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".
Это удивительно яркое описание является одним из первых описаний принципа относительности движения. Заметим, что произведения Г. Галилея - это не только сокровища человеческой мысли, но и выдающиеся литературные произведения. Итальянские школьники изучают их именно как литературное наследие своей страны.
Никакие механические опыты внутри каюты не помогут определить, движется ли корабль или покоится. Как уже говорилось, в наше время постоянных переездов и перелетов мы давно к этому привыкли. Для нас ясно, что утверждение, например, "чашка покоится" бессмысленно, если не будет указано, по отношению к чему чашка покоится. В летящем самолете чашка может стоять на нашем столике и покоиться по отношению к нам, но вместе с нами и с самолетом стремительно двигаться относительно Земли. Мы можем не спеша идти по салону самолета и в то же время с большой скоростью передвигаться по отношению к Земле. Всякий покой и движение тела, его скорость относительны, имеют смысл только когда указано, по отношению к какой "лаборатории" эти понятия употребляются.
Это открытие Г. Галилея - открытие того, что все происходит совершенно одинаково независимо от равномерного движения "лаборатории", в которой проводятся наблюдения, - и явилось научным аргументом против утверждения сторонников неподвижности Земли во Вселенной. Следуя Н. Копернику, Г. Галилей утверждал: "Положим в основу нашего познания то, что, каково бы ни было движение Земли, для нас, обитателей ее, оно незаметно, пока мы судим о нем по земным вещам".
Г. Галилей был страстным пропагандистом учения Коперника, в истинность которого он непоколебимо верил. Открытия в физике и астрономии сделали его самым знаменитым ученым в Европе. Поначалу католическая церковь старалась осторожными увещеваниями склонить его на ту точку зрения, что учение Коперника только удобная для вычисления гипотеза (как утверждал Оспандер в предисловии к книге Н. Коперника). Кардинал Беллормино писал стороннику коперниковского учения патеру Факарини: "Мне кажется, что Вы и сеньор Галилео поступили бы осторожно, если бы удовлетворились высказываниями suppositione (предположительно), но не абсолютно; так говорил, как я всегда думал, и Коперник. Действительно, когда утверждают, что в предположении, будто Земля движется и Солнце стоит неподвижно, все наблюдаемые явления спасаются лучше, чем при задании эпициклов и эксцентров, то это прекрасно сказано и не заключает в себе никакой опасности; а этого и достаточно для математики; но когда начинают говорить, что Солнце действительно стоит в центре мира и что оно только вращается вокруг самого себя, но не движется с востока на запад, и что Земля находится на третьем небе (третья по порядку планета от Солнца) и с большой скоростью вращается вокруг Солнца, то это вещь очень опасная и не только потому, что она раздражает всех философов и ученых-богословов, но и потому, что она вредит Св. вере, поскольку из нее вытекает ложность Св. писания".