Нам сегодня, конечно, трудно представить, насколько нетривиальным по тем временам должен был быть образ мыслей человека, который осмелился утверждать, что Земля движется! И дело здесь не только в противопоставлении своих выводов канонам церкви. Ведь тогда в самой науке господствовало учение Аристотеля, согласно которому для поддержания движения все время необходимо действие силы (о движении по инерции тогда ничего не знали!). Поэтому считалось, что если бы Земля вращалась, то это сказывалось бы на земных явлениях: воздух должен бы стремиться оставаться неподвижным, и на вращающейся Земле бушевали бы ураганы, падающие с башни тела отставали бы от поверхности Земли, уносящейся вращением, и не падали бы к основанию башни и т. д.
Таким образом, Н. Копернику прежде всего приходилось выступать против укоренившихся веками предрассудков о движении, имевшихся в учении Аристотеля.
Трудность преодоления этих убеждений заключалась еще в том, что в то время считалось: для получения сведений о природе вовсе не надо обращаться к опытам, к эксперименту. Достаточно только хорошенько поразмыслить, и истину можно установить чисто логическими умозаключениями.
Н. Коперник на основе астрономических наблюдений не только создал новое представление о Солнечной системе, но, по сути, первым выступил против догм Аристотелевой физики. Он понял, что на движущейся по инерции Земле все должно происходить так же, как на неподвижной: «И почему нам не отнести видимость суточного вращения к небу, а его действительность к Земле?.. Потому что, когда корабль идет по спокойной воде, все, что находится вне его, представляется морякам движущимся в соответствии с движением корабля; сами же они со всем, с ними находящимся, будто бы стоят на месте. Это же без сомнения может происходить и при движении Земли, так что можно прийти к мнению, будто вращается вся Вселенная. Что же теперь сказать нам об облаках и обо всем остальном, так или иначе парящем, опускающемся и поднимающемся в воздухе, как не то, что движется не только суша вместе со связанной с ней водной стихией, но и немалая часть воздуха и все, что так или иначе соединено с Землей…
…Поэтому ближайший к Земле воздух вместе со всем в нем парящим должен казаться нам спокойным, если, как это случается, его не гонит то туда, то сюда ветер или любая другая внешняя сила».
В этом отрывке ясно говорится, по существу, об относительности движения и о свойствах движения по инерции, окончательная формулировка которых была дана Галилеем столетие спустя.
Наверное, действительно каждый человек, когда он в детстве и юности знакомится с законами механики, должен сделать над собой заметное усилие, чтобы понять, что в движущемся закрытом экипаже отпущенный с некоторой высоты предмет упадет к ногам точно так же, как и в стоячем экипаже. Сегодня, в эпоху частых поездок на поездах и полетов на самолетах, ко всему этому привыкают с детства. Но тем не менее я отчетливо помню, как в возрасте около десяти лет в кузове грузовика, быстро мчавшегося по херсонской степи, я с удивлением раз за разом наблюдал падение шарика на пол кузова точно под моей рукой, хотя скорость передвижения грузовика была огромной по моим детским понятиям и мне казалось, что пол грузовика должен уноситься в этом движении из-под падающего шарика. Нелегко было понять, что выпущенный из рук шарик продолжает по инерции двигаться вместе с грузовиком по степи, сохраняя ту скорость движения, которую он имел в моих руках вместе со мной и грузовиком до того, как я его отпускал.
Учение Н. Коперника поначалу не вызывало особого беспокойства католической церкви. Этому способствовало предисловие к книге «О вращении небесных сфер», которое было анонимным. В этом предисловии (автором его был богослов Оспандер) говорилось, что цель автора состояла лишь в предложении способа математического вычисления наблюдаемого положения небесных светил и что он вовсе не пытается выяснить действительное движение этих тел. «Гипотезы его, — говорилось в предисловии, — могут быть и несправедливыми, могут быть даже невероятными; достаточно, если они приводят нас к вычислениям, удовлетворяющим нашим наблюдениям».
Однако в начале XVII века, когда учение Коперника начало широко распространяться и реально угрожать церковным догматам, книга его была занесена церковью в «Индекс запрещенных книг», где находилась в течение более двух веков.
В это время Г. Галилей (1564–1642) создал новое понимание физики, сформулировал первые по-настоящему обоснованные начала науки о времени, нашедшие свое четкое воплощение в последующих трудах И. Ньютона.
