Текст книги "Удивительные открытия"
Автор книги: Сергей Нечаев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 14 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]
...
«Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри его точка – такая, что если за нее мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение».
Учение о гидростатике Архимед развил в своем труде «О плавающих телах», в котором было сказано:
...
«Предположим, что жидкость имеет такую природу, что из ее частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилежащих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными, и что каждая из ее частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней по отвесу, если только жидкость не заключена в каком-нибудь сосуде и не сдавливается еще чем-нибудь другим».
Основываясь на этом, Архимед математически доказал, что:
...
«Тела, равнотяжелые с жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости, и не будут двигаться вниз.
Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погружается целиком, но некоторая часть его остается над поверхностью жидкости.
Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной [части тела], имел вес, равный весу всего тела.
Тела, более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильственно, будут выталкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела.
Тела, более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела».
Последнее утверждение фактически и содержит общеизвестный закон Архимеда, важный закон гидростатики, согласно которому каждое тело, погруженное в жидкость, теряет столько своего веса, сколько весит вытесненная им жидкость (на тело, погруженное в жидкость, действует сила, равная весу вытесненной им жидкости).
Отметим, что знаменитое восклицание «Эврика!» («Я нашел!») относится к первому практическому применению этого самого закона Архимеда.
Согласно легенде, однажды к Архимеду обратился недоверчивый правитель Сиракуз, подозревавший своего ювелира в обмане. Он попросил проверить, соответствует ли вес изготовленной для него золотой короны весу отпущенного им на нее золота.
Рассказ об этом приведен у древнеримского автора второй половины I века до н. э. Марка Витрувия Поллиона в его трактате «Десять книг об архитектуре»:
...
«Исходя из своего открытия, он, говорят, сделал два слитка, каждый такого же веса, какого была корона, – один из золота, другой из серебра. Сделав это, он наполнил водой сосуд до самых краев и опустил в него серебряный слиток, и вот, какой объем слитка был погружен в сосуд, соответственное ему количество вытекло воды. Вынув слиток, он долил в сосуд такое количество воды, на какое количество стало там ее меньше, отмеряя вливаемую воду секстарием [1] , чтобы, как и прежде, сосуд был наполнен водой до самых краев. Так отсюда он нашел, какой вес серебра соответствует какому определенному количеству воды.
Произведя такое исследование, он после этого таким же образом опустил золотой слиток в полный сосуд. Потом, вынув его и добавив той же мерой вылившееся количество воды, нашел на основании меньшего количества секстариев воды, насколько меньший объем занимает слиток золота по сравнению с одинаково с ним весящим слитком серебра. После этого, наполнив сосуд и опустив в ту же воду корону, нашел, что при погружении короны вытекло больше воды, чем при погружении золотой массы одинакового с ней веса; и таким образом на основании того заключения, что короной вытеснялось большее количество воды, чем золотым слитком, он вскрыл примесь в золоте серебра и обнаружил явное воровство поставщика».
Итак, Архимед сделал два слитка: один из золота, другой из серебра, и каждый – такого же веса, что и корона. Затем он поочередно положил их в сосуд с водой, отметив, насколько поднялся ее уровень. Опустив в сосуд корону, Архимед установил, что ее объем превышает объем золотого слитка, а это значило, что корона изготовлена не из чистого золота, а из сплава золота с серебром.
Я. Г. Дорфман в своей «Всемирной истории физики» отмечает:
...
«Это выдающееся открытие Архимеда знаменует собой первое в истории применение физического измерительного метода к контролю и анализу химического состава без нарушения целостности изделия. Огромное практическое значение этого открытия в эпоху, когда еще никаких других методов подобного рода не было, естественно, привлекло к себе всеобщее внимание и стало предметом дальнейших исследований и практических использований на протяжении многих последующих веков».
