Текст книги "Эврика! Радость открытия. Архимед"

Автор книги: Эугенио Агиляр

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 8 страниц)

«Он совершил множество замечательных открытий, но просил друзей и родственников поставить на его могиле лишь цилиндр с шаром внутри и надписать расчет соотношения их объемов».

До нашего времени надгробие Архимеда не дошло, хотя в I веке до н. э. его еще можно было увидеть; об этом рассказывает римский писатель Цицерон (106-43 до н. э.) в «Тускуланских беседах»

«Когда я был квестором, я отыскал в Сиракузах его могилу, со всех сторон заросшую терновником, словно изгородью, потому что сиракузяне совсем забыли о ней, будто ее и нет. Я знал несколько стихов, сочиненных для его надгробного памятника, где упоминается, что на вершине его поставлены шар и цилиндр. И вот, осматривая местность близ Акрагантских ворот, где очень много гробниц и могил, я приметил маленькую колонну, чуть-чуть возвышавшуюся из зарослей, на которой были очертания шара и цилиндра... Посланные рабы расчистили место. Когда доступ к нему открылся, мы подошли к основанию памятника. Там была и надпись, но концы ее строчек стерлись от времени почти наполовину...»

Возможно, мы никогда не узнаем, как проводил свои дни Архимед, была ли какая-то реальная основа у многочисленных исторических анекдотов о нем и каких мнений он придерживался о своих смертоносных изобретениях. Однако то, что историческая память о реальных событиях имеет свойство стираться, не всегда плохо. Когда история превращается в «истории», не стоит считать это исключительно ее недостатком – подчас такое явление предоставляет нам и новые возможности. Все помнят еще со времен начальной школы о том, что Архимед как безумный бегал по улицам Сиракуз с криками «Эврика! Эврика!», радуясь открытию того, что сейчас известно как «закон Архимеда». Совершенно невероятно, чтобы данный анекдот, рассказанный в I в. до н. э. римским архитектором Витрувием в его книге «Обархитектуре», был правдой. И все– таки он помогает нам запомнить что-то большее, чем просто забавную сценку; благодаря ему мы лучше представляем себе личность Архимеда и его вклад в науку. Многие помнят и то, что это открытие помогло решить вопрос о золотой короне тирана Гиерона II, к чему мы еще вернемся.

Среди всех работ, имеющих отношение к математике, вероятно, первое место должно принадлежать Архимеду с его открытиями, которые поражают дух и из-за своего изящества кажутся просто чудом.

Эванджелиста Торричелли

Научное наследие Архимеда

Тексты Архимеда дошли до нас преимущественно не на том языке, на котором они были написаны (дорийский диалект древнегреческого языка). Их перевели на классический греческий язык, на его византийский вариант и на арабский. Кроме того, большинство работ сиракузского гения, судя по всему, не сохранились, и уж тем более невозможно говорить о собственноручных записях Архимеда. По большей части его труды были посвящены математике, но он занимался и математической физикой (статикой и гидростатикой), а также использовал математику для решения прикладных задач.

Первые комментарии к работам Архимеда принадлежат Герону (10-70), Паппу (290-350) и Теону (335-405) – все они были александрийскими математиками. И тем не менее первое собрание сочинений Архимеда было выпущено только в VI веке. Заслуга его издания принадлежит греческому математику Евтокию, известному своими важными комментариями к работам «О шаре и цилиндре», «Об измерении круга» и «О равновесии плоских фигур». В том же веке византийский архитектор Исидор Милетский выпустил в свет первое издание этих трех книг с комментариями Евтокия, к которым со временем добавлялись и другие работы по мере их обнаружения вплоть до IX века. С той поры сложилось два пути, по которым неизвестные труды Архимеда попадали на Запад: через Византию и из арабского мира.

Если говорить об арабском наследии, то известностью пользовались переводы трудов Архимеда с греческого, сделанные Сабитом ибн Куррой (836-901).

ТРУДЫ АРХИМЕДА

В греческом варианте сохранились следующие работы.

1.О равновесии плоских фигур (2 книги).

2.О квадратуре параболы.

3. Метод механических теорем (известен как «Метод»).

4.О шаре и цилиндре (2 книги).

5.О спиралях.

6.О коноидах и сфероидах.

7. О плавающих телах (2 книги).

8. Об измерении круга.

