Гаусса с юности привлекала геометрия. Необычайная изобретательность привела его к поиску альтернатив евклидовой геометрии, которая в его время считалась единственно возможной. Также ученый внес большой вклад в дифференциальную и прикладную геометрию, особенно в геодезию. В области физики он сотрудничал с такими известными фигурами, как Вебер и Гумбольдт, и оставил свой след в таких разделах, как магнетизм и динамика.
Гаусс был человеком постоянных привычек, и он не хотел менять их по причинам, которые считал незначительными. Так, он всячески избегал длительных поездок, разве что речь шла о том, чтобы добыть материал для научной работы. Математик вполно комфортно чувствовал себя в Гёттингене или Брауншвейге, и его жизнь мирно протекала в этих городах и их окрестностях.
Как и другие великие ученые того времени, Гаусс получал многочисленные приглашения читать лекции из других городов и даже стран. Гёттинген был маленьким провинциальным городом, и многие считали, что главному математическому гению Германии следовало бы жить в более прогрессивном центре страны — Берлине. В 1822 году и в период 1824-1825 годов между образовательными властями Берлина и Гауссом шли серьезные переговоры о его переезде в университет столицы Пруссии. Эта территория недавно сбросила с себя французское владычество, и ее население вновь охватывал дух национального возрождения. Братья Гумбольдты — Александр (1769— 1859), ученый и исследователь, и Вильгельм (1767-1835), просвещенный политик, — пытались возбудить в австрийцах патриотическое чувство, поэтому для них было очень важно, чтобы Гаусс оказался в том месте, которое должно было стать истоком новой страны. С другой стороны, вторая супруга ученого, Минна (как и остальные члены ее семьи) подталкивала Гаусса переехать в Берлин, где было больше новых возможностей. В это же время скончался секретарь научного отдела Берлинской академии, и Гауссу сразу же предложили эту престижную и намного выше оплачиваемую должность, чем была у него в Гёттингене.
Берлин в это время был самым мощным центром государства, и казалось естественным, что лучшие немецкие ученые жили именно там. Гаусс среди этих ученых занимал почетное место, но сам он не испытывал никакой охоты к перемене мест, поэтому никогда лично не участвовал в переговорах об этом. Несмотря на усилия Карла Генриха Линденау (1755-1842), нового главы министерства, математик не проявлял никакого интереса к звучавшим заманчивым предложениям.
Гаусс был консерватором, ему было очень комфортно в спокойном городе, мало открытом переменам, происходившим в то время во всей Европе, поэтому переезжать он не торопился. Однако в конце 1825 года сложилась ситуация, когда казалось, что математика удалось уговорить. Гаусс даже проинформировал правительство Ганновера, на территории которого находится Гёттинген, что планирует переехать в Берлин и быть в подчинении государства Пруссия. Сразу же после этого изначально неуступчивый Ганновер увеличил ученому зарплату до того уровня, который ему предложили в Берлине. Также Гауссу предложили повысить его в должности и реконструировать обсерваторию, в которой протекала жизнь ученого. Естественно, Гаусс тут же ухватился за возможность остаться в Гёттингене. Это решение расстроило и даже разочаровало многих его друзей, участвовавших в патриотическом движении возрождения страны, таких как Ольберс, Фридрих Вильгельм Бессель (1784-1846) — математик и астроном, с которым Гаусс поддерживал переписку, и, конечно, Линденау. Для них Берлин был единственным местом, достойным Гаусса. Они считали, что государство Пруссия — это зачаток объединенной Германии. Впрочем, несмотря на то что ученый остался в маленьком Гёттингене, его реальное влияние на научную жизнь было ничуть не меньше, чем если бы он отправился в Берлин, чтобы начать в Пруссии новую карьеру. Гаусс обладал огромным личным авторитетом, его публикации пользовались широкой известностью и, конечно же, сыграли свою роль и в развитии научной деятельности, и в технологическом и экономическом прогрессе его страны в первой трети XIX века.
Самый известный портрет Гаусса, сделанный в 1840 году датским художником Христианом Альбрехтом Йенсеном (1792-1870), когда немецкому гению было 63 года.
Беременности и роды, которые следовали друг за другом три раза с1811 по 1816 годы, подорвали здоровье Минны Гаусс, женщина больше не могла активно заниматься домом и отказалась от общественной деятельности, так что она не слишком настаивала на переезде в Берлин, хотя и не была против.
Совместная жизнь Гаусса с Минной протекала довольно мирно, чего нельзя сказать о его отношениях с детьми, особенно от второго брака. Исключением стала только самая младшая дочь — Тереза, которая заботилась о Гауссе до его смерти. Старший сын ученого от первого брака, Иосиф, также поддерживал с отцом теплые отношения и даже помогал ему в некоторых работах. Но об этом мы поговорим позже. Будучи военным, Иосиф не очень часто общался с отцом, но Гаусс получал искреннее удовольствие от этого общения и гордился профессиональными успехами сына, о которых тот ему писал. Отношения с двумя сыновьями от Минны были ужасными, оба они, Ойген и Вильгельм, уехали в Северную Америку, спасаясь от семейных конфликтов. Ойген всегда упрекал Гаусса за то, что тот потребовал, чтобы сын занимался юриспруденцией, к которой сам Ойген не испытывал никакого интереса.
