Начало научных исследований

Галилео Галилей

К концу XVII в. наука в Европе окончательно порывает со схоластикой Аристотеля и для нее начинается новое время — время доверия к опыту. Важнейшая роль в этом повороте принадлежит Галилео Галилею (1564—1642). Но из всех его многочисленных исследований мы остановимся только на тех, где основную роль играли наблюдения самых обычных явлений, игнорируемых множеством людей до него. Как-то, когда 19-летний Галилей сидел в соборе в Пизе во время длинной проповеди, служка, зажигавший свечи, неловко толкнул светильник, свисавший на длинном канате, и тот начал раскачиваться. Галилей засек, скольким ударам его пульса соответствует одно полное колебание светильника, но через некоторое время, когда размах колебаний заметно уменьшился, он с удивлением отметил, что число ударов пульса осталось прежним. Отсюда следовала изохронность, т. е. независимость периода колебаний маятника от амплитуды!

Далее он замечает, что все светильники с одинаковой длиной подвеса, но даже разной массы, совершают колебания с одинаковой частотой, т. е. период их колебаний зависит только от длины подвеса и не зависит от массы и формы светильника. Таким образом у физиков появился прибор, позволявший легко измерять время (до того пользовались песочными или водяными часами, у всех они были разными, что не прзволяло сравнивать результаты разных наблюдений).

Поскольку Галилея назначили профессором математики в Пизе, он, согласно легенде, получил возможность проводить эксперименты на знаменитой падающей башне. Здесь он замечает, что, скажем, кирпич и связка таких же кирпичей падают вниз за одинаковое время. Вывод: скорость падения не зависит — или почти не зависит — от массы, некоторая разница возникает из-за сопротивления воздуха, но это было понято позже. (Скорее всего — это только легенда: Галилею проще было изучать законы падения пуская шары разной массы по наклонной плоскости — процесс растягивается во времени и уменьшается сопротивление воздуха. Бросать кирпичи с башни могло быть нужно только в качестве эффектной демонстрации, которые любили в дотелевизионное время.) На основе своих опытов Галилей смог определить понятие ускорения, оставшееся неизменным до наших дней. Но опыты эти привели к тому, что его, как противника Аристотеля, изгнали из Пизы, тем не менее он продолжил их в другом месте: башня для исследовании уже не была нужна, достаточно наклон-ной плоскости. Кстати, время дви-жения шара по всей плоскости, по ее половине и т.д. он измерял еще по объемиу воды, выливаю-щейся из узкой щели в сосуде. Галилей на этом, конечно, не останавливается: нужно изучить движение тела, брошенного гори- зонтально. Тут ему удается обобщить наблюдения Тартальи, вывести правило сложения скоростей и показать, что траектория такого тела является полупараболой.

Из опытов Галилея интересно описать еще один, в котором впервые за почти две тысячи лет была проверена и доказана теория плавания тел Архимеда (сомнение в ней вызывалось тем, что льдины плавают по поверхности воды, а в то время, следуя Аристотелю, принимали, что любое вещество должно при затвердевании уплотняться). Опыт был таков: шарик из воска, как легко проверить, в чистой воде тонет, но, добавляя в воду соль, можно добиться того, что шарик всплывет, а прибавив воду, можно заставить его снова опуститься. Таким образом показано, что условия плавания (сплошных) тел определяются соотношением их плотностей с плотностью жидкости.

Немного ранее, и видимо одновременно, несколько оптиков (греческое «оптикос» — зрительный) начали сооружать зрительные трубки с двумя линзами, которые в основном использовались как игрушки: люди поднимались на колокольню и рассматривали окрестности (негодование у многих вызывалось тем, что так можно было заглядывать в чужие окна), правительства пытались засекретить эти приборы, чтобы использовать для военных целей. Галилей первым догадался посмотреть в такую трубку на небо, и открытия посыпались лавиной: горы на Луне, спутники Юпитера, позже — кольца Сатурна, так что астрономия была в корне преобразована. По некоторым сведениям, он же пытался построить первый микроскоп, о других его изобретениях скажем ниже. Галилею приходилось, конечно, самому строить свои приборы.

