Теория теней Беруни
Теория теней Беруни
(гномоника)
Предисловие
Выдающийся деятель Средневековья, универсальный ученый-энциклопедист Абу Райхан Мухаммад ибн Ахмад аль - Беруни, родился 3 -зулхижжи*) 362 хиджры (973 мелодий, 4 сентября) в древнем центре Южного Хорезма в городе Кят (ныне город Беруни).
Из источников известно, что Беруни с детства отличался любознательностью и жаждой знаний. Он обучался у знаменитого ученого-энциклопедиста Абу Насра Мансура ибн Ирака, прозванного в то время Птоломеем. Ярким свидетельством признания учителем таланта и способностей своего ученика служит то, что Абу Наср ибн Ирак посвятил своему любимому ученику Беруни 12 научных трудов по астрономии, геометрии и математике.
В 995 году эмир Гурганжа Маъмун I ибн Мухаммад Сиявуш захватил последний оплот династии Афригидов - крепость Кят и объявил себя шахом объединенного Хорезма. Беспорядки, царившие после этого исторического события в Хорезме, вынуждают Беруни в возрасте двадцати двух лет покинуть Родину. В этот период он проживает в городах Ирана Гургане, Рае и здесь же знакомится с выдающимся ученым Абу Махмудом Хужанди, ведет переписку и научные дискуссии с Ибн - Сино (Авиценной).
После смерти Маъмуна I в 998 году и воцарения на престоле Али ибн Маъмуна политическая ситуация в Хорезме несколько стабилизировалась. Али ибн Маъмун был правителем, жаждущим знаний, покровительствовал науке и культуре. Он поручил наставнику Беруни Абу Насру ибн Ираку собрать ученых во дворце и создать научную атмосферу. По приглашению Ибн Ирака, приблизительно в конце 1003 - в начале 1004 года, Беруни возвращается в Гурганж, и с этого момента для него начинается период процветания в науке: он руководит Академией Маъмуна, готовит учеников, ведет научные исследования в различных областях науки.
Научная деятельность Беруни, основное место в которой отводилось математике, физике, минералогии, этнографии и истории, была многогранной и плодотворной. Его научные труды, состоящие из 11 книг: «Каноны Маъсуди», «Геодезия», «Минералогия» и труды по этнографии «Памятники минувших поколений», «Индия», в течение многих веков служили для ученых руководством в качестве основного пособия и не потеряли своей актуальности и в наши дни. В целом, Абу Райхан Беруни оставил 152 научных исследования. Из этого громадного наследия до нас дошло всего лишь 30.
Основой создания настоящего трактата послужило научное наследие Беруни. Отметим, что оно имеет отношение к одному из разделов математики, называемому геометрией, в нем приводятся отдельные математические исследования, суждения и дискуссии Беруни. Текст сопровождается толкованиями и комментариями.
Известно, что Беруни было свойственно сильно развитое логическое мышление, умение верно осветить суть вопроса, доказать и довести все это до читателя в доступной форме. Эти качества Беруни наглядно проиллюстрированы в его трактовке вопросов размера Земли и расстояния от Земли до Луны и Солнца, в дискуссиях о результатах предшественников в этой области, а также в трактовке недочетов по данной проблеме. Все это свидетельствует о том, что Беруни обладал яркими способностями в области естественных наук.
Время, в котором жил Беруни, было очень сложным в социально-политическом отношении: захват Кята, где родился и вырос Беруни, перенесение центра в Ургенч, бродяжничество, самоуправство, зазнайство и корыстолюбие, которые господствовали в обществе того времени, не могли не вызвать в душе мыслителя чувства протеста. И, действительно, они нашли свое отражение в следующих «крылатых» строках Беруни:
«Хотя этот человек недалек в знаниях, но держит себя высокомерно всезнающим и даже допускает оскорбление других. Нас разделяют лишь богатство и роскошь, превращающие гордость в вину бедности.
Богатство уйдет, знания останутся.
Аллах наказывает того, кто обижает безобидного ученого человека и радуется содеянному.
Несомненно, алчность и невежество ведут к произрастанию ростков зла» (аль – Беруни. Осор аль - боšия).
