14.04.2018 - 5:26

Большинство школьных учебников, изданных за последние сотни лет, пронизаны идеями "прогресса" или "эволюции" – представлениями, что каждое следующее поколение человечества знает и умеет больше и лучше, чем предыдущее. А если сравнивать времена десятки или сотни поколений назад, то контраст становится просто вопиющим.

Мудрость древних

Действительно, стоит только посмотреть на портреты или бюсты солидных ученых мужей, которыми часто проиллюстрированы соответствующие параграфы: высокие лбы, умудренные морщинами лица, серьезные глаза, солидные всклокоченные бороды, – а затем сравнить их с тем, что в тех же параграфах подается как наивысшее достижение этих ученых, чтобы хмыкнуть со смесью высокомерия и презрения.

Ха! Они всю жизнь размышляли и трудились, читали бесчисленные труды других мыслителей, спорили с подобными себе, чтоб создать какую-то теорему Фалеса или закон Паскаля, которые теперь любой ребенок не самых старших классов усваивает за несколько уроков. Разве это не явное свидетельство прогресса?

Нет-нет, такое пренебрежительное отношение никогда не преподносится явно, наоборот, на словах наши книги всячески превозносят мудрость древних. Однако стоит сложить два и два, и даже самый отстающий школьник сообразит: если это мудрость, то что же в те времена было глупостью?! Какими же примитивными были наши предки!

Именно в таком свете весьма правдоподобными кажутся представления о том, что еще несколько тысяч назад по всему миру скакали дикари в набедренных повязках с грубо высеченными каменными топорами, для которых даже лук со стрелами казался вершиной технологического гения. А еще раньше? Забудьте! Обезьяны, просто обезьяны. Кое-какие противоречия с такой картиной развития цивилизации – например, "темные века" средневековой Западной Европы или удивительные "семь чудес света" кажутся не более чем исключениями, подтверждающими правило.

Закон Архимеда

Но насколько оправдано такое превозношение над гениями прошедших веков? Действительно ли то, что если бы один из них попал каким-то образом в наши дни, то любой ученик средней школы легко сравнился бы с ним по уровню умственного развития? Да и тот мог бы сразить его наповал каким-то логарифмом или интегралом?

Обратимся к одному из самых, казалось бы, знакомых нам мыслителей древнего мира. Архимед. Историю его знают все, правда? О нем рассказывается в бесчисленных книгах и научно-популярных фильмах, даже в нескольких детских мультфильмах. Забавный старик, который голым носился по городу с криками "Эврика!", после того, как на простом опыте в собственной ванной обнаружил, что "на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости".

С помощью этого принципа, названного позже "законом Архимеда", он научился измерять объем тел произвольно сложной формы. И попутно помог тирану Сиракуз вывести на чистую воду ювелира-обманщика, сделавшего на заказ венец не из чистого золота, а из сплава золота с серебром. Еще он был знаменитым механиком, автором "Архимедова винта" и многочисленных военных машин и механизмов, наводивших ужас на древнеримских захватчиков. Те, правда, несмотря на все хитрые боевые приспособления все равно как-то взяли Сиракузы, а бедный Архимед погиб от руки невежественного римского солдата за то, что потребовал "не трогать его чертежи".

А, вот, еще он сказал: "Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!" – что, несмотря на свое внушительное звучание, было не более чем иллюстрацией простейшего механического принципа рычага. Ну вот, пожалуй, и все, так?

Знания Ойкумены

Увы, и близко не так. Любая мало-мальски серьезная биография расскажет нам, что Архимед был не только выдающимся философом, естествоиспытателем и изобретателем, но, прежде всего, одним из крупнейших математиков греко-римской эпохи. Он был далеко не самоучкой, а получил прекрасное образование в Александрии Египетской, главном научном центре того времени, и всю жизнь состоял в переписке с учеными оттуда.

Объем знаний, доступных в Александрии III века до нашей эры, превосходит всякое воображение, поскольку там были собраны не только достижения всех народов Средиземноморского бассейна, но, благодаря походам Александра Македонского, также и множества загадочных цивилизаций Междуречья, Персии и даже долины Инда. Так что через Архимеда мы можем надеяться хотя бы слегка прикоснуться к знаниям практически всей "Ойкумены".

Более того, историки науки обоснованно считают, что про Архимеда нам известно гораздо больше, чем про любого другого древнего математика. Правда, они тут же добавляют, что о других мы не знаем вообще практически ничего. Так что и об Архимеде нам известно до обидного мало. Конечно, превосходная математическая репутация Архимеда ни у кого не вызывала сомнения на протяжении тысячелетий, но чем дальше тем больше вопросов возникало по поводу того, какие именно результаты и, самое главное, КАК были им достигнуты.

Утерянные доказательства

Дело в том, что очень мало оригинальных трудов Архимеда дошло не только до наших дней, но даже до эпохи Ренессанса, когда впервые за многие сотни лет возник интерес к серьезной математике. Речь идет, конечно, не о рукописях, написанных его собственной рукой, но хотя бы о достоверных копиях копий или полноценных переводах на другие языки.

К сожалению, огромная часть наследия древности сохранилась лишь в цитатах, приводимых другими, иногда гораздо более поздними авторами, и это касается не только Архимеда, но и абсолютно всех остальных замечательных античных ученых и философов. То, что, как нам кажется, мы знаем о них – это лишь очень малая часть того, чего они реально достигли. К тому же, в эту малую часть привнесены мириады случайных и намеренных искажений множества переписчиков, переводчиков и комментаторов, далеко не все из которых были одинаково честными и добросовестными.

Мало того, как и многие математики ранних эпох, Архимед в своих работах далеко не всегда приводил подробные доказательства своих формул и теорем. Это было связано как с тем, что для практического применения доказательство не требуется, так и с тем, что всегда существовал круг завистников, желающих присвоить значимый результат себе. Хранение в тайне метода доказательства делало возможным подтвердить свое авторство или опровергнуть авторство самозванца, если в том возникала нужда. Иногда, чтобы еще более запутать ситуацию, выпускались ложные доказательства с намеренно введенными в них неточностями и ошибками.

Конечно, когда результат получал всеобщее признание, верные доказательства все-таки публиковались, но, по понятной причине, количество рукописей, которые их фиксировали, было гораздо меньше, чем количество тех, где приводилось лишь окончательное решение. Усложнялось все еще и тем, что в древнегреческой математике чертежи не только иллюстрировали текст доказательства, но и сами были существенной его частью – а далеко не каждый переписчик был достаточно искусен в копировании сложных геометрических фигур. Из-за этого многие доказательства оказывались утерянными навсегда.

Метод Архимеда

На протяжении примерно тысячи лет среди таких навсегда утерянных для человечества трудов числился и трактат Архимеда "Метод теорем механики", часто известный как просто "Метод". Именно в нем Архимед подробно объяснял то, как он достиг некоторых своих наиболее удивительных результатов.

Значение его для понимания наследия этого древнегреческого мыслителя столь велико, что историки науки иногда называют этот трактат "слепком мозга Архимеда". Не имея доступа хотя бы к отрывкам из этого текста, определить истинный уровень математических знаний и навыков Архимеда считалось практически невозможным.

Первый проблеск надежды на то, что этот труд, возможно, все же сохранился, появился к середине XIX века. Захват наполеоновской армией Египта и вывоз оттуда в Европу огромного количества культурных ценностей пробудил среди просвещенных людей интерес к изучению Древнего Востока. На тот момент квинтэссенцией всей древней истории считалась Библия, но ее авторитет был в некоторой степени подорван критикой мыслителей эпохи Просвещения.

Непосредственное изучение памятников ушедших цивилизаций открывало возможность подтвердить фактами библейский текст, и многие европейцы и американцы с энтузиазмом взялись за это дело. Кто-то ездил по ближневосточным странам в поисках утраченных произведений искусства, кто-то за свой счет раскапывал руины погибших городов, а кто-то искал в библиотеках ближневосточных стран давно забытые рукописи.

Библейский ученый

Увы, несмотря на то, что многими из этих "библейских ученых" XIX века были достигнуты удивительные результаты, в массе своей они были очень далеки от профессионализма. Что прекрасно иллюстрирует следующий эпизод. Хорошо известный немецкий "библейский ученый" Константин фон Тишендорф в 1840-х годах работал в библиотеках Константинополя.

Оттуда он привез домой страницу заинтересовавшей его рукописи, на которой он заметил какие-то полустертые сложные математические вычисления на греческом.

Как ни прискорбно это признавать, но, по-видимому, он просто вырвал ее из книги, когда библиотекарь смотрел в другую сторону. Сейчас эта страница хранится в Кембриджской университетской библиотеке, одновременно как свидетельство удивительного случайного открытия и варварского отношения некоторых западных "ученых" к наследию древности.

Хотя чуть позже эта страница сыграла свою роль в обретении наследия Архимеда, настоящая заслуга открытия книги, которая позже стала известна как Палимпсест Архимеда, принадлежит не Тишендорфу, а безвестному турецкому библиотекарю. Во время составления каталога он тоже обратил внимание на строчки математических выкладок и привел выдержку из них в каталоге библиотеки, который был опубликован и разослан по всему миру.

Удивительный документ

В начале XX века этот каталог попал в руки датского историка и филолога Йогана Людвига Хайберга, который был заинтригован настолько, что не поленился добраться до Константинополя, и ознакомился с книгой лично в 1906-м году. То, что он увидел, потрясло его до глубины души.

Оказывается, к нему в руки попал удивительный документ. На первый взгляд, довольно заурядная богослужебная книга из пустынного монастыря Мар Саба, близ Иерусалима, переписанная в XIII веке. Но если присмотреться, поперек литургического текста шли еле заметные строки на более раннем греческом, изобилующие научными и философскими терминами. Любому специалисту, знакомому с культурой средневековья, было сразу ясно, что это означает.

Увы, пергамент, на котором писались средневековые книги, изготовлялся из телячьей кожи и был дорогой вещью. Поэтому нехватка этого материала часто решалась довольно прямолинейно: менее нужные книги разделяли на отдельные листы, с этих листов счищались чернила, затем они сшивались заново и на них писали новый текст. Термин "палимпсест" как раз и обозначает рукопись поверх счищенного текста.

В случае с Палимпсестом Архимеда каждый из исходных листов был к тому же сложен пополам, чтобы получить книгу меньшего формата. Поэтому и получилось, что новый текст был написан поперек старого. В качестве писчего материала неизвестный монах-переписчик использовал сборники научных и политических трудов, составленные в Византийской Империи примерно в 950-х годах. К счастью, очистка была произведена не очень тщательно, что и позволило обнаружить исходный текст.

Предварительный осмотр Хайбергом показал, что авторство большего числа текстов X века принадлежит ни кому иному, как Архимеду и, что самое главное, среди них присутствует почти в полном объеме вожделенный "Метод"! К сожалению, библиотека запретила выносить рукопись из своих помещений (после знакомства с персонажами вроде Тишендорфа, кто может их винить?), поэтому ученый нанял фотографа, переснявшего для него весь кодекс. После чего, вооруженный не более, чем лупой, Хайберг занялся кропотливой расшифровкой фотокопии. Ему удалось разобрать очень многое, и окончательный результат был опубликован в 1910-15 гг, довольно быстро был издан и английский перевод. Открытие потерянного труда Архимеда вызвало немало шума и даже попало на передовицу "Нью-Йорк Таймс".

Но сложная судьба Палимпсеста Архимеда на этом не закончилась. В период Первой Мировой войны (в результате которой Османская империя прекратила свое существование) и во время разрухи сразу после нее, в Константинополе было совершенно не до древних рукописей. Как во времена Наполеона из Египта, в 1920-х годах огромный поток турецких ценностей потек в Европу. Лишь гораздо позже удалось установить, что некий частный коллекционер смог приобрести и вывезти Палимпсест в Париж. Где тот на долгое время стал просто диковинкой, вращающейся в мире, очень далеком от знаний.

Кодекс из небытия

Интерес к книге возродился лишь в 1971 году, и опять благодаря библиотечному каталогу. Специалист по древнегреческой культуре из Оксфорда Найджел Вильсон обратил внимание на интересный документ из Кембриджской библиотеки, уже знакомую нам страницу, грубо выдранную Тишендорфом.

Дело в том, что поиск по словарям древнегреческого указывал на то, что некоторые термины, употребленные на странице, были характерны именно для работ Архимеда.

Вильсон получил разрешение на более тщательное исследование документа и не только подтвердил, что страница относится к Палимпсесту, но и доказал, что с помощью недоступных ранее технологий (таких, как ультрафиолетовое освещение) текст X века можно восстановить полностью.

Дело оставалось за малым – найти канувший в небытие кодекс. Академический мир начал интенсивные поиски, но они ни к чему не привели. Наконец, в 1991 году сотрудник одного из ведущих аукционных домов мира "Кристис" получил письмо от некоей французской семьи, в котором утверждалось, что они желают выставить на аукцион тот самый Палимпсест. Новость была воспринята с изрядной долей скептицизма, но последующая экспертиза вынесла неожиданно положительный вердикт.

В результате сенсационных торгов документ был продан анонимному миллиардеру за 2 миллиона долларов. Все ученые мира затаили дыхание – ведь по воле нового владельца книга могла быть просто закрыта в сейф навсегда.

Настоящий кошмар

К счастью, страхи оказались напрасными. Когда Вилл Ноэль, куратор рукописей музея искусств Вальтерса в Балтиморе (США) обратился к агенту владельца с просьбой получить разрешение на реставрацию и изучение Палимпсеста, его инициатива была воспринята с энтузиазмом. Говорят, что миллиардер заработал свое состояние на высоких технологиях и потому сам был не так уж далек от науки и ее интересов.

С 1999 по 2008 гг. целая группа специалистов из самых разных областей, от филологии и искусствоведения до спектроскопии и компьютерного анализа данных, занималась восстановлением и сканированием Палимпсеста Архимеда. Это был непростой труд.

Сам Ноэль так описывает свое первое впечатление от рукописи: "Я был в ужасе, в омерзении, это абсолютно отвратительный документ, он выглядит очень, очень, очень уродливо, совершенно не похоже на великий артефакт. Просто кошмар, настоящий кошмар! Обгоревший, с обилием клея ПВА вдоль торца, под затеками этого клея скрыто многое из текста Архимеда, который мы собирались восстанавливать. Везде канцелярская замазка, страницы обклеены бумажными полосками. Просто нет слов, чтоб описать плохое состояние Палимпсеста Архимеда."

В монастыре книга активно использовалась в богослужениях, поэтому во многих местах она заляпана свечным воском. В загадочный период 1920-1990 гг. кто-то сфальсифицировал на некоторых страницах красочные "древневизантийские" миниатюры, пытаясь поднять стоимость рукописи. Но главная беда была в том, что весь кодекс был серьезно поврежден плесенью, в некоторых местах проевшей страницы насквозь.

Песчинки во Вселенной

Но были и радости. Когда кодекс был расшит на отдельные листы, обнаружилось, что многие строки текста Архимеда были скрыты внутри переплета и потому недоступны Хайбергу – иногда это были ключевые моменты в доказательстве теорем.

