Увы, секретность — проклятие для науки. За годы, прошедшие после смерти Леонардо, наука превратилась в совместное предприятие, которое может успешно существовать, только если его члены свободно делятся своими открытиями друг с другом. Многие историки науки осуждают Леонардо за сокрытие им своих знаний в те времена, когда они могли бы сильно повлиять на последующее развитие этих областей. Чтобы не быть слишком суровыми по отношению к нашему энциклопедисту эпохи Возрождения, вспомним, что идеи открытости и совместного использования знаний во времена Леонардо были непопулярны.
Поскольку его заметки не были опубликованы, Леонардо не поразил воображение пришедших после него ученых и не возбудил интерес историков следующих эпох. Кроме того, и искусствоведы, и публика привыкли считать его выдающимся художником. Пропасть же между первоклассным искусством и первоклассной наукой казалась столь глубокой, что признать вклад Леонардо еще и в области науки — это было бы уже слишком. И все же история умеет восстанавливать справедливость, и я докажу, что именно Леонардо достоин называться первым Ученым.
Для начала надо перечислить научные гипотезы Леонардо. Обычно ученые считают физику «королевой наук», потому что она лежит в основе всех других естественных дисциплин. Леонардо сделал несколько поразительных открытий в этой основополагающей области. Из трех законов Ньютона Леонардо открыл первый и третий. Ньютон сформулировал свой первый закон в 1687 году так:
Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
Леонардо писал: «Ни одна неодушевленная вещь не движется сама собою, но движение ее производится другими»[95]; еще в другом месте: «Всякое движущееся тело движется постоянно, пока импульс силы его движителя в нем сохраняется».[96] Его объяснения со временем стали бы называться законами Леонардо, если бы Ньютон не переформулировал их на языке математики.[97]
Леонардо также выразил идею и третьего закона: сила действия равна силе противодействия. Он писал: «С такой же силой действует предмет на воздух, с какой и воздух на предмет. Посмотри на крылья, которые, ударяясь о воздух, поддерживают тяжелого орла в тончайшей воздушной выси».[98] Аналогично он уловил и основной принцип полета, придя к заключению: чтобы понять, как крылья держат птиц в высоте, надо понять действие воздушных потоков на крыло.[99]
Леонардо в своих записных книжках описал в словах или выразил в рисунках поразительно много важнейших законов физики задолго до того, как была заложена необходимая основа для их открытия. Он интуитивно предсказал предложенный Эванджелистой Торричелли в 1643 году закон, описывающий факторы, влияющие на скорость жидкости, вытекающей из отверстия. Торричелли выразил закон в изящной формуле, учитывающей вклад всех переменных. Примерно двумя столетиями ранее Леонардо, наблюдая за текущей водой, пришел к точно таким же выводам, использую только слова и рисунки.
Подробно изучая условия, необходимые для полета, Леонардо понял фундаментальную основу закона, который в 1738 году опишет математик Даниил Бернулли. Суть этого закона заключается в том, что скорость потока воздуха над поверхностью крыла выше, чем скорость воздуха под крылом, и таким образом возникает перепад давлений. Этот простой аэродинамический принцип обеспечивает подъемную силу, необходимую для полета и позволяющую держаться в воздухе тяжелым авиалайнерам. Более чем за 200 лет до Бернулли Леонардо открыл этот важный закон, не прибегая к помощи высшей математики.
Существует хорошо известный феномен изменения тона паровозного свистка при приближении и последующем удалении от наблюдателя. В 1840 году немецкий математик Кристиан Доплер объяснил на точном математическом языке, что этот феномен возникает из-за того, что при движении источника звука расходящиеся звуковые волны образуют не окружность, а овал. В его честь это открытие получило название «эффект Доплера». Леонардо наблюдал вытягивание окружностей, которые образуют волны от камешка, брошенного в ручей. Сведения о волнах в ручье он распространил и на звуковые волны и таким образом описал и проиллюстрировал звуковое явление, которое Доплер обоснует с помощью уравнений 300 лет спустя.
Открытия Леонардо тем более поразительны, что основаны на интуитивном понимании сложных физических идей, без опоры на глубокие математические знания.
Когда Декарт в середине XVII века изобрел метод аналитической геометрии, позволяющий графически представить алгебраические выражения, он не знал о гении-самоучке, который на 150 лет раньше, работая практически в одиночку, получал потрясающие результаты, превращая абстрактные математические формулы в изображения.
Французский юрист и политик, но также и известный математик Пьер де Ферма обычно не публиковал свои выдающиеся математические открытия. В 1657 году он писал другу в письме, что свет должен проходить по кратчайшему пути за наименьшее время. Согласно принципу Ферма, как он стал называться, природа всегда (за редкими исключениями) выбирает самый короткий путь, по которому можно совершить перемещение за минимальное время. Для его формулировки Ферма исписал уравнениями целую страницу. Гениальный арабский математик XI века Ибн аль-Хайсам (известный в Европе под именем Альхазен) выразил тот же принцип, только в менее строгой форме. В записных книжках Леонардо тоже можно найти этот фундаментальный закон. Он обсуждается применительно к тому, как свет прокладывает путь сквозь время и пространство, но эти наблюдения могут быть применены практически ко всем природным явлениям. И опять же, догадка Леонардо на 200 лет опередила вывод, сделанный Ферма.
