Архимед: биография, открытия и интересные факты из жизни математика

Архимед был, пожалуй, величайшим ученым в мире и, безусловно, величайшим ученым классической эпохи. Он был математиком, физиком, астрономом, инженером, изобретателем и разработчиком оружия. Это был не только выдающийся представитель своей эпохи, благодаря трудам и изобретениям он намного опередил свое время, о чем расскажет краткая биография Архимеда и его открытия, описанные в статье.

Родился он в греческом городе-государстве Сиракузы, на острове Сицилия, примерно в 287 году до нашей эры. Его отец Фидий был астрономом. Возможно, Архимед также был связан с Гиероном II, королем Сиракуз.

Величайшие достижения

Долгое время ученые не могли понять, как же были сделаны все его открытия. И биография Архимеда включает описание его достижений и идей, которые только в 18-м веке были развиты и продолжены. В 3-м веке до нашей эры он совершил множество новаторских вещей, а именно:

Изобрел такие науки, как механика и гидростатика.
Определил законы рычага и блока, которые позволяют нам перемещать тяжелые предметы, используя небольшую силу.
Стал автором одного из самых фундаментальных понятий физики - центра тяжести.
Рассчитал число пи до наиболее точного из известных значений. Его верхний предел для него составлял 22⁄7.
Открыл и математически обосновал формулы для объема и площади поверхности сферы.
Ввел способ записи очень больших чисел.
Вдохновил Галилео Галилея и Исаака Ньютона на исследование математики движения. Сохранившиеся до наших дней работы Архимеда (к сожалению, многие из них были утеряны) наконец вышли в печать в 1544 году. Леонардо да Винчи посчастливилось увидеть некоторые из произведений Архимеда, скопированные вручную, еще до того, как они были напечатаны.
Был одним из первых в мире ученых, применивших свои передовые математические методы в физическом мире.
Был первым, кто применил физические принципы, например закон рычага, для решения математических задач.
Изобрел военные машины, такие как высокоточная катапульта, которая долгие годы не давала римлянам покорить Сиракузы. Он мог сделать это на основании математических расчетов и понимания траектории снаряда.

Развитие науки в Греции

Чтобы лучше узнать жизнь и биографию Архимеда, нужно представить, в какую эпоху он жил. Древние греки были первыми, кто занялся настоящей наукой и признал ее дисциплиной, изучающей саму себя. Хотя в других культурах также делались научные открытия, это происходило по вполне практическим причинам, например, с целью постройки более крепких храмов или для предсказания, когда наступит период, наиболее подходящий для посадки культур или для вступления в брак.

Древние греки же исследовали мир просто ради удовольствия, расширяя свои знания. Они изучали геометрию ради ее логики и красоты. Не имея каких-либо практических целей, Демокрит предположил, что вся материя состоит из крошечных частиц, называемых атомами и что эти атомы не могут быть разделены на более мелкие частицы. Он привел логические аргументы в пользу своей идеи.

Краткая биография

Архимед, вероятно, провел некоторое время в Египте в начале своей карьеры, но большую часть своей жизни он прожил в Сиракузах, главном греческом городе-государстве на Сицилии, где он был в близких отношениях с его королем. Архимед опубликовал свои работы в форме переписки с выдающимися математиками своего времени, включая александрийских ученых Конона Самосского и Эратосфена Киренского. Он сыграл важную роль в защите Сиракуз от осады римлян в 213 г. до н. э. Когда Сиракузы в конце концов были захвачены римским полководцем Марком Клавдием Марцеллом осенью 212 года или весной 211 года до н. э., Архимед был убит во время разграбления города.

Жизнеописание ученого

В биографии Архимеда сказано, что он родился и жил в условиях развития греческой научной культуры. В своей работе «О счислении песчинок» он рассказывает о том, что его отец был астрономом. В своем письме об оценках размера Солнца Архимед говорит: «Фидий, мой отец, сказал, что Солнце было в двенадцать раз больше».

В молодости он проводил время в египетском городе Александрии, где преемник Александра Великого, Птолемей I Сотер, построил величайшую библиотеку мира. Александрийская библиотека с ее лекционными и конференц-залами стала центром внимания ученых древнего мира.

Некоторые работы Архимеда сохранились в копиях писем, которые он отправил из Сиракуз своему другу Эратосфену. Тот руководил Александрийской библиотекой и сам был ученым (математиком, астрономом, географом и филологом). Он был первым человеком, который точно рассчитал размер нашей планеты.

Архимед, погруженный в научную культуру Древней Греции, стал одним из лучших умов нашего мира. Спустя две тысячи лет после смерти Архимеда, в эпоху Возрождения и в 1600-х годах, математики снова пересмотрели его труды. Они знали, что результаты, полученные Архимедом, были правильными, но не могли понять, как этот ученый смог получить их.

