Отрывок из книги Ричарда Фейнмана: как математический анализ связан с GPS?

N+1Наука

«Бесконечная сила. Как математический анализ раскрывает тайны Вселенной»

От качающейся люстры к системе глобального позиционирования

Согласно легенде, Галилей сделал свое первое научное открытие, еще будучи студентом-медиком. Однажды во время церковной службы в Пизанском соборе он заметил, что висевшая над головами люстра раскачивается подобно маятнику. Ее двигали потоки воздуха, и Галилей подметил, что для одного колебания всегда требуется одно и то же время — независимо от того, сильное оно или слабое. Это удивило его. Как могут большие и маленькие колебания занимать одинаковое время? Но чем больше он над этим думал, тем логичнее казался ответ. Да, при большом отклонении люстра проходила большее расстояние, но и двигалась она быстрее. Возможно, эти два эффекта уравновешиваются? Чтобы проверить эту догадку, Галилей измерил время колебания с помощью собственного пульса. И действительно, каждое колебание длилось одинаковое количество его ударов.

Эта легенда чудесна, и мне хочется в нее верить, однако многие историки сомневаются в ее истинности. Она дошла до нас от первого и самого преданного биографа Галилея — Винченцо Вивиани. Этот молодой человек был помощником и учеником Галилея в конце жизни ученого, когда тот ослеп и жил под домашним арестом. Разумеется, испытывая вполне понятное почтение к своему старому учителю, Вивиани приукрасил пару историй, когда писал биографию ученого после его смерти.

Но даже если история недостоверна (но, может, и нет!), мы точно знаем, что Галилей проводил опыты с маятниками еще в 1602 году и писал о них в книге «Две новые науки». В этой книге, построенной как сократовский диалог, один из персонажей говорит так, словно был тогда в соборе с тем мечтательным юным студентом: «Тысячи раз наблюдал я колебания, в особенности церковных паникадил, подвешенных часто на очень длинных цепях и почему-либо совершающих незначительные движения». В остальной части диалога разъясняется, что маятнику требуется одно и то же время, чтобы пройти дугу любого размера. Итак, мы знаем, что Галилей был хорошо знаком с явлением, описанным в рассказе Вивиани; остается только догадываться, действительно ли именно он открыл его в молодости.

В любом случае утверждение Галилея, что колебания маятника занимают одно и то же время, не совсем верно; для больших размахов потребуется чуть больше времени. Но если дуга достаточно мала, скажем меньше 20 градусов, то это практически точно. Такая неизменность маятника при небольших колебаниях называется изохронностью, от др.-греч. ίσος (изос) «равный» и χρόνος (хронос) «время». Это свойство создает теоретическую основу для метрономов и маятниковых часов, от обычных напольных до башенных часов в лондонском Биг-Бене. Галилей сам конструировал первые маятниковые часы в мире в последний год своей жизни, но умер, так и не успев их доделать. Первые работающие маятниковые часы появились пятнадцать лет спустя — их изобрел голландский математик и физик Христиан Гюйгенс.

Галилея особенно интриговал (и разочаровывал) открытый им любопытный факт — элегантное отношение между длиной маятника и его периодом (временем, которое потребуется маятнику, что бы качнуться в обе стороны). Как объяснял ученый, «если мы пожелаем, чтобы один маятник качался в два раза медленнее, чем другой, то необходимо длину его сделать в четыре раза большею». Говоря языком отношений, он сформулировал общее правило: для тел, подвешенных на нитях разной длины, длины относятся друг к другу как квадраты периодов колебания. К сожалению, Галилею так и не удалось доказать это математически. Это была эмпирическая закономерность, которая нуждалась в теоретическом объяснении. Ученый годами работал над этой проблемой, но так и не смог с нею справиться. С точки зрения современной науки он и не мог этого сделать. Объяснение требовало новой математики, которой не владели ни он, ни его современники. Пришлось ждать Исаака Ньютона и его открытия языка, на котором говорит Бог, — языка дифференциальных уравнений.

Галилей признавал, что изучение маятников многим может показаться крайне скучным, хотя более поздние работы показали, что это совсем не так. В математике загадки маятника стимулировали развитие анализа. В физике и технике маятники стали образцами колебаний. Подобно строке Уильяма Блейка, где мир виден в песчинке*, физики и инженеры смогли увидеть мир в колебании маятника. Везде, где возникают колебания, применяется одна и та же математика. Доставляющие беспокойство движения пешеходного мостика, подпрыгивание автомобиля на амортизаторах, грохот стиральной машины с неравномерной загрузкой, трепетание жалюзи на ветерке, шевеления земли при повторных толчках после землетрясения, гудение флуоресцентных ламп, работающих с частотой шестьдесят герц, — в каждой области науки и техники сегодня найдется свой вариант таких ритмических движений, свой вариант колебаний. Маятник — это их дедушка. Его схема универсальна. Так что скучный — неподходящее слово.