Но Архимед не ограничился описанным выше достаточно примитивным экспериментом, а перешел к более точному количественному измерению. По словам жившего в первой половине XII века среднеазиатского физика, астронома и математика Ал-Хазини, ссылавшегося на не дошедший до нас трактат грека Менелая Александрийского, Архимед «изобрел механическое приспособление, которое, благодаря своему тонкому устройству, позволило ему определить, сколько золота и сколько серебра содержится в короне, не нарушая ее формы».
Ал-Хазини привел схему этих «весов Архимеда». На них имелся подвижный груз, с помощью которого можно было, сравнивая веса упомянутых слитков, определять численное отношение удельных весов золота и серебра. А это, в свою очередь, позволяло установить относительное количество золота и серебра в короне.
Потом, основываясь на принципах Архимеда, грек Синезий из Кирены, живший в IV веке, изобрел гидроскоп – прибор для определения удельного веса жидкостей. Этот прибор, изготовленный из бронзы, имел насечки, и по ним можно было находить точные значения, используя специальные таблицы удельных весов различных жидкостей. К сожалению, подобные таблицы до наших дней не сохранились.
Наряду с фундаментальной наукой, Архимед много времени уделял практике. Он по праву считался одним из крупнейших инженеров своего времени.
Страстно увлеченный механикой, Архимед создал и проверил теорию пяти простых механизмов: рычага, клина, блока, бесконечного винта (он используется в современной мясорубке) и лебедки.
Архимед говорил: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Кстати сказать, ученые потом подсчитали, что теоретически это возможно, но для этого надо иметь рычаг, у которого один отрезок длиннее другого в 1023 раз.
В древности Архимеду приписывали около 40 открытий в области практической механики. Из того, что описано его биографами, известно, что на основе бесконечного винта Архимед изобрел машину для поливки полей (так называемую «улитку»), устройство для откачки воды из трюмов и шахт и, наконец, пришел к изобретению болта, сконструировав его из винта и гайки.
Но наиболее успешно Архимед придумывал конструкции военных машин. И это понятно. Могущественные соседи – Рим и Карфаген – прилагали немало усилий для того, чтобы подчинить себе Сиракузы. В свою очередь, царь Гиерон и его преемники делали все, чтобы сохранить независимость, поэтому в оборонительных планах Сиракуз военная техника занимала особое место.
Известно, что под руководством Архимеда сиракузцы построили множество устройств: это были и мощные метательные машины, и подъемные механизмы для переворачивания атакующих кораблей противника, и т. д. В основе всех этих конструкций лежал рычаг, позволявший поднимать большие тяжести, затрачивая относительно небольшие усилия. Отсюда, кстати, и пошло название «механика», что в переводе с греческого означает «искусство построения машин».
В очередной раз римляне, под командованием полководца Марка Клавдия Марцелла, осаждали Сиракузы во время второй Пунической войны. При этом Архимед был душой сопротивления. Он сконструировал несколько боевых машин, которые позволили горожанам в течение трех лет отражать атаки превосходящего в живой силе противника.
К сожалению, даже знания Архимеда не смогли спасти его родину от печальной участи: в 212 году до н. э. римляне вторглись в Сиракузы и подвергли город грабежу. При этом сам Архимед погиб: его зарубил мечом римский солдат. Согласно легенде, произошло это в тот момент, когда старик ученый был поглощен поисками решения очередной технической задачи. Он сидел на полу, посыпанном песком, на котором были начерчены какие-то замысловатые геометрические фигуры. Когда римлянин подбежал к нему, Архимед якобы встретил его словами: «Только не трогай моих фигур!».
Смерть Архимеда
Информация о жизни и смерти Архимеда известна нам из сочинений античных философов и историков Полибия, Тита Ливия, Цицерона, Плутарха и других. Но никто из них, как известно, не был современником Архимеда, поэтому достоверность их сведений оценить не всегда представляется возможным. Тем не менее, многие эпизоды явно имеют мифический оттенок.
