Европейская физика XVI века

Свойства переходной эпохи проявляются в XVI веке таким множеством противоположностей, что общая характеристика ее весьма затруднительна. Со всех сторон пробиваются к свету новые теории, везде ставятся новые цели, везде старое упорно восстает против нового, подкапывающегося под его существование; а так как старое и новое не в состоянии уничтожить друг друга, то они продолжают существовать рядом. Мы находим всюду борьбу противоположных мнений. Покоя нет на протяжении всего этого столетия, и лишь следующий, XVII век принесет решение большей части вопросов.

Оптика, как всегда, находит деятельных работников. Ход прямолинейных световых лучей при зеркальном отражении и преломлении продолжает быть предметом изучения, но настоящих физических исследований природы света еще нет.

Акустика и учение о теплоте остаются почти не затронутыми новыми веяниями. В отношении к учению о теплоте это, впрочем, неудивительно, так как и в древности этот отдел физики был в загоне, а следовательно, не существовало исходных точек для исследования в этой области. Теплота считалась стихией, к которой трудно подступиться, особенно за неимением прибора для измерения теплоты, ведь он был сконструирован лишь в XVII веке после многих неудачных попыток. Слово «температура» выражает понятие о смешении различных элементов, подобно употребляемому в медицине слову «темперамент»; этим термином обозначается равновесие между некоторыми неизменными противоположностями.

А вот застой в акустике удивителен, так как древность дала много указаний для ее разработки, и музыка достигла уже блестящих результатов. Гвидо из Ареццо (умер в 1050) изобрел систему линий для обозначения высот тонов, а сами тоны обозначил наименованиями ut, re, mi, fa, sol, la, к которым было впоследствии присоединено si. Жан де-Мер (1310–1360) стал употреблять в нотах головки для обозначения их продолжительности. Франк Кельнский (XIII столетие) разработал контрапункт, а голландцы довели до значительного совершенства строгую многоголосую композицию. В XVI веке итальянцы превзошли голландцев, и церковная итальянская музыка достигла высшего развития.

Но при всем этом только Галилей, основатель новейшей физики, принялся в XVII веке снова за акустические исследования.

Физика христианской Европы обнаруживает связь с прошлым непосредственнее других ветвей естествознания. Философия, математика и медицина подвергались предварительной разработке в руках арабов, физика же оживает только после знакомства средневековой Европы с византийскими подлинниками и долго продолжает развиваться именно там, где это знакомство может быть всего легче осуществлено, – в Италии.

XVI век можно вообще назвать веком переводов. В числе работавших на этом поприще выдаются Мавролик, Тарталья, Дюгамель, Ксиландр, Венаторий и другие. Переводами с греческого отличился Коммандино (1509–1575), врач и математик герцога Урбинского. Он перевел сочинения Архимеда, Птолемея, Аполлония, Паппа, Герона, Евклида и Аристарха. Увлеченный Архимедом, он пишет и самостоятельный трактат о центре тяжести тел.

Знаменитый итальянский математик Николай Тарталья (1501–1559) своим сочинением «Nuova scienza» («Новая наука»), написанным в 1537 году, положил начало разработке проблем динамики. Он исследует путь брошенного тела и находит его кривым от начала до конца, тогда как прежде, согласно Аристотелю, принимали, что брошенный снаряд летит сначала горизонтально, вследствие сообщенного ему насильственного движения, затем переходит в смешанное круговое движение, и, наконец, когда сообщенное насильственное движение угаснет, снаряд падает отвесно вниз.

Тарталья видит, что так называемые естественные движения должны с самого начала смешиваться с насильственными, но тем не менее не решается сразу выступить против господствующего мнения и допускает, что в начале и конце путь весьма мало уклоняется от прямолинейного. Именно он заметил, что пуля, пущенная из ружья в горизонтальном направлении, тотчас же опускается ниже горизонтальной линии и, следовательно, имеет дальность полета, равную нулю. Он отсюда пришел к выводу, что дальность полета всего больше, когда пуля выпущена под углом в 45°, – выводу, который случайно оказался вполне верным. Исследования Тартальи показывают, до какой степени темны были даже в это время представления о сложении движений и о форме линии полета. Его здравый взгляд на предмет может быть вполне оценен, если припомнить, что еще в 1561 году некий Зантбек утверждал, будто пуля, выпущенная из ружья, летит по прямой линии до тех пор, пока сообщенное ей насильственное движение не угаснет, а затем уже мгновенно падает.

