Физика. Великие открытия: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Поэтому, когда нам придется на страницах этой книги из отдельных фрагментов, из обрывков дошедших сведений восстанавливать в своем воображении картины прошлого, мы можем подбадривать себя мыслью о том, что участвуем в творчестве, и чем труднее нам будет поначалу, тем большую ценность будет иметь наше творчество.

А теперь — в путь. Через границы веков и государств, по страницам исторических фолиантов и научных трактатов — в поисках истоков легенд, которые до сих пор будоражат воображение, тайно зовут отдаться воле случая, чтобы, найдя их, обнаружить там истину.

Глава 2. Открытие закона плавающих тел

Архимед ок. 287–212 г. до н. э.

Архимед, один из величайших ученых Древней Греции, блестящий математик и механик, жил в Сиракузах в III веке до н. э. В то время в Сиракузах правил царь Гиерон. Однажды Гиерон, получив от мастеров заказанную им золотую корону, усомнился в их честности: ему показалось, что они утаили часть золота, выданного на ее изготовление, и заменили его серебром. Но как уличить ювелиров в подделке? Вызвал Гиерон Архимеда, к тому времени уже прославившегося остроумными решениями многих проблем, и поручил ему определить, есть ли в золотой короне примесь серебра.

Сейчас такая задача по плечу даже школьнику. Удельный вес каждого из металлов есть в любом справочнике, определить удельный вес сплава совсем не трудно: взял образец, взвесил его, потом опустил в воду и определил объем вытесненной им жидкости, поделил первое число на второе и по соотношению удельных весов нашел долю каждого металла. Вот и вся премудрость.

Но 2200 лет назад Архимед, выйдя после царской аудиенции, даже не знал, что такое удельный вес. Задача перед ним стояла в самом общем виде, и никаких конкретных путей ее решения он найти не мог. Но искал их. Искал постоянно, не переставая думать об этом, когда занимался другими делами. Иначе, если бы выкидывал ее из головы всякий раз, как прекращал работу, не могло бы произойти то прямо-таки сказочное событие, которое и легло в основу легенды.

Случилось оно, как говорят, в бане. Бани в то время представляли собой место не только для мытья, но и для светских встреч, развлечений, спортивных игр. Поначалу Архимед, наверное, поупражнялся гирями, потом зашел в парильню, там его помассировали, потом он поговорил с друзьями, может быть, рассказал им о своем последнем посещении царя Гиерона — прием у царя всегда событие, — не исключено, что поведал о его задаче и посетовал на трудность решения. А потом он, как и полагается, намылился золой и полез в ванну.

И вот тут-то и случилось главное. Собственно, ничего нового не случилось, произошло то, что бывает всякий раз, когда любой человек, даже не ученый, садится в любую, даже не мраморную ванну — вода в ней поднимается. Но то, на что обычно Архимед не обращал никакого внимания, вдруг заинтересовало его. Он привстал — уровень воды опустился, он снова сел — вода поднялась; причем поднималась она по мере погружения тела. И вот в этот миг Архимеда осенило. Он усмотрел в десятке раз проведенном опыте намек на то, как объем тела связан с его весом. И понял, что задача царя Гиерона разрешима. И так обрадовался своей случайной находке, что как был — голый, с остатками золы на теле — побежал домой через город, оглашая улицу криками: «Эврика! Эврика!» — «Нашел! Нашел!»

Вот так Архимед, согласно легенде, нашел решение задачи Гиерона, подробно изложенное ныне в каждом школьном учебнике.

Стоит ли ей верить?

Ассоциация, возникшая в голове ученого, должна была либо появиться сразу же, либо не появиться никогда, она достаточно наглядна, если поставленную задачу держать все время перед глазами. А повеление царя не пустяк. И хотя Архимед был слишком крупным ученым и слишком известным гражданином Сиракуз, чтобы мы могли предположить, будто он, дрожа от подобострастия, сломя голову побежал выполнять волю Гиерона, но все же в те времена, когда благополучие ученого целиком зависело от милости его покровителя, к просьбам монарха легкомысленно не относились. И потом, думаю, Архимеда, как истинного ученого, увлекла сама задача, он размышлял не о конечной цели заказанной ему работы — уличить ювелиров, а о ее сути — о возможности как-то отличать металлы в сплаве. Поэтому, когда ученый, целиком поглощенный обдумыванием различных возможностей, получил неожиданно внешний толчок, мысль мгновенно устремилась от собственного тела, вытесняющего воду, к короне, и мелькнувшее решение показалось столь неожиданно простым, что Архимёд не удержался и…

Архимед («Эврика!»). Иллюстрация к базельскому изданию 1575 года «Десяти книг об архитектуре» Витрувия.

И вот в том, что он сделал дальше, я сильно сомневаюсь. Все, что было до этого, представляется весьма вероятным, во всяком случае против этого нет никаких логических возражений, даже против места, где было сделано открытие, потому что оно хоть и самое неподходящее для научной работы, но в данном случае единственно возможное. А вот бег из бани голым по городу как-то не вяжется с обликом Архимеда, человека, быть может, и рассеянного и углубленного в себя, но, право же, слишком известного и уважаемого в Сиракузах, чтобы не подумать о своей репутации. Но простим эту маленькую деталь авторам легенды, она, безусловно, очень эффектна, очень театральна и несомненно украшает историю об ученом, случайно натолкнувшемся на истинное решение. Но случайно ли от этого само открытие?

