Древнегреческий отец лазерного оружия

Архимед был одним из первопроходцев в области математики, механики, астрономии, физики. Его называют основоположником математической физики, открывшим многие из основных законов физики и математики, и до сих пор пользуются архимедовскими методами нахождения площадей, поверхностей и объемов различных фигур и тел.

Ученый ввел понятие центра тяжести, открыл законы рычага и разработал основы гидростатики. К тому же он был крупнейшим инженером, конструктором машин и изобретателем механических аппаратов своего времени. Все его разработки применяются до сих пор. И только существование «зажигательных зеркал», уничтоживших флот римлян, по-прежнему вызывает сомнения.

Почти всем своим теоретическим исследованиям Архимед находил практическое применение. Сконструированные на основе действия рычага машины (или по-гречески «механе») помогали человеку «перехитрить» природу. Интересен и тот факт, что многие открытия гениального сиракузца получили современную формулировку и доказательство только в XIX веке.

Кто не знает легенду об открытии закона, утверждающего, что на тело, погруженное в жидкость, действует сила, равная весу вытесненной им жидкости? Она гласит, что прозрение снизошло на Архимеда в бане, когда он вдруг обратил внимание, что при поднятии ноги из ванной уровень воды в ней становится ниже. Осененный идеей, ученый, голым выскочил из бани и с криком «Эврика!» понесся по людной улице. Так или иначе, но это открытие стало первым законом гидростатики. Аналогичный закон - определение удельного веса металлов - Архимед вывел при решении задачи, поставленной перед ним правителем Гиероном: определить, сколько золота содержится в его короне и есть ли в нем посторонняя примесь.

Гениальный ученый не был замкнутым человеком. Он стремился сделать свои достижения общеизвестными и полезными обществу. И благодаря его любви к эффектным демонстрациям люди считали его работу нужной, правители предоставляли ему средства для опытов, а сам он всегда имел заинтересованных в деле и толковых помощников. Тем своим согражданам, которые с недоверием относились к его изобретениям, Архимед предоставлял решительные доказательства противного. Так, в один из дней он, хитроумно приладив рычаг, винт и лебедку, к удивлению зевак, «силой одного человека» спустил на воду тяжелую галеру, севшую на мель, со всем ее экипажем и грузом.

Цицерон, великий оратор древности, говорил об Архимеде: «Этот сицилиец обладал гением, которого, казалось бы, человеческая природа не может достигнуть». Великий ученый, страстно увлеченный механикой, создал и проверил теорию пяти механизмов, известных в его время и именуемых «простыми». Это - рычаг, клин, блок, бесконечный винт (теперь используемый в мясорубке) и лебедка. На основе бесконечного винта Архимед изобрел машину для поливки полей, так называемую «улитку», машину для откачки воды из трюмов и шахт и, наконец, пришел к изобретению болта, сконструировав его из винта и гайки.

Многие древние историки, ученые и писатели рассказывают еще об одном удивительном «открытии» 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: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Ни в одном из рассказов это «открытие» не названо, но в настоящее время в нем усматривают не обыкновенный рычаг, а механизм, близкий к лебедке, состоявший из барабана для наматывания каната, нескольких зубчатых передач и червячной пары. Новым здесь был сам принцип построения многоступенчатой передачи.

Архимед был одержим наукой и изобретательством. Сконструированные им аппараты и машины воспринимались современниками как чудеса техники. Создавалось впечатление, что он не спал и не ел, а уделял все время лишь творческому поиску. Даже Плутарх, превозносивший его мудрость и дух, заметил, «что он жил как бы околдованный какою-то домашнею сиреною, постоянной его спутницей, заставляющей его забывать пищу, питье, всякие заботы о своем теле. Иногда, приведенный в баню, он чертил пальцем на золе очага геометрические фигуры или проводил линии на умащенном маслом своем теле. Таков был Архимед, который благодаря своим глубоким познаниям в механике смог, насколько это от него зависело, сохранить от поражения и себя самого и свой город».

Именно при защите родных Сиракуз во время 2-й Пунической войны приумножилась слава Архи-меда-инженера, которая и до того была ошеломляющей и оставила след в сознании всего эллинистического мира, перешагнув границы стран и столетий. Архимеду тогда было уже за семьдесят, но именно ему город доверил свою оборону. Это был величайший триумф, который когда-либо выпадал на долю ученых. Здесь проявился его талант не только изобретателя, но и незаурядного строителя.

