Часы из Газы не только показывали время, но и отмечали часы боем. Только число ударов было не от 1 до 12, а от 1 до 6 до полудня и от 1 до 6 после полудня, так как счет времени производился по солнечным часам. На коньке крыши часов была укреплена голова Горгоны, вращавшей глазами при каждом бое часов. Бой осуществлялся так: механизм боя был связан с фигурой Геракла. Палицей, которую античный герой держал в правой руке, он ударял по медному звонковому листу (гонгу), который на весу держал в левой руке.
Часы из Газы имели, кроме того, много других автоматически движущихся фигур. Так, например, была представлена фигура Пана — древнегреческого бога лесов, который при звуке гонга настораживался, как будто слышал голос своей возлюбленной Эхо. Пан окружен сатирами; они издеваются над несчастным любовником, строя ему гримасы. Трубач Диомед по истечении дневных часов и свершении всех двенадцати подвигов Геракла трубит (возвещает) зорю.
В Восточно-Римской империи как непосредственной преемнице александрийско-римской культуры и благодаря тому, что в ее состав входили области, отличавшиеся издавна высокой культурой,— Греция и Италия, Египет к Сирия, не только сохранялось, но и развивалось искусство создания солнечных и водяных часов, основанных на достижениях античной гномоники. Об этом свидетельствуют и «геракловы» водяные часы из Газы, и водяные часы, приписываемые Архимеду, по образцу которых арабские мастера и ученые стали создавать водяные часы у себя. Арабы учились у византийцев также конструированию и изготовлению различных видов солнечных часов. Восточно-мусульманская гномоника потому и достигла потом высокого развития, что основывалась на использовании достижений античной гномоники, которая арабам была передана византийцами.
В самой Византии были весьма распространены настенные вертикальные солнечные часы. Они имелись на стенах церквей, общественных зданий и были примерно такого же типа, как на стенах Башни ветров в Афинах и на стене византийской церкви, построенной на месте языческого храма Грация. На циферблате для обозначения часов впервые появляются числа.
Свидетельства о наличии в Константинополе часов как прибора времени идут с VI в., но, к сожалению, без какого-либо пояснения их устройства. На основании эпиграммы, относящейся ко времени царствования Юстина II (565—578), византиевед Рейске заключает, что уже в VI в. у византийских греков были часы с боем, по крайней мере большие городские [123, 63].
В «Уставе» Константина Багрянородного (911—959) находим свидетельство о существовании часов, которые находились в портике Хрисотриклино, из-за чего и сам портик часто назывался «часами». Устройство этих дворцовых часов также нам неизвестно.
У Константина Багрянородного имеется упоминание и о переносных «походных» (серебряных и медных) часах наряду с большими церковными и домашними часами, установленными на стене или на башне. Вероятно, «походные» часы были не водяными, а механическими.
Достоверно известно, что в Византии уже существовала профессия часовщика. В «Уставе» Константина Багрянородного упоминается об этой профессии. Наряду с часовщиками здесь говорится о «заравах». Рейске высказывает предположение, что в их обязанности входило отбивать на биле часы, соответствующие времени церковных служб и молитв. В этом предположении Рейске, как справедливо отмечает Д. Ф. Беляев, «нет ничего невероятного, но только, по мнению этого автора, во дворце отбивание часов необходимо было не столько для молитв и церковных собраний, сколько, может быть, для обозначения времени собраний воинов, открытия и закрытия дворца, смены стражи и других действий, совершающихся регулярно в известные часы» [50, 162—163].
Дворец византийских императоров жил своей сложной, размеренной по дням и часам жизнью. Великолепные процессии, торжественные приемы, пышные празднества чередовались там постоянно.
Астролябия, изобретенная астрономом Гиппархом (150 г. до н. э.), продолжала усовершенствоваться в Византии. Византийские ученые писали трактаты по астролябии. Один такой трактат был написан ученым Филопоном (Иоанн Грамматик) в 625 г. и дошел до наших дней. Примерно в это же время сириец Севера Себохта (сирийский ученый, бывший епископ в монастыре Кеннепре (верхнее течение Евфрата)) написал трактат на ту же тему, что и Филопон. При этом он использовал греческие источники. Перс ал Фазар (умер ок. 777 г.)—один из первых среди мусульманских ученых—также написал трактат по астролябии [143, 48].
Развитие военной техники, создание астролябии и часов в Византии способствовали развитию механического искусства, которое было доведено до большого совершенства в IX в. выдающимся византийским ученым Львом Философом. Исследования последнего касались главным образом математики, практической механики и прикладного естествознания. Льву философу приписывается использование механики, в частности, для устройства весьма сложных автоматически действующих фигур и подъемных механизмов для дворца Маганавр, где император принимал иностранных послов.
