Помоги проекту - поделись книгой:
больше 1/2, так как каждое из четырех слагаемых больше 1/8.
Аналогично
больше 1/2, так как каждое из восьми слагаемых больше 1/16, и так до бесконечности».
Наука в Европе XVII века
Перед тем как рассказать об открытиях, совершенных в XVII веке, в результате которых появился анализ бесконечно малых, будет уместно описать ситуацию в европейской науке начала XVII века.
Во-первых, нужно уточнить, что математика и наука в целом тогда не были уделом профессионалов, как в наше время. В университетах не проводились научные исследования, а полученные результаты обычно не изучались более подробно — можно сказать, что это было не принято. Почти никто из ученых, о которых мы расскажем на следующих страницах, не был профессиональным математиком: некоторые были юристами, другие — архитекторами, дипломатами, богословами, и лишь очень немногие зарабатывали на жизнь математикой или же были как-то связаны с университетами. Поэтому когда мы называем кого-либо математиком, это означает, что этот ученый внес вклад в развитие математики, но мог иметь совершенно иную сферу профессиональных и научных интересов.
Это привело к ряду неудобств. Исследователи объединялись вокруг одного ученого или любителя науки, подобные группы часто были изолированными друг от друга или враждовали, что было вызвано вопросами патриотизма или спорами о научных состязаниях или турнирах, которые в ту эпоху проводились очень часто. По всем этим причинам полученные результаты распространялись неэффективно: как правило, о них упоминали в письмах друзьям или знакомым, далее, спустя некоторое время (иногда крайне длительное) эти знания оформлялись в виде книг, которые также не становились достоянием широкого круга.
В этих условиях лучшее математическое образование давали не университеты, а отдельные ученые. Одним из ведущих научных обществ первой половины XVII века была Accademia Nazionale dei Lincei (Национальная академия деи Линчей), в которой состоял Галилей. Академия была основана в Риме в 1603 году и прекратила свое существование спустя 30 лет. Центром, возможно, важнейшего научного общества был монах францисканского ордена минимов Марен Мерсенн (1588—1648). Мерсенн, который жил в Париже начиная с 1610-х годов, создал кружок математиков и ученых, встречи которого проводились еженедельно. Мерсенн помогал многим европейским ученым и философам поддерживать переписку с Дезаргом, Ферма и Паскалем (последний начал посещать встречи кружка в конце 1630-х, будучи еще подростком). Кружок также способствовал распространению философских трудов Декарта и астрономических трактатов Галилея. Помимо организаторской работы, Мерсенн также внес вклад в математику и акустику.
В начале XVII века было восстановлено практически все математическое и научное наследие Древней Греции, сохранившееся после бурных времен Средневековья. Хотя «Начала» Евклида и другие базовые труды были хорошо известны и изучены, более глубокие и сложные трактаты, в частности книги Архимеда, были поняты лишь несколько десятилетий спустя. Их освоение сыграло решающую роль в создании анализа бесконечно малых. Некоторые из отцов-основателей исчисления, в частности Валлис и Барроу, имели в личной библиотеке экземпляры трудов Архимеда. Достаточно сказать, что Архимед был наиболее цитируемым автором во всех книгах о вычислении площадей и объемов, написанных в течение всего этого столетия.
Однако один из аспектов математики Архимеда и древнегреческой математики вообще радикально изменился. Речь идет о логической строгости изложения. Математика XVII века была намного менее строгой и четкой, чем древнегреческая. Может показаться, что это был шаг назад, однако именно эта смена парадигмы в итоге позволила преодолеть границы, обозначенные в древнегреческой математике, и, в частности, создать математический анализ. В отличие от ученых Древней Греции, математиков XVII века интересовали открытия, а не безупречно строгие доказательства.
Чем была вызвана эта смена парадигмы? Этому можно привести различные объяснения, в том числе и философские: ученые XVII века не находились под влиянием философии Платона, которой и была обусловлена строгость логического изложения, свойственная греческой математике. Причины этому могут носить исторический характер: XVI и XVII века были временем самых разнообразных открытий: географических (открытие Америки в конце XV века стало результатом не точных логических рассуждений, а, напротив, ошибки Колумба при вычислении радиуса Земли), астрономических (гелиоцентрическая теория Коперника), медицинских (кровообращение) и технических (изобретение книгопечатания Гуттенбергом, создание микроскопа и телескопа).
Математики предпочитали уделять основное внимание разработке новых методов, с помощью которых можно было совершать открытия, не заботясь о логической строгости этих методов. В рамках такого подхода бесконечность использовалась без аристотелевских ограничений, и бесконечно малые и бесконечно большие величины стали применяться очень широко. Изначально они применялись для вычисления площадей, объемов, углов наклона касательных, центров тяжести, максимумов, минимумов и так далее. Решением этих задач занималась целая плеяда математиков начала XVII века, так называемые предшественники математического анализа. Позднее бесконечно малые позволили Ньютону и Лейбницу создать две похожие версии анализа бесконечно малых. Наконец, уже в XVIII веке Эйлер, несомненно, великий знаток бесконечного, создал математический анализ, в котором функции изучались с помощью методов анализа бесконечно малых.
Если говорить об обстоятельствах, способствовавших созданию исчисления, следует упомянуть еще об одном крупном направлении в математике XVII века — аналитической геометрии.