Возьмем для примера так называемые «зажигательные зеркала» Архимеда. Считается, что великий сиракузец хорошо знал о зажигательном действии вогнутых зеркал. Следовательно, чисто теоретически он вполне мог использовать эти зеркала в борьбе с римским флотом, поджигая корабли сфокусированными солнечными лучами.
Тем не менее, в дошедших до нас описаниях штурма города нет никаких упоминаний о сожжении римских кораблей. Эта легенда появилась позднее. Например, четыре века спустя вопрос о «зажигательных зеркалах» разбирал византийский математик и архитектор Анфимий, который в сочинении «О чудесных механизмах» попытался дать реконструкцию изобретений Архимеда. При этом «о зеркалах божественного Архимеда» он писал следующее:
...
«При помощи многих плоских зеркал можно отразить в одну точку такое количество солнечного света, что его объединенное действие вызовет загорание».
Анфимию вторит и византиец Евстахий Солунский. В его «Комментариях к Илиаде» читаем:
...
«Архимед при помощи правил катоптрики [2] сжег римский флот на расстоянии полета стрелы».
А вот византийский историк XII века Иоанн Зонара в своих «Анналах» рассказывает:
...
«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».
В своей «Истории» другой византиец конца XII века Цеци уточняет: Архимед действовал «шестиугольным зеркалом, составленным из небольших четырехугольных зеркал, которые можно было двигать при помощи шарниров и металлических планок».
Долгое время этому оставалось только верить. Но вот в XVII веке немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) и французский математик Рене Декарт (1596–1650) обосновали невозможность создания таких фантастических зеркал.
С другой стороны, в 1747 году знаменитый французский естествоиспытатель Жорж– Луи де Бюффон (1707–1788) в своем труде «Изобретение зеркал для воспламенения предметов на больших расстояниях» сообщил, что произвел опыты и соорудил составное зеркало, которое подожгло дерево на расстоянии 50 метров. Этими опытами он подтвердил тот факт, что Архимед вполне мог создать грозное орудие – мощный гелиоконцентратор или «солнечный лазер». К сожалению, это могло быть лишь теоретически, ибо во времена Архимеда еще не существовало зеркал такого качества, с которыми проводились опыты де Бюффона.
После этого некоторые итальянские историки высказали предположение, что зеркала Архимеда существовали, но были предназначены не для поджога, а для наведения на цель. Они якобы били в глаза римлянам отраженным солнечным светом и «скрывали» от них полет зажигающих стрел сиракузцев.
Естественно, это всего лишь предположение, и стопроцентно доказать ничего невозможно. Впрочем, и того, что реально дошло до нас, совершенно достаточно, чтобы обессмертить память об Архимеде.
Недаром древнеримский политик и философ Марк Туллий Цицерон, величайший из ораторов древности, дал Архимеду следующую оценку:
...
«Этот сицилиец обладал гением, которого, казалось бы, человеческая природа не может достигнуть».
Ньютоново яблоко
Исаак Ньютон (1643–1727), знаменитый английский математик, астроном и физик, а также известный алхимик и толкователь библейских пророчеств, родился в деревушке Вульсторп в Линкольншире. Он появился на свет поразительно хилым, и окружающие были уверены, что младенец не выживет. Однако Ньютон не только выжил, но и дожил до глубокой старости.
Исаак Ньютон
Семья Ньютонов была небогата, но Исаак ходил в начальную школу, а потом в общественную школу в Грантэме и в Тринити-колледж. В 1665 году он получил степень бакалавра изящных искусств (словесных наук) в Кембридже, одном из лучших университетов Европы.
В Кембридже наставником Ньютона стал профессор Исаак Барроу (1630–1677), знаменитый богослов, физик и математик, автор известного интегрального соотношения, называемого теперь теоремой анализа или формулой Ньютона-Лейбница (кстати сказать, сам Ньютон никогда не оспаривал приоритет Барроу в открытии этой формулы).
