«Таким же образом, говорят и Архимед поджег триремы врага зажигательными зеркалами»
Гален. «О темпераменте» (II в. н. э.)
«Предание о применении Архимедом зажигательных стекол для поджога римских кораблей во время осады Сиракуз является, несомненно, легендой более позднего происхождения»
Марио Льоцци. «История физики», 1970 г.
Гений Архимеда поражал современников. Прошли века, но мы, видавшие виды дети двадцатого столетия, продолжаем изумляться силе мысли этого удивительного человека, жившего в третьем веке до нашей эры. Сохранились далеко не все его произведения, но те, что дошли до нас, глубоко оригинальны. Он был новатором в геометрии, арифметике, механике, гидравлике, астрономии, оптике, был изобретателем, конструктором и военным инженером.
С именем Архимеда связана история о поджоге римских кораблей зеркалами. В древности ее считали достоверной, в XVII веке опровергли, в XVIII веке вернули ей права гражданства, в XIX веке опять подвергли сомнению и, наконец, совсем недавно, год назад, еще раз подтвердили такое могло быть!
Попробуем собрать все, что известно об этой истории и спокойно, без предвзятости ответить на вопрос «Было или не было?»
Архимед был уже стар, когда Сиракузы, втянутые во Вторую Пуническую войну, подверглись нападению римлян. Вот начало описания штурма из XXIV книги «Истории» римского писателя Тита Ливия (I век до н. э.), содержащее, кстати, интересную характеристику Архимеда.
«После этого началась осада Сиракуз, и с суши - от Гексапил, и с моря - от Ахрадины, стены которой омываются морем. При этом римляне, взявшие Аеонтины с первого же натиска под действием только ужаса, были вполне уверены, что в, каком-нибудь месте они прорвутся в обширный, разбросанный по большому пространству город и придвинули к стенам всю наличность осадных машин.
И начатое с такой силой предприятие увенчалось бы успехом, если бы в это время не было одного человека. Этим человеком был Архимед, единственный в своем роде наблюдатель неба и звезд, но еще более удивительный изобретатель и конструктор военных машин, и сооружений.»
Основой для описания Ливия служил рассказ греческого историка Полибия, написанный всего через 50 - 60 лет после событий. Этот рассказ содержится в VIII книге его «Всеобщей истории», дошедшей до нас в отрывках. Полибий подробно описывает битву и применявшуюся в ней технику.
Сухопутное войско под командованием Аппия Клавдия наступало на город по леонтинской дороге со стороны ворот, называвшихся Гексапилами, «морская пехота». Марка Марцелла атаковала Ахрадину - район города, вытянутый вдоль моря. Римляне двинули на Сиракузы множество кораблей, в том числе несколько десятков тяжелых. Восемь соединенных попарно крупных судов были превращены в «самбуки» - оснащены подъемными штурмовыми трапами, которые должны были опускаться на стену. Атаку поддерживали стрелки и метательные машины, размещенные на палубах.
Но штурм не привел к успеху. Обе армии были отброшены защитниками города, вооруженными техникой, созданной Архимедом. Полибий рассказывает о превосходных и метких метательных орудиях, о грандиозных подъемных машинах, которые «железными лапами» захватывали и опрокидывали вражеские суда, о желобах, выдвигавшихся из-за стены и сбрасывавших на корабли камни весом в четверть тонны.
Вторая попытка взять город штурмом была предпринята ночью, но, и она оказалась безрезультатной. После этого римляне уже не решались идти на приступ и перешли к осаде.
Сиракузы пали в 212 г. до н. э. после многомесячной осады в результате предательства, а эпидемия чумы погубила пришедшее на помощь городу карфагенское войско. Во время разграбления Сиракуз Архимед был убит римским солдатом на 75-м году жизни.
ИСТОЧНИКИ ЛЕГЕНДЫ
Сохранилось три описания штурма Сиракуз во «Всеобщей истории». Полибия (II в. до н. э.), в «Истории». Тита Ливия (I в. до н. э.), и в биографии Марцелла, написанной в I в. н. э. греческим писателем Плутархом. Ни в одном из этих трех рассказов нет упоминания не только о сожжении кораблей зеркалами, но, и вообще о применении огня. Это обстоятельство служит основным доводом в пользу позднего происхождения легенды.
