Папярэдняя старонка: Льоцци Марио. История физики

Аўтар: Льоцци Марио,
Дадана: 23-10-2014,
Крыніца: Льоцци Марио. История физики. Москва, 1970.

МЕХАНИКА

1. МЕХАНИКА У АРАБОВ

У арабов, создавших огромную империю, после первого периода презрительного недоверия к греческой культуре (им приписывают сожжение Александрийской библиотеки в 640 г.) примерно с 750 г. наступил период увлечения ею. На первом этапе ассимиляции, продолжавшемся немногим более столетия, труды греческих ученых были переведены на арабский с греческого и сирийского языков. В это же время в новых столицах - Дамаске и Багдаде - были основаны школы по образцу александрийской. После этого началось самостоятельное развитие арабской науки, интересы которой в первую очередь были направлены в область теологических проблем, а затем уже в область естественнонаучных.

Греческое происхождение науки естественным образом толкало арабских физиков к исследованию проблем механики и оптики - тех двух разделов физики, которые, как мы видели, с успехом были развиты в Греции. Но, как мы покажем позднее, по-настоящему серьезным прогресс арабской науки был лишь в оптике.

В общей механике арабы следовали Аристотелю и не внесли в нее сколько-нибудь значительных изменений. Не питаемое новыми идеями искусство арабских механиков, как и в Александрии, растрачивалось на создание игрушек, автоматов, часов с колесами и гирями. В X веке мусульманский мир внес некоторый вклад в гидростатику. Астроном Аль-Наиризи (в латинском написании - Анариций, ум. в 922 г.) написал трактат об атмосферных явлениях. Его современник Аль-Рази (ум. в 923 г.), живший в Багдаде, ввел в употребление гидростатические весы для определения удельного веса, что особенно интересовало арабских физиков п привело к введению «рейтера» в точных весах.

В частности, известный математик и астроном Аль-Бируни (973-1048) определил с замечательной точностью удельные веса 18 драгоценных камней и металлов. Кроме того, он объяснил действие артезианских колодцев, связав его с принципом сообщающихся сосудов; следует сказать, что на Западе артезианские колодцы еще не были известны, они появились там лишь в 1126 г. в Лилье (Артуа).

Аль-Хазини, деятельность которого развертывалась между 1115 и 1121 гг., написал замечательный трактат - «курс» средневековой физики, в который вошли таблицы удельных весов твердых и жидких тел, описания опытов по взвешиванию воздуха, наблюдения явления капиллярности, описание применения ареометра для измерения плотности жидкости. Однако влияние его на развитие западной физики весьма сомнительно.

2. УНИВЕРСИТЕТЫ

Еще до Аль-Хазини в арабском мире начался упадок физики, столь же быстрый, как и ее взлет. Но контакты с арабами и расцвет экономической деятельности к тому времени привели к интеллектуальному пробуждению в Испании, Лотарингии, Франции, Шотландии. В Италии были созданы первые учреждения, служащие для распространения и расширения знаний, - университеты. В 1100 г. университет в Болонье уже достиг славы. К этому времени приобрел известность и Парижский университет. По образцу университетов Парижа и Болоньи были созданы университеты в Падуе (1222 г.), Оксфорде (1229 г.), Кембридже, Неаполе, Риме и т. д.

Примерно между 1125 и 1280 гг. в Испании и Италии были переведены труды Аристотеля, Евклида и Птолемея, одностороннее изучение которых привело к развитию схоластики. В это время труды Архимеда и Герона почти наверняка еще не были известны, так что все изучение механики было основано на трудах Аристотеля и «Проблемах механики», которые также приписывались Аристотелю.

Пьер Дюэм (1861-1918) на основе изучения многочисленных рукописей, хранящихся в библиотеках Франции, в первую очередь в Национальной библиотеке в Париже, приписывает в своих объемистых и весьма глубоких работах этим первым университетам и школам заслугу не только в сохранении и освоении достижений классической физики, но и в создании фундамента современной физики, которая, по его мнению, диалектически развилась из аристотелевой физики. К сожалению, ценнейшие рукописи французских библиотек еще не опубликованы, так что полный их обзор невозможен. Тем не менее некоторые доводы Дюэма спорны и его антигалилеева позиция представляется не всегда достаточно обоснованной.

3. ПЕРВЫЕ ШКОЛЫ МЕХАНИКИ НА ЗАПАДЕ

Таким образом, не подвергая сомнению достоинства работ Дюэма, следует признать, что влияние этого периода на последующих физиков все еще спорно и, во всяком случае, его вклад в современную физику весьма незначителен.

Первый существенный успех связан с именем Р1ордана Неморария, о личности которого почти ничего не известно: мы не знаем ни его национальности, ни даже времени жизни (обычно его относят к периоду между XI и XIII веками). Дюэм разыскал в библиотеках Франции различные труды по статике, приписываемые Иордану, для которых характерно систематическое применение понятия gravitas secundum situm, т. е. изменения силы тяжести тела в зависимости от его положения. Иными словами, Иордан заметил, что сила, с которой тело давит на горизонтальную плоскость, на которую оно опирается, уменьшается, если эту плоскость наклонить, и чем больше она наклонена, тем эта сила меньше. Здесь впервые появляется понятие о составляющей силы тяжести тела в определенном направлении. Согласно Дюэму, этот принцип приводит Иордана к принципу виртуальных работ, который сформулирован в таком виде: если определенный груз может быть поднят на определенную высоту, то груз, в k раз больший, можно поднять на высоту, в k раз меньшую.

