джотто изобразил эту сцену на стене капеллы Скровеньи в начале XIV в., когда комета Галлея была видна невооруженным глазом

До Галилея наука полагалась только на непосредственные наблюдения и чистые размышления. Образцом для всех желающих разобраться в устройстве мира служила аристотелева наука. Математику можно было использовать для дальнейших умозаключений, но базовые положения принимались на веру или со ссылкой на прямые наблюдения.

Галилей открыто отказался опираться в своих исследованиях на mondo di carta (мир бумаги); напротив, он хотел читать и изучать libro della natura (книгу природы). Он не только изменил методологию наблюдений; мало того, он едва ли не первым признал огромные возможности эксперимента. Галилей понял, как следует создавать искусственные условия для выявления природы физических законов. Галилей научился при помощи эксперимента проверять гипотезы о законах природы, доказывать и, что не менее важно, опровергать их.

В частности, Галилей проводил эксперименты с наклонными плоскостями — наклоненными ровными поверхностями, которые так часто встречаются, раздражая учащихся, в любом начальном курсе физики. Для Галилея наклонная плоскость не была всего лишь надуманной школьной задачей, каковой она иногда кажется школьникам. Это был способ изучить скорость падающих тел: ведь если «растянуть» спуск объекта на некоторое горизонтальное расстояние, можно будет точно измерить, как он «падает». Время он измерял при помощи водяного хронометра; но этого мало: Галилей придумал хитроумную систему колокольчиков, развешанных на определенных расстояниях друг от друга, и мог определять скорость катящегося вниз шарика на слух (рис. 7), а слух у него был отличный. При помощи этого и других экспериментов в области движения и силы тяжести Галилей вместе с Иоганном Кеплером и Рене Декартом подготовил фундамент для законов классической механики, которые развил Исаак Ньютон.

Галилей сумел выйти за пределы непосредственных наблюдений. Он придумал мысленные эксперименты — абстракции, основанные на увиденном, — при помощи которых можно было делать предсказания о ходе экспериментов, которые никто в то время не мог в реальности поставить. Возможно, самое знаменитое из его предсказаний говорит о том, что все объекты при отсутствии сопротивления падают с одинаковой скоростью. Он не мог реализовать эту идеализированную ситуацию, но предсказал, что произойдет. Галилей понимал, какую роль при падении предметов на землю играет тяготение, как и то, что сопротивление воздуха замедляет их движение. Качественная наука означает учет всех факторов, которые могут повлиять на то или иное измерение. Мысленные эксперименты и настоящие физические опыты помогли ученому лучше понять природу тяготения.

РИС. 7. При помощи колокольчиков Галилей измерял скорость движения шарика по наклонной плоскости

В истории нередки случайные совпадения. Так, Ньютон — один из величайших ученых, которому предстояло продолжить и развить научную традицию Галилея — родился в год его смерти. (На одном из своих семинаров Стивен Хокинг порадовался тому, что сам он родился ровно три века спустя.) Ученые нашего времени, в каком бы году им ни довелось родиться, продолжают галилееву традицию: разрабатывают реальные или мысленные эксперименты, анализируют их ограничения и интерпретируют полученные данные. Конечно, эксперименты в наши дни гораздо сложнее, да и техника используется гораздо более изощренная, но мысль о том, что для подтверждения или опровержения сделанных на базе новой научной гипотезы предсказаний следует построить установку и провести эксперимент, и сегодня определяет природу науки и ее методов.

Но эксперименты — искусственные ситуации, создаваемые для проверки гипотез, — не единственное новшество, которое Галилей внес в науку. Помимо этого он, возможно, первым понял, что наблюдать окружающий мир — Вселенную — следует, применяя технические новшества. Эксперименты помогли ему выйти за рамки чистых рассуждений, а технические приспособления многократно расширили поле непосредственных наблюдений.

До Галилея наука полагалась прежде всего на прямые непосредственные наблюдения: человек воспринимал объекты при помощи органов чувств — видел их или, к примеру, трогал — без каких бы то ни было устройств, которые в какой?то мере изменяли образ исследуемого объекта. Тихо Браге, открывший, помимо прочего, сверхновую звезду и точно измеривший положения планет, работал раньше Галилея; последние из его знаменитых астрономических наблюдений сделаны до того, как Галилей появился на научной сцене. Браге пользовался точными измерительными инструментами, такими как большие квадранты, секстанты и армиллярные сферы. Мало того, он разработал и оплатил изготовление самых точных на тот момент инструментов; именно они позволили астроному провести измерения, на базе которых Кеплер смог прийти к выводу об эллиптических орбитах. Тем не менее все измерения Браге проводил, наблюдая небо невооруженным глазом, без каких бы то ни было линз или других устройств.