Дворец был украшен золотыми птицами, сидящими на золотом дереве вокруг трона Соломона, на котором восседал царь. Золотые птицы могли щебетать подобно живым птицам. По обеим сторонам трона на ступеньках были помещены фигуры различных животных, которые могли подниматься и становиться на лапы; имелись здесь также фигуры львов, которые «рычали так же громко, как цари пустыни», и т. д.
Хотя завоевание Константинополя турками положило конец византийской культуре, но богатства древнегреческой мысли, собранные и обогащенные византийцами, сохранили Европе источники, из которых она долго черпала познание античного мира.
Индийская и мусульманская астрономия и гномоника. Вертикальный и горизонтальный гномон как угломерный инструмент ввиду разнообразных его применений в астрономии стал моделирующей системой в средневековой индийско-мусульманской математике. Эта система выполнила такую же роль, какая потом выпадет на долю маятника как моделирующей системы в механике и математике XVIII в. В связи с теорией гномона стала тщательно разрабатываться тригонометрия сначала у индусов, а потом и у мусульман. В течение долгого времени тригонометрия оставалась прикладной частью гномоники. По существу гномоника является теорией гномона —одного из самых ранних астрономических инструментов, а затем и солнечных часов, имевших самое широкое распространение в быту и в науке вплоть до XVIII в. С астрономии и гномоники начинается история науки вообще и развитие теории астрономических инструментов и теории часов — в частности. Она является самым ранним образцом теории самого раннего прибора. В ХVIII начале XIX в. гномоника преподавалась в учебных заведениях Германии, Италии и России. Перестали ею интересоваться лишь после того, как солнечные часы были вытеснены механическими часами. Однако изучение астрономии в учебных заведениях чаще теперь начинается с практических занятий с гномоном. Поэтому нельзя не интересоваться историей развития гномоники как одной из самых ранних наук вообще.
Индийская астрономия была вызвана к жизни в силу необходимости определять и исчислять время. Страбон рассказывает, что астрономия была любимым занятием брахманов.
Индийская астрономия получила толчок к дальнейшему развитию и совершенствованию тогда, когда индийским астрономам удалось ознакомиться и освоить достижения эллинской астрономии. Отсюда же заимствованы и 12 созвездий зодиака. В результате была создана греко-индийская астрономия и гномоника, изложенная в трактате «Сурья-сиддхант» («Наука Солнца»), появившегося около 400 г. н. э. Последующая астрономическая литература с V в. продолжает научные традиции
«Сурья-сиддханты». Об этом свидетельствуют труды таких выдающихся индийских астрономов, как Ариабхата (V в.) и Вараха-Микиры (VI в.). Их сочинения были переведены на арабский язык; они и до сих пор ревностно изучаются особой школой индийских астрономов, несмотря на то что в университетах преподается совершенно другая, современная европейская астрономия, Ариабхата предлагает решение задач по гномонике, пользуясь теоремой Пифагора и пропорциональностью сторон в двух подобных треугольниках: «1) Прибавь квадрат высоты гномона к квадрату ее тени. Квадратный корень из этой суммы есть радиус небесного круга; 2) умножь высоту гномона на расстояние между гномоном и источником света и раздели на разность между высотой гномона и высотой источника света. Частное будет длиной тени, измеренной от основания гномона» [57,141].
Ариабхата знает не только подобие треугольников и пропорциональность сторон в подобных треугольниках, но и применяет их для решения задач гномоники: «Расстояние между концами двух теней умножь на длину тени, раздели на разность между длинами двух теней; это дает расстояние от основания высоты светила до конца тени. Этот результат, умноженный на высоту гномона и деленный на длину тени, дает высоту источника света» [57, 141].
В VIII—XI вв. индусы становятся учителями арабов. В 772 г. в Багдад ко двору калифа аль-Мансура прибыл один индийский астроном и принес с собой астрономические таблицы браминов, взятые, по всей вероятности, из «Брама-сфута-сиддханта» Брахмагуиты. Эти таблицы, содержавшие важную индийскую таблицу синусов, были вскоре по приказанию калифа переведены на арабский язык и приобрели там большую популярность под названием «сиддхант».
Сочинение «Брама-сфута-сиддханта» («Пересмотр системы Брамы») было написано Брахмагуптой в 628 г. В этом по существу астрономическом сочинении лишь главы XII и XVIII (были посвящены математике. В разделе «Измерение с помощью гаомона» Брахмагупта выдвигает в гномонике следующие задачи: 1) зная высоту источника света, высоту гномона и расстояние между их основаниями, найти длину тени, отбрасываемой гномоном; 2) найти высоту источника света, зная длину тени, отбрасываемой гномоном в двух различных положениях [57, 144].
