Текст книги "100 великих научных достижений России"

Теория корабля Крылова

Математик, кораблестроитель, педагог, заслуженный деятель науки и техники, академик, кавалер ордена Святого Станислава 1-й степени и трех орденов Ленина, лауреат Сталинской премии, Герой Социалистического Труда, Алексей Николаевич Крылов (1863–1945) написал более 300 работ по математике и механике, физике и астрономии, по теории магнитных и гироскопических компасов, баллистике и теории стрельбы, гидродинамике и геодезии и т. д. Главным трудом ученого, признанным во всем мире, стала его теория (мореходные качества) корабля.

Кораблестроители и математики спорят до сих пор, кто Крылов – корабел или математик. Всех поражают простота и ясность его доказательств и решений, их академическая строгость, все рады называть ученого «своим». Труды Крылова много лет обеспечивали отечественной кораблестроительной науке приоритет в мире.

Сам Алексей Николаевич никогда не считал себя «чистым» математиком и всегда ратовал за приложение этой науки к различным вопросам морского дела. Чутко ощущая запросы времени, Крылов предпочтение отдавал не теории, а практике. К примеру, написав много работ по теории артиллерийской стрельбы, ученый разработал для тренировки наводчиков и т. н. «прибор Крылова». Он изобрел машину для решения дифференциальных уравнений, как эксперт участвовал при постройке моста Петра Великого и как инженер в строительстве Володарского моста в Петербурге (Ленинграде) и т. д. При этом математик не держался за «место» или за направление исследований. Скажем, в 1916–1921 гг. он вовсе занимался не морским, даже не земным, а небесным делом – возглавлял Главную физическую обсерваторию и Главное военно-метеорологическое управление.

А.Н. Крылов

Математик свои замыслы любил и мог воплощать. Когда на этом пути встречались препятствия, Крылов преодолевал их с завидной настойчивостью. Немало пришлось бороться ученому, отстаивая свои предложения, с чиновничеством. Он никогда не был рабом субординации. И если видел в генеральском мундире воплощенную косность, боролся с нею всеми средствами, даже когда сам был в чине лейтенанта или подполковника. Рутинеру «отписаться, отмолчаться, отказать» Крылову было непросто. Принципиальность нередко обходилась правдоискателю выговорами в приказах по флоту с формулировкой – «за употребление в служебном докладе выражений и тона, противных дисциплине и правилам воинского чинопочитания», но это не останавливало его.

В начале XX в. Крылов тесно сотрудничал с адмиралом С.О. Макаровым по вопросам плавучести корабля. Идеи Макарова по борьбе с креном или дифферентом поврежденного корабля затоплением неповрежденных отсеков пришлось отстаивать Крылову. Много лет он доказывал, что «спасать корабль, когда он получает пробоины, надо не откачкой воды, а, наоборот, надо спрямлять корабль, затопляя другие отделения, кроме поврежденных, чтобы корабль не опрокидывался». Понадобились гибель броненосца «Петропавловск», трагедия Цусимы, прежде чем теория Крылова о непотопляемости стала применяться в практике кораблестроения.

Крылова во всем мире называют создателем современной теории корабля. 150 лет назад, когда Алеша ходил еще под стол пешком, проблему качки корабля и его непотопляемости тщетно пытались одолеть многие выдающиеся математики. Законодатель корабельных мод, – Англия вообще решила, что эта проблема не разрешима.

Однако уже к 1890-м гг. выдающимся флотоводцем С.О. Макаровым были заложены основы учения о непотопляемости и живучести корабля, и молодой ученый Крылов их блестяще развил. Начал математик с того, что создал теорию качки корабля на волнении и с нею вышел на просторы мировой науки. Этим капитальным трудом Крылов занимался еще 45 лет, опубликовав в 1938 г. свою знаменитую «Качку корабля». Работа по обеспечению плавучести и остойчивости корабля и ныне востребована, поскольку представленные в ней таблицы непотопляемости стали морской таблицей умножения для флотоводцев и корабелов всего мира. Помимо указанной, математик написал еще много работ, посвященных этому вопросу: «Теория корабля» (1907, доп. 1933), «О расчете балок, лежащих на упругом основании» (1930), «Вибрация судов» (1936) и др.