Съемка в разных диапазонах электромагнитного спектра, от инфракрасного до рентгеновского, с последующей компьютерной обработкой изображений, позволила реконструировать буквы текста X века даже там, где они были чем-то скрыты или полностью невидимы невооруженным глазом.

Но к чему весь этот кропотливый труд? Зачем многолетние поиски? Что в тексте трудов Архимеда, и, в частности, скрытого от нас в течение тысячелетия "Метода", можно найти такого, что оправдало бы энтузиазм ученых по отношению к Палимпсесту Архимеда?

Давным-давно было известно, что Архимед интересовался очень большими числами и очень малыми величинами, причем соединяя одно с другим. Например, для вычисления длины окружности он вписывал ее в многоугольник с большим числом, но малой длиной сторон. Или интересовался количеством мельчайших песчинок во Вселенной, которое представлялось в виде громадного числа. Это является приближением к тому, что в наши дни называется бесконечно большими и бесконечно малыми величинами. Но был ли Архимед способен оперировать математической бесконечностью в истинном, современном смысле этого слова?

Интегралы Архимеда

а первый взгляд, бесконечность – не более чем отвлеченная математическая абстракция. Но только после того, как математики научились оперировать этой категорией, появился так называемый "математический анализ", математический подход к описанию любых изменений и, в частности, движения. Этот подход лежит в основе практически любых современных инженерных, физических и даже экономических расчетов, без него нельзя построить небоскреб, сконструировать самолет или рассчитать выход спутника на орбиту.

Основа нашего современного математического анализа, дифференциальное и интегральное исчисление, были созданы Ньютоном и Лейбницем в конце XVII века, и почти сразу же мир начал изменяться. Таким образом, именно работа с бесконечностью отличает цивилизацию лошадиной тяги и ветряных мельниц не только от цивилизации компьютеров и космических кораблей, но даже от цивилизации паровых машин и железных дорог.

Так что вопрос о бесконечности имеет огромное, можно даже сказать "цивилизационно-определяющее" значение. И после трудов Хайберга в начале XX века и, в особенности, после работы команды Ноэля несколько лет назад, поставившей многие точки над "i", ответ на этот вопрос весьма однозначный и эмфатический: да, Архимед прекрасно знал концепцию бесконечности, и не только теоретически оперировал ею, но и практически применял ее в вычислениях! Его выкладки безукоризненны, его доказательства выдерживают тщательную проверку современными математиками. Забавно, он довольно часто применяет то, что в современной математике называется "суммами Римана", в честь известного математика… XIX века.

При вычислении объемов Архимед пользуется методикой, которую нельзя не назвать интегральным исчислением. Правда, если подробно вчитаться в его выкладки, складывается ощущение, что это интегральное исчисление "из другого мира". Хотя многое перекликается с тем, что сегодня знакомо нам, некоторые подходы выглядят совершенно чуждыми и неестественными. Они не хуже, и не лучше, они просто другие. И от этого пробирает мороз по коже: это высшая математика, генетически никак не связанная с современной! Через тысячелетия после Архимеда ученые нового времени изобрели все это с нуля, заново, с тем же содержанием, но в несколько другой форме.

Метод исчерпывания

К сожалению, Палимпсест Архимеда не дает и не может дать ответ на другой интригующий вопрос: в какой степени такие способы вычисления были уникальными для Архимеда и отражали его собственную гениальность, а в какой были типичными для греко-римских математиков и инженеров в целом? По крайней мере один метод вычисления типа математического анализа, которым Архимед владеет в совершенстве, можно проследить приблизительно до V века до н. э. Это "метод исчерпывания", разработку которого в Древней Греции обычно связывают с именем Евдокса Книдского, хотя есть данные, что его знали и ранее.

Конечно, впоследствии этот метод тоже был то ли изобретен заново, то ли реконструирован в XVII веке. Опыт математики последних столетий нам подсказывает, что ученые, прекрасно владеющие прикладной математикой, очень редко отвечают за теоретические прорывы. Архимед же, в первую очередь, прикладник, он интересуется задачами о вычислении конкретных длин, площадей, объемов.

Так что, вполне может быть, что его методика по работе с бесконечными величинами была не столько разработана, сколько доработана или переработана им. Но если ученые Александрийской или какой-то другой научной школы древнего мира свободно владели математическим анализом, ключом к современным технологиям, что еще они могли знать и уметь? Дух захватывает от горизонтов, которые открывает такое предположение.

Горький урок

Теперь, зная историю Палимпсеста Архимеда, можно отступить на шаг и задуматься. Да, к глубокому сожалению его открытие запоздало. В XX веке он стал сенсацией, но сенсацией лишь среди специалистов по истории науки. Но что бы было, сложись его история иначе? Если бы эта рукопись попала в руки ученых на 100, 300, 500 лет раньше? Что, если бы эту книгу еще на школьной скамье читал Ньютон? Или Коперник? Или ?

Современные исследователи с уверенностью утверждают, что даже для математиков XIX века этот труд представлял бы более чем академический интерес. Для математиков XVII-XVIII века значение его было бы огромно.

А в эпоху Ренессанса, попав в нужные руки, он бы просто произвел эффект разорвавшейся бомбы, полностью перекроив будущее развитие математики и инженерной мысли. Чего мы лишились, потеряв на века доступ всего к одной античной книге? Городов на Марсе, межзвездных космических кораблей, экологически чистых термоядерных реакторов? Мы никогда не узнаем…

Но этот горький урок не должен пропасть зря. Сколько равных по значимости, а возможно и более ценных книг и документов все еще скрыто от нас? Стоит на пыльных полках в архивах и библиотеках, упрятано в запасники музеев, заперто в несгораемых шкафах коллекционеров? Сколько тайн хранят нерасшифрованные клинописные таблички и надписи на стенах древних сооружений?

Если написанный в 200-х годах до нашей эры текст ни много ни мало через две тысячи лет мог все еще считаться революционным, нет ли древних трудов, которые могут дать существенный толчок науке и технологиям и в наши дни? Мы рискуем и это никогда не узнать, если не избавимся от высокомерно-невежественного представления о "примитивности" наших предков.

Напомним, что также мы рассказывали о тайных знаниях древних жрецов, умевших и

Георгий Халецкий

• 6172 просмотра

Сергей Житомирский

Архимед-физик

Архимеда справедливо считают основоположником математической физики. С его именем связывается введение понятия центра тяжести, открытие законов рычага и разработка основ гидростатики. Известно, что он занимался и геометрической оптикой, хотя его работы в этой области до нас не дошли. Для древних греков физика была целостным учением о мире и считалась частью философии. Ее практические стороны, такие, как механика, относились к прикладным дисциплинам. Математика хотя и применялась, но от нее не требовали ни строгости, ни полноты описания явлений.

Архимед первым подошел к решению физических задач с широким применением математики. Как уже говорилось, он начал с механики. Античные механические представления настолько отличались от наших, что сейчас воспринимаются с трудом, хотя «Физику» Аристотеля (384...322 г. до н.э.) в течение многих столетий изучали, комментировали, считали безошибочной. Аристотель разделял движения на «естественные» и «насильственные». Естественным считалось стремление материи к своему «месту», зависящему от ее свойств, например стремление камня к центру; Земли, огня – от Земли вверх. Насильственные движения предполагали внешнюю причину – приложение силы. Механика Аристотеля не знала явления инерции: движение должно было прекратиться тотчас же после прекращения действия силы. Движение же по инерции объяснялось влиянием среды. Так, последователи Аристотеля считали, что при бросании камня возникает воздушный вихрь, несущий его после того, как камень покинул руку.

В своих трудах Архимед изучал только силы, которые с точки зрения аристотелевой механики вызывают «естественные» движения. Более того, он сразу упростил задачу, исключив из нее движение. Так появилась статика.

До Архимеда закон рычага рассматривался в сочинении «Механические проблемы», автором которого долгое время считался Аристотель.

В «Механических проблемах», которые составлены в форме вопросов и ответов, содержится описание ряда инструментов и механизмов (рычаг, колодезный журавль с противовесом, клещи, кривошип, полиспаст, зубчатые колеса, рычажные весы) и объяснение их действия на основе «принципа рычага» и правила: «Выигрываем в скорости (пути) – проигрываем в силе».

Однако отсутствие ясности в постановке задач в ряде случаев приводило к совершенно неправильным представлениям. Вот как, например, описывается в «Проблемах» работа корабельного руля: «Почему малый руль, привешенный на корме корабля, имеет столь большую силу?.. Быть может, потому, что руль есть рычаг, а рулевой есть то, что приводит его в действие? Стало быть, место, где он прикреплен к кораблю, становится точкой опоры, руль в целом – рычагом, море – грузом, а рулевой – движущей силой». Действие руля, основанное на силе реакции отталкиваемой им воды, разумеется, нельзя свести к простому рычагу.

Нечетким рассуждениям, содержавшимся в «Механических проблемах», Архимед противопоставил безупречную теорию, построенную по законам геометрии. Архимед сделал в механике то, что греческие геометры сделали в египетской и вавилонской землемерной науке. Вместо полей они рассматривали отрезки плоскостей, вместо межевых границ – бесконечно тонкие и абсолютно прямые (или имеющие строго обусловленную кривизну) линии. И тогда оказалось возможным найти между фигурами соотношения, о которых не подозревала восточная математика, удовлетворявшаяся решением практических задач.

Архимед придал геометрическим фигурам вес, равномерно распределенный по площади или объему. В отличие от автора «Механических проблем» он рассматривает не реальные рычаги или барабаны, а их идеализированные схемы. Это тем более замечательно, что Архимед был и блестящим практиком-конструктором.

Из механических, вернее, механогеометрических сочинений Архимеда до нас дошли только два: «О равновесии плоских фигур» и «Эфод, или послание Эратосфену о механических теоремах». Однако отрывки из его более ранних механических сочинений «О весах» и «О рычагах» сохранились в произведениях ряда авторов. Наиболее важные из них, относящиеся к учению о центре тяжести, имеются в «Механике» александрийского ученого I в. н.э. Герона и в «Математической библиотеке» ученого III в. н.э. (также александрийца) Паппа.

Центр тяжести

Первым открытием Архимеда в механике было введение понятия центра тяжести, т.е. доказательство того, что в любом теле есть единственная точка, в которой можно сосредоточить его вес, не нарушив равновесного состояния.

Герон и Папп приводят со ссылкой на Архимеда доказательство существования центра тяжести. Герон предваряет теорему фразой, относящейся к рассмотрению Архимедом идеализированных «физико-математических» тел (метод абстракции). Герон пишет: «Никто не отрицает, что о наклонении и отклонении в действительности говорят только о телах. Если же мы говорим о плоских или телесных (объемных) фигурах, что некоторая точка является их центром поворота и центром тяжести, то это достаточно разъяснено Архимедом». Эта фраза подтверждает, что замена тел их теоретическими моделями была в науке новшеством, введенным Архимедом.

Архимедовы определение центра тяжести и теорему о его существовании мы приведем в пересказе Паппа.

Определение центра тяжести формулируется так: «...центром тяжести некоторого тела является некоторая расположенная внутри него точка, обладающая тем свойством, что если за нее мысленно подвесить тяжелое тело, то оно останется в покое и сохранит первоначальное положение».

Доказательство существования центра тяжести также основано на мысленном уравновешивании тела. В нем тело мысленно помещают на горизонтальную прямую, являющуюся основанием вертикальной плоскости (рис. 1): «Если какое-нибудь обладающее весом тело положить на прямую CD так, чтобы оно полностью рассекалось продолжением упомянутой плоскости, то оно может иногда занять такое положение, что будет оставаться в покое... Если затем переставить груз так, чтобы он касался прямой CD другой своей частью, то можно при поворачивании дать ему такое положение, что он, будучи отпущен, останется в покое... Если снова вообразить плоскость ABCD продолженной, то она разделит груз на две взаимно уравновешивающиеся части и пересечется с первой плоскостью... Если бы эти плоскости не пересеклись, то те же самые части были бы и уравновешивающимися и неуравновешивающимися, что нелепо».

Рис. 1. К определению центра тяжести тела

Действительно, если бы плоскости, рассекающие груз на уравновешенные части, оказались параллельными (не пересекались), то можно было бы уравновесить тело, не поворачивая его, а только сдвинув параллельно самому себе. Это означало бы, что к одной из частей добавился бы отнятый от второй части объем, заключенный между плоскостями, что должно было бы нарушить равновесие. Путем подобных же рассуждений доказывается, что на линии пересечения плоскостей находится единственная точка, являющаяся центром тяжести.

Архимед решил ряд задач на нахождение центров тяжести различных геометрических фигур: треугольника, параллелограмма, конуса, сегмента параболы.

Закон рычага

Закон рычага, вероятно, был сформулирован в одном из упомянутых выше не дошедших до нас сочинений Архимеда. Причем сохранившийся в «Механике» Герона отрывок из сочинения Архимеда показывает, что в этом сочинении рассматривался случай, когда точки приложения сил расположены на окружностях разного диаметра, имеющих общую точку поворота. Это схема таких механизмов, как ворот, зубчатая передача и амфирион (разновидность ворота, состоящая из сидящих на одном валу барабанов разного диаметра). Приведя теорему, сводящую этот случай к рычагу, Герон пишет: «Это доказал Архимед в своей книге о равновесии. Отсюда ясно, что можно сдвинуть большую величину малой силой».

Но более серьезную разработку этих проблем Архимед предпринял позже в сочинении «О равновесии плоских фигур», состоящем из двух частей. В первой приводится ряд аксиом и теорем общего характера, а во второй с их помощью решается задача о нахождении центра тяжести сегмента параболы. В этой работе Архимед впервые развил аксиоматический подход к механике. Он строит свою теорию на базе геометрии путем добавления к геометрическим аксиомам нескольких «механических» аксиом. Книга начинается так:

«Сделаем следующие допущения:

1. Равные тяжести на равных длинах уравновешиваются, на неравных же длинах не уравновешиваются, но перевешивают тяжести на большей длине.
2. Если при равновесии тяжестей на каких-нибудь длинах к одной из тяжестей будет что-нибудь прибавлено, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, к которой будет прибавлено».

Архимед приводит семь аксиом и на их основании доказывает ряд теорем, касающихся определения общего центра тяжести двух или нескольких фигур. Нахождение общего центра тяжести фигур сводится к их уравновешиванию на воображаемом рычаге, поскольку такое уравновешивание произойдет, если точка подвеса окажется в этом центре.

1. «Соизмеримые величины уравновешиваются на длинах, которые будут обратно пропорциональны тяжестям».
2. «Если величины несоизмеримы, то они точно так же уравновешиваются на длинах, которые обратно пропорциональны этим величинам».

Разумеется, для практики, когда требуются лишь приближенные расчеты, вторая теорема не нужна. Но она имеет глубокий теоретический смысл, показывая, что закон рычага действует при любых отношениях плеч, включая и иррациональные.

