Эврика! Радость открытия. Архимед

Не так давно, в 2006 году, тепловой луч стал «героем» научно-популярной телепрограммы «Разрушители мифов», в серии под названием «Архимедов луч смерти». В съемках потребовалась помощь группы студентов Массачусетского технологического института, которым в 2005 году удалось поджечь аналогичным образом лодку, хотя и при определенных особых условиях. «Охотники за мифами» Джейми Хайнеман и Адам Сэвидж повторили эксперимент в Сан-Франциско с уменьшенной моделью триремы. Заключение было следующим: подобное событие могло случиться только утром (сиракузское побережье смотрит на восток), при идеальных погодных условиях и если корабль стоит неподвижно очень долгое время. В результате поджог флота, описываемый в легенде, был признан маловероятным событием.

источниках: мы не находим упоминания о нем ни у Плутарха, ни у Тита Ливия, ни у Полибия. Если бы зажигательные зеркала упоминались в жизнеописании Марцелла или в другом историческом труде, то сомнений было бы меньше, но их отсутствие в исторических источниках заставляет относиться к этой легенде более скептически. Полибий родился через 12 лет после осады Сиракуз и явно слышал о ней свидетельства очевидцев, которые не колеблясь вставлял в свои книги. Однако никаких более-менее близких по времени к упомянутым событиям рассказов о зеркалах не сохранилось. Практически первый, кто рассказал о них,— Гален Пергамский, греческий врач II века, который в своем труде о темпераментах писал: «Архимед сжег вражеские корабли пирейей». Однако и это свидетельство ненадежно, потому что «пирейя» может обозначать как зеркала, так и любые другие зажигательные средства, например горящие стрелы. И только в VI веке можно найти текст, где явно говорится о данном эпизоде, а именно — в книге Анфимия из Тралл (ок. 474—?) «Необыкновенные машины». Анфимий вошел в историю как архитектор (вместе с Исидором Милетским) Софийского собора в Константинополе. В упомянутом труде он рассуждает о возможности зажигать определенные вещества с помощью отраженного света. Хотя он и допускает, что Архимеду удалось поджечь римские корабли, но приходит к выводу, что для этого ему пришлось бы воспользоваться огромными параболическими зеркалами.

Остальные упоминания о тепловом луче еще более поздние и касаются, в частности, такой фигуры, как Прокл, инженер византийского императора Анастасия I. Греческий историк Иоанн Зонара (XII век) рассказывает, что Проклу удалось таким образом поджечь флот Виталиана в Константинополе. Мы здесь не приводим различные источники того времени и более поздних эпох, где упоминается данная тема: в любом случае они вторичны.

Еще одно основание признать зажигательные зеркала легендой, как уже было сказано, — это соображения научные и технические. Многие ученые долгое время пытались доказать, что речь идет о мифе, но были и другие, склонные доверять рассказу о зеркалах. Французский философ и математик Декарт (1596-1650) в своей книге «Диоптрика» начисто отрицал возможность данного опыта. Он утверждал, что используемое для подобных целей зеркало должно иметь огромные размеры, а точность его изготовления должна быть невероятной.

У геометра, решающего задачу, воображения не меньше, чем у поэта, хотя они и обращаются с предметом своего творчества по-разному: первый его расчленяет и анализирует, второй собирает и украшает. [...] Из всех великих людей древности, возможно, только Архимед заслуживает права быть поставленным в один ряд с Гомером.

Жан Батист ле Рон д’Аламбер (1717—1783), физик, математик, философ и астроном

Напротив, люди такого масштаба, как Галилео Галилей, Бонавентура Кавальери и Роджер Бэкон, высказывали доверие историческим сведениям. Вполне вероятно, что они находились под обаянием личности Архимеда, не учитывали технической и научной реальности. Классический пример — Жорж Луи Леклерк (1707-1788) граф де Бюффон, построивший систему зеркал, с помощью которых ему удалось поджечь кусок дерева, сконцентрировав на нем солнечные лучи. Речь идет о системе из 168 зеркал размером 16 х 25 см. Каждое из них необходимо было разворачивать отдельно, чтобы наводить лучи на мишень.

Однако устройство приходило в рабочее состояние далеко не сразу: требовалось потратить не менее получаса, плюс время на то, чтобы дерево загорелось.

Может быть, Архимед смог убедить Марцелла держать свои корабли как можно дольше в неподвижности? А еще он, наверное, был способен успокоить гладь моря, пока лучи наводятся на одну точку? Именно в этом и заключалась проблема, потому что зажечь дерево с помощью определенного типа отражателя возможно, но для этого нужны время и точность наводки. Каким гениальным ученым ни был Архимед, он не мог гарантировать ни одного из данных параметров. 

Несмотря на серьезные доводы в пользу того, что тепловой луч Архимеда всего лишь легенда, научная идея, лежащая в основе этой легенды, сегодня успешно применяется на практике. Солнечная энергия может быть использована множеством способов, среди которых в данном случае нам наиболее интересен термический, то есть прямое применение тепла солнечных лучей. Это тепло может пойти на приготовление пищи, подогрев воды или для превращения его в механическую и в конечном счете электрическую энергию. Сущность трех приведенных выше применений одна и та же: концентрация солнечных лучей с помощью параболических отражательных систем (рисунки 1-3).

РИС. 1

Если поместить емкость с приготовляемой пищей в фокус параболического зеркала, то с помощью солнечного тепла можно будет готовить. В сущности, идея этой системы та же, что и у зажигательных зеркал Архимеда.

РИС. 2

В башенной технологии гелиостаты (подвижные зеркала), расположенные вокруг башни, концентрируют солнечные лучи на верхней ее части. Там они нагревают жидкость, которая, расширяясь, с помощью вращения турбины производит электричество.

В параболическо-цилиндрической технологии зеркала располагаются на поверхности параболического цилиндра; солнечный свет концентрируется на трубах, проходящих вдоль оси цилиндра. По этим трубам течет жидкость: испаряясь, она вращает турбины, которые превращают кинетическую энергию в электрическую.

Различные источники цитируют «Катоптрику» — работу, написанную Архимедом и не дошедшую до наших дней. Хотя он глубоко изучил многие свойства параболы, однако нет никаких письменных свидетельств, которые подтверждали бы, что Архимед знал о свойствах параболических зеркал. Более того, ученые, верившие в дальнейшем легенде о зажигательных зеркалах, на самом деле никогда не говорили о параболическом зеркале, а только о группе зеркал, ориентированных так, чтобы отбрасывать солнечные лучи в одну точку. Надо отметить, что система подобных зеркал эквивалентна параболическому зеркалу, особенно если они ориентированы в соответствии с поверхностью параболоида (см. рисунок на стр. 132).

Один из наиболее надежных источников об утерянном трактате Архимеда — это высказывание греческого математика Теона Александрийского (335-405). В своих комментариях к «Альмагесту» Клавдия Птолемея он говорит:

«И падающие из него [глаза] на воздух лучи подвергаются преломлению и делают угол зрения больше, как и доказывает Архимед в «Катоптрике», говоря, что помещенные в воду предметы кажутся большими и тем больше, чем ниже они уходят».[¹ Перевод И. Н. Веселовского.]