О жизни его скажем, что Тарталья происходил из бедной семьи и никогда, невзирая на знакомства с влиятельными лицами, не поправил своего состояния. Первоначального образования он не мог получить и выучился читать лишь на четырнадцатом году жизни.

Джеронимо Кардано (1501–1576) был многосторонним ученым. Он занимался математикой, физикой, естественными науками, философией, медициной и во всех отраслях оставил более или менее серьезные работы. При своих необыкновенных дарованиях он отличался такими странностями, что даже друзья могли объяснить их только временным помешательством. Если бы Кардано не сам описал свою жизнь, нельзя было бы поверить соединению стольких слабостей и противоречий в одном человеке. При почти непостижимом бесстрашии в философии, он приходил в трепет от каждого дурного предзнаменования и верил в домовых. Знаменитый медик, тонкий и изобретательный математик, он верил в сны и занимался магией и колдовством. Он то вел суровый образ жизни, то предавался всевозможным излишествам, переходя от роскоши к нищете. Ему хотелось все знать и все испытать. Нечувствительность его к величайшим несчастиям была так велика, что он, говорят, без всякого волнения присутствовал при казни родного сына.

Кардано изучал все науки и в каждую внес какое-нибудь усовершенствование. У него достало смелости вступить в единоборство со всей древней наукой. Для него не существовало авторитетов, он доверял только указаниям собственного разума. Но при всем том смелый преобразователь, которого не пугали никакие преграды, был убежден, что каждый год 1 апреля в 8 часов утра он может получить свыше все, чего бы ни пожелал. Рассказывают, что на 75-м году Кардано добровольно умер от голода, чтобы доказать справедливость одного из своих предсказаний.

Этот ученый наиболее известен как математик, а из физических его работ лучшие относятся к механике. Он доказал вполне справедливо, что для поддержания тела на горизонтальной плоскости не нужно никакой силы, а если плоскость наклонная, требуется сила, равная тяжести тела. Этим, впрочем, исчерпываются верные выводы Кардано, и он заканчивает уже вполне ошибочным положением, что сила должна быть прямо пропорциональна наклону плоскости, то есть, например, для наклона в 30° она должна быть вдвое больше, чем для наклона в 15°.

Невзирая на соперничество, Кардано и Тарталья имели много общего в своих физических исследованиях. Оба, решая задачу о пропорциональности силы углу наклонной плоскости, приходят к выводу, что эти две величины нарастают или убывают во всех случаях пропорционально, и оба ошибались. Для механики XVI века это дурной показатель, – два таких замечательных математика, как Тарталья и Кардано, не могут проверить опытным путем, действительно ли имеет место утверждаемое ими!

Значительная часть сочинений Кардано посвящена описанию механических изобретений, нередко имеющих характер фокусов. В то время любили возбуждать удивление публики подобными выдумками. Для сиденья в императорских экипажах изобретается особое приспособление (употребляемое теперь, например, для корабельных компасов), чтобы его величество могло сидеть неподвижно при толчках. В дымовой трубе проделываются четыре отводящие трубы, соответственно четырем странам света, чтобы при противных ветрах дым мог выходить в одно из отверстий. В числе других «интересных» сведений Кардано сообщает, что из Германии в Милан была привезена блоха, привязанная волосом к цепи.

В описываемый нами период число противников аристотелевской физики быстро возрастает. Гнет схоластической философии порождает в ее противниках ненависть, идущую часто мимо цели.

Так, Петр Рамус (1502–1572), даровитый французский математик, не захотел признавать даже аристотелевской логики и написал свою, усовершенствованную. Против сочинения своего схоластического противника Карпентария составил два. Сегодня они интересны только по смелости, с которой автор старается ниспровергнуть авторитет Аристотеля, а лично для него эта борьба обернулась поражением: он потерял кафедру и был вынужден бежать из Парижа. Его осудили специальные судьи, а затем и вовсе убили, как уверяют, по наущению враждебного ему Карпентария.

