Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Вызов Койре бросил историк науки Томас Сеттл, молодой и никому не известный на тот момент аспирант Корнелльского университета. В 1961 году он самым дотошным образом воспроизвел эксперимент Галилея в комнате студенческого общежития, которую он занимал вместе с несколькими другими аспирантами. Сеттл с самого начала решил использовать «только то оборудование и те процедуры, которые были доступны Галилею или которые не более совершенны, чем те, что были ему доступны». Он взял длинную сосновую доску, набор деревянных блоков, цветочный горшок со вставленной в него небольшой стеклянной трубкой плюс градуированный цилиндр (водяной таймер) и шары двух типов: бильярдный шар в 2 1/4 дюйма и шарик от шарикоподшипника в 7/8 дюйма. Чтобы эксперимент сработал, требовалась определенная сноровка. Сеттл обнаружил, что исследователь «должен провести некоторое время, чтобы почувствовать оборудование и ритм эксперимента. Он должен сознательно настроить свои реакции. И каждый день или после каждого перерыва следует проводить несколько испытательных подготовительных прогонов».

Как и предполагал Койре, самой сложной составляющей эксперимента было измерение времени скатывания шара. Тем не менее Сеттл добился получения очень точных данных, соответствующих закону Галилея, и пришел к выводу, что эксперимент Галилея «был технически выполним в его время» и что при наличии определенной практики таймер, изготовленный из цветочного горшка, можно довести до точности почти в одну десятую секунды, на которую ссылался Галилей. Сеттл опубликовал результаты воспроизведения галилеевского эксперимента в журнале Science , включив в статью диаграммы и таблицы с данными (рис. 7). Несмотря на определенную аспирантскую браваду, звучавшую в заявлении Сеттла, что повторение эксперимента «в том виде, в каком Галилей его описывает… очень просто и не вызывает особых трудностей», статья остается великолепным руководством по воспроизведению этого эксперимента41.

Исследования Сеттла доказали, что с помощью эксперимента с наклонной плоскостью возможно обосновать закон движения с равномерным (постоянным) ускорением. Тем не менее многие историки науки продолжали считать, что Галилей не мог проводить тех экспериментов, которые описывал, то есть не мог с помощью описанного метода прийти к тем выводам, которые ныне известны как закон прямолинейного равноускоренного движения. Эти историки полагали, что Галилей сначала в ходе чисто абстрактных рассуждений открыл математический закон, а затем создал описанное им устройство, чтобы проиллюстрировать этот закон. Главной причиной их скепсиса оставались водяные часы. Ученые считали, что Галилей не мог с их помощью прийти к точной формулировке своего закона.

Рис. 7. Схема установки Томаса Сеттла, с помощью которой он пытался воспроизвести эксперимент Галилея с наклонной плоскостью

В 1970-е годы Стиллман Дрейк, исследователь научного творчества Галилея, в очередной раз решил проверить основательность этой точки зрения. Внимательно изучая рукописи, в изобилии сохранившиеся в архиве ученого, Дрейк смог идентифицировать те из них, которые относились к методике проведения эксперимента, и в конце концов сделал вывод, что Галилей действительно использовал наклонные плоскости, однако время он измерял способом, основанным на его превосходном музыкальном образовании. Умелый лютнист, Галилей великолепно чувствовал ритм. Хороший музыкант способен без особого труда отсчитать ритм не хуже точных часов. Дрейк решил, что Галилей установил на пути скатывания шара по наклонной плоскости поперечные порожки из жил – подобные тем, что использовались в старинных струнных щипковых инструментах для разделения грифа на лады. Когда шар катился по желобу и подскакивал на порожке, раздавался явственно слышный щелчок. Галилей, по мнению Дрейка, разместил порожки таким образом, что равномерно следующие друг за другом щелчки воспроизводили темп, типичный для вокального произведения той поры, составляющий 108 ударов в минуту. Стоило Галилею определить на слух точные временные интервалы, как ему осталось лишь измерить расстояние между порожками. Оно равномерно увеличивалось по мере того, как шар набирал скорость, в прогрессии 1, 3, 5… что позволило ученому в дальнейшем разработать более сложный эксперимент, который был описан в «Беседах и математических доказательствах» и который воспроизвел Сеттл42. Короче говоря, Галилей на самом деле был весьма искусным и тонким экспериментатором.

* * *