Джорджо Вазари в биографии Паоло Учелло рассказывает: «Паоло почти все ночи напролет проводил в мастерской за поисками законов перспективы, а когда его звали спать, отвечал: “О, какая приятная вещь эта перспектива”». Каждый итальянский художник, а особенно флорентийский, изучал законы перспективы, без которой не передать объема в живописи. Леонардо добавил к теории перспективы учение о свете, о его переходах к тени и изменении в различных условиях. Это было началом его изучения оптики, причем физика и биология, как всегда бывало, когда он брался за один вопрос, содержащий в себе многие другие, очень тесно переплелись. Да Винчи стремился понять, как человек видит, каким образом он воспринимает все видимое, как распространяется, преломляется в различных средах свет.

Литература по этому вопросу даже в те времена была довольно обширной. Фацио Кардано помогал да Винчи добыть тот или иной трактат. Но в книгах Леонардо не находил ответов на многие вопросы, и то, что он читал, не удовлетворяло его – нечетко и неясно изложено, оторвано от реальности. Столкнувшись в очередной раз с несовершенством, он стремился досконально разобраться во всем сам. Леонардо начал с глаза – написано об этом было немало, но сбивчиво, разрозненно, многие сведения и утверждения сомнительны. Для того чтобы понять, как и почему видит человек, да Винчи занялся анатомией глаза – другого способа просто не было. Леонардо разрезал глазные яблоки, изучал их строение, зарисовывал. Возможно, многие открытия ему помогла сделать интуиция художника – мысль, облеченная в рисунок, становилась более четкой, реальной. Результатом этих исследований стала теория зрения. Конечно, в чем-то Леонардо ошибся, ему было трудно справиться с довлевшим авторитетом ученых, но все-таки его теория очень близка к современной, а разработанная им теория двойного преломления света, происходящего в глазу, впервые в науке того времени верно воспроизвела процесс зрения.

За многочисленными зарисовками строения глаза, сделанными в миланских тетрадях, последовали наблюдения за ходом лучей, проходящих через отверстия различной формы и величины. Леонардо работал с камерой-обскурой. Эксперименты с камерой проводили многие исследователи и до него, но он был единственным, кто подверг результаты эксперимента детальному теоретическому анализу В ходе исследований да Винчи столкнулся с проблемой стереоскопичности. Он впервые объяснил, почему, когда смотрят двумя глазами, получают объемное изображение, в то время как один глаз видит только плоскую картину. Здесь ученый снова становится художником.

Леонардо подверг подробному анализу и вопрос об образовании теней. Его интересовала их форма, интенсивность и окраска. В результате появилась теория теней. Но более всего его занимало отражение лучей света от плоских и изогнутых поверхностей, особенно зеркал, а также преломление лучей в различных средах. Данные, собранные Леонардо, и выводы, сделанные им, давали на то время, насколько это было возможно, полную ясности картину в интересовавших его вопросах. Материалов набралось столько, что даже вечно недовольный собой мастер приступил к созданию цельного учения о свете, зрении и перспективе.

Как мы уже упоминали, тетрадь Леонардо, посвященная оптике, сохранилась до нашего времени. В ней содержатся заметки, переписанные из других, более ранних тетрадей, тщательно выполненные рисунки. Правда, материалы еще не выстроены в должном порядке. Современники упоминают законченную Леонардо в начале 1490-х годов «Книгу о живописи», к сожалению, не дошедшую до нас. Возможно, именно в эту книгу да Винчи включил материалы по оптике в законченном виде.

Из современников Леонардо да Винчи только Леон Баттиста Альберти, разбирая некоторые технические проблемы, прибегал к механике, ограничиваясь при этом элементарными знаниями о рычаге, блоке, трении. Понимал ли Леонардо всю грандиозность задачи, которую поставил перед собой, когда взялся коренным образом переработать существующие знания по механике, или он просто шел от одного вопроса к другому? Возможно, что верно и первое, и второе. В своих тетрадях он писал, что всякое знание начинается с ощущения, что опыт никогда не ошибается, в отличие от наших суждений. Античная и средневековая механика основывали свои выводы и заключения на логических построениях, весьма отвлеченных доказательствах, существовавшие в механике суждения могли быть ошибочны. А это, по мнению Леонардо, значило, что каждый постулат необходимо проверить на практике. Любая теория должна быть подтверждена опытом, доказана эмпирически. Верно поставленный опыт не может привести к ошибочным результатам.

В научном исследовании Леонардо на первое место ставил эксперимент. Но это не значит, что исследователь шел только эмпирическим путем. Опыт должно несколько раз повторить, чтобы исключить случайные результаты. В данных, полученных в ходе эксперимента, нужно искать закономерности, которые по возможности необходимо изложить в виде формулы. Леонардо писал, что следует радоваться не тому, что знаешь о существующих явлениях природы, но тому, что знаешь причины этих явлений. Результатом серии опытов должна стать система математически сформулированных законов. В своих записях великий итальянец отмечал, что нет достоверности там, где нет связи с математикой.

Но и выведенный закон, по мнению да Винчи, не является конечной целью научного исследования. Он должен применяться на практике, в технике. Особый интерес Леонардо проявлял к механике, он называл ее «раем математических наук» – именно с ее помощью можно было перейти от теории к практике. Леонардо говорил, что математические законы «дают узду инженерам и изобретателям», чтобы они не обещали выполнить невозможное, и отмечая, что в этом случае их не будут считать «безумцами или обманщиками». Его слишком часто называли фантазером, чтобы он не знал, о чем говорил. Леонардо должен был защищать свои смелые проекты не голословно, а обоснованно, опираясь на эксперимент и теорию, и если она окажется неверна, то тогда необходимо создать новую. Да Винчи писал, что науки, которые не рождены опытом, полны ошибок.

Несмотря на свою неспешность и созерцательность, он знал, что нужно делать. Сначала Леонардо читал научный трактат, затем выбирал в нем положения, которые считал основными, наиболее применимыми на практике, формулировал эти положения заново, по возможности более ясно и кратко, добиваясь математической точности и прозрачности, выявляя только смысл, квинтэссенцию. И только тогда, когда мысль обретала черты закона, он проверял этот закон экспериментально. Опыты, которые ставил Леонардо, были сложны, но при этом остроумны. В его тетрадях часто встречаются такие записи: «Сделай опыт, будет ли тонкий кусок дерева, подвешенный вдоль на двух подвесах за свои концы, выдерживать 10 фунтов»; «Помести завтра два твоих крайних груза во всех известных тебе пропорциях и следи за более тяжелым средним грузом, как он меняет положение благодаря изменению своей тяжести, и на основании всего этого выведи закон»; «Опыт, подтверждающий вышеприведенное заключение о движении, должен производиться следующим образом: должны быть взяты два шарика разного веса и формы и отпущены падать с большой высоты так, чтобы в начале движения они касались один другого, а экспериментатор пусть стоит на земле и смотрит, будет ли при их падении сохранено соприкосновение или нет. Этот опыт пусть будет произведен много раз, так, чтобы какое-нибудь случайное обстоятельство не помешало или не изменило это доказательство, ибо опыт может оказаться ложным и обмануть своего экспериментатора».