Бернардин Телезий (1508–1588) из Конзенцы основал общество естествоиспытателей, академию для борьбы с натурфилософией Аристотеля. Он выдвинул оригинальную идею, что есть единое первичное вещество и два начала – теплота и холод. Причем все тела образуются, по его теории, от действия этих двух начал на первичную материю. Так как небо, по преимуществу, является средоточием тепла, а земное ядро – холода, то на поверхности Земли возникает наибольшее число живых существ. Теплота неба неравномерна: звездные части теплее беззвездных. Вследствие неравномерного тепла однообразное вначале движение планет превращается в неравномерное. Teлезий объясняет и происхождение цветов своими двумя стихиями: тепло – причина белого, холод – черного цвета. Прочие цвета происходят, как и у презираемого им Аристотеля, из смешения двух основных.

Франциск Мавролик (1494–1575), сын грека, бежавшего из Константинополя от турок и поселившегося в Мессине, написал большое сочинение по оптике. Однако занимался он преимущественно преподаванием математики, и математические трактаты составляют большую часть его сочинений. Исследования конических сечений принесли ему славу величайшего геометра XVI века. И все же теперь он известен как автор «Оптики».

По его объяснению радуги луч отражается до семи раз в капле воды под углом в 45° и ни разу не преломляется, что, конечно, не дает результатов, согласных с опытом. Но зато мы находим у него правильное замечание, что радуга второго порядка не может быть простым изображением главной радуги по следующим причинам: цвета главной радуги недостаточно ярки, чтобы отражаться; зеркальной поверхности для отражения не существует; отражение извратило бы не только порядок расположения цветов, но и саму дугу.

Мавролику принадлежит заслуга довольно верного объяснения действия очков. Изучая преломление светового луча в чечевицах, он заметил, что лучи, выходящие из одной точки, вновь соединяются позади чечевицы в одной какой-либо точке. Это можно ясно видеть при пропускании солнечных лучей через выпуклую чечевицу в темную комнату. Истинную точку соединения, то есть фокусную длину чечевиц Мавролик определять не стал, ибо был убежден в пропорциональности углов падения и преломления. И все же он видит ясно, что при выпуклых стеклах получается изображение предмета позади чечевицы; что вогнутые стекла не соединяют, а напротив, еще сильнее рассеивают лучи; и что действие обоих родов чечевиц усиливается по мере увеличения их кривизны.

На основании этих данных Мавролик признает хрусталик важнейшей частью глаза, указывая, что он соединяет лучи, получаемые от предмета, и дает изображение последнего. При ненормальной кривизне хрусталика соединение лучей может произойти либо раньше, чем нужно (близорукость), либо позже (дальнозоркость). Эти-то недостатки и исправляются выпуклыми и вогнутыми стеклами очков. О назначении сетчатой оболочки глаза и о возникновении на ней изображений Мавролик не имеет ясного понятия. Лучи света должны, по его мнению, падать на нерв раньше своего соединения.

Полагая, что хрусталик глаза работает как линза, он все же не смог признать, что изображение получается перевернутым, и серией ухищрений пытался доказать, что изображение будет прямым. А вот объяснение круглых солнечных изображений, наблюдаемых при известных условиях под тенью деревьев, удается Мавролику вполне.

К сожалению, его труд был опубликован лишь в 1611 году, через 57 лет после написания и не смог оказать заметного влияния на развитие практической оптики в то время.

А вот пример, когда ученому не хватило собственного авторитета. Ряд новейших механиков начинается с Гвидо Убальди, маркиза дель-Монте (1545–1607), известного по сочинению «Механика» в шести книгах. Считается, что на его новейшей механике ясно сказывается зависимость от архимедовой, на том основании что он был учеником Коммандино, переводчика архимедовского трактата о плавающих телах. Кроме того, Убальди сам перевел сочинение Архимеда о водоподъемном винте, имея свое собственное сочинение по этому вопросу.

Самое интересное, перевод Архимеда появился спустя 10 лет после выхода в свет «Механики» самого Убальди! И вот ученый пишет, что он убедился в правильности предположений великого грека, и многие из них доказал. Но, узнав, что своим трудом не удовлетворил всех читателей, решил для обеспечения лучшего приема собственного сочинения познакомить их с подлинным учением древнего писателя, так как «авторитет всегда много значит».

Убальди был знаком с Галилеем, который прямо указывает, что сочинения Убальди побудили его к исследованиям над центрами тяжести тел.