Следует отметить, что Галилей обладал тренированным глазом художника и абсолютным музыкальным слухом — он был сыном музыканта. Тем не менее он понял, что при помощи технических приспособлений можно многократно увеличить и без того неплохие наблюдательные возможности. Галилей считал, что непрямые наблюдения, сделанные при помощи специальных инструментов и на больших расстояниях, дадут ему гораздо больше, чем просто взгляд невооруженным глазом.

Сегодня всем известно, что Галилей первым взглянул на звезды через телескоп. Этот инструмент изменил подход человечества к науке, изменил наш взгляд на Вселенную и на самих себя. Но Галилей вовсе не был изобретателем телескопа. Это устройство придумал в 1608 г. в Нидерландах Ханс Липперсгей, но голландец пользовался им для наблюдения за людьми (отсюда и второе название подзорной трубы: spyglass — «шпионское стекло»). Тем не менее именно Галилей одним из первых понял, что это устройство может стать мощным инструментом для наблюдения космоса: ведь с его помощью можно проводить наблюдения, недоступные невооруженному глазу. Он усовершенствовал голландскую подзорную трубу и изготовил телескоп, способный увеличивать в 20 раз. Через год после того, как ему подарили такую игрушку, он превратил ее в научный прибор.

Тот факт, что Галилей начал наблюдать небо через специальные устройства, представлял собой радикальный отход от прежних методов измерения и решительный шаг вперед, очень важный для формирования современной науки. Первоначально люди с подозрением отнеслись к таким опосредованным наблюдениям. Даже сегодня найдутся скептики, готовые усомниться в реальности наблюдений, сделанных при помощи больших протонных коллайдеров, или данных, записанных компьютерами на космических аппаратах или телескопах. Но цифровые данные, регистрируемые этими устройствами, не менее реальны, а нередко и куда более точны, чем все, что мы можем наблюдать непосредственно. В конце концов, наш слух — это воздействие колебаний воздуха на барабанные перепонки в ушах, а зрение — действие электромагнитных волн на сетчатку глаза; в том и другом случае полученные данные обрабатываются мозгом. Это означает, что и сами мы — тоже своего рода приборы, притом не слишком надежные; это может подтвердить любой, кто сталкивался с оптическими иллюзиями (рис. 8). Прелесть научных измерений в том и состоит, что по их данным — к примеру, по экспериментам, которые физики сегодня проводят с использованием больших и точных детекторов — мы можем безошибочно судить о различных аспектах физической реальности, в том числе о природе элементарных частиц и их свойствах.

Если интуиция подсказывает человеку, что наблюдения, сделанные непосредственно глазами, — надежнее всего и что всевозможных абстракций следует опасаться, то наука учит преодолевать эти предрассудки. Измерения, которые мы делаем при помощи разработанных нами инструментов, более достоверны, чем сделанные невооруженным глазом; кроме того, их результат можно улучшить и перепроверить путем повторных измерений.

РИС. 8. Наши глаза не всегда можно считать самым надежным средством оценки внешнего мира. Перед вами две одинаковых шахматных доски, но из?за точек квадратики на правой доске выглядят совершенно не так, как на левой

В 1611 г. даже церковь признала, что непрямые измерения достоверны. Том Левенсон в книге «Мера за меру» (Measure for Measure)[11] пишет, что ученое сообщество церкви должно было решить, можно ли доверять увиденному в телескоп. Кардинал Роберт Беллармин настаивал, что ученые мужи церкви должны обязательно и срочно разрешить этот вопрос, и 24 марта 1611 г. четверо ведущих церковных математиков объявили, что все открытия Галилея достоверны: телескоп действительно позволяет проводить точные и надежные наблюдения.