А тогда, в 1890-х, никому неведомый капитан Крылов изложил свою теорию в Британском обществе кораблестроительных инженеров и поверг снобов с Альбиона в шок. Они вынуждены были впервые присудить золотую медаль общества ученому-иностранцу, да еще русскому!

Математик не был известен в Англии, но в научных кругах России его в ту пору уже хорошо знали как автора десятков работ по теории магнетизма (девиации магнитного компаса) и теории гироскопических компасов. За эти классические труды академик спустя полвека получил Сталинскую премию I степени. Принципы, разработанные Крыловым, применяются сейчас в авиационных и корабельных навигационных приборах.

В конце 1880-х гг. Крылов работал на франко-русском судостроительном заводе в Петербурге, а затем учился в Морской академии, где написал свою первую серьезную работу по усовершенствованию орудийной башни строящегося броненосца «Император Николай I». Тогда же он заинтересовался и расчетами килевой качки корабля. А через какое-то время Гидрографический департамент поручил ему «изучить вопрос о килевой качке корабля и установить, какой нужно учесть запас глубины под килем, чтобы обеспечить безопасность прохода в любую погоду» яхте «Полярная звезда» с Николаем II на борту.

Крылов блестяще справился со сложнейшей задачей, после чего и был послан в Лондон – чтоб знали наших! Тогда же он написал «Теорию качки корабля», ставшую бестселлером мореходов. Со временем теория была дополнена новыми исследованиями. Например, при изучении влияния качаний корабля на меткость стрельбы Крылов создал теорию усмирения бортовой и килевой качки и первым предложил гироскопическое демпфирование, ставшее самым распространенным способом усмирения бортовой качки. Основы своего учения Алексей Николаевич излагал в лекциях слушателям Морской академии начиная с 1892 г. В своих лекциях он впервые систематизировал практические методы производства приближенных вычислений, встречающихся в технических вопросах кораблестроения и судовождения.

Кораблестроению и математике ученый отдал 60 лет жизни. При этом он всячески содействовал утверждению и воплощению замыслов своих коллег. В начале XX в., когда Алексей Николаевич занимал генеральский пост главного инспектора кораблестроения и председателя Морского технического комитета, под его руководством был осуществлен проект корабельного инженера, профессора Морской академии И.Г. Бубнова по строительству линейного корабля типа «Севастополь». Этот линкор, эскадренные миноносцы типа «Новик», разработанные Крыловым, а также теплоходы долгое время оставались лучшими кораблями своего класса в мире.

Неоценим вклад ученого в строительстве советского Военно-Морского Флота. (Академику после Октябрьской революции 1917 г. предлагали переехать в Америку, но он отказался.) В 1920–1927 гг. правительство поручило Крылову строить и закупать за границей пароходы. Ученый справился и с этой задачей.

С 1928 г. Крылов возглавлял Физико-математический институт АН СССР в Ленинграде, принимал участие в создании новых кораблей, гироскопических приборов, в строительстве мостов, доков. Даже в весьма почтенном возрасте Алексей Николаевич не прекращал своих теоретических изысканий и консультаций по вопросам кораблестроения и работы судостроительных предприятий. Многие, казалось бы, неразрешимые проблемы разрешались легко и просто, когда за них брался прославленный академик.

50 лет Крылов преподавал в стенах Военно-морской академии, а также в Петербургском (Ленинградском) политехническом институте и других вузах. В 1919–1921 гг. ученый читал лекции на курсах комиссаров флота, заразив всех, часто малограмотных, слушателей любовью к математике и науке вообще.

Научные достижения математика и корабела достойно умножают его переводческие труды. В 1915–1916 гг. ученый издал «Математические начала натуральной философии» И. Ньютона, переводу которых с латинского языка он посвятил два года упорного труда. Переводчик снабдил текст еще 207 примечаниями и пояснениями для слушателей Морской академии.