Наш великий предок Беруни скончался в 440 году хиджры, то есть 13 декабря 1048 года мелодий в возрасте 75 лет в городе Газна. В книге «Номойи донишворон» («Письма учёных»), опубликованной в Тегеране (1878), о последних мгновеньях жизни учёного рассказывается: «Беруни был тяжело болен, он доживал свои последние дни. Как-то, когда он на какой–то миг пришёл в себя, его взгляд упал на друга, учёного Абулхасана Валвалижи, тогда Беруни попросил друга растолковать ему новые положения о наследстве. Абулхасан ответил, что для этого сейчас ещё не время. Посмотрев на друга, Беруни сказал: «О, мой великий друг, каждый, кто приходит в этот мир, непременно когда–нибудь умрёт, но разум диктует мне, что сейчас самое время осознать суть того, о чём ты когда-то мне и упоминал. Поэтому лучше мне умереть, зная об этом, чем умереть в незнании». Затем Абулхасан начал разъяснять то, о чём просил Беруни. Спустя несколько минут, Беруни уснул вечным сном. Это была последняя беседа учёного о науке».
Какой счастливый конец! Это был конец жизни ученого, который ушёл из жизни с чувством полного удовлетворения своей деятельностью...
Введение
С давних пор внимание многих ученых привлекали вопросы измерения небесных тел (Земли, Луны, Солнца) и расстояния до них от той точки, где мы находимся. В частности, ученые Хорезмской Академии Маъмуна и, в первую очередь, её руководитель, великий ученый Абу Райхан Беруни, оставил значительный след в этой области.
С целью измерения Земли, Луны и
Солнца и определения расстояния от
Земли до Солнца и Луны, Беруни создал
совершенную с математической точки
зрения теорию теней. Суть теории состоит
в том, что, если мы от точки, где стоим,
на некотором расстоянии
направим на Солнце круг радиусом
,
то на Землю ляжет полная тень (т.е. в
этой точке круг закрывает солнце
полностью) или частичная тень (в этих
точках солнце закрывается частично).
На основании измерений размеров этих
теней Беруни разработал способ вычисления
расстояния от Земли до Солнца, а также
способ вычисления диаметра Солнца
1 – чертеж
Здесь
- диаметр Солнца, а
- диаметр круга, преграды (гномона),
- площадь полной тени, падающей от
гномона,
и
-
площадь частичной тени
.
В трактате показана возможность успешного использования на практике и включения в современные учебные пособия по математике, созданного Беруни способа измерения радиуса Земли, расстояния от точки, на которой мы стоим, до какого-либо тела, находящегося на расстоянии от нас. Наряду с этим, в трактате даны фрагменты из его книг, высказывания, которые помогут читателю оценить величие нашего соотечественника Беруни - математика даже с современной точки зрения.
Измерение расстояния на Земле и высоты гор
Если у нас возникнет необходимость
измерить высоту вертикально расположенного
тела (например, минарета)
,
мы, отойдя к точке
,
(2-чертеж), расположенной на некотором
расстоянии от этого тела, при помощи
алидоды (нивелира) измерим угол
и из уравнения
,
или
легко сможем вычислить отрезок
.
2 – чертеж
Задача более усложнится, если
невозможно достичь основания вертикально
расположенного тела, т.е. точки
(к примеру, если необходимо определить
высоту тела на противоположном берегу
реки или высоту пологого склона).
Аль - Беруни в своем труде «Гномоника» подробно останавливается на подобных задачах и, в частности, приводит способы их решения из книги «Брахмассиддхата» индийского математика и астронома Брахмагупты.
По его мнению, чтобы измерить высоту тела, которое не достигает своего основания, нужно выбрать ровное место на некотором расстоянии от него (3 - чертеж).
3 - чертеж
Выбрав точку
на ровном месте, вертикально к ней
устанавливаем преграду (гномон)
и находим его полную тень
.
О том, как найти точку
,
помогающую определить полную тень
гномона
,
Беруни предлагает следующее:
«… нужно идти в обратном
направлении от точки
до того места, откуда
и
должны быть видны через диоптр алидоды
на одном ориентире. Так как точка
расположена на Земле, то для определения
её нужно лечь на землю или спуститься
в яму, высотой в рост человека». (аль –
Беруни. Математические и астрономические
трактаты, «Фан», 1987, стр. 244). После того,
как найдена точка
,
поднимаем второй гномон
,
равный гномону
и, как прежде, определяем его тень
.
