Начало научно-технических знаний в трудах Архимеда

Введение

Актуальность работы
Актуальность рассматриваемой темы обусловлена тем, что философия техники непременно должна основываться на истории техники как на своеобразной эмпирической данности, иначе она окажется без конкретного исторического основания, грубо говоря, окажется «подвешенной в воздухе». Ведь наука и техника суть явления конкретно-исторические, в своем развитии проходящие ряд качественно различных этапов. Таким образом, только из анализа возникновения и развития техники в тот или иной исторический период можно сделать выводы о природе, сущности, роли техники в жизни человека и социума.
В развитии технических знаний выделяют четыре основных этапа: донаучный, зарождение технических наук, классический, этап научно-технической революции. Первые два этапа можно определить как имплицитные, соответственно, третий и четвертый – как эксплицитные. Данная периодизация истории техники прекрасно ложится на разработанную академиком В.С. Степиным (род. 1934) периодизацию истории формирования и развития науки: первые два этапа соответствуют стадию зарождающейся науки (преднауки), а третий и четвертый этапы – стадию науки в собственном смысле слове, т.е. классической науки, возникшей в Новое время.
Зарождение первых форм научного теоретического и технического знания традиционно связывают с античностью. Именно в эту эпоху возникают первые элементы научно-технического знания. В этом отношении большой исследовательский интерес представляет изучение наследия выдающегося математика, физика, инженера, астронома Архимеда (287 – 212 гг. до н.э.), чей вклад в развитие технических знаний неоспорим, чье творчество на долгие века определило судьбу науки.
Степень научной разработанности
Имя Архимеда известно каждому человеку, однако история сохранила немного свидетельств о его жизни и творчестве, во многом благодаря античным историкам и хронистам. К тому же от самого Архимеда сохранилось не так много сочинений, да и, судя по всему, сам ученый не описывал своих физических опытов. Именно этими моментами объясняется активное исследовательское изучение жизни и творчества ученого.
В отечественной философии науки и техники особый интерес к фигуре Архимеда и изучению его научного и технического наследия проявили советские исследователи. Книга «Архимед» известного советского историка античности С.Я. Лурье (1890 – 1964) представляет собой образцовое историко-критическое исследование. Нельзя не отметить работы известных отечественных математиков и историков науки В.Ф. Кагана (1869 – 1953), Башмаковой И.Г. (1921 – 2005), которые не только обрисовывают историческую эпоху времен Архимеда, но и подробно излагают математические проблемы, рассматриваемые ученым. Пожалуй, самыми ценными по своему содержанию являются исследовательские монографии двух авторов: Н.И. Веселовского (1892 – 1977), благодаря которому нам известна подробная творческая биография Архимеда, под его же редакцией вышел перевод сохранившихся сочинений ученого, и С.В. Житомирского (1929 – 2004), автора научно-познавательной работы об Архимеде. На современном этапе развития философии науки и техники исследованию жизни и творчества Архимеда посвящен ряд статей С.Б. Бондаренко.

Достижения Архимеда в области математики огромны: он выступил как предшественник создателей методов дифференциального исчисления, а решая задачи на нахождение площадей и объемов, применял методы, которые позже (в конце ХVI – начале ХVII в.) были названы методами неделимых и исчерпывания и привели к созданию интегрального исчисления. Таким образом, в некоторых вопросах математики Архимед опередил свое время на восемнадцать столетий! Но не стоит забывать о том, что научное творчество великого древнегреческого ученого совершенно разнопланово: Архимед был не только выдающимся математиком, но и основоположником статики, гидростатики, математической физики, астрономом и замечательным инженером.
Более того, его творчество представляет собой один из первых образцов деятельности, в которых научная теория и техническая практика не просто соседствовали, а взаимно обогащали друг друга. Но основываясь на таких примерах, не стоит переоценивать вклад античной науки в развитие техники. Примеры таких ученых-изобретателей являются скорее исключением. Многие из их изобретений не получили широкого распространения, остались либо в виде прототипов, либо в виде развлекающих публику диковинок.
Многие работы Архимеда, к сожалению, утеряны, к тому же, сам Архимед не всегда записывал свои физические опыты, которые, несомненно, производил.
Объект исследования – научное творчество Архимеда
Предмет исследования – научно-технические разработки Архимеда.
Цель данного исследования – рассмотреть основные этапы теоретического и прикладного технического творчества Архимеда.
В связи с указанной целью были обозначены следующие задачи исследования:
Рассмотреть становление Архимеда как инженера и ученого.
Определить начала технических и научно-технических знаний в научном творчестве Архимеда.
Изучить основные достижения Архимеда в инженерии и разработке научных основ техники, определить их значение для развития современной науки.
Методы исследования. Написание данной работы требует как общенаучных (дедукция, анализ и синтез), так и специальных методов исследования, в частности, биографического, исторического методов и метода каузального анализа. В первой главе при описании жизни Архимеда использовались метод биографической реконструкции и исторический метод: первый позволил собрать разные сведения об ученом, второй – освятить исторические и культурные особенности эпохи, в которую жил ученый. При выявлении предпосылок становления Архимеда как инженера и ученого применялся метод каузального анализа. В последующих главах использовались исторический метод исследования, а также методы анализа и сравнения.

I. СТАНОВЛЕНИЕ АРХИМЕДА КАК ИНЖЕНЕРА И УЧЕНОГО

Хотя слава Архимеда как ученого и инженера никогда не прекращалась, сведений о его жизни сохранилось крайне мало. Это объясняется тем, что биография ученого, составленная его учеником Гераклидом, не сохранилась до наших дней. По этой причине сведения о жизни и научном творчестве Архимеда приходится черпать у античных историков и писателей, упоминавших о нем: например, у Диодора Сицилийского, Полибия, Тита Ливия, Плутарха [9, с. 10 – 11]. Соответственно, отталкиваясь от этих свидетельств, можно выстроить общую биографию ученого.
Наиболее достоверная дата в биографии Архимеда – дата его смерти (212 год до н.э.): он был убит при взятии Сиракуз римлянами во время второй Пунической войны Рима с Карфагеном. Известно, что сам Архимед активно участвовал в обороне города, а созданные им машины сделали Сиракузы неприступными для открытого штурма. Считается, что в момент смерти Архимеду было около 75 лет, тем самым, ориентировочная дата рождения ученого – 287 год до н.э.
Архимед родился в 287 году до н.э. в Сиракузах – богатом торговом городе в Сицилии, где и прожил почти всю свою жизнь. Ученый принадлежал к высшим слоям сиракузского общества. Его отцом был придворный астроном и математик Фидий (сам Архимед упоминает об этом в своем «Псаммите»), родственник Гиерокла II – тирана Сиракуз [6, с. 79]. Именно отец привил ребенку любовь к наукам, которая впоследствии переросла в дело всей жизни Архимеда.
Детство ученого пришлось на тот период, когда Пирр, царь Эпира и Македонии, талантливый полководец, вел войны с карфагенянами и римлянами, пытаясь создать греческое государство нового образца. Особо отличился в этой войне как раз Гиерон – родственник Архимеда, который стал впоследствии правителем Сиракуз.
Архимед учился в Египетской Александрии, которая в античном мире была научным и культурным центром. Там был организован Мусейон – сообщество ученых, которые посвятили себя научным исследованиям и получали от царя плату за свои занятия. Они изучали четыре дисциплины – литературу, математику, астрономию и медицину. Можно сказать, что Архимеду в определенном плане повезло: в то время Александрийская библиотека процветала, в ней было собрано около 700 000 рукописей. В библиотеке он знакомится с трудами греческих геометров, и эти знания очень пригодились ему в дальнейшем. В Египте, где Архимед установил научные контакты с выдающимися учеными того времени: Кононом Самосским (ок. 280 – ок. 220 гг. до н.э.), Эратосфеном Киренским (285 – 205 гг. до н.э.) и другими, с которыми, возвратившись домой, обменивался научными работами. По сути, много работ ученого написаны в форме научных писем. Эта встреча оказалась судьбоносной для Архимеда. Пример великих ученых заставил Архимеда развить свои выдающиеся таланты и способности.
Находясь в Александрии, Архимед овладел всем тем, чего достигли к тому времени математика, астрономия, физика. Тогда же Архимед проявил себя как выдающийся инженер и изобретатель. Так, будучи в Египте, Архимед изобрел бесконечный винт («улитка Архимеда») для вычерпывания воды.
После обучения Архимед вернулся на родной остров. Может быть, причиной уехать было то, что в Александрии царили лесть, заискивание, желание нравиться правителям Египта. А может быть в большей степени то, что Архимед не мог разделить модных в те времена воззрений на механику как на «ремесленный навык», достойный раба. А ведь механика все более влекла его к себе. Но связи с Александрийской школой он не прерывал. Сиракузы встретили его приветливо, - он ни в чем не нуждался и мог спокойно заниматься наукой. О жизни его в этот период известно немного. Еще при жизни ученого о нем начали слагать многочисленные легенды, а спустя многие столетия путаница лишь усилилась.
Архимед был убит римским воином во время второй Пунической войны. Правитель Сиракуз Гиерон II, ранее заключивший союз с Римом, перед своей смертью в 215 году до н.э. назначил своему внуку Гиерониму, будущему царю Сиракуз, опекунский совет, который должен был заботиться о сохранении союза с римлянами. Однако Гиероним быстро избавился от опекунов и взял в советники начальника карфагенского флота. Через год Гиероним был убит, и вся власть в городе перешла в руки прокарфагенской партии [6, с. 81]. Римляне, потеряв ключевого союзника, обладавшего мощным военным и техническим потенциалом, начали осаду Сиракуз [3, с. 511 – 517; 4, с. 175]. Оборону города возглавил Архимед, имевший славу лучшего инженера и эксперта по технике во всем античном Средиземноморье. Под руководством Архимеда была налажена отличная оборонительная стратегия с применением новейшей военной техники: его машины сокрушали все и вся на своем пути [4, с. 349]. Осада Сиракуз продолжалась около года, римляне смогли прорваться в город лишь тогда, когда большая часть жителей погибла, а в самом городе закончились вода и продовольствие и начались эпидемии. Рассказ о смерти ученого существует в нескольких версиях, но его главная мысль одна: Архимед был хладнокровно убит римским воином. Античные историки свидетельствуют, что римский военачальник Марцелл был огорчен этой новостью и велел устроить пышные похороны ученого [2, с. 352; 4, с. 217]. Впоследствии Цицерону удалось обнаружить полуразрушенного гробницу великого Архимеда [5, с. 342]. Римляне вывезли из Сиракуз огромные богатства, новейшую военную технику, рукописи и чертежи Архимеда [6, с. 82].
После небольшого биографического экскурса необходимо остановиться на раскрытии комплекса реальных исторических и научно-теоретических предпосылок формирования творческой личности Архимеда, предпосылок, создавших благоприятные условия для развития его способностей. Совершенно очевидно, что научные и технические достижения ученого имели релевантные социально-экономические, социокультурные и научно-теоретические предпосылки.

Социально-экономические причины
В первую очередь, необходимо рассмотреть социально-экономические и социокультурные предпосылки, детерминировавшие развитие способностей Архимеда и его становление как инженера и ученого.
Во-первых, надо иметь в виду, что родина Архимеда – город Сиракузы, основанный в VIII веке до н.э. греческим полисом Коринфом в качестве своей колонии, был одним из крупнейших городов эллинистического мира. Благодаря своим ресурсам и удобным морским гаваням Сиракузы прославились на весь античный мир исключительным богатством, что, конечно, не могло не привлечь другие народы в их стремлении овладеть городом и всей Сицилией в целом. Речь идет, в частности, о греках, карфагенянах и римлянах [9, с. 21]. Таким образом, Сиракузы обладали большим экономическим и материальным потенциалом, который можно было направить на создание передовой техники.
Во-вторых, нельзя забывать о том, что семья Архимеда принадлежала к высшим слоям общества Сиракуз, что обеспечило доступ ученому к широкому образовательному ресурсу

. В исследовательской литературе советского времени несколько раз обозначался тот момент, что Фидий, отец ученого, не принадлежал к высшим социальным слоям. Однако современные исследования ясно показывают, что это не так. В III в. до н.э. в греческих полисах сложилась довольно-таки своеобразная система разделения труда, в высших социальных кругах были представлены поэты, трагики, комедиографы, ораторы, историки, политологи, математики, механики, врачи, астрономы. Как раз отец Архимеда, Фидий, был при дворе Гиерокла математиком и астрономом, соответственно, ученый происходил из семьи с высоким социальным статусом [6, с. 79 – 80].
Отец оказал на ученого огромное влияние, именно он привил ему любовь к науке и всячески поощрял учебные и научные занятия сына. Очевидно, Архимед полностью усвоил от отца навыки в астрономии; тем не менее, он не сделал в этой области каких-либо выдающихся открытий, которые сохранились бы в памяти современников. Астрономические занятия Архимеда относятся к самой ранней эпохе его деятельности, еще к его пребыванию в Александрии. Вполне вероятно, что отец Архимеда хотел иметь в сыне своего продолжателя и готовил его в астрономы: для него геометрия была лишь вспомогательной наукой к астрономии. Поэтому Архимед и начал с астрономических занятий, но его природная склонность заставила его очень скоро перейти к другим занятиям – к занятиям математикой и механикой.
Третий социально-экономический фактор, который непосредственно детерминировал не только благоприятные условия для инженерной и научной деятельности Архимеда, но и его продвижение по социальной лестнице, - это деятельность Гиерона II. Отец Архимеда приходился родственником тирану. Гиерон оказывал всяческую поддержку ученому, к тому же именно во время его правления формируется менталитет и характер Архимеда. Этот правитель, обладая широкими полномочиями тирана, продолжил общую политику, направленную на развитие экономического, научного и культурного потенциала Сиракуз. Он сформировал ядро интеллектуальной и политической элиты Сиракуз, в которое, несомненно, включил Архимеда. Более того, он очень доверял Архимеду, давал ему самые сложные и ответственные задания в сфере инженерии [6, с. 80].
Ну и, наконец, нельзя забывать о том, что Архимед долгое время обучался в Александрии – крупнейшем мировом центре науки и культуры античного Средиземноморья. Здесь он изучал рукописи в Александрийском библиотеке – самом богатом в образовательном и научном плане научно-культурном институте. Здесь же Архимед познакомился с выдающимися учеными: Эратосфеном Киренским, Аристархом Самосским, Кононом Самосским и другими. После обучения Архимед вернулся в родные Сиракузы.
Здесь надо отметить, что Архимед не разделял взгляды своих друзей и очень отличался от них. Так, если бы он, будучи в Александрии, захотел идти по тому проторенному пути, по которому шли прочие математики, то он делал бы следующее:
1) подкреплял бы истины, открытые математиками V – IV вв. до н.э. при помощи метода неделимых, доказательствами методом исчерпания;
2) разрабатывал бы те области математики, которые не требуют примитивного интегрирования, например, теорию чисел;
3) занимался бы астрономическими наблюдениями, кладя в основу старую геоцентрическую систему Аристотеля;
4) писал бы стихи и философские исследования; здесь легче всего было польстить монарху, поддержать его политику и таким путем сделать себе придворную карьеру.
Этим путем как раз шли друзья и коллеги Архимеда – Конон и Эратосфен. Однако Архимед был настолько крупным и оригинальным мыслителем, что отказался следовать в этом за ними. К придворной карьере он не имел никакого вкуса, да и не нуждался в ней: как близкому родственнику сиракузского монарха, ему и без того были бы обеспечены все жизненные блага, если бы только он их добивался. Вдобавок Гиерон был человеком иного склада, чем Птолемеи (династия правителей Египта), и лесть при его дворе была не в моде. По-видимому, никакого интереса к философским рассуждениям и к поэтическому творчеству у Архимеда не было, хотя, с другой стороны он был, вероятно, неплохим версификатором.

Научно-теоретические причины
Собственно говоря, Александрия сыграла важную роль в становлении Архимеда как ученого. Все дело в том, что знакомство с Кононом и Эратосфеном, вероятно, послужило толчком к развитию огромных математических способностей Архимеда. По крайней мере, речь идет об эксплицитном выражении этих способностей, т.е. о написании математических трудов. Самое раннее из сохранившихся до наших дней сочинений Архимеда - «О квадратуре параболы» - было написано после 246 года до н.э., а значит, Архимеду на момент написания работы было больше сорока лет. Это дает нам основание полагать, что первоначально Архимед начал свою деятельность в области практической механики и инженерии.
Итак, ученый начал свою деятельность как инженер, изобретатель, создатель военных машин и фортификатор, реконструирующий укрепления родного города. Это было и в интересах правителя Сиракуз, Гиерона II, который был очень обеспокоен задачей сохранения независимости Сиракуз от Рима и Карфагена. Конечно, чисто теоретическими исследованиями Архимед не пренебрегал, но все же эти работы носили специальные характер и были посвящены инженерии и строительному делу. Основными теоретическими достижениями Архимеда в эти годы былиВведение

понятия центра тяжести и формулировка закона рычага.
Тяга к углублению теоретических знаний приводит Архимеда в Александрию. Именно там под несомненным влиянием Конона и Эратосфена он еще в большей степени заинтересовался математикой и математической физикой. Стоит отметить, что в области научной теории круг интересов Архимеда ограничивался математическими науками; судя по дошедшим до нас свидетельствам, Архимед не проявлял интереса к философии и гуманитарным наукам в принципе.
Уже, у себя на родине в Сиракузах, в течение пяти – десяти лет Архимед делает свои выдающиеся геометрические открытия, изложенные в посланиях Досифею. В следующий период своей деятельности ученый был занят решением задач математической физики (основы гидростатики, условия устойчивости плавающих тел), в которой Архимед был пионером. Вероятнее всего, в этот период он занимается и оптикой (написанная Архимедом работа «Катоптрика» до нас не дошла). Содержание последнего периода научной деятельности Архимеда составляют вычислительно астрономические работы. Все это время Архимед, видимо, не оставляет инженерной деятельности, применяя на практике выводы своих теоретических исследований.
На протяжении всей своей научной деятельности Архимед решил большое количество математических задач, сформулировал законы кинематики и гидростатики, применил винт для перекачивания воды, изобрел подъемный кран и множество видов катапульт, построил лабиринты в городских стенах, организовал массовое производство военной техники, сконструировал мощные редукторы, построил движущиеся модели небесной сферы [6, с. 81].
Иными словами, Архимед был всесторонне одаренным ученым, реализовавшим себя как в теоретической науке, так и в ее практическом выражении. Поэтому можно с полным основанием согласиться с мнением исследователей, что в Сиракузах ученый создал целый научно-технический комплекс с большим количеством мастерских наподобие современных лабораторий и конструкторских бюро. По своим качественным характеристикам этот мощный комплекс ни в чем не уступал, а даже превосходил подобные научно-исследовательские центры в Афинах, Риме и даже Александрии [7, с. 178].

II. НАЧАЛА ТЕХНИЧЕСКИХ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

Архимед, безусловно, занимает уникальное положение в истории античной науки. Дело здесь скорее не в том, что он был гениальным математиком и замечательным инженером, а в том, что с его именем связан переход от использования в технике отдельных научных знаний к построению цельной технической науки, основанной на теоретическом фундаменте. «Архимед, будучи величайшим ученым эпохи эллинизма, сумел осмыслить действия ряда элементарных механизмов и положил начала развитию теоретического механизма – науки, которая впоследствии стала решающим фактором научно-технического прогресса» [11, с. 89 – 90].
Опираясь на «Жизнь замечательных людей» Плутарха, иногда Архимеда рисуют исключительно как математика, не рассматривавшего инженерию и технику как самостоятельные формы научного самовыражения и обращавшегося к технике лишь тогда, когда родным Сиракузам грозила опасность [2, с. 348, 350 – 351]. Но дело обстоит иным образом. Да, действительно, инженерные разработки и технические достижения Архимеда времен осады Сиракуз в наибольшей степени демонстрируют его талант как техника и изобретателя, но нельзя забывать о том, что свою деятельность Архимед начал именно как инженер, конструктор и фортификатор, т.е. на поприще практической механики. Более того, будучи в Александрии и занимаясь там математикой, Архимед не оставлял прикладных занятий механикой и инженерией. Так, во время пребывания в Египте, Архимед изобрел кохлею («улитку»), или так называемый Архимедов винт, служащий для передачи воды из низколежащих водоемов в оросительные каналы. Несомненно, этот механизм был крайне полезен для системы водопользования и хозяйственной системы Египта, где дождей почти не бывает и все сельское хозяйство основано на искусственном орошении. Такой винт позже использовался для откачки воды из рудников.
Также в качестве изобретения Архимеда называют червячный винт и водочерпальное колесо, перископ [10, с. 60].
-301625-635Рис. 1. Изобретения Архимеда:
а) Архимедов винт; б) червячный винт; в) водочерпальное колесо
Сохранился рассказ о том, что Архимед, будучи еще совсем молодым, в возрасте 18 лет, сконструировал подъемник в виде дощечки, которая висела на четырех шнурах. Эта дощечка поднималась и опускалась в движение за счет специального колеса, которое приводилось в движение мышью. Фидий, отец ученого, показал эту игрушку царю Гиерону. Последнему она так понравилась, что он пригласил к себе Архимеда и поручил ему сконструировать такой подъемник, с помощью которого можно было бы поднимать людей, машины и разные грузы на крепостную стену Сиракуз. Спустя три месяца заказ был выполнен. В отличие от игрушки этот подъемник приводился в движение ступальным колесом [10, с. 57].
Также сохранилось предание, что Архимед построил машину, с помощью которой одним лишь движением руки сдвинул с места тяжело нагруженный корабль и протащил его по суше без всякого труда. Конечно, вряд ли такое изобретение имело месть быть. Но в любом случае именно с теорией рычага связана известная крылатая фраза, приписываемая ученому: «Дайте мне точку опоры – и я сдвину мир». Но факт остается фактом: Архимед успешно применял теорию рычага на практике. Так он построил в порту Сиракуз немало механизмов блочно-рычажного типа для облегчения подъема и транспортировки грузов различной тяжести.
Инженерный гений Архимеда в полной степени проявился при драматических обстоятельствах – осаде родных ему Сиракуз весной 214 г. до н.э. Ученый, которому на тот период был уже за семьдесят лет, руководил инженерными работами по обороне города. В его распоряжении были катапульты, выбрасывающие тяжелые камни на большие расстояния, «журавлиные клювы», спускаемые на канатах с крепостных стен и способные захватывать носы кораблей, а затем поднимать и опрокидывать их, а также другие механизмы его собственного изобретения.
По свидетельству Тита Ливия «римляне, взявшие Леонтины с первого же приступа, были уверены, что они где-нибудь да войду в этот большой, широко раскинувшийся город, к стенам которого они подвели различные осадные орудия. Осада, начатая с таким рвением, увенчалась бы успехом, если бы не один человек, который жил в те времена в Сиракузах. Это был Архимед, несравненный наблюдатель неба и звезд и еще более удивительный создатель разного рода военных орудий, которым он легко, словно играючи, уничтожал плоды тяжких трудов неприятеля» [4, с. 179]. Ему вторит Полибий, автор «Всеобщей истории», написанной примерно 50 лет спустя описываемых событий: «Приготовив навесы, метательные орудия и все прочее нужное для осады, римляне надеялись при многочисленности рабочих рук покончить с приготовлениями в течение пяти дней и предупредить неприятеля. Но при этом они не приняли в расчет искусства Архимеда, не догадались, что иногда дарование одного человека способно сделать больше, чем огромное множество рук» [3, с. 511].
Архимед заготовил как внутри Сиракуз, так и по всем его границам такие средства обороны, что защитникам города не было надобности утруждать себя непредвиденными работами в случае внезапных атак римлян. Кроме этого, инженер сконструировал такие машины, которые могли выбрасывать снаряды на любое желаемое расстояние