9. Исчисление песчинок (Псаммит).

10. Задача о быках.

11. Стомахион (Loculus Archimedius).

Кроме того, до нас дошли в арабском переводе и сделанных с него латинских переводах некоторые работы, пересказанные или цитированные другими авторами, а также такие, чье авторство ставится под сомнение.

12.О правильных многогранниках. Пересказано и цитировано Пап пом.

13.О восьмиугольнике. Сохранилось в арабском переводе.

14.О помещаемом в жидкость (De iis quae in humido vehuntur). Арабский перевод утерян, но сохранился латинский перевод с него Вильгельма из Мербеке (1286).

15. Книга лемм (Liber assumptorum). Сохранилась в арабском переводе.

16.О треугольниках. Сохранилась в арабском переводе.

17.О параллельных прямых. Сохранилась в арабском переводе.

18.О свойствах прямоугольных треугольников. Сохранилась в арабском переводе. Возможно, она вместе с двумя предыдущими работами представляла собой единую книгу.

19.О клепсидрах. Сохранилась в арабском переводе.

20.О параболическом зажигательном зеркале (De speculo comburente concavitatis parabola). Цитируется у разных авторов. Утеряна.

21. Об основах геометрии.

22.О касающихся кругах.

23.О датах.

24. Книга о равновесии фигур при применении рычагов. Цитируется Героном. Утеряна.

25. Книга опор. Цитируется Героном. Утеряна.

26. О рычагах. Цитируется Героном. Утеряна.

27.О весах. Цитируется Героном. Утеряна.

28.О построении шаров. Цитируется Паппом. Утеряна.

29. Элементы механики.

На средневековом же Западе Архимед был неизвестен, пока фламандский переводчик Вильгельм из Мербеке (1215-1286) не опубликовал латинский перевод в 1269 году. Это и несколько последовавших за ним изданий привели к тому, что самые важные работы Архимеда в эпоху Возрождения на Западе уже были доступны. С другой стороны, трагическая смерть немецкого астронома Йоганна Мюллера (Региомонтана) в 1476 году оборвала работу по подготовке к изданию некоторых трудов Архимеда, которое должно было обеспечить их беспрецедентную для той эпохи распространенность. И все-таки долго ждать не пришлось, потому что в 1544 году в Базеле было напечатано первое издание всех известных на то время латинских и древнегреческих текстов под редакцией Томаса Венатория. Вот таким образом в течение XV – XVI веков книги Архимеда вышли в Европе на первый план и послужили в дальнейшем одной из основ научной революции. Это сделало Архимеда «отцом матфизики», какое положение он, по мнению многих историков науки, продолжает занимать и поныне.

Первые переводы Архимеда на новые языки были сделаны с базельского издания: немецкий перевод Штурма (1670), двойной греко-латинский перевод Торелли (1792), немецкий перевод Ницце (1824) и французский Пейрара (1807). В более близкие к нам времена важнейшей работой стала компиляция и перевод Гейберга. В конце XIX века он опубликовал перевод всего известного к тому времени наследия Архимеда, основываясь на издании греческого текста XV века. В 1906 году, как мы уже говорили, он открыл так называемый константинопольский палимпсест, где обнаружил различные тексты, среди которых и трактат «О методе». Другие сборники и переводы, упоминаемые в любом исследовании, – это английский перевод Хита и голландская, а также английская версии Дейкстерхейса. Последние широко распространены, так как неоднократно переиздавались и переводились на многие языки – эта информация может быть интересной тем, кто хотел бы серьезнее углубиться в труды сиракузского ученого.

Архимед предвосхитил наше интегральное исчисление, как по времени, так и по надежности методов и гениальности использованных способов, которые не были превзойдены вплоть до XVII века.

Паоло Руффини, математик (1765—1822)

В текстах Архимеда можно сразу различить два стиля повествования: эпистолярный и научный. Мы уже упоминали о переписке ученого и о том, как благодаря ей стали известны некоторые подробности его жизни. Что же касается научного стиля, то его труды гораздо больше напоминают статьи, чем практически традиционные для того времени и в последующие века дидактические тексты. Здесь надо учитывать, что адресаты архимедовых трактатов были не учениками, а людьми с обширными знаниями в области геометрии – можно сказать, равные отправителю.