Г. Галилей сделал в науке много важных открытий, о которых читатель, без сомнения, знает. Но самым важным, безусловно, является его новый подход к естественным наукам, его убеждение, что для исследования природы в первую очередь необходимо ставить продуманные опыты. Только проверяя предположения экспериментом, только «задавая Природе вопросы», можно понять окружающий мир. В этом он резко расходился с Аристотелем, который считал возможным познание мира чисто логическим путем. Г. Галилей утверждал также, что поверхностные наблюдения без должного анализа могут приводить к ложным заключениям.
Все это вместе явилось началом современного научного метода исследования природы. «Наука, связывающая теорию и эксперимент, фактически началась с работ Галилея», — писал А. Эйнштейн.
Открытия Г. Галилея в физике основаны на многочисленных проведенных им опытах. Для нашего повествования особенно важным является его открытие инерции и инерциального движения.
В повседневной жизни наглядные наблюдения за движением тел веками убеждали людей в том, что если не поддерживать движения, не подталкивать, скажем, катящийся шар, то тело останавливается. Аристотель подытожил все эти наблюдения так: «Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие». Но мы знаем сегодня, что катящийся шар останавливается вовсе не потому, что на него не действует подталкивающая сила, а потому, что его тормозит сила трения, связанная с неровностями поверхности и с сопротивлением воздуха. Если делать поверхность все ровней и ровней и убрать сопротивление воздуха, то шар будет катиться все дальше. В пределе шар никогда не остановится. Таков был вывод Г. Галилея: «…движение по горизонтали является вечным, ибо если оно является равномерным, то оно ничем не ослабляется, не замедляется и не уничтожается».
Закон движения по инерции, открытый Г. Галилеем, лежит в основе принципа механической относительности.
Этот принцип означает, например, что независимо от того, стоит корабль или равномерно движется по спокойной воде, в каюте на корабле все процессы будут протекать совершенно одинаково. Мы можем ходить, бросать предметы, мухи могут свободно летать по каюте, и движение корабля на всем этом никак не сказывается. Вот что говорит по этому поводу один из действующих лиц в книге Г. Галилея «Диалоги о двух главнейших системах мира» Сальвиати: «Запритесь с кем-нибудь из друзей в кают-компании под палубой большого корабля, взяв с собой мух, бабочек и других небольших летающих животных. Возьмите и большой сосуд с водой, в котором плавают рыбы. Повесьте бутыль, из которой капля по капле вытекает вода в широкий сосуд внизу. Пока ваше судно стоит на месте, внимательно наблюдайте, как насекомые летают по помещению с одинаковыми скоростями во все стороны. Рыбы плавают как угодно, не предпочитая какого-либо особого направления. Капли падают в сосуд под бутылью.
Если же вы бросите что-нибудь вашему другу, то вы приложите одинаковое усилие, в каком бы направлении ни бросали, если расстояния одинаковы. Прыгая обеими ногами сразу, вы будете пролетать одинаковое расстояние в любом направлении. Тщательно пронаблюдав все это (хотя вы и не сомневались, что все будет происходить именно так, пока корабль стоит на месте), отдайте команду, чтобы корабль начал двигаться с любой скоростью, лишь бы его движение было равномерным и не подвергалось каким бы то ни было возмущениям. Ни в одном из указанных процессов вы не обнаружите ни малейших изменений и не сможете ни по одному из них узнать, движется корабль или стоит на месте. Прыгая, вы будете пролетать над полом те же расстояния, что и раньше, и ваши прыжки в сторону кормы не окажутся длиннее прыжков в сторону носа корабля, несмотря на то, что, пока вы находились в воздухе, пол под вами двигался в направлении, противоположном вашему. Для того чтобы перебросить какой-нибудь предмет вашему другу, вам не понадобится затратить большее усилие, если ваш друг стоит ближе к носу корабля, а не к корме, когда вы расположились против него. Капли будут продолжать падать в стоящий внизу сосуд, не отклоняясь к корме, хотя, пока они летят в воздухе, судно успевает передвинуться на несколько пядей. Рыбы будут плавать в воде в своем сосуде с одинаковой легкостью во все стороны и в равной мере хватать приманку, в какой бы угол сосуда мы ее ни поместили. Наконец, бабочки и мухи будут совершать полеты равно во всех направлениях, и вы никогда не обнаружите, что они скопились у кормы, как бы устав поспевать за ходом корабля, от которого они были отделены, находясь длительное время в воздухе».