Рассказывают, что, когда Сиракузы подверглись преследованию римлян, он создал ряд машин. При их помощи на римлян, осаждавших город, сыпался такой град стрел и камней, что войско бежало, лишь завидев на вершине стены канат или столб. Осаждавшим с моря приходилось еще хуже: как только они приближались к стене, сверху спускалась железная лапа (крюк на цепи, прикрепленный к столбу), хватала корабль за носовую часть и держала его отвесно, пока экипаж и вооружение не сваливались в море, а затем бросала, причем корабль мгновенно тонул. Подобные сказки рассказывает Плутарх, а за ним Ливий и Полибий. Все это наглядное доказательство того, до какой степени ненаучно и некритически писались тексты в Средние века.
Еще одна общеизвестная басня возникла, по-видимому, в XII веке. Она приписывает Архимеду сожжение неприятельского флота посредством вогнутых зеркал, которыми он с высоты стен собирал солнечные лучи и направлял на римские корабли. Многие физики старались найти какое-нибудь разумное основание для этого предания, но безуспешно. Еще в XVII веке патер Кирхер считал такую вещь возможной, потому что ему самому удалось получить значительное повышение температуры на расстоянии 30 метров комбинацией из пяти плоских зеркал. Бюффону удалось зажечь доску, намазанную дегтем, на расстоянии 100 метров при помощи установки 168 зеркал. Однако по отношению к флоту подобный эксперимент не имел бы успеха уже потому, что корабль в случае подобной опасности не остался бы неподвижным на месте. Возможно, что в основу этого мифа легли рассказы о позднейшем применении в морских сражениях сосудов с горящей зажигательной смесью (нефтью).
Даже в XV веке зеркала стоили огромных денег. Обычные плоские зеркала из стекла. Делать сферические, да еще с заданным заранее фокусом не могли. Металлические в традиционное время Архимеда тоже были бы слишком дороги, и та же неразрешимая задача: как задать изделию нужную сферичность?
Родного города Архимеду, однако, отстоять не удалось, были у него зеркала или нет. Мало того, при занятии Сиракуз он попался на глаза какому-то римскому солдату и был убит. Но на этом чудеса не кончаются. Оказывается, сиракузяне о таком знаменитом земляке ничего не знали, пока им не рассказал о нем приехавший на остров через 137 лет после его смерти квестор Цицерон. Ему пришлось лично разыскать и указать неблагодарным потомкам могилу гения. Достойное завершение сказок об Архимеде.
Основные сочинения Архимеда, относящиеся к физике – «О равновесии плоскостей» и «О плавающих телах».
Трактат «О равновесии плоскостей» исходит из принятого положения, что равные по весу величины, действующие на одинаковых расстояниях, находятся в равновесии. Отсюда вытекает другое положение: если две равные по весу величины не имеют общего центра тяжести, то центр тяжести величины, полученный от сложения обеих, будет лежать посередине прямой, соединяющей центры тяжести обеих величин. При помощи этих положений Архимед доказывает справедливость закона рычага. Именно: если к рычагу привешены два груза, то на основании второго положения можно разделить каждый груз на 2, 4, 8 равных частей и привесить их попарно в равных расстояниях от первоначальных точек привеса, не нарушая действия. Если же первоначальные два груза имеют массу обратно пропорциональную их расстояниям от точки опоры рычага, то отдельные части грузов могут быть распределены по обоим плечам рычага таким образом, что на обоих будет находиться равное число грузов на попарно равных расстояниях, откуда следует, что система находится и, следовательно, раньше должна была находиться в равновесии. Это доказательство возбуждало много возражений, но тем не менее оно очень долго не заменялось каким-либо другим, более строгим.
Сочинение «О плавающих телах» основано на положениях, что жидкость во всех частях однородна и непрерывна и что во всякой жидкости менее сжатая часть смещается другой, более сжатой; наконец, что всякая часть жидкости претерпевает давление от лежащей отвесно над нею жидкости. Отсюда выводится, что поверхность покоящейся жидкости должна иметь сферическую форму, концентрическую с поверхностью земли; что тело, которое легче жидкости, погружается в нее до тех пор, пока вес тела не сравняется с весом вытесненной жидкости. Что тело, насильственно погруженное в жидкость, всплывает с силою, равной избытку веса жидкости над весом тела. И наконец, что тело более тяжелое, чем жидкость, погружается в нее совсем и теряет вес, равный весу вытесненной жидкости. Вслед за этим наиболее знаменитым из своих положений Архимед высказывает новую гипотезу: «Все тела, вытесняемые жидкостью кверху, двигаются по отвесной линии, проходящей через их центр тяжести».