Другой Иордан, быть может ученик первого (Дюэм называет его почему-то «предшественником Леонардо»), ввел понятие статического момента, которое было еще у Архимеда (гл. 1, § 4), и рассмотрел его применение к равновесию коленчатого рычага и к наклонной плоскости. Заметим, что в изданной в 1565 г. брошюре Тартальи этому второму Иордану приписывается установление точного условия равновесия тела, опирающегося на наклонную плоскость. Интересно, что Тарталья привел это положение как свое собственное в 1546 г. в труде «Проблемы и различные изобретения».

В XIII веке начались особенно усиленно продолжавшиеся в течение всего последующего XIV века долгие и скучные схоластические споры о физике Аристотеля и о критических замечаниях Филонова (гл. 1, § 13). Главными действующими лицами здесь были Альберт Великий (1206-1280), Фома Аквинский (1226-1274), Уильям Оккам (1280-1347), Иоанн Буридан (1297-1358). Ценность их трудов прежде всего в том, что они широко распространили аристотелеву физику со всеми ее достоинствами и недостатками.

Из фактов, представляющих особый физический интерес, отметим, что Альберт Саксонский, преподававший в Сорбонне с 1350 по 1361 г., предпринял попытку классифицировать движения, различая движения поступательное и вращательное (для последнего дано точное определение угловой скорости), равномерное и переменное. В его время и с его участием было создано понятие движения uniformiter difiormis, или, как мы его теперь называем равномерно-переменного движения.

Наибольший вклад в изучение равномерно-переменного движения в период средневековья внес Никола Орезм (ок. 1328-1388). Применив впервые в истории науки графическое представление движения, соответствующее современному методу координат, он установил закон,используемый и сейчас и связывающий для равномерно-переменного движения пройденный движущимся телом путь со временем, затраченным на его прохождение.

Одновременно с Парижской школой развертывалась деятельность в-Оксфорде, где, по-видимому, Уильям Гейтсбери (начало XIV века) ввел понятие ускорения, а Уильям Коллингем сформулировал общий закон нечетных чисел, характеризующий равномерно-переменное движение.

Позднейшим последователем Оксфордской школы был Доменико Сото -(1494-1560), который в комментарии к Аристотелю без какого-либо обоснования принимает, что движение падающего тела является равномерно-переменным, и дает для пройденного падающим телом пути закон, совпадающий с современным.

ОПТИКА

4. АЛЬХАЗЕН

Наиболее ярким в арабской физике был, несомненно, период Ибн Аль-Хайтана, известного на Западе под именем Альхазена. Он жил и работал в Египте одновременно с Аль-Бируни; умер Альхазен в Каире в 1039 г. По всеобщему мнению, это был наиболее крупный физик средневековья. Кроме того, он был астрономом, математиком и комментатором Аристотеля и Галена.

Это последнее обстоятельство имеет для нас особое значение. Галену, жившему между 130 и 201 гг. н. э., принадлежит наряду с прочим заслуга рассмотрения глаза как одного из органов чувств нашего организма, описание его строения и выяснение функции зрительного нерва. В теории зрения Гален в основном придерживался идей Платона, но, с одной стороны, придавал большое значение внешнему флюиду, исходящему из Солнца, а с другой - уточнил, что «свет очей», вырабатываемый мозгом, идет по оптическому нерву к сетчатой оболочке, рассеивается в стекловидном теле глаза и вновь собирается на хрусталике, который, по Галену, есть орган восприятия. Короче говоря, с этого времени в механизме зрения начинает играть роль строение органа чувств - глаза.

Альхазен принял без изменения анатомическое описание глаза, данное Галеном, но отбросил как совершенно излишнюю вещь «свет очей». В своем первом фундаментальном постулате он утверждает:

«Естественный свет и цветовые лучи воздействуют на глаза».

Этот постулат он подкрепляет наблюдением, что глаза испытывают боль при попадании на них солнечного света, прямого или отраженного от зеркала, приводя также другие примеры ослепления. Под естественным светом (lux per se) Альхазен понимает белый солнечный свет, а под цветовыми лучами - свет, отраженный от цветных предметов.

Затем с помощью ряда хорошо поставленных опытов физико-физиологического характера он показывает несостоятельность представления о свете, исходящем из глаз и ощупывающем тела. В главе IV своего труда он «описывает анатомическое строение глаза, заимствовав его у Галена, и далее заявляет:

«Зрительный образ получается с помощью лучей, испускаемых видимыми телами и попадающих в глаз».

