До Ковалевской было известно два интегрируемых волчка. Один из них – волчок Эйлера, твердое тело, не подверженное действию внешних закручивающих сил (моментов кручения). Второй – волчок Лагранжа, вращающийся вокруг своей оси на плоской горизонтальной поверхности с вертикально действующей силой тяжести. Лагранж открыл, что эта система интегрируема, если волчок обладает симметрией вращения. Ключевой аспект в обоих случаях – моменты инерции волчка; это говорит о том, какой момент кручения (закручивающая сила) необходим для того, чтобы увеличить угловую скорость вращения волчка вокруг заданной оси на заданную величину. У любого твердого тела имеется три особых момента инерции, которые считают определяющими. Во времена Софьи Ковалевской каждый математик, разбирающийся в механике, знал о волчках Эйлера и Лагранжа. Он знал также – или думал, что знает, – что эти волчки – единственные интегрируемые случаи, больше таких нет. Так что открытие третьего типа волчка, сделанное Ковалевской, стало для всех шоком. Более того, этот случай не полагался на симметрию – а математики уже поняли и начинали привыкать к тому, что симметрия помогает решать уравнения. Вместо этого в новом решении использовались загадочные свойства волчка, у которого один определяющий момент инерции вдвое меньше двух других. Мы теперь точно знаем, что больше интегрируемых случаев не существует.
Системы, которые не являются интегрируемыми, могут быть исследованы другими способами, к примеру при помощи численных приближений. Часто при этом системы демонстрируют детерминистический хаос: нерегулярное поведение, возникающее в результате действия неслучайных законов. Но даже сегодня физики, инженеры и математики испытывают большой интерес к интегрируемым системам: они легче для понимания и представляют собой редкие островки регулярности в океане хаоса. Исключительная природа таких случаев делает их особыми – и потому достойными подробного изучения. Волчок Ковалевской стал классикой математической физики.
18. Идеи возникали во множестве
Анри Пуанкаре
Жюль Анри Пуанкаре
Родился: Нанси, Лотарингия, Франция, 29 апреля 1854 г. Умер: Париж, Франция, 17 июля 1912 г.
Архимеда идеи осеняли в ванне. Анри Пуанкаре они осеняли при входе в омнибус.
Пуанкаре был одним из самых изобретательных и оригинальных математиков своего времени. Кроме того, он написал несколько бестселлеров – научно-популярных книг на основе лекций, прочитанных в Парижском психологическом обществе. Пуанкаре интересовался процессом мышления у математиков и придавал особое значение подсознанию. В книге «Наука и метод» (Science and Method) он приводит пример из собственного опыта:
В течение двух недель я старался доказать, что невозможна никакая функция, которая была бы подобна тем, которым я впоследствии дал название фуксовых функций; в то время я был еще весьма далек от того, что мне было нужно. Каждый день я усаживался за свой рабочий стол, проводил за ним один-два часа, перебирал большое число комбинаций и не приходил ни к какому результату. Но однажды вечером я выпил, вопреки своему обыкновению, чашку черного кофе; я не мог заснуть; идеи возникали во множестве; мне казалось, что я чувствую, как они сталкиваются между собой, пока, наконец, две из них, как бы сцепившись друг с другом, не образовали устойчивое соединение. Наутро я установил существование класса функций Фукса, а именно тех, которые получаются из гипергеометрического ряда; мне оставалось лишь сформулировать результаты, что отняло у меня всего несколько часов
[25].
Затем он описывает в некоторых подробностях собственный опыт, указывая с самого начала, что слушателям (или читателям) не обязательно понимать, что означают технические термины в его рассказе. Можно просто считать их заместителями неких продвинутых математических понятий.
Я захотел затем представить эти функции в виде частного двух рядов; это была вполне сознательная и обдуманная мысль; мною руководила аналогия с эллиптическими функциями. Я задал себе вопрос: «Каковы должны быть свойства этих рядов, если они существуют?» – и я пришел без труда к образованию рядов, названных мною тета-фуксовыми функциями. В эту пору я покинул Кан, где я тогда жил, чтобы принять участие в геологической экскурсии, организованной Горным институтом. Среди дорожных перипетий я забыл о своей математической работе. По прибытии в Кутанс мы взяли омнибус, чтобы поехать в какое-то место. И вот в тот момент, когда я заносил ногу на ступеньку омнибуса, мне пришла в голову идея – хотя мои предыдущие мысли, кажется, не имели с нею ничего общего, – что те преобразования, которыми я воспользовался для определения фуксовых функций, тождественны преобразованиям неевклидовой геометрии. Я не проверил тогда этой идеи; для этого у меня не было времени, так как, едва усевшись в омнибус, я возобновил начатый разговор, тем не менее я сразу почувствовал полную уверенность. Возвратясь в Кан, я для очистки совести сделал проверку; идея оказалась верной
[26].
Рассказ продолжают еще два случая внезапного озарения.
Размышляя задним числом над этим и другими открытиями, Пуанкаре выделяет три фазы математического открытия: подготовка, инкубационный период и просветление. То есть: проведи сознательную работу, чтобы погрузиться в задачу, дойти до предела и остановись; подожди, пока подсознание все это переработает; а потом у тебя в голове вспыхнет маленькая лампочка и наступит момент озарения.
Анализ Пуанкаре, содержащийся в его лекциях, статьях и книгах, до сих пор остается одним из лучших источников информации о работе великого математического ума.
* * *
Анри Пуанкаре родился в Нанси (Франция). Его отец Леон был профессором медицины в Университете Нанси, мать звали Эжени (урожденная Лануа). Его двоюродный брат Раймон Пуанкаре стал премьер-министром, а во время Первой мировой войны был президентом Французской Республики. В раннем возрасте Анри переболел дифтерией, и, пока не поправился, его дома обучала мать. Затем он отправился в лицей, где провел 11 лет. Анри был первым по всем без исключения предметам, а в математике – просто неподражаем. Учитель называл его «монстром математики», и национальные конкурсы Анри тоже выигрывал. У мальчика была великолепная память; он мог представить себе любую сложную трехмерную фигуру, что компенсировало ему в какой-то степени зрение – настолько слабое, что во время урока он едва видел классную доску, не говоря уже о том, что было на ней написано.
В 1870 г., когда Франко-прусская война была в самом разгаре, юный Пуанкаре служил вместе с отцом в медицинской части. В 1871 г. закончилась война, в 1873 г. Анри поступил в Париже в Политехническую школу, которую окончил в 1875 г. Затем он был принят в Горную школу (École des Mines), где изучал горное дело и вновь математику. В 1879 г. он получил диплом горного инженера. Тот год был богат событиями. Пуанкаре стал горным инспектором Горного корпуса по области Везуль; он, в частности, проводил официальное расследование несчастного случая в Маньи, когда погибло 18 шахтеров. Кроме того, Пуанкаре продолжал под руководством Эрмита работать над докторской диссертацией; он занимался уравнениями в конечных разностях – аналогом дифференциальных уравнений, в которых время изменяется не непрерывно, а дискретными шагами. Он распознал потенциал уравнений, описывающих движение многих тел под действием гравитации, к примеру Солнечной системы, и предвидел будущее развитие в этой области; важность этих исследований многократно возросла, когда компьютеры стали достаточно мощными, чтобы взять на себя громадное число необходимых расчетов.