СО АН – очередной «взрыв» Лаврентьева

Математик, механик, педагог, общественный деятель, воспитатель молодежи, депутат Верховного Совета СССР пяти созывов; профессор, академик, вице-президент АН СССР, член ряда иностранных академий и научных обществ, вице-президент Международного математического союза; лауреат Ленинской, дважды Сталинской премии, кавалер пяти орденов Ленина и других высших отечественных и зарубежных наград, Герой Социалистического Труда, Михаил Алексеевич Лаврентьев (1900–1980) знаменит своими работами по теории множеств, теории функций, дифференциальным уравнениям, вариационному исчислению, математическим методам в механике. Грандиозным вкладом в развитие советской науки стала организация Лаврентьевым Сибирского отделения АН СССР (СО АН) и Новосибирского Аакадемгородка. Несмотря на множество других научных достижений, именно создание СО АН стало главным делом жизни ученого, так как вобрало в себя и его исследования, а также теории, открытия и изобретения сотен других советских ученых.

Создание крупных научных центров, позволивших в течение десятилетий тысячам блистательных ученых из разных областей науки беспрепятственно, в оптимально благоприятных условиях мыслить, творить и созидать на благо человечества и собственного народа – подобное достижение ученого-организатора науки, быть может, ценнее любых личных выдающихся заслуг. Таковых бескорыстных созидателей мировая история знает единицы. Далеко не последнее место в их ряду занимает организатор и первый председатель знаменитого СО АН М.А. Лаврентьев.

М.А. Лаврентьев

Творчество ученого всегда отличала органическая связь его математических теорий с нуждами практики. Совместно с М.В. Келдышем он, например, написал работу «О движении крыла под поверхностью тяжелой жидкости», позволившую создавать суда на подводных крыльях. Другие его труды послужили развитию самолетостроения, расчету плотин и строительству сложных гидротехнических сооружений на Волге, Днепре и других реках страны.

Обнаружив явление сваривания металлов при взрывах, Лаврентьев вместе с учениками и институтом Е.О. Патона провел эксперименты по сварке взрывом. Этот метод положен сегодня в основу многих современных технологий. Скажем, не будь этого метода, не было бы и современных электричек, на которых мы ездим каждый день. Именно сварка взрывом помогла решить проблему соединения токоведущих элементов.

В годы Великой Отечественной войны математик построил классическую теорию кумуляции при взрыве, положенную в основу создания эффективных противотанковых стальных кумулятивных снарядов, полуторакилограммовых бомб-«малюток» и мин. «Малютки», прожигавшие броню немецких танков насквозь, склонили чашу весов в нашу пользу во время битвы на Орловско-Курской дуге. Теория кумуляции стала одним из величайших достижений военной науки, которое свело танковое оружие – главное и самое страшное оружие Второй мировой войны – в разряд второстепенных. После него изменилась даже тактика и стратегия ведения войны.

В мирное время подобные кумулятивные снаряды, только удлиненные, оказались весьма эффективными при ремонте магистральных нефтепроводов.

Ученый всю жизнь занимался «теорией взрыва», находя ей все новые и новые практические применения. Многие «взрывные» труды Лаврентьева стали основой мирной деятельности человека – направленный взрыв, та же сварка взрывом, гидроимпульсная техника. Благодаря Лаврентьеву взрыв вообще широко вошел в народное хозяйство – при автоматическом отключении тока, рыхлении мерзлого грунта, штамповке деталей и т. д. Направленный взрыв, предложенный ученым, многократно применялся для переброса грунта при строительстве ГЭС, противоселевых плотин и других искусственных заграждений.

Своими работами по приближенным и численным методам и математическому программированию ученый заложил основы машинной математики. Первые образцы отечественных малых ЭВМ (МЭСМ) были созданы также им – еще при решении атомной проблемы. «Лаврентьев… пришел к выводу, что необходимые кадры в данной области не живут в Москве. Их надо было поселить в столице, против чего резко возражала московская городская администрация. Тогда Лаврентьев обратился лично к Сталину. Сталин приказал увольнять с работы тех, кто отказывал Лаврентьеву» (М.А. Елфимов, А.И. Арустамян).

Сам же Лаврентьев любил решать «бросовые» проблемы – которые другие ведущие ученые отчаялись решить или вообще не брались за них. Так, например, и по сию пору математики изумляются тому, как изящно справился математик с целым рядом вопросов мирового класса. В качестве примера его коллеги любили приводить работу Лаврентьева «К теории длинных волн», а также его исследования динамической потери устойчивости стержня.