Несмотря на то что Гаусс пользовался огромным уважением, из-за своего замкнутого характера он стремился заниматься только своими исследованиями и старался остаться незамеченным, хотя иногда мог бы воспользоваться своим авторитетом, чтобы помочь друзьям. Показательно в этом смысле известное дело Гёттингенской семерки 1837 года. В этом году умер король Англии Вильгельм IV, его сменила королева Виктория, однако салический закон, действовавший в государстве Ганновер, запрещал женщине наследовать власть, хотя в тот момент государство входило в состав английской короны. Чтобы спасти положение, было заключено соглашение, и в Ганновере стал править дядя Виктории, Эрнст Август, герцог Камберлендский. Через год новый король отменил Конституцию и другие свободы, что вызвало реакцию со стороны семи профессоров; в их число входили и Вильгельм Вебер, с которым Гаусс уже несколько лет сотрудничал в области изучения физики, и Георг Генрих Август Эвальд (1803-1875), ориенталист, зять Гаусса и его большой помощник. Эти семь преподавателей подписали формальный протест, выступив против абсолютистских действий власти, совершенно не соответствующих духу того времени. Король Эрнст Август, презрев ценных ученых, высокомерно заявил, что может «найти новых преподавателей так же легко, как и балерин балета». Вследствие этого семь подписавшихся потеряли работу и были уволены из университета. Официально Гаусс не выступил в пользу подписавшихся, хотя похоже, что он действовал приватно, встретившись с королем и предложив ему соглашение для восстановления ученых в должности. Однако договор предполагал настолько унизительные и неприемлемые условия этого восстановления для Вебера и Эвальда, что те не пошли на уступки и были вынуждены уехать. Для Гаусса отъезд Вебера означал конец интенсивного сотрудничества, хотя до 1840 года у них были совместные проекты — «Университетский журнал» и «Атлас геомагнетизма».
ИЗМЕРЕНИЕ КОРОЛЕВСТВА
В 1818 году королевство Ганновер поручило Гауссу провести триангуляцию и измерение государства. Это была обычная практика того времени, особенно после того, как французы измерили дугу меридиана. Кроме того, исследования были связаны с текущей необходимостью. Власть понимала высокую ценность геодезических работ, которые позволяли составить точные карты, давая ряд военных и экономических преимуществ. Помимо измерения площадей, геодезия занимается построением карт, которые представляют топографию земли. Для этой работы необходимо установить набор координат, которые определили бы главные точки орографии исследуемой территории.
В ПОИСКАХ ДУГИ МЕРИДИАНА
Как только выяснилось, что Земля является сферой, одним из главных научных стремлений XVIII века стало желание узнать ее точный размер и форму. Идеален ли градус сферичности? А может быть планета немного приплюснута в каком-то месте: на полюсах (по мнению Ньютона) или, наоборот, на экваторе (по мнению Декарта)? Чтобы ответить на оба вопроса, по инициативе Парижской академии наук был разработан проект эксперимента, который состоял в том, чтобы осуществить ряд измерений дуги меридиана на широте экватора (после чего в результате математических операций можно было определить периметр Земли) и сравнить их с другими измерениями на широте полюсов. В 1735 году из Руана группа французских ученых под руководством Пьера Луи Моро де Мопертюи отправилась в Лапландию. В 1736 году отправилась другая экспедиция, в Перу, руководил ею астроном и математик Луи Годен. В состав группы входили самые именитые ученые того времени, а также представители местной испанской власти — моряки и ученые Хорхе Хуан и Антонио де Ульоа. Эта экспедиция длилась почти десять лет (ее члены вернулись в Европу в 1744 и 1745 годах) и в конце концов превратилась в настоящий научный подвиг. К неудовольствию инициаторов экспедиции была доказана правота англичанина Ньютона, однако годы исследований открыли пути для развития самых разных отраслей знания — геодезии, астрономии, навигации, ботаники и так далее. Путешественники, участвовавшие в обеих экспедициях, оставили весьма любопытные свидетельства.
Гравюра, сделанная в 1773 году Кастро Кармоной и показывающая одну из триангуляций, осуществленных в вице-королевстве Перу, чтобы определить длину дуги меридиана. Сложная орография Анд, где высота больше 4000 м, делала измерения особо сложными.
Для измерения территорий чаще всего используется метод, известный под названием триангуляция. В нем применяется тригонометрия — дисциплина, занимающаяся углами и отношениями между ними, для определения положений точек, измерения расстояний или площадей. Для измерения высоты нужной точки выбирались еще две точки так, чтобы образовался треугольник. После этого, измерив углы и расстояния между вершинами треугольника, по тригонометрическим формулам можно было вычислить высоту. Используемая техника была очень простой в теории. Основываясь на предварительно точно вычисленных расстояниях между базовыми точками, участок земли нужно покрыть сетью треугольников, вершины которых визуально связаны, и после этого измерить углы всех этих треугольников. Однако этот метод требует много времени и обширных полевых работ. Кроме того, учитывая отсутствие калькуляторов, сложные арифметические операции были очень трудоемки.