Архимед не только ввел в геометрию новый класс задач (определение центров тяжести фигур), но и впервые применил при их решении «механические» методы (например, мысленное взвешивание для нахождения площадей сложных фигур).

Применив математику для изучения механического равновесия, Архимед показал, что математический подход к решению физических проблем не только помогает проникнуть в суть законов природы, но обогащает и саму математику.

«То механическое открытие»

В XI главе «Математической библиотеки» Паппа говорится: «Как определенный груз привести в движение определенной силой – это то механическое открытие Архимеда, которое заставило его радостно воскликнуть: «Дай мне место, где бы я мог стоять, и я подниму Землю!» Сходный по содержанию текст имеется у Плутарха, который рассказывает: «Архимед, между прочим, писал однажды своему родственнику и другу царю Гиерону, что данной силой можно поднять любую тяжесть. В юношески смелом доверии к силе своего доказательства он сказал, что, если бы у него была другая Земля, он перешел бы на нее и сдвинул с места нашу. Удивленный Гиерон стал просить его доказать свои слова и привести в движение какое-либо большое тело малой силой. Архимед приказал посадить на царскую грузовую триеру, с громадным трудом с помощью многих рук вытащенную на берег, большой экипаж, положить на нее обыкновенный груз и, усевшись на некотором расстоянии, без всяких усилий, спокойно двигая рукой конец полиспаста, стал тянуть к себе триеру так тихо и ровно, как будто она плыла по морю».

Таким образом, открытие связывается с эффектной механической демонстрацией и со знаменитой фразой Архимеда о том, что он смог бы сдвинуть саму Землю. Обычно эту фразу относят к открытию закона рычага. Но рычаг был известен с незапамятных времен, а закон его действия, хотя и не строго, уже был сформулирован в «Механических проблемах». Кроме того, при попытке сдвинуть рычагом очень большой груз, мы получим весьма малое перемещение. Также мало вероятно, чтобы эта фраза относилась к какому-нибудь изобретенному Архимедом механизму, например винту. Ведь Папп говорит о каком-то открытом Архимедом законе, «как определенный груз привести в движение определенной силой». Ссылаясь на книгу Герона «Барулк», Папп пишет: «В «Барулк» он описывает, как поднять определенный груз определенной силой, причем он принимает отношение диаметра колеса к диаметру оси равным 5:1, предварительно допустив, что подлежащий поднятию груз весит 1000 талантов (25 т), а движущая сила равна 5 талантам (125 кг)». Далее Папп, меняя условия задачи (поднять груз в 160 талантов силой 4 таланта), описывает расчет многоступенчатого зубчатого редуктора, имеющего на входе червячную передачу.Слово «барулк», видимо, и является названием описываемого механизма.

«Открытие» не названо, но по крайней мере теперь мы знаем, что оно заключено в механизме, который мы бы назвали лебедкой, содержащей барабан для наматывания каната, несколько зубчатых передач и червячную пару. Кроме червячной передачи, которая входит в состав лебедки, остальные механизмы – ворот и зубчатые колеса – упоминаются в «Механических проблемах» и, значит, были известны до Архимеда.

Новым здесь был сам принцип построения многоступенчатой передачи. Открытие Архимеда должно было состоять в нахождении закона определения общего «выигрыша в силе», достигаемого с помощью механизма, состоящего из последовательно соединенных передач. Этот закон можно сформулировать так: общее передаточное отношение многозвенного механизма равно произведению передаточных отношений его звеньев.

Но это простое правило приводит к ошеломляющим результатам. Если взять пару зубчатых колес с отношениями радиусов 1:5 (как у Герона), то получим на большом колесе «выигрыш в силе» в 5 раз. Если же мы на вал с малым колесом насадим еще одно такое же большое и сцепим его с еще одним таким же маленьким, то получится уже «выигрыш» в 25 раз. Для редуктора с тремя такими передачами он будет равен 125, с пятью – 3125, а с семью передачами составит 390 625; наконец, взяв всего 12 передач, получим астрономическое число 1 220 703 125!

Найдя этот закон, Архимед открыл, на что способна механика, и счел не лишним продемонстрировать ее могущество окружающим.

Гидростатика

Хотя, как мы видим, Архимед ввел понятие центра тяжести и нашел закон рычага, в физику под именем закона Архимеда и архимедовой силы вошли понятия из его замечательного сочинения «О плавающих телах». Как и сочинение «О равновесии плоских фигур», это сочинение состоит из двух частей: вступительной, в которой даются основные положения, и основной, посвященной рассмотрению равновесия плавающего в жидкости параболоида вращения.

Замечательно, что роль аксиомы здесь берет на себя физическая модель «идеальной жидкости». «Предположим, – пишет Архимед, – что жидкость имеет такую природу, что из ее частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилежащих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными и что каждая из частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней по отвесу, если только жидкость не заключена в каком-нибудь сосуде и не сдавливается чем-нибудь другим». Это единственное предположение, исходя из которого Архимед выводит все остальное.

Первым выводом является доказательство того, что «поверхность всякой жидкости, установившейся неподвижно, будет иметь форму шара, центр которого совпадает с центром Земли». Далее следуют теоремы: «Тела, равнотяжелые с жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости и не будут двигаться вниз», «Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погружений части тела, имел вес, равный весу всего тела», Тела, более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильственно, будут выталкиваться вверх силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела», «Тела, более тяжелые, чем жидкость, опущенные в жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину а жидкости в объеме, равном объему погруженного тела».

Трудно представить себе более ясные и четкие формулировки поведения в воде плавающих тел. Но возникает вопрос: правомочно ли было выводить их из принятого вначале положения о свойствах жидкости. Как можно доказать его правильность?

И тут мы впервые в истории физики встречаемся со своеобразием ее аксиом.

Архимед предлагает нам мысленно представить себе вещество, состоящее из абсолютно скользких атомов, способных передавать давление во все стороны и подвергающихся давлению со стороны таких же атомов, находящихся сверху. Потом он математически исследует это вещество. Оказывается, что поверхность такого вещества в свободном состоянии есть сфера с центром в центре земного шара. Но так как это общеизвестный факт (форма поверхности Мирового океана), то отсюда можно сделать обратный вывод: поскольку поверхность океана – сфера, то жидкость имеет именно такое строение, какое постулировано Архимедом. Можно также не сомневаться в том, что выведенные математические законы гидростатики Архимед проверял на опыте.

Таким образом, сочинение «О плавающих телах» – первая попытка экспериментально проверить фундаментальное предположение о строении вещества путем создания его модели. В этом сочинении Архимед не только подтвердил атомистические идеи Демокрита, но и доказал ряд важных положений о физических свойствах атомов жидкости.

Архимед вывел законы гидростатики для идеальной жидкости, описав ее свойства. Свойства реальной жидкости немного отличаются от свойств архимедовой идеальной жидкости. Эти отличия в некоторых случаях играют заметную роль. Так, вопреки законам Архимеда смазанная жиром иголка может держаться на поверхности налитой в сосуд воды. Но нельзя упрекнуть ученого в неверности его законов. Эти законы справедливы постольку, поскольку жидкость приближается к идеальной модели. Для описания свойств реальной жидкости надо внести соответствующие поправки в модель. Но это не опровергает справедливость выкладок Архимеда.

Определение удельного веса

Римский архитектор Витрувий, сообщая о поразивших его открытиях разных ученых, приводит следующую историю: «Что касается Архимеда, то изо всех его многочисленных и разнообразных открытий то открытие, о котором я расскажу, представляется мне сделанным с безграничным остроумием.

Во время своего царствования в Сиракузах Гиерон после благополучного окончания всех своих мероприятий дал обет пожертвовать в какой-то храм золотую корону бессмертным богам. Он условился с мастером о большой цене за работу и дал ему нужное по весу количество золота. В назначенный день мастер принес свою работу царю, который нашел ее отлично исполненной; после взвешивания корона оказалась соответствующей выданному весу золота.

После этого был сделан донос, что из короны была взята часть золота и вместо него примешано такое же количество серебра. Гиерон разгневался на то, что его провели, и, не находя способа уличить это воровство, попросил Архимеда хорошенько подумать об этом. Тот, погруженный в думы по этому вопросу, как-то случайно пришел в баню и там, опустившись в ванну, заметил, что из нее вытекает такое количество воды, каков объем его тела, погруженного в ванну. Выяснив себе ценность этого факта, он, не долго думая, выскочил с радостью из ванны, пошел домой голым и громким голосом сообщал всем, что он нашел то, что искал. Он бежал и кричал одно и то же по-гречески: «Эврика, эврика! (Нашел, нашел!)».

Затем, исходя из своего открытия, он, говорят, сделал два слитка, каждый такого же веса, какого была корона, один из золота, другой из серебра. Сделав это, он наполнил сосуд до самых краев и опустил в него серебряный слиток, и... соответственное ему количество воды вытекло. Вынув слиток, он долил в сосуд такое же количество воды.., отмеряя вливаемую воду секстарием (0,547л), чтобы, как прежде, сосуд был наполнен водой до самых краев. Так он нашел, какой вес серебра соответствует какому определенному объему воды.

Произведя такое исследование, он таким же образом опустил золотой слиток... и, добавив той же меркой вылившееся количество воды, нашел на основании меньшего количества секстантов воды (секстант – римская мера веса, равная 0,534 Н), насколько меньший объем занимает слиток».

Потом тем же методом был определен объем короны. Она вытеснила воды больше, чем золотой слиток, и кража была доказана.

Часто этот, рассказ связывают с открытием закона Архимеда, хотя он касается способа определения объема тел неправильной формы.

Возможно, что в этом рассказе Витрувия ванна, забытая одежда и возглас «Эврика!» являются вымыслом, но нас интересуют научные факты. Во-первых, бросается в глаза, что согласно описанию Витрувия Архимед сделал больше того, что требовалось. Чтобы обнаружить примесь, достаточно было сравнить объем короны с объемом равного ей веса золота. По-видимому, Витрувий не вполне разобрался в какой-то другой принадлежавшей Архимеду задаче об определении удельного веса тел. Об этом свидетельствует и фраза: «Отсюда он нашел, какой вес серебра соответствует какому объему воды». В ней, собственно, и содержится определение удельного веса – отношение веса к объему или к весу вытесненной воды (при измерении объема золотого слитка говорится о весе воды).

Оптика

В своем стремлении математически описать явления природы Архимед выделял задачи, наиболее поддающиеся геометрическому анализу. Поэтому занятия Архимеда в области геометрической оптики – «катоптрике», как ее называли прежде, можно считать закономерными.

Очень немного можно сказать о «катоптрике» Архимеда. От нее в позднем пересказе уцелела единственная теорема, в которой доказывается, что при отражении света от зеркала угол падения луча равен углу отражения. Свои оптические теории (как и механические) Архимед строил на основе аксиом. Одной из таких аксиом являлась обратимость хода луча – глаз и объект наблюдения можно поменять местами. Весь же круг вопросов «катоптрики» был очень широк. Перечисление проблем, которых касался Архимед в этой книге, мы находим у других авторов античного периода. Вот как об этих работах говорил Апулей: «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, зажигают поднесенный к ним трут; почему в небе видна радуга; почему иногда кажется, что на небе два одинаковых Солнца, и много другого подобного же рода, о чем рассказывается в объемистом томе Архимеда». Из других свидетельств следует, что Архимед изучал также и явление преломления лучей в воде.

С «катоптрикой» связана легенда о поджоге Архимедом римских кораблей во время осады Сиракуз. Что в ней вымысел и что, быть может, является отражением действительных событий, мы рассмотрим в отдельной главе.

Можно не сомневаться в том, что «катоптрика» Архимеда оказала большое влияние на последующее развитие оптики.

Влияние работ Архимеда на развитие физики

Если говорить об ученых, опередивших свое время, то Архимед, вероятно, может считаться своеобразным рекордсменом. Его идеи нашли продолжателей лишь через 1800 лет.

Предложенное Архимедом направление в науке – математическая физика, которую он провозгласил и в которой так много сделал, не была воспринята ни его ближайшими потомками, ни учеными средневековья.

Архимеда знали как гениального математика, им восхищались, его изучали и комментировали, но его физические работы долгое время не получали развития.

В какой-то мере в средние века на сочинениях Архимеда базировались работы ряда ученых Востока о взвешивании и определении удельного веса веществ. Математик и астроном IX в. Сабит ибн-Корра перевел на арабский язык и прокомментировал многие сочинения Архимеда и составил трактат о рычажных весах. На основе сочинения Архимеда «О плавающих телах» крупнейшие ученые того же времени ал-Бируни и Омар Хайям провели определения удельных весов большого количества металлов и драгоценных камней. При этом ал-Бируни пользовался методом сравнения значений веса равных объемов различных минералов, а Омар Хайям – методом взвешивания образцов на воздухе и в воде.

В эпоху Возрождения, когда центр научной мысли вновь переместился в Европу, европейская наука училась у арабской. Некоторые труды Архимеда дошли до нас только в арабских переводах. Одним из первых продолжателей механики Архимеда был итальянский ученый и инженер Гвидо Убальди дель Монте (1545...1607), исследовавший вопросы равновесия и решивший задачу о грузе на наклонной плоскости. Многое сделал для развития статики Архимеда другой итальянский ученый – Джовани Баттиста Бенедетти (1530...1590). Крупнейшим механиком «школы Архимеда» был фламандский ученый Симон Стевин (1548...1620). В своем классическом труде «Начала статики» он не только исходит из ряда аксиом Архимеда, но и развивает его работы, анализируя целый ряд механизмов. В число постулатов Стевин вводит принцип невозможности вечного двигателя; ему принадлежит также введение обозначений сил в виде стрелок. Много Стевин сделал и в области гидростатики, развив положения Архимеда, данные им в «Плавающих телах». Интерес Стевина к этим проблемам был далеко не абстрактным, так как он занимал должность инспектора плотин и консультанта голландского адмиралтейства.

Главным достижением классической механики была математическая разработка законов динамики Галилеем и Ньютоном. И хотя здесь достижения Архимеда непосредственно не использовались, его математический подход к проблемам торжествовал. Знаменательно, что Галилей хорошо знал труды Архимеда и часто к ним обращался. Например, при рассмотрении |равноускоренного движения он писал: «Я не предполагаю ничего иного, кроме определения движения; я хочу трактовать и рассматривать это явление в подражание Архимеду, который, заявив в «Спиральных линиях», что под движением по спирали он понимает движение, слагающееся из двух равномерных (одного – прямолинейного, а другого – кругового), непосредственно переходит к демонстрации выводов. Я заявляю о намерении исследовать признаки, присущие движению тела, начинающемуся с состоянии покоя и продолжающемуся с равномерно возрастающей скоростью, а именно так, что приращения этой скорости возрастают не скачками, а плавно, пропорционально времени».

лить пределы каждой из этих групп аксиом, изучая не только следствия каждой из них изолированно, но и различные "геометрии", полученные при изъятии или изменении некоторых из этих аксиом.

