Текст книги "100 великих научных достижений России"

Теория механизмов Чебышёва

Математик, механик, педагог; доктор математики и астрономии; основатель и глава Петербургской математической школы, породившей, в свою очередь, русские математические школы – в теории вероятностей, теории чисел, теории приближения функций, теории механизмов; профессор Петербургского университета, академик Петербургской АН, почетный член всех российских университетов, член 25 академий и научных обществ мира; член Ученого комитета Министерства просвещения, рецензент учебников, составитель программы и инструкций для начальных и средних школ; кавалер Командорского креста Почетного легиона, лауреат Демидовской премии Петербургской АН; действительный тайный советник, Пафнутий Львович Чебышёв (1821–1894) является автором классических работ в механике, геометрии, баллистике, теории механизмов. Бесценен вклад ученого в интегральное исчисление, теорию вероятностей, теорию чисел. Чебышёв – основоположник теории приближения функций.

Пафнутия Львовича Чебышёва виднейшие ученые мира называли «гордостью науки в России, одним из величайших геометров всех времен», «гениальным математиком и одним из величайших аналистов всех времен» (Ш. Эрмит, М.Г. Миттаг-Леффлер). Прямо говорили, что «для получения новых результатов в вопросе распределения простых чисел требуется ум настолько превосходящий ум Чебышёва, насколько ум Чебышёва превосходит ум обыкновенного человека» (Д.Д. Сильвестр). Русские ученые в один голос заявляли, что Чебышёв является «украшением нашей Академии», а все его труды «носят отпечаток гениальности».

П.Л. Чебышёв. Неизвестный художник

Что характерно, среди панегиристов были и чистые математики-аналисты, и математики-прикладники, и геометры, и техники. Практически во всех областях механики и математики Чебышёв получил фундаментальные результаты, выдвинул столько новых идей и методов и так далеко определил развитие этих ветвей науки, что они и по сей день сохранили свое значение.

Три главных направления научной деятельности Чебышёва: теория чисел, теория вероятностей и теория механизмов – равновелики – и сами по себе, и своим влиянием на развитие науки «в мировом масштабе». В каждом из них математик «изобрел новые методы для решения трудных вопросов, которые были поставлены давно и оставались нерешенными. Вместе с тем он поставил ряд новых вопросов, над разработкой которых трудился до конца своих дней» (академики А.А. Марков, И.Я. Сонин).

Выберем посему область, что поближе к нашей повседневной практике, – теорию механизмов, но не забудем указать и самые значительные труды ученого из других сфер науки. Это – докторская диссертация Пафнутия Львовича «Теория сравнений» (1849), полвека служившая учебником для высшей школы; две статьи «Об определении числа простых чисел, не превосходящих данной величины» и «О простых числах» (1850), ставшие началом его теории чисел; работа «О средних величинах» (1867), легшая в основу теории вероятностей; трактаты «О функциях, наименее уклоняющихся от нуля» (1857), «Теория наилучшего приближения функции многочленами», явившиеся основанием теории приближений.

Сорок лет Чебышёв сотрудничал с военным артиллерийским ведомством, для которого выполнил ряд блестящих работ по усовершенствованию дальнобойности и точности артиллерийской стрельбы.

В исследовании «О черчении географических карт» (1856) Чебышёв поставил базовую задачу картографии (и начал решать ее) – найти картографическую проекцию любой страны, сохраняющую подобие в ее отдельных частях, с минимальным искажением масштаба. (Для Европейской России погрешность задавалась менее 2 % при реально достижимой тогда более 5 %.) Эта задача была решена позднее учеником Чебышёва профессором Д.А. Граве.

Всех исследований, статей и сообщений Чебышёва, в которых он самыми элементарными (с точки зрения царицы наук) средствами получил великолепные научные результаты, не перечислишь, так как, по подсчетам библиографов, этот список занимает несколько журнальных страниц. Одних только названий классических математических соотношений, связанных с именем математика, не один десяток: многочлены Чебышёва, неравенства, множество, система функций, фильтр, механизм, функции Ψ и Θ, сеть, формула, полиномы и т. д.

Нельзя не упомянуть и о предложении Чебышёва Петербургской АН – избрать членом-корреспондентом С.В. Ковалевскую, а также о его учениках – А.М. Ляпунове, А.А. Маркове, В.А. Стеклове, Д.А. Граве, Г.Ф. Вороном, А.Н. Коркине, Е.И. Золотареве. Будущие академики и главы других математических школ завершили проработки и идеи учителя – по теории фигур равновесия вращающейся жидкости, по теории цепей и т. д.