Здесь речь идет уже не о световых лучах Евклида, а, так сказать, об обращенных световых лучах, которые идут не от глаза к предмету, а от предмета к глазу. Но не это является главным открытием Альхазена. У Евклида, как и у всех греческих физиков, зрение рассматривалось как глобальное явление; считалось, что ощущение воспринимает разом, в едином процессе образ всего наблюдаемого тела, потому ли, что внешняя «оболочка» тела, отделившись, проникает в зрачок, или же потому, что «свет очей» ощупывает его одновременно со всех сторон. Альхазен же с гениальной интуицией разложил этот глобальный процесс на бесконечное множество элементарных процессов: он полагал, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует некоторая воспринимающая точка глаза. Но чтобы объяснить отсутствие избранных направлений наблюдения предмета, нужно предположить, что из каждой точки предмета выходит бесконечное число лучей и в зрачок тоже попадает бесконечное число лучей. Но как же тогда одной точке предмета может соответствовать лишь одна воспринимающая точка? Альхазен преодолел эту трудность, приняв что из всех лучей, проникающих в глаз, действенным является лишь луч, перпендикулярный всем глазным оболочкам, которые он считал концентрическими. Поэтому на переднюю поверхность хрусталика, который, по Альхазену, и есть орган чувства, действуют те лучи, которые, исходя из любой точки наблюдаемого предмета, проходят через геометрический центр глаза. Таким образом, Альхазен устанавливает точное соответствие между точками предмета и точками восприятия на внешней поверхности хрусталика и приходит к выводу:

«Зрительный образ получается с помощью пирамиды, вершина которой находится в глазу, а основание - на видимом теле».

Насколько это положение отличается от евклидова! Это тот же классический закон перспективы, но физика явления здесь изменена. Поэтому, несмотря на серьезные недостатки этого положения, оно представляет собой громадный шаг вперед.

Почему же Альхазен не продолжил световые лучи за центр глаза до сетчатой оболочки, сделав ее местом образования изображения? Ему нетрудно было дойти до постановки этой проблемы: он знал нервное строение сетчатки, а оптику, обладающему его проницательностью, должно было казаться странным наличие свойства ощущения у столь прозрачной среды, как хрусталик. Но поставив проблему, он тотчас же вынужден был отказаться от ее решения, испуганный ее следствиями. Действительно, если лучи пересекаются в центре глаза, то на сетчатке они образуют перевернутое изображение. Но видел ли кто-нибудь когда-нибудь мир перевернутым?

Альхазен знал по опыту, а не только на основе элементарных геометрических рассуждений, что на сетчатке изображения должны получаться перевернутыми. Действительно, несколькими страницами дальше после приведенного отрывка он описывает опыт с «камерой-обскурой», чтобы доказать, что лучи, исходящие от разных тел, могут пересекаться, не испытывая изменений. Он помещает различные свечи перед стенкой темной камеры с отверстием и, глядя на поверхность, наблюдает свет от всех этих свечей.

«...и если накрыть какую-либо свечу, то исчезает также соответствующий свет на рассматриваемой стене, а если снять колпак со свечи, то возвращается и свет. И в этом можно убедиться в любой момент. Значит, если бы лучи света перемешивались в воздухе, то они перемешивались бы и в плоскости отверстия, оставались бы перемешанными после отверстия, и различить их было бы невозможно. Но мы видим, что это не так, значит, лучи света не перемешиваются».

Достаточно первого чтения этого интереснейшего отрывка, чтобы убедиться, что Альхазен многократно и аккуратно ставил опыты с камерой-обскурой. Поэтому он обязательно должен был наблюдать перевертывание изображения, хотя в приведенной цитате он об этом не упоминает.

Лишь Леонардо да Винчи оказался столь проницательным и храбрым, что из этого опыта отважился сделать вывод о сущности механизма зрения. И действительно, Леонардо описывает весьма подробно камеру-обскуруг и, отметив перевертывание изображения, замечает: «То же происходит и внутри глаза».

Всего шесть слов - и великое открытие!

Но вернемся к Альхазену, который выдвинул свою теорию зренияг и, чувствуя ее недостаточность, многократно видоизменял ее, приспосабливая для объяснения результатов оптических экспериментов, которые мало-помалу накапливались. Следует заметить, что средневековая геометрическая оптика была значительно сложнее современной, потому что мы получаем изображения на экранах, тогда как в средние века рассматривали изображение в глазу, где имеют место явления физиологической оптики, а не только» геометрической.

Во второй книге Альхазена рассматриваются свойства зрения, а третья целиком посвящена оптическим иллюзиям, обманам зрения (deceptiones visus) или галлюцинациям (hallucinationes), как называли их переводчики. Несмотря на имеющиеся здесь интересные наблюдения в области физиологической оптики, эта книга Альхазена оказала дурную услугу физике, ибо вдохновила и усилила то направление мистического характера, которое оставалось сильным еще во времена Галилея и которое учило не доверять органам чувств, особенно зрительным восприятиям: «Так легко, - говорил еще Альхазен, - принять светлячок за фонарь!»

Книги IV, V и VI посвящены экспериментальному и геометрическому рассмотрению плоских, сферических, цилиндрических и конических зеркал. В предложении 39 книги V сформулирована знаменитая задача о сферическом зеркале, получившая название задачи Альхазена: приданном положении зеркала, светящейся точки и глаза найти точку зеркала, в которой происходит отражение.