Описать или даже перечислить все достижения Галилея в физике и астрономии невозможно. Но главное в другом: очевидно ведь, что пылинки падают медленнее камня, а Галилей показывает, что нельзя слепо доверять кажущейся очевидности. Вот в этом принципе, в том, что именно Галилей первым показал и доказал необходимость опытной проверки всех построений в физике и, одновременно, их детального математического описания, — его непреходящая заслуга, и поэтому именно его можно считать зачинателем современной опытной науки.

В 1633 г. Галилей, как известно, был осужден церковью и объявлен «узником святой инквизиции» за утверждение о том, что гелиоцентрическая модель Коперника не противоречит Священному Писанию (заметим, что до Галилея все научные сочинения писались на мало доступной латыни, а он перешел на итальянский язык). Только через 350 лет, в 1984 г., Ватикан по инициативе папы Иоанна-Павла II, пересмотрев «дело» Галилея, признал, что эта модель «не противоречит» Библии и ученый был «реабилитирован»!

Иоганн Кеплер



Теперь нужно перейти к самому, возможно, великому ученому той эпохи — Иоганну Кеплеру (1571 — 1630). Для того чтобы понять его роль в развитии науки, нужно напомнить общепринятое тогда мне­ ние, что природа и все в ней происходящее отражают божественную волю, и поэтому вопрос о причинах явлении просто неуместен и недостоин истинно верующего. Кеплер был первым, кто задал такой вопрос о движении планет, и он должен был искать тот путь, на котором можно было на него ответить: искать связь на пути религиозных символов или найти какую-то новую дорогу. (В первом издании своей книги «Тайны мироздания» он пишет о душах планет и Солнца, во втором издании заменяет слово «душа» словом «сила».)

Кеплер был ассистентом (фактически и наследником) замечатель­ного астронома-наблюдателя Тихо Браге, проводившего точнейшие измерения положения Солнца и планет (напомним, что теле- скопов еще не было). В частно-сти, Браге точно установил дни равноденствия, зимнего и лет-него солнцестояния. Вот эти ре- зультаты, вместе со своими соб-ственными, Кеплер сумел обду-мать и обработать. Как известно, 21 марта и 21 сентября продолжительности дня и ночи точно равны — это дни весеннего и осеннего равноденствий, они как бы делят год на две части. А вот если сосчитать количество дней от 21 сентября до 21 марта и потом наоборот, то окажется, что эти промежутки не равны: от осеннего равноденствия до весеннего проходит 181 день, а от осеннего до весеннего — 184 дня, на три дня больше!

Практически у всех есть в руках календари, и каждый мог бы провести эти подсчеты и задуматься над ними. Но потребовался гений Иоганна Кеплера, чтобы обратить серьезное внимание на такой пустяк и сделать из него весьма далеко идущий вывод, именуемый сейчас Первым законом Кеплера: все планеты обращаются вокруг Солнца по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. А основывался Кеплер вот на чем. Если бы планеты вращадись, как считали и Птолемей, и Коперникг по окружностям, то каждую половину окружности они проходили бы за одинаковое время. Но поскольку, как мы видим, это не так, значит они двигаются не по окружностям, а по каким-то близким к ним траекториям. Самая же близкая к окружности плавная кривая — это эллипс, к тому же хорошо изученный.

«Следы геометрии запечатлены в мире так, словно геометрия была прообразом мира», — так говорил сам Кеплер. Но это пока только гипотеза, необходимы труднейшие, особенно для того времени, многолетние наблюдения, свои и покойного Тихо Браге, (только к концу работы Кеплер изобретает слабенькую зрительную трубу!) и расчеты — на бумаге, в столбик! А теперь насчет тех самых трех дней — это уже следствие Второго закона Кеплера, согласно которому вблизи Солнца, в перигелии, планеты движутся быстрее, чем на дальней части эллипса, в афелии. Кеплер — гениальный ученый: он понимает, что любые теории нужно проверять на разных объектах. Поэтому он предпринимает, уже со своим примитивным телескопом, невероятные по сложности и точности измерения траекторий спутников Юпитера, незадолго до того открытых Галилеем, и доказывает, что их движения подчиняются тем же законам, что и движения планет, — теория Кеплера может считаться проверенной! (О сложности и неожиданности выводов Кеплера говорит уже то, что его современник Галилей с ним не согласился и продолжал считать орбиты планет круговыми!)