Из подобий
,
вытекают равенства:
и с их помощью несложно определить:
В своей книге «Геодезия» (ал – Беруний. Геодезия, «Фан», 1982, с.167) ученый создал простые доступные методы измерения расстояний на поверхности Земли.
Для этого он берёт квадрат
с равными сторонами, вбивает тонкий
гвоздь в точки
и
и устанавливает длинную диоптрическую
алидоду в точке
(4 - чертеж).
4 – чертеж
Устанавливаем квадрат в точке
таким образом, чтобы точки
оказались расположенными на одной
прямой линии. Затем из точки
,
бросив камень (по словам Беруни), проводим
перпендикуляр
.
Из:
,
получаем равенства
,
(1)
Размер Земли
Первые попытки измерить диаметр Земли связаны с именем Эратосфена (276-196 годы до н.э). Он определил параметры Земного шара по состоянию Солнца над Асваном и Александрией.
Когда в Асвоне Солнце находится
в Зените, в Александрии оно имеет
наклонение
по отношению к Зениту и отсюда уточнив,
что на Земном шаре дуга, соединяющая
Асван и Александрию, равна
,
т.е. она соответствует 1/50 части большой
окружности Земли.
Отсюда вычислялась протяженность большой окружности Земли путём увеличения расстояния между Египтом и Александрией в 50 раз. Таким же способом Птолемей (II в. до н. э.) пытался вычислить размер Земли, и своё мнение по данной проблеме изложил в книге «География». Ученые античного века в качестве единиц измерения использовали стадий, с течением времени, в частности, начиная с эпохи Академии «Байтул - хикма» (IX в.), в стадийном методе измерения Земли и в других единицах измерения были обнаружены ошибки и противоречия. Поэтому халиф Аль - Маъмун ибн ар-Рашид поручил ученым «Байтул-хикма» (Дома мудрецов) осуществить реальное (точное) измерение земного шара. Измерительные работы, в которых приняли участие среднеазиатские ученые, проводились вблизи Масула в Синжарской степи.
В частности, под руководством нашего земляка аль - Хорезми ученые «Байтул – хикма» успешно справились с заданием, уточнили радиус Земли, добились того, что он равен 3247 мил = 129865996 газ или 6406 км1).
На самом деле радиус экватора
Земли
км, а радиус полюса равен 6357 км.
Абу Райхан Беруни (973 - 1048) в своих трудах «Геодезия», «Каноны Маъсуди» попытался обстоятельно описать измерение размеров земного шара и остановился ещё на одном новом усовершенствованном методе: «что касается размеров Земли, - пишет Беруни, - до нас, [т.е. до эпохи «Байтул - хикма» - А.С], дошли лишь описания римских и индийских ученых. У римлян и индийцев единицы измерения были разными в количественном соотношении. Индийцы измеряли окружность Земли милями, включавшими в себя от одного до 8 наших милей, и в различных измерениях их мнения менялись; в каждой из пяти «Сиддихонта» окружность Земли описана с расхождениями. Римляне же измеряли её одной мерой и называли её «стадия». По мнению Галена, Эратосфен осуществил измерительные работы между городами Асван и Александрией, находящимися на одном меридиане.
Если основываться на мнение Галена в «Книге доказательств», мнение Птолемея во «Введении в искусство сфериков» и «Географии», то между мерами наблюдается разница. Подобные противоречия пробудили желание Маъмуна вновь уделить внимание данному вопросу и решить его с помощью ученых, проделать измерения на землях Масула в Синжарских степях.
Если человек движется по прямой
линии на Земле, то, на самом деле, он
движется вокруг Земли по окружности.
Но провести прямую линию на большое
расстояние - дело очень сложное. Поэтому
ученые Маъмуна в качестве ориентира
определили полюс вселенной (здесь,
возможно, имеется ввиду полярная звезда).
Для измерения окружности они вычислили
1/360 части окружности Земли, равной
мили.
