Игорь Тимофеев - Бируни
В Гургандже Бируни много и напряженно работал, сочетая изыскания в области статики, минералогии и гидрологии с изучением природы и климата Хорезма. Еще много лет назад, в Рее, он впервые заинтересовался свойствами драгоценных камней и металлов и пришел к выводу, что важнейшим критерием их различения является удельный вес. Однако на пути превращения гениальной догадки в открытие, имеющее практические выходы, возник целый ряд препятствий, преодолеть которые тогда не удалось. Сложнейшая из проблем заключалась в разработке точной методики определения удельного веса, а также в создании надежного оборудования для опытов. Верный своему принципу предварять подход к любой проблеме тщательной проработкой опыта предшественников, Бируни принялся за изучение античных и мусульманских работ по гидростатике, начав со знаменитого трактата Архимеда «О плавающих телах».
Кому не известен включенный во все школьные учебники анекдот об Архимеде, выскочившем из ванны нагишом с криком: «Эврика!» Именно так, если верить легенде, был открыт архимедов закон, согласно которому на всякое тело, погруженное в жидкость, действует со стороны этой жидкости «подъемная сила», направленная вверх и равная весу жидкости, вытесненной телом. Положение Архимеда, что при взаимодействии жидкости с твердыми телами ее частицы выталкиваются этими телами как более плотными, безусловно, восходило, и Бируни не мог этого не заметить, к представлениям древнегреческих атомистов. Не ускользнуло от его внимания и то, что в трактате «О плавающих телах» Архимед руководствовался тезисом Демокрита о стремлении всех сил к центру Земли, а не господствовавшей в александрийский период точкой зрения Аристотеля о делении всех тел на «тяжелые» и «легкие» и соответственно — о стремлении «тяжелых» книзу, а «легких» вверх.
С помощью открытого им закона Архимед определил количество золота и серебра в тиаре сиракузского царя Гиерона. Такая же по своей сути исходная задача, а именно — определение количественного состава различных сплавов — ставилась поколениями ученых в последующие века. Особенно острой стала потребность в практическом решении этой проблемы в X–XI веках, когда невиданный доселе размах международной торговли дал мощный импульс развитию ювелирного и монетного дела, требовавших постоянного совершенствования методов взвешивания и создания чувствительных устройств для точного определения состава сплавов. Положение осложнялось тем, что в X веке в Мавераннахре и Хорасане было выпущено огромное количество неполноценных монет, ходивших наравне с серебром. Так, наряду с серебряными дирхемами «исмаили» в обращении оказалось множество бухарских дирхемов «гитрифи», чеканившихся из неценных металлов, и согдийских «мухаммади» из низкопробного серебра. Такой разнобой создавал благоприятные условия для всевозможных подделок и махинаций, в том числе и с благородными металлами — золотые динары саманидского чекана в обращении не участвовали, а продавались на вес, как обычный товар.
Тщательное изучение методов, применявшихся александрийцем Менелаем, мусульманскими учеными Синдом ибн Али (IX в.), Юханной ибн Юсуфом (X в.), Абу Бакром Рази (IX в.) и Абу Мансуром Найризи (X в.), натолкнуло Бируни на мысль, что корень проблемы заключается в «установлении отношений между металлами и минералами в объеме и весе». Окончательная убежденность в правильности такого подхода пришла после того, как он ознакомился с опытом своего современника среднеазиатского естествоиспытателя ал-Бухари, занимавшегося сопоставлением весов равных объемов чистых металлов и сплавов. Теперь вся трудность состояла в создании специального прибора, который обеспечивал бы максимальную точность при взвешивании.
Отложив книги, Бируни засучил рукава. Все оборудование для уникального эксперимента он мастерил собственными руками, но к этому ему было не привыкать. Поначалу работа не ладилась — сосуды выходили неказистые, с многочисленными изъянами, не той формы, что давала бы требуемый эффект. Но Бируни не сдавался. Действуя методом «проб и ошибок», он упорно, шаг за шагом нащупывал ту единственно верную конструкцию, которую до него еще не удавалось создать никому.
«Я не переставал изготовлять один прибор за другим, — напишет он спустя много лет в своей «Минералогии», — и в последующем я устранял то, что мешало мне в первом, пока не изготовил сосуд конической формы — широкий у основания, с узким отверстием, которое находилось на конце шейки такой же ширины, как и отверстие, идущее от тулова сосуда. И посредине шейки, ближе к ее основанию, я проделал круглое небольшое отверстие и припаял соответствующую ему по размерам изогнутую трубку с концом, обращенным к земле; ниже этого конца я приделал нечто вроде кольца для установки чаши весов во время работы… Шейку я сделал узкой потому, что уровень воды в узком пространстве поднимается выше при малейшем прибавлении чего-либо… Поскольку же мы сделали шейку шириной в мизинец, то подъем воды заметен и при опускании того, что по объему равно зерну проса».
Теперь можно было приступать к эксперименту. Но прежде следовало определить вес воды, вытесненной из конического сосуда эталонным образцом весом в 100 мискалей (1 мискаль равен 4,424 г.). В качестве эталонных образцов Бируни брал сапфир для минералов и золото — для металлов. Вот как он описывает опыт по определению удельного веса серебра:
«Мы бросали в сосуд неизвестное по весу количество серебра, по желанию, на глаз, а затем начинали мало-помалу увеличивать это количество, а вода в это время вытекала в чашу весов, пока вес ее не достигал величины, которую дает сто мискалей золота… Нам было известно, что серебро, вытеснившее эту воду, по объему равно объему золота, вытеснившему такое же количество воды. Мы извлекали серебро из сосуда и взвешивали его, а затем определяли, какую долю эта величина составляет от ста мискалей, и сопоставляли с тем, что получалось при других способах. Затем мы снова помещали серебро в сосуд, чтобы выяснить вес вытесняемой им воды — соответствует ли он первому результату».
В ходе кропотливой работы Бируни определил удельный вес многих драгоценных камней и металлов. При сравнении полученных им величин с современными обнаруживаются незначительные расхождения, которые можно объяснить недостаточной чистотой эталонных образцов, а также неодинаковыми температурными условиями во время опытов. Измеряя удельные веса различных жидкостей, Бируни открыл неизвестные ранее закономерности. Так, например, он установил, что удельные веса холодной и горячей, пресной и соленой воды отличаются друг от друга, и сделал вывод о зависимости удельного веса жидкостей от их плотности.
