Іллічов А. Т.
Олександрійський музей.
Після смерті Олександра Великого в 323 р. до н. е.. і втечі Аристотеля Афіни, які вже втратили своє політичне значення, мало-помалу стали також втрачати свою першість і як інтелектуальний центр. Там ще залишалися філософські школи, але центр наукових інтересів перемістився в Олександрію єгипетську. Розвиток науки, якому сприяли загальне поширення грецької мови і щедра підтримка правителів багатьох держав, що утворилися після розпаду імперії Олександра, досягло до того часу такого рівня, що наукові знання не могли вже залишатися загальнодоступними, а стали долею фахівців.
Птолемей I Сотер, засновник єгипетської династії Птолемеїв, закликав до свого двору Деметрія Фалерського, учня Аристотеля, і доручив йому створити школу за зразком "лікея". Так був створений Олександрійський музей. Першим ядром бібліотеки цього Музею було зібрання праць Арістотеля. За Птолемея II Філадельф, що набрав на трон в 285 р. до н. е.., музей став великим культурним центром, де вчені жили разом, за державний рахунок; у своєму розпорядженні вони мали дві великі бібліотеки, що налічували до 48 р. до н. е.. 700 000 томів.
Це перший в історії приклад колективної організації наукових досліджень. Щось подібне було знову досягнуто лише в нашому столітті. Незабаром почалося видання книг Музеєм, чому сприяла наявність папірусу, що давало Єгипту природну монополію у виготовленні писального матеріалу.
Ці умови, винятково сприятливі для розвитку науки, залучали до Олександрії велике число вчених з усіх кінців світу. Там процвітали наукові школи протягом усього античного періоду. Зокрема, вся фізика елліністичного періоду, що представляє собою велику і кращу частину вкладу античності у дослідження природи в сучасному розумінні, пов'язана з Олександрійським музеєм.
Архімед.
З успіхами Музею пов'язано також ім'я Архімеда, праці якого ясно показують відмінність між філософським синтезом, до якого прагнули афінські школи, і систематичним науковим дослідженням конкретних явищ природи, вжитим олександрійськими вченими.
Архімед народився в Сіракузах близько 287 р. до н. е.. в сім'ї Фідія, відомого астронома. Тривалий час він навчався в Олександрії і на все подальше життя зберіг наукові зв'язки з вченими Музею. У Єгипті, можливо під час вторинного перебування там, коли слава про його генії вже поширилася, Архімедом були сконструйовані мости і споруджені дамби для регулювання розливів Нілу. Але найбільш геніальним винаходом цього періоду був підйомний гвинт, який і досі називається гвинтом Архімеда. За оцінкою Галілея, судді дуже компетентного і суворого, це винахід "не тільки чудово, але просто чудово, оскільки ми бачимо, що вода піднімається в гвинті, безперервно опускаючись" 1. Це винахід, який став можливим завдяки глибоким знанням геометричним Архімеда і його виняткової винахідливості в механіці, використовувався в Єгипті як для підйому води на височині (на висоту до чотирьох метрів), яких зазвичай розлив Нілу не досягав, так і для осушення низинних місцевостей.
Вельми численні (близько сорока) інші механічні винаходи, приписувані Архімеду. І хоча історичні джерела, які ми маємо, часом містять елементи легенди, історики все ж не сумніваються в тому, що він дійсно був автором цілого ряду винаходів - таких, наприклад, як зчеплення нескінченного гвинта з шестірнею й поліспасти, застосовані ним для спуску на воду величезного корабля. З цією подією пов'язане приписуване йому вислів: "Дайте мені точку опори, і я вам підійму весь світ". Безсумнівно, саме він сконструював перлину точної механіки - планетарій, описаний в одному з не дійшли до нас його праць. Марцелл переніс планетарій до Риму як військовий трофей. Згодом їм захоплювався Ціцерон. Ні, нарешті, ніякого сумніву в істинності підстав для популярного згодом оповідання про оборону Сіракуз - міста, чинив опір протягом трьох років римським військам, що наступали під командуванням Марцелла. У період цієї облоги Архімед безперервно винаходив все нові бойові машини, що наводили страх на обложників. Сіракузи були все ж таки взяті і, згідно з легендою, якийсь грубий римський воїн всупереч наказу Марцелла убив Архімеда в той момент, коли він на піску малював геометричні фігури. Навіть якщо епізод цей вигаданий, він все ж таки вельми характерний.
