В погоне за красотой. Приключения пятого постулата Евклида

Научно-популярная литература

© Вольдемар Смилга. Наследники, 2019

© ФГУП Издательство «Наука», серия «Научно-популярная литература» (разработка, оформление), 2018 (год основания), 2019

© ФГУП Издательство «Наука», редакционно-издательское оформление, 2019

Предисловие

Автор этой книги – Вольдемар Петрович Смилга (1929–2009), известный советский физик-теоретик. С 1963 года и до конца жизни работал в Москве, в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова. Главное его научное достижение – разработка метода μSR (от английского muon spin rotation).

Помимо научных статей и монографий В.П. Смилга написал три популярные книги, адресованные всем, кого интересует наука и её история.

Первая книга «Очевидное? Нет, ещё неизведанное!» рассказывает о теории относительности и её рождении. Последняя, «Молодые годы Николая Ивановича Лобачевского», опубликованная посмертно в издательстве «Добросвет», посвящена истории Казани, Казанского университета и юности Лобачевского (Николай Иванович учился в Казанском университете, а в 1827 году был назначен ректором этого университета). Вниманию читателя предлагается вторая книга «В погоне за красотой», которая посвящена многолетним попыткам доказать пятый постулат Евклида, приведшим в конечном итоге к созданию неевклидовой геометрии.

В течение двух тысячелетий, прошедших после выхода в свет «Начал» Евклида, математики пытались доказать пятый постулат (не пытаясь доказать четыре остальных). Формулировка, предложенная Евклидом, оказалась весьма сложной. Можно даже сказать уродливой:

Если сумма двух внутренних углов, образованных при пересечении двух прямых третьей, меньше суммы двух прямых углов, то две исходные прямые, будучи неограниченно продолжены, непременно пересекутся, причем пересечение произойдет с той стороны, где сумма внутренних углов меньше суммы двух прямых.

Эстетические чувства математиков были оскорблены. Они были убеждены, что основное положение, лежащее в основании геометрии, должно быть «самоочевидной истиной», не требующей сложных формулировок и рассуждений. А такой замысловатый и далеко не очевидный пятый постулат не может быть заложен в фундамент здания, а должен располагаться выше, на одном из его этажей. Должен быть теоремой! Стараясь восстановить испорченную уродливым пятым постулатом красоту геометрии, учёные, начиная от Прокла Диадоха и Омара Хайяма (который был не только гениальным поэтом, но и блестящим философом, астрономом и математиком) и до Лежандра, вновь и вновь пытались его доказать, однако их попытки не увенчались успехом.

Наконец, в XIX веке Гаусс, Лобачевский и Бойяи предположили, а Клейн затем показал, что такое доказательство невозможно построить в принципе. Пятый постулат (та его более прозрачная формулировка, которую изучают в школе) гласит:

Через точку на плоскости, лежащую вне данной прямой, всегда можно провести на этой плоскости одну и только одну прямую, которая не пересекается с данной при неограниченном продолжении.

Его можно принять как аксиому, и тогда мы приходим к евклидовой геометрии.

Но можно принять как аксиому и утверждение, что две прямые всегда пересекаются – это верно для геометрии на поверхности сферы, к примеру на поверхности Земли. Или сказать, что существует по крайней мере две различные прямые, не пересекающие данную, а это уже приводит нас к геометрии Лобачевского.

Замечательно, что впоследствии, спустя годы, оказалось, что всё это не только игра ума – в XX веке Эйнштейн установил, что геометрия мира, в котором мы живем, действительно неевклидова!

Когда мой отец писал книгу «В погоне за красотой», мне было лет 11. Геометрия меня интересовала, и я читал рукопись. И был несколько разочарован тем, что на многих страницах совсем не было математики, а рассказывались истории о математиках. Я пожаловался на это отцу (биографическая литература меня в то время не привлекала), но он не обратил внимания на мои слова. В результате эта книга была написана так, что её интересно читать не только людям с естественнонаучным складом ума, но и чистым гуманитариям, – при желании можно попросту пропустить все математические рассуждения (хотя, конечно, они составляют существенную часть книги) и сконцентрировать внимание на драматических историях жизни учёных – великих математиков, пытавшихся в течение многих столетий достичь ускользавшую от них красоту, а когда, наконец, это удалось, обретённая красота науки оказалась совсем не похожей на то, что они надеялись найти.

