На протяжении почти двух тысячелетий образ античного ученого Архимеда, овеянный мифами и легендами, привлекает к себе  внимание человечества, а расположенный на побережье Сицилии небольшой городок Сиракузы у  большинства ассоциируется с жизнью и драматической гибелью Архимеда. Потомки так и не возвели этому ученому достойного памятника,  но истинным памятником ученому стала его мировая известность.

Легенда о сожжении Архимедом вражеского флота с помощью конструкции из зеркал на протяжении длительного времени воспринималась как фантазия, и неоднократно подвергалась ожесточенной критике. Эта легенда удивительна, поэтому жаркие споры вокруг нее не утихают до сих пор и заставляют ученых вновь и вновь обращаться к экспериментам для ее проверки.

Легенда о сожжении Архимедом вражеского флота с помощью конструкции из зеркал на протяжении длительного времени воспринималась как фантазия, и неоднократно подвергалась ожесточенной критике. Эта легенда удивительна, поэтому жаркие споры вокруг нее не утихают до сих пор и заставляют ученых вновь и вновь обращаться к экспериментам для ее проверки.

Римский флот в огненных лучах

В историю оптики Архимед вошел как легендарный изобретатель солнечного оружия, представляющего собой составное отражающее зеркало (или систему зеркал), с помощью которого он (по легенде) сжег римский флот при осаде Сиракуз во время II Пунической войны. Если это так, то Архимед за два тысячелетия предвосхитил создание лазерного оружия. Многие историки на протяжении веков высказывали сомнения в достоверности этой легенды. Дошедшие до нас свидетельства об осаде Сиракуз принадлежат нескольким авторам: Полибию (VII, 5-7), а также Плутарху и Плинию Старшему, которые, по-видимому, заимствовали сведения у Полибия. При этом никто из них не жил во времена Архимеда. «Архимед   самым невероятным образом сжег римский флот. Направив особое зеркало на Солнце, он собрал пучки его лучей и, благодаря толщине и гладкости зеркала, сумел зажечь солнечным светом воздух так, что возникло колоссальное пламя. Он направил лучи на стоявшие на якоре корабли, и они сгорели дотла». 

Согласно другому описанию хрониста Ионнеса Цеци (конец XII в.), ссылавшегося на греческого историка Диодора Сицилийского (I в. до н.э.), «когда Марцелл убрал корабли на расстояние, превышающее полет стрелы, старец соорудил особое шестиугольное зеркало; на расстоянии, пропорциональном размеру зеркала, он расположил похожие четырехугольные зеркала, которые можно было перемещать с помощью специальных рычагов и шарниров. Зеркало он обратил к полуденному Солнцу и, когда пучки лучей отразились в нем, огромное пламя вспыхнуло на кораблях и с расстояния полета стрелы превратило их в пепел».

По сведениям греческого писателя Лукиана (II в. н.э.) Архимед построил шестиугольное зеркало, набранное из небольших четырехугольных зеркал. Каждое из них было закреплено на шарнирах и приводилось в движение цепным приводом. Благодаря этому углы поворота зеркал можно было подобрать таким образом, чтобы отраженные солнечные лучи сфокусировались в точке, находящейся на расстоянии триста локтей, что равно примерно ста пятидесяти метрам. Эти свидетельства заслуживают комментариев. Во-первых, сожжению римского флота, несомненно, предшествовали расчеты, в которых проявился математический гений Архимеда. Во-вторых, многочисленные источники свидетельствуют об использовании Архимедом не одного, а нескольких зеркал. Его глубокие знания в катоптрике и изучение выпуклых и вогнутых зеркал приводят к выводу, что используемые им зеркала не были плоскими. В-третьих,  фантастическая идея Архимеда произвела на ученые умы столь потрясающее впечатление, что с десяток последователей старались повторить его изобретение.

Световое послание на Луну

Во II веке до н.э. Диоклий в работе Зажигательные зеркала отмечал, что поверхность, являющаяся параболоидом вращения, отражает солнечные лучи в одну точку. О зажигательных зеркалах писали Лусиан из Самосата и Клавдий Гален. Еще раньше, в VI в. до н.э. в Китае использовались зажигательные стекла, изготовлявшиеся из горного хрусталя. Они назвались “огненными жемчужинами” и применялись в весенние праздники для получения “нового” годового огня. По свидетельству византийского историка Иоханнеса Зонараса (1118 г.) Архимед сначала использовал «железную Руку» против кораблей, а лишь затем сжег их с помощью зеркал. Зонарас также отмечал, что Прокл «направил на вражеские корабли от поверхности отражающих зеркал столько жара, что обратил их в пепел». По всей видимости, Прокл использовал несколько человек, направляющих зеркала на корабли, а не составное зеркало, которое было изобретено его учеником Анфимием.