Пафнутий Львович любые теоретические проблемы математики старался увязать с практической деятельностью людей. Не раз подчеркивая, что в любом деле надо по возможности добиваться как можно большей выгоды, Чебышёв свои математические открытия совершил при решении прикладных задач. Более того, теории механизмов и машин ученый отдал едва ли не треть своей жизни. Глубокие теоретические изыскания в этой области математик успешно сочетал с конструированием конкретных механизмов. Ряд теоретических работ Чебышёва: «Об одном механизме», «О зубчатых колесах», «О центробежном уравнителе», «О кройке платьев» и т. п. – были воплощены в конкретные машины и устройства. Помимо этих сугубо практических вопросов Чебышёв вывел несколько сложнейших соотношений: структурную формулу плоских механизмов – т. н. формулу Грюблера (немецкий ученый, «открывший» ее на 14 лет позднее Чебышёва), теорему о существовании трехшарнирных четырехзвенников, описывающих одну и ту же шатунную кривую, нашедшую широкое применение на практике, и т. д.

Многочисленные работы Чебышёв посвятил синтезу шарнирных механизмов, в частности параллелограмму Уатта, изучение которого натолкнуло математика на постановку задачи о наилучшем приближении функций. Решив эту задачу, Чебышёв создал механизмы, в которых криволинейное движение свел к недостижимому ранее – прямолинейному (в некотором приближении), что вывело конструирование шарниров на принципиально новый уровень, а сами шарниры сделало значительно долговечнее. Ученый построил также немало механизмов, одним своим названием говорящих об их неординарности: парадоксальный механизм, механизмы с остановками, «выпрямители движения» и т. д. Всего ученый создал 41 оригинальный механизм и 40 их модификаций. Многие из них применяются ныне в современном автоматои приборостроении.

На Международной промышленной выставке в Чикаго (1893) Чебышёв представил свои конструкторские разработки, произведшие на посетителей неизгладимое впечатление: «стопоходящую» машину, воспроизводящую шаги четвероногого животного, самоходное кресло, лодку с гребным механизмом, сортировку для зерна, центробежный регулятор, быструю счетную машину (арифмометр), выполнявшую четыре арифметических действия. Поговаривали даже, что академик изобрел «перпетуум мобиле» и ходящего деревянного «человека» (прообраз Буратино?)…

Все эти «чудеса» были созданы Чебышёвым не ради эффекта, а для очень конкретных и жизненно необходимых вещей. Так, например, сортировалка была сконструирована для сортировки зерна с целью отобрать лучшие – более тяжелые зерна; стопоходящая машина стала первым в мире шагающим автоматом с шарнирным механизмом, переводящим движение по окружности в прямолинейное движение (прототип советского лунохода); «велосипед» продемонстрировал идею ножного привода; наконец, арифмометр явился первой вычислительной машиной непрерывного действия…

Закончить очерк хочется теми же словами, которыми и начал его, – России есть кем и есть чем гордиться, пока в ней есть такие люди, как П.Л. Чебышёв, и созданная им русская школа математики.

Женское лицо математики

Математик, писательница, публицист, активный проповедник просвещения и равноправия женщин, доктор философии Геттингенского и ординарный профессор Стокгольмского университета, первая в мире женщина – профессор математики и первая женщина – член-корреспондент Петербургской АН на физико-математическом отделении, Софья Васильевна Ковалевская, урожденная Корвин-Круковская (1850–1891), прославилась своими работами по астрономии, функциональному анализу, теории потенциала, математической физике. Самой знаменитой работой математика стала «Задача о вращении твердого тела около неподвижной точки» (1888), нашедшая в дальнейшем широкое применение.

Ученый совет Парижской АН трудно чем-то удивить. Но однажды он был сражен, когда, присудив свою самую престижную награду в области математики – премию Бордена за работу «Задача о вращении твердого тела вокруг неподвижной точки» (гироскопа), вскрыл конверт и обнаружил на записке с фамилией автора имя русской женщины – Софьи Васильевны Ковалевской. Конверт украшал девиз из рыцарских времен: «Говори, что знаешь, делай, что должен, будь, чему быть!» Едва оправившись от изумления, Парижская академия тут же увеличила размер премии с 3000 до 5000 франков, сопроводив вручение панегириком: «Между венками, которые мы даем сегодня, один из прекраснейших и труднейших для достижения возлагается на чело женщины, труд которой является не только свидетельством глубокого и широкого знания, но и признаком ума великой изобретательности». Премию увеличили, так как лауреат не просто «усовершенствовал задачу о вращении в каком-нибудь существенном пункте», как того требовала академия, а дал полное ее решение.