Существует еще одна причина, которую можно назвать теологической, благодаря которой в XVII веке бесконечность стала использоваться более свободно, чем в Древней Греции. Это связано с восприятием бесконечности как атрибута всемогущего христианского Бога. Следуя заветам Аристотеля, богословы отказывали человеку в возможности понять актуальную бесконечность, но им не оставалось другого выбора, кроме как перевести это понятие в область богословия. Так, Фома Аквинский рассматривал Бога как полную и всеобъемлющую актуальную бесконечность.
Такая трактовка достаточно часто встречается в трудах философов XVII века. Подтверждение этому мы находим у Декарта: «Мыслю некоего вышнего Бога — вечного, бесконечного, всеведущего, всемогущего, творца всех сущих, помимо него самого, вещей», а также: «Что же до Бога, я считаю его столь бесконечным, что к его совершенству ничего уже нельзя добавить»; у Спинозы: «Под Богом я разумею существо абсолютно бесконечное (ens absolute infinitum), то есть субстанцию, состоящую из бесконечно многих атрибутов, из которых каждый выражает вечную и бесконечную сущность», а также у Лейбница: «Следует считать, что эта божественная субстанция, неделимая, универсальная и непреложная, не должна иметь пределов и содержать всю реальность, какую только возможно».
Некоторые из этих философов также были учеными и математиками. Лейбниц, например, был одним из создателей математического анализа. Ньютон, еще один из отцов-основателей анализа, также был богословом и верил во всемогущего Бога.
Аналитическая геометрия позволила сопоставить кривым уравнения. Например, окружности единичного радиуса, то есть кривой, все точки которой отстоят на одну единицу от фиксированной точки, называемой центром, соответствует уравнение
На смену частным геометрическим методам пришли более общие — алгебраические. Например, расчет угла наклона касательной для разных кривых радикально отличался, а методы алгебры, в частности нахождение производной, позволяли определять угол наклона касательной одним и тем же способом для всех кривых. Для этого достаточно было использовать алгоритм, созданный на основе правил вычисления производной.
Следует осознать всю важность открытия этих общих правил, скрытых за неимоверным числом частных результатов, которые были накоплены за первые три четверти XVII века, Именно общие правила аналитической геометрии позволили Ньютону и Лейбницу стать первооткрывателями математического анализа.
Вычисление квадратуры и кубатуры
Вернемся в начало XVII века и расскажем подробнее о методах анализа бесконечно малых, ставших основой математического анализа. Начнем с методов вычисления площадей и объемов, или, говоря языком той эпохи, расчета квадратур и кубатур.
Из всех методов, появившихся в первой трети этого столетия для решения подобных задач, наиболее важным был метод неделимых, предложенный учеником Галилея, преподавателем Болонского университета Бонавентурой Кавальери (1598— 1647). В одном ряду с ним стоят только методы вычисления объема, разработанные Кеплером, которые использовались австрийскими виноделами при изготовлении бочек.
Можно сказать, что в основе метода неделимых лежали принципы, предложенные еще Архимедом. Кавальери рассматривал площади фигур как множество линий, объемы — как множество плоских сечений. Множество линий, образующих плоскую фигуру, Кавальери называл omnes linae («все линии»). Стало возможным сравнение площадей любых двух плоских фигур путем сравнения соответствующих им omnes linae: согласно Кавальери, «фигуры относятся друг к другу, как все их линии, взятые по любой регуле», как показано на иллюстрации.
Метод Кавальери был применим не только для расчета площадей, но также для расчета объемов тел. Он попытался разработать целую теорию неделимых, которая позволила бы доказать полученные им результаты без использования понятия бесконечности (как строили свои доказательства древнегреческие математики). Однако в его рассуждениях очевидно используется актуальная бесконечность. Это стало определенным преимуществом, так как именно явное присутствие бесконечности привело к тому, что метод Кавальери оказался более гибким, пусть и менее строгим, чем метод исчерпывания, к которому прибегали греки. С помощью своего метода неделимых Кавальери вычислил площадь фигур, ограниченных параболой общего вида
По сравнению с открытыми позднее способами вычисления площадей и объемов метод неделимых Кавальери обладает рядом недостатков: он недостаточно общий, слишком зависит от геометрических рассуждений, не говоря уже о логической небезупречности. Однако этот метод позволил найти новые квадратуры и кубатуры и превзойти результаты, полученные древнегреческими математиками.
Кроме того, недостатки этого метода вскоре удалось преодолеть. Так, Эванджелиста Торричелли (1608—1647), друг Кавальери, мастерски использовал этот метод и нашел различные строгие доказательства в стиле древнегреческих математиков, а Ферма, Паскаль и Валлис, а также Роберваль (1602—1675) и его метод бесконечно малых преобразовали геометрический метод Кавальери в алгебраический, благодаря чему он стал более общим и его стало возможно применять более широко.
