Зеркала Архимеда

История вопроса

Вероятно, ни один древний миф не вызвал столько споров, как история о греческом изобретателе Архимеде, который с помощью гигантского зеркала или набора зеркал поджег римские корабли, напавшие на его родной город Сиракузы в 212 г. до н. э.
Случилось ли это на самом деле?
Ученые конкретно подошли к каждой стороне этого вопроса. Иногда их выводы основаны на исторических записях (или их отсутствии), иногда исследователи действительно пытались провести тест самостоятельно, используя настоящие зеркала и макеты кораблей. В 2010 году президент США Обама даже предложил ведущим телешоу «Разрушители мифов» проверить проблему и прийти к окончательному выводу. Да, но был ли их ответ правильным?
Давайте начнем наше исследование предмета, вернувшись к рассказу о том, что же предположительно сделал Архимед. Зонарес и Цец, писавшие в XII веке, цитируемые из более ранней работы (теперь утерянной) под названием «Осада Сиракуз», говорили:
«Когда Марцелл [римский полководец] поставил корабли на расстоянии выстрела из лука, старик [Архимед] построил что-то вроде шестиугольного зеркала. Он поместил на надлежащем расстоянии от зеркала другие меньшие зеркала того же типа, которые двигались с помощью шарниров и определенных металлических пластин. Он помещал его среди лучей солнца в полдень, как летом, так и зимой. Лучи, отражаясь при этом, возбуждали на кораблях страшное огненное пламя и обращало их в пепел с расстояния выстрела из лука. Таким образом, старик своими изобретениями сбил Марцелла с толку».

Ясно, что, по крайней мере на первый взгляд, описанный метод кажется правдоподобным. Многие школьники использовали увеличительное стекло, чтобы сфокусировать солнечные лучи на маленьком куске дерева, поджигая его. То же самое можно сделать с небольшим параболическим зеркалом, которое может принимать солнечные лучи и отражать их на маленькую точку. Писатели предполагают, что Архимед сделал это в большом масштабе с помощью огромного зеркала, сфокусировав его на кораблях, стоявших на якоре «выстрелом из лука» от стены города, возможно, 500 футов (150 м).
Хорошо известна способность зеркал концентрировать лучи Солнца для получения очень высоких температур. Несколько лет назад Министерство энергетики США вместе с группой предприятий построило солнечную электростанцию в пустыне Мохаве недалеко от Барстоу, штат Калифорния, чтобы продемонстрировать возможность использования этого вида энергии.

Станция состояла из множества зеркал, которые отражали солнце на башню в центре поля. На вершине этой башни находилась большая мишень, в которой расплавленная соль использовалась для поглощения тепла и передачи его в водяной котел на земле. Котел вырабатывал пар, который затем приводил в действие турбины и генераторы, как на обычной электростанции для производства электроэнергии. Завод мог производить 10 мегаватт, используя почти 2000 зеркал, которые двигались под управлением компьютера, отслеживая солнце и отражая его свет на башню.
Легко представить, что эти зеркала фокусируются на деревянном корабле, а не на башне, и поджигают его. Цель на вершине башни может достигать температуры более 1000 градусов по Фаренгейту (538 градусов Цельсия), что близко к точке самовоспламенения большинства видов древесины. Однако каждое из зеркал инсталляции было огромным — 130 квадратных метров, и их было почти 2000, что, вероятно, не то, что Архимед мог устроить, учитывая технологии того времени.
Таким образом, вопрос не в том, могло ли солнце дать достаточно тепла, а в том, мог ли Архимед построить механизм с помощью инструментов, которые у него были в то время, чтобы сконцентрировать достаточно солнечного света, чтобы поджечь палубу деревянного корабля.

Параболическое зеркало

Многие иллюстраторы изображали старого изобретателя, использующего для этой работы единственное параболическое зеркало диаметром в несколько метров.

