Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной
Шрифт:
Одним из главных достижений Галилея было открытие спутников Юпитера. Галилей видел, как эти луны появляются и исчезают, двигаясь по своим орбитам вокруг гигантской планеты. До этого считалось, что только неподвижностью Земли можно объяснить неизменность орбиты Луны. Наличие лун у Юпитера означало, что и планета, несмотря на свое движение, может иметь спутники. Понятно, что это добавило достоверности предположению о том, что и Земля может двигаться и даже обращаться вокруг какого-то другого тела. Само по себе это явление получило объяснение позже, когда Ньютон разработал свою теорию тяготения и сформулировал на ее основе предсказания о взаимном притяжении небесных тел.
Галилей назвал луны Юпитера медицейскими звездами в честь Козимо II Медичи, продемонстрировав тем самым прекрасное понимание важности финансирования — еще одного ключевого аспекта современной науки. Представители семейства
Галилей также использовал свой телескоп для наблюдения гор и долин на поверхности Луны. До его открытий считалось, что небеса неизменны и управляются с абсолютной регулярностью и постоянством. В системе аристотелевых взглядов, преобладавшей тогда, утверждалось, что, хотя все под луной несовершенно и непостоянно, небесные тела за пределами нашей планеты неизменны и имеют идеальную сферическую форму — в общем, состоят из некой божественной субстанции. При этом кометы и метеоры считались атмосферными, или погодными, явлениями — такими же, как ветры и облака, и современное слово метеорология восходит именно к такой системе взглядов. Подробные наблюдения Галилея позволяли предположить, что несовершенство — удел не только человеческого и подлунного мира. Луна оказалась не идеально гладкой сферой и была больше похожа на Землю, чем кто-либо осмеливался предположить. С открытием лунного рельефа противопоставление земных и небесных тел было поставлено под сомнение. Земля утратила свою уникальность и превратилась в обычное небесное тело, похожее на все остальные.
Историк искусств Джозеф Кернер объяснил мне, что распознать лунные кратеры по свету и тени Галилею помогла художественная подготовка. Галилея учили перспективе, поэтому ему легче было интерпретировать увиденное в телескоп. Он сразу понял смысл изображений, хотя они и не были полностью трехмерными. Он не собирался составлять карту Луны, а просто хотел понять структуру ее поверхности — и это ему удалось.
Третья значительная область наблюдений, подтвердившая точку зрения Коперника, имела отношение к фазам Венеры (рис. 9). Эти наблюдения были особенно важны, так как доказывали обращение небесных тел вокруг Солнца. Стало ясно, что Земля ни в чем не уникальна, а Венера не обращается вокруг нее.
Выяснилось, что с астрономической точки зрения Земля не является ничем особенным. Другие планеты вели себя точно так же — они обращались вокруг Солнца, а их спутники обращались вокруг них самих. Мало того, даже вне Земли, которая очевидно «запятнана» присутствием человека, далеко не все было так совершенно и безупречно. Даже на Солнце оказались пятна, которые тоже обнаружил Галилей.
Вооруженный новыми наблюдениями, Галилей пришел к выводу, что мы не являемся центром Вселенной и что Земля обращается вокруг Солнца! Галилей опубликовал свои радикальные выводы и тем самым бросил вызов церкви. Позже, однако, он публично отрекся от взглядов Коперника, чтобы ему заменили заключение в тюрьме на домашний арест.
Наблюдений и выводов о крупномасштабных космических объектах Галилею было недостаточно. Он умудрился радикально изменить и наши взгляды на маленькие объекты. Поняв, что через специальные инструменты можно наблюдать явления не только на крупных, но и на мелких масштабах, Галилей расширил пределы научных знаний в обе стороны. Помимо знаменитых астрономических наблюдений, он сумел повернуть технику внутрь — к исследованию микроскопического мира.