Должно было после Брахмагупты пройти полстолетия, чтобы в XII в. появился математик и астроном Бхаскара Акария. В 1150 г. он написал сочинение «Сиддханта-сиромани» («Венец астрономической системы»), одна из глав которого посвящена употреблению гномона. Две наиболее важные главы «Сиддханта-сиромани», относящиеся к математике, называются «Лиловати» («Красота», или «Благородная наука»). Здесь также имеется упоминание о маленьком цилиндрическом сосуде, который был положен в сосуд, наполненный водой. Вода, постепенно проникая в маленькое просверленное отверстие в нижней части щилиндра, заставляла его в конце концов погрузиться. Таким сосудом индусы пользовались для измерения времени. Гиппарх и Птолемей за меру угла принимали хорду; индийские математики впервые ввели в употребление половину хорды—синус— и вычислили для нее таблицы. Кроме линий синуса, индийские ученые пользовались линией косинуса и линией синуса-верзуса, т. е. разностью между радиусом и линией косинуса. Они установили зависимость между синусом и косинусом взаимно дополнительных углов: sin A=соs(90 — А), а также одно из основных тригонометрических уравнений: sin2A + cos2A = 1.
Путь, который привел индусов в тригонометрии к подобным выводам, связан с гномоникой и составлением астрономических таблиц. Благодаря этому развивалась техника составления таблиц тригонометрических величин.
Гиппарх ввел только одну тригонометрическую величину — хорду дуги — и дал в качестве тригонометрического пособия таблицу хорд. Она содержала величины хорд, соответствующих углам в круге в частях радиуса, но их было трудно вычислять. Исходной точкой для Гиппарха служили хорды в 120, 90, 42, 60 и 36°. Птолемей с достаточной точностью определил хорды всех углов, последовательно возрастающих на полградуса.
В средневековой Индии стали прибегать к другим тригонометрическим величинам. Индусы содействовали значительному прогрессу гониометрии — важнейшей части тригонометрии, оперируя с синусом и с синусом-верзусом (1—cosa).
Индийские таблицы синусов заменили греческие хорды. Тригонометрические величины использовались индусами чаще всего при решении изолированных задач.
В трактате «Сурья-сиддхант», как и в других «сиддхантах», гномон и его тень фигурируют во многих тригонометрических задачах. Таким образом формулируются правила гномоники для определения теней по высоте Солнца и обратное правило — определение высоты Солнца по тени гномона и т. д. Постепенно увеличивалось количество введенных в рассмотрение зависимостей между тригонометрическими величинами ввиду потребности нахождения высоты и азимута Солнца, в зависимости от которых в течение каждого дня определялось время и изменения соответствия между ночными и дневными часами. Для нахождения по тем или иным данным высоты Солнца, продолжительности дня и ночи в «Правилах», данных в «Сурья-сиддханте» и других «сиддхантах», перечисляется последовательность арифметических действий над синусами, синусами-верзусами и радиусом. В индийских «правилах» неявно содержатся даже некоторые теоремы сферической тригонометрии, чаще всего в связи с решением задач сферической астрономии и гномоники.
В трактате «Сурья-сиддханта» можно найти, хотя и в словесном выражении, теорему косинусов сферической тригонометрии, использованную для определения высоты Солнца, или в переводе на современный математический язык где t — часовой угол, который можно определить, если известны склонение Солнца б, географическая широта места ф и высота Солнца h в данный момент. К этой же формуле в конечном счете сводится и правило Вараха-Михиры для определения высоты Солнца, приводимое в его «Панча-сиддхантике» [85, 197].
Созидательная работа индусов в области гномоники приходится на период с III по XII в. н. э. В отличие от греков индийские ученые не проявляли острого интереса к логическим построениям и концентрировали свое особое внимание в астрономии и математике на вычислениях.
Зарождение и развитие тригонометрии показывает, что математика не вышла из мозга гениев, как Минерва из головы Зевса, а создавалась и разрабатывалась в зависимости от практических потребностей определения времени и составления астрономических таблиц. Задолго до разработки обобщающей теории тригонометрии был создан механизм вычислений. Когда же появилась теория, то разработка ее пошла независимым путем, подчиняясь своей собственной логике развития.
На мусульманском Востоке плоская тригонометрия была развита слабее сферической, ввиду того что для решения задач сферической астрономии и гномоники требовалась разработка методов решения сферических треугольников для нахождения соотношения между тригонометрическими функциями его сторон и углов.
«Важное место в математике стран ислама,— отмечает А. П. Юшкевич,— занимала тригонометрия. Она служила звеном, непосредственно соединявшим математику с ведущей естественной наукой того времени — астрономией, с календарем и гномоникой, наукой о солнечных часах, широко распространенных в мусульманских городах, где небо редко и недолго бывает покрыто облаками» [100, 281].
К начальному этапу развития тригонометрии на мусульманском Востоке и ее приложений к астрономии и к гномонике — к усвоению греческой и индийской научной традиции в этой области— относятся перевод и комментирование «Альмагеста» Птолемея и индийских «сиддхант».
