Достижения физики до-александрийского периода

Эти достижения, как было уже сказано, приходятся в основном на александрийский период. Однако это обстоятельство отнюдь не исключает того, что наука до-александрийского периода имела также свои заслуги в области точного естествознания. Наоборот, достижения физики александрийского периода базировались на первичном импульсе, сообщённом физическим наукам в предшествующую эпоху. Мы остановимся здесь вкратце на состоянии физических знаний у древних народов, начиная со стран древнего Востока - этой колыбели человеческой цивилизации.

Рис. 17. Онагр

Расшифровка табличек с вавилонской клинописью далеко не закончена. Предстоит прочитать ещё огромные собрания таких табличек, равно как следует ожидать накопления новых материалов в результате археологических открытий. Вот почему мы не можем считать удовлетворительными наши знания о состоянии ассиро-вавилонской культуры, в частности, физико-математической культуры. Уже последние исследования заставляют вносить существенные коррективы в первоначальные представления. Здесь мы можем ограничиться только прочно установленными фактами, не входя в обсуждение догадок и гипотез.

Рис. 18. Онагр (оттягивание рычага)

Одной из заслуг вавилонян и ассириян, значение которой бесспорно, является установление ими системы мер. В основе системы лежит единица длины - локоть. Двойной локоть имел длину около 990-996 мм. Единицей поверхности служил квадратный локоть, объёма - кубический локоть.

Рис. 19. Машина для метания каменных ядер

Некоторые авторы обращали внимание на то, что длина двойного локтя близка к длине секундного маятника в тех широтах, где развивалась суме райская культура. Однако, вероятно, такое совпадение случайно. Более интересно то, что единица веса "мина" (984 г) приблизительно равна весу воды в объёме куба, сторона которого равна одной десятой двойного локтя. 60 мин составляли вавилонский "талант" (около 60 кг). В Греции употреблялись лёгкая мина и талант приблизительно вдвое легче вавилонских.

Единица времени, повидимому, была связана с единицей веса. Вавилоняне пользовались водяными часами - "клепсидрами" по-гречески.

В момент появления верхнего края солнечного диска над горизонтом открывалось отверстие в сосуде, уровень воды в котором поддерживался, и вода вытекала, в малый сосуд, до тех пор, пока не показывался нижний край светила. После этого малый сосуд отнимался и подставлялся большой, в котором вода собиралась до захода Солнца. Сравнение весов давало не только оценку времени, но и возможность приблизительной оценки угловой величины видимого диаметра Солнца. Вавилоняне установили отношение всей воды, вытекшей за всё время от восхода до захода Солнца, к весу воды в малом сосуде, равным 720:1. Сутки они делили на 12 двойных часов. Таким образом, "шаг" Солнца на небесном своде за одни сутки составляет ¹/₃₆₀ часть окружности. Это и есть единица угла, которую мы сейчас называем градусом. Очевидно, отсюда произошла шестидесятиричная система подразделения углов и времени (1 час = 60 мин. = 3 600сек.; 1^° 60' = 3 600").

О знаниях вавилонян в других областях естественных наук мы имеем весьма неопределённые сведения. В области оптики им были известны зеркала. Археолог Лайярд нашёл в развалинах Ниневии хрустальную плоско-выпуклую линзу с фокусным расстоянием 10,7 см. Но вернее, что эта линза была составной частью украшения. Способ гадания жрецов по растеканию сезамового масла на поверхности священной воды из Ефрата является древнейшим свидетельством наблюдения интерференционных явлений ("цвета тонких плёнок"). До 1905 г. считались таким свидетельством изображения мыльных пузырей на фресках в Помпее.

Что касается египтян, то на многочисленных изображениях мы встречаем весы, колодезный журавль, отвес, сифон, воздуходувные мехи для стекольного производства, зеркала, музыкальные инструменты.

Несомненно, египтяне использовали в своей строительной технике и гидротехнических устройствах основные принципы механики твёрдых и жидких тел, правда, эмпирически. По дошедшим до нас изображениям мы можем составить представление о состоянии кораблестроительной техники у египтян. Современная водочерпалка в Египте вряд ли сильно отличается от древнеегипетской водочерпальной машины. Особенно мы должны отметить химические познания египтян. Можно считать, что Египет является родиной химии. Самое слово "химия" производят от египетского "хеми" (chemi), что значит "Египет" (на коптском языке). С другой стороны, слово "хеми" означает "чёрный", и так как первое определение химии, которое мы встречаем у древних, трактует её как искусство превращения неблагородных металлов в золото и серебро, то, может быть, что "хеми" означает именно "чёрный", в смысле тёмного, непонятного искусства. Во всяком случае, не подлежит сомнению, что египетские жрецы занимались тем, что позднее получило название алхимии. В Египте были развиты такие химические производства, как стекольное, керамическое, красильное. Первичная обработка металлов: железо, бронза, медь - были давно известны египтянам. Их сведения по медицинской химии общеизвестны - достаточно вспомнить бальзамирование трупов. Но, как и все другие познания египтян, эти знания не шли дальше эмпирических рецептов, вдобавок знания эти были окружены глубокой тайной. Это, между прочим, давало повод позднейшим авторам приписывать египтянам необыкновенные познания. Так, например, найденные на пилонах египетских храмов столбы, покрытые медью, имевшие, как гласят надписи, целью "разогнать бурю" (громоотводы), давали возможность утверждать, что египтяне хорошо знали электричество и даже умели получать медь электрическим способом. Вряд ли, однако, есть основания для подобных утверждений. Громоотводы только подтверждают наблюдательность египетских жрецов, не идущую дальше наблюдательности простого народа, установившего, что молния чаще всего поражает высокие предметы.