Английский моряк, конструктор компасов Роберт Норман в своем небольшом сочинении «Новое взаимодействие» (1580) первым выказал верное и точное знакомство со свойствами магнитной стрелки. Раньше (в 1544) нюренбергский уроженец Гартман, занимавшийся устройством солнечных часов, заметил горизонтальное наклонение магнитной стрелки, но был не в состоянии его измерить. Норман же открыл наклонение стрелки к горизонту и устроил магнитную стрелку, вращающуюся вокруг горизонтальной оси в магнитном меридиане, при помощи которого он определил наклонение для Лондона в 71°50 . До Нормана и его открытия относили точку притяжения магнитной стрелки в небо или же верили рассказам о громадных железных горах на севере, которые притягивали неосторожно приблизившиеся корабли и разрушали их, извлекая из них железные гвозди. Норман отнес точку притяжения к Земле, по крайней мере, для горизонтального наклонения стрелки, хотя он и не считает еще Землю магнитом.

М. Варро (1584) объяснял действие клина сложением двух гипотетических движений. Он вообще имел понятие о сложении сил и знал, что три силы, которые в своем действии относятся между собой как стороны прямоугольного треугольника, могут находиться в равновесии.

Сложением сил занимается и Симон Стевин. Он родился в 1548 году в Брюгге, был вначале чиновником по сбору податей в родном городе, затем инспектором сухопутных и водяных сооружений в Голландии и умер в Лейдене в 1620 году. Стевин занимает своеобразное место в механике. Язык его прост, ясен, точен, доказательства излагаются твердо и надежно; у него нет свойственной его времени путаницы механических понятий. Мало того, он почти всегда подкрепляет свои положения хорошо придуманными и искусно выполненными опытами. Его называют истым статиком архимедовой школы, причем, говорят, в лице Стевина древняя статика как бы заканчивается – открытием закона наклонной плоскости и исследованием давления жидкостей.

Занимаясь изучением силы тяжести, он вывел следующее положение: два груза, расположенные на двух наклонных сторонах треугольника, находятся в равновесии, если отношение их равно отношению этих сторон. Если одну из сторон принять вертикальной, то соответствующий ей груз будет действовать всей своей тяжестью, из чего опять следует: для поддержания груза на наклонной плоскости нужна тяжесть, относящаяся к грузу как высота наклонной плоскости относится к ее длине.

Положение о равновесии воды в сообщающихся трубках Стевин прямо выводит из зависимости давления на дно от площади давления и высоты уровня. С другой стороны, он пользуется фактом равной высоты уровня в сообщающихся трубках разной ширины как опытным доказательством справедливости своего закона. Архимедовское учение о плавающих телах он расширяет общими положениями, что при равновесии центр тяжести плавающего тела должен лежать вертикально под воображаемым центром тяжести вытесненной массы жидкости и что равновесие тем устойчивее, чем глубже первая точка лежит под второй.

Дж. Б. Бенедетти (1530–1590) был в большей степени динамиком, чем статиком. Он проявляет некоторое знание инерции тел не только в состоянии покоя, но и при движении. Его представление о силе остается еще вполне аристотелевским, но Бенедетти утверждает, вопреки Аристотелю, что брошенный камень скорее задерживается, чем толкается вперед воздухом, и что движение камня, после того как он отделился от бросающей руки, зависит от известной стремительности, сообщенной ему первоначальной силой. При естественном движении (свободном падении тел) стремительность эта постепенно нарастает, так как постепенно усиливается ее причина, именно стремление тел к указанному им природой месту. Поэтому тела падают все быстрее и быстрее по мере приближения к Земле.

Наконец, Бенедетти решил спорный вопрос XVII века – задачу о косом рычаге – следующим положением: движущая сила любой тяжести узнается по длине перпендикуляра, опущенного из точки опоры рычага на линию наклона силы. Это положение содержит ясное определение того, что мы теперь называем моментом силы.

Бенедетти, венецианец по рождению, принадлежал к талантам, развившимся рано, и притом совершенно самостоятельно. Он сам рассказывает о себе, что никогда не обучался в школе, а только прочел четыре книги Евклида под руководством Тартальи. Дальнейшее свое образование он уже продолжал самостоятельно и, несмотря на это, на 23-м году жизни опубликовал замечательное сочинение, в котором показал, как можно решить все задачи Евклида при посредстве одного циркуля. Главный труд, в котором он изложил свои физические взгляды, появился под конец его жизни и не обратил на себя заслуженного внимания, ибо Бенедетти был отъявленным врагом Аристотеля. Умер он в звании математика герцога Савойского.