Это случилось в 1888 г., и с тех пор Ковалевская числится в обойме самых именитых математиков человечества. Исследование, которое блестяще провела Софья Васильевна, по-другому называют задачей о вращении тяжелого несимметричного волчка – одной из сложнейших в аналитической механике. Надо отметить, что удивление «бессмертных» имело все же больше гендерный характер, нежели профессиональный. Ведь к тому времени Ковалевская была уже достаточно известна в мире математики. Так, еще в 1874 г. (в 24-летнем возрасте) за исследование «К теории дифференциальных уравнений в частных производных» (теорема Коши – Ковалевской, вошедшая во все курсы анализа) она была удостоена Геттингенским университетом степени доктора философии по математике и магистра изящных искусств.

«Наивысшую похвалу» этот труд заслужил за разрешение одной из сложнейших проблем в сфере чистой математики и за «приземление» ее для потребностей механики, физики и астрономии.

С.В. Ковалевская

Ряд других работ Ковалевской принадлежал также к труднейшим областям математики. В частности, Софья Васильевна доказала яйцевидную (а не эллиптическую – по Лапласу) форму колец Сатурна, «приведя ультраэллиптический интеграл, содержащий полином восьмой степени, к эллиптическому интегралу первого рода». Теоретический вывод Ковалевской в конце XIX в. был эмпирически подтвержден А.А. Белопольским, Д. Килером и А. Деландром. Этому красивейшему «космическому» доказательству поэты посвящали свои стихи. Ф. Леффлер, например, написал в память о Софье Васильевне проникновенные строки:

 
Прощай! Со славою твоей
Ты, навсегда расставшись с нами,
Жить будешь в памяти людей
С другими славными умами,
Покуда чудный звездный свет
С небес на землю будет литься,
И в сонме блещущих планет
Кольцо Сатурна не затмится…
 

Одной из малых планет между Марсом и Юпитером Международным астрономическим союзом присвоено имя Софьи Ковалевской как внесшей выдающийся вклад в развитие мировой цивилизации.

Ковалевская обладала разносторонними талантами и прославилась еще и как мастер высококачественной прозы (роман «Нигилистка», драма «Борьба за счастье», семейная хроника «Воспоминания детства» и др.). И хотя в этих произведениях душевных переживаний и нежности было куда больше, чем в математике, они отстояли не так уж и далеко от сугубо математических проблем, поскольку требовали такой же точности оценок, выражений и формулировок.

Но предпочтение Софья Васильевна все же отдавала математике, хотя однажды и забросила ее на целых 6 лет. Ковалевской не давали удовлетворения ее ученые труды. Душевная тоска и разбитые надежды на счастье были ее долгими спутниками. «Моя слава лишила меня обыкновенного женского счастья, – писала она. – Почему меня никто не может полюбить? Я могла бы больше дать любимому человеку, чем многие женщины, почему же любят самых незначительных и только меня никто не любит?» У Ковалевской были резоны сетовать на судьбу, так как личная жизнь хоть и была насыщена разными переживаниями, была все же несчастлива. Муж ее, профессор Владимир Онуфриевич Ковалевский, покончил с собою от душевного расстройства после того, как разорился. По иронии судьбы второй ее избранник оказался тоже профессором и тоже Ковалевским (однофамильцем), Максимом Максимовичем, соединить с которым свою жизнь Софьи была не судьба – от воспаления легких она умерла в 41 год. Весь мир переживал ее уход. За несколько лет до смерти Ковалевская напророчила себе, что 1891 г. будет для нее годом просветления, а за месяц до кончины была почти уверена в нем.

Ковалевская всегда стремилась к чему-нибудь трудному, во всем «дойти до сути», постоянно ставила себе сложные задачи в науке и в жизни и, решив их, тут же спешила заняться новыми. Жизнь ее сложилась драматично – увы, женщины не могут без драм. «Она никак не могла освоиться в Стокгольме, как и вообще нигде на белом свете, но нуждалась всегда в новых впечатлениях для своей умственной деятельности, постоянно требовала от жизни драматических событий».

Но осушим слезы и вернемся к черствой (хотя и такой пленительной) науке.

К тому времени, когда мир узнал ее работу о вращении волчка, Софья Васильевна состояла членом Московского математического общества и возглавляла кафедру математики в Стокгольмском университете, где печатала свои труды и читала блестящие лекции на немецком и шведском языках, за которые студенты устраивали ей овации и подносили букеты цветов. Она являлась также членом редколлегии шведского журнала «Acta mathematica», в котором напечатала одну из своих известнейших работ об Абелевских функциях.