Таковы познания древнего Востока. Они ещё не составляют науки. Это - отрывочные наблюдения, эмпирически найденные правила, орудия и рецепты. Систематическое научное познание, как мы уже неоднократно отмечали, начинается у древних греков.

Древние греки позаимствовали немало сведений у древневосточных народов - астрономические, математические; механические сведения древних начинаются с освоения и дальнейшей разработки наследия египтян и вавилонян. Мы уже упоминали о Фалесе, Анаксимандре, пифагорейцах, Архите, Эвдоксе и других" Сосредоточим здесь внимание на физике Аристотеля и его последователей.

В сочинении "Механические проблемы"^*, принадлежащем одному из учеников Аристотеля и написанном в III в. до н. э., мы находим доже определение механики (греческое слово "механе" означает хитрость). Указав, что своим искусством человек может побеждать природу, идти "против природы", псевдо-Аристотель говорит: "Во многих вещах природа действует вопреки потребностям нашим; она имеет свой образ действий, не подлежащий изменчивости условий, а нужды наши меняются весьма разнообразно. Потому при совершении чего-либо вопреки природе возникают затруднительные вопросы - апории, требующие искусного с ними обращения".

^* (Это сочинение долго приписывалось самому Аристотелю, поэтому автора его сейчас называют "псевдо-Аристотелем".)

К таким апориям псевдо-Аристотель относит и проблему рычага: "Не представляется ли непонятным, как большой груз может быть подвинут малою силой?"- спрашивает он. Псевдо-Аристотель объясняет загадочные свойства рычага чудесными свойствами круга: "Он образуется через нечто покоящееся и нечто движущееся" (видимо, автор имеет в виду способ черчения круга). Окружность круга одновременно выпукла и вогнута. Каждая точка круга - начало и конец. Продвижение по кругу есть продвижение вперёд и одновременно назад. Но пути, описываемые концами рычага,- круговые, отсюда и проистекают чудесные его свойства. Далее обращается внимание на то, что круги, проходимые различными концами рычага, неодинаковы, и в этом усматривается разгадка рычага: "Большим плечом рычага можно поднять больший груз, потому что большое плечо производит большее движение". "Сила, приложенная на большем расстоянии от точки опоры, легче двигает груз, так как она описывает больший круг".

Размышление над свойствами круга подводит автора к вопросу о разложении кругового движения на два. "При всяком круговом движении,- говорит псевдо-Аристотель,- путь радиуса криволинейный и, следовательно, происходят два движения: одно в сторону - движение согласное природе, другое к центру - против природы. При малом радиусе движение против природы сильнее (чем при большом), точка сильнее гонится, так как ближе к тянущему центру".

Далее в "Механических проблемах" дискутируется вопрос, который вызывал такие большие споры в XVII и XVIII вв., вопрос о различии действия давления и удара. "Почему, если приложить к дереву топор и на топор положить тяжёлый груз, дерево будет повреждено очень мало, тогда как, если поднять топор и без груза ударить по дереву, дерево расколется, хотя падающий вес будет много слабее давящего?" Однако, удовлетворительного ответа на вопрос псевдо-Аристотель, конечно, дать не может - вопрос требует глубокого изучения превращения движений. Отметим, однако, что уже в сочинении "О небе" Аристотель дал в качестве меры силы mv.

Подход к задаче рычага и у самого Аристотеля, и его последователей был динамическим. Но как раз для динамики ещё не было достаточно материала. Аристотель принимал два рода движений в природе: естественные и насильственные. Естественные движения - это вертикальные падения тел, происходящие в силу начала тяжести, и вертикальные подъёмы абсолютно v лёгких тел. Все прочие движения - насильственные. Без действия сил тело покоится - такова формулировка первой половины закона инерции, данная Аристотелем. Но стрела, выпущенная из лука, продолжает лететь дальше, хотя действие лука уже кончилось. Обобщить закон инерции на случай движения Аристотель не может. Он спрашивает: "Почему тело продолжает двигаться после того, как движущая причина не следует за ним и издали не действует? Не очевидно ли, что первый толчок действует на другое тело, это опять на другое, а когда передача не может иметь места, должен наступить покой". "Почему брошенное тело приходит, наконец, в покой? Не потому ли, что сила слабеет и, наконец, прекращается, или от противодействия, или вследствие тяжести, когда тяжесть побеждает силу или вообще самый вопрос, не обращающий внимания на главную причину, не подходящ?"