Параболическое зеркало имеет изогнутую форму, которая фокусирует параллельные световые лучи, исходящие от источника света (например, Солнца), в одну точку (называемую фокальной точкой), которая находится на заданном расстоянии от зеркала (фокусное расстояние). Проблема с этой схемой в том, что единственное сплошное зеркало имеет заданное фокусное расстояние. Это означает, что корабль, который вы хотите поджечь, должен находиться точно на фокусном расстоянии от вашего зеркала, чтобы такая схема работала. Чуть ближе или дальше свет не концентрируется на маленькой точке, а вместо этого распространяется по большей площади. Это, в свою очередь, означает, что результирующая температура, вероятно, будет недостаточно высокой для начала горения.
Поскольку Архимед не мог контролировать, как далеко Марцелл припарковал свои корабли, он не мог предугадать, где установить фокус, когда строил свое зеркало. Один из способов обойти эту проблему — построить такое большое зеркало, что даже если точка фокусировки находится не точно на корабле, вы все равно концентрируете на нем достаточно света, чтобы он загорелся. Проблема в том, что одно зеркало необходимого размера было бы чрезвычайно трудно перемещать и контролировать с помощью того примитивного оборудования, которое было у Архимеда.

Еще одна проблема с большим параболическим зеркалом заключается в том, что чем дальше точка фокуса от зеркала, тем меньше энергии вы можете сфокусировать на нем. Например, параболическое зеркало диаметром в 0,3 м с фокусным расстоянием в 3 м может концентрировать солнечный свет в 10 раз. Однако параболическое зеркало диаметром в 0,3 м с фокусным расстоянием в 30 м вообще не будет концентрировать солнечный свет. Если бы римские корабли находились на некотором расстоянии от зеркала, скажем, в 150 м, Архимеду понадобилось бы параболическое зеркало не менее 3 м в диаметре, чтобы удвоить нормальное тепло, которое цель получает от самого солнца. Это будет намного меньше, чем нужно для разведения огня.

Несколько зеркал

Все это, кажется, делает гораздо более вероятным, что Архимед вместо одного большого параболического зеркала использовал несколько маленьких плоских зеркал. Каждое из зеркал можно было использовать для фокусировки солнечного света в маленьком пятне на цели. Вместе они образовали бы форму, примерно похожую на одно огромное параболическое зеркало. Для этого он мог снабдить сотни солдат зеркалами. Работая вместе, когда каждый регулировал свое собственное зеркало, они, возможно, смогли бы сфокусировать достаточно света на одной точке корабля, чтобы он загорелся.
Именно этот подход использовался в ряде попыток воспроизвести достижение Архимеда. В 1973 году греческий ученый, доктор Иоаннис Саккас, задался вопросом, мог ли Архимед действительно использовать «зажигательное стекло» для уничтожения римского флота, и поставил эксперимент с участием 60 греческих моряков, каждый из которых использовал продолговатое плоское зеркало размером 0,9 на 1,5 метра, чтобы сфокусировать свет на деревянной лодке на расстоянии 50 м. Согласно источникам, у него не было проблем с тем, чтобы дрова загорелись очень быстро.
В 2009 году в качестве эксперимента по проектированию класс Массачусетского технологического института решил попытаться воспроизвести оружие Архимеда, используя 127 зеркал размером 0,3 на 0,3 метра. Им удалось заставить макет корабля, сделанный из красного дуба, начать гореть после десяти минут пребывания на прямом солнце.

Их опыт, однако, показал некоторые недостатки в идее использования этого в качестве оружия. Проблема с использованием отдельных зеркал заключается в том, что каждое из них должно быть направлено на цель (конкретную точку на корабле) под определенным углом от солнца. Если вы вручите одному человеку зеркало и попросите его отразить солнечный свет в определенном месте, ему будет легко это сделать. Он просто использует яркое пятно, образованное отражением в зеркале, как ориентир для наведения на цель. Однако если вы раздадите зеркала сотне людей и попытаетесь сделать то же самое, у вас получится хаос. Сто зеркал означают сто ярких пятен, и никто не знает, какое пятно принадлежит ему.
При некоторой тренировке и, возможно, использовании прицельного приспособления эту проблему можно свести к минимуму. Более сложной проблемой является время, необходимое команде испытателей, чтобы разжечь огонь. Десять минут — это много, чтобы удерживать свое внимание сосредоточенным на наведении зеркала в отдаленную точку, пока вокруг вас творится хаос битвы. Кроме того, время, необходимое для того, чтобы что-то сгорело, может быть легко растянуто еще больше, если противник предпримет простую защитную меру, обрызгав вашу цель водой, чтобы охладить ее.
В 2010 году в телешоу «Разрушители мифов» была предпринята попытка использовать 500 плоских зеркал, контролируемых 500 учениками-добровольцами средних и старших классов, чтобы воспроизвести легенду о горящем зеркале. Несмотря на час фокусировки солнца на парусе (у которого должна была быть температура воспламенения всего около 260 градусов по Цельсию), он смог нагреться только до 110 градусов. Еще более важно то, что для этого они использовали современные серебряные зеркала. Полированные бронзовые зеркала, более типичные для тех, что были доступны во времена Архимеда, были бы на 30 процентов менее эффективными, что привело бы к более низкой температуре.