Что же касается главного труда Ковалевской о волчке, этой проблемой занимались до нее знаменитые математики – Л. Эйлер, Ж.Л. Лагранж и др. Предшественники решили две из трех задач уравнений движения твердого тела около неподвижной точки. Ну а Ковалевской пришлось решить самую сложную и одновременно доказать, что тем самым «исчерпываются средства современного анализа».

Ковалевская подошла к этой задаче с позиций теории аналитических функций, которою она хорошо владела, и ей удалось разобрать до конца новый, открытый ею случай вращения твердого тела. Чтобы не усложнять рассказ, скажем лишь: помогла математику найти красивое решение (хотя и очень сложное по форме) теория гиперэллиптических функций. Ковалевская указала верное направление в решении этой задачи, после чего другие математики и механики (С.А. Чаплыгин, Н.Е. Жуковский, Т. Леви-Чивита) начали заниматься ею с различных точек зрения, а А.М. Ляпунов в 1894 г. придал ее результатам весьма общую форму. Н.Б. Делоне для пущей наглядности даже сконструировал прибор, воспроизводящий волчок (гироскоп) Ковалевской «^». Отец русской авиации Н.Е. Жуковский восхищался легкостью и простотой ее анализа. Он дал геометрическое истолкование решения этой задачи.

Ковалевская продолжила заниматься этой темой, и в 1889 г. за два сочинения, состоящие в связи с той же работой, получила премию короля Оскара II от Стокгольмской АН.

Российская АН, не пожелав отставать от Парижской, избрала Ковалевскую в 1889 г. своим членом-корреспондентом на физико-математическом отделении, хотя до этого всячески тормозила ее принятие, ссылаясь на отсутствие прецедента. Не иначе господа академики женщину в академии путали с женщиной на корабле.

Однако когда Софья Васильевна пожелала как член-корреспондент присутствовать на заседании академии, ей ответили, что пребывание женщин на таких заседаниях «не в обычаях академии». Более того, даже работы для нее в Петербурге не нашлось. Максимум, на что она могла рассчитывать, – стать учительницей арифметики. Стоит ли удивляться после этого, что Ковалевская отдала много сил борьбе за женскую эмансипацию!

Последними словами этой прекрасной женщины были: «Слишком много счастья».

Теория устойчивости Ляпунова

Математик, механик; профессор Харьковского, Казанского, Петербургского, Новороссийского университетов; академик Петербургской АН; иностранный член Академии dei Lincei в Риме, член-корреспондент Парижской АН, иностранный член математического кружка в Палермо, почетный член Харьковского математического общества, непременный член Общества любителей естествознания в Москве и других научных обществ, Александр Михайлович Ляпунов (1857–1918) знаменит своими классическими трудами в математической физике (теория потенциала, задача Дирихле), теории вероятностей (метод характеристических функций, доказательство центральной предельной теоремы), гидродинамике. Классикой механики стала монография ученого «О фигурах равновесия однородной вращающейся жидкости, мало отличающихся от эллипсоидальных», изданная в 1906–1914 гг. на французском языке. Ляпунов создал современную науку об устойчивости и равновесии движущихся механических систем, определяемых конечным числом параметров.

Говоря о трудах гениальных математиков, надо всегда иметь в виду, что их научные достижения проявляются в двух сферах: математической и практической. Так и хочется сказать: в двух небесных сферах. Впрочем, эта мысль не просто цветистость речи. Что касается главного научного достижения Ляпунова – теории устойчивости, одной из важнейших проблем математической физики и механики, – без нее и впрямь в небесной механике и космологии не решить проблемы устойчивости движения. Так, в середине XX в. именно методы Ляпунова позволили полностью разрешить проблему устойчивости движения искусственных спутников Земли, в частности устойчивости движения в центральном поле тяготения и устойчивости вращательных движений спутника вокруг его центра инерции.

С точки зрения ученых, теория устойчивости Ляпунова – перл не только математики, а науки вообще. Именно таким, утверждают они, прозрачный и ясный, при всей его сложности, непогрешимой и завершенный (ее до сих пор читают в университетах и применяют в расчетах в том виде, в каком изложил автор), должен быть истинный классический научный труд. Вот уже 120 лет эта теория является основным сочинением по теории устойчивости.