Тихо Браге (1546–1601) был исключительно астрономом, но у него имеются две работы, отнесенные в то время к физическим. Это его теория комет и наблюдение над астрономической рефракцией.

До него кометы считались атмосферным явлением и относились к области физики. Тихо Браге, наблюдавший комету 1577 году, не мог при самом тщательном измерении найти параллакса. Так как он при точности своих инструментов определял параллакс в 2 , то и решил, что расстояние до этой кометы в 28 раз больше расстояния до Луны, и с уверенностью исключил ее из числа атмосферных явлений. Что касается астрономической рефракции, которая была известна гораздо раньше, но не принималась как следует в расчет, то Браге впервые стал ее учитывать при своих наблюдениях и жестоко осуждал другие обсерватории, которые этого не делали. Впрочем, хотя он составил таблицы астрономической рефракции на основании своих наблюдений, его оптические взгляды, по-видимому, были не из самых верных. Он утверждал, например, что рефракция прекращается на высоте 45° над горизонтом и бывает различна для различных светил, Солнца, Луны и т. д.

Джамбатиста Дел да Порта (1538–1615) – одна из любопытнейших личностей XVI века. Он был богатым итальянским аристократом, который при своих разнообразных занятиях производил скорее впечатление любителя физики, чем настоящего физика. Он некоторыми чертами напоминает Плиния: так же любознателен и неутомим в собирании сведений, и так же легковерен и пристрастен к чудесному. Большую часть жизни провел в путешествиях, везде старался узнать что-нибудь новое, завязывал знакомства со знаменитостями, изучал древних натуралистов и наконец в обширном компилятивном труде свел все приобретенное. Но Порта сильно отличается от обыкновенного компилятора: он был мастером производить опыты и потому смог обогатить различные отделы физики новыми открытиями. Зато ему недоставало строгого аналитического ума и математического образования.

Вопреки духу времени, он ничего не сделал для механики. Даже в отношении опытов следует остерегаться излишней доверчивости, так как Порта нередко описывает вещи, которых сам не делал.

Главный его труд – «Естественная магия».

Он предлагает проводить воду через горы посредством сифона: нужно проложить через гору трубу и снабдить ее, для наполнения водою, кранами на обоих концах и на верхушке. Мысль его угадать нетрудно, но если бы он хоть раз попробовал применить своей проект к горе высотою более 10 метров, то, пожалуй, еще раньше Галилея открыл бы, что «боязнь пустоты» имеет свои пределы.

Или, например, он описывает лампу, придающую всем присутствующим лошадиные головы, или способ определения целомудрия женщины посредством магнита. Несмотря на обилие чепухи или, может быть, именно поэтому, сочинение Порты имело громадный успех и было переведено на итальянский, французский, испанский и арабский языки. Второе издание было значительно расширено против первого и содержало меньше фантастических опытов, вследствие чего оно и пользовалось гораздо меньшим успехом.

Важнейший отдел «Естественной магии» посвящен оптике. Здесь есть описание камеры-обскуры в простейшем ее виде. Порта указывает, что если проделать в ставне темной комнаты маленькое отверстие, то на противоположной стене будут рисоваться внешние предметы, освещенные солнцем, в их естественных красках, но в обратном виде. Этот опыт он не выдает за свое собственное открытие, что, конечно, правильно, так как он был известен еще раньше, не говоря уже о том, что он подробно описан у Леонардо да Винчи.

Зато во втором издании находится описание усовершенствованного опыта, который заставляет признать Порту изобретателем нашей камеры-обскуры (хотя, правда, еще не в портативной форме). Описав известное уже нам приспособление, Порта продолжает:

«Я хочу открыть тайну, о которой до сих пор имел основание умалчивать. Если вы вставите в отверстие двояковыпуклую чечевицу, то увидите предметы гораздо яснее, так ясно, что вы будете узнавать в лицо гуляющих на улице, как будто бы они находились перед вами».