Во «Всемирной истории», написанной примерно через пятьдесят лет после осады, Полибий рассказывал, что нападающие «не приняли в расчет искусство Архимеда, не учли, что иногда один даровитый человек способен сделать больше, чем множество рук... Архимед заготовил внутри города... такие средства обороны, что защитникам не было необходимости утруждать себя непредусмотренными работами на случай неожиданных способов нападения; у них заранее было все готово к отражению врага...» Он впервые создал в крепостных стенах амбразуры и бойницы, предназначенные для так называемого «нижнего и среднего боя». Добавим к этому изобретенные им десятки военных машин - всевозможных катапульт, машин для метания дротиков и копий, которые позволили горожанам отражать атаки превосходящего по силе противника в течение почти трех лет.

Подойти к городу с моря тоже оказалось невозможно.

 Как писал Плутарх: «...вдруг с высоты стен бревна опускались, вследствие своего веса и приданной скорости, на суда и топили их. То железные когти и клювы захватывали суда, поднимали их в воздух носом вверх, кормою вниз и потом погружали в воду. А то суда приводились во вращение и, кружась, попадали на подводные камни и утесы у подножия стен. Большая часть находящихся на судах погибала под ударом. Всякую минуту видели какое-нибудь судно поднятым в воздухе над морем. Страшное зрелище!..»

В описаниях военных машин постоянно фигурируют железные «лапы»; «клювы» и «когти», в которых ученые усматривают предшественников самозатягивающихся клещей, современных манипуляторов и подъемных кранов. Причем машины были передвижными, имели стрелу, поворачивавшуюся вокруг вертикальной оси, и каждой управлял единственный машинист. Ни до, ни после Архимеда никто таких уникальных военных машин не использовал.

Но самой большой загадкой из всех изобретений Архимеда остаются «зажигательные зеркала». Великий сиракузец помимо всего прочего занимался оптикой и астрономией. Имеются сведения о том, что Архимедом было написано не дошедшее до нас большое сочинение по оптике под названием «Катоптрика», часто цитируемое древними авторами. Однако от самого труда, да и то в позднем пересказе, уцелела лишь единственная теорема, в которой доказывается, что при отражении света от зеркала угол падения луна равен углу отражения. Но даже на основе этих цитат можно сделать вывод о том, что Архимед хорошо знал зажигательное действие различных зеркал.

Следовательно, теоретически древнегреческий ученый мог использовать в борьбе с римским флотом вогнутые зеркала, поджигая корабли сфокусированными солнечными лучами. Но в то же время в трех сохранившихся описаниях штурма - Полибия (II в. до н. э.), Тита Ливия (I в. до н. э.) и Плутарха (1 в. н. з.) - нет упоминаний не только о сожжении кораблей зеркалами, но и вообще о применении огня. И этому некоторые теоретики находят объяснения. Оказывается, Полибий мог умолчать об этом факте, так как был очень недоверчивым человеком, а его авторитет и популярность были настолько значительными, что последующие историки не рискнули подтвердить или опровергнуть существование зеркал. Таким образом, это не может считаться достаточно веской причиной для полного отрицания реальной основы легенды.

Но если зеркал Архимеда не существовало в природе, почему в литературе II века н. э. вновь обнаруживаются следы этой красивой легенды? О них упоминают греческий сатирик Лукиан и римский ученый-медик Гален. Четыре века спустя вопрос о зажигательных зеркалах разбирает византийский ученый Анфимий из Тралл в сочинении «О чудесных механизмах», где стремится дать реконструкцию зеркал, исходя из радиуса действия, равного дальности полета стрелы. И он приходит к выводу, что решение кроется в применении системы плоских зеркал:

«При помощи многих плоских зеркал можно отразить в одну точку такое количество солнечного света, что его объединенное действие вызовет загорание.  Этот опыт можно сделать с помощью большого числа людей, каждый из которых будет держать зеркало в нужном, положении. Но чтобы избежать суматохи и путаницы, удобнее применить раму, в которой необходимо закрепить 24 отдельных зеркала с помощью пластин или, еще лучше, на шарнирах. Подставляя этот механизм солнечным лучам, надо правильно установить центральное зеркало, а потом и остальные, быстро и ловко наклоняя их... так, чтобы солнечные лучи, отраженные этими различными зеркалами, направлялись в ту же точку...».

В заключение Анфимий, в подтверждение правильности своей реконструкции, добавляет: «Следует заметить, что все прочие авторы, которые говорили о зеркалах божественного Архимеда, упоминали не об одном зеркале, но о многих». Фактически речь идет об аппарате, в современной солнечной энергетике, называемом гелиоконцентратором.

Вторит Анфимию византиец Евстахий Солунский. В «Комментариях к Илиаде» он пишет: «Архимед при помощи правил катоптрики сжег римский флот на расстоянии полета стрелы».

