Зеркало Архимеда

С тех пор, как в 1870 г. Шлиман нашел развалины легендарной Трои, доверие современных ученых к свидетельству древних авторов неуклонно возрастает. Растет и уважение к науке древнего мира, во многом отличавшейся от нашей задачами и методами, но поднявшейся, особенно в греческом и римском мире, до больших высот. Многие достижения античной техники, как теперь выясняется, новая Европа не смогла превзойти вплоть до XVII века. Речь идет, в частности, о механизмах, подобных часовым, которых греческие математики и инженеры использовали и для создания своеобразных «планетариев» - сферических или плоских моделей неба, демонстрировавших видимое суточное, месячное, годичное движение небесных тел, солнечные и лунные затмения и т. д. Плоский планетарий был найден в начале нашего века на греческом судне, поднятом со дна моря близ острова Антикитира, и потребовалось много лет на то, чтобы восстановить его устройство и, частично, сделанные на нем надписи, оказавшиеся названиями созвездий. Одним из самых знаменитых «планетариев» древности был описанный Цицероном «звездный глобус», привезенный в свое время из Сиракуз римским полководцем Марцеллом. Сделал этот «глобус» один из величайших известных нам ученых древности - Архимед Сиракузский. «Я часто слышал, как рассказывали об этой сфере, - писал Цицерон, - и должен признаться, что на первый взгляд не нашел в ней ничего особенного. ...Однако, когда Галл начал нам объяснять с бесконечной ученостью систему этого прекрасного произведения, я вынужден был прийти к выводу, что этот сицилиец обладал гением, которого, кажется, человеческая природа не может достигнуть...»

«Архимед был человеком такого возвышенного образа мыслей, - утверждает греческий ученый и писатель I века н. э. Плутарх, - такой глубины души и богатства познаний, что о вещах, доставивших ему славу ума не человеческого, но божеского, не пожелал написать ничего, ... свое рвение обратил на такие занятия, ... не сравнимые ни с какими другими, представляющие собой своего рода соревнование между материей и доказательством, и в этом состязании первая являет величие и красоту, второе - точность и невиданную силу: во всей геометрии не найти более трудных и сложных задач, объясненных посредством более простых и прозрачных основных положений. Некоторые приписывают это природному дарованию Архимеда, другие считают, что лишь благодаря огромному труду все до мельчайших частностей кажется у него возникшим легко и без всякого труда».

Живший в III веке до н. э., то есть в эпоху расцвета греческой математики, Архимед занимался, как и многие его талантливые современники, исследованиями в области геометрии, однако, в отличие от них, приложил много усилий и к занятиям тем, что мы бы теперь назвали естествознанием. Он изучал гидростатику, астрономию и оптику и создал множество механизмов, многие из которых в усовершенствованном виде применяются до сих пор.

При обороне Сиракуз от осаждавших этот город римских войск Архимед создал подъемные и метательные машины, а «зажигательное зеркало», с помощью которого он якобы сжег корабли Марцелла, доныне остается загадкой, волнующей умы исследователей. В дошедших до нас трудах античных историков, писавших вскоре после взятия Сиракуз, упоминания о зеркале нет. Существует несколько ссылок на сожжение Архимедом римских кораблей, сделанных вскользь, как на факт общеизвестный, не требующий пояснений. Описание зеркала сохранилось в двух произведениях византийских ученых, пересказавших - каждый на свой лад - не дошедшую до нас часть «Римской истории» Диодора Сицилийского, историка, жившего на рубеже нашей эры.

Вот эти описания:

1. Архимед... самым невероятным образом сжег римский флот. Направив особого рода зеркало на Солнце, он собрал пучки его лучей и, благодаря толщине и гладкости зеркала, сумел зажечь солнечным светом воздух так, что возникло колоссальное пламя. Он направил лучи на стоявшие на якоре корабли, и они сгорели дотла.

2. Когда Марцелл убрал корабли на расстояние, превышающее полет стрелы, старик соорудил особое шестиугольное зеркало; на расстоянии, пропорциональном размеру зеркала, он расположил похожие четырехугольные зеркала, которые можно было перемещать с помощью специальных рычагов и шарниров. Зеркало он обратил к полуденному солнцу - зимнему или летнему - и, когда пучки лучей отразились в нем, огромное пламя вспыхнуло на кораблях и с расстояния полета стрелы превратило их в пепел.

Единственным известным нам аналогом Архимедова зеркала может служить конструкция, созданная жившим в VI веке н. э. византийским архитектором и математиком Анфимием, использовавшим не дошедшие до нас источники, содержавшие, видимо, более подробную информацию об изобретении сиракузского ученого. Анфимий применил систему из 24 отдельных зеркал, закрепленных в раме. «Подставляя это механизм солнечным лучам, - пишет он, - надо правильно установить центральное зеркало, а потом и остальные, быстро и ловко наклоняя их, ... так, чтобы солнечные лучи, отраженные этими различными зеркалами, направлялись в ту же точку...» Конструкции, подобные созданной Анфимием, в современной технике носят название гелиоконцентраторов.Сам Анфимий, по слухам, поссорившись с соседом, сжег его дом с помощью составного зеркала. Не было ли «зеркало Анфимия» тождественно «зеркалу Архимеда»?