И что является самым главным в творчестве Кеплера: он был первым, кто пытался найти универсальные законы, основанные на земной физике, но управляющие и небесными телами, — до него вообще не возникало идеи о единстве взаимоотношений (пока еще нет сил, понятия которых ввел Ньютон) в природе: принималось, что одни законы действуют на Земле и совсем иные — в небесах. Очень показательно, что книга Кеплера «Новая астрономия» имеет подзаголовок «Новая физика» — так утверждается их единство.

Нельзя не сказать несколько слов о Кеплере как о человеке. Его мать, абсолютно неграмот­ную женщину, обвиняют в колдовстве и привлекают к суду ин­квизиции, что почти наверня­ка означает сожжение на кост­ре. Кеплер, еще никому не известный, пешком, через половину Германии, добирается до ме­ста суда и — в то время это зву­чит как чудо — своим страст­ным и логичным выступлением добивается оправдания матери.

Оценивая заслуги Кеплера, А. Эйнштейн писал: «Какой глу-бокой была у него вера в та- кую закономерность, если, pa-ботая в одиночестве, никем не поддерживаемый и не понятый, он на протяжении многих десятков лет черпал в ней силы для трудного и кропотливого эмпирического исследования движения планет и математических законов этого движения!»

Уильям Гильберт



Свойства магнита притягивать железные предметы было известно еще в Древней Греции, китайцы, возможно, пользовались неким подобием компаса. Но первые серьезные исследования провел только Уильям Гильберт (1544—1603), лейб-медик королевы Елизаветы I: как ни удивительно, но только он первым попробовал — как должен был бы поступить любой любознательный мальчишка — разломать магнит, распилить его на куски и посмотреть, что из этого получится: оказалось, что каждая часть также является магнитом.

Затем Гильберт придумал важнейший прибор физики: догадался подвесить намагниченную иголку на нитку и с ее помощью доказал, что у каждого магнита есть два и только два полюса. (Далее мы упомянем о его соотечественнике П. А. М. Дираке, который высказал, уже в XX в., сомнение в этом утверждении.) При этом одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Сила притяжения, как установил Гкльберт, возрастает, если к магниту приделать арматуру — чистое железо, которое само не намагничивается, не может стать постоянным магнитом, а приобретает такие свойства только в магнитном поле.

Сделав железный шар и намагнитив его, Гкльберт показал, с помощью иголок, что у этого шара такие же свойства, как у Земли, и потому назвал Землю большим магнитом. (Ранее предполагали, что магнитная стрелка компаса притягивается к какой-то точке на небе.) Помимо магнетизма Гильберт занимался и исследованием электрических явлений. Здесь со времен Фалеса Милетского (640—550 до н. э.) было известно только то, что потертый о шерсть янтарь притягивает легкие мелкие тела (соломинки, бумажки). Гильберт начал пробовать наэлектризовывать трением и другие вещества и показал, что еще многие из них обладают такими же свойствами, причем, изобретя первый электроскоп, он начал количественно сравнивать свойства этих тел, скорость уменьшения величины электризации в зависимости от освещения, от влажности и т. д. Для всех этих свойств он предложил название «электричество» от греческого слова «электрон» — янтарь. Отметим, что в последующие сто лет к его результатам и изобретениям, поистине гениальным по своей простоте, ничего нового не добавилось.

Эванджелиста Торричелли



Аристотель, как мы помним, ввел принцип «природа боится пустоты» и с помощью этой боязни пустоты (horror vacui) объяснял продол­жение движения тел в отсутствии сил. Галилей попытался измерить силу этой самой боязни: он заполнял стеклянную трубку, запаянную с одного конца, водой, закрывал ее подвижным поршнем и опрокидывал, а затем привязывал к поршню грузики, чтобы измерить, при какой нагрузке вверху столба воды появится пустое пространство, т. е. будет преодолена сила боязни пустоты. (Теперь мы, конечно, понимаем, что таким образом измерялась сила сцепления столба воды.)