Я была немного удивлена, когда молодой итальянский физик Микеле Доро, водивший меня по выставке Сан–Гаэтано, уверенно заявил, что именно Галилей изобрел микроскоп. Я бы сказала, что за пределами Италии считается, что микроскоп был изобретен в Голландии, но, изобрел ли его Ханс Липперсгей, Захарий Янссен или его отец, можно только догадываться. Однако факт остается фактом: изобретал Галилей телескоп или нет (а скорее всего, нет), но микроскоп он точно построил и использовал для наблюдения мелких объектов. С помощью этого прибора можно было рассматривать насекомых с невиданной прежде подробностью. Насколько нам известно, Галилей первым описал в письме к своим друзьям микроскоп и его возможности.
Там же рассказывалось о том, как Галилей исследовал кости — а именно то, как в зависимости от размера костной ткани меняется особенности ее структура. Очевидно, что Галилей одним из первых осознал значение масштаба для науки и объяснения окружающего мира.
Выставка в Падуе не оставляла никаких сомнений в том, что Галилей в полной мере понимал методы и цели науки — ее количественную, предсказательную и концептуальную структуру, которая описывает определенные объекты и действует по точным и очень жестким правилам. Если эти правила дают точные предсказания об окружающем мире, значит, их можно использовать и для предсказания неизвестных пока явлений. Наука всегда ищет самую универсальную интерпретацию, способную объяснить все наблюдения и предсказать все явления.
История коперниковой революции прекрасно иллюстрирует и этот момент. Во времена Галилея великий астроном–наблюдатель Тихо Браге пришел к совершенно иным — и ошибочным — выводам о природе Солнечной системы. Он предложил странный компромисс системы Птолемея и системы Коперника, где Земля располагалась в центре мира, а остальные планеты обращались вокруг Солнца (сравнить системы можно на рис. 10). Вселенная Тихо хорошо согласовывалась с наблюдениями, но, откровенно говоря, это была не самая элегантная интерпретация. Однако она больше устраивала иезуитов, чем взгляды Галилея, потому что в предположениях Тихо Браге — как и в птолемеевой теории, которой наблюдения Галилея противоречили — Земля была неподвижна [12] .
12
Во времена инквизиции католическая церковь не включала труды Тихо Браге в список запрещенных книг, как можно было ожидать исходя из его принадлежности к протестантизму, так как в его теории Земля была неподвижна, и тем не менее наблюдения Галилея ей прямо не противоречили. —Прим. авт.
Галилей быстро распознал внутренне противоречивую природу интерпретации Тихо Браге и пришел к верному и наиболее универсальному выводу. Соперник Ньютона Роберт Гук позже заметил, что и теория Коперника, и концепция Тихо Браге пре красно согласовывались с данными Галилея, но одна из них была более элегантной: «С точки зрения пропорций и гармонии Мира невозможно не согласиться с аргументами Коперника». Интуиция правильно подсказывала Галилею, что верна должна быть более красивая теория. В конце концов, когда ньютонова теория гравитации объяснила непротиворечивость устройства мира по Копернику и предсказала орбиты планет, интерпретация Галилея победила. Теория Тихо Браге, как и теория Птолемея, оказалась неверной. Она не вошла в позднейшие теории, потому что это было невозможно. Если эффективная теория, по существу, представляет собой приближенный вариант истинной теории, взятой при определенных ограничениях, то здесь не так: никакое приближение теории Коперника не дает нам ни одной из некоперниковых картин мира.
Как показала неудача теории Тихо Браге — и подтвердила физика Ньютона, — субъективный критерий экономности и красоты тоже может сыграть существенную роль в первоначальной научной интерпретации. Исследования подразумевают поиск законов и принципов, которые охватили бы и объяснили наблюдаемые структуры и взаимодействия. Если в распоряжении ученых имеется достаточное количество наблюдаемых данных, то в конце концов побеждает та теория, которая включает в себя все результаты и при этом обеспечивает базу для новых предсказаний. А вот на одной логике далеко не уедешь, и специалисты по физике элементарных частиц очень хорошо это знают: не зря им приходится ждать новых экспериментальных данных, которые помогут окончательно определить наши представления о фундаментальной природе Вселенной.