Часть Ганновера еще при Наполеоне была измерена, но работа не была завершена и требовала уточнений. Подобные инициативы стали обычными для Европы, и Шумахер, астроном, с которым Гаусс поддерживал очень хорошие отношения, попросил его включиться в проект. До этого у Шумахера был опыт триангуляции Гольштейна, что позволило ему продолжить свои геодезические исследования в Дании. Гаусса идея привлекла сразу же, и он представил правительству Ганновера полный список того, что ему понадобится для выполнения работ. Положительный ответ пришел очень быстро, ученый был назначен директором проекта, и в качестве помощников ему предоставили несколько солдат. В то время Гаусс и не подозревал, что этот проект станет главной задачей его жизни на следующие восемь лет, поскольку измерения оказались сложнее, чем можно было представить. Исходная идея заключалась в том, чтобы дополнить уже существующие результаты, но вскоре оказалось, что лучше картографировать все государство, поскольку сделанная триангуляция содержала дефекты, а также обходила стороной независимый город Бремен. Задача была связана и с географическими сложностями, особенно в западной части и на побережье, где обширные равнины были покрыты лесами. Для осуществления триангуляции необходимо было найти места с хорошим обзором, а с таким рельефом это было не всегда возможно.
Гаусс принялся за проект со всей отдачей. В те годы весной и летом он редко ночевал дома, путешествуя из деревни в деревню и испытывая все неудобства жизни в сельской местности и летней жары.
В течение почти восьми лет, до 1825 года, Гаусс занимался рутинной и изнуряющей работой: он делал измерения днем и вычисления ночью, и это сильно отвлекало ученого от намного более продуктивной деятельности в области математики. Спустя восемь лет Гаусс передал часть полевой работы в руки своему сыну Иосифу, а за собой оставил вычисления. Мы можем утверждать, что в течение почти 20 лет гениальный Гаусс тратил значительную часть своего времени на скучные астрономические и геодезические вычисления. В результате появилось более 70 записей по геодезии и применению метода наименьших квадратов к картографическим измерениям.
Важным вкладом Гаусса в развитие измерительных приборов, который определял успех картографического проекта, было изобретение гелиотропа (1821) — инструмента для облегчения видимости удаленных точек. Его идея очень проста и основывается на отражении солнечного света от наблюдаемой точки, что позволяет делать очень точные наблюдения даже при не самых благоприятных атмосферных условиях и на расстояния, на которые раньше наблюдение было невозможно. Гелиотроп дожил до изобретения аэрофотограмметрии, которая сегодня, наряду со спутниковыми фотографиями, заменила крупномасштабную топографическую съемку, подобную той, которой руководил Гаусс в Ганновере. После трехлетнего промежутка триангуляция Ганновера вновь началась в 1828 году и продолжилась до 1844 года.
Из публикаций Гаусса по геодезии особенно выделяются две, Bestimmung des Breitenunterschieds zwischen den Stemwarten von Gotinga und Altona durch Beobachtungen am Ramsdenschen Zenithsektor («Определение разности широт между обсерваториями Гёттингена и Альтона из наблюдений с зенитным сектором Рамсдена») 1828 года и Untersuchungen йЬег Gegenstande der Hoheren Geodasie I и II («Исследование по вопросам высшей геодезии I и II»), опубликованные в 1843 и 1846 годах соответственно. Оба труда оказали огромное влияние на последующее развитие геодезии. В этих работах, представляющих интерес только для специалистов, Гаусс изучает случай перехода от части сферы к плоскости, используя сферическую тригонометрию. Сферическая тригонометрия — это адаптация тригонометрии плоскости к сферическим поверхностям. Она необходима, поскольку применение традиционных тригонометрических формул для плоских треугольников невозможно для сферических треугольников. К примеру, для них не выполняется базовый закон о равенстве суммы углов треугольника 180°. Сумма углов сферического треугольника, показанного на рисунке, равна 270°.
Сферический треугольник. Три его угла прямые, то ест в сумме дают 270°.
В этих двух работах Гаусс также выделил место для треугольников на поверхности эллипсоида — более общий случай по сравнению со сферой. Хорошим примером эллипсоида может быть мяч для регби. Чтобы облегчить вычисления, Гаусс привел таблицы, в которых решались уравнения для частных случаев.
ВОЗМОЖНО, ЕСТЬ ДРУГАЯ ГЕОМЕТРИЯ
В результате работ в области геодезии к Гауссу вернулся интерес к геометрии, которая уже была объектом его исследований в годы учебы. Гаусса называют одним из отцов неевклидовой геометрии и дифференциальной геометрии.
Со времен Евклида считалось, что этот гениальный математик в своей работе «Начала» определил всю геометрию, которая только может быть, и что выйти за пределы его постулатов сравнимо с ересью.
Евклид сформулировал свою геометрию на основе нескольких постулатов, которые считал аксиомами. В математике аксиомы — это очевидные истины, не требующие доказательства. Евклид определил пять постулатов.
1. Через две точки можно провести одну и только одну прямую, соединяющую их.
2. Каждый отрезок может быть бесконечно продолжен в любом направлении.
3. Можно провести любую окружность с центром в любой точке и с любым радиусом.
4. Все прямые углы подобны, то есть имеют одинаковый размер и совпадают, если их наложить друг на друга перемещением.
5. Через точку, не принадлежащую прямой, можно провести единственную прямую, параллельную данной.