Проблема обострилась, когда к старому и почти слепому Галилею пришли садовники герцога Медичи: у них был вырыт глубокий, метров в 12, колодец, и ни один насос почему-то не поднимал оттуда воду к поверхности. Разобраться в проблеме Галилей попросил своего только что появившегося ученика Торричелли (1608—1647). Долгие раздумья ни к чему не приводили, пока Торричелли не осенило, что вместо 12-метрового столба воды нужно попробовать проделать опыты с ртутью, которая в 13,6 раз тяжелее, и поэтому потребуется столб высотой меньше метра (можно считать, что в этот момент возник метод моделирования!).

В первом же опыте, по поручению Торричелли его провел в 1643 г. Винченцо Вивиани (1622—1703), в запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной около 1 метра была налита ртуть. Вивиани зажал пальцем свободное отверстие, перевернул трубку и опустил ее вертикально в сосуд с ртутью. Ртуть начала выливаться и остановилась на высоте около 76 см, тут Торричелли осенила и вторая идея: над ртутью — пустота (сейчас она называется торричеллевой пустотой), а высота столба ртути соответствует давлению атмосферы — пресловутая «боязнь пустоты» не при чем!

Фактически Торричелли совершенно по-новому использовал закон сообщающихся сосудов: уже давно было известно, что если два вертикальных сосуда с водой соединить снизу трубкой, то вода будет между ними переливаться, пока не установится в обоих коленах на одном уровне. Если же в этих коленах разные жидкости, например вода и спирт, то высота столба более легкой из них оказывается выше: можно думать, что таким образом компенсируется ее легкость.

Ну а если в одном из колен не жидкость, а воздух? Сравним высоты столбов воды и ртути: по наблюдениям садовников вода поднимается только до уровня примерно в 10 метров, по измерениям Вивиани ртуть поднимается на уровень в 76 см. Таком образом, соотношение высот где-то около 13—15, что близко к отношению удельных весов ртути и воды. Следовательно, можно заключить, что в этом опыте одним коленом являлась трубка со ртутью, а вторым — вся атмосфера. Однако эта идея, идея атмосферного давления, была столь нова и казалась настолько парадоксальной, что потребовалась изобретательность многих ученых, чтобы сделать ее естественной и будто само собой разумеющейся.

Отто фон Герике



Наглядно доказать всему миру существование пустоты и роль атмосферного давления сумел дипломат и многолетний (в течение 32 лет!) бургомистр славного торгового города Магдебурга Отто фон Герике (1602—1686) после того, как он изобрел воздушный насос.

«Я изобрел и построил ряд инструментов и приборов для доказательства существования не признаваемой до сих пор пустоты», — писал Герике. И опыт, который он показал членам германского рейхстага 8 мая 1654 г., в наше время прошел бы первой строкой по всем мировым каналам телевидения. Проводился этот опыт, наиболее часто изображаемый в книгах по истории, так. Из большого медного шара, легко разделяющегося на два полушария (когда они прикладывались друг к другу, соединение уплотнялось кожаной прокладкой), выкачивался воздух. Затем в кольца на полушариях впрягалось с обеих сторон по восемь лошадей-тяжеловозов, но — как их ни погоняли — оторвать полушария друг от друга они не могли. После этого любой желающий открывал кран, воздух со страшенным грохотом врывался в шар, и тот легко разнимался руками. (Нам-то сейчас понятно, что привязывать по восемь лошадей с каждой стороны не обязательно: одну сторону можно было привязать к стене, но, во-первых, эффект был бы меньше, а, во-вторых, Третий закон Ньютона еще не был открыт.)

Помимо первого воздушного насоса и акустических опытов, Герике прославился тем, что он изобрел электростатическую машину, гигрометр, открыл явления электростатической индукции, свечения при истечении зарядов и т. д. Но нас сейчас интересует другое: когда однажды, в 1660 г., показания придуманного им водяного барометра начали резко падать, Герике сообразил, что если давление воздуха здесь сильно уменьшается, то скоро в это место хлынут со всех сторон воздушные потоки и начнется буря, о чем предупредил всех жителей. Так было положено начало научному предсказанию погоды.

Однако научные истины не так просто воспринимаются. Для того чтобы метод Герике стал общепризнанным, потребовались почти два века и катастрофа со множеством жертв: 2 августа 1837 г. начальник гавани Пуэрто-Рико предупредил моряков о невероятно резком понижении показаний барометра и предстоящей буре. Они его не послушались, и все 33 корабля, стоявшие в гавани, затонули!

Блез Паскаль



Блез Паскаль (1623—1662) был самым выдающимся вундеркиндом и одним из самых многосторонних людей в истории. Первые открытия он сделал в возрасте... 5 лет: отец зашел с гостями в детскую и увидел, что мальчик строит на полу треугольники из палочек — оказалось, что он так самостоятельно переоткрыл ряд начальных теорем геометрии. Помогая отцу, инспектору по налогам, в длинных расчетах, он изобрел и построил, по-видимому в 14 лет, первый механический арифмометр, в 16 лет написал книгу по математике, где изложил целый ряд новых результатов, позже положил начало теории вероятностей. Только три года, с 1647 по 1650, Паскаль интенсивно занимается физикой, где ему принадлежит немало открытий, а с 1653 г. он практически полностью погружается в религию, пишет две книги, с которых, по мнению многих, начинается современная французская литература.

Узнав об опыте Торричелли, Паскаль решает, что воздух под действием своего веса должен сгущаться книзу, т. е. атмосферное давление должно падать с высотой. Поэтому он, человек очень болезненный и физически слабый, просит своего зятя Ф. Перье соорудить по описаниям Торричелли два барометра и с одним из них подняться на гору (второй, для сравнения, остается у подножья). 19 сентября 1648 г. Перье осуществляет этот опыт (и входит тем самым в историю): поднимаясь на гору, он действительно видит непрерывное понижение столбика ртути — гипотеза доказана, давление действительно зависит от веса столба воздуха. Паскаль публикует брошюру с описанием опытов: боязни пустоты, пресловутого horror vacui, больше не существует!

Ну а зависимость давления от высоты столба воды, формулу для которой Паскаль вывел, он продемонстрировал при большом стечении знати во главе с королем в г. Клермон-Ферран. В крепкую законопаченную дубовую бочку, до отказа наполненную водой, была вставлена тонкая высокая, до третьего этажа, стеклянная трубка; когда в эту трубку был налит с соответствующей высоты всего один стакан воды, то сорокаведерная бочка не выдержала давления и разорвалась — зрители воочию убедились, что давление зависит не от массы воды, а только от высоты ее столба.

Роберт Бойль



Роберт Бойль (1627—1691), 14-й сын графа Корка, был не только выдающимся химиком, физиком и философом, но и светским человеком, дружил с королем Карлом II, который сам интересовался науками и опытами. Поэтому Бойль имел возможность содержать ассистентов и лаборантов для выполнения черновой работы в многочисленных экспериментах. (Бойль, человек религиозный, говорил, что боится умереть только потому, что «на том свете» все уже предопределено и нельзя экспериментировать!)

Особенно много однотипных измерений понадобилось, когда Бойль занялся исследованием давления в газах, до того никем не изучавшегося. Так, однажды, рассказывают, он, отправляясь на бал, поручил своему лаборанту продолжить измерять изменения объема газа в закрытом сосуде при изменении давления. С бала Бойль вернулся неожиданно рано и с негодованием обнаружил, что помощник спит в углу, а около него лежит бумажка с аккуратно выписанными длинными столбиками как будто измеренных цифр давлений и объемов. Разбуженный пинками лаборант лепетал, что мерить и не надо, что произведение объема на давление постоянно, но был, конечно, с позором изгнан.

И тут Бойль как-то задумался: а вдруг? Началась кропотливая и долгая работа, но идея, случайно высказанная малограмотным помощником, оказалась при всех проверках верной. Так возник закон Бойля— Мариотта. (Второй автор переоткрыл его несколько позже, но в английских книгах и посейчас есть закон Бойля, а во французских — закон Эдма Мариотта (1620—1684), физика и ботаника.) Бойль разрешил и старую загадку о том, что легче — вода или лед: он заполнил водой крепкий ружейный ствол, выставил его на мороз, и через два часа ствол лопнул. Всем стало ясно, что лед при замерзании расширяется.