Перед рассказом о том, как Валлис усовершенствовал метод Кавальери, остановимся на личности Грегуара де Сен-Венсана (1584—1667), иезуита, ученика Христофора Клавия и придворного учителя короля Испании Филиппа IV. По поручению папы Григория XIII Сен-Венсан разработал новый календарь и поощрял занятия математикой среди иезуитов. Он совершил значимые открытия во многих областях. Так, он расширил геометрический метод интегрирования, который позднее оказал влияние на работы Паскаля. Однако эта работа была опубликована с заметным опозданием — лишь в 1647 году, хотя была завершена в конце 1620-х годов. К тому времени Сен-Венсан стал уделять больше внимания алгебраическим методам, разработанным под влиянием аналитической геометрии. Он также был автором работы о геометрических рядах, которую Гюйгенс рекомендовал к изучению Лейбницу. Результаты, полученные в этой работе, Сен-Венсан использовал в обсуждении знаменитой апории Зенона об Ахиллесе и черепахе. Он указывал, что Зенон не учел, что отрезки, которые нужно пройти Ахиллесу, образуют геометрическую прогрессию со знаменателем 1/2 и, несмотря на то что эта прогрессия имеет бесконечное множество членов, ее сумма является конечной. Однако наиболее значимым вкладом Сен-Венсана, на наш взгляд, является обнаружение связи между логарифмами и площадью фигуры, ограниченной гиперболой. Выражаясь языком той эпохи, он доказал, что если длина интервалов возрастает геометрически, то площадь фигуры увеличивается арифметически, что показано на иллюстрации.
Теперь пришло время рассказать о Джоне Валлисе (1616—1703), одном из основателей Лондонского королевского общества и главе кафедры геометрии в Оксфорде с 1649 года. Возможно, этот пост был пожалован ему за то, что он расшифровал перехваченные сообщения роялистов во время Гражданской войны в Англии. В библиотеке Валлиса были двуязычные издания трудов греческих авторов (на латинском и греческом языках), в том числе Архимеда. Валлис также был автором грамматики английского языка (1653).
Он видоизменил метод неделимых Кавальери, присвоив им числовые значения. Таким образом, на смену геометрическим преобразованиям при вычислении площадей фигур пришли арифметические расчеты. Кроме того, Валлис ввел примитивную операцию, подобную переходу к пределу. Валлис достаточно свободно использовал бесконечные процессы (стоит напомнить, что именно он является автором знака бесконечности ∞, который мы используем и поныне), сделав тем самым еще один шаг от безупречной логической строгости к открытию новых, более мощных методов. Степень этих изменений можно увидеть, если обратить внимание на названия трудов Кавальери и Валлиса: труд Кавальери носил название Geometria indivisibilibus continuorum nova quadam ratione promota, книга Валлиса — Arithmetica infinitorum. Труд Валлиса отличается общим характером арифметических и алгебраических расчетов по сравнению с частными геометрическими доказательствами Кавальери; он также полностью использует широкие возможности бесконечности, в то время как Кавальери вынужден формулировать строгие и логичные доказательства в древнегреческом стиле, что, безусловно, накладывало свои ограничения. Показательным для того времени является следующий комментарий Валлиса относительно недостаточной логической строгости его метода: «Этот метод является в высшей степени еретическим, однако его можно подтвердить с помощью хорошо всем известного метода вписанных и описанных фигур, что излишне, поскольку частые повторения отвлекают читателя. Любой сведущий в этом предмете может выполнить такое доказательство». Это один из немногих случаев, когда в книге фигурирует термин «доказательство». Будучи под впечатлением от созданного им арифметического метода, с помощью неполной индукции и интуиции Валлис смог рассчитать площадь всех парабол вида xr, где r — любое рациональное число, не равное —1. Более того, ему удалось найти удивительную формулу для расчета числа
Арифметические методы Валлиса для вычисления площадей оказали огромное влияние на Ньютона, который подтвердил, что идеи о биноме и других основных понятиях математического анализа возникли у него после тщательного изучения книги Валлиса во время учебы в Кембридже. Сам Валлис предложил любопытную родословную анализа бесконечно малых.
1. Метод исчерпывания (Архимед).
2. Метод неделимых (Кавальери).
3. Арифметика бесконечного (Валлис).
4. Метод бесконечных рядов (Ньютон).
Центры тяжести
С расчетом площади и объема тесно связана задача об определении центра тяжести. В конце XVI века, после того как был обнаружен труд Архимеда «О равновесии плоских фигур», некоторые математики начали уделять внимание решению подобных задач. Среди них были два переводчика трудов Архимеда на латынь Франческо Мавролико (1494—1575) и Федерико Коммандино (1509—1575), а также Симон Стевин, который систематизировал и упростил методы Архимеда.
Несколько позднее появились работы швейцарского математика Пауля Гюльдена (1577—1643), который повторно открыл теорему об объемах тел вращения и центрах тяжести, известную как теорема Гюльдена, хотя она упоминается еще в «Собрании» Паппа Александрийского: «Объем тела вращения равен площади фигуры, умноженной на длину окружности, радиусом которой служит расстояние от оси вращения до центра тяжести фигуры». Гюльден вел ожесточенный спор с Кавальери (оба они были иезуитами) о методе неделимых: швейцарец обвинял Кавальери, с одной стороны, в плагиате кеплеровских идей, с другой — в отсутствии логической последовательности при рассмотрении площади как совокупности отрезков. Гюльдену удалось привести простое и элегантное геометрическое построение, где метод неделимых Кавальери вел к противоречию. Однако доказательство Гюльдена, которое он привел для своей теоремы, изобиловало метафизическими рассуждениями и было еще более спорным, чем методы Кавальери. Последний не замедлил указать на это в ответ на нападки Гюльдена.
Расчет угла наклона касательной
Методы анализа бесконечно малых, связанные с расчетами угла наклона касательной, наряду с задачами вычисления объемов и площадей относятся к числу задач, изучение которых привело к появлению математического анализа.