На самом деле, Евклид должен был бы включить еще два постулата, которыми он пользуется в своих доказательствах:
— две окружности, центры которых разделены расстоянием меньше суммы радиусов, пересекаются в двух точках (Евклид пользуется им в своем первом построении);
— два треугольника с двумя равными сторонами и равными соответственными углами подобны, то есть имеют равные углы и стороны и, следовательно, имеют одну и ту же форму и размер.
ЕВКЛИД
Евклид (325-265 до н.э.) — греческий математик и геометр, известный как отец геометрии. О его жизни мы знаем крайне мало, кроме того, что он жил в Александрии во время правления Птолемея I. Его работа «Начала» — одна из самых известных научных работ в мире и, после Библии, наиболее часто издаваемая и переводимая. В нее входят сведения, которые Евклид распространял в Александрийской библиотеке, и это все геометрическое знание того времени. В «Началах» в строгом виде, на основе исключительно пяти постулатов, рассказывается о свойствах линий и плоскостей, кругов и сфер, треугольников и конусов, и так далее, то есть правильных форм. Возможно, ни один из результатов в «Началах» не был впервые доказан Евклидом, но именно он организовал материал и систематизированно изложил его. Самые известные доказательства Евклида соответствуют следующим теоремам:
— сумма внутренних углов любого треугольника равна 180°;
— в прямоугольном треугольнике квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов (знаменитая теорема Пифагора).
Страница «Начал» Евклида из так называемого Манускрипта d’Orville, написанного на греческом языке в Константинополе в 888 году, который хранится в Бодлианской библиотеке Оксфордского университета.
Евклидова геометрия не только стала мощным инструментом дедуктивного рассуждения, но и оказалась чрезвычайно полезной во многих отраслях знания, например в физике, астрономии, химии и инженерных областях. В работу Евклида изменения не вносились вплоть до XIX века, пока Гаусс не сформулировал несколько видов неевклидовой геометрии, исключив ее пятый постулат.
Евклид предположил, что все постулаты очевидны и не требуют доказательства. Это не подвергалось сомнению до такой степени, что Кант в своей «Критике чистого разума» утверждал: понятия Евклида являются существенным компонентом нашего видения мира. Однако оказалось, что последний постулат в некотором роде независим и что можно отрицать его, не войдя в противоречие с предыдущими. Идея в том, чтобы по-новому определить параллельные линии, перенеся это понятие в иные, отличные от плоскости, пространства.
Начиная с 1813 года Гаусс разрабатывал геометрию, в которой отрицался последний постулат Евклида. Ученый при этом развивал идеи, которые появились у него в последние годы обучения в Коллегии Карла в разговорах с Вольфгангом Бойяи. В 1816 году Гаусс сообщил эти идеи в письме Шумахеру, своему другу и преподавателю астрономии, но, как всегда, ничего не опубликовал на эту тему. Впрочем, причиной на этот раз могло быть не только желание найти как можно более точное доказательство. Все, что касалось обсуждения постулатов Евклида, стало бы объектом ожесточенных споров, а Гауссу не нравилось участвовать в дискуссиях такого рода, которые казались ему скорее философскими.
Когда в 1831 году Янош Бойяи (1802-1860), сын Вольфганга, изложил ему свои идеи о неевклидовой геометрии, Гаусс ответил ему так: «Я не могу хвалить Вашу работу, поскольку, сделав это, я бы хвалил самого себя, так как идеи, которые Вы мне излагаете, совпадают с идеями, которые я разработал 30-35 лет назад». Однако Гаусс признал Яноша Бойяи и Николая Лобачевского, другого создателя неевклидовой геометрии, гениями первой величины. Он даже выучил русский язык, чтобы иметь возможность читать работы Лобачевского в оригинале. Кроме того, математик добился, чтобы в 1842 году русского ученого признали членом Гёттингенской академии.
Сегодня Гаусса, Лобачевского и Яноша Бойяи считают создателями неевклидовой геометрии. Сейчас, помимо евклидовой, известны гиперболическая и эллиптическая геометрии, зависящие от типа кривизны (положительной или отрицательной).
НЕЕВКЛИДОВА ГЕОМЕТРИЯ
Неевклидовой называется любой вид геометрии, постулаты и свойства которой отличаются от пяти постулатов Евклида.
Существует много типов неевклидовой геометрии, хотя если свести дискуссию к гомогенным пространствам, в которых кривизна пространства одна и та же в каждой точке и в которых все его точки неразличимы, можно выделить три типа геометрий:
— евклидова геометрия — удовлетворяет пяти постулатам Евклида и имеет нулевую кривизну;
— гиперболическая геометрия — удовлетворяет только первым четырем постулатам Евклида и имеет отрицательную кривизну. В этой геометрии через каждую точку, не лежащую на прямой, проходит бесконечное количество прямых, параллельных данной;
— эллиптическая геометрия — также удовлетворяет первым четырем постулатам Евклида и имеет положительную кривизну. Что касается пятого постулата Евклида, в этой геометрии через каждую точку, не лежащую на прямой, не проходит ни одной прямой, параллельной данной (вспомним, что в евклидовой геометрии проходит только одна параллельная прямая). Это случай меридианов Земли, которые в сферической геометрии (частный случай эллиптической) считаются параллельными. На рисунке изображены прямые в различных пространствах.