Известно еще об одном применении зажигательных зеркал в античные времена. Во время сражения на атлантическом побережье Испании зеркала были установлены на кораблях защитников храма Геркулеса в Гадизе, колонии финикийцев, и использованы в морском сражении против кораблей испанского короля Терона. Его корабли были сожжены «лучами, окружающими солнечный диск». Исследователем арабских рукописей Рошиди Рашидом недавно были обнаружены труды багдадского математика и физика Ибн Сахла, относящиеся к X веку и посвященные зажигательным зеркалам и линзам. Полученные сведения позволяют отнести открытие закона преломления на шесть веков до Снеллиуса, давшего имя этому закону. Известный философ Аль Фараби (870-950 гг) в трактате «Книга духовных искусных приемов и природных тайн о тонкостях геометрических фигур» сообщает о действии зажигательных зеркал.

В XI веке для подтверждения достоверности легенды об Архимеде эксперименты с зажигательными зеркалами были выполнены Михаилом Пселосом.  Задолго до этого арабским писателем Альхазеном (965-1039) в книге об оптике, опубликованной на латинском языке в 1572 г., была приведена иллюстрация, изображающая солнечные лучи, отраженные от составных зеркал Архимеда, сжигающие римский флот в Сиракузах. Знакомство с книгой Альхазена оказало большое влияние на Роджера Бекона (1214-1292), который сконструировал собственное зажигательное зеркало. Другой известный оптик XIII века Вителло, автор 10-томного манускрипта по оптике, посвятил 9-й том описанию зажигательных зеркал.

Леонардо да Винчи также оставил ряд свидетельств тщательного изучения работ великого грека. Ему могли быть доступны латинские копии работ Архимеда в средневековых переводах Мербека и в переводе эпохи Возрождения, принадлежащим Якопо ди Кремона. На листах кодекса Арундела и Атлантического кодекса была найдена оптическая схема, навеянная размышлениями о зажигательных лучах и проекты параболических зеркал для использования солнечной энергии. В 1550 г. известный ученый эпохи Возрождения Джеромо Кардано в грандиозной энциклопедии обсуждал возможности эффективного использования зажигательных зеркал в экспериментах Архимеда. В 1589 г. другой энциклопедист Порта, упоминая зажигательные зеркала Архимеда, сообщал о своем изобретении эффективных зеркал, с помощью которых можно на поверхность Луны спроецировать сфокусированный луч света и даже отправить туда световое послание.

Другой энциклопедист эпохи Возрождения Афанасий Кирхер обобщил все известные сведения о зажигательных зеркалах, и даже экспериментировал одновременно с пятью зеркалами, направляя их в одно место. С расстояния примерно 30 м ему удавалось зажечь горючие вещества. Увлеченный легендой об Архимеде, он посетил Сиракузы, чтобы ознакомиться с местом давно минувших событий.