Свое открытие Порта переносит на глаз и зрение; он называет глаз камерой-обскурой, зрачок отверстием, пропускающим свет, а хрусталик (странная ошибка со стороны человека, который учит вставлять двояковыпуклое стекло в отверстие ставни) – ширмой, воспринимающей изображения. Порта, по-видимому, не слыхал о Мавролике, который раньше, чем он, дал этому объяснения; иначе он не говорил бы, что дальнозоркость происходит вследствие слишком сухого и твердого, а близорукость – вследствие слишком влажного и мягкого хрусталика при соответственно слишком узком или широком зрачке. Всего любопытнее у Порты решение вопроса о едином видении двумя глазами; подробно изложив все существующие на этот счет гипотезы, он кратко указывает, что мы во всех случаях видим только одним глазом, притом правым, если предмет находится от нас справа, и левым, если предмет находится слева.

Камера-обскура служит Порте преимущественно для развлечения посетителей. Перед чечевицей в стене он прикрепляет полую бумажную трубку, переднее отверстие которой закрыто тончайшей бумагой; на этой бумаге он рисует различные фигуры и передвигает трубку до тех пор, пока солнце не даст явственного изображения фигур на стене. Движениями трубки он умеет сообщить фигурам такое оживление, что приобретает не совсем безопасную репутацию колдуна. Удивительно, что Порта, вообще не отличающийся излишком скромности, на этот раз не придает надлежащего значения своим опытам, так как не понимает их важности, а потому, собственно, он и не заслуживает звания изобретателя волшебного фонаря.

Еще менее заслужена им слава изобретателя зрительной трубы. Мнение, приписывающее ему это открытие, основано на одном месте «Магии», где Порта говорит о некоем приборе для глаз, но сам текст темен, а вообще можно понять, что он имел в виду средство для людей со слабым зрением, а вовсе не зрительную трубу, открывающую новые миры и для вполне нормальных глаз.

Кроме оптических исследований, заслуживают еще внимания опыты Порты над магнитом. Он знает, что разноименные полюса (которые он называет дружественными) взаимно притягиваются, а одноименные (враждебные) взаимно отталкиваются; но вместе с тем он полагает, что магнит одинаково способен и притягивать и отталкивать железо.

Порта, как уже было замечено, – довольно загадочная личность: он хвастлив, относится легкомысленно к истине, верит чудесам без всякой критики, не имеет серьезного научного направления; и несмотря на все это, за ним нельзя не признать известных заслуг. Мы встретились уже однажды с подобным сомнительным характером в лице Кардано и могли бы познакомиться еще с другим, знаменитым Парацельсом (1493–1541), виртуозом шарлатанства, который, помимо серьезных заслуг перед медициной, имеет и перед естественными науками заслугу энергичной борьбы со схоластическим аристотелизмом. Внешняя эффектность с примесью чудесного была, видимо, необходима в ту пору для приобретения ученой славы.

А вернувшись к судьбе Порты, упомянем об ученом обществе, которое он основал в 1560 году в Неаполе, – не потому, что оно заслужило известность какими-либо научными трудами, а потому, что было первым обществом, основанным с исключительной целью содействия развитию естествознания. Эта «Академия тайн природы» не успела, однако, раскрыть никаких тайн, потому что, когда Порта должен был явиться на суд инквизиции по обвинению в колдовстве и чародействе, она прекратила свое существование и уже не смогла вновь собраться после освобождения своего основателя.

В конце XVI века, в то время как в Оксфорде всякий магистр или бакалавр должен был платить 5 шиллингов штрафа за малейшую погрешность против Аристотеля, Пикколомини (1597) обратился к проблеме свободного падения тел и отверг старое толкование. Он заметил, что Аристотель по отношению к легким и тяжелым телам установил несколько положений, противоречащих опыту, и что его законы для скоростей падающих тел даже прямо неверны, так как вдвое более тяжелый камень не падает вдвое скорее. Это положение еще раньше и весьма основательно опровергал Стевин, указав, что 10 кирпичей одинаковой величины, падающих порознь с одинаковой скоростью, не станут падать в 10 раз скорее, если их бросить связкой.

Галилео Галилей (1583) наблюдает в Пизанском соборе качание люстры. В 1590 году своими опытами над падением тел с наклонной башни в Пизе он доказал, что скорость падения тел не находится в прямой пропорциональной зависимости от их тяжести.