Теорема 1. Аксиоматика планиметри Лоачевского не противоречива, если не противоречива аксиоматика геометрии Эвклида.

Теорема 2. Если аксиоматика Эвклида непротиворечива, то в планиметрии Эвклида нельзя доказать пятый постулат.

Доказательство. Если бы из первых 19 аксиом планиметрии Эвклида можно было вывести V -й постулат, как теорему, то оказалось бы, что

эта теорема имеет место и в геометрии Лобачевского, что противоречило бы постулату V .

Отметим, что непротиворечивость геометрии Эвклида сводится к непротиворечивости арифметики.

Решение вопросов, поставленных Лобачевским связано с построением конкретных реализаций системы аксиом.

Укажем одну из таких реализаций для эвклидовой планиметрии. Эта реализация называется Декартовой.

Точкой мы будем называть любую упорядоченную пару вещественных чисел x, y .

Прямой будем называть совокупность всех точек, координаты которых удовлетворяют уравнению

ax + by + c = 0.

Понятно, как определяется условие принадлежности данной точки какой-нибудь прямой. Далее легко вводится отношения порядка точек на прямой.

В самом деле, для точек на прямой, заданной уравнением ax + by + c = 0 , мы определяем следующим образом. Если b =6 0 , то A 1 (x 1 , y 1 ) < A 2 (x 2 , y 2 ) в одном направлении определяется условием x 1 < x 2 ) , а в противоположном - условием x 2 < x 1 ) . Если b = 0 , то A 1 (x 1 , y 1 ) < A 2 (x 2 , y 2 ) в одном направлении определяется условием y 1 < y 2 , а в противоположном y 2 < y 1 .

x′ = xcosθ − ǫysinθ + a,

y′ = xsinθ + ǫycosθ + b (ǫ = 1, −1).

При таком конкретном понимании точек и прямых и отношений между ними, кадая из аксиом эвклидовой геометрии предстваляет собой некоторое утверждение, относящееся к вещественным числам.

Можно проверить, что все эти утверждения имеют место в силу соответсвующих теорем арифметики.

4.12 Творчество Архимеда. 1. Архимед – ученый, принадлежащий к числу тех людей, кто определил судьбу науки и человечества (сравнение с Ньютоном). 2. Краткая биография. 3. Интегральные методы. 4. Дифференциальные методы. 5. Исчисление песчинок. 6. Значение творчества Архимеда для развития математики.

Архимед принадлежит к числу ученых, чье творчество определило судьбу науки и, как следствие, судьбу человечества. В этом он схож с Ньютоном. Между творчеством Архимеда и Ньютона можно провести параллели. Схожая область интересов: математика, физика, астрономия; схожие гениальные способности, умение проникать в самую глубь явлений; огромная популярность среди самой широкой общественности - эти имена известны представителям всех слоев общества.

Архимед родился в 287 году до н.э. в богатом торговом городе Сиракузы в Сицилии. Отец его был астроном Фидий, который привил сыну любовь к точным наукам. По-видимому, Архимед посещал Александрию, где пользовался ее знаменитой библиотекой и общался с александрийскими учеными, с которыми имел переписку всю последующую жизнь.

Отметим, что эта переписка была научной и, в некотором смысле, была аналогична статьям в современных журналах. В этих письмах Архимед сообщал новые результаты, которые излагались со всей строгостью

Иногда он сообщал свои теоремы без доказательства, чтобы математики Александрии сами попробовали их доказать, а иногда Архимед добавлял несколько ложных гипотез, чтобы таким образом показать людям, поверившим в эти гипотезы, их безграмотность. По воспоминаниям историков Архимед погиб во время взятия Сиракуз римлянами. Город долго не могли захватить благодаря замечательным орудиям, изобретенным Архимедом. Мы не будем подробно останавливаться на многих замечательных открытиях Архимеда в области физики и механики. Достаточно указать,

закон Архимеда о силе действующей на тело, погруженное в жидкость, сказать, что Архимед был основателем теоретической механики (в частности, статики), оптики и др. Однако, основным делом его жизни все же была математика.

4.13 Интегральные методы Архимеда

Что означало измерение для греческих геометров? После открытия несоизмеримых они опасались приписывать какие-нибудь числа длинам криволинейных дуг, площадям криволинейных фигур и т.д. Так как греки не могли найти общую меру для несоизмеримых фигур, они не измеряли геометрически объекты, а лишь сравнивали их между собой и вычисляли их отношения. Они сравнивали длины дуг кривых с длинами прямолинейных отрезков - спрямляли кривые, а площади криволинейных фигур сравнивали с площадями прямолинейных фигур.

Квадратура некоторой фигуры этимологически как раз и означала построение квадрата (треугольника, многоугольника), имеющего площадь, равную площади рассматриваемой криволинейной фигуры.

Кубатура - это обобщение квадратуры на пространственный случай. Подчеркнем, что все построения должны были выполняться циркулем и

линейкой.

Для греков задача вычислить площадь какой-нибудь фигуры была некорректной, но нахождение отношения двух площадей было вполне допустимым.

В работах Евдокса, Эвклида и Архимеда был развит метод исчерпывания, который позволял сравнить площадь какой-нибудь криволинейной фигуры с известной площадью некоторой стандартной прямолинейной фигуры, например, квадрата или треугольника.

При этом была введена аксиома Архимеда.

Если даны две неравные величины и из большей вычитается часть, большая половины, а затем из остатка - снова часть, большая половины, и это повторяется постоянно, то когда-нибудь остается величина, которая меньше, чем меньшая из данных величин.

Предвестником этой аксиомы было учение Евдокса (408-355) о пропорциях, который был еще и автором метода исчерпывания, с помощью которого

он доказал теорему об объеме пирамиды. Евдокс изучал математику у Архита Тарентского (428-365) - друга Платона, последователя Пифагорейской школы. Евдокс организовал в греческом городе Книде школу, после того как долго путешествовал по Греции и Египту.

В замечательной работе "О квадратуре параболы", которая была одна из первых математических работ Архимеда, доказано:

произвольный сегмент, ограниченный прямой и параболой, равен учетверенной трети треугольника, имеющего с сегментом общее основание и равную высоту.

Решение этой задачи сводится к вычислению геометрической прогрессии

Для ее вычисления Архимед исльзовал тождество

Когда число сторон вписанного многоугольнника растет остаток

3 4 N −1 A стремится к нулю. На рисунке показан метод исчерпывания для

вычисления искомой площади.

Площадь треугольника ABC превышает половину площади парболиче-

ского сегмента, затем строятся новые два треугольника, суммарная площадь которых превосходит половину площади суммы сегментов, в которые они вписаны и т.д. По аксиоме Архимеда при достаточно большом шаге остаток может быть сделан сколь угодно малым. Далее Архимед методом от противного доказывает, что площадь сегмента действительно равна 4 3 A . А именно он доказывает, что площадь S сегмента не может быть меньше и не может быть больше чем 4 3 A .

Архимед первый применил метод верхних и нижних интегральных сумм, которые теперь называются суммами Римана или Дарбу.

Архимед определил объемы сегментов эллипсоидов, параболоидов и двуполостных гиперболоидов вращения. Фактически Архимед обобщает метод исчерпывания Евдокса. Архимед вычислил также площадь, ограниченную первым витком спирали Архимеда ρ = aϕ .

Следует отметить, что хотя Архимед и не ввел понятие определенного интеграла, он свел все решаемые им задачи к определению предела одних и тех же интегральных сумм.

Результаты книги Архимеда "О коноидах и сфероидах"равносильны следующим соотношениям.

	x2 dx =
	(x2 + bx)dx =

С помощью верхних и нижних интегральных сумм Архимед решил и более трудную проблему - определение длин дуг и площадей кривых поверхностей.

Архимеду удалось найти площадь поверхности сферы, сферического сегмента и дать метод вычисления длины окружности с любой степенью точности. Следует также заметить, что Архимед мог не только доказывать некоторые угаданные им формулы, но и делать вычисления со сколь угодно большой степенью точности и в случае, когда окончательная формула для вычисления не известна.

4.14 Дифференциальные методы Архимеда

В сочинении "О спиралях" Архимед разработал методы определения касательной. Эти методы были применены лишь в одном случае - для нахождения касательной к спирали ρ = aϕ . Однако эти методы столь же

универсальны, как и его интегральные методы и могут служить для нахождения касательной к любой дифференцируемой кривой.

По-существу, Архимед нашел необходимое условие экстремума, сводя его к нахождению точки касания двух кривых.

4.15 Исчисление песчинок

Отметим весьма интересную работу Архимеда "Исчисление песчинок" ("Псаммит"). В этом труде Архимед разработал способ, позволяющий регулярно выражать сколь угодно большие числа посредством специальной системы наименований десятичных разрядов. Мириадой Архимед называл число равное 10000. Числа до мириады мириад, то есть до 10 8 именуются

первыми; 10 8 принимается за единицу вторых чисел, следующих до 10 8×2−1 ;

10 8×2 принимается за единицу третьих чисел, следующих до 10 8×3−1 и т.д. вплоть до мириадо-мириадных чисел от 10 8×(10 8 −1) до 10 8×10 8 (исключая

последнее число). Все эти числа составляют первый период.

Аналогично, начиная с 10 8×10 8 строятся первые, вторые и т.д. числа вто-

рого порядка, причем конструкция доводится до мириадо-мириадного периода и числа 10 8×10 8 ×10 8 , но может быть продолжено и далее.

Архимед показал, что число песчинок, заполняющих шар, ограниченный сферой, диаметр которой превосходит диаметр земли в десять тысяч раз, не превосходит числа 10 63 - тысячи мириад единиц восьмых чисел первого периода, то есть 10 3 × 10 4 × 10 8×7 .

Интересно отметить, что в переводах Архимеда на арабский язык, относящихся к VII веку (нашей эры) имеется сочинение "О параллельных линиях". Возможно Архимед одним из первых пытался доказать пятый постулат Эвклида.

4.16 Значение творчества Архимеда для развития математики

Подводя итоги творчества Архимеда, следует сказать, что он фактически предвосхитил создание дифференциального и интегрального исчисления. В то время оно не могло быть создано, так как отсутствовала аналитическая база, буквенное исчисление, освоение более широкого класса функций, создание аналитического аппарата для их выражения. Исследование Архимеда не получили развития в древности. Дважды человечество открывало Архимеда и делало попытки продвинуться дальше по открытому им пути. Первый раз - на арабском Востоке, второй - в Европе в 16-17 вв.

В арабском мире в IX веке Саббит ибн Корра и его школа овладели ме-

тодом верхних и нижних интегральных сумм и вычислили (говоря на со-

временном языке) несколько новых интегралов. Однако далеко они не продвинулись из-за тех же причин, которые были и при Архимеде.

Только после создания буквенной алгебры Виета-Декарта и аналитической геометрии Декарта-Ферма и вместе с успехами физических наук Нового Времени стало возможным создание исчисления бесконечно малых. На это ушли силы многих великих умов 16-17 вв., начиная от Кеплера и Галилея и кончая Ньютоном и Лейбницем. Все они отправлялись от идей Архимеда, стараясь (говоря на современном языке) усилить и обобщить методы великого Архимеда.

Как сказал Лейбниц:

Внимательно читая сочинения Архимеда, перестаешь удивляться всем новейшим открытиям геометров.

4.17 От Архимеда к Кеплеру и Кавальери 1. Творчество Кеплера. Законы движения планет. Вычисление объемов винных бочек. Новые идеи в интегрировании. 2. Бонавентура Кавальери автор метода неделимых.

Первые значительные попытки развития интеграционных методов Архимеда были сделаны в уже в XVII веке, когда были достигнуты значительные успехи в области алгебры, а с другой стороны стала интенсивно развиваться экономика и техника, требовавшая общих и мощных математических методов изучения и вычисления величин.

Пальма первенства в развитии идей Архимеда принадлежит Иогану Кеплеру (1571-1630) немецкий астроном и математик, который открыл законы движения планет.

каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится солнце;

радиус-вектор, проведенный от Солнца к планенте, в равные промежутки времени описывает равные площади.

Из второго закона видно, что Кеплер сумел вычислить площади, заметаемые радиус-вектором. Его формулировка гласила "сумма радиус-векторов некоторой дуги орбиты относится к сумме радиус-векторов всего эллипса, как время использованное для прохождения этой дуги, относится ко времени, тебуемому для полного оборота эллипса.

Эта формулировка говорит, что Кеплер рассматривал фигуру как состоящую из мелких частиц, отрезков.

1612 год для жителей австрийского города Линца, в котором тогда жил Кеплер, был очень урожайным, особенно по винограду. Люди изготовляли бочки, объем которых необходимо было вычислять. Кеплер в 1615 г. написал работу "Новая стереометрия винных бочек", в которой вычислил площади плоских фигур и поверхностей, а также объемов, основываясь на разложении фигур и тел на бесконечное число малых частей, которые он называл тончайшими кружочками или частями крайне малой ширины. Из этих мельчайших частиц после суммирования получалась фигура эквивалентная первоначальной, и площадь или объем которой была известен.

Кеплер отбросил строгость греков и стал более вольно обращаться с вычислением бесконечных сумм. Оо заменил окружность правильным многоугольником с бескоенечным числом сторон.

Далее методы интегрирования развивал итаьянский математик Бонавентура Кавальери (1598-1647) - ученик Галилея. В труде "Геометрия", опубликованномв 1635 году, он ввел новый метод определения площадей и объемов, так называемый метод неделимых. Неделимыми он называл параллельные между собой хорды плосокй фигуры или части паралельных плоскостей тела. Плоскую фигуру он рассматривал как множество заполняющих ее "линий", а пространственное тело как множество сосотоящее из "неопределенного числа параллельных плоскостей". Кавальери говорил, что линия образована из точек, как ожерелье из жемчужин, площадь из линий, как ткань из нитей, а тело из плоскостей, как книга из страниц.

Кавальери отдавал себе отчет в трудностях суммирования бесконечного числа элементов.

Кавальери сформулировал следующий принцип определения отношений сумм всех неделимых:

если две плоские (пространственные фигуры) заключены между одними и теми же двумя параллельными прямыми (плоскостями) и если неделимые обех фигур, находящиеся на одной праллели, имеют постоянное отношение, то и "суммы всех неделимых"сравниваемых фигур будут иметь то же отношение, а площади и объемы сравниваемых фигур относятся между собой, как суммы соответсвующих неделимых.

Таким образом, он определял отношение площадей фигур, неделимые ко-

торых находятся в постоянном отношении.

Например, он доказывал, что площадь параллелограма равна удвоенной площади каждого из треугольников, на которые разбивает параллелограмм его диагональ. При этом он разбивал треугольники на линии таким образом, что отношение соответствующих линий равно единице (см. рис.). Кавальери говорил: сумма всех "линий"треугольника ABC равна сумме всех "линий"треугольника DBC , и эти треугольники имеют равныне площади. Сумма всех "линий"параллелограмма ABCD равна удвоенной сумме "ли-

ний"одного из треугольников. Метод Кавальери вызывал много критики, но и много восторгов, так как с помощью этого метода ему удавалась получать правильные результаты.