Первые ее следы обнаруживаются в литературе II в. н. э. - два упоминания, сделанные вскользь, ради украшения текста. Греческий сатирик Лукиан в шутливой речи по поводу открытия бани говорит о важности союза теории и практики, и ставит в пример архитекторам Архимеда, который «при помощи своего искусства сжег неприятельские корабли»
Другое упоминание мы встречаем у знаменитого римского медика Галена. В сочинении «О темпераменте», описывая пожар, Гален рассказывает, что стена загорелась от жара пламени и добавляет «Таким же образом, говорят и Архимед поджег триремы врага зажигательными зеркалами»
Еще через четыреста лет византийский математик и архитектор Анфимий из Тралл в работе «О чудесных механизмах», отрывки из которой сохранились, специально разбирает вопрос о зеркалах Архимеда. Он стремится воссоздать архимедовы зеркала, считая, что их радиус действия равен дальности полета стрелы. Анфимий пишет «Требуемое расстояние казалось большим и представлялось невозможным получить воспламенение, но поскольку никто не мог оспаривать славу Архимеда; который сжег корабли римлян с помощью отражения солнечных лучей (в этом все сходились единодушно), то резонно было полагать, что проблему можно решить.»
Анализируя задачу, Анфимий 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, - пишет Анфимий и продолжает - Этот опыт можно сделать с помощью большого числа людей, каждый из которых будет держать зеркало в нужном положении. Но, чтобы избежать суматохи и путаницы, удобней применить раму, в которой следует 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 от этих различных зеркал, отражались в ту же точку. Таким образом, если повторять это много раз и ставить другие зеркала, составленные по тому же принципу, что и первое, то. все отражения сойдутся и произойдет загорание. Это удастся тем лучше, чем больше будет зеркал»
В заключение Анфимий для доказательства достоверности своей реконструкции пишет:
«Следует заметить, что все прочие авторы, которые говорили о зеркалах божественного Архимеда, упоминали не об одном зеркале, но о многих»
Эта фраза показывает, что в эпоху Анфимия еще существовало несколько впоследствии утерянных источников, сообщавших об архимедовых зеркалах. Три последних сообщения о них, также византийские, относятся уже к XII веку. Первое, незначительное, принадлежит Евстахию Солунскому, который в «Комментариях к Илиаде» пишет «Архимед при помощи правил «Катоптрики» сжег римский флот на расстоянии полета стрелы»
Более подробный рассказ содержится в «Истории», составленной Цецем, который, как на источник, ссылается на не дошедшую до нас часть истории греческого автора I в. до н. э. Диодора Сицилийского. Цец пишет «Когда римские корабли находились на расстоянии полета стрелы, Архимед стал действовать шестиугольным зеркалом, составленным из небольших четырехугольных зеркал, которые можно было двигать при помощи шарниров и металлических планок. Он установил это зеркало так, что. принятые этим зеркалом солнечные лучи, отражаясь, создавали жар, который обращал суда римлян в пепел, хотя они находились на расстоянии полета стрелы.»
Совпадение ряда деталей устройства зеркала в описании Цеца и в реконструкции Анфимия показывает, что Цец, по-видимому, использовал ее в своем сообщении. Это снижает ценность рассказа Цеца, как источника.
Наконец, последнее, несколько загадочное сообщение сохранилось в «Анналах» византийского историка Зонары. Вот его рассказ «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»
Этим, собственно и исчерпываются исторические свидетельства об архимедовых зеркалах.
НЕДОСТОВЕРНОСТЬ ИЛИ НЕВОЗМОЖНОСТЬ?
Вопрос о зеркалах Архимеда, естественно, распадается на два. Первый - научно-технический возможно ли в принципе с помощью средств, которыми располагал Архимед, достигнуть такого эффекта? И второй, исторический, имеющий смысл только в случае, если первый решается положительно насколько вероятно применение жгущих зеркал Архимедом?
Первый вопрос издавна занимал ученых,' начиная с Анфимия, который, как мы видели, считал воспламенение дерева на расстоянии полета стрелы вполне возможным.