Находка в стиле Индианы Джонса

Тайна математических изысканий Архимеда в биографии не была раскрыта до 1906 года, когда профессор Йохан Хейберг обнаружил в городе Константинополе (теперь Стамбул), в Турции, книгу. Это был христианский молитвенник, написанный в тринадцатом веке, когда город был последним форпостом Римской империи. В стенах Константинополя хранились многие великие произведения, написанные в Древней Греции. Найденная Хейбергом книга теперь называется Палимпсест Архимеда.

Хейберг обнаружил, что молитвы были написаны поверх математических расчетов. Монах, который написал молитвы, попытался удалить оригинальную работу, от которой после этого остались только еле заметные следы. Оказалось, что на самом деле это были копии работ Архимеда, сделанные с оригинального текста в 10-м веке.

Неожиданное открытие

Эта книга содержала семь трактатов, автором которых был Архимед, включая «Метод», который считался утраченным на протяжении многих веков. Согласно биографии математика, Архимед написал эту работу, чтобы показать, как именно он занимался математикой. Этот труд был отправлен Эратосфену в Александрийскую библиотеку. Он предполагал, что впоследствии другие ученые, используя его «Метод», смогут сделать новые открытия.

Благодаря этому труду математики двадцатого века узнали, насколько далеко опередил свое время Архимед, и изучили методы, которые он использовал для решения разных проблем. Именно благодаря им были сделаны его открытия и изобретения. Сохранилось 9 трактатов Архимеда, написанных на греческом языке.

"О шаре и цилиндре"

Основные результаты этой работы в двух книгах заключаются в том, что площадь поверхности любой сферы радиуса r в четыре раза больше площади ее наибольшего круга (в современных обозначениях S = 4πr²), а объем сферы равен двум третям того цилиндра, в который она вписана (что сразу приводит к формуле для объема, V = 4 / 3πr³). Архимед был очень горд последним открытием и оставил инструкции для создания своей могилы, которая должна была представлять собой сферу, вписанную в цилиндр. Марк Туллий Цицерон (106–43 гг. до н. э.) обнаружил гробницу, заросшую растительностью, спустя полтора столетия после смерти Архимеда.

"Измерение круга"

Это фрагмент более длинной работы, в которой π (пи), отношение длины окружности к диаметру круга, лежит в пределах 3¹⁰/₇₁ и 3¹/₇. Подход Архимеда к определению πи, который заключается во вписывании и описании правильных многоугольников с большим количеством сторон, использовался всеми до развития бесконечных серийных расширений в Индии в 15-м веке и в Европе в 17-м веке. Эта работа также содержит точные приближения (выраженные как отношения целых чисел) к квадратным корням из 3 и нескольким большим числам.

"О коноидах и сфероидах"

В этой работе представлено определение объемов сегментов твердых тел, образованных вращением конического сечения (окружность, эллипс, парабола или гипербола) вокруг его оси. В современных условиях это проблемы интеграции. В «Спиралях» развивается множество свойств касательных и областей, связанных со спиралью Архимеда, то есть местоположения точки, движущейся с одинаковой скоростью вдоль прямой линии, которая сама вращается с постоянной скоростью вокруг фиксированной точки.

"О равновесии плоских фигур"

Здесь главным образом рассматривается установление центров тяжести различных прямолинейных плоских фигур и сегментов параболы и параболоида. В первой книге рассматривается «закон рычага» (баланс величин на расстояниях от точки опоры в обратном отношении к их весам), и именно на основе этого трактата Архимед был назван основателем теоретической механики. Однако большая часть этой книги, несомненно, не является подлинной и состоит из неумелых более поздних дополнений или переделок, и представляется вероятным, что базовый принцип закона рычага и, возможно, концепция центра тяжести были установлены учеными раньше, чем это сделал Архимед. Биографы считают, что его вклад заключался, скорее, в распространении этих понятий на конические сечения.

"Квадратура параболы"

Эта работа демонстрирует при помощи «механических» средств, а затем обычных геометрических методов, что площадь любого сегмента параболы составляет 4/3 от площади треугольника, имеющего такое же основание и высоту, как этот сегмент.

"О счислении песчинок"

Это небольшой трактат, написанный для обывателя, который адресован Гелону, сыну Гиерона. Его цель состоит в том, чтобы исправить недостатки греческой системы числовых обозначений, показав, как выразить огромное число на примере песчинок, которые потребуются для заполнения всей вселенной. По сути, Архимед создает целочисленную систему обозначений с базой в 100 000 000. Работа также представляет интерес, поскольку она дает наиболее подробное сохранившееся описание гелиоцентрической системы Аристарха Самосского (310–230 гг. до н. э.). Также в ней содержится описание гениальной процедуры, которую Архимед использовал для определения видимого диаметра Солнца путем наблюдения с помощью инструмента.

"Метод механических теорем"

Он касается механических теорем и описывает процесс открытия в математике. В нем Архимед рассказывает, как он использовал «механический» метод для достижения некоторых своих ключевых открытий, включая площадь параболического сегмента, площадь поверхности и объем сферы.