Альхазен решает ее, используя пересечение гиперболы с окружностью сложным и запутанным путем, который трудно проследить даже сейчас. Этой задачей занимались математики на протяжении нескольких последующих веков. Только в 1676 г. Гюйгенс первым указал на простое геометрическое решение, а в 1776 г. Кестнер (1719-1800) дал впервые аналитическую постановку этой задачи, приводящую к уравнению четвертого порядка.

Леонардо да Винчи после многочисленных попыток, одни из которых кончались ошибочным убеждением в том, что ответ найден, а другие наводили на мысль о неразрешимости задачи, в конце концов пришел к «конструктивному» решению задачи, т. е. решению с помощью построенного им механического прибора, замечательного тем, что в нем впервые применена пятизвенная шарнирная система. Этот прибор, восстановленный лет тридцать назад, находится сейчас в Институте механики Неаполитанского университета.

Последняя, VII книга оптики Альхазена посвящена полностью преломлению света. Здесь следует отметить усовершенствование прибора Птолемея (см. гл. 1) для экспериментального исследования этого явления и достигаемое таким образом увеличение точности измерения, что тем не менее не позволило Альхазену найти точный закон преломления. Но особенно следует подчеркнуть, что Альхазен ввел новое понятие, которое привело Декарта к открытию правильного закона преломления (см. гл. 5). Альхазен начал ставить механические опыты по падению тел на площадки; он разлагал скорость брошенного тела на две составляющие - перпендикулярную и параллельную поверхности площадки - и затем применял результаты этих опытов к свету, заключая, что при переходе света из менее плотного тела в более плотное нормальная составляющая его скорости уменьшается.

Важно не то, что на самом деле это не так. Существенно введение нового понятия - разложение скорости света на составляющие, параллельную и перпендикулярную границе раздела двух тел.

5. ТРУДЫ АЛЬХАЗЕНА И ЗАПАДНАЯ НАУКА

Фундаментальный трактат Альхазена, отличающийся новизной, оригинальностью и стройностью построения, был переведен на латинский язык, по всей вероятности, в XII столетии, быть может Герардом Кремонским (ок. 1114-1187), и распространялся в рукописи до первого печатного издания, выпущенного в 1572 г. Риснером (ум. в 1580 г.). Риснер разбил этот трактат на отдельные книги и главы и отредактировал его. В средние века этот трактат был скорее знаменит, чем известен. Автора его называли по преимуществу Auctor perspecti-vae. Этому названию не следует удивляться. Как бы странно это ни выглядело с точки зрения современной классификации наук, в средние века оптика, учение о перспективе и метеорология представляли собой единую науку. Мы сказали, что этот трактат был скорее знаменит, чем известен, потому что теории зрения, т. е. наиболее оригинальной части трактата, в Средневековье не повезло. Вплоть до конца XVI века и позднее наиболее принятой теорией зрения оставалась туманная теория «образов», или «видимостей», которые отрываются от тел и проникают в глаз смотрящего. Сейчас трудно объяснить, почему теория Альхазена не имела успеха. Может быть, его экспериментальный подход слишком отличался от общепринятого философского подхода того времени и поэтому казался трудным. Может быть, авторитет античных философов оставался сильнее авторитета более позднего автора, к тому же еще иноверца. Может быть, глобальная концепция зрения, которая теперь вызывает улыбку, казалась настолько ясной интуитивно, что это скомпенсировало ее серьезные теоретические недостатки.

По сравнению с трактатом Альхазена был более распространен в средние века трактат по оптике Вителлия, о личности которого мы знаем очень мало. Неизвестно даже его точное имя (Вителлий, Вителион, Вител?). По-видимому, он был выходцем из Польши, долго жил в Италии, учился примерно с 1262 по 1268 г. в Падуе, а затем в Витербо. Между 1270 и 1278 гг. он написал трактат по оптике, в котором, беззастенчиво заимствуя у Евклида, Птолемея и прежде всего у Альхазена, изложил по существу содержание и методы физики арабов.

По сравнению с трактатом Альхазена здесь можно отметить два новых факта: доказательство того, что параболические зеркала имеют единственный фокус (слово focus в современном смысле слова введено Кеплером в 1604 г.), положение, которое было сформулировано, согласно фрагменту рукописи, найденному в 1881 г., еще греческим автором, возможно, Анфимием из Траллеса (ок. 550 г. н. э.), и тщательное исследование радуги.

Мы уже видели (гл. 1), что столь величественное и грандиозное явление, как радуга, привлекало внимание еще первых греческих наблюдателей, но только Декарту удалось дать полное его объяснение. Вителий заметил, что радугу нельзя объяснить простым отражением света на водяных каплях, что нужно при этом учесть также преломление солнечных лучей в этих каплях.

6. РОДЖЕР БЭКОН

В тот же период, чтобы показать, что nulla scientia potest sciri sine mathematica (никакую науку нельзя познать без математики), Роджер Бэкон посвятил тщательному рассмотрению явления радуги целых десять глав шестой части своего «Opus majus» («Больший труд»), Бэкон точно чертит ход световых лучей и находит, что высота радуги равна 42°. Но современный читатель был бы очень поражен, прочтя на этих страницах, что цвета радуги представляют собой субъективное явление, вызванное влажностью нашего глаза.

