Основным принципом аристотелевского представления о Вселенной было то, что небо и Земля – это две абсолютно различные сферы, состоящие из разных субстанций и управляемые разными законами. Движение небесных тел упорядоченное, математически точное и регулярное, в то время как движение земных тел хаотичное и нерегулярное и описывать его можно только качественно, но не количественно. Более того, характер движения тел на Земле определялся их тенденцией отыскать свое «естественное место». Для плотных тел таковым является движение вниз, к центру Земли. Таким образом, Аристотель различал неестественное движение тяжелых объектов вверх, так называемое «насильственное движение», и их «естественное движение», направленное вниз.
Аристотель, наблюдая за движением падающих тел, обнаружил, что их скорость различна в разных средах и зависит от того, являются ли данные среды «тонкими», как воздух, или «плотными», как жидкости. Он заметил, что тела, падая, достигают некой постоянной скорости и что эта скорость прямо пропорциональна их весу. Эти представления вполне согласуются с нашим повседневным опытом. Если мы бросим из окна мячик для гольфа и мячик для тенниса, то мячик для гольфа будет падать быстрее и упадет на землю первым. Если же мы бросим мячик для гольфа в бассейне, ему потребуется больше времени, чтобы достигнуть дна, чем в ходе падения из окна на землю. Стальной же шар в таком соревновании в бассейне опередит его. Ну и конечно, молоток в любом случае приземлится гораздо быстрее перышка.
Аристотель кодифицировал свои выводы в то, что современные философы науки называют научной парадигмой. Она выстраивалась на основе повседневных явлений, которые он пытался объяснить. Например, некий агент (лошадь), приводящий в движение некое тело (телегу) сталкивается с препятствиями (трением и другими видами сопротивления). В подобных обычных обстоятельствах движение почти всегда представляет собой баланс между силой и сопротивлением ей. Таким образом, Аристотель подходил к проблеме падения тел с точки зрения баланса сил: природная сила (естественная тенденция, которая, по его мнению, влекла тела к центру Вселенной) уравновешивалась сопротивлением (различной степенью плотности – мы сказали бы «вязкости» – среды, в которой они движутся). Аристотель также пришел к выводу, что при отсутствии сопротивления среды скорость падающих тел должна быть бесконечной.
Однако в концепции движения Аристотеля не нашлось места для ускорения. Ученые заметили это упущение великого греческого философа задолго до Галилея. Уже в шестом веке нашей эры византийский ученый Иоанн Филопон писал об экспериментах, опровергавших учение Аристотеля:
«Ибо, если вы бросите с одинаковой высоты два груза, из которых один во много раз тяжелее другого, вы увидите, что скорость их движения вовсе не пропорциональна их весу и что разница во времени [падения] очень невелика».
Более того, продолжает Филопон, если одно из тел лишь в два раза превосходит по весу другое, «во времени их [падения] вообще не будет никакой разницы или же она будет неуловимой»28.
В 1586 году, незадолго до того, как Галилей отправился в Падую, его современник фламандский математик Симон Стевин описал эксперименты, опровергавшие систему Аристотеля. Стевин бросал два свинцовых шара, один из которых был в десять раз тяжелее второго, с высоты в тридцать футов на дощатую поверхность, и в момент, когда шар приземлялся, был слышен звук удара. «И выяснилось, – писал Стевин, – что более легкий [шар] летел не в десять раз дольше, чем более тяжелый, а что они оба упали совершенно в одно время, так что оба звука от их падения слились в один удар»29. Короче говоря, Аристотель ошибался.
Во времена Галилея несколько итальянских ученых шестнадцатого столетия также описывали эксперименты с падающими телами, результаты которых противоречили положениям аристотелевской теории. Среди них был профессор Пизанского университета (преподававший в нем, когда там учился Галилей) по имени Джироламо Борро. Он писал, что несколько раз «подбрасывал» – Борро употребляет весьма двусмысленный глагол – тела одинакового веса, но разного размера и плотности и всякий раз, к своему изумлению, обнаруживал, что более плотные из них падали медленнее других30.