К середине 1950-х гг. Лаврентьев зарекомендовал себя выдающимся ученым и блестящим организатором науки. Он был создателем и руководителем отдела теории функций Математического института им. Стеклова, главой советской школы теории функций, основоположником и директором Института точной механики и вычислительной техники им. С.А. Лебедева АН СССР, одним из основателей Московского физико-технического института.

Начавшееся в это время интенсивное освоение Сибири, разведка ее недр, развитие промышленности и сельского хозяйства потребовали научного осмысления множества возникших проблем. Поэтому когда М.А. Лаврентьев вместе с академиками С.Л. Соболевым и С.А. Христиановичем выдвинул идею создания нового научного центра под Новосибирском, она тут же нашла отклик в научной среде и была поддержана правительством. Прообразом такого образования послужили научный центр Геттингенского университета (Германия) и Кавендишская лаборатория (Великобритания).

18 мая 1957 г. Совмин принял постановление об организации СО АН СССР, Лаврентьев стал председателем отделения, вице-президентом АН СССР, директором созданного им Института гидродинамики.

В основание СО АН были положены три принципа – «треугольник Лаврентьева»: комплексное решение больших проблем современной науки, тесная оперативная связь с народным хозяйством и подготовка научных кадров.

Сибирское отделение стало первым в стране крупным комплексным центром, объединившим организационно и территориально разнопрофильные институты.

Помимо самого отделения, состоявшего из 17 академических институтов, был выстроен Академгородок для 50 000 жителей, в котором по тем временам были созданы самые благоприятные условия для жизни и работы. Помимо институтов были образованы Новосибирский государственный университет, Физико-математическая школа, стали проводиться всесибирские физико-математические олимпиады школьников.

Создание Академгородка позволило с блеском решить актуальнейшую проблему науки – омолаживание кадров. На стыке разных специальностей, разных научных школ было совершено множество открытий и решено много научных проблем. При этом благодаря заботам Лаврентьева математика буквально прошивала все научное поле отделения, неизбежно повышая общий уровень решенных задач.

Исключительно плодотворной была также идея комплексного подхода ученых разных институтов к решению определенной научной проблемы – это касалось и создания ускорителей, и сверхзвукового пассажирского самолета, и дезинфекции от паразитов семенного фонда пшеницы…

Академгородок стал в мире образцом удачного решения организации науки. По его примеру были построены научные центры в ряде стран: в Японии (центр Цукуба близ Токио), во Франции (Научно-исследовательский сектор Гренобльского университета) и др.

Созданные Лаврентьевым школы в математике и механике до сих пор успешно развивают его идеи. «Из рук» академика под его любимую поговорку – «Нет ученых без учеников» – вышла целая плеяда всемирно известных ученых – М.В. Келдыш, Л.И. Седов, А.И. Ишлинский, А.И. Маркушевич, А.В. Бицадзе и др.

Ныне СО РАН состоит из Новосибирского и еще 8 научных центров (НЦ). Помимо уникальной Государственной публичной научно-технической библиотеки и Центрального Сибирского ботанического сада, СО РАН насчитывает 102 института. Половина из них сосредоточена в Новосибирском НЦ.

Гордостью отечественной науки стали сибирские научные школы академиков С.Л. Соболева, А.И. Мальцева, Л.В. Канторовича, А.Д. Александрова, А.Г. Аганбегяна, И.Н. Векуа, Л.В. Овсянникова, А.А. Ляпунова, П.Я. Кочиной, Г.И. Марчука, Б.В. Войцеховского, Р.И. Солоухина, А.А. Дерибаса и десятков других выдающихся ученых.