Ученый спор и поиски истины

Рене Декарт (1596-1650 гг.) теоретически опроверг возможность поджечь корабли с помощью зеркал. В своей «Диоптрике» он утверждал, что свести солнечные лучи в точку, также как и создать параллельный пучок жгущих лучей, невозможно. Поскольку Солнце не точечный источник, а диск с видимым угловым поперечником в 32´, то любая точка зеркала отражает не луч, а конус лучей, пришедших из разных точек солнечного диска, имеющий при вершине угол 32´. Поэтому размер отражения, отброшенного зеркалом, независимо от его формы не может быть меньше хорды дуги 32´, и, чем дальше «зайчик» будет от зеркала, тем он будет крупнее, и тем меньшей при той же площади зеркала окажется его освещенность. «Зажигательное зеркало, диаметр которого меньше, чем сотая часть расстояния между ним и местом, где сосредотачиваются солнечные лучи…даже, если бы оно было отшлифовано ангелом, не может…нагреть то место больше, чем лучи, излучаемые непосредственно солнцем». Действительно, tg32´=0,01 и при таких соотношениях наименьший теоретически возможный размер «зайчика» будет не меньше поперечника зеркала, и их освещенности сравняются. Далее Декарт добавляет: «Только люди, не слишком сведущие в оптике, убеждены в реальности многих небылиц; эти зеркала, с помощью которых Архимед якобы сжег издали корабли, либо были чрезвычайно велики, либо, что вероятнее, вовсе не существовали». Авторитет Декарта и строгость его анализа привели к тому, что к середине XVIII в. зеркала Архимеда стали воспринимать как легенду.
Однако практические достижения французского ученого Жоржа Луи Бюффона опровергли эти выводы. В 1747 г. он опубликовал мемуары «Изобретение зеркал для воспламенения предметов на больших расстояниях». Бюффон начал с выбора материала для зеркал: «Сначала я исследовал, насколько ослабевает солнечный луч при отражении на различные расстояния, и какие вещества отражают сильнее всего…Я нашел, что даже не очень тщательно отполированные амальгамированные зеркала несравненно лучше отражают свет, чем любые, прекрасно отполированные металлы». Затем Бюффон провел серию фотометрических экспериментов: «Я поместился напротив стеклянного зеркала с книгой в руке в комнате, где царила совершенная ночь, и где я не мог различить ни одного предмета; в соседней комнате на расстоянии примерно 40 футов я велел зажечь одну свечу; ее приближали ко мне до тех пор, пока я не стал различать буквы… В этот момент расстояние от свечи до книги составляло 24 фута. Затем, повернув книгу в сторону зеркала, я пытался читать с помощью этого же, но уже отраженного света. Я велел при этом заслонить ширмой часть прямого света, не попадавшего на зеркало, чтобы на книгу падал только отраженный свет. Свечу пришлось приблизить, что делалось постепенно до тех пор, пока я не смог читать те же буквы, освещенные отраженным светом; теперь расстояние от книги до свечи, включая расстояние от книги до зеркала… равнялось 15 футам… Отсюда я вывел, что сила прямого света относится к силе отраженного как 576 к 225. таким образом, действие света пяти свечей, отраженного плоским зеркалом, приблизительно равно действию прямого света двух свечей».
Выбрав в качестве основы стеклянные зеркала, Бюффон решил воспользоваться для концентрации света группой плоских зеркал. Он соединил 168 отдельных отражательных зеркал и сфокусировал их в одну зону. 23 марта 1747 г. в полдень он зажег березовую доску с расстояния 20 м с помощью 40 зеркал, а час спустя – с 40 м с помощью 98 зеркал. В полдень 10 апреля он достиг большего результата: зажег сосновую доску с расстояния 50 м с помощью 150 зеркал. Проводя свои эксперименты весной, Бюффон был уверен, что летом такой эффект можно получить на расстоянии более 100 м.. «Для установки зеркала и совмещения всех отражений в одной точке требовалось около получаса, после чего им можно было пользоваться в любой момент, стоит лишь сдвинуть занавеску. Описанные мною опыты были проведены публично в Саду короля (Парижском ботаническом саду, директором которого Бюффон был с 1739 г.) на горизонтальной площадке». Зеркало, которое построил Бюффон, действительно могло быть в эпоху Архимеда реальным боевым оружием.
После успешных экспериментов Бюффона мнение о реальности сожжения римского флота Архимедом возросло. Большое влияние на это оказал пропагандист научного подвига Архимеда французский историк Луи Дютан, опубликовавший в 1768 г. отрывки из сочинений Анфимия «О чудесных механизмах». Опыты Бюффона вызвали большой интерес, в том числе в России. В 1741 г. М.В. Ломоносовым была составлена диссертация «Рассуждения о катоптрико-диоптрическом зажигательном инструменте». Инструмент Ломоносова состоял из ряда зеркал, которые направляли солнечные лучи на линзы, сводящие их в одну точку. Ломоносов так формулировал цель работы: «Вознамерившись ввести в область химии приборы физиков, а также истины, ими открытые, чтобы до известной степени облегчить трудности, встречающиеся в этой науке  я счел за благо, по мере сил моих, уничтожить каким-либо способом упомянутые трудности и попытаться увеличить зажигательную силу этих приборов, которые прославлены столькими работниками, двинувшими вперед естествознание и которые, я не сомневаюсь, придут на помощь в химических работах, требующих сильного огня…». В инструкции Петербургской академии наук, данной 11 августа 1747 г. советнику И.И. Таубергу, уезжавшему во Францию, наряду с другими поручениями предлагалось «проведать о нововымышленном в Париже зеркале».

Изобретение «велосипеда», или новые опыты ученых…

В последующие годы было сделано много подобных экспериментов, демонстрирующих интерес к проблеме зажигательных зеркал. Одна из последних серий экспериментов выполнена в недавнем прошлом греческим инженером Иоаннисом Сакасом. Сакас ничего не знал о последователях Архимеда и, приступая к самостоятельным исследованиям с зажигательными зеркалами, был уверен, что воспроизводит их впервые. Он полагал, что Архимед в качестве зеркал использовал большие плоские щиты воинов, изготовленные из меди и отполированные до блеска. Сакас оценил, что для воспламенения корабля на расстоянии 30-40 м потребуется 50 зеркал, а при расстоянии 100 м (дальность полета стрелы) – 200 зеркал. Он также отдавал дань эффекту внезапности, поскольку римляне во время осады Сиракуз не могли заметить никакой предварительной подготовки со стороны осаждаемых.
Для экспериментов Сакаса было изготовлено 200 зеркал высотой 1.7 м и шириной 0.7 м. Их основой было стекло, покрытое медной фольгой. Окончательный эксперимент проводился 3 ноября 1973 г. в заливе Кепал в порту Скараманга на территории морской базы вблизи Афин. Было привлечено 70 матросов, каждый из которых направлял свое зеркало на цель, расположенную на расстоянии 55 м. Целью служила деревянная лодка длиной 2,3 м, покрытая смолой. Лодка задымилась через несколько секунд после наведения на нее зеркал, а через три минуты воспламенилась. Так, спустя 2186 лет была убедительно подтверждена достоверность легенды о зажигательных зеркалах Архимеда.
На этом эксперименты по проверке легенды не окончились. 15 сентября 2002 г. 500 человек с помощью зеркал размером 45×45 см каждое воспламенили корабельный парус с расстояния в 50 м за несколько секунд, при этом фокусе зеркал энергия достигала 500 кВ. Синхронность в работе зеркал была обеспечена немецким инженером П. Рихтером, а расчеты выполнены Е. Бучхольцом [Simms]. Дж. Хант, обобщая последнюю серию проверок легенды, приходит к выводу о ее реальности, хотя досконально условия, при которых был сожжен римский флот, нам неизвестны.