Первые научные опыты Ньютона были связаны с исследованиями света. Он, например, доказал, что при помощи призмы белый цвет можно разложить на составляющие его цвета. Кроме того, изучая преломление света в тонких линзах, Ньютон наблюдал интерференционную картину в виде концентрических колец, получившую впоследствии название «кольца Ньютона».
А в 1666 году в Кембридже разразилась эпидемия чумы, и Ньютон удалился в родную деревню Вульсторп. Там, не имея под рукой ни книг, ни приборов, он стал жить отшельником, предаваясь глубоким философским размышлениям, плодом которых стало гениальнейшее из его открытий – учение о всемирном тяготении.Строго говоря, мысль о том, что тела падают на землю не просто так, а вследствие притяжения их земным шаром, была далеко не нова: это знали еще древние ученые, например, ученик Сократа и учитель Аристотеля Платон. Но как измерить силу этого притяжения? Везде ли на земном шаре оно одинаково и как далеко оно простирается? Эти вопросы до Ньютона смущали ученых и философов.
В частности, немецкий астроном Иоганн Кеплер, открывший законы движения планет (законы Кеплера), в 1619 году издал свою знаменитую «Гармонию мироздания», в которой практически подошел к закону о всемирном тяготении, но все-таки не открыл его. Он приписал движения планет некоторому взаимному притяжению, но предположил, что оно обратно пропорционально не квадратам расстояний, а самим расстояниям. Считается, что законы планетной кинематики, открытые Кеплером, послужили Ньютону основой для создания учения о всемирном тяготении. Более того, Ньютон математически доказал, что все законы Кеплера являются следствиями закона всемирного тяготения.
Много лет спустя Ньютон написал, что математическую формулу, выражающую закон всемирного тяготения, он вывел из изучения законов Кеплера. Приняв за основу гипотезу о движении планет вокруг Солнца, Ньютон стал ее проверять, провел множество математических вычислений и, таким образом, превратил гипотезу в грандиознейшую по своему значению систему мироздания.
...
Непосредственным предшественником Ньютона в рассматриваемой области был его соотечественник Уильям Гилберт (1540–1603). Он тоже учился в Кембридже, а затем в Оксфорде. В 20 лет он получил степень бакалавра, в 24 года – магистра, а в 29 лет – доктора медицины, а потом и философии. Широта его интересов простиралась от химии до астрономии.
Особенно Гилберта интересовали магниты, и именно он сделал гениальное предположение (до Гилберта об этом никто даже не подозревал) о том, что вся Земля – гигантский магнит, а полюсы земного шара – полюсы магнита.
В 1600 году в Лондоне вышел фундаментальный труд Гилберта «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». В другом сочинении ученого, напечатанном уже после его смерти, было сказано, что Земля и Луна влияют друг на друга как два магнита, и притом пропорционально своим массам.
Открытие закона всемирного тяготения связано сегодня с распространенным преданием: якобы однажды летним днем Ньютон сидел в своем саду, и его размышления были прерваны падением яблока. Это яблоко и привело Ньютона к вопросу: везде ли на земном шаре падение тел происходит одинаково и с одинаковой скоростью?
Родственник Ньютона (муж его племянницы) Джон Кондуитт пишет об этом так:
...
«В то время как он размышлял в саду, ему в голову пришло, что сила тяжести (которая заставляет яблоко падать на землю) не ограничена определенным расстоянием от Земли, а что сила должна распространяться гораздо дальше, чем обычно думают. Почему бы не до Луны? – сказал он себе, и если так, это должно влиять на ее движение и, возможно, удерживать ее на орбите. Вследствие чего он решил вычислить, каков мог бы быть эффект такого предположения; но поскольку у него не было тогда книг, он использовал общеупотребительное суждение, распространенное среди географов и наших моряков до того, как Норвуд [3] измерил Землю, и заключающееся в том, что в одном градусе широты на поверхности Земли содержится 60 английских миль. Расчет не совпал с его теорией и заставил его довольствоваться предположением, что наряду с силой тяжести должна быть еще примесь той силы, которой была бы подвержена Луна, если бы она переносилась в своем движении вихрем».