Не будем осуждать Аристотеля за его блуждания в законе инерции. Скажем здесь наперёд, что установление закона потребовало напряжённой работы таких деятелей, как Леонардо да Винчи, Бендетти, Галилея и, наконец, Декарта. Только в общей теории относительности была предпринята попытка объяснить, почему тело, предоставленное самому себе, "стремится" сохранить свою скорость по величине и направлению.

Изучая естественные движения, Аристотель - этот не только гениальный мыслитель, но и гениальный наблюдатель - заметил, что скорость падающих тел возрастает по мере приближения к земле. Многие авторы упрекают Аристотеля за то, что он не постарался уточнить наблюдение и не исследовал, как именно возрастает. Но даже имея в своём распоряжении метроном и машину Атвуда, обладая уже известным законом падения, современный студент с трудом проверяет закон. Следовательно, упрёк -Аристотелю по меньшей мере несправедлив. Более правильным является упрёк, предъявленный к другому наблюдению Аристотеля: различные тела падают с различными скоростями. Аристотель поспешил сделать вывод, что скорость тел пропорциональна их весу. Между тем этот вывод нетрудно опровергнуть не только простым экспериментом, но и логическим рассуждением. Ведь два кирпича, положенные друг на друга, должны, по Аристотелю, падать и с одной и с двойной скоростью. Приходится удивляться инерции человеческой мысли: наука дожидалась Галилея, чтобы опровергнуть многовековое заблуждение.

На этом мы и закончим обзор механики Аристотеля. Переходя к другим его результатам, укажем прежде всего на его правильный вывод, что воздух имеет вес. Этот вывод из натурфилософских концепций (элементы!) Аристотель подкрепляет наблюдением: надутый пузырь весит больше, чем сморщенный. Однако Аристотель не в состоянии объяснить, почему надутый пузырь плавает, а не надутый идёт ко дну. Упомянем ещё о странном утверждении Аристотеля: сосуд, наполненный пеплом, вмещает столько же воды, сколько пустой. Только в эпоху полного пренебрежения опытом могли быть сделаны столь безответственные выводы.

Воззрения Аристотеля в других областях физики больше относятся к его натурфилософии, чем к физике. Но и здесь мы можем выделить его акустику. В дальнейшем мы увидим, что древние атомисты рассматривали звук, теплоту, цвет, магнетизм как субстанции. Аристотель рассматривает звук как движение. Воздух приводится звучащим телом в движение толчками, растягиваясь и сжимаясь по всем направлениям. "Эхо возникает, когда воздух встречает на пути своего движения стену; и отбрасывается назад подобно мячу". Отметим глубокую мысль Аристотеля, что воздух сам по себе беззвучен и звук возникает при ударе воздуха о препятствие.

Теплоту Аристотель рассматривает как качество. Это качество навязывается одним телам извне, другим по природе. "Одно тело имеет теплоту случайно, не по своей природе, совершенно так, как в случае, если бы больной лихорадкой был музыкантом и кто-нибудь сказал, что музыкант теплее человека, обладающего здоровой теплотой. Между телами, из которых одно обладает собственной теплотой и другое нагрето случайно, первое охлаждается медленнее, второе же теплее на ощупь. С другой стороны, тело, обладающее собственной теплотой, жжёт сильнее; например, огонь обжигает сильнее кипящей воды, хотя кипящая вода на ощупь горячее, обладая случайной теплотой".

В оптике отметим прежде всего критику Аристотелем субъективной теории света пифагорейцев и Платона. "Если бы видение зависело от света исходящего из глаза, как из фонаря, то почему бы нам не видеть в темноте". Глаз, по Аристотелю, не огненной породы, как это должно бы быть по субъективной теории), а водяной. Аристотель считает необходимостью существование среды для света. Среда обладает возможностью (потенцией) пропускать свет, быть прозрачной. Осуществление этой возможности и есть свет. Свет есть "акт прозрачного, как такового". Без среды не может быть и видения. Цвет - это не объективное качество предметов, это видимость предметов, обусловленная смешением светлого и тёмного. Чёрный цвет противоположен белому. При смешении этих основных цветов в зависимости от пропорции получаем разные цвета.

На этом мы закончим обзор результатов физики до-александрийской эпохи. Это, как мы видим, отдельные, эмпирически найденные результаты. Только Аристотель поднялся на высоту теоретических обобщений.

Систематическая механика и оптика - продукт александрийского периода, к обзору которого мы и переходим.