Под термином "линия"Кавальери понимал нашу ординату y при рас-

смотрении криволинейной трапеции. Для обозначения суммы всех "линий"(ординат) Каваьери использовал символ omn (omnes lineae - все ли-

Позднее Лейбниц писал:

"Целесообразно писать знак вместо omn и l вместо "все линии". От знака l Лейбниц позднее перешел к знаку y , а затем к символоу ydx .

Можно сказать, что понятие "все линии"по Кавальери эквивалентно то-

му что мы сейчас обозначаем, где a - длина инциденты, то есть расстоя-

ние между двумя крайними прямыми, параллельными регуле - образующей. Фактически Кавальери приблизился к вычислению интеграла как сумми-

рования ydx .

С помощью своего принципа Кавальери удалось вычислить, говоря на со-

временном языке, интегралы x m dx для m = 1, . . . , 9 .

Последователями Кавальери были Валлис, Дж. Валлис, П. Ферма и Б. Паскаль, которые подготовили в XVII веке создание дифференциального и интегрального исчисления. Завершение же принадлежит, как хорошо известно, Ньютону и Лейбницу.

4.18 Конические сечения Апполония

Апполоний родился в Пергах в Малой Азии. Основные его результаты относятся примерно к 210 г. н.э. В то время он жил в Александрии, куда он приехал юношей и где учился под руководством математиков школы Эв-

клида. Апполоний прославился как геометр и астроном. Умер Апполоний около 170 г. до. н.э.

Труд "Конические сечения"состоит из восьми книг. Первые четыре дошли до нас по-гречески, следующие три в арабском переводе Сабита ибн Корры. Последняя восьмая книга утеряна. Имеется реконструкция ее текста, принадлежащая английскому астроному Э. Галлею (XVIII в.).

Кривые второго порядка впервые появились при решении задачи удвоения куба. Менехм, живший около 360 г. до н.э., и являвшийся учеником Евдокса и его преемником в руководстве школой в Кизике, представил их как плоские сечения прямоугольного, тупоугольного и остроугольного конусов вращения. Сечения проводились перпендикулярно образующей. Тогда в случае остроугольного конуса получался эллипс, в случае прямоугольного получалась парабола, а в случае тупоугольного получалась гипербола.

Менехм нашел основное свойство каждого из сечений, которое мы называем уравнением, а древние называли симптомом. В современных обозначениях симптом оказался уравнением второго порядка.

Апполоний дал более общий метод получения конических сечений. Он предложил рассмотреть произвольный круговой конус, причем обе его полости (что дало возможность получить обе ветви гиперболы) и проводить сечение конуса под любым углом к образующей. Таким образом он получил все три конические сечения. При этом:

в сечении получается эллипс, если плоскость пресекает только одну полость;

парабола, если плоскость параллельна образующей конуса; получается гипербола если плоскость пересекает обе полости конуса.

Апполоний впервые вводит термины эллипс, парабола, гипербола и также устанавливает симптомы этих кривых. В современных обозначениях симптомы Апполония имеют вид y 2 = 2px ± a p x 2 , где эллипсу соответству-

ет знак "минус", параболе соответствует равенство нулю второго члена, и гиперболе соответствует знак "плюс".

При отсутствии второго члена получаем, что площадь квадрата, построенного на ординате y точки, параболы равна площади прямоугольника

История естествознания в эпоху эллинизма и Римской империи Рожанский Иван Дмитриевич

Архимед

Архимед занимает уникальное положение в античной науке. Это положение определяется как характерными чертами его личности, так и направлением его научной деятельности, но прежде всего тем, что из всех античных мыслителей он по складу своего мышления, по своим интересам и устремлениям ближе всего подошел к типу ученого нового времени. Архимед объединил в своем лице, с одной стороны, гениального математика, наметившего принципиально новые пути развития этой науки, с другой же - замечательного инженера, превосходившего в отношении технического мастерства всех своих предшественников и современников. Самым существенным в этом объединении было то, что его теоретические занятия и его инженерная деятельность отнюдь не представляли собой две раздельные, непересекающиеся сферы интересов; напротив, его научные работы в значительной степени стимулировались технической практикой того времени; с другой стороны, его механические конструкции (по крайней мере в некоторой своей части) были подчинены задачам решения или иллюстрации занимавших его теоретических проблем. Что касается единства теории и практики, то в этом отношении Архимед имел, пожалуй, всего лишь одного предшественника - Фалеса Милетского, но то, что у Фалеса находилось еще в самом зачаточном состоянии, приобрело у Архимеда черты зрелого и полнокровного расцвета. При всем том Архимед не мог выйти за рамки античного образа мира, и, несмотря на всю его широту, ему была присуща известная ограниченность, коренившаяся в мироощущении того времени. В чем она состояла, покажет дальнейшее изложение.

Архимед, сын астронома Фидия, родился в Сиракузах в 287 г. до н. э. Указанная выше особенность его научного дарования проявилась, по-видимому, достаточно рано: получив блестящую по тому времени математическую подготовку, он в то же время с самого начала испытывал живой интерес к различного рода техническим проблемам. Уже в своих первых научных работах он подходит к решению этих проблем с позиций точной (математической) науки.

Не все удавалось ему сразу. В «Механике» Герона, дошедшей до нас на арабском языке, имеется пространная выписка из сочинения Архимеда, озаглавленного «Книга опор» и бывшего, по-видимому, его первой научной работой. В этом сочинении Архимед решает задачу о распределении давления балки, лежащей на нескольких опорах. Вес многоопорной балки для каждого пролета он считает распределенным поровну между ограничивающими этот пролет опорами. Так, например, в случае трех опор, подпирающих балку АС в точках А, В и С, Архимед принимает, что на опору А АВ, на опору С давит вес, равный половине веса ВС, а на среднюю опору давит половина веса АВ плюс половина веса ВС. Таким образом, получается, что на среднюю опору, где бы она ни находилась, давит половина общего веса балки. Вывод совершенно неправильный.

Эта и другие ошибки Архимеда в этом сочинении (если, конечно, предположить, что эти ошибки принадлежали самому Архимеду, а не пересказывавшему ого текст Герону) объяснялись, очевидно, тем, что в то время он еще не уяснил понятия центра тяжести и не понимал, что вес тела можно считать сосредоточенным в одной точке. С другой стороны, практическая проверка выводов Архимеда представляла для древних значительные трудности.

Рассмотрение многоопорной балки приводит Архимеда к случаю стержня, опирающегося на одну точку, т. е: к рычагу. Мы знаем, что в том или ином виде рычаг был древнейшим средством, служившим для поднятия и передвижения тяжестей. Люди пользовались рычагом с незапамятных времен, но пользовались им чисто эмпирически, не задавая вопроса, в чем же заключена причина эффективности этого несложного орудия. Выше мы видели, что попытка теоретического осмысления действия рычага содержалась в псевдоаристотелевских «Механических проблемах». Но это была именно попытка, еще далекая от подлинно научной теории. Такая теория была впервые создана Архимедом.

К сожалению, до нас не дошла работа Архимеда, в которой он впервые изложил теорию рычага. Возможно, что именно этой работой было называемое Паппом сочинение «О рычагах» (???? ?????). Возможно также, что ему предшествовало другое сочинение - «О центрах тяжести» (????????????), о котором упоминает Симпликий в своих комментариях к аристотелевскому трактату «О небе». Не исключено также, что оба этих заглавия относятся к одному и тому же сочинению. Так или иначе, созданию теории рычага у Архимеда предшествовало уяснение понятия центра тяжести. Этого понятия не знали ученые предшествовавшей эпохи; мы не находим его ни у Аристотеля, ни в «Механических проблемах». Правда, в «Механике» Герона имеется следующая загадочная фраза: «Стоик Посидоний дал центру тяжести, или момента, физическое объяснение, сказавши, что центр тяжести, или момента, есть такая точка, что если за последнюю подвесить данный груз, то он будет в ней разделен на две равные части. Поэтому Архимед и его последователи в механике более подробно рассмотрели это положение и установили разницу между точкой подвеса и центром тяжести».

Эта фраза дала повод некоторым ученым (в Англии - Т. Л. Хиту, у нас - С. Я. Лурье) утверждать, что в своем первоначальном виде понятие центра тяжести было сформулировано неким стоиком начала III в. до н. э. Посидонием, которого, однако, не следует путать со знаменитым Посидонием Родосским, жившим в I в. до н. э. Однако о таком стоике мы больше ниоткуда ничего не знаем. Единственным стоиком начала III в. до п. э., имя которого нам известно, был основатель стоической школы Зенон из Китиона. Гораздо разумнее будет предположить, что в тексте Герона мы имеем дело с обычной для авторов поздней античности путаницей в порядке изложения, из-за которой создается впечатление, что Посидоний жил раньше Архимеда.

Точное определение центра тяжести приводится Паппом. Можно не сомневаться, что это определение принадлежит самому Архимеду (хотя Папп этого прямо и не указывает).

«Центром тяжести некоторого тела является некоторая расположенная внутри него точка, обладающая тем свойством, что если за нее мысленно подвесить тяжелое тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение».

Имея это определение, Архимед мог сформулировать понятие момента силы, установить условия равновесия рычага и на этой основе дать теорию рычажных весов. Каким образом это было у него первоначально сделано и пользовался ли он при этом аксиоматическим методом, применявшимся им в позднейших его работах, мы не знаем. Наиболее ранняя из целиком дошедших до нас работ Архимеда - «О квадратуре параболы» - предполагает теорию рычага уже известной.

Важное значение для Архимеда имела поездка в Александрию, оказавшая, вне всякого сомнения, стимулирующее влияние на его дальнейшее творчество. Мы считаем совершенно неубедительным предположение И. Н. Веселовского, что эта поездка была совершена, когда Архимеду было уже под пятьдесят лет, и что лишь после этого он занялся проблемами чистой математики. Ничто не мешает нам допустить, что пребывание Архимеда в Александрии совпало со временем первой Пунической войны (264–241 гг. до н. э.), в которой Сиракузы не участвовали, занимая выгодную нейтральную позицию. В столице Египта Архимед познакомился с выдающимся ученым александрийской школы Кононом, занимавшим положение придворного астронома при царе Птолемее III Эвергете. Конон был лет на двадцать старше Архимеда; будучи прекрасным геометром, он ввел молодого сиракузца в круг проблем, находившихся в центре внимания александрийских математиков. По возвращении в Сиракузы Архимед продолжал поддерживать связь с Кононом, сообщая ему в письмах о результатах своих научных исследований. К сожалению, ни работы Архимеда александрийского периода, ни его письма к Конону до нас не дошли. Когда Конон умер (около 240 г. до н. э.), Архимед стал переписываться с учеником Конона Досифеем. Сохранились четыре письма Архимеда к Досифею («Квадратура параболы», «О шаре и цилиндре», «О коноидах и сфероидах» и «О спиралях»), которые можно причислить к числу важнейших математических работ Архимеда зрелого периода: в них величайший ученый древности предвосхищает идеи интегрального и дифференциального исчисления нового времени.

Другим александрийским ученым, с которым Архимед продолжал сохранять контакт по возвращении на родину, был знаменитый Эратосфен из Кирены, впоследствии (с 234 г. до н. э.) ставший руководителем александрийской Библиотеки. О дошедшем до нас письме Архимеда к Эратосфену (так называемый «Эфод») будет сказано несколько ниже.

Следует отметить, что, находясь в Александрии, Архимед не прекратил и своей инженерной деятельности. Об этом свидетельствует изобретенная Архимедом машина для поливки египетских полей: это так называемый архимедов винт или «улитка», получившая в дальнейшем широкое распространение в античном земледелии.

Сейчас мы обратимся к тем работам Архимеда, в которых он устанавливает связь между математикой и механикой, доказывая чисто математические положения с помощью механических методов. Это была процедура, ранее неведомая греческой математике и впервые изобретенная Архимедом: она стала возможной на основе работ Архимеда по статике и, прежде всего, по теории рычага, в которых эта область механики была превращена в точную математическую науку. Прежде всего рассмотрим одно из наиболее ранних среди дошедших до нас сочинений Архимеда (хотя по времени написания оно было далеко не ранним), а именно «Квадратуру параболы». Как уже указывалось выше, сочинение это было написано в форме письма к Досифею, ученику Конона. Вот его начало: «Архимед Досифею желает благоденствия! Узнавши о смерти Конона, делавшего все для нас из дружбы, и о том, что ты был близок к Конону и сведущ в геометрии, мы очень опечалились о покойном и как о друге, и как о выдающемся математике. Поэтому мы решили написать тебе, подобно тому как обычно писали Конону, и послать некоторые геометрические теоремы, остававшиеся ранее неизвестными, а теперь полученные нами; они были сначала обнаружены нами при помощи механических методов, а затем - доказаны также и геометрически… Предварительно излагаются основные свойства конических сечений, необходимые для доказательства».

Теоремы теории параболы, которыми пользуется Архимед в этом сочинении, были, по-видимому, доказаны Эвклидом или другим, менее известным математиком того же времени- Аристеем. Оба они написали не дошедшие до нас сочинения о свойствах конических сечений; позднее полученные ими результаты вошли в знаменитый труд-Аполлония Пергского (??????). Мы видим, что Архимед был прекрасно знаком с математическими работами своих предшественников.

Далее решается задача нахождения площади сегмента, ограниченного параболой и прямой. Как явствует из приведенной выше цитаты, Архимед решает эту задачу двумя методами, причем лишь второй, геометрический, метод он считает удовлетворяющим требованиям строгой математики. Но нас, в первую очередь, интересует первый, по сути дела эвристический, метод, который сам Архимед назвал механическим, ибо он действительно показывает характерную для мышления Архимеда органическую связь математики и механики. Будучи инженером, Архимед сделал механику точной математической наукой, в то же время, будучи математиком, он мыслил с помощью образов и понятий, взятых из сферы механики.

Не повторяя буквально Архимеда, проследим основные стадии вывода формулы для площади параболического сегмента с помощью механического метода.

Рассмотрим параболический сегмент, ограниченный куском параболы??? и отрезком?? (рис. 6). Ставится задача: выразить площадь этого сегмента через площадь вписанного в него треугольника???.

Рис. 6. Определение площади параболы механическим методом

Ось параболы

Касательная к параболе в точке?

Прямая, параллельная оси параболы, проходящая через точку?.

Прямая, проходящая через точку? и вершину параболы?, причем??=??,

Прямая, параллельная оси параболы, проходящая через произвольную точку?, лежащую на отрезке??.

Одно из свойств параболы, доказываемых в теории конических сечений, состоит в том, что:

??/?? = ??/?? или??/?? = ??/??

откуда, между прочим, следует:

(следовательно, ?? - медиана треугольника???). Далее:

??/?? = ??/?? = ??/?? = ??/??

