Глава xxiv. ранняя греческая математика и астрономия
В этой главе я касаюсь математики не самой по себе, а в ее связи с греческой философией – связи, которая была очень тесной, особенно у Платона. В математике и астрономии превосходство греков проявилось более определенно, чем где‑либо еще. То, что они сделали в искусстве, литературе и философии, может быть оценено в зависимости от вкуса выше или ниже, но то, чего они достигли в геометрии, абсолютно бесспорно. Кое‑что они унаследовали от Египта, кое‑что, гораздо меньше, – от Вавилонии; что касается математики, то они получили из этих источников главным образом простые приемы, а в астрономии – записи наблюдений за очень долгий период. Искусство математического доказательства почти целиком греческого происхождения.
Сохранилось много интересных рассказов (вероятно, вымышленных) о том, какими практическими проблемами стимулировались математические исследования. Самый ранний и простой рассказ связан с Фалесом, которого, когда он был в Египте, царь попросил вычислить высоту пирамиды. Фалес выждал такое время дня, когда его тень по величине сравнялась с его ростом, затем он измерил тень пирамиды, которая, конечно, также была равна ее высоте. Говорят, что законы перспективы впервые были изучены геометром Агафархом, для того чтобы написать декорации к пьесам Эсхила. Задача определить расстояние до корабля, находящегося в море, которую, как говорят, изучал Фалес, была правильно решена уже в очень отдаленные времена. Одной из важных задач, которая занимала греческих геометров, было удвоение кубического объема. Она возникла, как говорят, у жрецов одного храма, которым оракул возвестил, что бог хочет иметь свою статую вдвое большего размера, чем та, которая у них была. Сначала они решили попросту удвоить все размеры статуи, но затем поняли, что новая статуя получится в восемь раз больше подлинника, а это повлечет за собой большие расходы, чем того требовал бог. Тогда они послали делегацию к Платону с просьбой, не может ли кто‑нибудь из Академии решить их проблему. Геометры занялись ею и проработали над ней целые столетия, дав попутно множество прекрасных произведений. Задача эта, конечно, сводится к извлечению кубического корня из 2.
Квадратный корень из 2 – первое из открытых иррациональных чисел – был известен ранним пифагорейцам, и были изобретены остроумные методы приближения к его значению. Наилучшими были следующие: образуйте два столбца чисел, которые мы будем называть а и b; каждый столбец начинается с единицы. Каждое последующее а на каждой стадии образуется путем сложения уже полученных последних а и b. Последующее b образуется путем прибавления удвоенного предыдущего а к предыдущему b. Так получаются первые 6 пар (1, 1), (2, 3), (5, 7), (12, 17), (29, 41), (70, 99). Для каждой пары выражение 2 а^2 b^2 будет 1 или ‑1. Таким образом, b/a является почти квадратным корнем из 2 и с каждым новым шагом приближается к 2 под корнем. К примеру, читатель может удовлетвориться тем, что (99/70)^2 почти равняется 2.
Пифагора, личность которого всегда оставалась довольно туманной, Прокл назвал первым, кто сделал геометрию частью общего образования. Многие авторитеты, включая Томаса Хиса[170], полагают, что Пифагор, быть может, действительно открыл теорему, носящую его имя; согласно ей, в прямоугольном треугольнике квадрат стороны, лежащей против прямого угла, равен сумме квадратов двух других сторон. Во всяком случае, эта теорема была известна пифагорейцам очень давно. Они знали также, что сумма углов треугольника составляет два прямых угла.
Иррациональные числа, кроме корня квадратного из 2, изучались в отдельных случаях Феодором, современником Сократа, и в более общем виде Теэтетом, который жил примерно во времена Платона или, может быть, несколько раньше. Демокрит написал трактат об иррациональных числах, но о содержании этого трактата известно очень немногое. Платон глубоко интересовался этой проблемой; он упоминает о трудах Феодора и Теэтета в диалоге, названном в честь последнего. В «Законах» (819–820) он говорит, что общее невежество в этой области постыдно, и намекает, что сам узнал об этом в довольно позднем возрасте. Открытие иррациональных чисел, безусловно, имело большое значение для пифагорейской философии.