Реконструкцию Анфимия описал в своей «Оптике» польский математик XIII века Виттелий. Много позже немецкий математик и филолог Афанасий Кирхер предпринял попытку реализовать идею Анфимия. В изданной в 1671 году книге «Великое искусство света и тени» он рассказывает, что совмещал отражения солнца от пяти плоских зеркал и получил значительный нагрев, хотя и недостаточный для воспламенения дерева. Правда, сам Кирхер считал, что Архимед должен был воспользоваться для концентрации солнечных лучей трубчатым зеркалом в виде усеченного параболоида вращения или системой из двух таких зеркал, которые, по его мнению, способны создать пучок параллельных лучей, зажигающих на любом расстоянии. Именно такой прибор изображен на гравюре, помещенной в его книге.
Однако лет за сорок до выхода книги Кирхера два великих ученых, которые заложили основы геометрической оптики, Иоганн Кеплер и Рене Декарт, высказались отрицательно по поводу возможности существования архимедовых зеркал.
В своей «Диоптрике». Декарт убедительно показал, что поскольку солнце не есть световая точка, а имеет видимый угловой поперечник, равный 32х, то, и размер отражения, отброшенного зеркалом любой формы, не может быть меньше хорды дуги 32', и чем дальше «зайчик» будет от зеркала, тем он будет крупнее, тем меньше (при той же площади зеркала) будет его освещенность. «Зажигательное зеркало, диаметр которого меньше, чем сотая часть расстояния между ним и местом, где сосредоточиваются солнечные лучи. даже если бы оно было отшлифовано ангелом, не может. нагреть то место больше, чем лучи, излучаемые непосредственно солнцем», - пишет Декарт.
Простой расчет показывал, что Декарт прав, что зеркало, нужное для зажигания на расстоянии порядка полусотни метров, должно быть величиной с дом и практически неосуществимо.
ОПЫТЫ БЮФФОНА
И вот ровно через ПО лет после выхода «Диоптрики». Декарта, в 1747 году, французский натуралист Жорж Луи Бюффон публикует свой «шестой мемуар» - «Изобретение зеркал для воспламенения предметов на больших расстояниях»
«Декарт, который родился, чтобы судить Архимеда и даже превзойти его, - пишет Бюффон, - высказался против этого случая тоном метра он отрицал возможность подобного изобретения и его мнение одержало верх над свидетельствами и верой всей античной эпохи.
Чтобы «обжаловать» приговор Декарта, нужно было располагать более сильным средством, чем просто различные доводы, поэтому противникам Декарта оставалось лишь одно воспроизвести зеркала Архимеда. Я задумал эту идею уже давно и охотно признаю,-что очень трудно было представить ее осуществленной, поскольку в процессе исполнения я сделал гораздо больше, чем ожидал»
Для определения нужных размеров зеркала Бюффон провел серию опытов над большим вогнутым зеркалом Академии наук, имевшим диаметр около метра. Диафрагмируя зеркало с помощью бумажных кругов, он установил, что для воспламенения в фокусе зеркала дерева достаточно иметь открытый участок диаметром всего 13 см. Задавшись дальностью действия в 80 м, Бюффон вычислил, что зеркало, которое было бы способно создать на этом расстоянии такую же освещенность, должно было бы иметь около 10 и в поперечнике. Однако, исходя из ряда дополнительных соображений, учитывающих условия нагрева, ученый, откинув сомнения, сооружает составное зеркало с площадью в 13 раз меньше расчетной. Надежды Бюффона оправдались его зеркало воспламеняло дерево на расстоянии в 50 м.
Зеркало Бюффона, построенное механиком Пассманом, состояло из 168 плоских стеклянных зеркал размером 16,2 X 21,5 см, и имело полезную площадь 5,85 м2. Зеркала закреплялись так, что можно было сводить все отражения в заданной точке.
Вот несколько отрывков из мемуаров Бюффона, в которых он описывает испытания зеркала:
«Первый опыт я провел 23 марта 1747 г. при помощи всего лишь 40 зеркал я воспламенил буковую просмоленную доску на расстоянии 66 футов (22 м), т. е. я использовал только четвертую часть всего составного зеркала. Но здесь следует сказать, что зеркало еще не было установлено, поэтому его положение было очень неудобном, оно образовывало с Солнцем угол наклона около 20°»
«3 апреля в четыре часа дня зеркало было поднято и установлено на свою опору; при помощи 112 зеркал было произведено воспламенение доски, покрытой рубленой шерстью, на расстоянии 138 футов (45 м), хотя солнце было очень слабым.