Более подробный рассказ содержится в «Истории», составленной византийским хронистом Цеци, который, как на источник, ссылается на Диодора Сицилийского. Цеци указывает, что Архимед действовал «шестиугольным зеркалом, составленным из небольших четырехугольных зеркал, которые можно было двигать при помощи шарниров и металлических планок. Он установил это зеркало так, чтобы оно пересекалось в середине солнечными линиями, и поэтому принятые этим зеркалом солнечные лучи, отражаясь, создавали жар, который обращал суда римлян в пепел, хотя они находились на расстоянии полета стрелы».

И еще один византийский историк XII века Зонара в «Анналах» записал: «Этот геометр, собрав солнечные лучи на зеркале, с помощью этих лучей, собранных и отраженных затем толщиной и гладкостью зеркала, воспламенил воздух и разжег большое пламя, которое он затем направил на корабли, входившие в сферу его действия. Корабли были все обращены в пепел». Больше никто из древних не свидетельствовал в пользу существования «солнечного лазера» Архимеда.

Античные источники долгое время считалась истиной, однако в XVII веке в результате развития оптики Иоганн Кеплер и Рене Декарт, работавшие в этой области, высказали теоретически обоснованные сомнения в возможности создания таких фантастических зеркал. Знаменитый французский философ и математик Рене Декарт в своей «Диоптрике» убедительно показал, что свести солнечные лучи в точку, так же как и создать параллельный пучок жгущих лучей, невозможно, и рассказы о них стали для науки легендой.

Но, как оказалось, ненадолго. В 1674 году, спустя сорок лет после убедительных доказательств Декарта, немецкий математик и филолог А. Кирхеру в своей книге «Великое искусство света и тени» также утверждает, что на многочисленных опытах убедился, что при совмещении отражения солнца от пяти плоских зеркал можно получить значительный нагрев, хотя ^недостаточный для зажигания дерева. Но зато это получилось в 1747 году у французского натуралиста и изобретателя Жоржа Луи Бюффона.

В своем шестом мемуаре «Изобретение зеркал для воспламенения предметов на больших расстояниях» он сообщил о всех своих опытах. Правда, «построить» расчетное зеркало в диаметре 71 м (!) ему не удалось, но он не отступил и продолжал экспериментировать. Отбросив сомнения, Бюффон соорудил составное зеркало с площадью в 13 раз меньше расчетной, которое подожгло дерево на расстоянии 50 м. Вот как он описывает один из опытов: «10 апреля после полудня при достаточно ярком Солнце воспламенили еловую просмоленную доску на расстоянии 150 футов всего лишь при помощи 128 зеркал; воспламенение произошло совершенно внезапно, причем на всей площади освещенного пятна. 11 апреля, поскольку фокус находился на расстоянии в 20 футов от зеркала, понадобилось только 12 зеркал, чтобы воспламенить мелкие горючие предметы.

При помощи 21 зеркала зажгли буковую доску, с помощью 15 зеркал удалось расплавить большой сосуд олова, весом около 6 фунтов, 117 зеркалами были расплавлены тонкие листы серебра». А еще натуралист заметил, что «металлы, и особенно серебро, дымят, прежде чем расплавиться. Дым бывал настолько сильным, что над землей образовывалась дымовая завеса». После успешных опытов Бюффона, которые он провел публично в Саду короля на горизонтальной площадке, мнение о реальности зажигательных зеркал возродилось и все вновь согласились, что в эпоху Архимеда они могли существовать и быть грозным орудием боя. Следовательно, гениальный сиракузец сумел создать мощный гелиоконцентратор.

Работал над этой проблемой и М. В. Ломоносов. Тема его диссертации, составленной в 1741 году, называлась «Рассуждение о катоптрико-диоптрическом зажигательном инструменте». «Инструмент» состоял из ряда зеркал, которые направляли солнечные лучи на линзы, сводившие их в одну точку. Но, как и положено в таких случаях, появилось еще одно «но». Во времена Архимеда не существовало зеркал такого качества, с которыми проводились показательные опыты.

Античные зеркала, найденные при раскопках, настолько несовершенны, что трудно поверить в их способность передавать какое бы то ни было точное отражение. Но было бы обидно, если бы такая красивая легенда была опровергнута. И поэтому итальянские ученые попытались доказать, что «боевые зеркала» Архимеда существовали, но были предназначены не для поджога, а для наведения на цель.

Так что, возможно, гениальный Архимед изобрел не «солнечный лазер», а первое «лучевое оружие». И теперь ученым предстоит решать, доказывать или опровергать уже две загадки гениального сиракузца.

"Интересная газета. Тайны истории" №7 2014 г.