Математика. Утрата определенности. - Клайн Морис (бесплатные версии книг .TXT) 📗
Предложенный Риманом подход к анализу структуры пространства отличался большой общностью, и для наших целей нет необходимости входить здесь в его детали. Исследуя априорные свойства пространства, Риман ввел некое представление, которое впоследствии стало еще более важным, а именно различие между отсутствием границ («безграничностью») и бесконечностью пространства. (Например, поверхность сферы не имеет границ, но она не бесконечна.) Безграничность, подчеркнул Риман, на эмпирическом уровне воспринимается легче, чем бесконечная протяженность.
Идея Римана о пространстве, не имеющем границ, но не бесконечно протяженном, послужила стимулом к созданию еще одной элементарной неевклидовой геометрии, известной ныне под названием удвоенной эллиптической геометрии. {52}Сначала и сам Риман и Эудженио Бельтрами (1835-1900) рассматривали новую геометрию как применимую к некоторым поверхностям, например таким, как сфера, на которой роль «прямых» играют дуги больших кругов. Но под влиянием работ Кэли и других авторов математикам пришлось примириться с мыслью, что удвоенная эллиптическая геометрия, как и геометрия Гаусса, Лобачевского и Бойаи, может описывать наше трехмерное физическое пространство, в котором роль прямой играет след, оставленный краем линейки.
В удвоенной эллиптической геометрии прямая не ограничена, хотя длина ее не бесконечна. Более того, в удвоенной эллиптической геометрии вообще нетпараллельных. Так как в новой геометрии остается в силе часть аксиом евклидовой геометрии, некоторые ее теоремы сохраняют тот же вид, что и теоремы, известные нам из «Начал» Евклида. Например, теорема о том, что два треугольника конгруэнтны, если две стороны и угол, заключенный между ними, одного треугольника равны двум сторонам и углу, заключенному между ними, другого треугольника, дословно переносится в удвоенную эллиптическую геометрию, как и другие признаки конгруэнтности треугольников. Но основная часть теорем удвоенной эллиптической геометрии отличается как от теорем евклидовой геометрии, так и от теорем геометрии Гаусса — Лобачевского — Бойаи. Так, одна из теорем этой необычной геометрии утверждает, что все прямые имеют одинаковую длину и каждые две из них пересекаются в двух точках. Другая теорема гласит, что все перпендикуляры к данной прямой пересекаются в двух точках. Сумма углов треугольника в удвоенной эллиптической геометрии всегда больше 180°, но она, убывая, стремится к 180°, когда площадь треугольника приближается к нулю. Два подобных треугольника обязательно конгруэнтны. Что же касается применимости удвоенной эллиптической геометрии к физическому миру, то все аргументы относительно применимости ранее созданной неевклидовой геометрии, впоследствии получившей название гиперболической геометрии,равным образом относятся и к ней. {53}
На первый взгляд мысль о том, что любая из этих странных геометрий могла бы соперничать с евклидовой геометрией и даже быть более ценной в приложениях к реальной Вселенной, кажется нелепой. Но Гаусс имел смелость рассмотреть и такую возможность. Независимо от того, использовал ли он результаты измерений, приведенные в его работе 1827 г., для проверки применимости неевклидовой геометрии к реальному миру, Гаусс был первым, кто не только с уверенностью заявил, что неевклидова геометрия применима к физическому пространству, но и осознал, что мы более не можем быть уверены в истинностиевклидовой геометрии. Трудно утверждать, находился ли Гаусс под непосредственным влиянием идей Юма. Во всяком случае, предпринятую Кантом попытку опровергнуть Юма Гаусс не считал достаточно серьезной. Не следует забывать, однако, что Гаусс жил во времена, когда истинность математических законов была поставлена под сомнение, и он не мог не ощущать влияния той духовной атмосферы, в которой он жил, как все мы не можем не дышать воздухом, который нас окружает. Новые взгляды, пусть незаметно для него самого, проникали в сознание Гаусса. Если бы Саккери родился на сто лет позже, возможно, и он пришел бы к тем же выводам, что и Гаусс.