Одним из самых важных следствий открытия иррациональных чисел было создание Евдоксом геометрической теории пропорции (408–355 годы до н.э.). До него существовала лишь арифметическая теория пропорции. Согласно этой теории, отношение а к b равно отношению с к d, если а, взятое d раз, равно b, взятому с раз. Это определение, за отсутствием арифметической теории иррациональных чисел, может применяться только к рациональным. Однако Евдокс дал новое определение, которое не подчиняется этому ограничению, – в форме, приближающейся к методам современного математического анализа. Эта теория развита далее Евклидом и отличается большим логическим изяществом.
Евдокс также изобрел или усовершенствовал «метод исчерпывания», который затем с большим успехом был использован Архимедом. Этот метод является предвосхищением интегрального исчисления. Взять, например, вопрос о площади круга. Вы можете вписать в круг правильный шестиугольник или правильный двенадцатиугольник, или правильный многоугольник с тысячью или миллионом сторон. Площадь такого многоугольника, сколько бы у него ни было сторон, пропорциональна квадрату диаметра круга. Чем больше сторон имеет многоугольник, тем больше он приближается к кругу. Можно доказать, что если многоугольник обладает достаточно большим количеством сторон, то разность между его площадью и площадью круга будет меньше любой наперед заданной величины, как бы мала она ни была. Для этой цели используется аксиома Архимеда. Она гласит (если ее несколько упростить), что если большую из двух величин разделить пополам, а затем половину снова разделить пополам и так далее, то после конечного числа шагов будет достигнута величина, которая окажется меньше, чем меньшая из двух первоначальных величин. Другими словами, если а больше, чем b, то имеется такое целое число n, что 2n ·b будет больше, чем а.
Метод исчерпывания ведет иногда к точному результату, например, при решении задачи о квадратуре параболы, которая была решена Архимедом; иногда же, как при попытке вычислить квадратуру круга, он может вести лишь к последовательным приближениям. Проблема квадратуры круга – это проблема определения отношения длины окружности к диаметру круга, называемого «π». Архимед в своих вычислениях использовал приближение 22/7; путем вписывания и описывания правильного многоугольника с 96 сторонами он доказал, что «π» меньше, чем 3 1/7, и больше, чем 3 10/71. Этим методом можно добиться любой требуемой степени приближения, и это все, что какой бы то ни было метод может сделать для решения данной проблемы. Использование вписанных и описанных многоугольников для приближения к «π» восходит еще к Антифону, современнику Сократа.
Евклид, труды которого в дни моей молодости все еще оставались единственным признанным учебником геометрии для школьников, жил в Александрии около 300 года до н.э., спустя некоторое время после смерти Александра Македонского и Аристотеля. Большая часть его «Начал» не являлась оригинальным произведением, но порядок в последовательности теорем и логическая структура были в основном его собственными. Чем больше изучаешь геометрию, тем восхитительнее они кажутся. Интерпретация параллельных посредством знаменитого постулата о параллельных имеет двойное достоинство: дедукция здесь строга и в то же время не скрыта сомнительность исходного предположения. Теория пропорции (тройное правило), которой следует Евдокс, обходит все трудности, связанные с иррациональными числами, при помощи методов, по существу, схожих с теми, которые были введены в математический анализ Вейерштрассом в XIX столетии. Затем Евклид переходит к своего рода геометрической алгебре и трактует в книге X иррациональные числа. После этого он переходит к рассмотрению пространственной геометрии, заканчивая построением правильных многогранников, которое было усовершенствовано Теэтетом и принято в «Тимее» Платона.
«Начала» Евклида являются, безусловно, одной из величайших книг, которые были когда‑либо написаны, и одним из самых совершенных памятников древнегреческого интеллекта. Конечно, книга эта носит и черты типически греческой ограниченности: метод в ней чисто дедуктивный и не содержит в себе способа проверки исходных предположений. Эти предположения считались неоспоримыми, но в XIX веке неевклидова геометрия показала, что отчасти они могли быть ошибочными и что только наблюдение способно решить, являются ли они таковыми.
Евклид презирал практическую полезность, которую внедрял Платон. Говорят, что один ученик, прослушав доказательства, спросил, что выиграет он изучением геометрии; тогда Евклид позвал раба и сказал: «Дай молодому человеку грош, поскольку он непременно должен извлекать выгоду из того, что изучает». Однако презрение к практике было прагматически оправдано. Никто не предполагал во времена греков, что изучение конических сечений принесет какую‑либо пользу: но, наконец, в XVII веке Галилей открыл, что снаряды двигаются по параболе, а Кеплер – что планеты двигаются по эллипсам. Неожиданно та работа, которую греки проделали из чистой любви к теории, стала ключом к ведению войны и к развитию астрономии.