Нужно быть осторожным, приближаясь к месту, где находятся воспламеняемые предметы и не смотреть на зеркало; если глаза окажутся в фокусе, человек будет ослеплен»
«10 апреля после полудня при достаточно ярком солнце воспламенили еловую просмоленную доску на расстоянии 150 футов (49 м) при помощи всего лишь 128 зеркал воспламенение произошло совершенно внезапно, причем на всей площади очага.
Для установки зеркала и совмещения всех отражений в одной точке нужно около получаса, но, когда зеркало уже собрано, установлено и настроено, то им можно пользоваться в любой момент, стоит лишь отодвинуть занавеску.
Описанные мною опыты были произведены публично в Саду короля на горизонтальной площадке» (Садом короля назывался Парижский ботанический сад, директором которого был Бюффон).
Бюффон, человек эпохи огнестрельного оружия, предполагал использовать свое изобретение в качестве «солнечной печи», не помышляя о его военном применении. Но проделанные ученым опыты не оставляют сомнения, что в эпоху Архимеда, когда основным оружием пехоты были мечи, луки и дротики, зеркало, подобное бюффоновскому, оказалось бы достаточно грозным оружием.
Бюффон успешно реализовал второй вариант реконструкции Анфимия - рамку с подвижными зеркалами, а совсем недавно было проверено и первое предложение византийского механика сделана попытка сконцентрировать лучи «с помощью большого числа людей», вооруженных зеркалами.
В конце 1973 года греческий инженер Иоанис Саккас на берегу моря недалеко от Афин поставил 60 солдат с зеркалами размером 91 X 50 см. Мишенью служила лодка, груженная смолой и находившаяся в 50, и от берега. Когда помощникам Саккаса удалось навести «зайчики» большинства зеркал на лодку, она задымилась и вскоре вспыхнула.
Значит, в принципе и этот способ мог быть применен Архимедом.
Мнение о реальности зеркал Архимеда возродилось и продержалось до середины XIX века. Однако скоро интерес к легенде упал. Если раньше сомнению подвергалась сама возможность такого события, то теперь возражения строились на отсутствии достоверных исторических свидетельств.
СТЕПЕНЬ ЛЕГЕНДАРНОСТИ
Убедившись, что с технической точки зрения применение зеркал вполне возможно, попытаемся, опираясь на источники, оценить степень достоверности этого события.
Во-первых, требуется объяснить, почему ничего не упоминают о зеркалах писатели, сохранившие для нас рассказы об осаде Сиракуз, - Полибий, Ливий и Плутарх.
Молчание Полибия, писавшего всего через 50 лет после падения Сиракуз, кажется очень веским доводом «против». Полибий, сам в прошлом полководец, в своей истории уделяет очень большое внимание военному искусству - тактике, организации и боевой технике, которую, как правило, подробно описывает. На первый взгляд представляется совершенно невероятным, чтобы он прошел мимо сообщений о применении зажигательных зеркал, если бы такие сообщения были ему известны.
Но есть вполне вероятная причина, по которой Полибий мог и не упомянуть о зеркалах в своем сочинении возможно, трезвый и практичный историк уже в то время посчитал рассказы об этом нелепой легендой. Полибий чрезвычайно ревниво относился к достоверности излагаемых фактов. «Все рассказы, выходящие за пределы не только возможного, но, и вероятного, принадлежат к разряду детских побасенок», - пишет он.
Такая критическая настроенность Полибия могла восстановить его против источника, упоминавшего о зеркалах. Тем более, что сообщение могло исходить от людей, видевших применение зеркал, но не понимавших, как они действуют и содержать фантастические детали вроде «воспламененного воздуха». Представляется, например, весьма сомнительным, чтобы Полибий принял всерьез сообщение, подобное рассказу Зонары.
Тит Ливий-в описании осады Сиракуз в основном следует Полибию. Несомненно, Полибий, как серьезный и знающий историк, должен был пользоваться доверием последующих авторов и Ливий вполне мог не упомянуть о зеркалах, считаясь с его авторитетом. Кроме того, Ливий был по преимуществу литератором и военная техника его не интересовала.