Роджер Бэкон, знаменитый францисканский монах, родился примерно в 1214 г., по-видимому, в Ильчестере, в графстве Сомерсет, но есть также мнение, что он был французом. Умер он в 1292 г. О его жизни и творчестве сложилась легенда, которой, быть может, способствовала ненависть схоластов к Бэкону, вызванная его отношением к Альберту Великому и Фоме Аквинскому. Легенда приписывает ему самые разнообразные изобретения: порох, линзы, подзорную трубу, компас, паровую машину, самолет, если говорить о наиболее известных изобретениях.

Его считают прародителем экспериментального метода. И действительно, шестая часть «Opus majus» озаглавлена «Об опытной науке» и посвящена значению эксперимента. Но у Бэкона это слово имеет гораздо более широкое значение, чем принято теперь. Он говорит:

«Опыт может быть двояким: один посредством внешних ощущений... но этот опыт недостаточен для человека, потому что он не полностью говорит о вещах телесных и ничего не говорит о духовных. Значит, необходимо, чтобы ум человеческий использовал другой опыт, и вот почему святые отцы и пророки, которые первыми принесли миру знания, испытывали внутреннее озарение, а не придерживались одних лишь ощущений».

При чтении его трудов по физике создается впечатление о Бэконе как о человеке большого интеллекта, громадной трудоспособности, имеющем подчас независимые суждения, но остающемся все же связанным со своим временем, со свойственными этому времени предрассудками и ограничениями.

Пятая часть «Opus majus» наряду со своего рода введением «Opus minus» («Меньший труд») и приложением «Opus tertium» («Третий труд») представляет наибольший интерес для физики. Она полностью посвящена оптике,

«украшению всей философии, через которую, а не без ее участия могут быть познаны все другие науки».

Рассмотрение основано целиком на трудах Альхазена с небольшими добавлениями и несколькими приложениями. Примечательно, что Бэкон не только считает скорость света конечной, но полагает также, что свет - это не испускание частиц, а распространение движения. Конечно, было бы преувеличением сказать, что эта смутная догадка представляет собой первое выражение волновой теории света. Интересен отрывок из четвертой части «Opus majus», где, напомнив о том, что с помощью сферических зеркал, обращенных к солнцу, можно добиться воспламенения предметов, Бэкон замечает:

«Но зажигание происходит не от всех лучей, падающих на зеркала, а только от тех, которые падают на границу единственного круга с центром на оси зеркала... а лучи, падающие на другую окружность, отражаются в другую точку, а падающие на третью окружность - в третью точку, и так для всего бесконечного числа окружностей, которые можно себе представить вокруг оси зеркала».

Таким образом, Роджер Бэкон положил начало изучению катакаустики - явления, которое усложнило и замедлило прогресс оптики и была предметом воодушевленных исследований математиков XVIII века.

7. ЛИНЗЫ И ОЧКИ

Большой исторический интерес представляет также следующий отрывок:

«Если человек будет рассматривать буквы или другие мелкие предметы с помощью кристалла или стекла или другого прозрачного тела, расположенного над буквами, и если это тело будет шаровым сегментом, выпуклость которого обращена к глазу, находящемуся в воздухе, то буквы видны лучше и кажутся больше... И потому это приспособление полезно людям старым и со слабым зрением потому что они могут видеть даже маленькую букву достаточно большой».

И Бэкон добавляет, что это приспособление хуже, если кристалл ограничен не меньшим шаровым сегментом, а большим.

Это одно из первых, если не первое историческое свидетельство рассмотрения линз в науке. Известно, что Бэкон использовал их во многих опытах и даже поднес одну папе Клименту IV, прося его попробовать применить ее. Но если бы даже и не было других указаний, достаточно приведенного выше отрывка, чтобы убедиться, что Бэкон говорит здесь о вещах, уже-хорошо известных в его время.

Кто же является изобретателем увеличительных стекол?

Несмотря на многочисленные исследования в течение многих веков, более чем оправданные той ролью, которую сыграли эти «выпуклые стеклянные кружочки» для прогресса физики, до сих пор нельзя назвать ни времени, ни места самого открытия. Удалось лишь установить, что проблема распадается на две: применение линз для увеличения и их использование для коррекции дальнозоркости.

Если оставить в стороне отрывочные данные, которые восходят еще к античным временам, то увеличительные стекла стали объектом научного рассмотрения уже в эпоху раннего средневековья. Еще Альхазен исследовал увеличение, создаваемое стеклянной сферой, рассматривая его как оптическую иллюзию. Позже появились очки, которые не могли быть результатом теоретического рассмотрения, ибо нельзя себе представить, чтобы при средневековой теории зрения можно было даже прийти к мысли о возможности исправления дефектов зрения. Открытие это было, конечно, случайным, и вполне вероятно допустить, что его автором является кто-то изготовлявший стекла. Например, стекольщик из Мурано, изготовлявший стеклянные диски, которые должны были в свинцовой оправе украшать витражи господского дома, мог случайно заметить любопытные свойства этих своеобразных линз.