Архімед - засновник статики і гідростатики. Хоча його виклад носить геометричний характер і грунтується на постулатах, отриманих з не описаних ним дослідів, ясно, проте, що у нього були навички у проведенні точних експериментів. Архімед сам описує один з таких експериментів - встановлений ним спосіб вимірювання уявного кутового діаметра Сонця: "Отже, зміцнивши довгу лінійку на вертикальній підставці, розташованої в місці, звідки видно схід Сонця, поставимо на лінійці вертикально невеликий точений циліндр. Коли Сонце близько до горизонту і на нього можна дивитися, лінійка повертається у бік Сонця і очей розташовується на краю лінійки. При цьому циліндр, перебуваючи між Сонцем і оком, закриває всі Сонце. Потім поступово переміщують циліндр від ока, поки Сонце не почне злегка показуватися з усіх боків циліндра; на цьому місці циліндр закріплюється "2.
Навіть сучасні фізики не описують дослідів з більшою ретельністю. Першою науковою працею Архімеда було, мабуть, дослідження центрів тяжіння, в ньому розглядаються закони важеля і центри тяжкості (баріцентри) тел. Як ми вже згадували, умова рівноваги важеля зустрічається в "Проблемах", приписуваних Арістотелем, але там воно викладено дуже неясно і упереміш з принципами динаміки. Архімед ж виводить його з постулатів, отриманих з безпосередніх дослідів з важелями, так що постулати, подавши розгляду рівноваги важелів, мають, безсумнівно, експериментальне походження. Перший, головний постулат говорить: "Припустимо, що рівні тяжкості, підвішені на рівних довжинах, врівноважуються. На нерівних ж довжинах рівні тяжкості не врівноважуються: опускається та частина (системи), де тяжкість підвішена на більшій відстані" 3.
Теорема VI говорить: "сумірних величин врівноважуються, якщо довжини, на яких вони підвішені, знаходяться в зворотному відношенні до тяжкості".
Далі це положення поширюється на несумірні величини.
У цій роботі з'являється фундаментальне поняття механіки - поняття про центр тяжкості. Архімед говорить про нього в постулатах 4 - 7, не даючи йому визначення. Звідси висновок, що це поняття було вперше введено чи то невідомим нам попередником Архімеда, чи то їм самим у більш ранній роботі, не дійшла до нас. Але в обох випадках Архімед все одно повинен вважатися засновником раціональної теорії центрів тяжіння.
З розробкою цього поняття пов'язане і відкриття іншого фундаментального поняття механіки - моменту сили відносно прямої або площини. Архімед знав, як видно з його праці "Metodo" ("Метод"), виявленого Хейберга лише в 1906 р., що "дві величини, підвішені на плечах важеля, знаходяться в рівновазі, якщо рівні урожай його площ або обсягів на відстань їх центрів тягарів від опори "4.
Про те, яку користь мав Архімед з цього поняття і зі знання центрів тяжіння для своїх математичних відкриттів, розповідається в будь-якій сучасній історії математики.
Більш відомо відкриття Архімедом закону гідростатики, до цих пір носить його ім'я. Фактично, Архімед усвідомив, що рівновага рідини, що оточує занурене в неї тверде тіло не порушується, якщо замінити обсяг твердого тіла, тим же об'ємом спочиває рідини з розподілами щільності і тиску, що задовольняють умовам рівноваги. Звідси просто слід закон Архімеда: на тіло, занурене в рідину, діє сила, рівна вазі рідини в об'ємі тіла.
Це відкриття пов'язане з легендою, що передається багатьма істориками, з яких найбільшої довіри заслуговує Вітрувій. Згідно з легендою, Гієрон, тиран Сіракуз, доводився, мабуть, родичем Архімед, доручив йому з'ясувати, чи зроблена його корона цілком із золота або ж у неї підмішано срібло. Це завдання займала Архімеда досить довго, поки не допоміг випадок. Одного разу, приймаючи ванну, Архімед зауважив, що чим більше він занурюється у воду, тим більше води виливається з ванни. Він зрозумів, що це явище дасть йому ключ до розгадки завдання, в захваті вискочив з ванни і побіг по місту, вигукуючи: "Еврика, еврика!" (Знайшов, знайшов!).
Згідно Вітрувію, щоб розкрити шахрайство з короною, Архімед застосував наступний метод: він опустив у посудину, наповнений водою, золотий злиток того ж ваги, що і корона, а потім зібрав і зважив вилилася воду. Потім він повторив такий же досвід зі злитком срібла того ж ваги і знайшов, що води вилилося більше (тому що при однаковій вазі об'єм срібла перевищує обсяг золота). Повторивши досвід з короною замість злитків, Архімед отримав результат, що лежить десь посередині між результатами двох попередніх дослідів, звідки і уклав, що корона зроблена не з чистого золота.