Теория вероятностей Колмогорова

Математик, философ, педагог; основатель огромной научной школы; реформатор школьного математического образования; профессор МГУ; академик, академик-секретарь отделения физико-математических наук АН СССР, почетный член нескольких десятков европейских академий и научных сообществ; заведующий кафедрами математики, теории вероятностей, математической логики, математической статистики в МГУ и других вузах, ректор Института математики и механики при МГУ; основатель и руководитель лаборатории атмосферной турбулентности Института теоретической геофизики АН СССР, межфакультетской лаборатории вероятностных и статистических методов; президент Московского математического общества; главный редактор журналов «Успехи математических наук», «Теория вероятностей и ее применения», редакции математики и механики в Издательстве иностранной литературы и т. д.; лауреат Ленинской и Сталинской премий, лауреат Международных премий – Бальцано (аналога Нобелевской по математике), Лобачевского, Вольфа, Премии им. Чебышёва АН СССР; кавалер 7 орденов Ленина, ордена Трудового Красного Знамени, других отечественных и зарубежных орденов и медалей, почетный член нескольких десятков европейских академий и научных сообществ; Герой Социалистического Труда, Андрей Николаевич Колмогоров (1903–1987) является автором фундаментальных трудов по теории функций, математической логике, топологии, дифференциальным уравнениям, функциональному анализу, теории вероятностей и теории информации.

Из двух десятков областей математики, где успешно работал Колмогоров, возьмем одну – теорию вероятностей. Ученый считал ее своей главной специальностью, хотя иногда и называл «теорией неприятностей». Эта «наука о случае» взрастила в нем великого математика и сама приобрела благодаря его научным трудам завершенный вид и стала по математическим понятиям истинной красавицей.

А.Н. Колмогоров

Возникнув в Средневековье как попытка анализа азартных игр, теория вероятностей в XVII в. обрела в трудах Б. Паскаля, П. Ферма, Х. Гюйгенса тот вид, с которым в дальнейшем имели дело уже не предсказатели, а математики. За 100 лет теория вероятностей превратилась в чисто академическую дисциплину, на практике интересовавшуюся разве что теми же азартными играми. Игра в кости, в свою очередь, стимулировала ее развитие. В XIX–XX вв. теория вероятностей, проникнув в астрономию, физику и биологию, начала использоваться в сельском хозяйстве, промышленности, медицине, а с изобретением телевидения и компьютеров стала неотъемлемой частью жизни как основа средств получения и передачи информации. В астрономии нашел применение один из методов этой теории – метод наименьших квадратов, в физике – статистическая механика, в сельском хозяйстве – теория планирования экспериментов и дисперсионный анализ; в промышленности – методы статистического контроля (контрольные карты Шухарта); в социальных науках – теория игр и т. д.

В 1933 г. Колмогоров опубликовал на немецком языке одну из главных своих работ – «Основные понятия теории вероятностей» (на русском – в 1936 г.). По мнению профессора В.М. Тихомирова, это, «наверное, самое известное произведение Андрея Николаевича, оказавшее столь же огромное влияние на все дальнейшее развитие этой науки, как труды Я. Бернулли и Лапласа».

К тому времени ученого знал весь математический мир. Ведь в него Андрей вступил очень рано даже по меркам математики. Любимцем математики он оставался всю свою жизнь. Да и не только одной царицы наук – скажем, за классические работы по турбулентности математик выдвигался на Нобелевскую премию по физике. Среди ученых ходит афоризм И.М. Гельфанда: «Математика – это марафон». Колмогоров, по мнению коллег, был не только «марафонцем», но и «спринтером», в считаные дни с потрясающей скоростью даже в 80 лет решавший проблемы, с которыми другие ученые бились годами.

Первую работу, снискавшую мировую известность, о «ряде Фурье, расходящемся почти всюду», Колмогоров создал в 19 лет, а к 22 годам был уже автором полутора десятков печатных трудов по теории функции действительного переменного.

Еще на четвертом курсе МГУ математик занялся теорией вероятностей – разделом математики, изучающим закономерности случайных явлений: случайные события, случайные величины, их свойства и операции над ними. Начал Андрей с закона больших чисел, представляющего собою «общий принцип, в силу которого совокупное действие большого числа случайных факторов приводит, при некоторых весьма общих условиях, к результату, почти не зависящему от случая». Над законом в свое время бились лучшие математики мира – Г. Больцман, Р. Мизес, А. Ломницкий и др. Все их попытки получить наиболее общие условия применимости этого закона к последовательности случайных величин оказались тщетными. Пальму первенства они и их последователи отдали аспиранту МГУ Колмогорову, который очень удачно использовал хорошо развитые (в том числе и им самим) методы теории функций действительного переменного. Это случилось в 1926 г. В 1930 г. увидело свет еще одно центральное исследование математика – «Об аналитических методах теории вероятностей».