То, что это открытие было сделано ремесленниками, проявляется и в народном происхождении слова «lente» (линза) от слова «lentiechia» (чечевица), которое ученые XVI века решили несколько облагородить, латинизировав его. Как мы видели, Бэкон избегает специального названия и говорит о «приспособлении». Даже в XVI веке Иероним Кардан, всегда туманно изъясняющийся и порой непонятный латинист, называет линзы «orbem e vitro» - выражение, которое его французский переводчик то ли не понял, то ли не смог правильно выразить по-французски и прямо перевел «rotondite faite du verre».

В течение трех веков после Бэкона в трудах ученых нельзя было отыскать упоминания об «очках для старых», как назывались двояковыпуклые стекла, или «очках для молодых» - двояковогнутых стеклах для коррекции близорукости, которые появились, очевидно, позже двояковыпуклых и тоже, видимо, случайно были изобретены мастерами-стекольщиками или самое большее явились результатом элементарного рассуждения: если выпуклые стекла помогают зрению стариков, то вогнутые должны, наоборот, помогать зрению молодых. К середине XIV века очки уже получили довольно широкое распространение - на фреске 1352 г. изображен монах в очках.

МАГНЕТИЗМ

8. КОМПАС

Магнетизм - единственный раздел физики чисто средневекового происхождения. Классическая античность знала о магнитах минимум возможного: кусок магнетита и кусок железа притягиваются друг к другу. Однажды заметив такой минерал, нельзя было, даже нарочно, пройти мимо этого явления, и греки дали волю пылкой фантазии в построении связанных с магнетизмом теорий и легенд, получивших большое распространение в античном мире и встречающихся также в средневековой литературе. Мы можем с полным основанием на них не останавливаться.

И вот вдруг в тумане средневековья, в XI веке появляется магнитный прибор исключительной важности - морской компас.

Откуда он взялся?

Вопрос этот до сих пор не решен. В течение всего XIX века почти единодушно все считали, что китайцы знали о магнитной поляризации начиная с 27 века до н. э. Но теперь многие историки утверждают, что первый подлинный китайский документ, в котором упоминаются свойства ориентации магнитной иглы, датируется 1100 г. н. э., причем там ее применение приписывается иноземным морякам. Это согласуется с западным преданием, приписывающим арабам заслугу открытия свойства ориентации магнитной иглы.

Первое упоминание об использовании магнитной иглы в мореплавании мы находим в труде англичанина Александра Неккама, написанном в 1180 г., причем он говорит об этом как о вещи уже известной. Этот примитивный морской прибор был введен на Средиземном море, по-видимому, моряками приморских республик Италии, которые вели интенсивную торговлю с Востоком. Об этом говорит тот факт, что итальянское слово calamita (которое происходит, по-видимому, от слова calamus - стрела) вошло во все романские языки и в языки славянских народов, живущих на побережье Средиземного моря.

Этот простой прибор описан впервые арабским ученым Байлеком Аль-Кабаяки (ум. в 1288 г.), который в 1242 г. по пути из Триполи (Сирия) в Александрию видел, как им пользуется капитан корабля. В сосуд, полный воды, он опускал пробку с воткнутой в него железной иглой и приближал к поверхности воды магнит, сообщая ему рукой вращательное движение. Плавающая стрелка следовала за магнитом. Когда магнит внезапно убирался, стрелка (намагниченная предыдущими операциями) располагалась в направлении север - юг.

Эта грубая техника была усовершенствована в XIII и XIV веках. Прежде всего плавающая игла, намагничивавшаяся каждый раз заново с помощью индукции, была заменена постоянно намагниченной стрелкой, которая легко перемещалась в горизонтальной плоскости. Следующим улучшением, которое произвело переворот в искусстве кораблевождения, была замена розы ветров, неподвижно прикрепленной к описанному прибору, подвижной розой ветров.

Оба усовершенствования были произведены, по-видимому, в Италии, поэтому прибор этот получил название bossola della calamita, позже сокращенное в bossolo, bussola (от лат. buxia - деревянная коробка). Это слово перешло из итальянского языка в романские и в морской жаргон арабов и турок.

Что касается времени введения этих усовершенствований, то с уверенностью можно лишь сказать, что в 1380 г. компас с подвижной розой (картушкой) получил всеобщее распространение и считался уже давно известным, Франческо да Бути в своем известном комментарии к «Божественной комедии» дает впервые его описание, поясняя стихи Данте:

Раздался голос, взор мой понуждая
Оборотиться, как иглу звезда.

Из того, что мы здесь весьма кратко изложили, следует, что никакого Флавио Джойя, изобретателя компаса с подвижной картушкой, никогда не существовало, хотя ему и воздвигнут памятник в Амальфи. Можно только утверждать, что компас с подвижной картушкой скорее всего был создан в Италии в XIII веке и, возможно, именно в Амальфи.

Так называемый «карданов» подвес, состоящий из двух опор, позволяющих стрелке находиться в почти горизонтальном положении независимо от килевой и бортовой качки судна и известный еще античности (см. гл. 1), никакого отношения к Кардану не имеет и вошел в практику судовождения лишь в первой половине XVI века (Христофор Колумб им не пользовался), хотя на трех рисунках Леонардо да Винчи мы видим его применение в компасе.