До сих пор идет чистая геометрия, но с этого момента начинается механика. Архимед предлагает представить параболический сегмент??? и треугольник??? как две материальные пластинки, наложенные одна на другую и веса которых определяются их площадями. Отрезок?0 будем рассматривать как бесконечно тонкую полоску сегмента, а?? как такую же полоску треугольника. Веса этих полосок будут определяться их длинами. Перенесем полоску?0 в точку? таким образом, чтобы она приняла положение??, а ее середина (и, следовательно, ее центр тяжести) совпала бы с точкой?. Тогда уравнение (1) можно будет трактовать как условие равновесия рычага, плечи которого равны?? и?? и к концам которого подвешены грузы?? и??.

Это же справедливо и для всех прочих, накладывающихся друг на друга полосок сегмента??? и треугольника???. Перенеся все полоски, из которых состоит сегмент, в точку?, мы можем заключить, что общий вес параболического сегмента будет уравновешен весом треугольника, если считать, что центр тяжести последнего совпадает с концом правого плеча нашего рычага. В своих предыдущих работах Архимед показал, что центр тяжести треугольника совпадает с точкой пересечения его медиан. Пусть этой точкой будет?. Тогда условие равновесия сегмента и треугольника можно будет записать следующим образом:

вес сегм. 2??/вес треуг. ??? = площадь сегм. ???/площадь треуг. ??? = ??/??

Из геометрии мы знаем, что?? = 1/3 ??. Отсюда·: площадь сегм. ???/площадь треуг. ??? = ??/??? = 1/3

Площадь треугольника??? = 1/2 * ?? * ??,

Из чертежа, однако, явствует, что?? = 2?? = 4??. В результате приходим к окончательному ответу:

площадь сегм. ??? = 4/3 (1/2 * ?? * ??) = 4/3 площ. треуг. ???

Несмотря на недостаточную строгость механического метода, полученное соотношение оказывается абсолютно точным. Тем не менее во второй части трактата Архимед дает второе (геометрическое) доказательство, где тот же результат получается с помощью метода исчерпывания Эвдокса (рис. 7). При этом Архимед указывает, что в ходе доказательства он пользуется следующим предположением:

«Если имеются две неравные площади, то, постоянно прибавляя к самому себе избыток, на который большая площадь превосходит меньшую, можно получить площадь, которая была бы больше любой заданной ограниченной площади».

Рис. 7. Определение площади параболы методом «исчерпывания»

Архимед сообщает, что «этой леммой пользовались также и жившие ранее геометры». Он имеет в виду, по-видимому, Эвдокса и Эвклида. Эвдокс, впервые и в самом общем виде (для любых величин, а не только для площадей) сформулировавший это положение, использовал его для разработки своей теории отношений, изложенной в пятой книге «Элементов» Эвклида; в свою очередь, Эвклид доказал с его помощью теоремы о площади круга и об объемах шара, пирамиды и конуса (двенадцатая книга «Элементов»). Таким образом, автором этого положения был фактически Эвдокс, хотя в позднейшей математической литературе оно получило наименование «аксиомы Архимеда».

Основная идея геометрического доказательства для той же задачи состоит в следующем. Снова рассматривается параболический сегмент, в который вписан треугольник???. Площадь этого треугольника обозначим буквой A и, положим K =4/3 A . Площадь сегмента может быть либо равна K, либо не равна K. В последнем случае она может быть либо больше K, либо меньше K. Архимед

показывает, что оба этих предположения приводят к абсурду. Делается это следующим образом.

Разделив основание сегмента на четыре равные части (рис. 2), проведем вертикальные отрезки?? || ?? || ?? и построим на сторонах?? и?? треугольники??? и???. Нетрудно показать (и Архимед это делает), что суммарная площадь этих двух треугольников будет в четыре раза меньше A. Аналогичным образом, разделив?? на восемь равных частей, построим на отрезках??, ??, ?? и?? четыре треугольника, суммарная площадь которых будет равна одной шестнадцатой A. Продолжая эту процедуру n раз, мы найдем, что площадь вписанного в сегмент многоугольника, ограниченного снизу основанием??, а сверху - ломаной линией, состоящей из 2 n+1 отрезков, будет выражаться суммой членов геометрической прогрессии

A + A /4 + A /4 2 +… +A /4 n

Мы сразу видим, что при n - > ? эта сумма будет иметь своим пределом выражение:

A /(1–1/4) =4/3 A =K

Однако в эпоху Архимеда с бесконечными рядами еще не умели оперировать, поэтому Архимед ограничивается рассмотрением ряда с конечным числом членов и показывает, что разность между K и суммой этого ряда будет равна одной трети последнего члена ряда (т. е. в наших обозначениях 1/3 * A /4 n ). Ясно, что, увеличивая число членов ряда, мы можем эту разность сделать меньше любой наперед заданной величины. С другой стороны, эта разность представляет собой площадь остающихся мелких сегментов, на которую площадь параболического сегмента????? превосходит площадь вписанного в этот сегмент многоугольника, построенного указанным выше образом из последовательно уменьшающихся треугольников. Отсюда следует, что площадь параболического сегмента????? не может превосходить K на конечную величину, ибо тогда получилось бы, что площадь вписанного многоугольника, выражающаяся суммой (3), могла бы стать больше K, что, как мы видели, не может иметь еста. Очевидно, что и K не может превосходить площадь параболического сегмента????? на конечную величину, ибо тогда площадь вписанного многоугольника сможет стать больше площади?????, что также абсурдно. Следовательно, площадь параболического сегмента????? равна K = 4/3 A .

Мы специально задержались на рассмотрении трактата «Квадратура параболы», чтобы показать различие между механическим и геометрическим методами доказательства, которыми пользовался Архимед. В последующих письмах к Досифею (два письма «О шаре и цилиндре», затем «О коноидах и сфероидах» и «О спиралях») мы уже не находим механического метода, зато геометрический метод подвергается им значительному усовершенствованию. А именно, в отличие от метода исчерпывания Эвдокса (примером которого может служить процедура, примененная Архимедом в «Квадратуре параболы») усовершенствованный метод Архимеда состоял в том, что подлежащая определению величина заключалась между двумя интегральными суммами, разность которых могла быть сделана меньше любой наперед заданной величины. Искомая величина находилась при этом как общий предел обеих сумм при безграничном увеличении числа слагаемых, что было эквивалентно задаче о вычислении определенного интеграла. При определении поверхности шара, при нахождении объема сегментов параболоида и гиперболоида, а также эллипсоида вращения Архимед, по сути дела, вычислял интегралы:

Этим же методом Архимед решал и более трудные задачи - определения длин дуг и площадей ряда кривых поверхностей.

Трудно сказать, осознавал ли Архимед, что в каждой из рассмотренных им задач речь шла об одном и том же математическом понятии - понятии определенного интеграла. Во всяком случае, у него еще не было средств, чтобы дать общее определение интеграла.

Наряду с методами вычисления площадей и объемов Архимед разработал метод определения касательной к кривой, который можно считать предвосхищением дифференциального исчисления, поскольку он фактически сводится к нахождению производной. По каким-то причинам этот метод фигурирует только в письме «О спиралях», где он применяется для определения касательной к спирали? = ?? (так называемая Архимедова спираль), однако рассуждения Архимеда имеют общий характер и применимы к любой дифференцируемой кривой. Тем же методом Архимед пользуется для нахождения экстремальных значений алгебраических выражений, которые могут быть выражены в виде геометрических кривых. В частности, пользуясь современной терминологией, можно сказать, что он провел полное исследование существования положительных корней кубического уравнения определенного вида. Проблема определения экстремальных значений сводится Архимедом к проблеме нахождения касательной к соответствующей кривой.

Математические методы Архимеда оказали громадное влияние на развитие математики нового времени. Упомянем работы таких математиков XVII столетия, как Лука Валерио («Три книги о центре тяжести», 1604), Григорий Сен-Венсан («Геометрический труд о квадратуре круга и конических сечений», опубликован в 1647 г.), Пауль Гульдин (четыре книги «О центре тяжести», 1635–1641), Бонавентура Кавальери («Геометрия, развитая новым способом при помощи неделимых непрерывного», 1635; а также продолжение этого труда - «Шесть геометрических этюдов», 1647), Эванджелиста Торричелли («Геометрические труды», 1644) и другие. Во всех этих работах использовались и развивались процедуры, применявшиеся для решения аналогичных задач Архимедом, и тем самым подготавливалась великая революция в математике, выразившаяся в создании анализа бесконечно малых в трудах Ньютона и Лейбница. Можно только согласиться с И. Н. Веселовским, назвавшим Архимеда «ведущим математиком XVII в.».

Переход к чисто геометрическим доказательствам не означал, что Архимед перестал признавать эвристическую ценность метода, основанного на механических аналогиях. Это ясно следует из его позднего, сравнительно недавно найденного сочинения, получившего наименование «Эфод» (его полное греческое заглавие таково: ???? ??? ????????? ??????? ??? ???? ??????????? ??????). Рукопись этого сочинения была обнаружена в одном из иерусалимских монастырей приват-доцентом Петербургского университета, греком по национальности, Пападопуло Керамевсом, который увидел, что под текстов какого-то духовного содержания на пергаменте заметен другой, значительно более старый текст. Этот палимпсест был тщательно изучен в 1906–1908 гг. известным датским филологом И. Л. Хейбергом, установившим, что первоначальный текст содержит значительную часть трактата «О плавающих телах», а также «Эфод», ранее известный лишь по отдельным цитатам в «Метрике» Герона. Обнаружение и прочтение столь замечательного пергамента принадлежит, бесспорно, к числу значительнейших открытий классической филологии нашего века.

«Эфод» написан в форме письма Архимеда к Эратосфену. В нем Архимед приводит целую серию теорем, доказательства которых были им найдены сперва механическим методом (среди них содержится, между прочим, и теорема о квадратуре параболы). Во вступительной части письма Архимед пишет по этому поводу следующее: «Зная, что ты являешься… ученым человеком и по праву занимаешь выдающееся место в философии, а также при случае можешь оценить и математическую теорию, я счел нужным… изложить тебе некоторый особый метод, при помощи которого ты получишь возможность при помощи механики находить некоторые математические теоремы. Я уверен, что этот метод будет тебе ничуть не менее полезен и для доказательства самих теорем. Действительно, кое-что из того, что ранее было мною усмотрено при помощи механики, позднее было доказано также и геометрически, так как рассмотрение при помощи этого метода еще не является доказательством, однако получить при помощи этого метода некоторое предварительное представление об исследуемом, а затем найти и само доказательство гораздо удобнее, чем производить изыскания ничего не зная. Поэтому и относительно тех теорем о конусе и пирамиде, для которых Эвдокс первый нашел доказательство, а именно что всякий конус составляет третью часть цилиндра, а пирамида - третью часть призмы с тем же основанием и равной высотой, немалую долю заслуги я уделю и Демокриту, который первый высказал это положение относительно упомянутых фигур, хотя и без доказательства. И нам довелось найти публикуемые теперь теоремы тем же самым методом, как и предыдущие; поэтому я и решил написать об этом методе и обнародовать его, с одной стороны, для того, чтобы не оставались пустым звуком прежние мои упоминания о нем, а с другой - поскольку я убежден, что он может принести математике немалую пользу; я предполагаю, что некоторые современные нам или будущие математики смогут при помощи указанного метода найти и другие теоремы, которые нам еще не приходили в голову».

Непосредственное отношение к теоретической механике имеет трактат Архимеда «О равновесии плоских фигур» (???? ???????? ??????????). Он состоит из двух частей. В первой части Архимед дает строго аксиоматический вывод закона равновесия рычага и определяет центры тяжести параллелограмма, треугольника и трапеции. Во второй части вычисляются центры тяжести параболического сегмента и параболической трапеции.

По поводу времени написания этого сочинения существуют различные мнения. Английский историк математики Т. Л. Хит, а у нас С. Я. Лурье считали, что первая часть трактата «О равновесии плоских фигур» относится к раннему периоду творчества Архимеда, когда он был занят проблемами центра тяжести и равновесия рычага. Вторую часть трактата Хит относит к более позднему времени, когда уже была написана «Квадратура параболы». И. Н. Веселовский выражал свое несогласие с таким разделением трактата на два различных по времени создания сочинения и приводил по этому поводу ряд соображений, которые нам представляются достаточно вескими. Вкратце эти соображения сводятся к следующему.

Как первая, так и вторая часть трактата резко отличаются по своему стилю от работ Архимеда раннего периода. Так, например, в «Квадратуре параболы» еще очень заметна механическая основа, на которой строится первое доказательство: говорится о рычагах, о подвешенных грузах, о равновесии, которое предполагается практически осуществимым, т. е. устойчивым, и т. д. Ничего этого нет в трактате «О равновесии плоских фигур». Он начинается с формулировки семи аксиом, из которых с помощью чистой дедукции выводится закон рычага. Вот эти аксиомы:

«1. Равные тяжести на равных длинах уравновешиваются, на неравных же длинах не уравновешиваются, но перевешивают тяжести па большей длине.

2. Если при равновесии тяжестей на каких-нибудь длинах к одной из тяжестей будет что-нибудь прибавлено, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, к которой было прибавлено.

3. Точно так же если от одной из тяжестей будет отнято что-нибудь, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, от которой не было отнято.

4. При совмещении друг с другом равных и подобных плоских фигур совместятся друг с другом и их центры тяжести.

5. У неравных же, но подобных фигур центры тяжести будут подобно же расположены. (Под подобным расположением точек в подобных фигурах мы подразумеваем такое, в котором прямые, проведенные из этих точек к вершинам равных углов, образуют равные углы с соответственными сторонами.)

6. Если величины уравновешиваются на каких-нибудь длинах, то на тех же самых длинах будут уравновешиваться и равные им.

7. Во всякой фигуре, периметр которой везде выпукл в одну и ту же сторону, центр тяжести должен находиться внутри фигуры».

Мы видим, что эти аксиомы отчетливо распадаются на две группы. К первой группе относятся первая, вторая, третья и шестая аксиомы, лежащие в основе теории рычага. В аксиомах четвертой, пятой и седьмой говорится о центрах тяжести плоских фигур, причем само понятие центра тяжести считается хорошо известным. Связь между обеими группами аксиом становится очевидной в ходе последующих доказательств, причем эти доказательства имеют крайне формальный характер: место физического рычага занимают простые геометрические линии, и само равновесие становится каким-то неопределенным, отвлеченно-математическим; теоремы доказываются большей частью от противного, причем это относится в равной мере как к первой, так и ко второй части трактата. Материал первой книги подготавливает все необходимое для доказательства теорем второй книги, причем между предложениями обеих частей имеется тесная логическая связь.

Таким образом, следует принять тезис о достаточно позднем времени написания трактата «О равновесии плоских фигур». В этом сочинении Архимед решил придать строгую математическую форму результатам, которые были получены им значительно раньше.

Заметим, что Э. Мах, относившийся с недоверием ко всякому применению формально-дедуктивных методов к механике, полагал, что логическая строгость архимедовской теории рычага является мнимой. По его мнению, теоремы шестая и седьмая трактата, гласящие, что как соизмеримые, так и несоизмеримые величины уравновешиваются на длинах, обратно пропорциональных тяжестям, не могут быть выведены из приведенных выше семи аксиом без привлечения опытных данных. Вот что он писал по этому поводу в «Механике».