"О плавающих телах"

Этот труд (в двух книгах) сохранился лишь частично на греческом языке, остальное - в средневековом латинском переводе с греческого. Это первая известная работа по гидростатике, основателем которой признан Архимед. Он определял положения, которые различные твердые тела будут занимать при плавании в жидкости, в соответствии с их формой и изменением их удельного веса. В первой книге изложены различные общие принципы, в частности то, что стало известно как принцип Архимеда: твердое вещество, более плотное, чем жидкость, при погружении в эту жидкость будет легче на вес вытесняемой ею жидкости. Во второй книге Архимед определяет различные положения устойчивости в соответствии с геометрическими и гидростатическими вариациями.

Другие труды

Как известно из биографии Архимеда и упоминаний более поздних авторов, ученый написал ряд других работ, которые не сохранились. Особый интерес представляют трактаты о катоптрике, в которых он среди прочего обсуждает явление рефракции; на 13 полурегулярных (архимедовых) многогранниках (те тела, ограниченные правильными многоугольниками, не обязательно все одного типа, которые могут быть вписаны в сферу). В дополнение к этим, в арабском переводе сохранились несколько работ, приписанных Архимеду, которые он не мог бы составить в их нынешнем виде, хотя они могут содержать «архимедовы» элементы. К ним относятся работы по вписанию правильного семиугольника в круг; коллекция лемм (предположения, которые считаются истинными и используемые для доказательства теоремы) и книга «О касающихся кругах» - обе они имеют отношение к геометрии элементарной плоскости; и «Стомахион», содержащий описание загадки в виде головоломки (квадрат, разделенный на 14 частей).

Архимедов винт

Этот водяной винт похож на штопор, размещенный в трубе. С его помощью можно поднимать воду из реки, озера или колодца. Традиционно его изобретение приписывают Архимеду. Стефани Далли из Оксфордского университета обнаружила ассирийские клинописные письмена, датированные около 680 до н. э. и содержащие описания того, что очень напоминает водяной винт и использовалось для орошения садов в городе Ниневии в Месопотамии. Она считает, что эти сады на самом деле были знаменитыми Висячими садами, когда-то связанными с Вавилоном. В месопотамской культуре изобретатели оставались анонимными или их изобретения приписывались королю, который заплатил за работу.

Возможно, имя Архимеда связано с водяным винтом по одной из этих причин:

Устройство было забыто, после того как Ниневия была завоевана вавилонянами, а Архимед изобрел его с нуля.
Устройство могло достичь Египта, который находился под властью Ассирии в 680 году до нашей эры. Архимед, возможно, видел его в действии четыре столетия спустя, когда Египет был под властью греков. Вполне возможно, что он значительно улучшил конструкцию, сделав ее более удобной и дешевой в использовании.

История о золотой короне

Это один из самых интересных фактов в биографии Архимеда. Король Гиерон II отдал золото ремесленнику, чтобы сделать из него корону. Готовая, она весила столько же, сколько и золото, данное мастеру, но король был подозрительным. Он решил, что мастер украл часть золота, заменив его серебром. Решить проблему он поручил Архимеду.

Было известно, что золото плотнее серебра, поэтому один кубический сантиметр золота будет весить больше, чем один кубический сантиметр серебра. Проблема заключалась в том, что корона была неправильной формы, поэтому, хотя ее вес был известен, ее объем - нет.

Считается, что Архимед измерил уровень воды в чашке, сравнив изменения при погружении килограмма золота и килограмма серебра. Если бы мы сделали это измерение с использованием современного оборудования, мы обнаружили бы, что 1 кг золота повысит уровень воды на 51,8 мл, а 1 кг серебра - на 95,3 мл.

Как говорится в биографии, Архимед обнаружил, что корона была смесью золота и серебра. Считается, что идея, как решить эту проблему, появилась, когда Архимед принимал ванну, заметив при этом, как меняется уровень воды. Он был так взволнован, что вскочил и побежал голым по улицам Сиракуз, выкрикивая: «Эврика!» - что значит: «Нашел!»

Астрономия

В биографии великого математика Архимеда есть упоминание о том, что он также был известен как выдающийся астроном: его наблюдения солнцестояний использовались Гиппархом, одним из выдающихся астрономов II века до н. э. Об этой стороне деятельности Архимеда известно очень мало, хотя работа «О счислении песчинок» раскрывает его интерес к этой науке и практические наблюдательные способности. Однако сохранился ряд чисел, которые приписываются ему, указывающих расстояния между Землей и различными небесными телами, которые, как было показано, основаны не на наблюдаемых астрономических данных, а на «пифагорейской» теории. Удивительно, что эти метафизические предположения можно найти в работах практикующего астронома, но есть все основания полагать, что их верно приписывают Архимеду.