Таким образом, очевидно, что описание всех открытий и исследований Архимеда могло бы занять много томов.

В данной книге рассматриваются только некоторые из его достижений: одну главу мы посвятили работам в сфере математической физики, другую – его чисто математическим занятиям, а третью – изобретениям, которые приписываются Архимеду.

Константинопольский палимпсест

То, каким образом датский филолог Йохан Людвиг Гейберг (1854-1928) обнаружил сборник трудов Архимеда, достойно стать сценарием приключенческого фильма. Он слышал рассказы о средневековом палимпсесте, и в 1906 году после длительного расследования ему удалось его отыскать. Палимпсест – это документ, где более поздний текст нанесен поверх древнего, античного. В данном случае· речь идет о пергаментной книге из козьей шкуры, известной как Константинопольский палимпсест. По-видимому, некоторые православные монахи XIII века записывали свои богослужебные тексты на документах X века, и среди них было несколько трудов Архимеда и его письмо к Эратосфену К счастью, переписчик не уничтожил написанное ранее, а просто помыл пергамент, после чего записал на нем религиозные тексты. Гейберг провел большую работу с использованием фотографической техники: он переписал тексты Архимеда букву за буквой, распознал рисунки и расположил страницы так, как они были сшиты изначально. Палимпсест содержал семь трактатов: единственную на тот момент известную копию книги «О плавающих телах», а также «Метод механических теорем», «Стомахион», «О равновесии плоских фигур», «О спиралях», «Об измерении круга» и «О шаре и цилиндре».

Из всего найденного самым ценным являлся трактат «Метод механических теорем», или просто «Метод», который кардинально изменил сложившееся к тому времени мнение, что Архимед скрывал свои методологические инструменты. Более того, следует особо отметить тот факт, что «Метод» посвящен Эратосфену, о чем свидетельствует сохранившееся письмо. То есть Архимед желал поделиться своей методологией с тем, кого он считал самым блестящим математиком своего времени и, следовательно, со всем остальным современным ему научным сообществом.

В 1920 году палимпсест перешел в собственность частного лица, а в 1998 году был выставлен на аукцион. Хотя греческому правительству удалось собрать на его покупку почти 1,9 млн долларов, его приобрел неизвестный покупатель за 2,2 млн долларов. Анонимный коллекционер, известный как «мистер Б.», затем подарил палимпсест Художественному музею Уолтерса в Балтиморе, США.

ГЛАВА 2
Эврика!

Родоначальником европейской науки считается математик Фалес из Милета: он часто упоминается как первый из философов, о котором сохранились исторические свидетельства. Через несколько веков после него возникло само понятие физики, причем особую роль в этом сыграл Аристотель. И все-таки у истоков того, что в наше время понимается под «физикой», стоит величественная фигура Архимеда.

Именно он, в сущности, первым применил математические и геометрические принципы, чтобы объяснить строение материального мира.

Имя Архимеда вошло в популярную культуру в связи с его исследованиями законов плавучести тел и рычага. Несложно вспомнить закон Архимеда из-за известной истории про сиракузского тирана Гиерона II и сразу возникающей в уме картинки с нагим ученым, кричащим: «Эврика!» А закон рычага, в свою очередь, ассоциируется со знаменитым утверждением, приписываемым Архимеду: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»

В этой главе мы не только поближе познакомимся с некоторыми научными принципами, но и узнаем, правдивы истории об Архимеде или они являются мифами. Интересно, что хотя Архимед и оставил серьезный след в физической науке, она не была главной сферой его исследований и областью интересов. А с его подходом к исследованиям – в целом таким же, какой господствует в современной физике, – и использованием математического аппарата он стал первым в истории матфизиком в точном смысле этого слова. Ученый открыл новый способ исследования природы, непохожий на спекулятивные рассуждения, но основанный на научном подходе. Греческий математический мир излишне переоценивал дедуктивный метод, и Архимед полностью отказался от такой системы работы. Сиракузский мудрец сумел применить в своих исследованиях индукцию, основанную на опыте, и совместить ее с дедукцией.