Само понятие касательной, «прямой, которая касается кривой в одной точке», вызвало множество трудностей, так как с помощью аналитической геометрии Ферма и Декарта можно было с легкостью вводить новые кривые, и, как следствие, предметом изучения математиков стал широкий спектр различных кривых. В этом смысле интересный пример представляют логарифмы, появившиеся как средство упрощения операций умножения, деления и извлечения корня из больших чисел, что использовалось в астрономических наблюдениях. Это позволило составить очень точные таблицы положений звезд и небесных тел. В итоге была введена логарифмическая функция и соответствующая ей кривая, для которой можно вычислить ограниченную ею площадь, угол наклона касательной и так далее. Рост числа изучаемых кривых привел к тому, что старое определение касательной как прямой, которая касается кривой в одной точке, стало не вполне удобным. Кроме того, потребовались новые методы нахождения касательных к новым кривым. Следует упомянуть метод, предложенный Ферма, также применимый в задачах определения максимумов и минимумов и для спрямления кривых. В знак признания этих и других работ о квадратурах некоторые французские математики XVII века (французом был и Ферма) считали его создателем математического анализа. Важность этих результатов Ферма несколько преувеличена, но сам Ньютон в письме, найденном в 1934 году, признавал, что в своих работах по математическому анализу он опирался на метод касательных Ферма: «Указание я получил из метода касательных Ферма. Применив его к абстрактным уравнениям прямым и обратным способом, я придал этому методу общий характер». Как бы то ни было, Ферма, «король среди любителей», как называл его шотландский математик и писатель Эрик Темпл Белл, имея в виду его непрофессиональные занятия математикой, занимает почетное место в истории науки. Это право он заслужил не только за предполагаемое доказательство своей знаменитой теоремы, для которого оказались «слишком узки» поля книги.
Другие математики, помимо Ферма, также разработали новые методы для определения углов наклона касательных, но практически во всех использовались бесконечно малые величины. Так, можно упомянуть Роберваля и его кинематический метод для нахождения касательной к спирали, который также использовали Галилей, Торричелли и Архимед. Заслуживает упоминания Декарт и его метод, представленный в труде «Геометрия», а также Барроу, Худде, де Слюза и их псевдодифференциальные методы. Все они обладали схожими недостатками: они были в достаточной степени применимы к алгебраическим кривым, но требовали изменений для каждой конкретной кривой, что было чрезвычайно сложно, а иногда и вовсе невозможно сделать для трансцендентных кривых. Все эти методы были унифицированы с помощью дифференциала, введенного Лейбницем, и флюксии, введенной Ньютоном. Эти понятия были близки к современной производной.
В середине этого же столетия возник важный класс задач, имевший большое историческое значение, в которых требовалось определить кривую по известным свойствам ее касательной. Первую задачу такого типа сформулировал юрист и ученик Декарта Флоримон де Бон (1601—1652). Возможно, самой известной из предложенных им задач является задача о нахождении кривой с постоянной подкасательной. Эту задачу не удалось решить самому Декарту, и вся слава досталась Лейбницу: как вы увидите чуть позже, он привел решение в первой в истории книге по анализу бесконечно малых и тем самым продемонстрировал всю мощь созданного им метода.
Для создания математического анализа обязательно (и неизбежно) требовалось признать, что задачи о касательной и о квадратуре являются обратными друг другу. Говоря современным языком, необходимо было показать, что дифференцирование и интегрирование — взаимно обратные операции. Именно в этом заключается основная теорема анализа, которая неспроста носит это название. Этот факт был известен Ферма, Торричелли и прежде всего Барроу, однако по причинам, о которых мы расскажем позднее, они не поняли всю его важность для решения задач, его значимость как связующего элемента двух классов задач — о касательных и квадратурах. Основная теорема анализа указала математикам путь, которым нужно следовать: выделять общее и наиболее значимое из множества частных случаев.
Исаак Барроу (1630—1677) был одним их тех гигантов, о которых говорил Ньютон в письме Роберту Гуку в феврале 1676 года: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов» (из главы 3 вы узнаете, что эта фраза допускает еще одно, достаточно нелицеприятное толкование). Барроу был учителем Ньютона в Кембридже и первым лукасовским профессором математики. Он оставил этот пост в 1669 году (его заменил Ньютон), занялся богословием (он был англиканским пастором с 1660 года) и стал духовником короля Англии Карла II. Возможно, он подошел ближе всех к открытию математического анализа, за исключением Ньютона и Лейбница. Ему не хватало самой малости — знаний аналитической геометрии. Барроу создал метод нахождения касательных, очень похожий на вычисление производной. Кроме того, он добился важных результатов при решении задач по расчету площадей, а также доказал, что задачи нахождения касательной и задачи на вычисление площади являются обратными. Возможно, он руководствовался идеями Торричелли, с которым познакомился во время путешествия во Францию, Италию, Германию, Голландию и Константинополь, когда ему пришлось по религиозным мотивам покинуть Англию, где в то время правил Оливер Кромвель. Его доказательство приводится в лекции X его книги Lectiones geometricae. Оно является чисто геометрическим и выполняется для монотонных кривых. В нем также используется старое определение касательной как прямой, которая касается кривой в единственной точке.