*Отсылка к четверостишию Блейка из «Песен невинности» (1789):

Чтоб увидеть весь мир в песчаном зерне,

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

It-girl: как женщине стать «своей» в мире программирования It-girl: как женщине стать «своей» в мире программирования

«Женщина в IT — как морская свинка: и не морская, и не свинка

Forbes
Формы угнетения: как дресс-код связан с гендерным неравенством Формы угнетения: как дресс-код связан с гендерным неравенством

Почему происходит глобальный тренд на пересмотр женского дресс-кода

Forbes
Кто человечнее — животные или люди: глава книги Кто человечнее — животные или люди: глава книги

Начало книги Ёко Тавады «Мемуары белого медведя»

Esquire
10 вещей, которые мы используем не по назначению 10 вещей, которые мы используем не по назначению

Почему мы используем все это неправильно

Maxim
Агрегация атомов гелия в нанокапли усилила надпороговую ионизацию Агрегация атомов гелия в нанокапли усилила надпороговую ионизацию

Физики изучили процесс надпороговой ионизации

N+1
Шахиня Фарах Пехлеви: история, ставшая балетом Шахиня Фарах Пехлеви: история, ставшая балетом

Трагическая судьба Фарах Пехлеви — одной из самых знаменитых женщин ХХ века

СНОБ
Элементарно: 10 любимых мест Шерлока Холмса в Лондоне Элементарно: 10 любимых мест Шерлока Холмса в Лондоне

Места приключений Шерлока Холмса

Вокруг света
Гид для начинающего велосипедиста Гид для начинающего велосипедиста

Разбираемся, как выбрать свой первый велосипед и что лучше знать

GQ
Ляйсан Утяшева Ляйсан Утяшева

Гармония в семейной жизни: Ляйсан Утяшева

Glamour
Да кто такой этот ваш певатрон Да кто такой этот ваш певатрон

Как физики ищут в небе источники петаэлектронвольтовых космических лучей

N+1
«Историю поколений можно проследить через коллекцию сигаретных пачек»: как фотограф Саша Генцис снимает мир без людей «Историю поколений можно проследить через коллекцию сигаретных пачек»: как фотограф Саша Генцис снимает мир без людей

Выставка фотографа Саши Генциса «Природа или прогресс», посвященная экологии

Forbes
«Талибан» 2.0: почему модернизация Афганистана провалилась «Талибан» 2.0: почему модернизация Афганистана провалилась

Печальный итог существовавшего в Афганистане режима был предопределен

Forbes
Сделано в невесомости: зачем Varda Space строит фабрику органов и лекарств в космосе Сделано в невесомости: зачем Varda Space строит фабрику органов и лекарств в космосе

Стартап Varda Space Industries привлек $42 млн, чтобы построить завод в космосе

Forbes
Звезды, которых ты никогда не видела с натуральным цветом волос - а жаль... Звезды, которых ты никогда не видела с натуральным цветом волос - а жаль...

Эти звезды практически никогда не появлялись на публике в натуральном виде

Cosmopolitan
Паблик-арт на Красной площади. Интервью с отцом и сыном Полисскими о современной скульптуре в России Паблик-арт на Красной площади. Интервью с отцом и сыном Полисскими о современной скульптуре в России

Фестиваль «Красный сад» — первая масштабная выставка паблик-арта в России

СНОБ
В Хорватии нашли энеолитическое захоронение казненных пленников В Хорватии нашли энеолитическое захоронение казненных пленников

В Хорватии обнаружили коллективное захоронение около 4200 года до нашей эры

N+1
Toyota Land Cruiser 300. Бархатная японская революция Toyota Land Cruiser 300. Бархатная японская революция

Инженеры и дизайнеры поменяли во флагманском «Крузере» буквально всё

4x4 Club
Настоящая алхимия: как приготовить вино из кабачков Настоящая алхимия: как приготовить вино из кабачков

Вопрос, куда девать весь урожай кабачков с дачи, отныне не будет наболевшим!

Maxim
7 аудиокниг, основанных на важных исторических событиях 7 аудиокниг, основанных на важных исторических событиях

Подборка документальных произведений о значимых исторических событиях

Популярная механика
Почему нам так нравится изучать истории про маньяков Почему нам так нравится изучать истории про маньяков

Почему фильмы и книги про маньяков нас так затягивают?

GQ
Вездеход Копытова: из водопроводных труб и деталей от старых автомобилей он клепает что-то невероятное Вездеход Копытова: из водопроводных труб и деталей от старых автомобилей он клепает что-то невероятное

Вездеход Александра Копытова воодушевит каждого любителя внедорожных «покатушек»

Популярная механика
Олимпиада на авось Олимпиада на авось

Разгром сборной царской России в V Олимпийских играх

Вокруг света
Торговля трупами, планирование похорон и усыновление могил. Отрывок из книги «Великобритания изнутри» Торговля трупами, планирование похорон и усыновление могил. Отрывок из книги «Великобритания изнутри»

Отрывок из культурного гида по Великобритании от Ирины Галкиной

СНОБ
Код bless you. Зачем создатель бота «‎Глаз Бога» строит систему социального рейтинга‎, предсказывает новости и вычисляет эскортниц Код bless you. Зачем создатель бота «‎Глаз Бога» строит систему социального рейтинга‎, предсказывает новости и вычисляет эскортниц

Самый неожиданный герой современного Рунета‎ и его скандальный проект

СНОБ
Броненосцы: рыцари в круглых латах Броненосцы: рыцари в круглых латах

Испанские конкистадоры удивились, встретив в Южной Америке животных в броне

Вокруг света
Сидячая работа: 5 главных мифов о снайперах Сидячая работа: 5 главных мифов о снайперах

Работа снайпера — тяжелый труд, вокруг которого развелось множество мифов

Maxim
Как и почему женщины изменяют статусным красавцам с самыми затрапезными заморышами? Как и почему женщины изменяют статусным красавцам с самыми затрапезными заморышами?

Интересные выводы о природе неверности среди людей

Maxim
Сергей Горошко Сергей Горошко

Сергей Горошко прославился после роли в боевике «Майор Гром: Чумной доктор»

Собака.ru
Анастасия Бабичева. Против насилия: остановить его поможет знание Анастасия Бабичева. Против насилия: остановить его поможет знание

Волонтёрская деятельность дала Анастасии понять, как много вокруг насилия

Домашний Очаг
Как включить Блютуз на компьютере: несколько способов Как включить Блютуз на компьютере: несколько способов

Как включить Блютуз на ноутбуке или ПК?

CHIP
Открыть в приложении