Гиперболическое пространство
Евклидово пространство
Эллиптическое пространство
В качестве примера, подтверждающего важность вклада великого немецкого математика в геометрию, можно привести тот факт, что Бернхард Риман, самый выдающийся ученик Гаусса, по его просьбе посвятил свою докторскую диссертацию обобщению неевклидовой геометрии.
ВКЛАД В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНУЮ ГЕОМЕТРИЮ
Хотя Гаусс не публиковал работ по неевклидовой геометрии, это не означает, что он вообще не занимался геометрическими проблемами. В 1827 году ученый представил фундаментальную работу о дифференциальной геометрии, использовавшую элементы математического анализа. Книга, озаглавленная Disquisitiones generales circa superficies curvas («Общие исследования о кривых поверхностях»), представляет собой вклад Гаусса в дифференциальную геометрию. В этой работе ученый создал дифференциальную геометрию поверхностей, которая в последующие десятилетия была дополнена работами многих математиков. Основная проблема здесь — это отражение на плоской карте геометрии других типов поверхностей. В самых простых случаях (при постоянной кривизне) появляются гомогенные геометрии: евклидова, эллиптическая и гиперболическая (именно ее разработали Бойяи и Лобачевский). Гаусс пошел намного дальше этих гомогенных пространств и ввел то, что сегодня называется кривизной Гаусса, — обобщение для поверхностей определенной кривизны на плоскости.
Это позволило ему сформулировать так называемую Theorema Egregium (выдающуюся теорему), главный результат дифференциальной геометрии. Говоря неформально, в теореме утверждается, что гауссова кривизна дифференцируемой поверхности может быть полностью определена посредством измерения углов и расстояний на самой поверхности, не ориентируясь на конкретную форму, которую она принимает в трехмерном евклидовом пространстве. Из этого следует, что понятие кривизны — это локальное свойство.
КРИВИЗНА ГАУССА
В геометрии кривая (в параметрическом виде) определяется на плоскости как отображение a (s) = (x(s),y (s)), где s — действительное число, а функции x(s) и y(s) дают координаты на плоскости. Параметрическими называются такие уравнения, в которых переменные х и у, каждая по отдельности, выражены через третью переменную, или параметр (в нашем случае s). Кривая должна быть непрерывной и дифференцируемой функцией, то есть плавной линией без углов. Так как она дифференцируемая, то в каждой точке s кривой можно определить касательную к ней. По определению кривизна а в s определяется как угол, образуемый касательной к кривой в точке s, t(s), с фиксированным направлением на плоскости, которое для удобства принимается за ось ОХ координат, то есть:
θ(s) = угол, образованный между < t(s), ось ОХ>.
Так что обычная кривизна k(s) кривой определяется как дифференциал функции θ, то есть:
k(s) = θ'(s).
На самом деле k{s) измеряет удаленность кривой от касательной прямой. Кривизна Гаусса, которая в некотором роде обобщает это понятие для поверхностей, может быть определена различными способами, самый простой из них задан выражением:
К=k · k 2 ,
где k 1 и k 2 — это главные кривизны в каждой точке пространства.
Изометрия — это математическое преобразование двух пространств, которое оставляет инвариантными расстояния между точками. Пример изометрии в евклидовом пространстве из трех измерений — это вращения. Итак, следствие из Theorema Egregium в том, что у двух поверхностей существуют изометрии, только если у них одинаковая гауссова кривизна. Очень показателен следующий пример: сфера с радиусом R имеет постоянную гауссову кривизну, равную R-2, в то время как плоскость имеет нулевую кривизну. Как следствие Theorema Egregium, лист бумаги невозможно согнуть или повернуть так, чтобы получилась часть сферы, не сминая или не надрезая его. И наоборот, поверхность сферы не может быть представлена как плоскость без искажения расстояний.
У этого факта есть важный вывод для картографии: нельзя построить карту Земли, на которой масштаб был бы одинаковым в каждой точке плоскости. Следовательно, все обычно используемые проекции изменяют масштаб в различных точках и дают некоторое искажение. Идеальной карты Земли не существует и не может существовать.
В дифференциальной геометрии четко показано, что на поверхностях, не являющихся плоскими, самая короткая линия, которая соединяет две точки, необязательно прямая, как это происходит в евклидовых пространствах. Именно поэтому пришлось ввести новое понятие (геодезическая линия), которое обозначает кратчайшую линию, соединяющую две точки поверхности. Этот принцип используется в воздушной и морской навигации для установления самых коротких маршрутов без прямых линий. Рассмотрим следующий рисунок.
На самом деле кратчайшее расстояние от аэропорта Мадрида до аэропорта Нью-Йорка — это расстояние, пройденное по кривой, нарисованной сверху от прямой, которая соединяет эти два города на карте. Очевидно, что на плоскости это не так, но на поверхности, подобной сферической (как Земля), геодезическая линия, то есть кратчайшая между двумя точками, не является прямой.