9. ПЬЕТРО ПЕРЕГРИНО

Столь же неожиданным, как и создание компаса, было появление первого трактата по магнетизму; судя по дошедшим до нас документам, ему не предшествовали ни отдельные наблюдения, ни опыты, ни какие-либо попытки разобраться в этих явлениях. И хотя автор этого трактата Пьетро Перегрино из Марикура показал себя человеком незаурядного ума и искусным экспериментатором, трудно все же допустить, что трактат его - целиком оригинальный труд.

О Перегрино, получившем это прозвище, по-видимому, благодаря его любви к частым путешествиям, известно очень мало. Он пикардиец, современник Роджера Бэкона, который считал его весьма сведущим, особенно в физике. Перегрино принимал участие в осаде Лючеры (Фоджа) вместе с войсками Карла Анжуйского и во время этой осады написал трактат «De magnete» («О магнитах») в форме письма, датированного 8 августа 1269 г и адресованного пикардийскому дворянину, некоему Сигеру (или Сигерию). Это почти все, что известно о Перегрино.

Целью этого трактата, ходившего затем в рукописи и напечатанного в 1558 г., было описание вечно движущейся машины. Это не должно вызывать усмешки: прошли века, прежде чем после долгих усилий наука смогла установить постулат о невозможности вечного движения (Сади Карно, 1824 г.). В средние века задача о вечном двигателе с научной точки зрения была вполне законна. Усилия, затраченные в этом направлении в течение столетий учеными, а также шарлатанами, которых и теперь достаточно, фактически не были совсем бесполезны, ибо именно их несостоятельность обусловила те настроения, которые в труде Карно вылились в научный принцип. По существу содержание принципа невозможности вечного двигателя - чисто историческое: в нем констатируется, что этот двигатель никогда не удавалось построить. Это тем более верно, что первоначальную категоричность этого утверждения пришлось смягчить в нашем веке в связи с изучением броуновского движения (см. гл. 13).

Но вернемся к трактату Перегрино. Он состоит из трех частей. Собственно научное рассмотрение начинается с главы III первой части, в которой указываются четыре характерные отличительные черты хороших магнитов: цвет, вес, способность притяжения и сплошная структура, без пузырей. Все эти характеристики (за исключением удельного веса) и сейчас являются признаками, по которым отличают хорошие магниты.

В следующей главе приводятся три экспериментальных метода определения полярности магнита. И здесь нужно подчеркнуть одну интересную особенность, которая оказалась чрезвычайно важной для последующего изучения магнетизма: Перегрино пользуется магнитами сферической формы, а не в виде бруска. Поэтому опытное определение полярности оказывается значительно более трудным, но Перегрино блестяще справляется с этим. Определив направление поляризации, Перегрино показывает, как найти северный и южный полюс, как установить отталкивание одноименных полюсов и притяжение разноименных и как намагнитить железо соприкосновением. Наконец, в главе IX он описывает явление магнитной индукции и опыт со сломанным магнитом в том же виде, как его и сейчас повторяют на уроках физики.

От этого систематического описания опытов Перегрино переходит в главе X, как это сделал бы и современный автор, к теоретическому рассмотрению, задаваясь вопросом о причине магнитного действия. Отвергая теорию того времени, которая приписывала ориентацию стрелки наличию больших залежей магнетита вблизи северного полюса Земли, Перегрино утверждает, что небо влияет на магнит так, что каждая точка неба индуцирует на магнитной сфере аналогичную точку, которая in se gerit similitudinem coeli (рождает в себе подобие неба). Эта теория указывает, по нашему мнению, на астрологическое происхождение изучения магнетизма.

Во второй части трактата речь идет о технических приложениях свойств магнитов. Описаны примитивный магнитный графометр, с помощью которого можно определять азимут Солнца или звезды, находящихся на горизонте, и компас с вращающейся осью, о котором мы уже говорили.

ТЕХНИКА

10. ВЛИЯНИЕ ПРОГРЕССА ТЕХНИКИ НА ФИЗИКУ

В научном отношении в подготовке того широкого и глубокого обновления культуры, которое известно под названием Возрождения (Ренессанса) и которому мы посвящаем последующие главы, сыграли, конечно, роль и возродившийся интерее к античному миру благодаря переводам классиков, и критическая деятельность различных школ, и усилия университетов по распространению культуры, и литературный ренессанс.

Но в средние века возник еще один фактор, способствовавший обновлению, особенно в области физики, - постепенное распространение и усовершенствование техники, которая, с одной стороны, изменяла социальные условия и образ мышления людей, с другой - ставила новые проблемы перед наукой.

Поэтому история физики оказывается непосредственно связанной с процессом, начавшимся в конце первого тысячелетия нашей эры, продолжавшимся до XVI века и получившим название второй промышленной революции. В связи с этим мы сейчас остановимся на нем кратко.

В Италии техническое возрождение началось в результате коллективного стремления к защите и самосохранению в борьбе против вторжений венгров и сарацинов. Укрепленные поселения разрослись, приняв в себя поток сельского населения, которое искало за оборонительными стенами убежища и свободы. Возросла стоимость земель, прилегавших к ним. Это первый признак капиталистической организации общества. Внутри стен таких первоначальных селений, превратившихся в города, народились средневековые ремесленники, искусные и деятельные, для которых жизнь (Тлилась с трудом, а труд приобрел благородную окраску, неизвестную еще античности.