Вывод «Разрушителей мифов» заключался в том, что, хотя теоретически поджечь корабль зеркалами возможно, этот метод кажется маловероятным для использования в бою. Джейми Хайнеман, один из ведущих «Разрушителей мифов», который находился на борту макета корабля во время эксперимента, заметил, что, хотя корабль и не загорелся, его смущала ослепительная яркость зеркал, и предположил, что Архимед мог просто использовать их, чтобы сбить с толку врага и нарушить их способность видеть своих противников.
Другие предположили, что, хотя зеркала не могли поджечь корабли, они могли быть очень эффективными в преследовании экипажа корабля. Сфокусированный на вас световой луч, который может поднять температуру вашей кожи до более чем 90 градусов по Цельсию, был бы крайне неприятным.

Источники о применении зеркал Архимедом

Учитывая, что, возможно, зеркала — непрактичный способ поджечь корабль, имеет смысл проверить точность документов, утверждающих, что Архимед действительно сделал это. Цитата, которую мы рассматривали ранее, была написана 1400 лет спустя. В ней говорится, что он цитирует более раннюю работу, но эта ранняя работа теперь утеряна, поэтому мы не можем увидеть сам исходный материал.
Писатели того времени, такие как Полибий, Ливий и Плутарх, никогда не упоминают об использовании зеркал для поджога кораблей, хотя и обсуждают другие защитные устройства Архимеда. В частности, они рассказывают о «Когте Архимеда», который, по-видимому, представлял собой подъемный кран, который высовывался далеко за городскую стену и использовал крюк для захвата, чтобы ловить римские корабли, поднимать их и опрокидывать.
Два писателя второго века нашей эры, Лукиан Самосатский и Гален Пергамский, действительно говорят, что Архимед поджег римские корабли, но не говорят, как именно. Это привело к предположению, что изобретатель мог использовать метод, отличный от зеркал — греческий огонь.

Греческий огонь?

Что именно представлял собой греческий огонь, сегодня остается загадкой для историков. Источники говорят нам, что он горел на воде, а некоторые источники даже говорят нам, что он мог загораться от воды.

Однако ряд исследователей подозревают, что греческий огонь на самом деле представлял собой густую липкую форму нефти. Хотя такой материал на самом деле не загорится при контакте с водой, вода также не будет работать как особенно эффективное средство тушения и может фактически распространить пламя.
Самой простой формой доставки был бы горшок, наполненный чем-то, из верхушки которого торчал зажженный фитиль. Когда его бросали на корабль, горшок открывался, выплескивая жидкость, которая поджигалась пламенем. Это, возможно,  древняя версия коктейля Молотова.
Еще одной оборонительной конструкцией Архимеда, предположительно использовавшейся во время битвы, была катапульта. Было бы легко представить, как одна из этих машин забрасывает римские корабли горшками с греческим огнем и превращает их в пепел. Если бы в то же время Архимед также использовал зеркала, чтобы сбить с толку и ослепить врага, наблюдатель битвы мог бы не понять, что вызвало пожары.
Так поджег ли Архимед корабли при осаде Сиракуз?
Возможно, мы так никогда и не узнаем  истину. Он, конечно, мог попытаться это сделать, хотя многие факты, которыми мы располагаем сегодня, говорят о том, что это было бы не таким успешным, как гласит легенда. История, вероятно, подтверждает этот вывод. Если бы римляне сочли горящие зеркала эффективным оружием во время битвы, мало кто сомневается, что они придумали бы, как добавить такое оружие в свой арсенал, чего они так и не сделали.