У меня появилось огромное желание самому вычислить размер Земли, и я выбрал большое ровное место в Журжане. Но из-за трудных условий пустыни, отсутствия надежных помощников, я нашел в Индии высокую гору с ровной поверхностью и использовал другой способ измерения. С вершины горы я обнаружил угол наклона соединения Неба и Земли (5-чертеж) и вычислил его как 0034, измерил в двух местах вершину горы и вычислил её как 652 газ плюс половину одной десятой части от него.
5 – чертеж
Высота горы, перпендикулярная
сфере Земли - это линия
(6 - чертеж). Пусть
- центр Земли, а
- касательная к Земле с вершины горы.
6 – чертеж
Соединив линию
с линией горизонта, получим треугольник
.
Здесь все его углы известны, поскольку
угол
- прямой, а угол
дополняет угол наклона горизонта, т.е.
»
(ал – Беруний. Šонуни - Маъсудий, 1973, V
китоб, «Фан», 1973, с.386-387). Таким образом,
по определению синусов, вычисляется
радиус Земли
.
Из
,
отсюда
или
(2)
Зная высоту горы
и
,
Беруни находит
км.
В своей книге «Геодезия» Беруни, описывая поход на Рим халифа ал-Маъмуна (830 - 832), отмечает, что с ним вместе был и ученый-математик Абу Тайиб Санад ибн Али, пригласив которого, он поручил ему взобраться на гору, возвыщающуюся над морем с восточной стороны, измерить угол наклона (для точности во время захода Солнца), что он, Санад ибн Али, выполнил эту задачу, то есть он, использовав угол наклона и несколько вспомогательных треугольников, вычислил измерение радиуса Земли (ал – Беруний. Геодезия, «Фан», 1982, с.166).
Расстояние между небесными телами
Беруни пишет: «Диаметр солнца
обозначен
.
Поверхность Земли -
,
- гномон тело, дающее тень на Землю,
- тень этого тела (его диаметр),
- центр тени (7 - чертеж, здесь
- полная тень,
- часть тени). Если нам известны
,,
и
,
то мы определим расстояние от Солнца
до Земли и диаметр Солнца*).
7 – чертеж
Действительно, если провести
,
то
и
известно. Его отношение к
,
такое же, как
к
.
Значит, известны
и треугольник
.
Отношение
и
такое же, как
к
.
Итак,
,
а значит
известна» (аль – Беруни. Математические
и астрономические трактаты, «Фан», 1987,
стр.210).
По утверждению Беруни,
,
отсюда вытекают равенства
или
или
Из
получаются равенства
или
или
С помощью этих уравнений мы легко
можем определить расстояние от Солнца
до Земли
,
радиус Солнца
.
,
, (3)
где
Если мы острые углы при
и
обозначим через
и
,
применив к
теорему синусов, можно переписать
формулы (3) в следующем виде:
.
(4)
И, наконец, продолжив прямые
линии
или
,
определим точку
,
проведем прямую
.
Проведя перпендикуляр
,
и пользуясь определением
,
получим формулы
(5)
где
Формулы (3), (4), (5) - это формулы измерения расстояния между Землей и небесными светилами Луной и Солнцем, и размеров Луны и Солнца.
К сожалению, на практике из-за
дальности расстояния до Луны и Солнца,
а также ввиду использования простых
приборов, величины
и
или углы
и
в формулах почти равны друг другу, а
значит знаменатели дробей почти равны
0. Поэтому в эпоху Беруни не было
возможности для применения этих формул
в работах по измерению небесных тел.
Хотя в указанной книге Беруни обстоятельно
изложил попытки предшественников по
измерению небесных тел, недостатки в
их способах, и предложил удобные и
простые в теоретическом плане формулы,
он не приводит конкретных цифр измерений
Луны и Солнца.
Тем не менее, предложенными формулами можно пользоваться для измерения тел, до которых невозможно добраться и для вычисления расстояния до них. В этой связи было бы целесообразно называть эти формулы в науке формулами Беруни и на основе этого теорию теней (гномонику) связать с именем Беруни.
*) Зулхижжа - название 11 месяца мусульманского лунного календаря (хиджры).
1) Ученые современности признали, что 1 мил=400 газ=1973,2 (см: Хинц. «Мусульманские меры»).
*)
Вышеуказанные
,
,
и
размеры, обеспечивающие возможность
измерения Земли.
1