Книга «В погоне за красотой» была впервые опубликована в серии «Эврика» издательством «Молодая гвардия» в 1965 и переиздана в 1968 году. Эти советские издания давно стали библиографической редкостью. В 2006 году книга была переиздана в издательстве «Московские учебники». Мы предлагаем читателю новое издание. Я позволил себе исправить некоторые немногие фактические неточности и добавить примечания, отражающие современное состояние науки.

Андрей Смилга

Глава 1

До Евклида – доисторические времена

Истинное начало этой истории теряется во мгле времен апокрифических.

Где, как и когда начиналась геометрия… Где, как и когда обрела она законченную форму и заслужила право называться наукой… Кто был тот неведомый первый, предложивший аксиоматическое ее построение, мы не знаем и, вероятно, не узнаем.

Принято думать, что это сделали греки. Но, быть может, прославленные египетские жрецы, а может быть, и не менее прославленные халдейские маги и есть истинные отцы науки.

Как бы то ни было, геометрия в VII веке до н. э. приходит в Грецию.

И здесь греки, поклонники холодной логики и филигранного изящества чистого интеллекта, любовно оттачивают (или создают) одно из самых красивых и долговечных творений человеческой мысли – геометрию.

Насчет филигранного изящества – сказано красиво, но, по сути, конечно, всё было хитрей и сложней. Бесспорно, в первую очередь развитие геометрии диктовалось нуждами практики.

Какое-то влияние на развитие логики (а следовательно, и геометрии) оказало увлечение греков юриспруденцией и ораторским искусством. Но в Египте, например, практикам также геометрия была весьма и весьма необходима, а уж что касается бесконечных тяжб и судебных процессов – тут греки вообще не могут конкурировать со страной фараонов.

Короче, серьезный анализ всего вопроса – дело тяжелое, и мы удовлетворимся фактом.

А чтобы не нарушать более торжественность начала, вернемся к высокому стилю.

Геометрия возникает. И тогда-то начинается азартная и драматическая игра в чистую логику, продолжающаяся два с половиной тысячелетия.

И таким же примерно сроком датируется история пятого постулата, история драматическая, поучительная, детективная и с неожиданным, но счастливым концом.

После анонса можно вернуться к истокам – ко мгле времен.

Геометрию, полагаем мы, начинала Ионийская школа. Точнее, сам ее основатель – Фалес Милетский, проживший что-то около сотни лет (то ли 640–540 гг. до н. э., то ли 640–546 гг. до н. э.).

Толком мы мало что знаем о нем.

Знаем точно, что имел он «титул» одного из семи мудрецов Греции, знаем, что по официозному счету идет он как первый философ, первый математик, первый астроном и вообще первый по всем наукам в Греции. Короче: он был то же для греков, что Ломоносов для россиян.

В молодости, вероятно, по торговым делам (а карьеру начинал он как купец) попал он в Египет, где фараон Псам-метих только-только ликвидировал «железный занавес» и стал оформлять въездные визы для иностранцев.

В Египте Фалес застрял на много лет, изучая науки в Фивах и Мемфисе. Потом он вернулся домой и основал философскую школу, выступая, очевидно, не столько как самостоятельный мыслитель, сколько как популяризатор египетской мудрости.

Считается, что геометрию и астрономию привез он.

Во всяком случае, одному у него могут поучиться все философы – краткости. Полное собрание его сочинений (естественно, не дошедшее до нас), по преданию, составляло всего 200 стихов.

Что именно сделал он в геометрии, мы можем только гадать, хотя греческие авторы приписывали ему довольно много.

