Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Чтобы оценить красоту данного эксперимента, нет нужды знать что-либо конкретное о том, как Эратосфен проводил его. Это очень удачное обстоятельство, так как нам практически ничего неизвестно об условиях его проведения. Эксперимент известен нам лишь по далеко не полным описаниям современников и учеников Эратосфена, многие из которых, очевидно, даже не до конца понимали то, что именно они описывают. Нет необходимости знать что-либо о логике рассуждений ученого: что непосредственно пробудило его интерес к данной проблеме, какими были его первые шаги в разработке будущего эксперимента, встречал ли он какие-либо препятствия на своем пути, как он реализовал свой проект и к каким дальнейшим научным изысканиям это привело. Конечно, можно лишь сожалеть о подобном недостатке информации, так как может сложиться впечатление, что идея пришла к Эратосфену в виде некого озарения, как гром среди ясного неба. Но как бы то ни было, отсутствие всех этих деталей не мешает нашему пониманию сути эксперимента. У нас не возникает необходимости предаваться интеллектуальным спекуляциям, углубляться в сложные математические вычисления или строить догадки, основанные на сомнительных эмпирических данных. Красота эксперимента Эратосфена состоит в том, что он доказал возможность производить измерения космического масштаба, измеряя длину крошечной тени.

Поразительную простоту и элегантность иллюстрируют две диаграммы на рис. 2 и 3.

Во время солнцестояния, когда солнце в Сиене находится прямо над головой ( А ), тени исчезают – они падают по направлению прямо к центру Земли (линия АВ ). Тени в Александрии ( Е ) в этот момент также падают в том же самом направлении ( CD ), так как солнечные лучи условно параллельны друг другу. Но так как земная поверхность искривлена, они падают под небольшим углом, который мы назовем х . Небольшой угол (короткая тень) означал бы, что земная поверхность относительно плоская и что, следовательно, Земля имеет очень большую окружность. Большой угол (или длинная тень) будет означать сильное искривление и, соответственно, небольшую окружность. Однако существует ли способ точного измерения длины земной окружности по длине тени? Такой способ дает геометрия.

Рис. 2. Угол между лучом солнца в тот момент, когда оно находится в зените в Александрии, и вертикальным шестом (гномоном) в Сиене (х) равен углу между земными радиусами (y), проведенными к Александрии и Сиене. Следовательно, отношение длины дуги окружности EF к полному кругу таково же, что и отношение длины дуги AE (расстояние от Сиены до Александрии) к окружности Земли

Евклид доказал, что внутренние накрест лежащие углы, образуемые прямой, пересекающей две параллельные прямые, равны. Таким образом, угол х , образуемый тенями в Александрии, равен углу у с вершиной в центре Земли, образуемому двумя лучами, проходящими через Александрию и Сиену ( ВС и ВА ). Это, в свою очередь, означает, что соотношение между длиной дуги гномона ( FE ) и полной окружности вокруг гномона (см. рис. 2) такое же, как и соотношение между расстоянием от Сиены до Александрии и длиной земной окружности. Эратосфен пришел к выводу, что если измерить названное относительно небольшое расстояние, то можно вычислить длину земной окружности. Хотя Эратосфен мог произвести свои измерения целым рядом разных способов, историки науки уверены, что он проделал их с помощью греческой разновидности солнечных часов, так как дуга их тени достаточно четко видна. Солнечные часы, или скафис, представляли собой бронзовую чашу с закрепленной в центре иглой – гномоном, тень которого медленно скользила вдоль линий на внутренней поверхности чаши, соответствующих часам. Однако Эратосфен воспользовался часами необычным способом. Его интересовало не положение тени на часовых отметках, а угол тени, отбрасываемой гномоном в полдень в день летнего солнцестояния. Вначале он измерил, какую часть этот угол составляет в полной окружности (измерение окружности с помощью деления ее на 360 равных частей, называемых градусами, вошло в общую практику лишь примерно столетие спустя после Эратосфена). Или, что практически то же самое, он мог измерить отношение длины дуги, отбрасываемой гномоном на поверхности сосуда, к длине всей окружности сосуда.

Рис. 3. Вероятно, Эратосфен измерял, какую часть всей окружности солнечных часов составляет длина тени (EF), то есть какую часть полного угла составляет угол (х) между лучом и отвесной линией