Когда Галилей впервые опубликовал эти «Диалоги о движении», он был вынужден основывать свои доказательства еще на одном принципе, а именно, что скорость, приобретенная при падении по всем наклонным плоскостям одной и той же перпендикулярной высоты, одинакова. Поскольку этот результат был получен непосредственно из эксперимента, и только из него, его теория была настолько неполной, пока он не смог показать ее согласованность с вышеупомянутым предполагаемым законом ускорения. Когда Вивиани учился у Галилея, он выразил свое недовольство этой пропастью в рассуждениях; следствием чего стало то, что Галилей, лежа в ту же ночь без сна из-за недомогания, обнаружил доказательство, которое долго и тщетно искал, и ввел его в последующие издания. Третий диалог в основном занят теоремами о прямом падении тел, временах их спуска по различно наклоненным плоскостям, которые в плоскостях одной и той же высоты он определил как пропорциональные длинам, и другими исследованиями, связанными с той же темой, такими как прямые линии кратчайшего спуска при различных данных и т. д.
Четвертый диалог посвящен движению снарядов, определенному на принципе, что горизонтальное движение будет продолжаться таким же, как если бы не было вертикального движения, а вертикальное движение — как если бы не было горизонтального движения. «Пусть AB представляет горизонтальную линию или плоскость, расположенную высоко, по которой тело движется с равномерным движением от A к B, и поддержка плоскости убирается в B, пусть естественное движение вниз, обусловленное весом тела, воздействует на него в направлении перпендикуляра BN. Более того, пусть прямая линия BE, проведенная в направлении AB, будет взята для представления потока, или меры, времени, на которой пусть любое количество равных частей BC, CD, DE и т. д. будет отмечено по желанию, и из точек C, D, E пусть линии будут проведены параллельно BN; в первой из них пусть будет взята любая часть CI, и пусть DF будет взята в четыре раза больше CI, EH в девять раз больше и так далее, пропорционально квадратам линий BC, BD, BE и т. д., или, как мы говорим, в двойной пропорции этих линий. Теперь, если мы предположим, что в то время как своим равномерным горизонтальным движением тело движется от B к C, оно также опускается под действием своего веса через CI, в конце времени, обозначенного BC, оно будет в I. Более того, во время BD, вдвое большем BC, оно упадет в четыре раза дальше, ибо в первой части Трактата было показано, что пространства, пройденные при падении тяжелым телом, изменяются как квадраты времен. Аналогично в конце времени BE, или в три раза большем BC, оно упадет через EH и будет в H. И ясно, что точки I, F, H находятся на одной и той же параболической линии BIFH. То же доказательство применимо, если мы возьмем любое количество равных частиц времени любой продолжительности».
Кривая, называемая здесь Галилеем параболой, является одной из тех, которые получаются при прямом разрезании конуса, и поэтому также называется одним из конических сечений, любопытные свойства которых привлекали внимание геометров задолго до того, как Галилей начал указывать на их тесную связь с явлениями движения. После предложения, которое мы только что извлекли, он переходит к предвосхищению некоторых возражений против теории и объясняет, что путь снаряда не будет точно параболой по двум причинам; частично из-за сопротивления воздуха, а частично потому, что горизонтальная линия, или линия, равноудаленная от центра Земли, не является прямой, а круговой. Последняя причина различия, однако, как он говорит, будет незаметной во всех таких экспериментах, которые мы способны провести. Остальная часть Диалога занята различными построениями для определения обстоятельств движения снарядов, таких как их дальность, наибольшая высота и т. д.; и доказано, что при заданной силе проекции дальность будет наибольшей, когда шар брошен под углом 45°, при этом дальности всех углов, одинаково наклоненных выше и ниже 45°, точно соответствуют друг другу.
Одной из самых интересных тем, обсуждаемых в этих диалогах, является знаменитое понятие боязни природы вакуума или пустого пространства, которое старая школа философии считала невозможным получить. Представления Галилея о нем были совсем другими; ибо, хотя он все еще необдуманно придерживался старой фразы для обозначения сопротивления, испытываемого при попытке разделить две гладкие поверхности, он был настолько далек от того, чтобы рассматривать вакуум как невозможность, что описал аппарат, с помощью которого пытался измерить силу, необходимую для его создания. Он состоял из цилиндра, в который плотно подогнан поршень; через центр поршня проходит стержень с коническим клапаном, который при опускании плотно закрывает отверстие, поддерживая корзину. Пространство между поршнем и цилиндром заполняется водой, налитой через отверстие, клапан закрывается, сосуд переворачивается, и добавляются грузы, пока поршень не будет с силой потянут вниз. Галилей пришел к выводу, что вес поршня, стержня и добавленных грузов будет мерой силы сопротивления вакууму, который, как он предполагал, возникнет между поршнем и нижней поверхностью воды. Дефекты в этом аппарате для намеченной цели не имеют значения, насколько это касается настоящего аргумента, и, возможно, нет нужды отмечать, что он ошибался, полагая, что вода не будет опускаться вместе с поршнем. Этот эксперимент вызывает замечание Сагредо, что он наблюдал, что подъемный насос не работает, когда вода в цистерне опустилась на глубину тридцати пяти футов ниже клапана; что он подумал, что насос поврежден, и послал за его изготовителем, который заверил его, что ни один насос такой конструкции не поднимет воду с такой большой глубины. Эту историю иногда рассказывают о Галилее, как будто он сказал насмешливо по этому случаю, что боязнь природы вакуума не распространяется дальше тридцати пяти футов; но совершенно ясно, что если бы он сделал такое наблюдение, оно было бы серьезным; и на самом деле таким ограничением он лишил понятие основной части его абсурдности. Он явно принял общее понятие всасывания, ибо сравнивает столб воды со стержнем металла, подвешенным за верхний конец, который может быть удлинен, пока не сломается под собственным весом. Конечно, очень необычно, что он не заметил, как просто эти явления могут быть объяснены ссылкой на вес упругой атмосферы, с которым он был прекрасно знаком и который пытался определить с помощью следующего остроумного эксперимента: — «Возьмите большую стеклянную колбу с изогнутым горлышком и вокруг ее горлышка привяжите кожаную трубку с клапаном, через который вода может быть нагнетаема в колбу шприцем, не давая воздуху выйти, так что он будет сжат внутри бутылки. Будет трудно нагнетать больше, чем около трех четвертей того, что колба может вместить, что должно быть тщательно взвешено. Затем клапан должен быть открыт, и вырвется ровно столько воздуха, сколько в своей естественной плотности занимало бы пространство, теперь заполненное водой. Взвесьте сосуд снова; разница покажет вес этого количества воздуха» [145]. С помощью этих средств, которые, как увидит современный экспериментатор, едва ли были способны на большую точность, Галилей обнаружил, что воздух в четыреста раз легче воды, вместо десяти раз, что было пропорцией, установленной Аристотелем. Реальная пропорция составляет около 830 раз.
Истинная теория подъема воды в подъемном насосе обычно датируется знаменитым экспериментом Торричелли со столбом ртути в 1644 году, когда он обнаружил, что наибольшая высота, на которой она будет стоять, в четырнадцать раз меньше высоты, на которой будет стоять вода, что в точности соответствует пропорции веса между водой и ртутью. Следующее любопытное письмо от Балиани в 1630 году показывает, что первоначальная заслуга в предложении реальной причины принадлежит ему, и делает еще более необъяснимым, что Галилей, которому оно было адресовано, не принял сразу тот же взгляд на предмет: — «Я верил, что вакуум может существовать естественным образом с тех пор, как узнал, что воздух имеет ощутимый вес, и что вы научили меня в одном из ваших писем, как точно найти его вес, хотя я еще не преуспел с этим экспериментом. С того момента я принял мнение, что это не противоречит природе вещей, чтобы существовал вакуум, а лишь то, что его трудно произвести. Чтобы объяснить себя яснее: если мы допустим, что воздух имеет вес, нет никакой разницы между воздухом и водой, кроме степени. На дне моря вес воды надо мной сжимает все вокруг моего тела, и мне кажется, что то же самое должно происходить в воздухе, так как мы помещены на дне его необъятности; мы не чувствуем его веса, ни сжатия вокруг нас, потому что наши тела сделаны способными поддерживать его. Но если бы мы были в вакууме, тогда вес воздуха над нашими головами ощущался бы. Он ощущался бы очень большим, но не бесконечным, и поэтому определимым, и его можно было бы преодолеть силой, пропорциональной ему. На самом деле я оцениваю его таким, что для создания вакуума, я полагаю, нам требуется сила, большая, чем у столба воды высотой тридцать футов» [146].
Эта тема предваряется некоторыми наблюдениями о силе сцепления, причем Галилей, по-видимому, придерживается мнения, что, хотя ее нельзя адекватно объяснить «великим и главным сопротивлением вакууму, все же, возможно, достаточную причину можно найти, рассматривая каждое тело как состоящее из очень мелких частиц, между каждыми двумя из которых проявляется подобное сопротивление». Это замечание служит введением к дискуссии о неделимых и бесконечных величинах, из которой мы просто извлечем то, что Галилей дает как любопытный парадокс, предложенный в ходе нее. Он предполагает, что бассейн образован путем вычерпывания полусферы из цилиндра, и что конус взят той же глубины и основания, что и полусфера. Легко показать, если предположить, что конус и вычерпанный цилиндр разрезаны одной и той же плоскостью, параллельной той, на которой оба стоят, что площадь кольца CDEF, таким образом обнаруженного в цилиндре, равна площади соответствующего кругового сечения AB конуса, где бы ни предполагалась секущая плоскость [147]. Затем он продолжает этими замечательными словами: — «Если мы поднимем плоскость все выше и выше, одна из этих площадей заканчивается окружностью круга, а другая — точкой, ибо таковы верхний край бассейна и вершина конуса. Теперь, поскольку при уменьшении двух площадей они до самого конца сохраняют свое равенство друг другу, по моему мнению, уместно сказать, что высшие и предельные члены [148] таких уменьшений равны, а не один бесконечно больше другого. Кажется, поэтому, что окружность большого круга можно назвать равной одной единственной точке. И почему их нельзя назвать равными, если они являются последними остатками и следами, оставленными равными величинами?» [149].
Мы думаем, никто не может отказаться признать вероятность того, что Ньютон мог найти в таких отрывках, как эти, первый зародыш идеи своих первых и последних отношений, которые впоследствии стали в его руках инструментом такой силы. Что касается парадоксального результата, Декарт, несомненно, дал на него верный ответ, сказав, что он лишь доказывает, что линия не является большей площадью, чем точка. Пока мы на этой теме, может быть небезынтересно заметить, что нечто подобное доктрине флюксий, по-видимому, дремало в умах математиков эпохи Галилея, ибо Инхоффер иллюстрирует свой аргумент в трактате, который мы уже упоминали, что коперниканцы могут вывести некоторые верные результаты из того, что он называет их абсурдной гипотезой, отмечая, что математики могут вывести истину о том, что линия есть длина без ширины, из ложного и физически невозможного предположения, что точка течет и что линия есть флюксия точки [150].
Предположение, что, возможно, огонь растворяет тела, проникая между их мелкими частицами, подводит к теме насильственных эффектов тепла и света; по поводу чего Сагредо спрашивает, должны ли мы принимать как должное, что эффект света требует или не требует времени. Симпличио готов с ответом, что выстрел артиллерии доказывает мгновенность передачи света, на что Сагредо осторожно отвечает, что из этого эксперимента нельзя извлечь ничего, кроме того, что свет движется быстрее звука; и мы не можем сделать никакого решительного вывода из восхода солнца. «Кто может заверить нас, что он не находится на горизонте до того, как его лучи достигнут нашего зрения?» Сальвиати затем упоминает эксперимент, с помощью которого он пытался изучить этот вопрос. Два наблюдателя должны быть снабжены фонарем каждый: как только первый закрывает свой свет, второй должен открыть свой, и это должно повторяться на коротком расстоянии, пока наблюдатели не станут совершенны в практике. То же самое должно быть опробовано на расстоянии нескольких миль, и если первый наблюдатель заметит какую-либо задержку между закрытием собственного света и появлением света своего товарища, это следует приписать времени, затраченному светом на прохождение двойного расстояния между ними. Он признает, что не смог обнаружить никакого заметного интервала на расстоянии мили, на котором он пробовал эксперимент, но рекомендует, чтобы с помощью телескопа его попробовали на гораздо больших расстояниях. Сэр Кенелм Дигби замечает по поводу этого отрывка: «Может быть возражено (если есть некоторая наблюдаемая медлительность в движении света), что солнце никогда не было бы поистине в том месте, в котором оно является нашим глазам; потому что, будучи видимым посредством света, который исходит из него, если этот свет требовал времени для движения, солнце (движение которого столь быстро) было бы удалено из того места, где свет оставил его, прежде чем он мог бы быть с нами, чтобы дать известие о нем. На это я отвечаю, допуская, возможно, что это может быть так, кто знает обратное? Или какое неудобство последовало бы, если бы это было допущено?» [151].
Основное, что еще осталось отметить, — это применение теории маятника к музыкальным консонансам и диссонансам, которые, как и у Кеплера в его «Гармонии мира», объясняются результатом совпадения или противодействия вибраций воздуха, воздействующих на барабанную перепонку уха. Высказывается предположение, что эти вибрации можно сделать видимыми, проводя пальцем по краю стакана, стоящего в большом сосуде с водой; «и если под давлением звук внезапно повышается на октаву, каждая из волн, которые будут регулярно расходиться вокруг стакана, внезапно разделится надвое, доказывая, что вибрации, вызывающие октаву, вдвое превышают те, что относятся к простому тону». Затем Галилей описывает случайно открытый им метод измерения длины этих волн более точно, чем это можно сделать в возмущенной воде. Он соскабливал железным резцом латунную пластину, чтобы удалить пятна, и, быстро перемещая инструмент по пластине, время от времени слышал шипящий и свистящий звук, очень пронзительный и отчетливый, и всякий раз, когда это происходило, и только тогда, он замечал, что легкая пыль на пластине выстраивается в длинный ряд мелких параллельных полос, равноудаленных друг от друга. В повторяющихся экспериментах он извлекал разные тона, соскабливая с большей или меньшей скоростью, и заметил, что полосы, создаваемые высокими звуками, располагались ближе друг к другу, чем полосы от низких нот. Среди полученных звуков были два, которые при сравнении с виолой он определил как различающиеся ровно на квинту; измерив пространства, занятые полосами в обоих экспериментах, он обнаружил, что тридцать полос одного соответствуют сорока пяти другого, что в точности является известной пропорцией длин струн из одного и того же материала, звучащих в квинту друг к другу.
Сальвиати также отмечает, что если материал не тот же самый, например, если требуется получить октаву к ноте на жильной струне, используя проволоку той же длины, то вес проволоки должен быть в четыре раза больше, и так далее для других интервалов. «Непосредственной причиной форм музыкальных интервалов является не длина, не натяжение и не толщина, а пропорция чисел колебаний воздуха, которые ударяют в барабанную перепонку уха и заставляют ее вибрировать с теми же интервалами. Отсюда мы можем вывести правдоподобную причину различных ощущений, вызываемых у нас разными парами звуков, некоторые из которых мы слышим с большим удовольствием, некоторые с меньшим, и называем их соответственно консонансами, более или менее совершенными, в то время как другие вызывают у нас сильное недовольство и называются диссонансами. Неприятное ощущение, присущее последним, вероятно, возникает из-за беспорядочного способа, которым вибрации ударяют в барабанную перепонку уха; так, например, жесточайший диссонанс возник бы при одновременном звучании двух струн, длины которых относятся друг к другу как сторона и диагональ квадрата, что является диссонансом уменьшенной квинты. Напротив, приятные консонансы будут результатом тех струн, числа вибраций которых, совершаемых за одно и то же время, соизмеримы, «дабы хрящ барабанной перепонки не подвергался непрерывной пытке двойного изгиба от несогласованных ударов». Нечто подобное можно продемонстрировать глазу, подвесив маятники разной длины: «если они пропорциональны так, что времена их вибраций соответствуют временам музыкальных консонансов, глаз с удовольствием будет наблюдать их пересечения и переплетения, повторяющиеся через заметные интервалы; но если времена вибрации несоизмеримы, глаз утомится и изнурится, следя за ними».
Второй диалог целиком посвящен исследованию прочности балок — предмету, который, по-видимому, до Галилея никем не рассматривался, за исключением замечания Аристотеля о том, что длинные балки слабее, поскольку они одновременно являются и весом, и рычагом, и точкой опоры; именно в развитии этого наблюдения и заключается вся теория. Принцип, принятый Галилеем за основу своих изысканий, состоит в том, что силу сцепления, с которой балка сопротивляется поперечному излому в любом сечении, можно рассматривать как действующую в центре тяжести сечения, и что она всегда ломается в самой нижней точке: из этого он вывел, что влияние веса призматической балки на преодоление сопротивления одного конца, которым она прикреплена к стене, изменяется прямо пропорционально квадрату длины и обратно пропорционально стороне основания. Отсюда непосредственно следует, что если, например, кость крупного животного в три раза длиннее соответствующей кости меньшего зверя, то она должна быть в девять раз толще, чтобы обладать той же прочностью, при условии, что мы предполагаем в обоих случаях одинаковую плотность материалов. Изящный результат, который Галилей также вывел из этой теории, заключается в том, что форма такой балки, чтобы быть одинаково прочной в каждой части, должна быть формой параболической призмы, причем вершина параболы должна быть наиболее удалена от стены. В качестве простого способа описания параболической кривой для этой цели он рекомендует проследить линию, по которой висит тяжелая гибкая нить. Эта кривая не является точной параболой: сейчас она называется цепной линией; но из описания ее в четвертом диалоге ясно, что Галилей прекрасно осознавал, что это построение лишь приблизительно верно. В том же месте он делает замечание, которое многим кажется парадоксальным: никакая сила, какой бы великой она ни была, приложенная в горизонтальном направлении, не может натянуть тяжелую нить, какой бы тонкой она ни была, в идеально прямую линию.