ГАУСС И ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Общая теория относительности — это устоявшееся название для обозначения гравитационной теории, опубликованной Альбертом Эйнштейном в 1915 году. В соответствии с общей теорией относительности сила гравитации — это локальное проявление геометрии времени-пространства. Релятивистскую модель в обычном евклидовом пространстве построить невозможно. В теории относительности необходимо, чтобы пятый постулат Евклида о параллельных прямых не имел единственного решения. Как мы уже видели, Гаусс, Лобачевский и Бойяи доказали, что эта аксиома не зависит от предыдущих и что от нее можно отказаться, не получив противоречия. Риман разработал общую математику для неевклидового пространства в своей докторской диссертации, руководителем которой был Гаусс. Без этих математических инструментов Эйнштейн не смог бы создать свои труды. Именно его вклад сделал неевклидову геометрию популярной, открыл ее настоящую ценность. До Эйнштейна считалось, что это лишь абстрактная теория, поэтому Гаусс ничего и не опубликовал на эту тему.
В изучении поверхностей Гаусс широко использовал параметрическое представление, введенное Эйлером, осуществляя внутреннее представление поверхности как двумерное изображение. Координаты точки (х, y, z) заданы тремя уравнениями в зависимости от двух параметров: х = х(u, v); у = у(u, v); z = z(u, v). Можно сказать, что стилистически «Общие исследования о кривых поверхностях» — самая совершенная работа Гаусса. Ее аналитическое, прямое и очень лаконичное изложение позволяет представить каждую геометрическую идею в полной форме. Как признавался сам Эйнштейн, «теории относительности не существовало бы без геометрии Гаусса».
ГАУСС И ФИЗИКА
Ключевым в жизни Гаусса был 1831 год. За год до этого его сын Ойген уехал в США из-за семейных размолвок, а в этом году умерла Минна, вторая супруга ученого, — возможно, от туберкулеза, и его дочь Тереза взяла на себя ведение хозяйства. В конце этого же года в Гёттинген приехал Вильгельм Вебер, чтобы занять место преподавателя физики. С этого момента павший было духом Гаусс вновь нашел в науке спасение от своих семейных бед.
Как в научных, так и в дружеских отношениях между Гауссом и Вебером царила полная гармония; Вебер познакомил математика с новыми областями исследования, часть из которых была экспериментальной. Плодотворное сотрудничество, да и само присутствие коллеги помогли Гауссу пережить этот тяжелый период. Он всегда интересовался физикой, но многие его исследования, исключая сделанные в области астрономии и геодезии, носили сугубо теоретический характер. Прежде чем познакомиться с Вебером, Гаусс занялся вариационным исчислением, которое было одной из центральных тем XVIII века. Оно может быть рассмотрено как математическая задача, но является базовым для многих задач физики. Вариационные задачи — это задачи на оптимизацию, в них речь идет о нахождении лучшего значения, но здесь оптимум — это не значение, а функция.
Мы привыкли рассматривать задачи на оптимизацию, которые математически формулируются как:
Min: ƒ(х)
а:х е S,
где S — множество значений, между которыми мы можем искать решение, что называется допустимым множеством. Функция ƒ также называется целевой функцией. С математической точки зрения не существует никакой разницы, заключается задача в максимизации или минимизации, поскольку можно совершить замену, всего лишь изменив знак целевой функции, так что следующая проблема равносильна предыдущей:
Min: -ƒ(х)
а:х е S,
В зависимости от типа функции ƒ и свойств допустимого множества у нас получится тот или иной тип задачи. Решение этого типа задач может быть как числом, так и вектором (рядом), в случае функции, определенной в пространстве с несколькими измерениями.
ВИЛЬГЕЛЬМ ВЕБЕР
Вильгельм Вебер (1804-1891) — немецкий физик первой половины XIX века. Получил образование в Университете.Галле и остался в нем преподавать до 1831 года, когда перешел в Гёттингенский университет. Там ученый подружился с Гауссом, с которым сотрудничал в исследованиях по электричеству и магнетизму.
В 1833 году они изобрели новый тип телеграфа — зеркальный гальванометр Гаусса — Вебера. Позже физика исключили из Гёттингенского университета за оппозицию к властям.
В 1843 году он начал преподавать в Лейпцигском университете и остался там до 1849 года, затем вернулся в Гёттинген и через некоторое время был назначен директором астрономической обсерватории этого города — на должность, которую до него занимал Гаусс. Вебер работал над установлением абсолютных единиц измерения электрического тока и посвятил последние годы жизни изучению электродинамики, разработав ее основы для последующего создания электромагнитной теории света.
Рассмотрим простой пример. Булочник каждый день печет один вид буханок хлеба. С одной стороны, он хочет удовлетворить своих клиентов и испечь достаточно хлеба, а с другой — он не хочет создать избыток товара, который не найдет покупателя в этот же день. Сделав исследования спроса и предложения, мы можем найти решение, которое принесет булочнику наибольшую прибыль, и вполне можно предположить, что решение будет натуральным числом. Если он печет несколько видов хлеба, например ржаной, кукурузный и пшеничный, решение будет не одним числом, а множеством из трех чисел, которое укажет, сколько буханок каждого типа ему нужно выпечь. Решение будет вектором.