Слід зауважити, що Галілей в одній зі своїх юнацьких робіт вважає описаний Витрувием досвід "... дуже грубим і невишукана. Тим більше грубим він здається тим, хто потім читав і вивчав майстерні винаходу настільки божественного людини, з яких дуже ясно, наскільки всі інші вчені були нижче Архімеда і як мало надії, що хто-небудь міг знайти що-небудь подібне до того, що він знайшов ... Усвідомлення того, що такий спосіб міркування в цілому помилковий і позбавлений тієї точності, яка потрібна в математичних питаннях, змусило мене багаторазово замислюватися над тим, яким чином можна було б за допомогою води витончено визначити суміш двох металів. Врешті-решт після старанного аналізу того, що Архімед говорить у своїх працях про предмети, що знаходяться у воді, причому про предмети з рівним вагою, мені прийшов у голову спосіб точного розв'язання нашої проблеми, який, на моє переконання, і є той самий спосіб, який застосовував Архімед, оскільки він, крім того, що він досить точний, знову ж заснований на доказах, наявних у того ж Архімеда "5.
Згідно історичної реконструкції Галілея, Архімед визначав втрату ваги для чистого золота, для чистого срібла і для корони і за цими даними знаходив, як це і тепер роблять в підручниках фізики, склад корони.
Але яким би не був застосований Архімедом спосіб, ясно, що закони гідростатики були ним отримані на основі дослідних даних, хоча в його дійшов до нас працю з гідростатики розгляд проводиться "в геометричному дусі", без жодних посилань на досліди, що лежать в його основі. Архімед приймає лише дві основні гіпотези: у будь-рідини менше стисла частина витісняється більш стислій; виштовхування вгору, випробовуване твердим тілом, зануреним в рідину, спрямоване по вертикалі через центр ваги цього тіла. Звідси він виводить, що поверхня спочиває рідини являє собою частину поверхні сфери з центром в центрі Землі, так що рівень моря всюди однаковий.
У пропозиції 3 аналізованого трактату з'являється нове фундаментальне поняття фізики - невідоме його попередникам поняття питомої ваги. Ось як воно вводиться: "Тверде тіло, яке має рівну вагу і рівний об'єм з рідиною, занурюється в неї настільки, що ні одна частина його поверхні не виступає над рідиною і не опускається нижче" 6.
Пропозиції 4 і 5 стосуються випадків тіл, більш легких і більш важких, ніж рідина, в яку вони опущені. У пропозиції 7 викладається знаменитий закон: "Тіла, відносно більш важкі, ніж рідина, опускаються вниз до самого дна і стають в рідині настільки легше, скільки важить об'єм рідини, що дорівнює об'єму тіла".
Друга книга цього трактату присвячена умовам плавання, і зокрема умовам рівноваги порожнього сегмента параболоїда обертання. Класичний метод цього розгляду до цих пір застосовується в роботах з механіки.
З дійшли до нас робіт Архімеда ясний той фундаментальний внесок, який внесений ним у фізику: введення понять центру ваги, статичного моменту, питомої ваги; закон рівноваги важеля; основний закон гідростатики. Таким чином, Архімед заклав основи двох нових розділів науки - статики і гідростатики. Традиційне упередження греків проти фізики поступово слабшає.
Олександрійські механіки.
Яскравими представниками Олександрійської школи були Ктесібій, Філон і Герон. Для олександрійської механіки характерний інтерес до вивчення і застосування стиснутого повітря (пневматика). Робіт представників цієї школи, присвячених безпосередньо механіці твердого тіла, не так багато. У книзі "Механіка" Філона, написаної приблизно в 250 р. до н. е.., яка дійшла до нас у гарному стані, незважаючи на деякі пізніші зміни, внесені до неї арабами, розглядаються деякі питання теорії важеля. У книзі "Механіка" Герона, що дійшла до нас повністю лише в арабському перекладі, Герон детально розглядає прості механізми (воріт, важіль, блок, клин, гвинт), зубчасті передачі та інші більш складні механізми. "Механіка" Герона - своєрідна енциклопедія античної техніки - написана в популярній формі, і нею могли користуватися з практичною метою механіки і ремісники.
Що Герон був популяризатором, не викликає сумніву, так він і сам не робить з цього таємниці. Тому його праці свідчать не стільки про таланти автора, скільки про технічний рівень, досягнутий греками елліністичного періоду. Їм були відомі прості механізми, зубчасті передачі, гідростатика, найрізноманітніші застосування сифонів, стисливість повітря, рушійна сила пари. Таким чином, греки вже володіли і технічними знаннями, і науковим розумінням, достатніми для того, щоб створити індустріальні машини і передбачити XVIII століття.