Чего же не хватило Барроу, чтобы открыть анализ бесконечно малых? Ему требовалось перейти от частной задачи нахождения касательной к общей задаче определения изменения функции, то есть ввести понятие, эквивалентное понятию флюксии у Ньютона или, с небольшими отличиями, понятию дифференциала у Лейбница, а также разработать алгоритм расчетов (правила нахождения производной). Однако для этого Барроу требовалась аналитическая геометрия: она позволила бы описать кривые (геометрические объекты) с помощью формул (алгебраических объектов) и перейти от задачи нахождения касательной к задаче определения производной функции. Алгебраические методы были также обязательными для создания правил вычисления производных. С другой стороны, без сведения процесса нахождения кривой (вычисления производной) к простому алгоритмическому методу с возможностью инвертирования (то, что мы называем вычислением первообразной) тот факт, что задачи нахождения касательной и определения квадратуры являются взаимно обратными, был бы не слишком полезен. По этой причине Барроу не осознал всю значимость доказанного им утверждения. Барроу не нравилась алгебраизация геометрии, выполненная Ферма и Декартом, что в итоге стоило ему авторства математического анализа. Он оставил этот почетный титул Лейбницу и Ньютону.
Математический анализ появился во время научной революции, продолжавшейся весь XVII век, и решающую роль в этом сыграли два ученых первой величины: Исаак Ньютон и Готфрид Лейбниц. О математическом анализе можно говорить тогда, когда обобщены два базовых понятия (прообразы современной производной и интеграла), разработаны алгоритмы их вычисления (правила вычисления производной) и показано, что эти понятия являются взаимно обратными (это утверждение сегодня известно как основная теорема анализа). Для решения задач нахождения касательной, максимумов и минимумов, квадратуры, центра тяжести и других, которыми занимались предшественники Лейбница и Ньютона, достаточно использовать эти базовые понятия, должным образом интерпретированные, и применять алгоритм их вычисления, основанный на правилах, о которых мы рассказали в главе 1.
Глава 3.
Ньютон, последний из волшебников
День 13 июля 1936 года стал поворотным в изучении биографии Исаака Ньютона и его наследия. В этот и последующий день на аукционе «Сотбис» было продано 332 лота: рукописи, письма и другие документы, принадлежавшие Ньютону. Запутанная история рукописей Ньютона не лишена очарования, так как она открывает перед нами истинный портрет ученого, более сложный и многогранный, чем было принято считать в XVIII и XIX веках.
Сохранилось огромное количество рукописей, писем и других документов Ньютона, несмотря на то что, по его собственным словам, в последние месяцы жизни он сжег большую часть писем, а также некоторые статьи невысокого качества, которые не хотел передавать потомкам. Возможно, это и в самом деле было так, но стоит отметить, что Ньютон окружил себя ореолом тайн и загадок, что сделало его практически легендарной фигурой. Взять хотя бы удивительную и всем известную историю с яблоком, принесшую ему славу гения. Сам Ньютон рассказал эту историю Уильяму Стьюкли незадолго до своей смерти. Это одна из четырех дошедших до нас версий; источником их всех является сам Ньютон, которому на тот момент было уже за семьдесят.
Вот что пишет Стьюкли: «После обеда установилась теплая погода, мы вышли в сад и пили чай в тени яблонь. Он [Ньютон] сказал мне, что мысль о гравитации пришла ему в голову, когда он точно так же сидел под деревом. Он находился в созерцательном настроении, когда неожиданно с ветки упало яблоко. “Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле? — подумал он. — Почему не в сторону и не вверх, а всегда к центру земли?” Очевидно, причина состоит в том, что земля притягивает его. Вещество должно обладать силой притяжения, и центр притяжения к Земле должен находиться в центре Земли, а не где-либо еще. Поэтому яблоко падает перпендикулярно земле в направлении ее центра. <…> Существует сила, которую мы будем именовать гравитацией, простирающаяся на всю Вселенную»,
Однако вернемся к истории с рукописями. После смерти Ньютона, который не оставил завещания, произошла размолвка между восемью возможными наследниками — потомками двоих дочерей и сына матери Ньютона от второго брака с протестантским священником Барнабой Смитом. За исключением любимой племянницы Ньютона Кэтрин Бартон и ее супруга Джона Кондуита, остальные наследники хотели без промедлений получить доход от наследства, поэтому в июле 1727 года, вскоре после смерти ученого, его библиотека была продана некоему Джону Хаггинсу за 300 фунтов — на 30 фунтов больше изначально объявленной стоимости. Также были проданы все бумаги Ньютона, которые были готовы к публикации.
Документы и рукописи Ньютона, которые не удалось продать, перешли к дочери супругов Кондуит, которую также звали Кэтрин. В 1740 году она вышла замуж за виконта Лаймингтона. Далее бумаги перешли к их сыну, который стал графом Портсмутским — отсюда и название «Портсмутская коллекция», под которым часто упоминают наследие Ньютона. В 1872 году было начато составление первой описи бумаг Ньютона, для чего они были переданы в Кембриджский университет. Результаты описи были опубликованы в 1888 году, после чего все документы вернулись в семью графа Портсмутского, за исключением статей по математике, писем, книг и других документов, которые были подарены университету семьей графа.