Теперь подумаем о другом примере оптимизации. Мы на улице, и кто-то спрашивает нас, как быстрее попасть на автобусную остановку. Ответ не может быть числом и даже списком чисел. Логичным ответом было бы объяснение дороги: куда надо идти, где повернуть и так далее. Этот тип ответа лучше всего привести к математическому описанию с помощью функции, которая дает тому, кто пользуется ею, критерий к действию в зависимости от места, в котором он находится в каждый момент пути. Задачи на оптимизацию, в которых решение — это функция, известны как вариационные проблемы, и они очень широко применяются в физике.
В 1829 году появилась короткая публикация Гаусса о проблеме вариационного исчисления в механике, в которой он ввел понятие принципа наименьшего принуждения. Под принуждением к движению Гаусс понимал ограничения, которым подвержено движение в любой физической системе. Ученый утверждал, что природа стремится сделать принуждение минимальным:
«Очень заметно, что свободные движения, когда они не могут сосуществовать с необходимыми условиями, модифицируются при родой точно так же, как математик, согласно методу наименьших квадратов, приводит к согласию наблюдения, связанные между собой необходимыми зависимостями. Можно продолжить эту аналогию, но это не является сейчас моей целью».
Идея состоит в том, что природа действует наиболее свободным способом из тех, которые возможны при наложенных ограничениях. Как видно, здесь снова появляется отсылка к одному из главных открытий Гаусса — методу наименьших квадратов.
Ученый сделал многое для того, чтобы математика могла сочетаться с физикой. В своей работе Principia generalia theoriae figurae fluidorum in statu aequilibrii («Общие принципы теоретической схемы жидкостей в состоянии равновесия») 1830 года он вновь рассмотрел вариационную задачу, связанную с определением рисунка равновесия поверхности жидкости при учете гравитации и сил капиллярности и адгезии:
«В результате деликатного и сложного исследования мы получаем состояние равновесия, которое доступно здравому смыслу и показывает адаптацию под несколько превалирующих сил в конфликте».
Снова та же самая идея принципа наименьшего принуждения, в этот раз примененного к механике жидкостей.
В рамках идей того же порядка Гаусс работал с формализацией и математическими свойствами ньютоновского притяжения, создав так называемую теорию потенциала. Именно в этом контексте появляется знаменитый закон Гаусса: «Поток в гравитационном поле через произвольно выбранную замкнутую поверхность пропорционален общей массе, заключенной в этой поверхности», где гравитационное поле — это множество сил, которые представляют гравитацию. Этот результат сокращает до элементарных вычислений работу, которая раньше требовала специально разработанных методов.
Нельзя сказать, что на момент приезда Вебера Гаусс был далек от физики, но благодаря ему математик занялся физическими проблемами гораздо более решительно и усердно. Теперь он стремился найти ответы на вопросы техники и инженерного дела.
В 1832 году, параллельно с интересом к электричеству, Гаусс начал исследования в области земного магнетизма. Следует заметить, что сегодняшнее представление об электричестве и магнетизме как двух аспектах одного и того же явления тогда было далеко не очевидным. Инициатива участия Гаусса в изучении магнетизма принадлежала Александру фон Гумбольдту, который искал сотрудничества с ним, чтобы установить сеть точек наблюдения земного магнитного поля во всем мире. Речь идет о первой в истории попытке начать крупномасштабное наблюдение с новыми требованиями: установление общих стандартов, техник измерения, требований к точности и достоверности. Цели программы состояли в изучении распределения земного магнетизма, изменений его интенсивности со временем, склонения и наклонения, а также, что довольно амбициозно, в определении происхождения магнитного поля Земли. Уже в 1832 году Гаусс опубликовал важную работу об абсолютном измерении магнитного поля Земли под названием Intensitas vis magneticae terrestris ad mensuram absolutam revocata («Измерение абсолютной интенсивности магнитного поля Земли»).
АЛЕКСАНДР ФОН ГУМБОЛЬДТ
Александр фон Гумбольдт (1769- 1859) — немецкий географ, натуралист и исследователь, младший брат лингвиста и министра образования Вильгельма фон Гумбольдта. Его называют отцом современной всеобщей географии. Гумбольдт был чрезвычайно разносторонним натуралистом. Путешествия вели исследователя из Европы в Южную Америку, на территорию современной Мексики, США, на Канарские острова, в Центральную Азию. Он специализировался в самых разных областях науки, таких как этнография, антропология, физика, зоология, орнитология, климатология, океанография, астрономия, география, геология, минералогия, ботаника, вулканология и гуманизм. Гумбольдт сотрудничал с Гауссом при разработке «Атласа геомагнетизма».
Далее следуют другие важные работы 1830 года, среди которых выделяются Allgemeine Theorie Erdmagnetismus («Общая теория земного магнетизма») и «Атлас геомагнетизма», опубликованный в 1840 году совместно Гауссом, Вебером и Бенджамином Голдшмидтом, помощником Гаусса в Гёттингенской обсерватории. Содержание этих работ вызывает огромный интерес. Гаусс впервые определил магнитное поле как нечто связанное с силой притяжения магнита, но все же он говорит и о «магнитном потоке», ответственном за эти явления. Ученый смог доказать, что на Земле может быть только два магнитных полюса, и конкретизировал расположение Южного магнитного полюса (рядом с географическим Северным полюсом). Этот прогноз был очень точно подтвержден экспедицией капитана Уилкса в 1841 году. Более того, Гаусс ввел ряд новых отношений между горизонтальной и вертикальной составляющими магнитного поля в различных точках (хотя Гумбольдт довольно долго отказывался признавать их правильность).