Заменив хорды Птолемея синусами и опираясь на вычислительные приемы «Альмагеста» и правила индийской гномоники, ученым стран ислама удалось ввести в математику остальные тригонометрические функции (тангенс, котангенс, секанс и косеканс). Они нашли решение всех случаев плоских и сферических треугольников и составили многочисленные тригонометрические таблицы с высокой степенью точности, которые были использованы для определения горизонтальных координат—азимута А и высоты h светила, полуденной высоты Солнца и высоты светила в меридиане Я, часового угла t и «расстояния восхода», т. е. дуги горизонта между точкой востока и точкой восхода светила, и т. д. Благодаря применению тригонометрии к решению задач гномоники она из искусства превращается в подлинную науку.
Выдающееся значение в разработке гномоники в связи с тригонометрией имели на мусульманском Востоке труды следующих ученых: ал-Хорезми (780—ок. 850), Хабаша ал-Хасиба (ок. 770—ок. 870), Сабита ибн Корра (836—901), ал-Баттани (ок. 850—929), Абу-Али ал Хасана (умер в 1262 г.).
Ал-Хорезми первый в мусульманском мире продолжил индийские научные традиции и изложил элементы тригонометрии. Он ввел в употребление синус и понятие тени как тригонометрической линии, связанной с гномоникой. Ал-Хорезми рассматривает две практически не связанные друг с другом тригонометрические линии: в круге (синус, синус-верзус) в соответствии с традицией «Альмагеста» и в прямоугольном треугольнике (тангенс, котангенс) согласно правилам индийской гномоники.
Вопросами гномоники прилежно занимался также современник ал-Хорезми Хабаш ал-Хасиба. О нем известно, что он в большей мере стал прибегать к тригонометрии для решения задач гномоники.
Для определения отношения длины тени Ъ к высоте гномона l в зависимости от высоты Солнца ah ал-Хабаш составил таблицу значения длины тени для h = 1, 2, 3° и т. д. с точностью до 1 с, пользуясь фактически тригонометрическим соотношением b = lсtgh.
Для горизонтального гномона, перпендикулярного к вертикальной стене, ал-Хабаш составил таблицу «обращенных теней», т. е. тангенсов: b = ltgh.
Однако применение тригонометрии у ал-Хабаша сводилось в основном к решению отдельных практических задач. Более высокий уровень использования тригонометрии был достигнут уже только в следующем поколении после ал-Хорезми и ал-Хабаша. Это поколение дало таких выдающихся астрономов и математиков, как Сабит ибн Корра и ал-Баттани. Они стали разрабатывать гномонику, используя формулы, выражающие соотношения между тригонометрическими функциями сторон и углов произвольного сферического треугольника, а также алгебраические методы преобразования тригонометрических уравнений и величин. Они умело пользовались теоремой синусов и косинусов для сферического треугольника.
Сабит ибн Корра в 1-й главе «Книги о солнечных часах» решает задачу на определение азимута Солнца А по его склонению б, высоте h и его часовому углу t, сводящуюся к теории синусов, что может быть записано в виде sinA/sin6 = sint/cosh В книге «О часовом инструменте, называемом солнечными часами» он дал два решения задачи об определении высоты Солнца над горизонтом h по широте местности ф, склонению Солнца б, по его часовому углу t и часового угла t no h, что приводит в конечном счете к известной уже нам сферической теореме косинусов.
Сабит в «Книге о солнечных часах» называет линию синуса
«синусом линии косинуса», «синусом дополнения», линию синуса-верзуса — «обращенным синусом», линию тангенса он просто называет «тенью», линию котангенса—«тенью дополнения». Этим подчеркивается непосредственная связь в развитии тригонометрии с гномоникой.
Ал-Баттани значительно содействовал применению тригонометрии в гномонике. На нем сказалось особенно сильное индийское влияние при вычислении горизонтальных координат Солнца — часового угла t, азимута А, а также на определение высоты Солнца h, т. е. величин, близко связанных с гномоникой.
Расчеты, связанные с гномоном и его тенью, привели ал-Баттани к применению котангенсов. Если ф обозначает угол высоты Солнца, h — высоту гномона, а — длину его горизонтальной тени (рис. 43, а), то из прямоугольного треугольника получаем! a=h cos ф/sin ф. Ал-Баттани дает ф значения 1, 2, 3°, принимает h=1 2 и составляет таблицу для вычисления а [141, 313]; он не только знает формулы для сферических треугольников, приведенные в «Альмагесте», но еще присоединяет важнейшую для косоугольных треугольников формулу благодаря которой в дальнейшем устранялась необходимость разделения упомянутых треугольников для их решения на прямоугольные и косоугольные.