Евклид. Геометрия

Говоря о геометрии, невозможно не задаться вопросом: какова же истинная геометрия природы? Несомненно, одна из целей аксиоматизации состоит в том, чтобы уловить истину сущего. Но, возможно, на самом деле мы просто улавливаем истинность того, что представляем, то есть порождения человеческого разума, необязательно совпадающего с реальностью.

Во времена Евклида были две «настоящие» геометрические науки: «геометрия небес», то есть сферическая геометрия, необходимая для понимания астрономических процессов, так занимавших древнегреческих мыслителей, и «геометрия внутреннего двора», которой занимался Архимед, когда, по легенде, римский солдат поразил его своим мечом. Первую сейчас называют эллиптической геометрией. Она проявляется на поверхности земного шара. В этой геометрии точки определяются так же, а прямые — нет. Если вслед за Архимедом принять за прямую кратчайшую линию, соединяющую две точки, то мы заметим, что в эллиптической геометрии эти прямые обязательно пересекутся. Представим себе ситуацию: два человека начинают идти по прямой по земному шару, достигая в итоге исходной точки. Оба опишут максимальную окружность (то есть ту, которая делит сферу на два равных полушария), а максимальные окружности сферы обязательно пересекаются (на рисунке 3 окружности r и r' пересекаются в точке Р). Следовательно, в этой геометрии через заданную точку невозможно провести ни одну прямую, параллельную данной.

Вторая геометрия — внутреннего двора — работает в пределах ограниченного стенами пространства, в которой можно построить только то, что позволяет песок, покрывающий землю. В этой геометрии через точку Р, не лежащую на прямой r, можно провести бесконечное число параллельных прямых (см. рисунок 4). Так, мы можем провести через Р прямые r', r", r'". Только r" пересекает r внутри двора. Но есть и другие — все прямые, находящиеся внутри угла с вершиной Р и со сторонами, образованными прямыми, исходящими из Р и доходящими до прямой r. Точки пересечения находятся на стенах двора, а не на земле — там их не существует. Следовательно, прямые r и r' не пересекаются и являются параллельными. Прямые, не находящиеся внутри угла с вершиной P, как и его стороны, параллельны r.

Графические построения в такой геометрии, сейчас называемой гиперболической, выглядят так, будто их сделали на седле (рисунок 5). На такой поверхности равносторонний треугольник принимает странный вид, а сумма его углов становится меньше 180°. Параллельные же прямые удаляются друг от друга до бесконечности (или, наоборот, сближаются).

РИС.З

РИС. 4

РИС. 5

Эту геометрию открыли в начале XIX века независимо друг от друга венгерский ученый Янош Бойяи (1802-1860) и русский математик Николай Лобачевский (1792-1856). Уже в 1823 году Лобачевский начал сомневаться в том, что евклидова геометрия единственно возможная, причем именно потому, что все попытки доказать единственность параллельной прямой, исходя из других постулатов Евклида, были напрасны.

В 1829 году появилась статья Лобачевского «О началах геометрии», легшая в основу так называемой неевклидовой геометрии. В ней изложены принципы первой геометрии, построенной на гипотезе, противоречащей пятому постулату Евклида: через точку С, не лежащую на прямой АВ, можно провести более одной параллельной прямой, лежащей в плоскости АВС и не пересекающей АВ. На основе этого переформулированного постулата Лобачевский создал гармоничную и непротиворечивую геометрию.

До сих пор не было дано никакого строгого доказательства его правоты.

Николай Лобачевский о пятом постулате в 1823 году

Тем не менее авторитет Евклида и «Начал» в математическом мире был так высок, что Лобачевский решил не придавать большого значения новой геометрии и в первые годы чуть ли не стыдясь называл ее «воображаемой». За 20 лет, между 1835 и 1855 годами, он по меньшей мере три раза пересматривал свою новую систему. Шотландский писатель и математик Эрик Белл в своей знаменитой книге «Творцы математики» (1937) писал:

«В течение 2200 лет в некотором смысле верилось, что Евклид своей системой геометрии открыл абсолютную истину или необходимый способ человеческого познания. Созданное Лобачевским было настоятельным доказательством ошибочности этого верования. Смелость этого вызова и порожденный им успех вдохновили математиков и ученых вообще бросить вызов другим «аксиомам» или принятым «истинам» (например, «принципу» причинности), которые в течение столетий казались так же необходимыми для направления мышления, как постулат Евклида, до того как Лобачевский отбросил его.

Сильный стимул от метода Лобачевского бросать вызов аксиомам, вероятно, все еще должен ощущаться. Это не преувеличение — называть Лобачевского Коперником геометрии, так как геометрия есть только часть более широкой области, которую он обновил. Может быть, даже было бы справедливо называть его Коперником всего мышления».