Подобно исследованиям всех великих ученых, чьи научные интересы отличались чрезвычайной широтой, исследования Аристотеля, конечно, не были свободны от ошибок и заблуждений. Но до Галилея большинство европейских мыслителей не рассматривали эти недостатки как нечто серьезное. Принципиальным достижением Галилея стала демонстрация того, что аристотелевская теория движения должна рассматриваться в контексте научной картины мира, включающей далеко не только проблему падения тел. И что теория движения, которая могла бы адекватно объяснить поведение падающих тел, должна включать понятие ускорения, а это, в свою очередь, требует создания принципиально иной картины мира.
Аристотелю было известно, что при падении тела набирают скорость (ускоряются), но он полагал, что для свободного падения это неважно. Он рассматривал ускорение как случайную и незначимую характеристику движения, которая имеет место между моментом начала движения тела и тем мгновением, когда оно достигает своей «естественной» скорости. Поначалу Галилей также разделял эту точку зрения. Однако со временем он пришел не только к пониманию важности феномена ускорения, но и к выводу, что ускорение нельзя просто «добавить» в систему Аристотеля. Если аристотелевская теория падения тел неверна, то ее невозможно «слегка подправить», ее необходимо полностью заменить другой теорией.
Галилей далеко не сразу пришел к такому заключению. Начинал он с предположения (считавшегося тогда вполне естественным), что Аристотель был во всем прав. И отдельные свидетельства обратного не могли заставить его сразу изменить свою точку зрения. К революционному пересмотру своих взглядов он пришел в результате целого ряда научных изысканий: как астрономических, так и вполне «наземных», включавших изучение движения маятника и падающих тел.
В своих ранних рассуждениях о поведении падающих тел – в не опубликованной при жизни рукописи «О движении» (написанной, вероятно, в первые годы работы в Пизанском университете) – Галилей придерживается точки зрения Аристотеля: тела падают со скоростью, зависящей от их плотности; это одно из наиболее «общих правил, руководящих соотношением скоростей [естественного] движения тел». Шар из золота должен падать со скоростью в два раза большей, чем шар такой же величины, сделанный из серебра, так как плотность первого почти в два раза превышает плотность второго. Очевидно, Галилей попытался проверить данное утверждение экспериментально, но, к своему удивлению и разочарованию, увидел, что правило не работает. Он пишет:
«Если взять два разных тела с такими характеристиками, что первое должно падать в два раза быстрее второго, и если потом бросить их с башни, первое из них не достигнет земли заметно быстрее и, уж конечно, не в два раза быстрее»31.
Из данного отрывка историки науки заключают, что даже на заре своей научной карьеры Галилей любые теоретические положения проверял на практике. Однако в том же сочинении Галилей делает странное замечание, что более легкое тело вначале опережает более тяжелое, но затем более тяжелое тело вновь нагоняет более легкое. Это замечание заставило некоторых исследователей серьезно усомниться либо в логической последовательности Галилея, либо в его экспериментаторских способностях.
Тем не менее через несколько лет Галилей изменил свою точку зрения на проблему падения тел и полностью отказался от принципов Аристотеля. Исследовательский процесс, который привел его к этому, был достаточно сложен и включал много различных экспериментов и теоретических размышлений, которые касались отнюдь не только движения земных тел. Многое в цепи его рассуждений было восстановлено исследователями научного творчества Галилея в ходе тщательного постраничного анализа его записных книжек. В своих книгах «Диалог о двух главнейших системах мира, Птолемеевой и Коперниковой» (1632) и «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых областей науки» (1638) Галилей предлагает серию аргументов относительно поведения падающих тел. Они представлены не очень привычным для нас способом: каждая книга состоит из длинных бесед, продолжающихся в течение нескольких дней между тремя собеседниками: Сальвиати, выражающим мысли самого Галилея; Симпличио (его имя означает «Простоватый»), который представляет аристотелевскую позицию и, возможно, ранние взгляды самого Галилея; и Сагредо, человека образованного и к тому же наделенного здравым смыслом.