В книге «Основные понятия теории вероятностей» Андрей Николаевич сформулировал в законченном виде аксиоматику (схему логического обоснования) теории: концепцию вероятности, всевозможные ее интерпретации, сферы применимости и т. д. Прекрасное знание многих областей математики – теории множеств, теории интеграла, теории функций и др. – позволило ученому сформулировать простую систему аксиом, давшую этой науке строгий вид нового раздела математики. Аксиоматику Колмогорова, применимую в самых разнообразных областях естественных, технических и гуманитарных наук, называют еще «моделью Колмогорова».

«Значение монографии А.Н. Колмогорова определяется не только предложенной в ней схемой (ставшей универсально принятой) логического обоснования математической теории вероятностей. Ее роль также и в том, что содержащиеся в ней новые концепции, понятия и результаты (такие как условное математическое ожидание, теорема о существовании случайного процесса с заданной системой конечномерных распределений, закон нуля или единицы и др.) открыли новую эру и в развитии самой теории вероятностей, и в расширении сферы ее влияния и областей применения» (Ю.В. Прохоров, А.Н. Ширяев).

В дальнейшем автор, используя свое открытие, заложил основы теории марковских случайных процессов с непрерывным временем, развил теорию стационарных случайных процессов.

Со студенческих лет Колмогоров старался направить свои научные разработки в практическое русло, чем оказал сильнейшее влияние на ряд прикладных разделов математики: историю этой науки и методы ее преподавания, а также на кибернетику, информатику, небесную механику, гидромеханику, метеорологию, кристаллографию, биологию, теорию стрельбы, теорию лингвистики и даже теорию стиха.

В годы Великой Отечественной войны, например, по заданию Главного артиллерийского управления армии ученый на базе своих исследований по теории вероятностей вычислял траектории рассеивания снарядов при стрельбе. После войны разработал статистические методы контроля массовой продукции, тут же востребованные всеми отраслями народного хозяйства СССР. Но тогда же он творил и «чистую» науку, разрешая фундаментальные проблемы математики – по малым знаменателям в задачах классической механики, внедрению понятия энтропии в различные области математики, представлению функций в виде суперпозиций. Отдал он дань и теории вероятностей – ее экстремальным задачам, равномерным предельным теоремам с точки зрения распределений в функциональных пространствах и др. Особым вкладом Колмогорова в развитие советской математики стало создание им научной школы в области теории вероятностей и теории функций. Академик воспитал не один десяток замечательных математиков – А.И. Мальцева, М.Д. Миллионщикова, С.М. Никольского, Ю.В. Прохорова, А.М. Обухова, А.М. Яглома, В.М. Тихомирова, И.М. Гельфанда и др.

Андрей Николаевич прославился не только созданием своей математической школы, но и грандиозной реформой школьного математического образования в 1960-е гг. Проведенная по инициативе и под руководством Колмогорова, реформа сделала советское математическое образование населения лучшим в мире. Нынешние старшее и среднее поколения россиян обучались по учебникам, созданным под руководством и рецензированием Колмогорова (сам он написал учебник геометрии для 6—8-х классов, алгебры и начал анализа для 9—10-х классов), – лучшим учебным пособиям по математике в мировой практике и по сей день. В 1990-х гг. прекрасно зарекомендовавшая себя система школьного математического образования «по Колмогорову» стала «дереформироваться», а нынешние реформы «по Фурсенко», похоже, и вовсе сведут ее на нет. И хотя колмогоровские учебники в школе еще действуют, их одних для решения задачи инновационного развития России будет явно недостаточно.

Ученый мир уже давно поставил имя Колмогорова «рядом с именами Пуанкаре, Гильберта, Ломоносова, Менделеева». Выдающийся математик XX в. Н. Винер, отец кибернетики, признался как-то: «Вот уже в течение тридцати лет, когда я читаю труды академика Колмогорова, я чувствую, что это и мои мысли. Это всякий раз то, что я и сам хотел сказать».