Молчание Плутарха точно так же может объясняться недоверием к сообщениям об архимедовых зеркалах, которое благодаря Полибию могло укорениться среди серьезных писателей.
Возможно и другое в тексте Плутарха, относящемся к первому штурму Сиракуз, как раз в месте, где описывается отражение морской атаки римлян, имеется пропуск. Не исключено, что утраченная часть текста содержала упоминание о зеркалах.
До нашего времени дошли жалкие крохи великой античной литературы, в том числе исторической. Мы знаем, что об осаде Сиракуз писали Диодор Сицилийский и Дион Кассий, но рассказы их не сохранились. Анфимий ссылается на сообщения неведомых нам «прочих авторов», на основании которых он попытался воссоздать архимедовы зеркала. Удивительной кажется правильность найденного им решения, которое через двенадцать столетий было реализовано Бюффоном, а через четырнадцать - нашим современником Сакасом. Идея замены криволинейного зеркала рядом плоских далеко не тривиальна. По сути дела, Анфимий изобрел гелиоконцентратор - устройство, которое широко применяет современная солнечная энергетика. Но, может быть, он только восстановил изобретение Архимеда по неизвестным нам описаниям?
За свидетельством Анфимия следуют два сообщения, отделенные от события четырнадцатью веками, - Цеца и Зонары.
Рассказ Цеца, как уже говорилось, вероятно, навеян сочинением Анфимия. Гораздо интереснее сообщение Зонары, анализ которого приводит к неожиданным выводам. В сообщении Зонары нас сразу же поражает нелепость в описании действия зеркала. Согласно Зонаре, Архимед с его помощью сперва «воспламенил воздух», а потом уже получившееся пламя «направил на корабли». Самое поразительное, что зрелище, напоминающее «горение воздуха», можно наблюдать на гелиоустановках, если в фокус крупного зеркала попадает дым. Освещенный собранными лучами солнца, он выглядит, как парящий в воздухе клубок огня.
Во время штурма над местом схватки могли оказаться и дым, и пыль от разрушаемых крепостных стен. Тогда действие зеркала Архимеда выглядело бы именно так, как описывает Зонара и именно так могло быть воспринято очевидцем.
Таким образом, «нелепая подробность» рассказа Зонары - горящий воздух - дает возможность предполагать, что его сообщение пришло из неизвестных нам достоверных источников.
И, наконец, несколько дополнительных обстоятельств.
Прежде всего легенда приписывает создание жгущих зеркал Архимеду, человеку, действительно способному их создать. Для этого у него было время, были и средства, щедро отпускавшиеся на укрепление Сиракуз.
Известно, что Архимед занимался оптикой и написал о ней не дошедшее до нас сочинение - «Катоптрику». Перечисление затронутых там вопросов сохранилось в «Апологии». Апулея «почему в плоских зеркалах предметы сохраняют свою натуральную величину, в выпуклых - уменьшаются, в вогнутых - увеличиваются, почему левые части предмета 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.»
В «Катоптрике». Архимед рассматривал и теорию зажигательных зеркал. А стремление осуществлять и применять на деле результаты своих теоретических работ было в характере Архимеда.
В пользу реальности зеркал свидетельствуют и обстоятельства битвы.
Римляне шли на город с моря и с суши. Вообще говоря, зеркала можно было применить и против осадной техники пехоты, причем, возможно, с не меньшим успехом. Однако в легенде говорится только о сожжении кораблей. Оказывается, положение солнца по отношению к сражающимся исключало применение зеркал против пехоты. Пешее войско наступало со стороны Гексапил - ворот, расположенных в центре северо-западной стены города. В первой половине дня, когда происходила битва, солнце находилось за спиной защитников Гексапил - обстоятельство, делавшее невозможным использование зеркал. Флот Марцелла, напротив, атаковал Ахрадину, район, обращенный на восток, здесь солнце светило со стороны моря и условия для применения зеркал были наилучшими.
Интересно и следующее было всего два штурма Сиракуз - дневной и после его неудачи - ночной. Может быть, план ночного нападения был продиктован отчасти желанием римлян парализовать действие зеркал?
Мы видим, что имеется достаточно оснований признать легенду о зеркалах Архимеда отражением действительных событий. Возможно, мы должны в дополнение к другим заслугам великого ученого древности считать его еще и отцом гелиотехники.
