Расширение естественнонаучных и технических знаний

В условиях западноевропейского христианского средневековья, указывает Ф. Энгельс, «...наука была смиренной служанкой церкви и ей не позволено было выходить за рамки, установленные верой; по этой причине она была чем угодно, только не наукой» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 22, с. 307).

Тем не менее в Европе появлялись трактаты по медицине, географии,, переведенные с греческого. Проводились наблюдения за звездами, планетами; не прекращались занятия математикой, механикой. Однако переводные трактаты, которые имели хождение, например, в странах Западной Европы, были настолько отвлеченны, что ничего не могли дать практике. Подчинение науки церкви приобретало разнообразные формы. Труды такого выдающегося мыслителя древности, как Аристотель, допускались в качестве учебных пособий во всех западноевропейских странах. Этому в значительной мере способствовало то, что Аристотель говорил в своих произведениях о первотолчке, то есть попросту говоря, о божественной силе. Именно в силу того, что церковь так «благожелательно» отнеслась к философским взглядам Аристотеля, выдержки из его трудов можно встретить в многочисленных сборниках средневековья, в трудах богословов. Теории Аристотеля стали своего рода иллюстративным материалом к библии.

Накопление сведений во всех областях естественных наук использовалось церковью для прославления мудрости «творца» и «созданного» им мира. Почти вся литература (в большинстве церковная): «Шестодневы»т «Беседы на Шестоднев», «Христианская топография» Козьмы Индикоплова и многие другие - в той или иной степени содержала выхолощенные идей античных авторов.

Религия подавляла всякое свободомыслие, все попытки объяснить ход явлений, свойства предметов иначе, чем в библии. И даже «семь свободных искусств» призваны были лишь возвеличить славу церкви и ее служителей. Арифметику допускали в стены училищ постольку, поскольку она должна была раскрывать в мистическом истолковании тайны чисел, Астрономия была нужна церкви для составления церковных календарей.

Солнечные часы, с которыми Западная Европа познакомилась при помощи арабов, первоначально появились в Англии и Ирландии в VII в. Науками в средние века в Европе занимались преимущественно монахи, служители культа. В 1150 г. в Монастыре в Дизибоденберге настоятельницей была написана «Физика» из четырех книг, содержавшая первые ростки немецкой ботаники и зоологии. Во время крестовых походов Италия непосредственно столкнулась с культурой ислама. В результате из Византии и непосредственно с Востока в Европу стали проникать научные идеи и воззрения. Труды арабских ученых переводили на латинский язык. Латынью пользовались при написании документов, составлении отчетов, писем и научной литературы, в этот период она была как бы общеевропейским «научным» языком. Однако применение латыни способствовало тому, что на долгие годы эта литература сделалась достоянием лишь привилегированной верхушки феодального общества. Именно представители высшего общества, его самая образованная часть взяли на себя труд изучения науки Востока.

В Испании Герберт, впоследствии папа Сильвестр II, знакомит европейцев с арабскими цифрами, а Герард Кремонский впервые переводит труд Птолемея по астрономии - «Альмагест». Отныне астрономию Птолемея в течение нескольких веков церковь будет допускать к изучению. Около 1120 г. английский монах Ательгарт, которого в древней Руси знали под именем «премудрого Клидаса», перевел с арабского «Элементы Евклида», Иоанн Севильский проделал значительную работу, переведя на латынь математический труд Ибн Мусы и некоторые работы арабских ученых, опиравшиеся на произведения Аристотеля.

Италия познакомилась с математикой арабов по переводу, сделанному в 1200 г. Леонардо Пизанским (Фибоначчи). Его работа «Книга абака» рассказывает о

действиях над дробями, о тройном правиле и многом другом. «Книга абака», иначе - «Книга счета», стала тем сочинением, по которому училось не одно поколение купцов и ремесленников в средние века [1].