«Хотя результаты, полученные Архимедом и последующими исследователями, с первого взгляда и кажутся чрезвычайно поразительными, тем не менее у нас возникают при более точном рассмотрении сомнения в правильности их. Из одного допущения равновесия равных грузов на равных расстояниях выводится обратная пропорциональность между грузом и плечом рычага! Как же это возможно?. Раз уже одну голую зависимость равновесия от груза и расстояния вообще невозможно было измыслить из себя, а необходимо было заимствовать из опыта, то тем менее нам удастся найти спекулятивным путем форму этой зависимости, пропорциональность».

Точка зрения Маха вызвала оживленную дискуссию среди историков науки. Мы не имеем возможности останавливаться на этой дискуссии, так как это заняло бы слишком много места; ограничимся ссылкой на И. Н. Веселовского, который утверждал, что доказательства Архимеда оказываются совершенно безупречными, если разобраться в смысле шестой аксиомы, которая на первый взгляд кажется чистой тавтологией (именно так, по-видимому, воспринимал ее Мах). Этот смысл состоит в следующем: «Действие груза, приложенного в данной точке, определяется только его величиной, т. е. совершенно не зависит от его формы или ориентации».

Понимаемая таким образом шестая аксиома позволяет заменить несколько масс одной, помещенной в центре их тяжести; в этом смысле она и употребляется Архимедом при доказательстве теорем шестой и седьмой первой книги (а также теоремы первой второй книги). Доказательство закона рычага приобретает теперь вполне строгую логическую форму.

Так или иначе, трактат Архимеда «О равновесии плоских фигур» считался на протяжении ряда веков образцом математической строгости. Наряду с письмами к Досифею он тщательнейшим образом изучался математиками XVII в., среди которых, помимо перечисленных выше ученых, были такие гиганты, как Галилей и Гюйгенс.

Особое положение в научном наследии Архимеда занимает трактат «О плавающих телах» (???? ??? ?????????), состоящий из двух книг. Это, по-видимому, одно из последних, если не самое последнее сочинение великого сиракузца. В пользу этого предположения говорит явная незаконченность конца второй книги. Тем не менее этот трактат можно считать едва ли не высшим достижением Архимеда, свидетельствующим о том, что до конца своих дней (прерванных, как известно, злосчастным ударом меча римского воина) Архимед находился в расцвете своих творческих потенций.

Интересна позднейшая история этого трактата. В XIII столетии один из немногих в то время знатоков греческого языка - Вильгельм Мербеке (ум. 1282 г.) выполнил по просьбе Фомы Аквинского перевод ряда сочинений Архимеда (а также других греческих ученых) на латынь. Среди переведенных сочинений был и трактат «О плавающих телах». Вскоре после этого греческая рукопись трактата была каким-то образом утеряна. В течение нескольких столетий трактат оставался известен лишь в переводе Меркебе. И лишь в начале XX в. Хейберг обнаружил около трех четвертей оригинального текста трактата на том самом палимпсесте, на котором был записан и «Эфод».

Первая часть трактата «О плавающих телах» начинается с предположения, которое можно было бы назвать физической аксиомой, если бы оно не заключало в себе целую физическую концепцию:

«Предположим, что жидкость имеет такую природу, что из ее частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилежащих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными и что каждая из ее частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней по отвесу, если только жидкость не заключена в каком-либо сосуде и не сдавливается еще чем-нибудь другим».

Рассмотрение жидкости как среды, которую можно рассматривать как совокупность бесчисленного множества прилегающих друг к другу частиц, стало в дальнейшем общепринятым приемом физики сплошных сред и не имеет никакого отношения к анатомистике. У Архимеда мы встречаемся с этим приемом впервые.

Предположение, которое мы процитировали, используется Архимедом для вывода целого ряда важных теорем. Первые две из них устанавливают следующее свойство жидкости: «Поверхность всякой жидкости, установившейся неподвижно, будет иметь форму шара, центр которого совпадает с центром Земли». Мы теперь знаем, что это свойство (сформулированное, кстати сказать, еще Аристотелем в трактате «О небе») имеет приблизительный характер и не соблюдается у жидкостей, заключенных в узкие сосуды. Но для жидкостей, находящихся в больших бассейнах, для озер, морей и океанов, доказанная Архимедом теорема безусловно справедлива.

Отметим, что эта теорема не получила немедленного признания среди ученых того времени, хотя она, казалось бы, была логическим следствием положения о шарообразности Земли. С ней не был согласен даже друг Архимеда Эратосфен - тот самый Эратосфен, который впервые получил точные данных о размерах земного шара. В первой книге «Географии» Страбона мы находим следующее свидетельство: «Разве не смешно теперь видеть, как математик Эратосфен отказывается признать установленный Архимедом в сочинении «О плавающих телах» принцип, что поверхность всякой покоящейся жидкости принимает форму шара, центр которого совпадает с центром Земли, а ведь это принцип, который теперь принимается всяким мало-мальски знающим математику».

Далее в трактате Архимеда следуют пять теорем, которые мы также процитируем дословно: «III. Тела, равнотяжелые с жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости и не будет двигаться вниз… <…> IV. Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погружается целиком, но некоторая часть его остается над поверхностью жидкости… <…> V. Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной (части тела), имел вес, равный весу всего тела… <…> VI. Тела, более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильственно, будут выталкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела… <….> VII. Тела, более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела…»

Эти теоремы образуют фундамент новой науки, созданной Архимедом и получившей впоследствии наименование гидростатики. Доказав эти теоремы, Архимед навеки обессмертил свое имя, ибо содержащийся в них физический закон известен в настоящее время каждому школьнику как закон Архимеда.

Дальнейшая часть трактата представляет собой приложение закона Архимеда к некоторым частным случаям, В конце первой книги Архимед рассматривает условия равновесия сегмента шара, опущенного в жидкость и имеющего плотность меньшую плотности жидкости (по формулировке Архимеда - «более легкого, чем жидкость»),

Вторая часть трактата начинается со следующей теоремы:

«Если какое-нибудь тело более легкое, чем жидкость, опустить в эту жидкость, то оно по тяжести будет находиться в том же отношении с жидкостью, какое погрузившийся ниже уровня жидкости объем имеет ко всему объему».

Эта теорема является непосредственным следствием закона Архимеда и в настоящее время носит наименование «принципа ареометра». Вслед за этим Архимед детально рассматривает условия равновесия погруженного в жидкость прямоугольного коноида (под прямоугольным коноидом он понимает сегмент параболоида вращения, отсеченного плоскостью перпендикулярной к оси). При этом Архимед рассматривает различные случаи: когда основание сегмента не касается жидкости, когда оно касается жидкости в одной точке, когда оно целиком погружено в жидкость и т. д. Это рассмотрение в дошедшем до нас тексте оказывается не совсем полным, что и заставляет нас предположить, что трактат «О плавающих телах» не был закончен Архимедом. В приложении к сочинениям Архимеда И. Н. Веселовский показывает, что могло бы стоять в ненаписанной части трактата и дает полную формулировку результатов исследования Архимеда.

Мы не можем здесь входить в детали метода, используемого Архимедом при рассмотрении отдельных случаев равновесия плавающего параболоида. Математическая сторона этого метода поражает простотой и изяществом; что же касается его физической основы, то она состоит в следующем. Архимед находит положение равновесия, определяя, будет ли параболоид, отклоненный от этого положения, возвращаться в него или нет. Если будет, то найденное положение соответствует положению устойчивого равновесия. В принципе этот метод лишь в деталях отличается от метода, разработанного во второй половине XIX в. французским математиком Ш. Дюпеном и профессором Московского университета А. Ю. Давыдовым, для которых задача о равновесии плавающих тел имела сугубо практическое значение в связи с теорией устойчивости корабля. Для Архимеда эта задача была чисто теоретической и о ее возможных практических приложениях он, по-видимому, не задумывался. Это замечание относится и к другим результатам, которые Архимед получал в своих математических работах. Неслучаен тот факт, что из всех этих результатов Архимед особенно гордился доказанной им теоремой о том, что объем шара равен 2/3 объема описанного около него цилиндра, вследствие чего на его могиле был поставлен надгробный памятник, изображавший шар, вписанный в цилиндр. Эти открытия представляли, с точки зрения Архимеда, самостоятельную ценность, ни в какой мере не зависевшую от их возможной практической полезности. В этом отношении Архимед целиком находился в плену традиций античной науки, утверждавшей примат теоретического умозрения над любого рода практической деятельностью. То, что он был при этом гениальным инженером, ни в какой мере не меняло его общетеоретических установок.

А между тем предпринятое Архимедом исследование закономерностей, которым подчиняются тела, погруженные в жидкости, было, по-видимому, стимулировано практическими задачами. Утверждая это, мы имеем в виду отнюдь не общеизвестную легенду, о которой сообщается в трактате Витрувия. Метод, который, согласно Витрувию, был применен Архимедом для определения примеси серебра в золотом венце царя Гиерона, крайне неточен и не имеет никакого отношения к закону Архимеда о плавающих телах. В более поздних источниках излагается другой метод, основанный на законе Архимеда и бесспорно более точный. Но какова достоверность этих сообщений, и не представляли ли они позднейшую реконструкцию опыта Архимеда? Мы не знаем этого.

Более важным в данном контексте представляется сообщение историка Полибия (повторенное затем Титом Ливией и Плутархом), по которому во время обороны Сиракуз Архимед подымал и опрокидывал римские корабли с помощью специально сконструированной железной «лапы». Если это сообщение соответствовало действительности, то при расчетах, которые надо было произвести для построения такого механизма, должен был учитываться закон Архимеда.

Что касается прочих инженерных изобретений Архимеда, то к ним, помимо уже упоминавшейся выше «улитки» для полива полей и не считая описанного самим Архимедом в «Псаммите» прибора для определения видимого диаметра Солнца (этот прибор можно считать первой известной нам из литературы научно-измерительной установкой), относятся следующие, упоминаемые древними авторами, устройства: 1. «Небесная сфера», или планетарий, описанный позднее Цицероном. После гибели Архимеда он был вывезен римским полководцем Марцеллом в Рим, где в течение нескольких столетий служил предметом всеобщего восхищения. Последнее упоминание об этом планетарии содержится в эпиграмме римского поэта Клавдиана (ок. 400 г.), из которой мы, в частности, узнаем, что этот планетарий приводился в движение каким-то пневматическим механизмом. Наличие такого механизма существенно отличало планетарий Архимеда от более примитивных «небесных сфер», создававшихся греческими астрономами, начиная с Эвдокса, для моделирования движений небесных тел.

2. Гидравлический орган, упоминаемый Тертуллианом в качестве одного из чудес техники. Надо, однако, отметить, что более древние источники называют в качестве изобретателя такого органа александрийского инженера Ктесибия, о котором у нас речь пойдет ниже.

Архимед, по-видимому, лишь усовершенствовал орган, изобретенный Ктесибием.

3. Многочисленные военные орудия, нашедшие применение при обороне Сиракуз. Особый интерес (и, скажем прямо, наибольшие сомнения) среди них вызывает уже упоминавшаяся нами «лапа», захватывавшая и переворачивавшая римские суда. Остальные орудия, по-видимому, отличались от аналогичных устройств, применявшихся в войнах того времени, лишь меткостью попадания, которую подчеркивают все историки, писавшие об осаде Сиракуз римлянами.

Из всего изложенного следует, что в целом технические достижения Архимеда лежали в русле развития античной техники того времени. Принципиальное отличие Архимеда от современных ему инженеров типа Ктесибия и Филона состояло в том, что, будучи величайшим ученым эпохи эллинизма, он сумел осмыслить действие ряда элементарных механизмов, с которыми человек издавна имел дело в своей повседневной практике, и положить тем самым начало развитию теоретической механики - науки, которую древность до этого не знала, но которая стала решающим фактором прогресса материального производства в новое время.

Из книги Капитолийская волчица. Рим до цезарей автора Гаспаров Михаил Леонович

АРХИМЕД И КОНЕЦ СИРАКУЗ Рим сражался с Карфагеном на трех театрах военных действий. Первым была Италия, вторым - Испания, третьим была Сицилия. Здесь Сиракузы, до сих пор искусно лавировавшие между Римом и Карфагеном, наконец решительно примкнули к последнему. Римляне

Из книги 100 великих гениев автора Баландин Рудольф Константинович

АРХИМЕД (ок. 287–212 до н. э.) Греческий механик, физик, математик, инженер. Родился и провел большую часть жизни в Сиракузах (Сицилия). Учился в Александрии (Египет). Был советником царя Сицилии Гиерона II. По легенде, он с помощью системы зеркал, отражающих солнечные лучи, сжег

Из книги Великие тайны цивилизаций. 100 историй о загадках цивилизаций автора Мансурова Татьяна

Им Архимед был не нужен Архимед, известный древнегреческий ученый, оказался непричастен к созданию катапульты: древние мастера военного дела больше полагались на интуицию, чем на сложные математические выкладки великого мыслителя из Сиракуз.Как выяснили историки,

Из книги Рим и Карфаген. Мир тесен для двоих автора Левицкий Геннадий Михайлович

Архимед и Марцелл Но была ли победа в тот день велика или нет, событие случилось великое. Тит Ливий. История Рима от основания города После Канн римляне воевали более осмотрительно. Они уже не рисковали доверить легионы, собранные с трудом, случайным консулам. По-иному

Из книги 100 знаменитых ученых автора Скляренко Валентина Марковна

АРХИМЕД (ок. 287 г. до н. э. – ок. 212 г. до н. э.) Знаменитый древнегреческий ученый – математик, механик, астроном, физик, инженер, конструктор, изобретатель. Основоположник математической физики, открывший многие из основных законов физики и математики, разработавший

Из книги Ганнибал автора Лансель Серж

Осада Сиракуз: Архимед против Марцелла (214–212 годы) После смерти Гиеронима положение в Сиракузах долгое время оставалось неясным, пока двум ставленникам Ганнибала - Гиппократу и Эпикиду - не удалось в результате довольно бурных выборов возглавить главную магистратуру

Из книги Великий Ганнибал. «Враг у ворот!» автора Нерсесов Яков Николаевич

Глава 5. Как Архимед Сиракузы защищал Марцеллу пришлось сражаться не только в Италии против Ганнибала, в борьбе с которым ему чаще, чем другим римским полководцам, сопутствовала удача (или, по крайней мере, он давал достойный отпор!), но и в Сицилии против греческого

Из книги Всемирная история в лицах автора Фортунатов Владимир Валентинович

2.6.8. Отец механики Архимед Вспоминается школьное впечатление: на картине седовласый бесстрашный старик обращается к воину, который уже замахнулся на него мечом: «Не трогай мои чертежи!» Достоверность подобных предсмертных сентенций вызывает большие сомнения. Эту фразу

Из книги Великие исторические личности. 100 историй о правителях-реформаторах, изобретателях и бунтарях автора Мудрова Анна Юрьевна

Архимед 287–212 до н. э.Великий древнегреческий математик, физик, механик и инженер.Архимед был одним из самых замечательных ученых Древней Греции. Наверное, вы слышали легенду о том, как был открыт один из законов физики. Среди его открытий - закон плавания тел, ставший

Из книги История естествознания в эпоху эллинизма и Римской империи автора Рожанский Иван Дмитриевич

Архимед Архимед занимает уникальное положение в античной науке. Это положение определяется как характерными чертами его личности, так и направлением его научной деятельности, но прежде всего тем, что из всех античных мыслителей он по складу своего мышления, по своим

Из книги Великие люди, изменившие мир автора Григорова Дарина

Архимед– гениальный изобретатель Архимед родился в 287 году до н. э. в городе Сиракузы на острове Сицилия. Его отец – астроном и математик Фидий – с детства прививал сыну интерес к точным наукам и дал ему хорошее образование. Чтобы продолжить свое обучение, Архимед

Из книги Всемирная история в изречениях и цитатах автора Душенко Константин Васильевич

Уроженец греческого города Сиракузы на острове Сицилия, Архимед был приближенным управлявшего городом царя Гиерона (и, вероятно, его родственником). Возможно, какое-то время Архимед жил в Александрии – знаменитом научном центре того времени. То, что сообщения о своих открытиях он адресовал математикам, связанным с Александрией, например Эратосфену , подтверждает мнение о том, что Архимед являлся одним из деятельных преемников Евклида , развивавших математические традиции александрийской школы. Вернувшись в Сиракузы, Архимед находился там вплоть до своей гибели при захвате Сиракуз римлянами в 212 до н.э.