Ньютон и знаменитое яблоко
Приоритет открытия закона всемирного тяготения долгое время оспаривал Роберт Гук (1635–1703) – соотечественник и современник Ньютона.
...
Имя Роберта Гука, ученого XVII века, сегодня мало известно, хотя он за свою жизнь сделал около 500 научных и технических открытий. Эти открытия составляют основу многих отраслей современной науки, но по разным причинам они приписываются совершенно другим людям. Скорее всего, это было связано с особенностями характера и чрезвычайно широким кругом интересов Гука, что не давало ему доводить свои открытия до логического завершения.
В 1658 году, например, Роберт Гук изобрел и построил воздушный насос, экспериментируя с которым, открыл знаменитый закон газового состояния: pV = const, где р – давление газа, а V – объем газа. Сообщение об этом законе с указанием имени автора впервые опубликовал в 1660 году британский физик и химик Роберт Бойль (1627–1691), у которого Роберт Гук работал ассистентом. Сегодня этот закон, вошедший во все школьные и университетские курсы физики, называется законом Бойля или законом Бойля-Мариотта.
Роберт Гук был прирожденным экспериментатором. Например, он изобрел основные метеорологические приборы, установил зависимость барометрического давления от состояния погоды, впервые оценил высоту атмосферы. Он же придумал измерять силу тяжести посредством качания маятника и сообщил в «Королевском обществе» о том, что сила, удерживающая планеты в их орбитах, должна быть подобна той, которая производит круговое движение маятника.
В марте 1666 года Гук прочитал на заседании лондонского «Королевского общества», созданного королем Карлом II (фактически, это была британская Академия наук), отчет о своих опытах над изменением силы тяжести в зависимости от расстояния падающего тела относительно центра Земли.
Роберт Гук
Первое столкновение Гука с Ньютоном произошло в 1673 году по поводу природы света, которую Ньютон считал корпускулярной (свет – это поток частиц, или по-латински «корпускул»), а Гук – волновой (свет – это волны в эфире). Кстати сказать, эти две теории попеременно брали верх, но в конце концов, когда придумали квантовую механику, обнаружили, что они обе отчасти правильные. Свет состоит из квантов (фотонов), а квантам свойственен корпускулярно-волновой дуализм, то есть они в разных ситуациях могут вести себя либо как волны, либо как частицы.
В конце 1679 года, когда Роберт Гук стал секретарем «Королевского общества», между ним и Ньютоном произошел обмен письмами, в которых Гук изложил свою гипотезу закона тяготения. Он считал, что сила притяжения между двумя телами, в соответствии с законами Кеплера, должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Однако Ньютон переписку с Гуком оборвал и дискутировать с ним отказался. С этого момента и началась вошедшая в историю полемика между этими двумя учеными. Нужно отметить, что в конце концов Ньютон признал, что идея об обратной пропорциональности силы притяжения квадрату расстояния принадлежит, помимо него самого, также астроному Эдмонду Галлею (1656–1742) и Роберту Гуку.
Если рассматривать формулировку основных принципов, необходимых для решения какой-либо проблемы, достаточной для суждения о приоритете, то право на него, несомненно, имеет Роберт Гук. Но если рассматривать эту формулировку без сопровождающего ее математического доказательства недостаточной, то прав Ньютон.
И все же нельзя не признать, что именно Роберт Гук подсказал Ньютону основные идеи закона всемирного тяготения, который имеет следующую формулировку: между любыми двумя материальными частицами действует сила притяжения (направленная вдоль прямой, соединяющей частицы), величина которой пропорциональна массе каждой из частиц и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.