Одновременно Европа обогатилась естественнонаучными знаниями (в области алхимии и оптики), проводниками которых были Альберт Великий и Роджер Бэкон, Вителло (из Польши). Альберт Великий [13] (настоящее имя Альберт фон Болыптедт, XIII в.), являясь ярым поборником натурфилософии Аристотеля, оставил литературное наследство, насчитывающее 21 том, три из них посвящены науке. Он пересказал «Физику», «Астрономию» и трактат о минералах Аристотеля. Многое из того, что говорил Альберт Великий, было совершенно новым в Европе. Он утверждал, что Млечный Путь является скоплением звезд, что кометы не влияют на судьбы людей, что существование людей на противоположной (обратной) стороне Земли - реальность. В сочинении о растениях Альберт Великий полностью следовал схеме Аристотеля и сделал очень много правильных замечаний о их питании, роли коры, корней. Он подробно описал животный мир, занимался химией.

Крупнейший ученый XIII столетия Роджер Бэкон [2, 3] в своих сочинениях уделил место не только описательному естествознанию, но и химии, физике и многим другим областям науки. Англичанин Бэкон в своей естественной истории пользовался произведениями Аристотеля, Евклида, Птолемея, Плиния, Ибн Сины, аль-Фараби и многих других.

Роджер Бэкон (ок. 1214-ок. 1292г.)

Уже один этот перечень говорит о многом: труд Бэкона был энциклопедичен, однако это не простая компиляция. Он писал об астрономии, математике, анатомии и физиологии глаза. Он знал сферическую аберрацию, занимался выпуклыми зеркалами, описывал приборы для измерения диаметра Луны и Солнца; дал свою трактовку распространения света. Особое внимание уделял Бэкон математике, считая ее основой понимания всех прочих наук. Он особенно отмечал роль эксперимента в познании. Одновременно Бэкон занимался астрономией и химией, описывая взрывчатые смеси, близкие по составу к пороху. Его идеи по поводу географии известного тогда мира сыграли свою роль в организации великих путешествий нового времени. Ученый задумал и энциклопедию наук, подготовительными частями к которой были «Большой труд», «Меньший труд», «Третий труд». Бэкону принадлежат идеи создания кораблей и экипажей, которые без употребления мускульной силы человека могли бы двигаться с громадной скоростью. Не только Западная Европа, но и Восточная, а именно славянские страны и Русь весьма рано познакомились с античным наследием. В знаменитом «Изборнике Святослава» перечислены медицинские советы, дано описание созвездий, разнообразных драгоценных камней, животных. Переведенные на русский язык «Физиолог», «Шестоднев» Иоанна Экзарха Болгарского [4], составленная на Руси компиляция «Толковая Палея» знакомили читателя с трудами Аристотеля, Платона, Демокрита, в которых были отражены естественнонаучные и в частности анатомо-физиологические воззрения греков, описание растительного и животного мира, Земли, созвездий и многие другие вопросы.

Как видим, научные знания в европейских странах в эпоху феодализма развивались в сложных и в общем неблагоприятных социально-экономических условиях. В то же время на Востоке народы Средней Азии и арабы сделали много важных естественнонаучных открытий и наблюдений. Некоторые из них, ставшие известными в феодальной Европе, были упомянуты выше.

Крупнейшим ученым был Ибн Сина - философ и врач, представитель восточного аристотелизма. Главные философские труды ученого - «Книга исцеления», «Книга указаний и наставлений», «Книга знания». Им написаны комментарии к сочинениям Аристотеля (в 20 томах). Сочинение Ибн Сины «Канон медицины» - медицинская энциклопедия в 5 частях, переиздавался на латинском языке 30 раз и много веков служил руководством для медиков в европейских и восточных странах [5, 6].

Ибн Сина (Авиценна) (980-1037 гг.)

Большой вклад в науку - математику, астрономию, ботанику и др. внес Абу Рейхан ал-Бируни. Он является автором трактатов «Ключ к астрономии», «Книга о нахождении хорд в круге», «Канон Масуда» и других.