Именно он изобрел научный метод, базирующийся на этих принципах. Скажем, работа с рычагом привела его к математическим результатам, которые мы рассмотрим в следующей главе. И если первый физический закон, сформулированный в Древней Греции, касался числовых соотношений между длиной струны и высотой звука, то второй из задокументированных физических законов был открыт через 300 лет после первого, и это был как раз закон рычага Архимеда. Так что он был первым математиком, который привлек современную ему геометрию к изучению физических явлений. Проведенное им исследование основывалось на том, что сегодня бы назвали интуитивной физикой, то есть близкой экспериментатору, имеющей дело с повседневными явлениями жизни – тем, с чем любой из нас встречается каждый день. Он реализовал блестящую идею – использовать принцип ceteris paribus, что с латыни переводится как «при равенстве всех прочих обстоятельств». Иными словами, Архимед заметил, что для изучения любой физической величины надо сфокусироваться исключительно на этой самой величине, упростив условие задачи с помощью предположения, что остальные величины на нее не влияют, то есть допустить, что они представляют собой константы. Для реализации данного метода ученый впервые в истории воспользовался представлением физических объектов как математических: например, рычаг в таком представлении стал балкой, не имеющей массы, а физические тела – идеальными геометрическими фигурами. Ну и, наконец, он не только, как известно, проявлял интерес к рычагам и плавающим телам, но и написал книгу «Исчисление песчинок», в которой отразился его интерес к астрономии. Кроме того, среди трудов Архимеда была и полностью утерянная к нашему времени работа «Катоптрика», где он рассуждал о свете. Мы еще вернемся к ней в последней главе, когда речь пойдет о некоторых из изобретенных им механизмов.

Известно, что греческий философ Аристотель написал несколько книг, посвященных физике, и среди них особняком стоит та, которая собственно и называется «Физикой». Этот термин пришел к нам из древнегреческого языка и означает «природа», ведь физика изучает природные явления. И хотя Аристотель внес значительный вклад в другие области науки, однако именно в физике его деятельность не способствовала прогрессу; а так как в Средние века почтение к нему было столь высоко, что все его доводы воспринимались без всякой критики, то можно сказать, что его работа в данной области даже вызвала регресс. В целом это было действительно проблемой для научного сообщества вплоть до XV – XVI веков: никто не осмеливался оспаривать идеи философа из Стагиры. Ситуация стала меняться только во время научной революции, когда люди вроде Галилео Галилея выдвинули более соответствующую действительности концепцию движения; а другие, такие как Исаак Ньютон, собрав воедино результаты многих исследований, показали, что на небе и на Земле все подчиняется одним и тем же законам природы.

Мы можем взять совершенные доказательства из книг Архимеда, нас не пугает сложность их чтения.

Кеплер (1571-1630), астроном и математик

У Архимеда можно было бы найти идеи, которые помогли бы справиться с влиянием аристотелевой физики, но он сам был на долгие века забыт. С легкой руки Аристотеля стали модными концепции тяжести и легкости: первое – это то, что испытывают тела, падающие на землю, а второе – плавающие в воздухе. Архимед же опроверг его теорию и ввел в своих работах понятие удельного веса, или плотности, важное для описания поведения плавающих тел. Согласно его концепции тело плавает, потому что его плотность меньше плотности среды.

В то же время он явно отказался от аристотелевской идеи, согласно которой пустоты не существует.

Из принципа плавания тел Архимеда можно было вывести, что плотные тела, имеющие больший объем при той же массе, содержат больше пустоты между составляющими их частицами. Это вполне согласовывалось с атомизмом Левкиппа и Демокрита, который существовал уже пару веков и послужил основой для многих абстрактных рассуждений. Но очевидная разница в том, что Архимед не оставил после себя ни одной строки, посвященной рискованным предположениям, напротив, он раз за разом использовал математику, чтобы доказать и поддержать свои утверждения, и это резко выделяет его из ряда греческих философов той поры.

Закон Архимеда и корона тирана Гиерона

Перед тем как поговорить о законе Архимеда, мы обратимся к истории, которую обычно вспоминают, когда речь заходит об этом открытии. После этого сформулируем данный закон. В конце мы приведем некоторые комментарии к трактату, где Архимед описал свои идеи о плавании тел.