Остальные бумаги, как мы уже упоминали, были проданы на аукционе «Сотбис» в 1936 году. К ним относились все рукописи об алхимии, химии и по вопросам, связанным с британской казной; все материалы, собранные Джоном Кондуитом для будущей биографии Ньютона; объемная переписка, юношеские дневники, рукописи о хронологии, богословии и об анализе бесконечно малых, два удивительной красоты портрета и посмертная маска. Всё это было продано в течение двух дней за сумму, слегка превышавшую 9000 фунтов. Нетрудно представить, каково было разочарование нового графа Портсмутского, который выставил наследство на продажу, так как остро нуждался в деньгах. Экономист Джон Мейнард Кейнс приобрел личные документы и рукописи по алхимии, хронологии, истории и богословию, после чего передал их Королевскому колледжу Кембриджа. Большая часть рукописей по богословию была приобретена востоковедом Абрахамом Яхудой (он выменял некоторые документы у Кейнса), который завещал их Национальной библиотеке Израиля в Иерусалиме, куда они поступили в 1966 году, после того как были улажены все спорные вопросы с наследством.
Великий мыслитель
Интенсивнейшие работы по изучению трудов и личности Ньютона, проведенные во время Второй мировой войны, с которыми не сравнятся никакие исследования, посвященные другим ученым, можно считать своеобразной аллегорией этого аукциона, на котором было выставлено бесценное и практически нетронутое наследие сэра Исаака Ньютона.
В результате представление о Ньютоне как ученом и человеке изменилось. Знаменитая фраза Джона Мейнарда Кейнса, произнесенная в ходе изучения коллекции рукописей, приобретенной им на аукционе «Сотбис», отлично это иллюстрирует: «Ньютон не был первым в эпохе рационализма. Он был последним из волшебников, последним из вавилонян и шумеров, последним великим умом, который взирал на мир так же, как и те, что 10 000 лет назад начали формировать наше интеллектуальное наследие».
Ньютона представляли как ученого с большой буквы, отца современной физики, первооткрывателя закона всемирного тяготения, автора глубоких исследований о природе света и цветов, автора анализа бесконечно малых, великого мыслителя, причем в создание этого образа внес вклад и сам ученый. Однако в его рукописях перед нами предстает более сложный и вместе с тем более реальный портрет человека, который интересовался не только наукой, но и проблемами богословия, проводил эксперименты в области алхимии, а также, помимо «Математических начал натуральной философии» и «Оптики», написал непростые для понимания труды по библейской хронологии. Их и при его жизни сложно было отнести к научным, однако они более объемны, чем научные работы Ньютона.
Его карьера казалась безупречной. Будучи сравнительно молодым, он стал лукасовским профессором математики в Кембридже, затем — членом британского парламента, управлял Монетным двором и Лондонским королевским обществом. Однако рукописи, проданные на аукционе, раскрывают постыдный секрет: по религиозным взглядам Ньютон был близок к еретическому арианству. Если бы это стало известно, он немедленно лишился бы всех своих постов. Помимо статей о наиболее подходящих сплавах для чеканки монет, рукописи содержат диатрибы, направленные против Святой Троицы, полные ужасных и сюрреалистичных эпизодов, близких к жестокому реализму и даже порнографии. Цитата из одной из многочисленных рукописей Ньютона по богословию (в ней идет речь о пророчествах) дает общее представление об этом: «И поскольку Римская церковь стала править над десятью царями и прельстила их этой идолопоклоннической религией, обретя за счет этого богатство и власть, она сравнима с женщиной, облаченной в пурпурные и алые ткани и увешанной драгоценностями, которая восседает подобно королеве на семи холмах, распутничает с земными царями и опьяняет народы своим распутством, наводняет их золотом, серебром и драгоценными камнями, и жемчугом, и полотнами тонкой работы, и шелками, и другими драгоценностями и обогащает земных купцов своею роскошью». Не лишен иронии тот факт, что Ньютон, ярый противник Святой Троицы, был членом Тринити-колледжа (Колледжа Святой Троицы) в течение всего периода, проведенного в Кембридже.
Трудное детство гения
Первое из череды событий, определивших непростой характер Ньютона, произошло за три месяца до его рождения, в Рождество 1642 года по юлианскому календарю, который в то время использовался в Англии. Этим событием стала смерть его отца.
Согласно Фрэнку Мэнюэлю, автору интересного психологического исследования о Ньютоне, опубликованного в 1968 году, с течением времени место отца заняла фигура Бога Отца. Так, всю свою жизнь Ньютон искал истину с помощью науки, богословия и алхимии, а его собеседником были не современники, а отец, фигуру которого в представлении Ньютона заменил сам Бог Отец. Это объясняет, почему Ньютон был столь непримирим по отношению к малейшей критике своих научных трудов. В результате у него развился абсурдный страх публикации открытий, из-за чего его труды по математике были изданы со значительным опозданием. Некоторые работы, посвященные главным образом анализу бесконечно малых, были опубликованы спустя 40 и даже 50 лет после того, как были написаны, а некоторые не были изданы вовсе. Всё это приводило к спорам, кто же первый открыл математический анализ: Лейбниц, который не боялся публиковать результаты своих трудов, или Ньютон.
Эти споры разгорелись после выхода в свет его первой научной работы в 1672 году. В январе того года Ньютон был избран членом Лондонского королевского общества после того, как представил созданный им телескоп-рефлектор.