Насколько можно судить, сначала Гаусс сделал заключение, что во всей математике нет ничего истинного. В письме к Бесселю от 21 ноября 1811 г. он утверждал:
Не следует забывать о том, что эти функции [комплексного переменного], подобно всем математическим конструкциям, являются всего лишь нашими творениями и что в тот момент, когда утрачивает смысл определение, с которого мы начали разработку их теории, следует спрашивать себя, не «что такое эти функции», а какое допущение удобнее принять, чтобы введенное нами понятие функции сохранило смысл.
Но отказаться от сокровищ было не так-то легко. Гаусс, по-видимому, подверг пересмотру проблему истины в математике и счел, что он нашел твердую почву, на которой можно возводить фундамент. В письме Гаусса к Генриху Вильгельму Ольберсу (1758-1840), написанному в 1817 г., говорится:
Я все более убеждаюсь в том, что [физическая] необходимость нашей [евклидовой] геометрии не может быть доказана, по крайней мере человеческим разумом и для человеческого разума. Может быть, на том свете мы сможем постичь структуру пространства, пока непостижимую. А до тех пор геометрию надлежит помещать в один класс не с арифметикой, носящей чисто априорный характер, а с механикой, истины которой требуют экспериментальной проверки.
Гаусс в отличие от Канта не считал законы механики истинами. Как и большинство ученых, Гаусс разделял взгляды Галилея, утверждавшего, что эти законы основаны на опыте. В письме Гаусса Бесселю от 9 апреля 1830 г. содержится следующее признание:
По моему глубокому убеждению теория пространства занимает в нашем знании совершенно иное место, нежели чистая математика [оперирующая с числами]. Во всем нашем знании нет ничего такого, что сколько-нибудь убедительно доказывало бы абсолютную необходимость (и следовательно, абсолютную истинность), столь характерную для чистой математики. Нам остается лишь смиренно добавить, что если число — это продукт нашего разума, то пространство — это реальность, лежащая вне нашего разума, которой мы не можем предписывать свои законы.
Гаусс считал носителем истины арифметику и, следовательно, основанные на арифметике алгебру и математический анализ (дифференциальное и интегральное исчисление и высшие разделы анализа), так как арифметические истины легко постигаются нашим разумом.
Мысль о том, что евклидова геометрия — это геометрия реального пространства, т.е. абсолютная истина о пространстве, настолько глубоко вошла в сознание людей, что любые идеи противоположного толка, в частности идеи Гаусса, на протяжении многих лет отвергались. Математик Георг Кантор говорил о законе сохранения невежества. Не так-то легко опровергнуть любое неверное заключение, коль скоро к нему пришли и оно получило достаточно широкое распространение, причем чем менее оно понятно, тем более упорно его придерживаются. На протяжении почти тридцати лет после выхода в свет работ Н.И. Лобачевского и Я. Бойаи математики, за редкими исключениями, игнорировали неевклидовы геометрии: их считали своего рода курьезом. Некоторые математики не отрицали, что неевклидовы геометрии логически непротиворечивы; другие же были убеждены, что новые геометрии не могут не содержать противоречий и потому бесполезны. {54}Почти все математики считали, что единственно верной геометрией физического пространства должна быть евклидова геометрия.
Однако математики забыли о боге — и всемогущий геометр не стал открывать им, какой из нескольких конкурирующих геометрий он руководствовался при сотворении мира. Математикам не оставалось ничего другого, как попытаться установить истинную геометрию мира своими силами. Но вот после смерти Гаусса в 1858 г., когда его репутация была необычайно высокой, становятся известными материалы, обнаруженные среди бумаг «короля математиков», а опубликованная в 1868 г. лекция Римана (1854) убеждает многих математиков в том, что и неевклидова геометрия может быть геометрией физического пространства и что любые априорные утверждения о том, какая из геометрий является истинной, лишены всяких оснований. Уже одно то, что появились несколько противоречащих друг другу геометрий, само по себе было ударом. Еще более сильный шок вызвала полная невозможность указать, какая из геометрий истинна, и даже установить, истинна ли хоть какая-нибудь одна из них. Стало ясно, что математики сформулировали казавшиеся им правильными аксиомы геометрии, руководствуясь своим весьма ограниченным опытом, и ошибочно сочли эти аксиомы самоочевидными истинами. Математики оказались в положении, о котором можно сказать словами Марка Твена: «Человек — животное религиозное. Только обретя сразу несколько религий, он приобщился к истинной религии».