Сотрудничество Гумбольдта и Гаусса привело к заметным результатам в изучении земного магнетизма, которые до этого были абсолютно неизвестны. Например, ученые установили, что магнитное поле со временем меняется, причем вариации значительны (до 10% в относительных величинах) и, кроме того, они происходят одновременно по всей Земле (магнитные бури). Механизм этих явлений не объяснен должным образом до сих пор. Работа 1840 года — это собрание новых исследований. Гаусс рассуждал об определении магнитного поля с помощью магнитометра — аппарата, изобретенного Гауссом и Вебером для определения горизонтальной составляющей магнитной силы. Он доказал, что определение интенсивности горизонтальной составляющей магнитной силы вместе с углом наклонения полностью определяет магнитное поле. Речь идет о первом абсолютном измерении силы, которую оказывает магнитное поле Земли на компас, — это очень слабая сила, измерение которой потребовало чрезвычайных мер предосторожности.
Место эксперимента должно было быть свободным от магнитных колебаний, из-за чего пришлось построить лабораторию, в которой не было железа и других магнитных материалов, в ней также не должно было быть ни малейшего потока воздуха. Лаборатория была сделана из дерева с помощью медных гвоздей. Гаусс изменил методы, разработанные Гумбольдтом, сократив необходимое время наблюдения и увеличив точность, что вызвало спор между учеными, поскольку Гумбольдт не был уверен в том, что Гаусс предпринял необходимые меры предосторожности, и сомневался в справедливости результатов.
Другим практическим следствием изучения Гауссом и Вебером электричества стала разработка модели телеграфа, длившаяся с 1833 по 1838 год. Сигналы регистрировались на приемнике посредством отклонения магнитной иглы (компаса) вправо или влево в зависимости от напряжения, примененного к передатчику. Ученые разработали код и установили телеграф между лабораторией Вебера и астрономической обсерваторией, расстояние между которыми было около 1500 метров. Телеграф работал (хотя приходилось чинить часто обрывающийся провод), пока систему не разрушила молния. Похоже, Гаусс осознавал возможности, которые открывали электрические коммуникации: он предложил, чтобы в железнодорожных линиях (которые тогда только начинали распространяться) рельсы использовались как проводники для обеспечения связи на длинные дистанции. Изобретение Гаусса и Вебера не было первой попыткой электрической связи на расстоянии, и оно не получило распространения, в отличие от системы Сэмюэля Морзе, который запатентовал ее через девять лет после исследований Гаусса и Вебера. Известно, что некоторые коллеги считали их эксперименты пустым и ненаучным занятием. Однако Вебер в 1835 году пророчествовал:
«Когда земной шар будет покрыт сетью железных дорог и телеграфных проводов, эта сеть будет предоставлять услуги, сравнимые с тем, какую роль играет нервная система в человеческом теле, частично как транспортное средство, частично как средство для распространения идей и сенсаций со скоростью света».
Портреты Гаусса и Вильгельма Вебера. Они сотрудничали в течение многих лет в сфере электричества и магнетизма. Результатом их совместной работы является, например, изобретение телеграфа нового типа, известного как зеркальный гальванометр Гаусса — Вебера (внизу).
После окончательного отъезда Вебера из Гёттингена из-за знаменитого дела с письмом Гёттингенской семерки и жесткой реакции короля интенсивность научных исследований Гаусса резко снизилась. Ученый работал над астрономическими исследованиями, занимался диоптрикой, теорией потенциала и геодезией, но все это работы меньшего значения, чем раньше.
Диоптрика, изучающая форму, расположение, конструкцию и дефекты линз, а также их внутренние ограничения, безусловно, является наиболее специализированной областью эмпирических исследований Гаусса. Этот интерес был связан с астрономическими наблюдениями: в 1807 году Репсольд, известный производитель инструментов, консультировался с Гауссом о двойном ахроматическом объективе. С этого и началось их долгое сотрудничество. Гаусс, среди прочего, интересовался уменьшением хроматической аберрации системы линз. Со временем благодаря вкладу Гаусса в Германии стало возможным промышленное развитие оптики: Рейхенбах (1772— 1826), Фраунгофер (1787-1826) и Штейнгейль (1801-1870) были предшественниками Карла Цейса (1816-1888), основавшего фабрику линз. Ее научным директором стал Эрнст Карл Аббе (1840-1905), известный тем, что установил предел разрешающей способности оптического микроскопа. Гаусс даже в периоды сильной стесненности в средствах покупал для своей обсерватории оптические инструменты. С этим были связаны большинство путешествий ученого — разумеется, кроме поездок, необходимых для геодезических исследований. Наиболее важная работа Гаусса в этой области — это Dioptrische Untersuchungen («Диоптрические исследования») 1840 года, где он изучает траекторию света с помощью системы линз в так называемом параксиальном приближении, когда предполагается, что линзы бесконечно тонкие, а лучи бесконечно близки к оптической оси. В этом приближении любая система эквивалентна одной эффективной линзе. В работе речь идет о базовых этапах конструирования оптических систем, но ее результат довольно элементарен с точки зрения математики, и поэтому Гаусс даже сомневался в целесообразности публикации исследования.