Если бы Архимед на том и успокоился, то есть определил, взвешивая корону в воде, есть ли в ней серебро, доложил бы об этом Гиерону и, довольный собой, своей работой и царской милостью, отправился заниматься другими делами, а этот случай выкинул из головы, то тогда нам пришлось бы согласиться: да, это решение случайно, как и сама работа. Но Архимед поступил иначе, как и должен был поступить настоящий ученый. Решение частной задачи о сплаве натолкнуло его на мысль о законе, который относится ко всем телам и который не случайно носит имя его автора. Мы учили его: на всякое тело, погруженное в жидкость, действует со стороны этой жидкости подъемная сила, направленная вверх и равная весу вытесненной телом жидкости. Когда мы опускаемся в ванну, то чувствуем на себе действие этого закона — как и почувствовал его Архимед; но мы уже знаем, в чем здесь дело, а он не знал, он должен был понять это первым из людей.

И он понял, и не узко, не только применительно к сплавам, и поэтому, кроме доклада царю, содержащему, по-видимому, расчеты, связанные с короной, появилось позже еще одно сочинение, где ничего не говорится о короне, но зато говорится о плавающих телах. Причем обоснование закона дано здесь не только эмпирически: Архимед приводит геометрическое доказательство, и мало этого — он рассматривает не горизонтальную поверхность жидкости, а сферическую, как и следует из предположения о шарообразности Земли. Этот штрих сразу показывает тот всеобщий характер, какой придавал своему закону Архимед. И когда читаешь его простое и ясное доказательство, то понимаешь, сколь прав был древнегреческий философ и писатель Плутарх, с почтением писавший о своем великом соотечественнике: «Если бы кто-либо попробовал сам разрешить эти задачи, он ни к чему не пришел бы, но если бы он познакомился с решением Архимеда, у него тотчас бы получилось такое впечатление, что это решение он смог бы найти и сам, — столь прямым и кратким путем ведет нас к цели Архимед».

Первое сочинение — я имею в виду расчет состава царской короны — до нас не дошло, и поэтому мы не знаем точно ни обстоятельств, связанных с решением задачи Гиерона, ни судьбы мастеров, изготовивших корону. Второе же сочинение-трактат «О плавающих телах» — нам известно и дает полное право утверждать: открытие закона Архимеда не случайно.

Ведь не были же случайны все его другие открытия: аксиома Архимеда, на которой построен в современной арифметике и геометрии процесс последовательного деления; архимедов винт — устройство, изобретенное для перекачки жидкостей и применяемое до сих пор во многих машинах; закон рычага, позволяющий с помощью сравнительно небольшого усилия поднимать большие грузы; прибор для измерения видимого диаметра Солнца; небесный глобус, на котором можно видеть движение планет, солнечное и лунное затмение; и еще многие-многие математические исследования и инженерные находки, которых бы вполне хватило на успешную деятельность нескольких людей.

Даже античные историки, нередко склонные к приукрашиванию подвигов своих героев — а Архимед был героической фигурой, — нигде не намекают более на случайность его творчества. Так правомерно ли тогда говорить о случайности открытия удельного веса и закона о плавающих телах? Человек, столь тонко разбирающийся в математике, механике, астрономии, уже не раз показавший, на что способен его проницательный ум, разве не решил бы он задачу царя Гиерона, даже если бы не помог ему случай с ванной? Все равно бы решил — пусть чуть позже, пусть путем каких-то иных ассоциаций, может быть, наблюдая различную осадку по-разному нагруженных галер.

Приди Архимед к такому же решению не в бане, а дома, вспомнив одно из своих прежних купаний, и никто не решился бы утверждать, что ученый случайно натолкнулся на открытие. Наоборот, сказали бы, что не случайно правильное решение нашел именно Архимед — человек, способный использовать разрозненные наблюдения для обобщений, имеющих универсальный, всеобъемлющий характер. Ведь в сближении вроде бы далеких явлений и заключается один из мощнейших методов научного мышления. С этой точки зрения, использование наблюдений над погружением в воду собственного тела — вполне правомерный прием и вовсе даже не случайный, а обязательный. Значит, все дело в несколько случайном месте и кажущемся случайным поводе.

Глава 3. Открытие закона всемирного тяготения

Исаак Ньютон 1643–1727

Исаака Ньютона, одного из величайших ученых, мы знаем в основном как автора знаменитого закона всемирного тяготения, хотя школьный учебник познакомил нас в общих чертах не только с этим, но и с некоторыми другими его законами, составляющими и поныне основу физической картины мира.

Жизнь Ньютона, история его открытий стали предметом пристального внимания ученых и историков. Однако в биографиях Ньютона много противоречий; вероятно, это связано с тем, что сам Ньютон был весьма скрытным человеком и даже подозрительным и не так уж часты были в его жизни моменты, когда он приоткрывал свое истинное лицо, свой строй мыслей, свои страсти. Ученые до сих пор пытаются по сохранившимся бумагам, письмам, воспоминаниям воссоздать его жизнь и, что самое главное, его творчество, но, как заметил один из английских исследователей творчества Ньютона, «это в значительной мере работа детектива».

Возможно, скрытность Ньютона, его нежелание пускать посторонних в свою творческую лабораторию и дали толчок к возникновению легенды о падающем яблоке. Во всяком случае, существуют воспоминания друга Ньютона, Стукелея, где он, якобы со слов самого Ньютона, рассказывает, будто мысль о законе всемирного тяготения созрела у ученого в тот момент, когда он увидел, как с яблони упало на землю яблоко. Эта легенда столь прочно укоренилась в истории, что дерево в саду Ньютона, откуда сорвалось это знаменитое яблоко, в течение почти столетия, пока его не сломала буря, было музейным экспонатом. На него непременно стремились взглянуть все, кому посчастливилось посетить родовое имение семьи Ньютонов в Вулсторпе, неподалеку от Кембриджа.