Математика. Утрата определенности. - Морис Клайн

Хотя в обоснование своего принципа Мопертюи привел несколько физических примеров, он отстаивал принцип наименьшего действия и по теологическим мотивам. Законы движения материи должны обладать совершенством, достойным божьего замысла, и принцип наименьшего действия удовлетворял этому критерию, так как показывал, что природа действует наиболее экономным образом. Свой принцип Мопертюи провозгласил универсальным законом природы и первым научным доказательством существования и мудрости бога.

Величайший из математиков XVIII в. Леонард Эйлер, состоявший с Мопертюи в переписке (1740-1744) по поводу принципа наименьшего действия, согласился с ним в том, что бог, должно быть, построил Вселенную в соответствии с каким-то фундаментальным принципом и что существование такого принципа свидетельствует о направляющем персте божьем. Свое мнение Эйлер выразил так: «Поскольку наш мир устроен наисовершеннейшим образом и является творением всеведущего творца, во всем мире не происходит ничего такого, в чем не было бы воплощено какое-либо правило максимума или минимума».

В своем убеждении, что все явления природы происходят таким образом, что максимизируют или минимизируют некоторую функцию, вследствие чего и основные физические принципы должны содержать какую-то максимизируемую или минимизируемую функцию, Эйлер пошел еще дальше Мопертюи. Бог, несомненно, более искусный математик, чем могли себе представить ученые XVI-XVII вв., считал он. Религиозные убеждения также укрепляли Эйлера во мнении, что бог возложил на человека миссию познавать божественные законы, используя ниспосланный ему дар мышления. Книга природы открыта перед нами, но написана она на языке, который мы понимаем не сразу, а лишь после того, как ценой немалых усилий и страданий с любовью выучим его. Язык этот — математика. А поскольку наш мир — наилучший из всех возможных миров, его законы также должны блистать красотой.

Более точную и общую форму принципу наименьшего действия придал Лагранж. Действие фактически свелось к энергии. Из обобщенного принципа наименьшего действия удалось получить решения многих новых задач механики. (Принцип наименьшего действия по существу стал центральным принципом вариационного исчисления — новой области математического анализа, основателем которой стал Лагранж, опиравшийся на труды Эйлера.) Дальнейшее обобщение принципа наименьшего действия было предложено «вторым Ньютоном» Британии — Уильямом Роуаном Гамильтоном (1805-1865). Этот принцип и поныне является одним из наиболее универсальных принципов, лежащих в основе механики. По образу и подобию принципа наименьшего действия аналогичные принципы, получившие название вариационных, были сформулированы и в приложении к другим областям физики. Однако, как мы увидим, во времена Гамильтона ученые уже отказались от заключений Мопертюи и Эйлера, считавших, что принцип наименьшего действия включен божественным провидением в схему природы. Некоторое представление об изменениях, происшедших в толковании принципа наименьшего действия, можно составить по «Истории доктора Акакия», в которой высмеивается этот принцип, рассматриваемый как доказательство существования бога. Но ученые XVIII в. все еще были глубоко убеждены в том, что наличие столь всеобъемлющего принципа может означать одно: мир сотворен (разумеется, господом богом) в соответствии с этим принципом.

Величайшие мыслители XVIII в. отнюдь не двусмысленно утверждали господство математики. Вот, например, как сформулировал тезис о примате математики выдающийся математик Жан Лерон Д'Аламбер, главный сотрудник Дени Дидро (1718-1784), в своей статье, написанной для знаменитой французской «Энциклопедии»: «Истинная система мира познана, развита и усовершенствована». Нужно ли говорить, что естественный закон был законом математическим?

Более известно высказывание Лапласа:

Состояние Вселенной в данный момент можно рассматривать как результат ее прошлого и как причину ее будущего. Разумное существо, которое в любой момент знало бы все движущие силы природы и взаимное расположение образующих ее существ, могло бы — если бы его разум был достаточно обширен для того, чтобы проанализировать все эти данные, — выразить одним уравнением движение и самых больших тел во Вселенной, и мельчайших атомов. Ничто не осталось бы сокрытым от него — оно могло бы охватить единым взглядом как будущее, так и прошлое.