Дата рождения Архимеда (287 до н.э.) определяется исходя из свидетельства византийского историка 12 в. Иоанна Цеца, согласно которому он «прожил семьдесят пять лет». Яркие картины его гибели, описанные Ливием , Плутархом и Валерием Максимом, различаются лишь в деталях, но сходятся в том, что Архимеда, занимавшегося в глубокой задумчивости геометрическими построениями, зарубил римский воин. Кроме того, Плутарх сообщает, что Архимед, «как утверждают, завещал родным и друзьям установить на его могиле описанный вокруг шара цилиндр с указанием отношения объема описанного тела к вписанному», что было одним из наиболее славных его открытий. Цицерон, который в 75 до н.э. был на Сицилии, обнаружил выглядывавшее из колючего кустарника надгробие и на нем – шар и цилиндр.

Легенды об Архимеде.

В наше время имя Архимеда связывают главным образом с его замечательными математическими работами, однако в античности он прославился также как изобретатель различного рода механических устройств и инструментов, о чем сообщают авторы, жившие в более позднюю эпоху. Правда, авторство Архимеда во многих случаях вызывает сомнения. Так, считается, что Архимед был изобретателем т.н. архимедова винта, который служил для подъема воды на поля и явился прообразом корабельных и воздушных винтов, хотя, судя по всему, такого рода устройство использовалось и раньше. Не внушает особого доверия и то, что рассказывает Плутарх в Жизнеописании Марцелла . Здесь говорится, что в ответ на просьбу царя Гиерона продемонстрировать, как тяжелый груз может быть сдвинут малой силой, Архимед «взял трехмачтовое грузовое судно, которое перед этим с превеликим трудом вытянули на берег много людей, усадил на него множество народа и загрузил обычным грузом. После этого Архимед сел поодаль и стал без особых усилий тянуть на себя канат, перекинутый через полиспаст, отчего судно легко и плавно, словно по воде, «поплыло» к нему». Именно в связи с этой историей Плутарх приводит замечание Архимеда, что, «если бы имелась иная Земля, он сдвинул бы нашу, перейдя на ту» (более известный вариант этого высказывания сообщает Папп Александрийский: «Дайте мне, где стать, и я сдвину Землю»). Вызывает сомнение и подлинность истории, поведанной Витрувием, что будто бы царь Гиерон поручил Архимеду проверить, из чистого ли золота сделана его корона или же ювелир присвоил часть золота, сплавив его с серебром. «Размышляя над этой задачей, Архимед как-то зашел в баню и там, погрузившись в ванну, заметил, что количество воды, переливающейся через край, равно количеству воды, вытесненной его телом. Это наблюдение подсказало Архимеду решение задачи о короне, и он, не медля ни секунды, выскочил из ванны и, как был нагой, бросился домой, крича во весь голос о своем открытии: «Эврика! Эврика!» (греч. «Нашел! Нашел!»)».

Более достоверным представляется свидетельство Паппа, что Архимеду принадлежало сочинение Об изготовлении [небесной ] сферы , речь в котором шла, вероятно, о построении модели планетария, воспроизводившей видимые движения Солнца, Луны и планет, а также, возможно, звездного глобуса с изображением созвездий. Во всяком случае Цицерон сообщает, что тот и другой инструмент захватил в Сиракузах в качестве трофеев Марцелл. Наконец, Полибий, Ливий, Плутарх и Цец сообщают о грандиозных баллистических и иных машинах, построеннных Архимедом для отражения римлян.

Математические труды.

Сохранившиеся математические сочинения Архимеда можно разделить на три группы. Сочинения первой группы посвящены в основном доказательству теорем о площадях и объемах криволинейных фигур или тел. Сюда относятся трактаты О шаре и цилиндре , Об измерении круга , О коноидах и сфероидах , О спиралях и О квадратуре параболы . Вторую группу составляют работы по геометрическому анализу статических и гидростатических задач: О равновесии плоских фигур , О плавающих телах . К третьей группе можно отнести различные математические работы: О методе механического доказательства теорем , Исчисление песчинок , Задача о быках и сохранившийся лишь в отрывках Стомахион . Существует еще одна работа – Книга о предположениях (или Книга лемм ), сохранившаяся лишь в арабском переводе. Хотя она и приписывается Архимеду, в своем нынешнем виде она явно принадлежит другому автору (поскольку в тексте имеются ссылки на Архимеда), но, возможно, здесь приведены доказательства, восходящие к Архимеду. Несколько других работ, приписываемых Архимеду древнегреческими и арабскими математиками, утеряны.

Дошедшие до нас работы не сохранили своей первоначальной формы. Так, судя по всему, I книга трактата О равновесии плоских фигур является отрывком из более обширного сочинения Элементы механики ; кроме того, она заметно отличается от II книги, написанной явно позднее. Доказательство, упоминаемое Архимедом в сочинении О шаре и цилиндре , было утрачено ко 2 в. н.э. Работа Об измерении круга сильно отличается от первоначального варианта, и предложение II в ней скорее всего заимствовано из другого сочинения. Заглавие О квадратуре параболы вряд ли могло принадлежать самому Архимеду, так как в его время слово «парабола» еще не использовалось в качестве названия одного из конических сечений. Тексты таких сочинений, как О шаре и цилиндре и Об измерении круга , скорее всего, подвергались изменениям в процессе перевода с дорийско-сицилийского на аттический диалект.

При доказательстве теорем о площадях фигур и объемах тел, ограниченных кривыми линиями или поверхностями, Архимед постоянно использует метод, известный как «метод исчерпывания». Изобрел его, вероятно, Евдокс (расцвет деятельности ок. 370 до н.э.) – по крайней мере, так считал сам Архимед. К этому методу время от времени прибегает и Евклид в XII книге Начал . Доказательство с помощью метода исчерпывания, в сущности, представляет собой косвенное доказательство от противного. Иначе говоря, утверждение «А равно В» считается истинным в том случае, когда принятие противоположного утверждения, «А не равно В», ведет к противоречию. Основная идея метода исчерпывания заключается в том, что в фигуру, площадь или объем которой требуется найти, вписывают (или вокруг нее описывают, либо же вписывают и описывают одновременно) правильные фигуры. Площадь или объем вписанных или описанных фигур увеличивают или уменьшают до тех пор, пока разность между площадью или объемом, которые требуется найти, и площадью или объемом вписанной фигуры не становится меньше заданной величины. Пользуясь различными вариантами метода исчерпывания, Архимед смог доказать различные теоремы, эквивалентные в современной записи соотношениям S = 4p r 2 для площади поверхности шара, V = 4/3p r 3 для его объема, теореме о том, что площадь сегмента параболы равна 4/3 площади треугольника, имеющего те же оcнование и высоту, что и сегмент, а также многие другие интересные теоремы.

Ясно, что, используя метод исчерпывания (который является скорее методом доказательства, а не открытия новых соотношений), Архимед должен был располагать каким-то другим методом, позволяющим находить формулы, которые составляют содержание доказанных им теорем. Один из методов нахождения формул раскрывает его трактат О механическом методе доказательства теорем . В трактате излагается механический метод, при котором Архимед мысленно уравновешивал геометрические фигуры, как бы лежащие на чашах весов. Уравновесив фигуру с неизвестной площадью или объемом с фигурой с известной площадью или объемом, Архимед отмечал относительные расстояния от центров тяжести этих двух фигур до точки подвеса коромысла весов и по закону рычага находил требуемые площадь или объем, выражая их соответственно через площадь или объем известной фигуры. Одно из основных допущений, используемых в методе исчерпывания, состоит в том, что площадь рассматривается как сумма чрезвычайно большого множества плотно прилегающих друг к другу «материальных» прямых, а объем – как сумма плоских сечений, тоже плотно прилегающих друг к другу. Архимед считал, что его механический метод не имеет доказательной силы, но позволяет получить предварительный результат, который впоследствии может быть доказан более строгими геометрическими методами.

Хотя Архимед был в первую очередь геометром, он совершил ряд интересных экскурсов и в область численных расчетов, пусть примененные им методы и не вполне ясны. В предложении III сочинения Об измерении круга он установил, что число p меньше и больше . Из доказательства видно, что он располагал алгоритмом получения приближенных значений квадратных корней из больших чисел. Интересно отметить, что у него приведена и приближенная оценка числа , а именно: . В сочинении, известном под названием Исчисление песчинок , Архимед излагает оригинальную систему представления больших чисел, позволившую ему записать число , где само Р равно . Эта система потребовалась ему, чтобы сосчитать, сколько песчинок понадобилось бы, чтобы заполнить Вселенную.

В труде О спирали Архимед исследовал свойства т.н. архимедовой спирали, записал в полярных координатах характеристическое свойство точек спирали, дал построение касательной к этой спирали, а также определил ее площадь.

В истории физики Архимед известен как один из основоположников успешного применения геометрии к статике и гидростатике. В I книге сочинения О равновесии плоских фигур он приводит чисто геометрический вывод закона рычага. По сути, его доказательство основано на сведении общего случая рычага с плечами, обратно пропорциональными приложенным к ним силам, к частному случаю равноплечего рычага и равных сил. Все доказательство от начала и до конца пронизано идеей геометрической симметрии.

В своем сочинении О плавающих телах Архимед применяет аналогичный метод к решению задач гидростатики. Исходя из двух допущений, сформулированных на геометрическом языке, Архимед доказывает теоремы (предложения) относительно величины погруженной части тел и веса тел в жидкости как с большей, так и с меньшей плотностью, чем само тело. В предложении VII, где говорится о телах более плотных, чем жидкость, выражен т.н. закон Архимеда, согласно которому «всякое тело, погруженное в жидкость, теряет по сравнению со своим весом в воздухе столько, сколько весит вытесненная им жидкость». В книге II содержатся тонкие соображения относительно устойчивости плавающих сегментов параболоида.

Влияние Архимеда.

В отличие от Евклида, Архимеда вспоминали в античности лишь от случая к случаю. Если мы что-то знаем о его работах, то лишь благодаря тому интересу, который питали к ним в Константинополе в 6–9 в. Эвтокий, математик, родившийся в конце 5 в., прокомментировал по крайней мере три работы Архимеда, по-видимому, наиболее известные в то время: О шаре и цилиндре , Об измерении круга и О равновесии плоских фигур . Работы Архимеда и комментарии Эвтокия изучали и преподавали математики Анфимий из Тралл и Исидор из Милета, архитекторы собора св. Софии, возведенного в Константинополе в правление императора Юстиниана. Реформа преподавания математики, которую проводил в Константинополе в 9 в. Лев Фессалоникийский, по-видимому, способствовала собиранию работ Архимеда. Тогда же он стал известен мусульманским математикам. Теперь мы видим, что арабским авторам недоставало некоторых наиболее важных работ Архимеда, таких как О квадратуре параболы , О спиралях , О коноидах и сфероидах , Исчисление песчинок и О методе . Но в целом арабы овладели методами, изложенными в других работах Архимеда, и нередко блестяще ими пользовались.

Средневековые латиноязычные ученые впервые услышали об Архимеде в 12 в., когда появились два перевода с арабского на латынь его сочинения Об измерении круга . Лучший перевод принадлежал знаменитому переводчику Герарду Кремонскому, и в последующие три столетия он послужил основой многих изложений и расширенных версий. Герарду принадлежал также перевод трактата Слова сынов Моисеевых арабского математика 9 в. Бану Мусы, в котором приводились теоремы из сочинения Архимеда О шаре и цилиндре с доказательством, аналогичным приведенному у Архимеда. В начале 13 в. Иоанн де Тинемюэ перевел сочинение О криволинейных поверхностях , по которому видно, что автор был знаком с другой работой Архимеда – О шаре и цилиндре . В 1269 доминиканец Вильгельм из Мербеке перевел с древнегреческого весь корпус работ Архимеда, кроме Исчисления песчинок , Метода и небольших сочинений Задача о быках и Стомахион . Для перевода Вильгельм из Мербеке использовал две из трех известных нам византийских рукописей (рукописи А и В). Мы можем проследить историю всех трех. Первая из них (рукопись А), источник всех копий, снятых в эпоху Возрождения, по-видимому, была утрачена примерно в 1544. Вторая рукопись (рукопись В), содержавшая работы Архимеда по механике, в том числе сочинение О плавающих телах , исчезла в 14 в. Копий с нее снято не было. Третья рукопись (рукопись С) не была известна до 1899, а изучать ее стали лишь с 1906. Именно рукопись С стала драгоценной находкой, так как содержала великолепное сочинение О методе , известное ранее лишь по отрывочным фрагментам, и древнегреческий текст О плавающих телах , исчезнувший после утраты в 14 в. рукописи В, которую использовал при переводе на латынь Вильгельм из Мербеке. Этот перевод имел хождение в 14 в. в Париже. Он использовался также Якобом Кремонским, когда в середине 15 в. тот предпринял новый перевод корпуса сочинений Архимеда, входивших в рукопись А (т.е. за исключением сочинения О плавающих телах ). Именно этот перевод, несколько поправленный Региомонтаном, был опубликован в 1644 в первом греческом издании трудов Архимеда, хотя некоторые переводы Вильгельма из Мербеке были изданы в 1501 и 1543. После 1544 известность Архимеда начала возрастать, и его методы оказали значительное влияние на таких ученых, как Симон Стевин и Галилей , а тем самым, хотя и косвенно, воздействовали на формирование современной механики.