Например, Прокл Диадох (с этим именем мы еще встретимся) утверждает, что именно Фалес доказал теоремы:

а) вертикальные углы равны;

б) углы при основании равнобедренного треугольника равны;

в) диаметр делит круг пополам…

И еще ряд других.

Допустив даже, что все историки писали сущую истину, мы уж совсем не знаем: самостоятельно пришел Фалес к этим теоремам либо же просто пересказывал идеи египтян?

Предсказание солнечного затмения 585 года до н. э., по-видимому, единственный бесспорный факт из научной деятельности Фалеса Милетского.

Но легенд о нем ходило множество. А само это уже свидетельствует, что ученый он был крупный.

Один из апокрифов столь приятно ласкает самолюбие людей науки, что его невозможно не процитировать. Рассказывает Аристотель:

«Когда Фалеса попрекали его бедностью, так как-де занятия философией никакого барыша не приносят, то говорят, что Фалес, предвидя на основании астрономических данных богатый урожай олив, еще до истечения зимы роздал накопленную им небольшую сумму денег в задаток владельцам всех маслобоен в Милете и на Хиосе. Маслобойни он законтрактовал дешево, так как никто с ним не конкурировал. Когда наступило время сбора олив, начался внезапный спрос одновременно со стороны многих лиц на маслобойни. Фалес стал тогда отдавать на откуп маслобойни за ту цену, за какую желал.

Набрав таким образом много денег, Фалес доказал тем самым, что и философам разбогатеть нетрудно, только не это дело составляет предмет их интересов».

Что Фалес сделал с деньгами, полученными в результате столь удачного практического применения астрономии, истории неизвестно. Будем надеяться, что истратил их он как истинный философ.

Ученики его и последователи, по-видимому, уделяли геометрии существенное внимание в своих философских занятиях. Однако центральная математическая школа в VI–V веках до и. э. была пифагорейская.

Достоверные биографические сведения о Пифагоре в основном сводятся к нескольким анекдотам. В этом он очень походит на Фалеса Милетского. Неясности начинаются уже с вопроса о его происхождении.

Бертран Рассел, суммируя имеющиеся данные, заключает: «Некоторые говорят, что он был сыном состоятельного гражданина по имени Мнесарх, другие же считают, что он был сыном бога Аполлона. Я предоставляю читателю выбирать между двумя этими противоположными версиями».

Далее полагают, что жил Пифагор столь же основательно, как и Фалес, – примерно сто лет (предположительно 569–490 гг. до н. э.).

Опять же, как Фалес, он лет двадцать набирался мудрости в Египте, но потом (и здесь он превзошел Фалеса) еще лет десять жил в Вавилоне, где еще набирался мудрости.

Утверждают также, что он путешествовал по Индии, но никто этому не верит.

Наконец, в каждой второй брошюре о боксе можно прочитать, что Пифагор был олимпийским чемпионом по кулачному бою, хотя в первоисточнике столь любопытных данных никогда не указывается, и мне он по меньшей мере неизвестен. Впрочем, как и в случае с Фалесом, привлекательна неожиданность сочетания: философ и математик одновременно оказался боксером экстракласса.

Во всяком случае, если и не в бокс, то в политику Пифагор вмешивался весьма активно, хотя не очень удачно.

Граждане сицилийского города Кротона, где он основал по возвращении из дальних стран свою школу и попутно втравил весь город в тяжелую войну, в итоге попросили его убраться вместе со школой. Он это и сделал. И довольно поспешно, что было разумно и своевременно.

Математик и ученый он, очевидно, был очень сильный, тем не менее особых восторгов он не вызывает.

Его Пифагорейский орден философов и математиков слишком уж напоминает казарму, а сам Пифагор подозрительно смахивает на какого-то фюрера, хотя и несравненно более культурного, чем те, что имели успех в двадцатом столетии.

Именно сам Пифагор – очевидно, для пущего авторитета – распространял, популяризировал, холил и лелеял идею, что его любимый папа – светоносный и лучезарный Аполлон. Он же оказался истинным отцом популярного и ныне обычая – присваивать себе научные результаты своих учеников. Причем дело было поставлено вполне официально. Существовал некий декрет, по которому авторство всех математических работ школы приписывалось Пифагору.