Уильям Джеймс в своем «Прагматизме» следующим образом описывает умонастроение математиков того времени:

Когда были открыты первые математические, логические и физические закономерности, первые законы, проистекавшие из этих открытий, ясность, красота и упрощение настолько захватили людей, что они уверовали в то, будто им удалось доподлинно расшифровать непреходящие мысли Всемогущего. Его разум громыхал громовыми раскатами и эхом отдавался в силлогизмах. Бог мыслил коническими сечениями, квадратами, корнями и отношениями и геометризовал, как Евклид. Бог предначертал законы Кеплера движению планет, заставил скорость падающих тел возрастать пропорционально времени, создал закон синусов, которому свет должен следовать при преломлении… Бог измыслил архетипы всех вещей и придумал их вариации, и когда мы открываем любое из его чудесных творений, то постигаем его замысел в самом точном предназначении.

Убеждение в том, что природа сотворена по математическому плану и творец ее — господь бог, выражали не только ученые, но и поэты, например английский поэт, эссеист и государственный деятель Джозеф Эддисон (1672-1712) в своем «Гимне»:

Бескрайней чаши глубина,Небес эфирных синева,Звезд бесконечный хороводХвалу Создателю поет.Своей могучею десницейБог правит солнца колесницей,И свет летит во все края,Хвалу Всевышнему творя.…Планет кружащихся венец —Твое созданье, о Творец.Той вестью полны,Катят по океанам волны.

К концу XVIII в. математика была подобна гигантскому дереву, прочно стоявшему на почве реальности, с корнями двухтысячелетней давности, с раскидистыми ветвями. Высоко вздымалось древо математики над всеми областями человеческого знания. Никто не сомневался, что в таком виде это дерево будет жить вечно — разве что крона его будет становиться все пышнее.

IV

Первое ниспровержение: увядание истины

У каждого века есть свои мифы.

Их принято называть высшими истинами.

Девятнадцатый век начался для математики хорошо. Активно работал Лагранж. В зените славы и расцвете сил находился Лаплас. Фурье (1768-1830) упорно работал над статьей 1807 г., впоследствии включенной в его ставшую классической «Теорию теплоты» (1822). Карл Фридрих Гаусс опубликовал (1801) свои «Арифметические исследования» (Disquisitiones arithmeticae), ставшие знаменательной вехой в развитии теории чисел, и был на пороге множества новых достижений, снискавших ему титул «король математиков». А французский «конкурент» Гаусса Огюстен Луи Коши (1789-1857) продемонстрировал свои незаурядные способности в обширной статье, опубликованной в 1814 г.

Несколько слов о деятельности этих замечательных ученых позволят читателю составить более полное представление о колоссальном шаге, который сделала наука в первой половине XIX в. в направлении более полного раскрытия единой схемы природы. Хотя Гаусс обогатил открытиями эпохального значения (об одном из них мы в дальнейшем расскажем) чистую математику, значительную часть своей жизни он посвятил естественнонаучным исследованиям. Гаусс даже не числился профессором математики — более пятидесяти лет он состоял профессором астрономии и директором Гёттингенской обсерватории. Интерес к астрономии пробудился у Гаусса еще в студенческие годы (1795-1798), проведенные в Гёттингене, и она, пожалуй, более всего занимала его мысли. Первый значительный успех пришел к нему в 1801 г. Первого января того года Джузеппе Пиацци (1746-1826) открыл малую планету Цереру. Хотя планету удалось наблюдать лишь в течение нескольких недель, двадцатичетырехлетний Гаусс, применив для анализа результатов наблюдений новую математическую теорию, вычислил орбиту планеты. В конце того же года Церера действительно была обнаружена примерно там, где и предсказывал Гаусс. Когда Вильгельм Ольберс в 1802 г. открыл другую малую планету — Палладу, Гаусс снова весьма точно определил ее орбиту. Весь этот первоначальный этап астрономических исследований Гаусс изложил в одном из своих главных трудов — «Теории движения небесных тел» (1809). 

Позднее, производя по просьбе курфюрста Ганноверского топографическую съемку Ганновера, Гаусс заложил основы геодезии; из этих занятий он извлек ряд весьма плодотворных идей, касающихся дифференциальной геометрии.{36} Особо были отмечены проведенные Гауссом в 1830-1840 гг. теоретические и экспериментальные исследования магнетизма. Он разработал метод измерения магнитного поля Земли. Создатель теории электромагнитного поля Джеймс Клерк Максвелл в своем «Трактате по электричеству и магнетизму» признает, что исследования Гаусса по магнетизму преобразили всю науку: приборы и инструменты, методы наблюдений и обработки результатов. Работы Гаусса по земному магнетизму являются образцом естественнонаучного исследования. В знак признания заслуг Гаусса единица магнитной индукции (в системе единиц СГС) получила впоследствии название «гаусс».