Роберт Гук



Роберт Гук (1635—1703) начинал научную карьеру ассистентом Бойля. Затем он стал «куратором опытов» недавно образованного Королевского общества существующей и сейчас Академии наук Великобритании. Обязанностью Гука было повторять и перепроверять полученные обществом сообщения о новых открытиях, а также подготавливать и демонстрировать членам общества (на каждом заседании!) новые опыты. С одной стороны, это помогло его невероятной разносторонности как ученого, но с другой — вело к спешке, к переключению с одного начатого исследования на другое, а потому он зачастую высказывал идеи, не успевая их обдумать и исследовать, а потом вел бесконечные споры о приоритете (в частности, с Ньютоном о законе Всемирного тяготения).

Гук первым догадался, что для лучшего разглядывания веществ и предметов под микроскопом их надо разрезать на тонкие слои и смотреть на просвет. Так, подкладывая под микроскоп все что только можно, он открыл, что все растения имеют клеточное строение, и придумал само слово «клетка». Далее он микроскопически доказал, что снежинки имеют кристаллическую структуру и т. д. Еще одна идея, которая сейчас выглядит очень простой, но до Гука никому не приходила в голову, заключается в том, что твердые тела должны под нагрузкой деформироваться (всеми принималось, без проверки, что твердые тела, в отличие от газов и жидкостей, имеют всегда неизменную форму; напомним, что резина была изобретена много позже). Для проверки этого положения Гук исследовал возможность растяжения твердых тел под действием нагрузки — просто-напросто подвешивал узкие полоски различных металлов, прикреплял к нижней части полосок чашечку, в которую клались гирьки, и измерял (иногда с помощью микроскопа) величину удлинения.

Так он выяснил, что удлинение всегда прямо пропорционально величине приложенной силы — это и есть знаменитый закон Гука. (Гук в то время не мог приложить такую нагрузку, при которой этот закон начинает нарушаться, поэтому сейчас диаграмму удлинения тел под нагрузкой делят на гуковскую и негуковскую части.) Эти исследования Гука только в 1807 г. уточнил его соотечественник Томас Юнг (подробнее о нем — ниже): он выяснил, как коэффициент Гука зависит от длины и поперечного сечения растягиваемого тела. Далее Гук аналогичными опытами доказал, что все вещества при нагревании расширяются. (Позже было выяснено, что это утверждение не совсем верно: вода при нагревании от нуля до 4° С сжимается, отклоняется от этого закона поведение полуметалла висмута и некоторых других, но такие исключения очень редки, а объяснения им были найдены только в XX в.) Таким образом, Гук явился фактически основоположником физики твердого тела.

Гримальди



Вернемся несколько назад по времени и рассмотрим примечательный оптический эксперимент, который осуществил Франческо Мария Гримальди (1618—1663), монах-иезуит и физик. Эксперимент был очень прост и многократно до того проделывался: в темную комнату через маленькое отверстие пропускался луч света, превращавшийся в комнате в конус, так что на экране получался яркий кружок или эллипс. Это все было хорошо известно. Но вот Гримальди ввел в этот конус, на довольно большом рассто- янии от отверстия, палку, тень ко- й должна была пересечь яркий кружок на экране. И неожиданно оказалось, что, во-первых, тень шире, чем следовало, исходя из идеи прямолинейного распространения света, во-вторых, по обе стороны центральной тени можно было заметить, в зависимости от яркости солнечного света, одну, две или три темные полосы, и, в-третьих, края этих полос были голубоватыми со стороны центра и красноватыми с противоположного края.

Когда же Гримальди проделал два близких отверстия в ставнях, то смог заметить много новых особенностей при перекрытии светлых кружков на экране: вокруг каждого из них возникали темные кольца, места пересечения которых были светлее обоих колец. В дальнейших опытах он менял формы и размеры отверстий, их сочетания. Таким образом, Гримальди открыл, что помимо отражения (рефлексии) и преломления (рефракции) существует и явление, которое он назвал дифракцией и которое состоит в частичном огибании светом препятствий.