Так сжег ли Архимед  вражеский флот?
Недавно в газете Arab Times было опубликована статья Э. Газел о находке в музее Tareq Rajab старинной арабской рукописи 902 г., являющейся переводом греческой рукописи о зажигательных зеркалах. Она посвящена развитию теории конических сечений и катоптрики (наука об отражении света от зеркальных поверхностей), о чем писал в своей книге Архимед, в частности, о связи геометрических построений параболы и гиперболы с оптикой. За этим стоит глубокий интерес античных ученых к возможности фокусировки солнечных лучей в одной точке. А это ключ к разгадке.
Если подытожить приведенные факты, то основным возражением против реальности легенды остается отсутствие строгих свидетельств об использовании зеркал при осаде Сиракуз в трех дошедших до нас описаниях осады – Полибия, Тита Ливия и Плутарха. Объяснением этому может быть крайняя недоверчивость этих историков к высокой эффективности зажигательных зеркал.
С другой стороны, физический принцип, положенный в основу зажигательных зеркал не вызывает сомнений. Радиус их действия, равный дальности полета стрелы (50-100 м), не только представляется технически осуществимым, но и был многократно и в разное время подтвержден рядом экспериментаторов. Анализ расположения гавани Сиракуз относительно расположения солнца таково, что солнце светило со стороны моря, и условия для применения зеркал были оптимальными. И, наконец, фигура гениального Архимеда, посвятившего себя решению многих математических и оптических задач, связанных, в частности, с отражением и фокусировкой света от зеркал, является одним из главных аргументов в пользу реальности легенды.

Забытый гений 
Несмотря на военные заслуги и мировую славу математика, механика и оптика Архимед  после смерти скоро был забыт. Римляне, понесшие во время длительной осады большие потери, не могли простить это Архимеду, а распространение его трудов могло стать поводом для обвинения во враждебном отношении к Риму. Плутарх, желая обелить Марцелла, зверства которого в других побежденных городах были известны, утверждал, что тот был огорчен гибелью Архимеда. В знак глубочайшего уважения он приказал воздвигнуть в его память монумент, исполнив последнюю просьбу автора замечательных открытий. Архимед завещал начертить на своем надгробии цилиндр со вписанным в него шаром, и указать отношения их объемов (3:2). Это отношение поражало Архимеда своим совершенством. Заметим, что объем цилиндра относится к объемам вписанных в него шара и конуса как 3:2:1, «являя пример научной красоты, как обретение неочевидной истины», которую так высоко ценил Архимед.

Из разграбленных Сиракуз Марцелл вывез две сферы, изготовленные Архимедом. Более крупную и совершенную из них он передал в храм Добродетели, а меньшую он использовал для украшения своего дома. Эти сферы демонстрировали смену дня и ночи, движения планет, затмения Луны, Солнца и фазы Луны. Архимед описал свое творение в книге «Об изготовлении небесной сферы», известной нам по ссылкам. Спустя почти столетия после гибели Архимеда эту сферу увидел в доме правнука Марцелла выдающийся римский писатель и политик Цицерон. Она произвела на него такое впечатление, что, находясь в Сицилии, он решил заехать в Сиракузы и отыскать могилу Архимеда.

«Я с любопытством осведомился о могиле Архимеда в Сиракузах», – писал Цицерон в своих «Тускуланских беседах». «Но оказалось, что здешние люди так мало знали об этом, что утверждали, что от его могилы не осталось никакого следа. Однако я продолжал поиски…». Выйдя из ворот Сиракуз, Цицерон обнаружил пустырь со множеством могил. Он долго бродил среди чертополоха, пока не заметил небольшую колонну. На ней был изображен шар и цилиндр! Перед ним была могила великого грека. Часть надписи еще можно было прочесть, остальное стерло время.

http://www.21mm.ru/item/113/