Хотя можно повторить, что подобные вещи не такая уж редкость и в наши дни, всё же 25 столетий несколько смягчили и цивилизовали нравы. Суть осталась неизменной, но форма значительно облагородилась.

Впрочем, наш Пифагор вообще вне конкуренции на этой стезе, ибо он исхитрился устроить так, что верные ученики объявляли его автором работ, выполненных намного позже его кончины. Понятно, что при подобных нравах в пифагорейской школе наиболее безусловным и безоговорочным научным доводом считались ссылки на «самого».

Так и говорили на хорошем греческом языке – «сам сказал». После чего дискуссия была неуместна и несколько опасна.

«Он» же со своими милыми последователями засекречивал методы решения математических задач, а также составил для членов ордена подробный список табу, слегка напоминающий творчество сумасшедшего руководителя детского сада.

Опасаясь предстать голословным, я процитирую часть правил хорошего тона для джентльменов из Пифагорейского клуба.

«1. Воздерживайся от употребления в пищу бобов.

2. Не поднимай то, что упало.

3. Не прикасайся к белому петуху.

4. Не откусывай от целой булки.

5. Не ходи по большой дороге.

6. Вынимая горшок из огня, не оставляй следа его на золе, но помешай золу».

И далее… в том же духе.

И это-то сборище время от времени захватывало власть то в одном, то в другом греческом городе, устанавливая там культ Пифагора и соответственно требуя выполнения своего устава. Впрочем, как меланхолично замечает Бертран Рассел, «те, которые не были возрождены новой верой, жаждали бобов и рано или поздно восставали».

И, наконец, говорят, он читал проповеди скотам, поскольку мало различал их и людей.

Но как геометрию, так и вообще математику пифагорейская школа весьма и весьма продвинула вперед. Всё это вместе взятое – неплохая иллюстрация опасности идеализации представителей точных наук и интеллекта.

Впрочем, это нам Пифагор представляется в основном математиком.

Он же сам, как и его современники, полагал, что истинная его профессия – пророк.

Им, пожалуй, было видней, а, как известно, каждый пророк обязан отчасти быть фокусником, отчасти демагогом, отчасти шарлатаном.

Всем этим Пифагор, видимо, владел в полном ассортименте. А ученики старались по мере сил. Рассказывали, что у него было золотое бедро; рассказывали, что достойные доверия люди видели его одновременно в двух разных местах; рассказывали также, что когда он однажды переходил вброд реку, последняя от восторга вышла из берегов, с радостью восклицая: «Да здравствует Пифагор!»

На мой взгляд, речной бог выбрал не лучший способ прославления, ибо в первую очередь Пифагор должен был изрядно вымокнуть, но так рассказывали ученики.

Правда, среди греков было достаточное количество разумных людей.

Много бродивший по свету, довольно реалистичный, свободомыслящий и порядком ехидный философ и писатель Ксенофан писал о Пифагоре в несколько другом стиле. Одна из его эпиграмм такова.

Однажды, когда Пифагор увидел, как бьют собаку, он закричал: «Перестань, я по ее голосу узнал душу моего друга!»

Учение о переселении душ – один из основных элементов всей концепции Пифагора, и Ксенофан, как видите, не без яда прошелся по этому поводу.

Гераклит же определил Пифагора совсем сурово – «многознание без разума».

Расстанемся с Пифагором, процитировав на прощание забавнейшее место из его жизнеописания, составленного почтительным поклонником.

Вот, оказывается, какими извилистыми путями распространяется иногда наука.

Естественно, геометрия, как и остальные науки, тщательно скрывалась пифагорейцами от прочего народа. И кто знает, может быть, до наших дней геометрия осталась бы неизвестной всему человечеству (кроме пифагорейцев), если бы… Обратимся к легенде.