Римляне были слишком практическими людьми, чтобы должным образом оценить Евклида; первым из них, кто упомянул о нем, был Цицерон, во времена которого, возможно, не было латинского перевода сочинений Евклида; и в самом деле, нет письменного свидетельства существования латинского перевода до Боэция (480–524 годы н.э.). Арабы оценивали его лучше: экземпляр сочинений Евклида был подарен калифу византийским императором около 760 года н.э., а при Гаруне аль‑Рашиде, около 800 года н.э., был сделан перевод на арабский язык. Первый сохранившийся до нашего времени латинский перевод с арабского был сделан Аделярдом из Бата в 1120 году н.э. С этого времени изучение геометрии постепенно возрождалось на Западе; но лишь в эпоху позднего Возрождения были достигнуты важные успехи в этом деле.
Теперь я перехожу к астрономии, в которой достижения греков были столь же замечательны, как и в геометрии. Еще до них вавилоняне и египтяне заложили основы астрономии многими столетиями наблюдений. Было зарегистрировано видимое движение планет, но не было известно, что утренняя и вечерняя звезда – это одно и то же. В Вавилонии определенно, а возможно, и в Египте, был открыт период затмений, что сделало довольно достоверным предсказание лунных затмений (но не солнечных, поскольку они не всегда были видимы в данном месте). Вавилонянам мы обязаны делением прямого угла на девяносто градусов, а градуса – на шестьдесят минут; им нравилась цифра шестьдесят, и на ней они основали даже систему исчисления. Греки любили приписывать мудрость своих первоисследователей путешествиям в Египет, но в действительности до греков достигнуто было очень немногое. Однако предсказание солнечного затмения Фалесом является примером иностранного влияния; нет основания предполагать, что он добавил что‑либо к тому, чему научился из египетских и вавилонских источников, и чистой удачей было то, что его предсказание сбылось.
Начнем с некоторых наиболее ранних открытий и правильных гипотез. Анаксимандр думал, что Земля свободно плавает и ничем не поддерживается. Аристотель[171], который часто отвергал лучшие гипотезы своего времени, возражал против теории Анаксимандра, согласно которой Земля, будучи в центре, остается неподвижной потому, что у нее нет причины двигаться в этом, а не в другом направлении (295b). Если бы это было правильно, говорил он, то человек, помещенный в центре круга, в различных точках окружности которого находится пища, умер бы с голоду из‑за отсутствия причины выбрать именно ту, а не другую пищу. Этот аргумент появляется вновь в схоластической философии, но в связи не с астрономией, а с вопросом о свободе воли. Он появляется в форме рассказа о «Буридановом осле», который не смог выбрать одну из двух охапок сена, помещенных на равном расстоянии налево и направо от него, и потому погиб голодной смертью.
По всей вероятности, Пифагор первым начал думать, что Земля сферична, но его доводы, надо полагать, принадлежали скорее к области эстетики, чем науки. Однако скоро были найдены и научные доводы. Анаксагор открыл, что Луна светит отраженным светом, и дал правильную теорию затмений. Сам он еще думал, что Земля плоская, но форма тени Земли при лунных затмениях дала пифагорейцам окончательные доводы в пользу того, что Земля сферична. Они пошли дальше и рассматривали Землю как одну из планет. Они знали (говорят, из уст самого Пифагора), что утренняя звезда и вечерняя звезда – одно и то же, и полагали, что все планеты, включая Землю, двигаются по кругу, но не вокруг Солнца, а вокруг «центрального огня». Они открыли, что Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной, и считали, что Земля всегда повернута одной стороной к «центральному огню». Средиземноморские районы постоянно находятся на той стороне, которая повернута от «центрального огня», и он поэтому для них всегда невидим. «Центральный огонь» назывался «домом Зевса» или «Матерью богов». Предполагалось, что Солнце сияет светом, отраженным от «центрального огня». Кроме Земли, было другое тело, контр‑Земля, находящееся на том же расстоянии от «центрального огня». Для этого у них было два основания: одно научное, а другое, проистекавшее из их арифметического мистицизма. Научным основанием служило правильное наблюдение, что лунное затмение временами происходит тогда, когда и Солнце и Луна вместе находятся над горизонтом. Преломление лучей (рефракция), составляющее причину этого феномена, было им неизвестно, и они думали, что в таких случаях затмение должно вызываться тенью какого‑то другого тела, а не Земли. Вторым основанием служило то, что Солнце и Луна, пять планет, Земля, контр‑Земля и «центральный огонь» составляли десять небесных тел, а десять было мистическим числом у пифагорейцев.
