Глава 5. Архимед-астроном
Тит Ливий, как уже говорилось, назвал Архимеда "единственным в своем роде наблюдателем неба и звезд". И хотя астрономические сочинения ученого до нас не дошли, можно не сомневаться, что эта характеристика не случайна. Через четыре столетия после Архимеда на него ссылается наряду с Гиппархом великий астроном античности Клавдий Птолемей (70...147) в связи с определением длины года. Значит, полученные Архимедом результаты были известны и оставались ценными для астрономов последующей эпохи. То, что осталось от астрономических сочинений Архимеда, разумеется, характеризует его вклад в астрономию далеко не полностью.
Мы знаем всего о трех астрономических работах ученого.
Во-первых, сам Архимед вскользь рассказал о своих измерениях углового диаметра Солнца и коснулся других астрономических вопросов в арифметическом сочинении "Псаммит". Во-вторых, христианский автор III в. Ипполит привел в своей книге "Опровержение всех ересей" значения расстояний между орбитами некоторых планет, взятых из какой-то утерянной позже работы Архимеда.
Наконец, в-третьих, сохранилось четыре разделенных столетиями упоминания о "небесном глобусе" Архимеда - своеобразном планетарии, который был одним из замечательных произведений античной механики.
"Псаммит" и античная астрономия
Слово "псаммит" обычно переводят как "исчисление песчинок". Оно имеет астрономическое содержание и арифметический характер, причем основной решаемой здесь задачей является описание изобретенного Архимедом способа записи очень больших, мы бы сказали, астрономических чисел и демонстрация действий с ними. Мы остановимся в основном на астрономических сторонах этой работы Архимеда.
"Псаммит" - одно из поздних произведений ученого, в котором он по существу пытался определить размеры солнечной системы (или, по представлениям того времени, размеры вселенной). Оно посвящено Гелону, сыну и соправителю Гиерона.
"Как ты знаешь, - обращается Архимед к Гелону, - большинство астрономов называют миром шар, центр которого совпадает с центром Земли, а радиус равен прямой, заключенной между центрами Солнца и Земли... Но Аристарх Самосский выпустил в свет книгу о некоторых гипотезах, из которых следует, что мир гораздо больше, чем понимают обычно. Действительно, он предполагает, что неподвижные звезды и Солнце находятся в покое, а Земля обращается по окружности круга... между Солнцем и неподвижными звездами, а сфера звезд... так велика, что круг, по которому... обращается Земля, так же относится к расстоянию до неподвижных звезд, как центр сферы к ее поверхности".
О каких системах мира говорит здесь Архимед?
Античные ученые достигли поразительных результатов в геометрическом истолковании видимых движений небесных тел, оказав огромное влияние на последующее развитие астрономии и смежных наук.
Представления о шарообразности Земли и окружающей ее вселенной возникли в Греции в VII...VI вв. до н.э. При этом считалось, что шарообразный мир находился в непрерывном вращении.
Такая модель мира хорошо отражает суточное вращение неба. Ведь звезды находятся так далеко, что их взаимные перемещения научились улавливать только в середине прошлого века. Небесный свод ведет себя как цельная сфера, которая вращается вокруг "оси мира", проходящей через центр Земли.
Первая научная гипотеза о строении вселенной принадлежала школе Пифагора, возникшей в V в. до н.э. Она хорошо объясняла движение Солнца и изменение длительности дня в зависимости от времени года. Об этой гипотезе мы знаем только из более поздних упоминаний, и неизвестно, насколько детально она была разработана. Самым замечательным с современной точки зрения в ней было утверждение, согласно которому Земля вращается вокруг своей оси и движение Небес есть не что иное, как обман чувств. От этого утверждения потом отказались многие астрономы и философы.