Закон сохранения массы гласит, что масса системы, взятая в начале какого-либо процесса, будет в точности равна ее массе в конце. При этом не важно, сколько трансформаций, деформаций и других изменений произошло с этой массой в течение процесса. Леонардо этим заинтересовался в возрасте 40 лет, когда познакомился с геометром и математиком Лукой Пачоли. Они вместе опубликовали книгу по геометрии, в которой Леонардо проиллюстрировал законы и выводы Пачоли. Среди тех книг, к созданию которых приложил руку Леонардо, это была единственная, вышедшая в свет еще при его жизни. Еще до того как в 1687 году Ньютон в своих «Математических началах натуральной философии» окончательно сформулировал закон сохранения массы, Леонардо понял, что, несмотря на множество деформаций, которые претерпевают геометрические тела при движении в пространстве, их масса всегда остается постоянной. Если бы у Леонардо были математические знания, он наверняка тоже сформулировал бы этот закон.
Во время совместной работы с Пачоли Леонардо действительно погрузился в изучение математики. Его занимала идея, впоследствии ставшая основой интегрального исчисления: «Всякая непрерывная величина мысленно делима до бесконечности».[100] Несмотря на то что Леонардо не придумал самих уравнений, его прозорливость все равно поражает. Роль, которую сыграло открытие интегрального исчисления в физике и математике, невозможно переоценить.
Классический вопрос, которым ребенок может озадачить своих родителей, — это «Почему небо синее?». Физики долго бились над тем, чтобы найти ответ на этот, на первый взгляд, простой вопрос. И только в конце XIX века лорд Рэлей показал, что это связано с рассеянием солнечного света молекулами газов, содержащихся в атмосфере, и вопрос был наконец закрыт. Лорд Рэлей был удостоен Нобелевской премии по физике в 1904 году. Через несколько десятилетий Альберт Эйнштейн с помощью уравнений, выведенных из специальной теории относительности, опубликованной им в 1905 году, расширил объяснение лорда Рэлея и предложил окончательное объяснение цвета неба.
И все же одиночка Леонардо, не используя ничего, кроме своей наблюдательности и дедуктивного мышления, пришел к такому же выводу о природе синего цвета у неба:
Я утверждаю, что синева, в которой мы видим воздух, не есть его собственный цвет, а порождается теплой влагой, испаряющейся мельчайшими и неощутимыми атомами.
Ей вслед ударяют солнечные лучи, и она становится светлой ниже той темноты безмерного мрака, которая прикрывает ее сверху в области огня.[101]
Изучение вопросов, связанных с атмосферой, и заметки Леонардо о форме облаков делают его подходящим кандидатом на звание первого в истории метеоролога.[102]
Леонардо бросил вызов классическим представлениям Платона и Аристотеля, согласно которым Солнце и Луна являются идеальными сферами. Рассуждая логически, он пришел к выводу, что пятна на поверхности Луны говорят о наличии на ней гор и впадин и, следовательно, Луна не может быть идеальной сферой.
Кроме того, внимательно наблюдая за Луной, он правильно предположил, что при появлении серебристого месяца темная часть лунного диска все равно видна наблюдателю на Земле, поскольку солнечный свет отражается от поверхности океанов и снежных шапок гор нашей планеты. Леонардо без всяких научных приборов пришел к умозаключению, что весь лунный диск просматривается из-за того, что от поверхности Луны отражается солнечный свет, ранее отразившийся от Земли. Учитель Кеплера Михаэль Мёстлин пришел к такому же выводу позже более чем на столетие.[103]
Многие историки науки отмечают, что, хотя Леонардо и не хватало знаний алгебры, его геометрические исследования и увлечение картографией привели к созданию очень точных по меркам того времени карт.
Фритьоф Капра рассказывает историю Анри Пуанкаре — математического гения, который на рубеже XIX–XX веков описал некоторые сложные геометрические принципы, заложив тем самым основы науки, которую назвал топология. Похожие мысли высказывал в XVII веке Готфрид Вильгельм Лейбниц, но он не довел их до логического завершения. Затем уже в XIX столетии наука взорвалась математическими идеями и другими важными событиями, предоставив Пуанкаре новую информацию, полезную для его расчетов. Знаменитый француз использовал элементы геометрии, которые могли повлиять на точность рисования карт.
Однако Капра обращает внимание, что на карте долины Вальдикьяна эпохи Возрождения, сделанной Леонардо, используется ловкий изобразительный прием, похожий на метод, описанный уравнениями Пуанкаре.