Гиерон, тиран Сиракуз и родственник Архимеда, заказал некоему мастеру корону из золота, для покупки которого он выдал ему необходимую сумму. Однако, когда он получил заказанный головной убор, у него зародилось подозрение, что ювелир использовал не чистое золото, а его сплав с серебром, чтобы присвоить остаток. Именно тогда у тирана возникла счастливая мысль пригласить Архимеда, поделиться с ним подозрениями и выяснить, не могут ли его знания помочь разрешить эту проблему. Мудрец не ответил сразу, но пообещал подумать над задачей и попробовать найти способ ее решения. Однажды, принимая ванну в одной из городских бань, Архимед увидел, что при погружении в нее вода вылилась через край, и понял, как он может решить загадку короны. Радость его была такова, что он выскочил из ванны и побежал нагим по улицам Сиракуз, восклицая: «Эврика! Эврика!», что значило «Я нашел! Я нашел!» То, что он нашел, известно теперь как закон Архимеда. В результате ученый доказал, что ювелир пытался обмануть тирана. А в наши дни выражение «эврика» используется, когда говорится о внезапно найденном решении важной проблемы.

В действительности маловероятно, чтобы Архимед бегал по городу в таком виде, да еще крича, как безумный. И все– таки эта легенда, должно быть, основана на каких-то реальных фактах, ведь ее в деталях передают различные историографы. Самым ранним свидетельством мы обязаны римскому архитектору Витрувию, и здесь стоит привести наиболее важную его часть, взятую из трактата «Десять книг об архитектуре»:

«Что же до Архимеда, то из всех его многочисленных и замечательных открытий приводимое мною является, несомненно, доказательством прямо-таки безграничной его изобретательности. А именно, когда Гиерон, достигший царской власти в Сиракузах, после удачного завершения своих предприятий решил по обету бессмертным богам поместить в одном из храмов золотую корону, он заказал сделать ее за определенную плату и отвесил нужное количество золота подрядчику. В назначенный по договору срок тот доставил царю тонко исполненную работу, в точности, видимо, соответствовавшую весу отпущенного на нее золота. После же того как сделан был донос, что часть золота была утаена и при изготовлении короны в нее было примешано такое же количество серебра, Гиерон, негодуя на нанесенное ему оскорбление и не находя способа доказать эту покражу, обратился к Архимеду с просьбой взять на себя разрешение этого вопроса. Случилось так, что в то время как Архимед над этим думал, он пошел в баню и, садясь в ванну, заметил, что чем глубже он погружается в нее своим телом, тем больше через край вытекает воды. И как только это указало ему способ разрешения его вопроса, он немедля, вне себя от радости, выскочил из ванны и голый бросился к себе домой, громко крича, что нашел то, что искал; ибо на бегу он то и дело восклицал по-гречески: «Эврика! Эврика!»

Закон Архимеда изучают во всех школах мира – это один из физических постулатов, которые легко понять интуитивно. Любой человек испытывал уменьшение своего веса при погружении в бассейн, видел летящие воздушные шарики, смотрел на лодки, плавающие по морю, помнит кадры с подводными лодками, спускающимися в океанские глубины. Это только немногие примеры, в основе которых лежит закон Архимеда. Но в его эпоху многие понятия были еще неизвестны или только исследовались. Так, ему пришлось вводить понятие удельного веса (плотности), чтобы иметь возможность объяснить явление плавучести. Тем не менее он ничего не знал о понятии силы, которое в наши дни используется для изучения закона Архимеда, носящего теперь еще одно название: закон гидростатики. Есть много способов его формулировки, один из самых распространенных: «На всякое тело, полностью или частично погруженное в воду или иную жидкость, вертикально вверх действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом». Используя современную терминологию, выталкивающая сила и вес – это две силы, и надо было ждать времен Ньютона, чтобы получить серьезное и точное математическое описание этих величин. Однако закон Архимеда можно трактовать и с помощью геометрических инструментов или пользуясь понятием плотности.

Вес тела в воздухе всегда больше его веса в жидкости. Кажущийся вес в жидкости будет равен реальному весу минус выталкивающая сила. Так что способ вычислить выталкивающую силу F_e, которой подвергается тело,состоит в том, чтобы измерить его вес в воздухе F_p, затем в жидкости F'_р и вычесть одно из другого: F_e=F_p-F'_р.