Вот как пифагорейцы объясняют, почему геометрия стала открыто распространяться. Это произошло по вине одного из них, который потерял деньги общины. После этого несчастья община позволила зарабатывать ему деньги, преподавая геометрию, и геометрия получила название «предание Пифагора».

Любопытно то, что, судя по всему, существовал учебник геометрии с таким названием.

Что же касается самой истории, то, если в ней есть зерно истины, я, хотя и не считаю себя злорадным человеком, был бы счастлив узнать, что растяпа пифагореец отнюдь не потерял деньги, а успешно прокутил их в ближайшем портовом кабачке, потягивая вино, наслаждаясь похлебкой из белого петуха с бобовой приправой, с удовольствием кусая от целой булки и распевая затем негармоничные песни на большой дороге.

Великие заслуги перед геометрией имеет еще один малоприятный на мой вкус человек.

Это Платон (428–348 гг. до н. э.).

Надо сказать, что и по своим взглядам, и по методам организации школы, и по любви к саморекламе Платон очень напоминает Пифагора. Но прежде чем объяснить свою нелюбовь к нему, я хочу сказать, в чем действительно заключался его существеннейший вклад в геометрию.

Он считается, и, возможно, справедливо, – я не специалист – одним из величайших философов Греции. Он действительно очень много сделал для развития математики и весьма ценил ее. На входе в его академию был даже высечен весьма категорический лозунг: «Да не войдет сюда тот, кто не знает геометрии!» Дело в том, что Платон полагал: «Изучение математики приближает к бессмертным богам», – и воспитывал в этом духе своих учеников, приплетая математику к месту и не к месту. Некоторые из них выросли в блестящих геометров. Учеников у Платона было множество, и они, естественно, распространили множество рассказов, восхвалявших учителя.

По-видимому, Платон первым четко потребовал: математика вообще, и геометрия в частности, должна быть построена дедуктивным образом. Иначе говоря, все утверждения (теоремы) должны строго логически выводиться из небольшого числа основных положений – аксиом.

Такая постановка – крупнейший шаг вперед.

Ко времени Платона геометрия уже была очень развита.

Было решено много весьма и весьма сложных задач, доказаны сложнейшие теоремы. Но ясной позиции в смысле общей схемы построения как будто не было. Как это часто бывает в науке, развитие геометрии очень стимулировалось тремя задачами, решение которых никак не удавалось отыскать.

Поскольку мы уж несколько углубились в историю, я приведу эти задачи.

Требовалось: при помощи циркуля и линейки, не привлекая никаких других геометрических инструментов…

1. Разделить данный угол на три равные части (трисекция угла).

2. Построить квадрат с площадью, равной площади данного круга (квадратура круга).

3. Построить куб с объемом, в два раза большим объема данного куба («Дельфийская задача»).

Только на исходе XIX века было доказано, что в такой постановке ни одна из задач не может быть решена, хотя все три задачи легко решаются, если использовать другие геометрические инструменты. Или, иначе, использовать при построении геометрические места точек, отличные от прямой, либо дуги окружности.

Однако правила игры у греков не позволяли при решении пользоваться чем-либо еще, кроме циркуля и линейки.

Платон даже обосновал это требование некоей ссылкой на авторитет богов.

Потому ни одна из проблем решена не была, но попутно, по ходу дела геометрия была весьма разработана. Я с великим сожалением опускаю все анекдоты, связанные с этими задачами. Историй много, и они прелестны, но нельзя слишком отвлекаться.

Вспомним лишь одно из преданий, чтобы продемонстрировать объективность в отношении Платона. В одном из вариантов этой истории он выступает довольно разумным человеком.

Однажды, рассказывает Эратосфен, на острове Делосе вспыхнула эпидемия чумы. Жители острова, естественно, обратились к Дельфийскому оракулу, который повелел удвоить объем золотого кубического жертвенника Аполлону, не изменяя его формы. За советом обратились тогда к Платону.

Платон задачи не решил, но зато истолковал оракула в том смысле, что боги гневаются на греков за нескончаемые междоусобные войны и желают, чтобы они, греки, вместо кровавых побоищ занимались бы науками и особенно геометрией.