Еще одна памятная бронзовая медаль, которой поделились со мной падуанцы, прекрасно символизирует главные достижения Галилея. На одной стороне медали изображена сцена, где Галилей в 1609 г. представляет телескоп Синьории Венецианской республики и ее дожу Леонардо Дона. В надписи на другой стороне медали отмечается, что эта сцена «показывает истинное рождение современного астрономического телескопа» и символизирует «революцию в представлениях человека о мире за пределами планеты Земля», что этот «исторический момент выходит за рамки астрономии и является одной из отправных точек современной Науки».

Наблюдательные преимущества, полученные Галилеем, вызвали настоящий взрыв новых открытий. Устремляя взгляд в космос, Галилей раз за разом находил в нем новые объекты, недоступные невооруженному глазу. Он обнаружил звезды, которых никто прежде не видел, — они были густо рассеяны среди более ярких звезд, давно известных человечеству. Галилей опубликовал свои открытия в знаменитой книге 1610 г. «Звездный вестник» (Sidereus Nuncius), написанной всего за шесть недель. Пока печатник трудился над формами, Галилей спешно продолжал свои исследования; он хотел произвести впечатление на Козимо II Медичи, великого герцога Тосканского, — члена одной из богатейших семей Италии — и получить его поддержку, прежде чем те же данные опубликует какой?нибудь другой обладатель телескопа.

Наблюдения Галилея породили взрывное развитие теоретической науки. Галилей начал задавать необычные вопросы: он чаще спрашивал «как?», чем «почему?». Точные измерения и открытия, возможные только с применением телескопа, естественно, привели ученого к выводам, которые не могли не разгневать Ватикан. Они подтверждали, что Коперник был прав. Получалось, что единственная точка зрения, на базе которой можно непротиворечиво объяснить все его наблюдения, неразрывно связана с учением о том, что Солнце, а не Земля, является центром системы, вокруг которого обращаются все планеты.

Одним из главных достижений Галилея было открытие спутников Юпитера. Галилей видел, как эти луны появляются и исчезают, двигаясь по своим орбитам вокруг гигантской планеты. До этого считалось, что только неподвижностью Земли можно объяснить неизменность орбиты Луны. Наличие лун у Юпитера означало, что и планета, несмотря на свое движение, может иметь спутники. Понятно, что это добавило достоверности предположению о том, что и Земля может двигаться и даже обращаться вокруг какого?то другого тела. Само по себе это явление получило объяснение позже, когда Ньютон разработал свою теорию тяготения и сформулировал на ее основе предсказания о взаимном притяжении небесных тел.

Галилей назвал луны Юпитера медицейскими звездами в честь Козимо II Медичи, продемонстрировав тем самым прекрасное понимание важности финансирования — еще одного ключевого аспекта современной науки. Представители семейства Медичи действительно поддерживали исследования Галилея, однако позже, когда Галилей получил пожизненную пенсию от города Флоренции, четыре луны Юпитера в честь их первооткрывателя были переименованы в галилеевы спутники.

Галилей также использовал свой телескоп для наблюдения гор и долин на поверхности Луны. До его открытий считалось, что небеса неизменны и управляются с абсолютной регулярностью и постоянством. В системе аристотелевых взглядов, преобладавшей тогда, утверждалось, что, хотя все под луной несовершенно и непостоянно, небесные тела за пределами нашей планеты неизменны и имеют идеальную сферическую форму — в общем, состоят из некой божественной субстанции. При этом кометы и метеоры считались атмосферными, или погодными, явлениями — такими же, как ветры и облака, и современное слово метеорология восходит именно к такой системе взглядов. Подробные наблюдения Галилея позволяли предположить, что несовершенство — удел не только человеческого и подлунного мира. Луна оказалась не идеально гладкой сферой и была больше похожа на Землю, чем кто?либо осмеливался предположить. С открытием лунного рельефа противопоставление земных и небесных тел было поставлено под сомнение. Земля утратила свою уникальность и превратилась в обычное небесное тело, похожее на все остальные.

Историк искусств Джозеф Кернер объяснил мне, что распознать лунные кратеры по свету и тени Галилею помогла художественная подготовка. Галилея учили перспективе, поэтому ему легче было интерпретировать увиденное в телескоп. Он сразу понял смысл изображений, хотя они и не были полностью трехмерными. Он не собирался составлять карту Луны, а просто хотел понять структуру ее поверхности — и это ему удалось.