Архимед знал, что тело, погружаясь в воду (здесь и далее под водой понимается любая среда, будь то жидкость или газ), должно вытеснить равное объему погруженного тела количество воды. Вот почему рассказ о ванной служит хорошей иллюстрацией для закона гидростатики: если поместить тело в ванну, полную воды, часть жидкости выльется, то есть отправной пункт такой: V_{погруженной} части = V_{вытесненной воды}

С точки зрения приложения сил получается, что вода (или другая среда) действует выталкивающей силой на погруженное тело (см. рисунок на стр. 42). То есть сила F_E по модулю равна весу F_p вытесненной воды. Это значит F_E = F_Р(воды). Вес (сила действия тела на опору или подвес) вытесненной воды равен произведению ее массы на земное ускорение (значение которого у поверхности земли составляет примерно 9,8 м/с²): F_Р(воды) ^{= m}_воды • g. Добавив математическую формулу расчета плотности, то есть d_воды = m_воды/V_воды , можно резюмировать: F_Р(воды) = V_воды • d_воды • g. Мы уже говорили, что объем вытесненной воды равен объему погруженной части тела, из чего выводится F_Р(воды) ⁼ V_тела • d_воды • g. Наконец, опустив нижние индексы, поскольку вес вытесненной воды равен выталкивающей силе, действующей на тело, мы можем сформулировать закон гидростатики с помощью уравнения F_E= V • d • g, где F_E – это выталкивающая сила, которую испытывает тело, измеряющаяся в ньютонах (Н, данная единица измерения названа в честь Ньютона); V – объем погруженной части тела, измеряемый в м³; d – плотность среды, измеряемая в кг/м³; a g – ускорение свободного падения.

От мифа к реальности

Как это бывает с любой легендой, история короны тирана Гиерона – отчасти правда, а отчасти миф. Можно утверждать, что элемент выдумки есть даже в самом методе, приписываемом Архимеду, с помощью которого он раскрыл обман хитрого ювелира.

Конечно, Архимед мог вывести ремесленника на чистую воду, но с помощью другого, более сложного метода, использовав для этого не только закон гидростатики, но и закон рычага. Посмотрим описание данного открытия, сделанное Марком Витрувием:

«Тогда, исходя из этого открытия, он, говорят, сделал два слитка одинакового веса с короной – один из золота, другой из серебра. Сделав это, он взял объемистый сосуд, наполнил его до самых краев водой и опустил в него серебряный слиток, при погружении которого вода вытекла в количестве, равном величине слитка. Вынув затем слиток, он долил воды, отмерив ее секстарием, так, чтобы она опять сравнялась с краями, как и раньше. Так он определил, что серебро по весу соответствует известному количеству воды. Проделав этот опыт, он подобным же образом опустил в наполненный сосуд золотой слиток и, вынув его, нашел посредством прежнего измерения, что воды убавилось не столько же, а меньше, насколько меньше был объем золотого слитка сравнительно с равным ему по весу серебряным. После же этого, вновь наполнив сосуд и опустив в то же количество воды саму корону, он нашел, что воды вытекло больше, чем при погружении золотого слитка такого же веса; и таким образом, исходя из того, что корона вытеснила больше воды, чем слиток, он показал примесь в золоте серебра и обнаружил покражу подрядчика».

Хотя метод теоретически совершенно правильный, заметим, что вряд ли Архимед пользовался именно таким способом, как описано выше. Сложность состоит в измерении объемов. Сначала для лучшего понимания проблемы упорядочим шаги, описанные Витрувием.

1. Архимед взял два куска материала, про весу идентичные короне, – кусок серебра (m_р) и золота (mo).

2. Затем он погрузил серебро в определенное количество воды, из-за чего вылился некоторый ее объем V_p, который ученый измерил.

3. Потом он погрузил золото в такое же количество воды, отчего вылился объем Vo жидкости, который он также измерил.

4. Архимед обнаружил, что V_p больше, чем V_o.

5. Наконец, он опустил настоящую корону в то же количество воды, и она вытеснила объем V_o этой воды, который он тоже измерил.

Иллюстрация к легенде, согласно которой Архимед нашел решение задачи с короной Гиерона,когда находился в общественной бане. 1575 год.

Среди фраз, которые приписывают Архимеду, самая известная – «Дайте мне точку опоры,и я переверну Землю». Ее цитирует Папп Александрийский в VIII книге «Математического собрания». Рисунок воспроизводит гравюру из берлинского издания Фридриха Отто Хулча 1878 года.