Рассказы о зеркале Архимеда долгое время вызывали недоверие ученых нового времени, особенно историков. А Рене Декарт теоретически опроверг возможность поджечь корабли с помощью зеркал так, как это описывал Диодор Сицилийский и его интерпретаторы. Однако в 1747 г. французский ученый Бюффон построил систему из 128 плоских зеркал, с помощью которой воспламенил просмоленную доску на расстоянии 150 футов. Подробно об этом см. в [2]. Конечно, никакой эксперимент не даст ответа на вопрос, действительно ли были сожжены Архимедом корабли Марцелла, хотя, вполне вероятно, дело обстояло именно так.

История утверждает, что военные машины Архимеда были модификацией механизмов, создававшихся им для иллюстрации его геометрических построений и исследований в области «теоретической механики». Но Архимед занимался также и оптикой. Он написал трактат по оптике, к сожалению, до нас не дошедший, но нам известно, что обсуждались в нем следующие вопросы: почему в плоских зеркалах предметы сохраняют свою натуральную величину, в выпуклых - уменьшаются, а в вогнутых - увеличиваются; почему левые части предметов видны справа и наоборот; когда изображение в зеркале исчезает и когда появляется; почему вогнутые зеркала, будучи поставлены против Солнца, сжигают поднесенный к ним трут; почему на небе видна радуга; почему иногда возникают миражи Солнца и многое другое. Несомненно, будучи по природе своей экспериментатором (в отличие от своих современников), Архимед делал зеркала, необходимые ему для исследований и проверки его гипотез.

Зеркала были известны еще с незапамятных времен в древнем Египте. Их делали из бронзы, серебра, иногда - золота. Стеклянные зеркала (стекло также умели делать еще древние египтяне) стали изготовлять, согласно Плинию Старшему, в Сидоне, финикийском городе на территории Сирии. Стеклянных дел мастера выплавляли стекла цветные, затем бесцветные, различные изделия из стекла, в том числе такие, которые нельзя было отличить от изделий из натурального горного хрусталя; в исходную массу добавляли свинец, серебро, золото, что придавало стеклу качества, делавшие его особенно ценным. Наполненные жидкостью стеклянные шарики, по словам Плиния, «воспламенялись так, что прожигали одежду», и врачи считали их лучшим средством для прижиганий.

По свидетельству Сенеки еще Демокрит изготовлял фальшивые изумруды. Тот же Сенека, римский философ I века, подробно рассказывает о зеркалах плоских, выпуклых, вогнутых, имевших форму сферического сегмента, используемых для забавы зеркалах, искажавших формы и размеры отраженных предметов или «способных превратить одного человека в целое войско». И тот же Сенека советует наблюдать солнечное затмение, глядя на отражение Солнца и Луны в налитом чашу масле или смоле, «ибо поверхность этих густых жидкостей не волнуется ветром и служит хорошим зеркалом. Затем мы видим, - пишет он, - как Луна проходит между Землей и Солнцем и скрывает от нас светило, гораздо большее и более далекое, чем она сама, частично или полностью, смотря по ее положению, Мы называем затмение полным, если становится темно и появляются звезды. Это происходит, когда центры обоих светил находятся на одной линии с нами. ... С какой целью природа, сотворив реальные предметы, позаботилась и о том, чтобы создать столь точные их изображения? Не для того же, чтобы люди брились, выщипывали брови, прихорашивались перед зеркалом! Никогда природа не поощряет порок роскошества. Но, так как глаза наши слишком слыбы, чтобы выдержать сияние Солнца, никогда бы мы не узнали его истинной формы, если бы природа не дала нам средство уменьшить его блеск. И поскольку на Солнце можно смотреть лишь на восходе и закате его, мы не узнали бы, что оно ослепительно белое, а не красное, если бы не могли наблюдать его отражение в более темной жидкости.» (Сенека, Вопросы естествознания, кн. 12). Следовательно, зеркальные поверхности использовались в некоторых случаях для астрономических наблюдений.

Было бы, вероятно, слишком большой смелостью утверждать, что Архимед использовал какие-то зеркала именно для астрономических наблюдений - и у нас нет для этого данных; но он, несомненно, проводил с их помощью научные изыскания. Какие - остается загадкой, как остается загадкой и конструкция зажигательного зеркала Архимеда. Было ли шестиугольное зеркало действительно плоским, каковы были его размеры, каковы были размеры подвижных четырехугольных зеркал, сколько их было? И было ли зеркало, описанием которого мы располагаем, именно тем, с помощью которого были сожжены корабли, или оно было «лабораторным прибором», слившимся в сознании не очень сведущих в оптике римских воинов с другими, более похожими на зеркала, точнее, системы зеркал, использованные Анфимием или Бюффоном? (Есть даже версия, согласно которой Архимед командовал расставленными вдоль стены города солдатами, державшими в руках отполированные щиты. По указанию ученого они поднимали щиты так, что отраженный в них свет попадал в одну и ту же точку корабля, и корабль загорался).

История оставила нам много загадок. До сих пор не имеет объяснения 260-дневный календарь народов Центральной Америки, рисунки в пустыне Наска, технология изготовления дамасской стали. Но мы знаем теперь, что знаменитые мегалитические сооружения на Британских островах и храмовые комплексы тольтеков и майя служили древним ученым-жрецам одновременно обсерваториями и своеобразными «астрономическими инструментами», как и разбросанные по огромным пространствам североамериканских прерий загадочные еще недавно «шаманские кольца». Надо надеяться, что рано или поздно и другие «тайны истории» найдут своих исследователей. Ждут их и зеркала Архимеда.