Третья значительная область наблюдений, подтвердившая точку зрения Коперника, имела отношение к фазам Венеры (рис. 9). Эти наблюдения были особенно важны, так как доказывали обращение небесных тел вокруг Солнца. Стало ясно, что Земля ни в чем не уникальна, а Венера не обращается вокруг нее.

РИС. 9. Наблюдения фаз Венеры, проведенные Галилеем, продемонстрировали, что она тоже должна обращаться вокруг Солнца, что подрывало систему Птолемея

Выяснилось, что с астрономической точки зрения Земля не является ничем особенным. Другие планеты вели себя точно так же — они обращались вокруг Солнца, а их спутники обращались вокруг них самих. Мало того, даже вне Земли, которая очевидно «запятнана» присутствием человека, далеко не все было так совершенно и безупречно. Даже на Солнце оказались пятна, которые тоже обнаружил Галилей.

Вооруженный новыми наблюдениями, Галилей пришел к выводу, что мы не являемся центром Вселенной и что Земля обращается вокруг Солнца! Галилей опубликовал свои радикальные выводы и тем самым бросил вызов церкви. Позже, однако, он публично отрекся от взглядов Коперника, чтобы ему заменили заключение в тюрьме на домашний арест.

Наблюдений и выводов о крупномасштабных космических объектах Галилею было недостаточно. Он умудрился радикально изменить и наши взгляды на маленькие объекты. Поняв, что через специальные инструменты можно наблюдать явления не только на крупных, но и на мелких масштабах, Галилей расширил пределы научных знаний в обе стороны. Помимо знаменитых астрономических наблюдений, он сумел повернуть технику внутрь — к исследованию микроскопического мира.

Я была немного удивлена, когда молодой итальянский физик Микеле Доро, водивший меня по выставке Сан–Гаэтано, уверенно заявил, что именно Галилей изобрел микроскоп. Я бы сказала, что за пределами Италии считается, что микроскоп был изобретен в Голландии, но, изобрел ли его Ханс Липперсгей, Захарий Янссен или его отец, можно только догадываться. Однако факт остается фактом: изобретал Галилей телескоп или нет (а скорее всего, нет), но микроскоп он точно построил и использовал для наблюдения мелких объектов. С помощью этого прибора можно было рассматривать насекомых с невиданной прежде подробностью. Насколько нам известно, Галилей первым описал в письме к своим друзьям микроскоп и его возможности. На выставке была представлена первая публикация, в которой описывались систематические наблюдения, которые можно было проводить при помощи галилеева микроскопа: в книге, датированной 1630 г., речь шла о детальном исследовании пчел, проведенном Франческо Стеллути.

Там же рассказывалось о том, как Галилей исследовал кости — а именно то, как в зависимости от размера костной ткани меняется особенности ее структура. Очевидно, что Галилей одним из первых осознал значение масштаба для науки и объяснения окружающего мира.

Выставка в Падуе не оставляла никаких сомнений в том, что Галилей в полной мере понимал методы и цели науки — ее количественную, предсказательную и концептуальную структуру, которая описывает определенные объекты и действует по точным и очень жестким правилам. Если эти правила дают точные предсказания об окружающем мире, значит, их можно использовать и для предсказания неизвестных пока явлений. Наука всегда ищет самую универсальную интерпретацию, способную объяснить все наблюдения и предсказать все явления.

История коперниковой революции прекрасно иллюстрирует и этот момент. Во времена Галилея великий астроном–наблюдатель Тихо Браге пришел к совершенно иным — и ошибочным — выводам о природе Солнечной системы. Он предложил странный компромисс системы Птолемея и системы Коперника, где Земля располагалась в центре мира, а остальные планеты обращались вокруг Солнца (сравнить системы можно на рис. 10). Вселенная Тихо хорошо согласовывалась с наблюдениями, но, откровенно говоря, это была не самая элегантная интерпретация. Однако она больше устраивала иезуитов, чем взгляды Галилея, потому что в предположениях Тихо Браге — как и в птолемеевой теории, которой наблюдения Галилея противоречили — Земля была неподвижна[12].