В Эдессе возникает значительная по тем временам библиотека, с V в. на сунитскии язык переводятся произведения Аристотеля, сочинения греков по астрономии, медицине, математике. Несторианская школа в Месопотамии распространяла основы античной науки, которая как предполагают, отсюда проникла в Испанию, а затем и в страны Европы. Арабская астрономия и математическая география были основаны на трудах Птолемея[7]. Один из его основных трудов - «Великое построение», переведенный на арабский язык в VIII и IX вв., впоследствии попал в Европу и получил здесь широкое распространение. Начиная с IX в. ь ряде городов Востока создаются обсерватории. В 827 г. в Сирийской пустыне были проведены измерения дуги меридиана.

В геометрии и тригонометрии был сделан ряд важных открытий (аль-Баттани, IX-X вв.; Абу-л-Вафа, X в. и др.); из представителей медицины наиболее известен Абу Бакр Мухаммед ар-Рази (IX-X вв.) из Багдада, знаменитый хирург своего времени.

На Востоке было сделано немало изобретений, повлиявших на дальнейшее развитие науки и техники, торговли и ведение войн не только восточных государств, но и стран Европы.

К числу крупнейших изобретений относится дымный, или черный, порох - взрывчатая смесь, состоящая из калиевой селитры, серы и древесного угля. До сих пор место и время появления дымного пороха не установлены. Считают, что приближающаяся к этому составу зажигательная смесь появилась в Китае в начале нашей эры (по другим данным, - в VIII-IX вв.). К 1232 г. относится первое упоминание о применении дымного пороха в Китае для заряда ракет, получивших название «китайских стрел». В XIII в. порох стал известен в Европе, а с XIV в. его уже производили в Германии. Специальные зажигательные смеси были известны и арабам. В VII в. византийцы применяли так называемый греческий огонь, в состав которого входила сера, горная смола, селитра, нефть и льняное масло [8]. Нефть греки вывозили из Керчи, Тамани, причем долгое время Византия, пытаясь не допустить европейцев к запасам нефти, накладывала запрет на посещение Тмутаракаыско-го княжества [9].

В последующие столетия дымный порох получил широкое применение в военном деле - в огнестрельном оружии, особенно в артиллерии.

Изобретение магнитного компаса существенно расширило возможности мореплавания и путешествий.

Одним из крупнейших изобретений человечества была бумага, изготовлявшаяся из специально подготовленной и высушенной массы растительных волокон, куда добавляли клеевые вещества и красители. Родиной бумаги считают Китай (II в.). Путь ее в Европу был сложным и долгим. Предполагают, что из Китая не позднее VII в. н. э. она попала в Индию. В VIII в. бумага были известна в Самарканде. Из Самарканда бумагу завезли в арабские страны, откуда она попала в Испанию и через нее в другие европейские государства. Другой путь в Европу, как предполагают, лежал через территории Египта или Пакистана в Италию. С появлением бумаги теснейшим образом связано книгопечатание, создавшее принципиально новые возможности для обмена информацией между народами и странами, сделавшего возможным массовое изготовление документов и книг, карт, ставшего средством передачи мысли, общения.

Первые опыты книгопечатания относятся к 1041-1048 гг. (Би Шэн, Китай). В Европе книгопечатание было введено в 40-х годах XV в. в Германии Иоганном Гутенбергом, после чего оно получило широчайшее распространение.

Иоганн Гутенберг (р. между 1394-99 гг. - ум. 1468 г.)

Однако при всей важности открытий ученых Востока и несмотря на постепенно возраставший интерес к естествознанию в Европе, в рассматриваемый период еще не было необходимых условий для создания естествознания как систематической, опытной науки. Распространение естественных и технических знаний в период феодализма отличалось низкими темпами и имело ярко выраженный ограниченный характер.

Люди, подобные Р. Бэкону и Альберту Великому, были в Европе редкостью. Идеи, которые они проповедовали, для громадного большинства оставались непонятными и чуждыми. Даже, для многих представителей господствующего класса эти труды были не всегда доступными.

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.