Уже в X веке стали подковывать тягловый скот, что позволило использовать в сельском хозяйстве лошадей и решило вопрос обработки каменистых почв; в результате земледелие оживилось. В XI веке древний шейный хомут в сбруе лошадей и быков заменили плечевым хомутом, который позволил в четыре раза увеличить силу тяги упряжки. Только в этом столетии началось совместное использование нескольких тягловых животных, обеспечившее такое увеличение энергии, какой до тех пор человечество не знало. Это позволило, в свою очередь, ввести новый тип плуга - колесного, более тяжелого, чем прежний, с более удобными лемехами, глубже проникающими в почву и лучше ее взрыхляющими.

Увеличению возможности получения энергии в деревне соответствовали и новые источники энергии для нужд ремесел и промышленности. В XI веке водяная мельница, которая была известна еще александрийцам в I веке до н. э., широко распространяется на Западе в различных формах в зависимости от местных условий (работающие на силе приливов - в Венеции, наливные - в речных районах). В тот же период получает распространение и ветряная мельница, появившаяся у арабов и пришедшая в Европу через Марокко и Испанию. Водяные и ветряные мельницы, которые уже в первоначальном виде в XI и XII веках обладали мощностью в 40-60 лошадиных сил, до конца XVIII века определяли характер технических сооружений.

Этот новый источник энергии в первых десятилетиях XIII века дал мощный толчок развитию металлургии. В старинных печах воздух нагнетался мехами, которые приводились в движение силой человека, так что нельзя было достичь высокой температуры плавления железа (выше 1500° С). В XIII веке мехи стали приводить в движение водой; это позволило получить высокие температуры, при которых можно было выплавлять чугун, помещая в печах чередующимися слоями древесный уголь и железную руду. В XVI веке высота доменных печей достигала уже 6 метров и чугун нашел самое разнообразное применение (пушки, снаряды, печи, трубы, чугунная посуда, плиты).

Этот натиск новой жизни отразился на всех формах труда: в оживлении стекольного мастерства, начавшегося в X веке изобретением цветных стекол, непрерывно совершенствовавшегося и завершившегося шедеврами Мурано в XV веке; в развитии ткачества - с появлением новых сукновальных и ткацких машин; в изобретении печатного станка (первое сохранившееся до нашего времени, издание датировано 1445 г.); в новой архитектуре, вынужденной отказаться от монолитных римских конструкций в пользу более легких - романских, готических, что поставило новые проблемы перед статикой; в применении огнестрельного оружия, что поставило новые задачи перед динамикой; в грандиозных гидравлических работах, предпринятых в Голландии для осушения территорий, заливаемых водами моря, с применением насосов различных типов; в судоходстве - с непрерывным ростом водоизмещения кораблей, усложнением парусной оснастки, появлением морских лоций (XIII век) и компаса, изобретением вертикального штурвала с рукояткой (XII век), что позволило отказаться от прибрежного плавания и выходить в открытое море.

В то время как схоластическая наука ограничивалась пассивным созерцанием мира, мореплаватели, архитекторы, строители, стекольщики, ткачи, литейщики, горняки, ремесленники всех специальностей овладевали богатствами природы и улучшали жизнь людей. На протяжении всего средневековья рядом с наукой, замкнутой в своей книжной культуре, происходило параллельное развитие техники, что отражалось в ином мировоззрении и было способно создать новое понимание культуры. Когда в эпоху Возрождения оба течения соприкоснулись, переплелись и в конце концов слились воедино, возникла новая наука со своим новым идеалом человека, который уже не был ни чуждающимся труда ученым, ни невежественным эмпириком, ни человеком sine artificio sciens aut ignarus artifex, как говорил Порта в первом издании своей «Натуральной магии», но человеком, который делает, чтобы знать, и знает, чтобы делать.

Благотворное влияние прививки техники на старом стволе науки полностью сознавали выдающиеся деятели новой науки. Крупнейший из них, Галилео Галилей, начинает свою знаменитую работу, которую он долго и тщательно обдумывал, вкладывая в уста Сальвиати следующие слова о деятельности венецианского арсенала:

«Обширное поле для размышления, думается мне, дает пытливым умам постоянная деятельность вашего знаменитого арсенала, синьоры венецианцы, особенно в области, касающейся механики; потому что всякого рода инструменты и машины постоянно применяются здесь большим числом мастеров, из которых многие благодаря ли наблюдениям предшественников или размышлениям при изготовлении собственных изделий приобрели большой опыт и остроту рассуждения».

На что Сагредо отвечает:

«Вы нисколько не ошибаетесь, и я, будучи по натуре любознательным, часто ради удовольствия посещаю это место, наблюдая за деятельностью тех, которых по причине их превосходства над остальными мастерами мы называем «старшими». Беседы с ними не раз помогали мне разобраться в причине явлений не только изумительных, но первоначально скрытых и казавшихся почти немыслимыми».

 

Top