Тогда чума исчезнет.

Но предания преданиями, а как философ и человек Платон крайне несимпатичен. Дело даже не в том, что он был защитник самого отчаянного идеализма и по всякому поводу апеллировал к богам.

Но он еще создал некую теорию государства, взяв за образец имевшуюся под боком вполне фашистскую страну – Спарту. И основные положения его утопии вполне удовлетворяют требованиям нацистов.

Всю свою жизнь он яростно боролся против демократии в политической жизни и против материализма в духовной.

Философов-материалистов он не только абстрактно поносил в своих философских сочинениях, но, демонстрируя неплохую практическую хватку, нередко успешно использовал в научных спорах проверенный веками жанр политического доноса.

Кроме того, он, как рассказывают, скупал сочинения своего самого ярого врага Демокрита, с тем чтобы уничтожить их.

О Демокрите необходимо сказать особо.

Если считать, что истоки нашей современной физики надо искать у греков (а вероятно, так оно и есть), то годов набирается довольно основательно – без малого два тысячелетия. От Аристотеля до Ньютона. Четыре первичные стихии Аристотеля: воздух, вода, земля и огонь – одна из первых попыток определить понятие «элементарные частицы» в физике.

Правда, у греков физика еще не физика в четком смысле слова.

В основе не эксперимент, а умозрительные рассуждения, но сейчас это не очень существенно для нас.

И пожалуй, почти полное отсутствие эксперимента оттеняет совершенно поразительную догадку лукавого философа Демокрита из Абдеры.

Примерно за полстолетия до Аристотеля он предположил, что все вещества состоят из мельчайших неделимых частиц – атомов, и различные их свойства определяются различным качеством этих самых атомов.

В данном же веществе все атомы тождественны и лишены индивидуальности.

Эти воззрения по духу своему столь близки к современным, что один из основателей квантовой механики, Эрвин Шредингер, в своих лекциях с удовольствием поражал слушателей изящным парадоксом: «Первым квантовым физиком был не Макс Планк, а Демокрит из Абдеры».

Сам Демокрит, вероятно, был бы изумлен более всех, услышав столь лестную характеристику, но, впрочем, надо согласиться, что и Шредингер имеет некоторые права рассуждать о квантовой теории.

Судьба воззрений Демокрита замечательна еще по меньшей мере двумя фактами. Во-первых, ни одной его работы не дошло до нас. То ли действительно преуспел Платон со своими милыми методами научной дискуссии, то ли просто растерялись его книги в веках, но, к сожалению, об идеях одного из первых материалистов мира мы можем судить лишь по отрывкам и по позднейшим пересказам.

Во-вторых (а популяризаторы науки, безусловно, не могут забыть об этом), первый известный нам научно-популярный трактат посвящен пропаганде его идей.

Мало того, в этой книге установлен непревзойденный до сих пор мировой рекорд, ибо это длиннейшая поэма. Я разумею, конечно, поэму «О природе вещей» Тита Лукреция Кара, написанную лет через триста с лишним после смерти Демокрита, две тысячи лет тому назад.

Впрочем, Демокриту еще сравнительно повезло, ибо следы многих других ученых (особенно материалистов) вообще напрочь затеряны. Например, до сих пор есть некоторые сомнения: существовал ли учитель Демокрита Левкипп? А уж в какой мере Левкипп соавтор (или автор) идей атомизма – совершенная загадка.

А по некоей версии оказывается, что свое учение Демокрит заимствовал у неких халдейских магов, подаренных с барского плеча его отцу персидским царем Ксерксом.

И если позволены философские моралите, стоит заметить, что в науке всегда идеи несравненно долговечней, чем память об их авторах. Впрочем, подавляющее большинство учёных любого профиля в состоянии усвоить всё, что угодно, кроме этой не слишком уж неожиданной мысли.

Однако кто бы ни был основателем атомистического течения – следует ли истоки квантовой механики искать у Демокрита или же у халдеев, – взгляды этой школы были примерно таковы.