6. Ученый выяснил, что объем V, вытесненный короной, больше, чем объем воды, вытесненной золотом, и меньше, чем объем, вытесненный серебром ( V_p > V_c > V_o). Это доказало, что в короне была примесь серебра, то есть она состояла не из одного золота.

Теперь давайте воспроизведем этот опыт на наиболее правдоподобном примере, исходя из реальных данных, которыми мы располагаем, и следуя изложенному выше алгоритму, чтобы выявить, если необходимо, противоречия. Мы помним, что, как было отмечено ранее, любой погруженный в воду предмет вытесняет количество воды, равное его объему. Объем предмета можно вычислить исходя из его плотности и массы по известной формуле: d = m/V.

1. Чтобы не мелочиться, возьмем в качестве примера самую большую из сохранившихся золотых корон эпохи Архимеда. Речь идет о «венце из Вергины» (город в нынешней греческой Центральной Македонии), датированном IV веком до н. э. Этот венец имеет массу 714 г и диаметр 18,5 см. Учитывая, что некоторые из его листьев утеряны, и для облегчения расчетов примем массу короны за 1000 г. Итак, для опыта у нас есть 1000 г серебра, 1000 г золота и корона аналогичного веса, состав которой и является предметом эксперимента.

2. Теперь, в качестве второго шага, мы опускаем 1000 г серебра в воду. Так как плотность серебра равна 10,5 г/см³, объем вытесненной воды будет 95,2 см³:

3. Третьим шагом будет погружение в воду 1000 г золота. Поскольку его плотность составляет 19,3 г/см³, вытесненный объем воды будет 51,8 см³:

4. Объем воды, вытесненной 1000 г серебра, больше, чем объем воды, вытесненной 1000 г золота, так как плотность серебра меньше, и та же его масса занимает больше места.

5. Наконец, в воду опускается корона, и замеряется количество вытесненной ею воды. Тут надо сделать еще одно добавление. Предположим, что к золоту короны примешано 30 % серебра.

6. После погружения короны в воду можно заметить, что она вытесняет большее количество воды по сравнению с золотом и меньшее – по сравнению с серебром. Согласно нашему предположению, 30% от 1000 г короны составляет серебро и 70 % – золото:

Объем воды, вытесненной короной (64,8 см³), больше, чем вытесненной золотом (51,8 см³), что могло бы доказать обман ювелира.

Но как измерить столь малые объемы? Заметьте: разница составляет всего 13 см³, что примерно равно объему пары орехов.

В истории предлагались разные методы измерения, рассмотрим два из них – измерить уровень оставшейся в сосуде воды или собрать вытесненную воду в другой сосуд. Первый вариант, по-видимому, невероятен для той эпохи и выглядит приемом, далеким от возможностей Архимеда. Согласно первому способу, после погружения короны и других металлов в сосуд вода поднимется на некоторую высоту. Если сосуд цилиндрический (см. рисунок), то и поднимающаяся вода имеет форму цилиндра. Предположим, диаметр сосуда равен 20 см, тогда поверхность воды имеет площадь 314 см². С этими данными мы можем вычислить высоту (А), на которую поднимется вода в каждом из случаев:

Объем цилиндра высчитывается умножением площади его основания на высоту.

Это означает, что разница в уровнях между короной из золота и короной из сплава составит (h_o – h_о = 0,4 мм), то есть меньше чем полмиллиметра! Напомним, что представленные расчеты приблизительны, но в любом случае от перемены изначальных допущений разница в результатах изменилась бы очень мало. Кроме того, допущения были сделаны таким образом, чтобы получить самые поддающиеся измерению величины. Возможно ли, чтобы Архимед смог измерить эту разницу? Вряд ли, ведь столь малая величина еще и сочетается с мениском, искривлением поверхности жидкости в сосуде из-за взаимодействия со стенками данного сосуда.

Итак, отвергнув первый вариант, некоторые ученые решили, что Архимед собирал вытесненную воду в отдельный сосуд, то есть приняли вариант Витрувия. Для этого он, вероятно, использовал водяные часы – клепсидру, то есть простой резервуар с небольшим отверстием, через которое вытекает вода. Эта гипотеза подкреплялась и тем фактом, что подобный инструмент измерения времени был широко распространен еще со времен Древнего Египта. Ведь и грек Ктесибий изобрел свои усовершенствованные водяные часы во времена Архимеда. Для использования метода клепсидры необходимо выполнить следующие шаги.