Хоакин Наварро - Том 31. Тайная жизнь чисел. Любопытные разделы математики
Прекрасным примером ученого-самоучки является также Джордж Грин (1793–1841), который совершенно самостоятельно прошел путь к математической мудрости. Он обладал одним странным для британца качеством: в его время в Англии считалось дурным тоном использовать в математическом анализе нотацию Лейбница вместо нотации Ньютона. Однако Грин мало оглядывался на общественное научное мнение и малопонятной нотации Ньютона предпочитал способ записи Лейбница. Такая независимость его мышления удивляет еще больше, если учесть, что он был простым мельником. Грин, сын разбогатевшего пекаря, до 40 лет не осмеливался поступить в Кембридж, и его насилу удалось уговорить. Именно благодаря его трудам сегодня нам известна теорема Грина (она также независимо от него была сформулирована русским математиком Михаилом Остроградским (1801–1861)), влияние которой прослеживается даже в современном дифференциальном и интегральном исчислении:
Работы Грина позднее позволили ученым добиться значительных успехов даже в квантовой механике — науке, совершенно немыслимой в XIX веке. Из «Небесной механики» Лапласа Грин вывел вполне достойную математическую теорию электричества. В последние годы жизни он часто прикладывался к бутылке. Словом, этот мельник — сегодня в его мельнице находится музей — в обычной жизни, скорее всего, был совершенно простым и довольно приятным человеком.
Одним из результатов практического применения теоремы Грина стало создание планиметра — прибора, позволяющего определить площадь замкнутой фигуры неправильной формы.
Мыльные пленки
Бельгийский физик Жозеф Плато (1801–1883) был большим экспериментатором и получил множество результатов, описывающих персистенцию зрения и принцип действия сетчатки глаза. Он же изобрел фенакистископ. Сегодня изобретения Плато и их производные отошли в область занимательной физики, хотя именно благодаря им стало возможным изобретение кинематографа.
Фенакистископ стал первым прибором, в котором использовалась персистенция — способность глаза запоминать последовательные события. При вращении диска кажется, что фигуры движутся.
Но как это связано с математикой? Плато почти случайно провел эксперименты с маслянистыми жидкостями, в итоге которых родилась теория, описывающая поверхностное натяжение и форму мыльных пленок. Если погрузить криволинейную структуру, представляющую собой контур поверхности (например, изогнутую проволоку), в мыльную пену, то образуется пленка, которая будет поверхностью наименьшей площади, а границей этой поверхности станет проволока. Именно здесь в игру вступает математика: вычислить поверхность наименьшей площади математическими методами — с помощью вариационного исчисления, частных производных высших порядков и так далее — очень сложно или даже невозможно. Чтобы найти физическое решение, достаточно воды и мыла. Таков весьма достойный вклад Плато в математику.
Поверхность наименьшей площади, заключенная между двумя дугами, — это не прямой цилиндр, а катеноид, что доказывает эксперимент с мыльными пленками, изображенный на фотографии.
Жизненный путь Плато полон казусов. В 1829 году ученый наблюдал Солнце невооруженным глазом в течение 25 секунд и ослеп. Этот эксперимент был абсолютной глупостью, и Плато вошел в историю как человек, принесший в жертву науке свое зрение. Согласно более реалистичной версии, экспериментатор ослеп лишь частично, потом его зрение восстановилось, но спустя некоторое время, в 1843 году, он вновь начал терять зрение, в этот раз по неясным причинам, и до самой смерти продолжал научную работу в кромешной тьме.
Открытие Нептуна
Планета Нептун была открыта в 1846 году, и это стало триумфом математических методов вычислений. Можно сказать, что само открытие было совершено задом наперед. Началось все с наблюдения за Ураном — планета все время отклонялась от расчетной орбиты, и объяснить это можно было воздействием на нее неизвестного небесного тела. В истории об открытии Нептуна лицом к лицу сошлись английские и французские ученые, и конфликт выплеснулся далеко за пределы Англии и Франции — поговаривали, что уважаемые мудрецы таскали друг друга за бороды, а серьезные журналы публиковали подстрекательские статьи. Открытие Нептуна приписывается главе Парижской обсерватории Урбену Жану Жозефу Леверье (1811–1877) и юному английскому астроному Джону Кучу Адамсу (1819–1892).