В следующем месяце он опубликовал свою первую работу в журнале Королевского общества «Философские записки», в которой изложил новую теорию света и цвета. Эта публикация вселила большие надежды в ученые круги Англии и всей Европы. Тут же появились неизбежные критики и несогласные с работой Ньютона. Однако это не были какие-то безвестные ученые: новую теорию света не принял Роберт Гук, считавшийся ведущим авторитетом в области оптики, и Христиан Гюйгенс, лидер европейской науки. Ричард Вестфолл, автор лучшей биографии Ньютона, вышедшей в 1980 году, так объясняет результаты публикации: «Полемика, последовавшая за публикацией, больше говорит о самом Ньютоне, чем об оптике. В течение восьми лет он вел грандиозную борьбу за правду. Гениальность Ньютона требовала свою цену. Восемь лет бессонных ночей, восемь лет непрерывного напряжения, в течение которых он искал Истину там, куда никогда раньше не ступал человеческий разум. Страх того, что глупцы отвлекут его внимание от новых сражений, которые он вел в других областях, стала последней каплей. В 1672 году Ньютон уже работал над своей теорией в течение шести лет, и она казалась ему очевидной. Однако все остальные считали, что эта теория противоречит здравому смыслу, и отказывались принять ее. Они не признавали силу и убедительность его доказательств, и Ньютон быстро потерял интерес к дискуссии. Он был готов лишь к моментальному и всеобщему принятию его теории. Необходимость защищать и объяснять то, что для него было очевидно, и спровоцировала кризис».
В психологической интерпретации событий, предлагаемой Ф. Мэнюэлем, задача Ньютона как исследователя, тот самый поиск Истины, о котором упоминает Вестфолл, превращается в религиозную проблему. Его собеседником был Бог, отождествляемый с отцом: «Неточность в тексте рукописи, провал эксперимента или несерьезность его интерпретации не просто шли вразрез с научным методом, но были греховными, подобно лжи во время исповеди. Ложь на исповеди была тягчайшим преступлением, так как тем самым ставился под сомнение акт Божьего творения». И еще: «Ошибка в научном методе уподоблялась греху, так как была результатом лени и недостаточно усердного служения Богу. Для Ньютона грех был не проявлением человеческой слабости, о котором можно забыть, но знаком того, что грешник находится под властью зла».
В возрасте трех лет Ньютон пережил большую травму, одну из самых серьезных в его жизни: его мать, Анна Эйскоу, вышла замуж за священника Барнабу Смита, которому было 63 года, и прекратила отношения с сыном. Супруги поселились в доме Смита в нескольких километрах от дома Ньютонов, где маленький Исаак остался жить под опекой бабушки со стороны матери. Отделение от матери было болезненным и сильно повлияло на личность Ньютона: он стал с величайшим подозрением относиться ко всему, что можно было расценить как попытку лишить его чего бы то ни было. Это объясняет ожесточенные споры о первенстве, которые он вел с разными учеными, в особенности с Лейбницем, на протяжении всей жизни. Мэнюэль так описывает последствия разлуки с матерью: «Мать Ньютона занимает центральное место в его жизни. <…> Они были вместе в течение важнейшего периода в его жизни, и его фиксация по отношению к ней была абсолютной. Травма, вызванная ее уходом, отрицание его любви породили в нем тоску, агрессивность и страх. После безграничного обладания, в которое не вмешивался никто, даже отец (как если бы речь шла о непорочном зачатии), мать отказалась от него и бросила. Некоторые психологи указывают, что волнения, вызванные разлукой с родителями, выражаются острее всего, если родители покидают ребенка в возрасте от 13 до 18 месяцев, другие указывают более ранний период в жизни ребенка. Так как Ньютону на момент второго брака матери было уже 36 месяцев, этот наиболее опасный период должен был завершиться. Однако близость нового материнского дома могла еще больше усилить боль от потери. Элегантная колокольня церкви Северного Уитхэма возвышалась над прочими постройками и виднелась на несколько миль вокруг. Анна жила там со священником Смитом — едва ли в полутора милях от дома, где жил ее сын. Ньютон так никогда и не оправился от травмы, которую нанесла ему потеря матери по вине другого мужчины. Поэтому всякий раз, когда кто-либо пытался отнять у него то, что он считал своим, его обуревала ярость и одновременно грусть, вызванная этой первой и столь тяжелой потерей. Он считал, что совершил все свои открытия и получил все титулы самостоятельно, и малейшая угроза потерять их вызывала в нем мучительное беспокойство».
Его мать вновь овдовела в 1653 году и вернулась в старый дом. Вместе с ней вернулись трое детей от второго брака, который продлился семь лет. Наследство отчима составило несколько сотен книг, преимущественно по богословию. Они, несомненно, пробудили интерес Ньютона к богословию, который сохранялся в течение всей жизни.
В одной из записных книжек Ньютона найдено его признание в грехах, совершенных до 1662 года, когда ему было 20 лет. Двадцать третий и двадцать четвертый пункт в перечне грехов звучат так: «…угрожал моему отцу и матери Смит, что сожгу их в доме»; «…желал смерти и ожидал этого». Весьма вероятно, что когда в 1715 году Ньютон писал, имея в виду Лейбница и его анализ бесконечно малых: «…у того, кто совершил открытие вторым, нет прав на него», призрак преподобного Смита, второго мужа его матери, наверняка стоял перед его глазами.