Христиан Гюйгенс



Христиан Гюйгенс (1629—1685), гениальный физик и математик, во­шел в историю прежде всего как величайший часовых дел мастер всех времен, который изобрел маятниковые часы, а затем придумал и часы с пружинным балансиром. Водяные и песочные часы существовали уже два тысячелетия, но каждый их экземпляр отличался своими особенностями, своей «скоростью хода». Солнечные часы, т.е. вертикальный столбик, тень которого передвигается с движением солнца и показывает время на начерченном циферблате, должны иметь много шкал, для каждого месяца года по крайней мере, и такие часы, конечно, не работают в плохую погоду и ночью.

Уже в XIII—XIV вв. стали сооружать колесные, или механические часы, в основном башенные. Их приводили в движение тяжелые ги­ри спускающиеся затем вниз грузы вращали системы колес и стрелки. Но гири при спуске постепенно ускорялись, и время «начинало течь быстрее».

Когда Галилей открыл изохронность маятника, то ему стало ясно, что маятник можно использовать для отмеривания промежутков времени. Можно было, например, написать, что за время спуска груза с такой-то наклонной плоскости маятник длиною в 1,5 м совершил пять колебаний, и тогда любой другой человек мог повторить этот опыт и проверить количественную правильность результата. Но не сидеть же и считать все время число колебаний: становилось ясно, что нужно изобрести и каким-то образом приделать к маятнику счетчик этих колебаний.

Изобретатели бились над этой проблемой около семидесяти лет — и никакого результата. А Гюйгенс решил задачу гениально просто (один из признаков гениального открытия, изобретения — когда оно совершено, то всем кажется, что любой мог бы до этого сам додуматься). Для чего, решил он, изобретать какой-то счетчик, есть ведь уже механические часы, они же и счетчик: нужно попросту приделать такой храповик, «собачку», чтобы при каждом колебании маятника, грузика на длинном стержне, эта собачка разрешала ведущему колесику поворачиваться на один зубец. (И сейчас встречаются такие самые простенькие часы с гирькой, чаще уже в наборах детских конструкторов, которые в точности повторяют часы Гюйгенса.)

Так была решена самая сложная на тот момент проблема измерительной техники. Затем Гюйгенс изобрел часы с пружинным балансиром, карманные или наручные (здесь его приоритет пытался оспаривать Гук, и не только он один). Эти часы смогли решить важнейшую задачу определения положения суд- на в море: британское адмиралтейство объявило открытый конкурс по поиску наилучшего способа определения долготы судна с громадной по тому времени премией. (Широту можно было определить по углу на солнце в полдень при наличии заранее рассчитанных таблиц.)

Изобретение пружинных часов эту проблему полностью решило. Если на судне есть точные часы, хронометр, показывающий время по гринвичскому меридиану, то определив их показание в полдень данного места, т. е. в момент, когда тени наиболее короткие, можно определить свою долготу: разница в один час означает отличие от гринвичского меридиана на 15° и т.д. (Солнце описывает полный круг в 360° за 24 часа, отсюда и получается эта цифра.) Заметим, что ранее одни и те же острова по многу раз переоткрывались, а их по­ложения на картах отличались на тысячи миль.

Не подумайте только, что заслуги Гюйгенса ограничиваются часами, хотя и этого хватило бы для бессмертия в истории: он развил волновую теорию света и предложил принцип, который назван его именем и до сих пор является фундаментом всех волновых теорий, в том числе оптики и акустики. А вот любопытная и поучительная история, описанная им в одном письме в 1693 г. В замке Шантильи под Парижем Гюйгенс заметил, что если встать между лестницей и работающим фонтаном, то слышен звук, напоминающий музыкальный тон: он предположил, что это происходит вследствие отражений от равноотстоящих ступенек. Измерив ширину ступенек, Гюйгенс делает бумажную трубку такой же длины и находит, что она издает тот же тон, — фактически лестница выделяет из шума фонтана одну резонансную частоту, а Гюйгенс нашел пример разложения шума в акустический спектр.

Отрывок из книги Перельмана М.Е. "Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы: От Аристотеля до Николы Теслы"