Вообще же представления пифагорейцев сильно отличались от наших. В середине вселенной он поместил "центральный огонь", который назвал в честь богини священного огня Гестией. Солнце было лишь зеркалом, отражавшим свет Гестии. Но центр Земли по необходимости должен был тоже находиться в центре мира. Как совместить эти, казалось бы, несовместимые условия? И было предположено, что Земля не представляет собой единого тела, а состоит из двух независимых полушарий - Земли и Антиземли (Антихтона), разделенных по экватору неким просветом, через который жар священного пламени распространялся на небосвод. Античных географов такое предположение не смущало, так как считалось, что в районе экватора расположен необитаемый выжженный пояс. Наличие огня внутри Земли подтверждали вулканы. Так что гипотеза была по-своему стройной и логичной. Интересно, что во времена Архимеда у нее еще были приверженцы.
В V в. до н.э. в астрономических представлениях греков произошли существенные изменения. Во-первых, афинские астрономы Метон и Евктемон открыли, что дни весеннего и осеннего равноденствия делят год не на равные части. Это значит, что Солнце движется по небесному своду с непостоянной скоростью. Во-вторых, в Греции стали более широко известны результаты изучения движения планет, которое вели вавилонские астрономы. Вавилоняне открыли, что планеты движутся среди звезд неравномерно, иногда останавливаются, делают попятные движения. Астрономы Вавилона знали и отклонения Луны и планет от эклиптики по широте.
Эта запутанная картина наблюдаемых движений светил требовала осмысления. Платон, считавший небо средоточием совершенства, а равномерное вращение совершеннейшим из всех видов движений, поставил задачу объяснения движения светил, исходя из равномерных вращений.
Первым эту задачу решил ученик Платона - знаменитый геометр Евдокс Книдский (408...355 гг. до н.э.).
По Евдоксу, Земля висела в центре мира, окруженная серией вложенных друг в друга концентрических сфер. Последователи Аристотеля считали сферы хрустальными, но для самого Евдокса они, скорее всего, были лишь математическими абстракциями. Светило располагалось на поверхности сферы, ось вращения которой наклонно закреплялась на следующей сфере и т.д. Сложение ряда вращений, происходящих в разных плоскостях, давало качественно верную картину небесных движений.
Но поскольку центры всех сфер совпадали с центром Земли, расстояние от нее до любого из светил считалось постоянным. Поэтому увеличение яркости Марса во время противостояний, свидетельствовавшее как будто о приближении планеты к Земле, в системе Евдокса не находило объяснения.
Младший современник Евдокса - Гераклид Понтийский (388...315 гг. до н.э.) объяснил это явление, построив систему, которая более правильно описывала мир. Его модель содержала элементы гелиоцентрической системы. Исходя из того что Меркурий и Венера никогда не отходят от Солнца дальше, чем на дугу определенного значения (Меркурий не переходит рубежа в 22°, а Венера - в 46°), Гераклид предположил, что они обращаются вокруг Солнца. Так, Гераклид ввел в астрономию понятие эпициклического движения, т.е. кругового обращения небесного тела относительно центра, который в свою очередь обращается вокруг Земли. По-видимому, по этим представлениям, вокруг Солнца обращался также Марс, а возможно, и остальные планеты. Их орбиты по отношению к Земле получались эксцентричными, причем равномерное движение по эксцентричной окружности хорошо объясняло непостоянство наблюдаемой с Земли скорости и попятные движения планет. Подобно Филолаю, Гераклид считал, что Земля вращается вокруг оси.
С точки зрения кинематики совершенно безразлично, обращается ли Земля вокруг Солнца или Солнце вокруг Земли, - расстояние между ними остается неизменным. Вопрос, находится ли Земля в центре мира, всегда упирался в поведение "сферы неподвижных звезд". Она ведет себя так, словно ее центр совпадает с центром Земли (звезды неизменно сохраняют свое взаимное расположение). Простые законы перспективы указывают на то, что если бы Земля перемещалась внутри этой сферы, то созвездия, к которым она приближается, казались крупнее, в то время как на противоположной стороне неба созвездия выглядели бы "сжимающимися". Отсутствие таких явлений объяснялось расположением Земли в центре мира. Как потом стало ясно, это в действительности объясняется тем, что расстояния до звезд очень велики.