По свидетельству Плутарха, сам Архимед считал свои практические изобретения ничтожными по сравнению с теоретическими работами. В дошедших до нас сочинениях он следует чисто математическому методу; ко всем физическим основам относится как к простым гипотезам, никогда не объясняя, каким образом он пришел к ним. Архимеду приписывали 40 механических изобретений, большинство которых осталось неизвестным, так как сам он о них не упоминает. А известны: зажигательное зеркало, водоподъемный винт, бесконечный винт, полиспаст[25] и чрезвычайно сложный планетарий. Последний якобы наглядно представлял движение планет вокруг Земли, причем простым поворотом рукоятки Солнце, Луна и планеты приводились в движение вокруг Земли, вращаясь сравнительно правильно, с соблюдением всех соотношений периодов, и получалось даже затмение Солнца Луной.
А видел планетарий тот самый Цицерон, который после ознакомления с этим механизмом пришел к убеждению, что Архимед обладал гением, почти несовместимым с человеческой природой. Кроме Цицерона никто этого планетария не видел, а мы и в XXI веке не знаем такого механизма, чтобы простым поворотом рукоятки можно было воспроизвести движение планет.
Архимед не основал никакой школы и имел весьма мало непосредственных преемников. В глазах современников он был каким-то божеством, которому поклонялись, но по следам которого никто не решался идти. И тут можно согласиться со словами Плутарха:
«Во всей геометрии нельзя найти теорем более трудных и глубоких, чем те, которые Архимед решает самым простым и наглядным образом. Одни приписывают эту ясность его гениальному уму, другие – упорной работе, при которой самые трудные вещи делаются легкими. На взгляд, кажется, невозможно придумать объяснения ни для одной из теорем Архимеда, но, когда прочтешь данное им решение, кажется, будто найти его ничего не стоило, до того оно легко и просто».
Еще двое знаменитых механиков – Ктесибий и его ученик Герон жили в Александрии. Оба успешно занимались физическими исследованиями и интересовались наукой не только с теоретической, но и с практической стороны. Ктесибию приписывают изобретение духового ружья и нагнетательного насоса. Его водяные часы замечательны тем, что при описании их впервые упоминается о зубчатых колесах. Система колес приводилась в движение корабликом, плавающим на поднимающейся поверхности воды, и роняла камешки в металлический тазик, указывая число часов. Собственно водяные часы, конечно, не были изобретением Ктесибия. Витрувий, якобы со слов Герона, описывает еще и водяной орган Ктесибия, но так сбивчиво, что нет возможности уяснить себе его механизм.
Герон тоже занимался изготовлением водяных часов, но прославился главным образом пневматическими машинами, которые он подробно описывает в своем сочинении «Пневматика». К таким машинам принадлежит геронов фонтан, геронов шар, паровой волчок и эолипил, который он приводил в движение то паром, то нагретым воздухом. Из этого ясно, что Герон знал о расширении воздуха и искусно умел пользоваться его упругостью, однако нигде не заметно, чтобы он подвинул вперед механику газов. Важнее в теоретическом отношении его сочинение «О домкрате», действие которого он выводит из закона рычага. Его математические сочинения погибли, в том числе и «Начала механики».
Трактат Герона «Катоптрика», ранее принимавшийся за сочинение Птолемея, содержит ряд новых моментов по сравнению с одноименными работами Евклида и Архимеда. В нем Герон обосновывает прямолинейность световых лучей бесконечно большой скоростью их распространения. Он приводит доказательство закона отражения, основываясь на предположении, что путь, проходимый светом, должен быть наименьшим из всех возможных; это частный случай принципа, обычно связываемого с именем Ферма.
Вслед за законом отражения Герон рассматривает различные типы зеркал, особое внимание уделяя цилиндрическим зеркалам. В заключение в трактате приводятся примеры применения зеркал, в том числе для театральных представлений. В другом трактате – «О диоптре», Герон описывает универсальный визирный инструмент диоптру (как назвал его автор), сочетавший функции позднейших теодолита и секстанта. Наводка диоптры осуществлялась путем вращения вокруг двух осей, вертикальной и горизонтальной. Для более точной установки служил микрометрический винт, впервые описанный именно в этом сочинении. А это автоматически делает его более поздним произведением, так как изготовление столь тонкого устройства еще долго было невозможным.