Не станем углубляться в математические формулы и сложнейшие доказательства Ляпунова, поскольку они доступны весьма узкому кругу избранных. По признанию самих математиков, проблема устойчивости движения принадлежит к категории труднейших задач естествознания. Во всяком случае, докторская диссертация Александра Михайловича «Общая задача об устойчивости движения» (1892) оказалась крепким орешком даже для таких выдающихся математиков, как профессор Н.Е. Жуковский и профессор Б.К. Млодзеевский, выступивших оппонентами.

А.М. Ляпунов

При создании теории автор исходил из трех главных предпосылок: отклонения параметров движения принимались бесконечно малыми, возмущенное движение рассматривалось при отсутствии возмущающих сил и на бесконечно большом интервале времени. Что же получил математик в итоге?

Если коротко, Ляпунов представил результаты интегрирования некоторых систем линейных и нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, привел доказательства существования асимптотических и периодических решений, а также доказал «теорему о неустойчивости движения в случае, когда силовая функция сил, действующих на систему, не есть максимум, икогда это обнаруживается ее квадратичной формой в разложении вблизи положения равновесия». К слову сказать, эту теорему, как и вообще проблему устойчивости движения, тщетно пытались доказать лучшие математики мира, от Ж. Лагранжа до А. Пуанкаре, и когда ее в 1897 г. опубликовали в «Journal des mathematiques», А.М. Ляпунов стал «первоклассным геометром» и знаменитостью в научном мире.

Помимо математики и механики, теория Ляпунова используется еще и в химии, термодинамике, синергетике и многих других науках. На ней базируется вся современная техника: тяжелое, общее, а в недавнем прошлом – и среднее машиностроение, судо-, авиа-, автомобилестроение, архитектура, строительство сооружений и т. д.

Сегодня немыслимо что-либо конструировать, не определяя зависимость режима работы изделия от величины допусков на его изготовление и от воздействия незначительных возмущающих сил при эксплуатации, поскольку именно они влияют в первую очередь на динамические характеристики современных двигателей, на верность траектории космических аппаратов, на безопасность транспорта, на точность попадания снарядов и ракет.

Устойчивость самолета, то есть его способность автоматически, без вмешательства летчика, возвращаться в исходное, начальное положение во время полета, если какая-либо внешняя причина вывела его из этого положения, является одним из главных технических требований при конструировании летательного аппарата. Задача о динамической устойчивости полета самолета решается как частный случай общей задачи механики об устойчивости движения по Ляпунову.

При строительстве зданий теория устойчивости позволяет получать множество расчетных моделей в связи с появлением новых материалов, усложнением воздействий сейсмических, циклических, динамических и других нагрузок.

Теория равновесия Ляпунова положена в основу автоматического управления всеми производственными процессами и телеуправляемыми системами.

Казалось бы, зачем к строительным и инженерным работам притягивать такую непростую науку, оперирующую абстрактными символами и дающую подчас ненужную на практике точность? Дело в том, что другие, более грубые подходы не удовлетворяют современным требованиям к объектам в вопросах устойчивости их движения, да их, по сути, и нет. Физику и технику вполне устраивает детище Ляпунова.

Свое учение математик создавал в течение 7 лет, с 1885 по 1892 г. Возглавляя кафедру механики Харьковского университета, приват-доцент тащил на себе все преподавание механики, составление образцовых курсов и руководств, практические занятия со студентами, а затем до 5 утра еженощно корпел над вопросами общей теории устойчивости.

Отказываясь на протяжении 4 лет от предложений получить докторскую степень даже за малую часть того, что сделал, довольствуясь скромным приват-доцентским содержанием в 1200 рублей в год, Александр Михайлович выпустил свой фундаментальный 261-страничный труд лишь после тщательнейшей его отделки в издательстве Харьковского математического общества.

Теория устойчивости равновесия дала несравненно более точные решения, чем существовавшие до нее. До работ Ляпунова вопросы об устойчивости решались по первому приближению: все нелинейные члены уравнений отбрасывались, хотя такой способ линеаризации уравнений движения не всегда был законным.

Диссертация и последующие работы Ляпунова в области устойчивости содержат целый ряд фундаментальных результатов в теории обыкновенных дифференциальных уравнений – как линейных, так и нелинейных.

Несколько слов о семействе Ляпуновых, бывшем некогда одним из самых знаменитых в России. Ляпуновы происходили от галицкого князя Константина Ярославича, младшего брата Александра Невского. Михаил Васильевич, отец математика, был астрономом, получившим известность своими исследованиями туманности Ориона, директором Демидовского лицея в Ярославле. Старший брат Александра Михайловича Сергей был известным русским композитором, пианистом и дирижером. Младший брат Борис – филологом, профессором Одесского университета.