Илл. 15. Карта Вальдикьяны (ок. 1503–1504) (рисунок пером с акварелью и гуашью поверх мела). Леонардо да Винчи
Поразительное достижение Леонардо оставалось незамеченным на протяжении почти полтысячелетия. Карту, на которой были показаны водные ресурсы долины, он деформировал принципиально новым, хорошо продуманным способом, чтобы выделить важные детали в центре и в то же время немного сжать периферию. Такое искажение сделало карту более реалистичной и в то же время удобочитаемой. Пуанкаре не знал, что Леонардо 400 лет назад использовал в своей графике законы топологии.
По мнению Капры, несмотря на то, что Леонардо был плохо знаком со сложной математикой, он, будучи инженером и художником, использовал что-то вроде алгебраических вычислений в уме, чтобы рассчитать необходимые пропорции и нагрузки на точки опоры, рычаги и шкивы. В современной физике эта область называется статикой. Леонардо мог точно определить длину рычага, положение точки опоры, вес груза и пройденное расстояние, опираясь на свое художественное совершеннейшее чувство меры. Это неудивительно, так как Леонардо считал живопись наукой и использовал расчеты для определения точных пропорций объектов, чтобы достоверно их изображать.
Леонардо был совсем незнаком с алгеброй и тригонометрией. Тем не менее как военный специалист он мог определить траекторию полета ядер пушки и бомбарды без использования этих сложных областей математики.
Его исследование свойств жидкостей предвосхитило развитие направления в физике, называемого теорией хаоса (или теорией сложности). Швейцарец Леонард Эйлер впервые попытался описать турбулентность в математических формулах в 1755 году. Следующим физиком, занявшимся системными исследованиями водяных вихрей и их турбулентности, был Герман Гельмгольц. Это было через 350 лет после наблюдений Леонардо. Изучение гидро- и аэродинамики легло в основу теории хаоса. Очень редко бывает, что в учебниках упоминают первенство открытий Леонардо в этой важной области современной физики.
Интерес Леонардо к гидродинамике и скрупулезные наблюдения за тем, каким образом движется вода, привели его к одному из самых потрясающих открытий в области физики и, в частности, в оптике. Он изучал волновое движение воды, раскладывая на гладкой поверхности пруда зерна или соломенные стебли. Затем он бросал в пруд камень и наблюдал волны, затихающие по мере удаления от места падения камня, и покачивание соломы и зерен, продолжающих оставаться на своих местах.
Из Этого он заключил, что волны распространяются в воде так, что это не вызывает передвижения ее молекул (частиц). Это очень важное наблюдение легло в основу теории волн. Леонардо распространил результаты исследования водных волн на воздушную среду и предположил, что невидимые звуковые волны распространятся таким же образом. Он писал:
Как брошенный в воду камень становится центром и причиною различных: кругов, так же кругами распространяется и звук, порожденный в воздухе, так же и всякое помещенное в светлом воздухе тело распространяется кругами и наполняет окружающие части бесчисленными своими образами и все является во всем и все в каждой части.[104]
Затем Леонардо предположил, что и свет движется в пространстве и времени схожим образом; для эпохи, когда все считали, что свет распространяется мгновенно, это была смелая идея.
Спустя 200 лет Ньютон предположил, что свет состоит из маленьких частиц, которые он называл корпускулами, так что между крохотными частичками света есть маленькие промежутки темноты. После публикаций «Математических начал» его авторитет стал неоспорим, и долгое время взгляды Ньютона на природу света были безоговорочно приняты научным сообществом.
Однако за 200 лет до этого Леонардо пришел к совершенно другому выводу о природе света. Голландский физик Христиан Гюйгенс в 1690 году опубликовал труд, который был для ученых как гром среди ясного неба. Гюйгенс выступил против корпускулярной природы света, он считал, что свет представляет собой волну, и за эти свои выдающиеся, но оппозиционные в то время взгляды занял почетное место в истории науки. Хотя Гюйгенс доказал, что свет распространяется в пространстве как волна, предложенное им объяснение было неполным. Он не смог описать, что происходит, когда две волны накладываются друг на друга. Это явление, однако, ранее уже описал Леонардо.
В 1676 году датский астроном Олаф Рёмер показал, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью. Это открытие вслед за работой Гюйгенса опровергло еще одно господствовавшее драгоценное убеждение: в научной среде считали, что свет не имеет определенной скорости и, как только исходит из своего источника, в тот же момент оказывается в месте назначения. Расчеты Рёмера показали, что свету требуется определенное количество времени, чтобы пройти из одной точки в другую.
Томас Юнг в 1803 году опубликовал работу по волновой теории света, в которой точно так же, как это сделал в свое время Леонардо, перенес результаты, полученные при изучении водных волн, на световые волны. В серии экспериментов, похожих на те, что делал Леонардо, он убедительно показал, что свет распространяется во времени и пространстве, как волна. Историки науки свидетельствуют, что своими работами Гюйгенс, Рёмер и Юнг окончательно доказали волновую природу света.