РИС. 10. Три варианта описания космоса. Птолемей утверждал, что Солнце вместе с Луной и другими планетами обращается вокруг Земли. Коперник утверждал (и верно), что все планеты обращаются вокруг Солнца. Тихо Браге постулировал, что все планеты, кроме Земли, обращаются вокруг Солнца, а само Солнце, как и Луна, обращается вокруг Земли, находящейся в центре Вселенной

Галилей быстро распознал внутренне противоречивую природу интерпретации Тихо Браге и пришел к верному и наиболее универсальному выводу. Соперник Ньютона Роберт Гук позже заметил, что и теория Коперника, и концепция Тихо Браге пре красно согласовывались с данными Галилея, но одна из них была более элегантной: «С точки зрения пропорций и гармонии Мира невозможно не согласиться с аргументами Коперника». Интуиция правильно подсказывала Галилею, что верна должна быть более красивая теория. В конце концов, когда ньютонова теория гравитации объяснила непротиворечивость устройства мира по Копернику и предсказала орбиты планет, интерпретация Галилея победила. Теория Тихо Браге, как и теория Птолемея, оказалась неверной. Она не вошла в позднейшие теории, потому что это было невозможно. Если эффективная теория, по существу, представляет собой приближенный вариант истинной теории, взятой при определенных ограничениях, то здесь не так: никакое приближение теории Коперника не дает нам ни одной из некоперниковых картин мира.

Как показала неудача теории Тихо Браге — и подтвердила физика Ньютона, — субъективный критерий экономности и красоты тоже может сыграть существенную роль в первоначальной научной интерпретации. Исследования подразумевают поиск законов и принципов, которые охватили бы и объяснили наблюдаемые структуры и взаимодействия. Если в распоряжении ученых имеется достаточное количество наблюдаемых данных, то в конце концов побеждает та теория, которая включает в себя все результаты и при этом обеспечивает базу для новых предсказаний. А вот на одной логике далеко не уедешь, и специалисты по физике элементарных частиц очень хорошо это знают: не зря им приходится ждать новых экспериментальных данных, которые помогут окончательно определить наши представления о фундаментальной природе Вселенной.

Галилей много сделал для создания фундамента, на котором и по сей день работают ученые. Он инициировал медленный процесс развития, знание которого помогает лучше понять природу науки (в частности, то, как при помощи непрямых наблюдений и экспериментов получать верные описания физических явлений), а также некоторые серьезные вопросы, которые ставят сегодня перед собой физики. Современная наука пытается согласовать наблюдения с теорией при помощи открытий и новшеств, которыми мы обязаны Галилею, — мы применяем и технические средства, и эксперименты, и теории, и математический аппарат. Главное, Галилей сумел распознать важность взаимодействия всех этих элементов науки в формировании физического описания мира.

Сегодня мы более свободны в своем мышлении. Исследуя далекие пределы пространства, мы наблюдаем, как развивается начатая Коперником революция, как возникают новые теории о возможных дополнительных измерениях или альтернативных вселенных. Новые идеи не проходят бесследно — человек все дальше и дальше уходит от представления о себе как о центре мироздания и в буквальном, и в переносном смысле. А в будущем наблюдения и эксперименты либо подтвердят, либо опровергнут наши предположения.

Непрямые методы наблюдений, впервые предложенные Галилеем, сегодня находят новое применение в сложнейших датчиках Большого адронного коллайдера. Завершающий экспонат падуанской выставки проиллюстрировал для нас эволюцию науки вплоть до сегодняшнего дня; на нем даже были представлены некоторые эксперименты, запланированные на БАКе. Наш гид признался, что все эти описания казались ему слишком сложными, путаными и непонятными, пока он не понял, что БАК — это предельное на сегодняшний день воплощение микроскопа, позволяющее заглянуть в самые мелкие из доступных человеку масштабов.

И сегодня, когда мы осваиваем новые пределы точности измерений, мысли Галилея о том, как следует планировать эксперименты и интерпретировать их результаты, сохраняют свою актуальность. Его наследие живет, пока мы продолжаем создавать устройства и получать с их помощью изображения объектов, невидимые невооруженным глазом. Мы и сегодня действуем в соответствии с его взглядами на то, как работают научные методы: чтобы подтвердить или опровергнуть новую научную гипотезу, мы ставим эксперименты. Участники конференции в Падуе размышляли о том, какие новые данные принесет нам ближайшее время и что, собственно, эти данные могут означать. Мы все надеемся, что науке в очередной раз удастся расширить пределы человеческих знаний. А пока продолжаем стучаться в двери небес.