Ньютон был принят в школу Грэнтема в восьми километрах от дома, когда ему было 12, и провел там несколько лет. В Грэнтеме он жил в доме аптекаря, в приемную дочь которого он мог быть влюблен (она поняла это, когда ей было уже 82 года!). Если неловкие ухаживания юноши, не привыкшего общаться с девочками, можно назвать романом, то это был первый и последний роман в жизни Ньютона.
Юный Ньютон поступил в Кембридж в начале лета 1661 года, преодолев сопротивление матери с помощью ее брата, который учился именно там.
Ньютон жил и работал в Кембридже 35 лет. За это время он совершил все свои научные открытия, хотя, возможно, большую часть времени он посвящал другим занятиям: богословию, библейской истории и главным образом алхимии. Вне всяких сомнений, он был гением. Мало того, в течение всей жизни Ньютон отличался невероятной трудоспособностью, особенно ярко проявившейся в кембриджский период. Он работал практически беспрерывно, забывая о сне и еде, закрывшись в комнате, посвятив себя занятиям оптикой, физикой и математикой. Его вклад в эти научные дисциплины поистине огромен. Однако большую часть времени, судя по невероятному числу рукописей на эти темы, он бесстрашно пытался понять свои эксперименты в области алхимии, искал доказательства, которые укрепили бы его веру, непрестанно находился в поисках истины или, что более применимо в его случае, вел бесконечный диалог с Богом Отцом. Огромные усилия и работа без передышки — явное указание на это содержится в названии книги Вестфолла «Неугомонный» (Never at rest) — четко отражены в его рукописях: «Из его рукописей видно, что он совершал ошибки и учился на них, порой следовал неверным путем и не всегда сразу понимал противоречивость своих идей. Рукописи однозначно дают понять: его открытия не были результатом озарений или вспышек гениальности».
На службе науки. «Начала»
Попробуем продемонстрировать разницу между предполагаемыми озарениями, когда открытие совершалось в мгновение ока — именно таково упрощенное представление о труде гения, которым многие считают Ньютона, — и долгой и сложной работой. Работой, состоящей в том, чтобы увидеть первые ростки идеи, очистить ее, выделить суть, согласовать с другими идеями, объяснить ее, часто с помощью уже совершенных открытий и исследований. Именно так на самом деле работал Ньютон. Расскажем о том, как Ньютон совершил одно из своих крупнейших открытий — закон всемирного тяготения, и написал свою важнейшую работу — «Математические начала натуральной философии». И вновь напомним, что Ньютон всегда, а особенно в последние годы жизни, был скорее не гением-провидцем, а неутомимым тружеником. Об этом свидетельствует уже упомянутая история с яблоком или еще одно его высказывание о том, как он совершал свои открытия: «Я всегда держал задачу у себя на виду, пока из первых проблесков она не превращалась в яркий свет». В других случаях он был более реалистичен. Так, в письме, датированном 10 декабря 1692 года, он писал, что «Начала» были написаны только благодаря «трудолюбию и длительным размышлениям».
В начале 1680-х годов Гук объединился со знаменитым архитектором и преподавателем астрономии в Оксфорде Кристофером Реном, а также с юным астрономом Эдмундом Галлеем, чтобы найти ответ на вопрос, логичным образом возникший в теории центральных сил Гука: по какой орбите будет двигаться планета, на которую действует центральная сила притяжения, обратно пропорциональная квадрату расстояния? Галлей лучше других понял, как найти решение: он обратился с вопросом к Ньютону.
Встреча состоялась в августе 1684 года. Содержание беседы нам известно по рассказу Ньютона Абрахаму де Муавру, английскому математику, который родился во Франции, но покинул родину из-за религиозных притеснений. Последний впоследствии так рассказывал о встрече: «Доктор Галлей спросил его, какая кривая может описывать движение планет, если предположить, что сила их притяжения к Солнцу обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. Сэр Исаак немедленно ответил, что орбиты планет будут иметь форму эллипса. Доктор выказал величайшую радость и, удивленный, спросил его, откуда ему это известно. «Потому что я это вычислил», — ответил Ньютон, после чего доктор Галлей попросил его незамедлительно показать эти расчеты. Сэр Исаак не смог найти их среди своих бумаг и пообещал выполнить расчеты повторно и отправить доктору Галлею».
До того как на сцену вышел Ньютон, положение дел в изучении движения планет в Англии было следующим. Ведущим специалистом считался Роберт Гук, который позднее стал одним из величайших врагов Ньютона, Гук, взяв за основу принцип прямолинейной инерции, сформулированный Декартом, заменил центробежную силу и силу тяготения единственным принципом притяжения, который, по его мнению, и был причиной изменения исходной прямолинейной траектории. В 1670 году он изложил свои идеи на конференции, прошедшей в Лондонском королевском обществе, секретарем которого он являлся с 1677 по 1703 год. Его теория вкратце заключалась в следующем.
1. Все небесные тела обладают силой тяготения, или притяжения к центру, и притягивают все остальные небесные тела, которые находятся в радиусе действия этой силы.
2. Тела движутся по прямым линиям и только под действием силы меняют траекторию: окружность, эллипс или любую иную, более сложную.
3. Действие сил притяжения уменьшается по мере увеличения расстояния между телами по определенному закону.
Закон этот на тот момент был неизвестен. Несколько лет спустя, проведя аналогию между тяготением и светом, Гук установил, что сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Поделиться книгой: