3. РАЗВИТИЕ ПРИБОРОВ

Расцвет Александрийской шкблы в первых веках нашей эры сменился упадком и застоем, продолжавшимся в Европе почти целое тысячелетие. Фундаментальные исследования античных ученых или утрачивались, или, в лучшем случае, только комментировались.

Арабы, завоевавшие в VII-IX вв. богатейшую часть мира от Инда до Пиренеев, восприняли многое от древней культуры покоренных народов, переводя на арабский язык лучшие труды мыслителей древности [10, 11]. Но арабоязычные ученые не только возродили достижения греческой науки, но и обогатили ее своими оригинальными исследованиями. Относится это и к точным приборам, которые использовались на Востоке. Так же как и приборы древности, их можно подразделить на пять основных групп. Конструкции одних инструментов были заимствованы от предшественников без изменений, в другие, в процессе пользования ими, вносились усовершенствования, конструкции третьих были оригинальны.

Впервые в истории физики и минералогии был создан прибор для определения удельных весов, сконструированный в XI в. ал-Бируни и описанный им в трактате «Удельные веса». Это специальный сосуд для определения объема воды, вытесненного погруженным в нее образцом. При изготовлении этого прибора Бируни старался достигнуть максимально возможной точности. «И не переставал я изготовлять один прибор за другим, - писал он, - и в последующем я устранял то, что мешало мне в первом, пока не изготовил сосуд... (в котором. - автор) подъем воды заметен и при опускании того, что по объему равно зерну проса» [ 12].

Абу-Рейхан ал-Бируни (973-1048 гг.)

С помощью другого прибора, сконструированного для измерения удельных весов жидкостей, Бируни установил различие удельного веса воды - холодной и горячей, пресной и соленой - и отметил связь плотности воды с ее

удельным весом. Сконструировал Бируни и рычажные весы с передвижной гирей. Принцип взвешивания на этих весах он описал так: «...длина стрелки (первой величины пропорции) относится к длине коромысла до передвижной гири (второй величине) как вес гири (третья величина) к взвешиваемому грузу в чаше (четвертая величина) » [13].

В XII в. рычажные весы были усовершенствованы. В книге «Весы мудрости», написанной в 1121 г. Абдар-Рахманом Хазини, приведено описание сконструированных им весов с равноплечим коромыслом, на котором нанесены деления, и пятью подвижными чашками. Весы могли использоваться как безмен. С помощью одной подвижной чашки вес взвешиваемого предмета можно было определить без гирь. Конструкция весов предусматривала и взвешивание в воде - чашки могли быть подвешены одна под другой, т. е. весы могли быть использованы как гидростатические [14].

Ученые средневекового Востока изобрели и усовершенствовали больше всего приборов для астрономических наблюдений. Поэтому на них мы остановимся подробнее, тем более, что конструирование астрономических инструментов на протяжении многих веков, и особенно в средние века, являлось основным связующим звеном между астрономией и математикой и стимулировало развитие этих наук.

Так же как и в древности, одной из наиболее развитых естественных наук в странах средневекового Востока была астрономия. Составление календаря, фиксирующего наступление религиозных праздников и постов, необходимость знать время суток для проведения ежедневных многочисленных молитв, определять направление стран света и географические координаты пунктов земной поверхности требовали проведения астрономических наблюдений. Астрономические наблюдения проводили и при постройке мечетей, для определения направления на Мекку, и для астрологических предсказаний. Поэтому самыми точными и разнообразными инструментами были инструменты для наблюдений неба.

Арабский квадрант 1333 г. Музей М. В. Ломоносова (Ленинград)

Почти все астрономы и математики Ближнего и Среднего Востока и Северной Африки: Ибн Курра и ал-Фергани (IX в.), ал-Ходженди, ас-Сагани и ас-Суфи (X в.), ас-Сиджизи и ал-Бируни (X-XI вв.) ал-Хазини (XII в.), Насир-ад-Дин-ат-Туси и ал-Маракуши (XIII в.), ал-Каши (XV в.) и многие другие - были авторами трудов, посвященных астрономическим инструментам. В некоторых из этих трудов описывались их собственные конструкции, в других приводились описания разнообразных инструментов одного определенного вида, в третьих содержались обобщающие обзоры всех основных астрономических инструментов. Особенно много сведений об устройстве и работе с инструментами собственных конструкций и заимствованных содержится в трудах ал-Бируни. Бируни считал, что высокой точности астрономических наблюдений может достигнуть лишь тот, кто наряду с астрономической теорией «знает астрономические инструменты, умеет их установить и обращаться с ними» [15].

Изучение инструментов, описанных Бируни в его трудах, дает возможность классифицировать [16] основные астрономические инструменты по конструктивным особенностям, разбив их на шесть групп: 1) солнечные, 2) визирные, 3) визирно-моделирующие, 4) моделирующие, 5) механические и 6) для отсчета времени, основанные на измерении изменяющихся объемов наполняющего вещества. Добавление к этим шести группам седьмой - неизвестных еще Бируни магнитных инструментов [17] -дает классификацию, в рамки которой укладываются все астрономические инструменты, используемые астрономами Ближнего и Среднего Востока, Северной Африки и Европы в средние века до середины XVII в., когда довольно широко стал применяться телескоп.

Известны два типа солнечных инструментов.

1. Теневые, или гномонные, инструменты основаны на измерении в определенный момент величины и направления изменяющейся в течение дня тени, отбрасываемой на шкалу освещаемым Солнцем выступом или прямолинейным стержнем-гномоном. На Среднем Востоке использовали солнечные часы разнообразных конструкций. Разнообразие это значительно возросло в средневековой Европе [18], где большую популярность приобрела наука о свойстве теней - гномоника. Кроме солнечных часов, на Востоке были известны гномонные инструменты, применявшиеся для определения сторон света, широты местности и решения других астрономических задач. Бируни в своих трудах приводит описания различных гномонных инструментов и приборов и методы отсчитывания положения отбрасываемой ими тени.

2. Лучевые солнечные инструменты основаны на измерении по шкале, нанесенной на вогнутой или выпуклой поверхности, в определенный момент положения (изменяющегося со временем) солнечного блика, образуемого лучами, проходящими через специальное отверстие. Их использовали для определения высоты Солнца над горизонтом. К этому типу инструментов относится Фахриев секстант, созданный в X в. Абу Махмуд Хамид Ходженди, которого Бируни называл «исключительным явлением своей эпохи в деле изготовления астролябий и других инструментов» [19]. Фахриев секстант явился прототипом самого крупного в мире знаменитого секстанта Улугбека радиусом 40 м, созданного в Самаркандской обсерватории в XV в. Многочисленные наблюдения астрономов школы Улугбека - ал-Каши, ар-Руми, Али Кушчи и других [20], выполненные с помощью гигантского секстанта и других инструментов обсерватории, дали возможность подготовить новые астрономические таблицы («Зидж Гурагони», включающие каталог 1018 звезд), пользовавшиеся большой популярностью на Востоке и на Западе.

Визирные инструменты подразделялись, так же как и солнечные инструменты, на два типа: круговые и линейные. У круговых инструментов указатель алидады с диоптрами перемещался по круговой шкале (деления нанесены на дуге окружности, ее половине или четвертой части). Круговые, или, как их называли, кольцевые инструменты, а также квадранты устанавливались неподвижно, указатель алидады с диоптрами для визирования светила, вращающегося вокруг центра кольца, передвигался по градусной шкале и показывал высоту светила.

У линейных инструментов линейка с диоптрами или ее указатель перемещался по линейной шкале (деления нанесены на прямой). К этим инструментам можно отнести трик-ветр, или параллактический инструмент Птолемея, а также сконструированный и описанный Бируни «трехшестовый» инструмент, предназначавшийся для определения широты места по заходящим звездам.

Угломерный инструмент (секстант) обсерватории Улугбека (1417-1420 гг.)

Визирно-моделирующие инструменты не только имеют алидады с диоптрами для визирования небесных тел, но и моделируют расположение кругов небесной сферы. В эту группу также входят инструменты двух типов: а) те, при помощи которых можно получать результаты астрономических наблюдений в горизонтальной, экваториальной или эклиптической системах сферических координат. К этим инструментам относятся используемые еще с древности ар-миллярные сферы, в которых несколько концентрически установленных колец, изображающих различные круги небесной сферы, расположены в плоскостях соответствующих кругов и имеют возможность вращаться (кроме внешнего кольца, закрепленного на подставке неподвижно) вокруг общего центра из-за разных диаметров колец, б) инструменты с графическими методами вычисления - преобразованием сферических координат точек небесной сферы с пбмощыо номограмм, нанесенных на инструменте. Инструменты этого типа были особенно широко распространены в странах Среднего Востока и позднее [21] - в средневековой Европе. dTo различные астролябии и квадранты (угломерные квадранты синус-квадранты, тангенс-квадранты, квадранты со скрытым синусом и др.). Наибольшее распространение получила плоская астролябия (ее иногда называют «классической»), описанная в трактатах Теона Александрийского (IV в. н. э ), которого считают ее изобретателем [22], Иоанна Филопона (VI в. н. э.), Севера Себохта (VII в.). Астролябии описаны в очень многих трактатах арабоязычных ученых VIII-XIII вв. Классическая астролябия имела впоследствии много модификаций. Так, например, ас-Сиджизи предложил следующие модификации классической астролябии (называемые по форме «паука»): барабанообразную, миртообразную, ракообразную, анемонообразную, чашеобразную, нарциссообразную и др. Ему же принадлежали конструкции челнообразной, линеечной и спиралеобразной астролябий, а также сферическая и наблюдательная астролябии, являвшиеся соединением армиллярной сферы и классической астролябии.

В трактате «Исчерпание всех возможных способов построения астролябии» (ок. 995 г.) Бируни привел описание многочисленных астролябий и методику работы с ними, причем не только для чисто астрономических наблюдений - определения склонения, прямого восхождения, высот и азимутов светил, но и для вычисления времени и решения ряда геометрических задач на установление расстояний до недоступных объектов.

Астролябия иранская 1214-1215 гг

Следующая группа - моделирующие приборы, также двух типов. Первый тип - демонстрационные приборы (небесные глобусы), просто вращающиеся вокруг своей оси и известные с глубокой древности (глобусы Гиппарха, Птолемея). До наших дней сохранился и находится в музее в Дрездене небесный глобус, созданный в XIII в. в прекрасной обсерватории Насир-ад-Дина-ат-Туси в Ма-раге. Второй тип моделирующих приборов - демонстрационные приборы с зубчатыми передачами (планетарии, теллурии). Сюда же относится сконструированный Бируни и описанный им в трактате «Исчерпание всех возможных способов в построении астролябии» механический календарь [23]. Он состоял из кольца, в котором размещался весь механизм, восьми зубчатых колес с осями и закрывающей кольцо крышки с отверстиями для осей и шкалами, по которым двигались указатели. Диаметр кольца был равен диаметру спинки астролябии, на которую календарь насаживали как приставку, причем алидаду снимали с астролябии и потом надевали вновь на ее ось уже на крышку календаря. Календарь показывал положения Солнца на эклиптике во время его видимого годичного оборота и Луны - во время ее месячного оборота, а также фазы Луны. Сравнение изображений движения Солнца и Луны по эклиптике позволяет найти места соединений и противостояний этих светил, т. е. наступление солнечных и лунных затмений.

Небесный глобус обсерватории Насир-ад-Дина-ат-Туси из Марага. 1279 г

Механический календарь Бируни представляет особенно большой интерес, так как эту конструкцию можно рассматривать как непосредственную предшественницу механических часов [24].

Моделирующие приборы, в частности механический календарь и планетарии, дали начало еще одной группе - механическим приборам. К этой группе относятся и часы.

Шестая группа - приборы для отсчета времени, основанные на из-мерении изменяющихся объемов наполняющего вещества. О водяных часах - клепсидрах, применявшихся в древности, уже говорилось. Использовали их и на средневековом Востоке. Кроме того, в арабоязычных странах примерно с VIII в. начали применять часы песочные, которым некоторые ученые (например, Бируни) отдавали предпочтение. Использовались там также (например, в обсерватории в Мараге) масляные часы, позволявшие определять промежутки времени по выгоранию определенных объемов масла. Приборы этой группы с появлением механических часов были постепенно вытеснены из употребления, кроме песочных часов, которые еще долгое время использовались моряками («склянки») и даже используются в наши дни в медицинской практике.

Начиная с X-XI вв. сведения о точных приборах (главным образом астрономических), использовавшихся на Среднем Востоке, через Испанию стали проникать в Европу, где многие из них в XIV-XV столетиях получили свое дальнейшее развитие.