Эта пифагорейская теория приписывается Филолаю, фиванцу, который жил в конце V века до н.э. Хотя она и нереальна и в определенной степени совершенно ненаучна, она очень важна, поскольку включает в себя большую часть тех усилий воображения, которые понадобились, чтобы зародилась гипотеза Коперника. Начать думать о Земле не как о центре Вселенной, но как об одной из планет, не как о навек прикрепленной к одному месту, но как о блуждающей в пространстве, – свидетельство необычайного освобождения от антропоцентрического мышления. Когда был нанесен удар стихийно сложившимся представлениям человека о Вселенной, было не столь уж трудно при помощи научных аргументов прийти к более точной теории.
Этому способствовали различные наблюдения. Энопид, живший несколько позднее Анаксагора, открыл наклон эклиптики. Скоро выяснилось, что Солнце должно быть много больше Земли; факт этот подкреплял мнение тех, кто отрицал, что Земля является центром Вселенной. Теории «центрального огня» и контр‑Земли были отброшены пифагорейцами вскоре после Платона. Гераклид Понтийский (живший приблизительно с 388 по 315 год до н.э., современник Аристотеля) открыл, что Венера и Меркурий вращаются вокруг Солнца, и принял ту точку зрения, что Земля совершает полный оборот вокруг своей собственной оси каждые двадцать четыре часа. Это открытие было очень важным шагом вперед, которого не сделал ни один его предшественник. Гераклид являлся последователем школы Платона и, должно быть, был великим человеком, но он не пользовался тем уважением, какого следовало ожидать; его описывают как толстяка‑щеголя.
Аристарх Самосский, который жил примерно с 310 по 230 год до н.э. и был, таким образом, лет на двадцать пять старше Архимеда, – самый интересный из всех древних астрономов, потому что он выдвинул гипотезу (полностью сходную с гипотезой Коперника), согласно которой все планеты, включая Землю, вращаются по кругам вокруг Солнца и Земля совершает оборот вокруг своей оси в течение двадцати четырех часов. Слегка разочаровывает тот факт, что единственный сохранившийся труд Аристарха «О расстояниях Солнца и Луны» исходит из геоцентрической точки зрения. Правда, что для тех проблем, которые трактуются в этой книге, совершенно не важно, какая теория в ней принята, и поэтому, может быть, он думал, что неблагоразумно вступать в своих вычислениях в излишние противоречия с общим мнением астрономов; или, быть может, он пришел к гипотезе, сходной с коперниковской, уже после того как написал эту книгу. Томас Хис в своей работе об Аристархе[172], в которой содержится текст этой книги с переводом, склоняется к последнему предположению. Во всяком случае, доказательство того, что Аристарх выдвинул точку зрения, сходную с коперниковской, вполне убедительно.
Самым первым и наилучшим является свидетельство Архимеда, который, как мы видели, был младшим современником Аристарха. В письме сиракузскому царю Гелону он сообщал, что Аристарх опубликовал «книгу, состоящую из неких гипотез», и далее: «Его гипотезы таковы, что звезды неподвижны и Солнце остается неподвижным, что Земля вращается вокруг Солнца по окружности, причем Солнце лежит в центре орбиты». Клеант, говорится в одном месте у Плутарха, «думал, что долг греков – обвинить Аристарха Самосского в нечестии за то, что он привел в движение Очаг Вселенной (то есть Землю), причем то был результат его попытки „спасти явления” предположением, будто небо остается в покое, а Земля движется по наклонной окружности и в то же время вращается вокруг своей собственной оси». Клеант был современником Аристарха и умер около 232 года до н.э. В другом отрывке из Плутарха говорится, что Аристарх выдвигал этот взгляд лишь в качестве гипотезы, но что его последователь Селевк поддерживал это как определенную точку зрения (расцвет деятельности Селевка – около 150 года до н.э.). Аэций и Секст Эмпирик также утверждают, что Аристарх выдвинул гелиоцентрическую гипотезу, однако не говорят, что это была у него только гипотеза. Но даже если он сделал именно так, кажется весьма вероятным, что он, как и Галилей две тысячи лет спустя, поддался боязни оскорбить религиозные предрассудки (страх, который, как показывает позиция упомянутого выше Клеанта, был вполне обоснованным).