А що ж вони замість цього робили? Придумували механічні фокуси і конструювали іграшки для розваг під час свят, винаходили пристосування, що створюють "магічні" ефекти при релігійних богослужіннях для посилення забобони народних мас, виготовляли знаряддя й катапульти. Таку спрямованість науки і техніки олександрійської школи можна лише частково пояснити такими об'єктивними причинами, як відсутність в одному і тому ж місці енергії і сировини (особливо заліза і палива).
Період занепаду
Енциклопедії.
Після Герона і Птолемея настав занепад фізики. Перші його ознаки проявилися досить рано; з часом він ставав все глибше і глибше. Свіжі оригінальні дослідження поступилися місцем компіляцій, безконечним повторенням, псевдонаукових пережовування.
Римляни, які вступили в контакт з грецької наукою періоду її занепаду, особливо засвоїли її в тих частинах, які могли мати безпосереднє практичне застосування. Це засвоєння передувало періоду створення найбільш вражаючих римських споруд, свідченням величі яких є збережені до наших днів колосальні руїни. Але даремно ми шукали б у римській літературі оригінальні наукові роботи. Було створено велику кількість наукових енциклопедій. Їх значення особливо велике тому, що протягом багатьох століть вони були єдиним джерелом відомостей про грецькій науці. З цих видань згадаємо, оскільки вони мають відношення до історії фізики, 7 книг "Quaestiones Naturales" ("Питання природознавства") Люція Аннея Сенеки Молодшого (3 р. та н. Е .- 65 р. зв. Е..); "De Architectural7 Вітрувія Полліон, діяльність якого відноситься до періоду правління імператора Августа; 37 книг "Naturalis Historia" ("Природна історія") Гая Плінія Секунда Старшого (23-79 рр.. н. е..). Пізніше, зі смертю Аніція Манлия Северина Боеція ( 480-525), на Заході традиції грецької школи були остаточно забуті внаслідок навали варварів.
Філопон.
На Сході культурні традиції греків ніколи не зникали, хоча і були сильно ослаблені. Підтримувані візантійськими коментаторами, вони були перейняті арабами і ще раз прийшли на Захід приблизно в XIII столітті.
Серед коментаторів слід відзначити Івана Філопона, званого також Іоанном Грамматіков, діяльність якого розгорталася в Олександрії в першій половині VI століття. Він написав обширний коментар до праць Аристотеля, причому виявив там відоме вільнодумство. Зокрема, Філонов перший оскаржив Арістотелеву теорію, по якій рух тіла підтримується поштовхами повітря. Заперечення Філопона були цілком правильні, хоча і примітивні. Чому наведене в обертання колесо продовжує обертатися навколо своєї осі? Яким чином може в цьому випадку повітря підтримувати рух? Якщо рух зобов'язана тиску повітря на зворотну сторону тіла, то загострена з хвоста стріла повинна була б летіти повільніше, ніж незаостренная. Насправді ж відбувається якраз протилежне. Чому? І чому камінь можна кинути далі, ніж перо?
Ці та подібні аргументи змусили Філопона відмовитися від арістотелевой теорії як не підтверджуються експериментально в разі падіння тіл і припустити, що рушійна сила повідомляє тілу деяку дію або здатність до руху, названу пізніше "імпето" ("impeto"), яка поступово витрачається в процесі руху , так що, коли закінчується імпето, кінчається рух. Точно зрозуміти думку Філопона досить важко, зокрема через його багатослів'я. Але якщо допустити, що в понятті імпето-інтуїція Філопона і наступних вчених передбачила наше поняття-енергії, то тоді вчення Філопона про рух виявиться явним прообразом закону інерції.
Список літератури
1 Le ореге di Galileo Galilei, Firenze, 1891, p. 186. (Є російський переклад: Галілео Галілей, Вибрані праці, т. II, изд-во "Наука", 1964, стор 35.
2 Arenarius, I, 12, у книзі Archimedis opera omnia, v. II, Lipsiae, 1881, p. 251 (грецький текст з паралельним латинським перекладом). (Частина робіт Архімеда переведена на російську мову; див. Архімед, Твори, М., 1962.)
3 Archimedis opera omnia, v. II, p. 143. (Див. переклад: Архімед, Про рівновагу плоских тіл, Твори, М., 1962.)
4 Enrico R ufini, II "Metodo" di Archimede, Milano, 1961, p. 84 (переклад на італійську з коментарями).
5 Galileo Galilei, La bilancetta, не опублікована автором рукопис, написаний в 1586 р. (Le ореге di Galileo Galilei, v. I, p. 215-216.)
6 Archimedis opera omnia, v. I, p. 362 (Є російський переклад: Архімед, За плаваючих тілах, в книзі "Початки гідростатики", М., 1933).
7 Чи є російський переклад: У ітрувій, Про архітектуру, Л., 1936.