Изначально посчитали, что именно Леверье принадлежит честь открытия Нептуна, а все притязания Адамса — просто подозрительная инсинуация, однако позднее историки подтвердили, что Адамс опередил именитого французского коллегу. Ученые сделали свои открытия независимо друг от друга, их труды были выполнены на самом высоком уровне и содержали обширнейшие и сложнейшие расчеты.
Истории уже известен случай, когда между Англией и Францией разгорелась бескровная война относительно того, кто же был истинным автором математического анализа — Ньютон или Лейбниц. Спор между Леверье и Адамсом стал повторением этого конфликта. В обоих случаях причины для дискуссии отсутствовали, однако жаркие споры, несомненно, куда интереснее объективных поисков истины.
Наиболее забавным эпизодом этой истории стали притязания Леверье: со слов Франсуа Араго (1786–1853), астроном хотел назвать новую планету своим именем, о чем заявил на заседании Французской академии наук. Не стоит и упоминать, что это предложение было отвергнуто почти единогласно, и, как ни настаивали французские ученые, новая планета получила имя древнегреческого бога Нептуна. Сегодня ее символ — стилизованный трезубец.
Французская гравюра XIX века, на которой изображен астроном Адамс (слева), пытающийся подсмотреть в книгу с результатами открытий Леверье.
Здравый смысл и математика
О Томасе Эдисоне (1847–1931) рассказывают тысячи историй, по большей части апокрифических. Однако следующая история подтверждается сразу несколькими надежными источниками. Один из героев этого исторического анекдота — математик из Принстона по имени Аптон, которого Эдисон нанял для работы в своей лаборатории. Не будем забывать, что самоучка Эдисон не получил инженерного образования, поэтому не мог самостоятельно проводить сложные расчеты. Как-то раз Эдисон поручил Аптону вычислить объем лампочки грушевидной формы. Аптон, вооружившись методами интегрального исчисления, с головой ушел в работу. Шли дни, а расчетам не было видно конца. Эдисон потерял терпение и продемонстрировал свою гениальность — он взял колбу от лампочки, наполнил ее водой и передал Аптону со словами: «Измерьте объем воды, и задача будет решена».
Как важно знать ряды Тейлора
Однажды разложение функции в ряд спасло человеку жизнь. Советский физик и математик Игорь Тамм (1895–1971), удостоенный Нобелевской премии по физике 1958 года, был не слишком известен в бурные годы Гражданской войны, которая последовала за Октябрьской революцией. Пытаясь немного пополнить запасы провизии, Тамм покинул сравнительно спокойную Одессу и отправился в ее окрестности. Однако он попал в плен к одной из многочисленных вооруженных банд, и его посчитали переодетым коммунистическим агитатором. Дрожа от страха в ожидании расстрела, Тамм предстал перед главарем банды. Он представился и объяснил: я — всего лишь бедный математик, который ищет пропитание.
По лицу главаря пробежала тень сомнения. «Хорошо, — сказал он — если ты не соврал, то мы сохраним тебе жизнь. Подсчитай-ка, какой будет ошибка, если вместо функции f(x) мы рассмотрим ее разложение в ряд Тейлора до n-го члена».
Вопрос был не слишком трудным, и это подтвердит любой студент-математик, однако из уст бандита, пусть даже главаря банды, он прозвучал совершенно неожиданно. Тамм, трясясь от страха, сделал некоторые расчеты пальцем прямо на пыльном полу. Главарь взглянул на них и сказал: «Точно, не соврал. Что ж, иди». Больше они не встречались. Эта абсолютно реальная история приводится в заметках Георгия Гамова.
«Простой поляк, господин учитель»
Марк Кац (1914–1984) был подлинным светилом теории вероятностей. Мало кому известно, что по происхождению он был поляком. По рассказам самого Каца, как-то раз он столкнулся с не слишком способным учеником. Кац задал вопрос, как ведет себя функция