Гипотеза, сходная с гипотезой Коперника, после того как она была выдвинута Аристархом – в виде ли позитивном или как попытка, – была окончательно принята Селевком, но более ни одним древним астрономом. Это общее отрицание в основном было обязано Гиппарху, который жил с 161 по 126 год до н.э. Он охарактеризован Хисом как «величайший астроном древности»[173]. Он первый систематически занимался вопросами тригонометрии, открыл прецессию равнодействий, рассчитал долготу лунного месяца с ошибкой менее чем в одну секунду, улучшил сделанные Аристархом расчеты размеров Луны и Солнца и расстояний до них, создал каталог восьмисот пятидесяти неподвижных звезд, указал широту и долготу их местонахождения. Как бы в противовес гелиоцентрической гипотезе Аристарха он принял и улучшил теорию эпициклов, созданную Аполлонием, деятельность которого относится к 220 году до н.э. Именно эта теория в своем развитии известна позже как система Птолемея (по имени астронома Птолемея, жившего в середине II века н.э.).
Коперник узнал кое‑что, хотя и не многое, из почти забытой гипотезы Аристарха и был обрадован тем, что нашел древний авторитет для поддержки своего нововведения. Кроме того, воздействие этой гипотезы на последующее развитие астрономии было практически нулевым.
Древние астрономы, вычисляя размеры Земли, Луны и Солнца и расстояния до Луны и Солнца, пользовались теоретически правильными методами, но им недоставало точных измерительных приборов. Многие результаты, достигнутые ими, были – если учесть этот недостаток – необычайно точны. Эрастосфен определил диаметр Земли в 7850 миль, то есть с ошибкой примерно лишь в 50 миль. Птолемей рассчитал, что среднее расстояние до Луны в 29,5 раза больше диаметра Земли (правильная цифра – около 30,2). Никто из них не мог приблизиться к точному вычислению размеров Солнца и расстояния до него; все они преуменьшали это расстояние. По их расчетам, оно было равно:
по Аристарху – 180,
по Гиппарху – 1245,
по Посидонию – 6545 земным диаметрам.
Правильная цифра – 11 72'6 земных диаметров. В дальнейшем эти расчеты все время исправлялись (у Птолемея, однако, ошибка в вычислениях увеличивается; у Посидония[174]это расстояние составляет около половины правильной цифры. В целом же представления этих астрономов о Солнечной системе были не столь уж далекими от истины.
Греческая астрономия была геометрической, а не динамической. Древние представляли движение небесных тел как равномерное и круговое или как состоящее из круговых движений. Они не имели понятия силы. Были сферы, которые двигались как нечто целое и на которых находились различные неподвижные небесные тела. С появлением Ньютона и его закона тяготения была введена новая точка зрения, менее геометрическая. Любопытно отметить возвращение к геометрической точке зрения в общей теории относительности Эйнштейна, из которой изгнана концепция силы в ньютоновском смысле.
Проблема для астронома такова: по данным видимых движений небесных тел ввести по гипотезе третью координату – глубину – таким образом, чтобы сделать описание явления как можно более простым. Главным в гипотезе Коперника является не истина, но простота; в связи с относительностью движения вопрос об истине не ставится вовсе. Греки в своих поисках гипотез, которые «спасли бы явления», на деле, хотя и не совсем преднамеренно, пытались справиться с этой проблемой правильным научным путем. Сравнение их с предшественниками и преемниками до появления Коперника должно убедить всех исследователей в их поистине изумительном гении.
Два великих человека – Архимед и Аполлоний – в III веке до н.э. завершают список первоклассных греческих математиков. Архимед был другом, возможно, и двоюродным братом царя Сиракуз и был убит, когда город захватили римляне в 212 году до н.э. Аполлоний с юношеских лет жил в Александрии. Архимед был не только математиком, но и физиком и изучал гидростатику. Аполлоний в основном известен своими работами по коническим сечениям. Этим я ограничусь при их рассмотрении, так как они жили в эпоху слишком позднюю, чтобы оказать влияние на философию.
После этих двух людей, хотя значительная работа продолжалась в Александрии, великий век закончился. При римском господстве греки потеряли ту уверенность в себе, которая присуща политической свободе, и, потеряв ее, приобрели «парализующее» уважение к своим предшественникам. Римский солдат, убивший Архимеда, был символом гибели оригинального мышления, которую принесло римское господство всему эллинистическому миру.