Параллельно с Лобачевским (это слово здесь как нельзя более кстати) венгерский ученый Янош Бойяи пришел к тем же самым выводам. Его отец Фаркаш пытался доказать постулат о параллельных почти всю свою жизнь, но так ничего и не добился. Хотя открытие Яноша было сделано одновременно с Лобачевским, он обнародовал его только в 1832 году, опасаясь реакции, которую могла вызвать такая математическая «ересь». По этой причине первенство открытия неевклидовой геометрии приписывается исключительно русскому математику.

Фаркаш в письме своему другу Карлу Фридриху Гауссу поинтересовался его мнением о трудах своего сына. На это Гаусс ответил со всей откровенностью, что не может похвалить Яноша, потому что это равносильно тому, чтобы похвалить себя самого, настолько совпадали их точки зрения по этому вопросу. Из этого письма понятно: Гаусс тоже пришел к выводу о том, что постулат о параллельных в том виде, в котором сформулировал его Евклид, не вытекает из остального содержания его труда, и разработал какие-то другие логичные геометрические системы. Решение Гаусса не публиковать свои открытия, несмотря на его авторитет в мире математики, позволяет понять, насколько рискованно было оспаривать учение великого Евклида. Гаусс был так осторожен, что даже отказался публично поддержать Бойяи и Лобачевского после издания их работ — как он говорил, из страха «стать посмешищем болванов».

Еще одна великая неевклидова геометрия — эллиптическая — окончательно сформировалась благодаря одному знакомому Гаусса, немецкому математику Бернарду Риману (1826-1866). В своем докладе «О гипотезах, лежащих в основании геометрии» (одном из самых знаменитых в истории науки) он изложил невероятно изящную геометрическую систему, в которой рассматривались исключительно искривления различных пространств и вытекающие из этого свойства. Риман доказал, что пространство Евклида — и, соответственно, вся евклидова геометрия — является частным случаем пространства с кривизной, равной нулю. В таком пространстве сумма углов треугольника равна 180°. Но бывают и другие пространства: например, сферическое, с положительной кривизной, в котором сумма углов треугольника больше 180°, или гиперболическое, с отрицательной кривизной, где, как мы уже видели, сумма углов треугольника меньше 180°.

Бога ради, прошу тебя, забудь об этом. Страшись этого так же, как чувственных страстей, потому что, как и они, оно может забрать все твое время, лишить тебя здоровья, душевного покоя и счастья.

Фаркаш Бояйи в письме к сыну Яношу, узнав, что тот написал работу

Появление альтернативных геометрических учений привело к яростным философским спорам, которым можно подвести итог словами немецкого логика Готлоба Фреге из его посмертной статьи «О евклидовой геометрии»:

«Никто не может одновременно служить двум господам. Нельзя служить правде и лжи. Если евклидова геометрия верна, то неевклидова — ложна. Если верна неевклидова геометрия, то ложна евклидова. [...] Или так, или эдак! От какой же надо отказаться — от евклидовой или неевклидовой? Вот в чем вопрос».

Но все не так просто. Если мы будем исходить из гипотезы о том, что верна одна геометрия — например, геометрия Евклида, — то мы можем построить в ней такие поверхности, как сфера, обладающие эллиптической геометрией, и другие — при помощи геометрии внутреннего двора: первым таким примером стала псевдосфера Эудженио Бельтрами (1835-1900) в гиперболической геометрии. Другими словами, правильность одной геометрии подразумевает правильность и остальных, поскольку во всех них существуют поверхности или пространства, где они могут быть справедливы.

Если мы возьмем трактрису — кривую, для которой длина отрезка касательной от точки касания до точки пересечения с осью OY является постоянной величиной (см. рисунок), — и будем вращать ее вокруг OY (ее асимптоты), то получим псевдосферу, первую модель гиперболической геометрии.

В 1899 году Гильберт опубликовал работу «Основания геометрии», в которой переписал «Начала» Евклида, дав им твердое основание и не прибегая ни к интуиции, ни к рисункам. Основные объекты — будь то «точки, прямые и плоскости» или «стулья, столы и пивные стаканы», как говорил Гильберт,— определялись исключительно аксиомами, которые устанавливали отношения между ними. Интересно, что Евклид принял за «истинную» не сферическую, а идеальную геометрию, основанную на абсолютно правильных построениях, а не на том, что мы видим вокруг. Единственно возможное объяснение — влияние Платона, благодаря которому Евклид по умолчанию признавал существование этой идеальной геометрии, не подверженной воздействию другой реальности, не подразумевающейся в ней самой.

Во Вселенной геометрия связана с поверхностью, на которой она рассматривается, то есть с геометрическими объектами. Представим, что мы, как современный Архимед, лежим в ванне и рисуем прямые линии на ее стенках: некоторые из них — на дне — будут прямыми в евклидовом смысле слова, другие будут восходящими кривыми (те, что идут со дна ванны вверх по стенкам) и нисходящими (те, что идут по стене от верхнего бортика). Теперь зададимся вопросом: почему некоторые из них могут называться прямыми, а другие нет?

Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что пространство и, следовательно, прямые, которые в нем содержатся, деформируются в присутствии значительных масс или энергий. Представим себе тяжелый свинцовый шар на большом барабане: его мембрана деформируется, то есть изгибается. Если шарик поменьше будет вращаться по краю, то по спирали «упадет» в центр. В пространстве происходит нечто похожее: тела с большой массой, аналогично свинцовому шару, искривляют пространственно-временной континуум и оказывают влияние на другие тела. Пространство подобно земной поверхности, форма которой также неидеальна, и тем не менее никто не отрицает, что в общем поверхность нашей планеты можно назвать шарообразной. Какова же геометрия Вселенной? Тела, обладающие большой массой и большой энергией, локально изменяют пространство, но если брать Вселенную в целом, какова ее геометрия? Можно ли считать ее евклидовой, гиперболической или эллиптической? Ответ надо искать не в математике, потому что математически все эти геометрии имеют право на существование: все они основаны на формальных принципах и обладают внутренней логикой. Ответ кроется в окружающей нас реальности.

Более века назад Карл Фридрих Гаусс задался тем же вопросом, что и мы. Как устроена Вселенная? Какова ее геометрия? Ученый пришел к выводу, что если бы он смог измерить три внутренних угла треугольника, вершинами которого являются три отдаленные друг от друга звезды, то понял бы геометрию Вселенной. Мы знаем, что...

Но расчеты Лобачевского и Фридриха Бесселя (1784- 1846), астронома и друга Гаусса, не дали никаких результатов. В 1981 году американский физик Алан Гут (1947) ввел понятие плотности Вселенной, которая равна отношению массы материи к единице объема. Существует ее критическое значение — ρ₀ = 4 х 10^-27 кг/м³. Оно определяет геометрию Вселенной и ее последующее развитие (см. таблицу).

На данный момент полученное значение равно 10% ρ₀. Таким образом, считается, что Вселенная имеет гиперболическую геометрию и расширяется резко. Слова Галилея обретают новое звучание:

«Философия написана в величественной книге (я имею в виду Вселенную), но понять ее может лишь тот, кто сначала научится постигать ее язык и толковать знаки, которыми она написана. Написана же она на языке математики, и знаки ее — треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человек не смог бы понять в ней ни единого слова; без них он был бы обречен блуждать в потемках по лабиринту».

Видимо, для того чтобы понять устройство Вселенной, необходимо прибегнуть к геометрии. Такое же мнение высказал Исаак Ньютон в своем знаменитом сочинении «Математические начала натуральной философии».

Мы не можем и не должны забывать о влиянии философии на древнегреческую математику. Аристотель, например, уделяет огромное влияние понятию бесконечности в своей «Физике». В самом начале он пишет:

«Мелисс... утверждает, что сущее бесконечно. Следовательно, сущее есть нечто количественное, так как бесконечное относится к [категории] количества, сущность же, а также качество или состояние не могут быть бесконечными иначе как по совпадению... ведь определение бесконечного включает в себя [категорию] количества, а не сущности или качества. Стало быть, если сущее будет и сущностью, и количеством, сущих будет два, а не одно; если же оно будет только сущностью, то оно не может быть бесконечным и вообще не будет иметь величины, иначе оно окажется каким-то количеством».

Но более детальный анализ бесконечности производится в книге III, где Аристотель рассуждает о природе бесконечности, ее существовании и видах. После подробнейших философских рассуждений древний грек заключает, что существует «бесконечное путем прибавления» для чисел (в арифметике) и «бесконечное путем деления» для величин (в геометрии). Оба типа бесконечного существуют потенциально, «в возможности», а не «актуально», в действительности. Другими словами, в науке бесконечности не существует, ни один объект не может считаться бесконечным.

Портрет Евклида на марке Мальдивской Республики (1988).

Аристотель.

В 1975 году математик Джон Плейфэр предложил новую формулировку пятого постулата Евклида;теперь этот постулат известен как аксиома Плейфэра.

Немецкий математик Давид Гильберт в 1886 году.

Бесконечность является только порождающим процессом. Актуальную бесконечность нельзя принять как возможную идею идеального мира и тем более ее нельзя применить к математике. Следовательно, остается только потенциально бесконечное, то есть возможность постоянно продолжать что-то, но всегда на ограниченное число ступеней. Этот процесс может никогда не кончаться: бесконечное всегда останется в области возможного. Аристотель очень убедителен, когда говорит об использовании математиками актуальной бесконечности:

«Наше рассуждение, отрицающее актуальность бесконечного в отношении увеличения, как не проходимого до конца, не отнимает у математиков их исследования, ведь они теперь не нуждаются в таком бесконечном и не пользуются им: [математикам] надо только, чтобы ограниченная линия была такой величины, как им желательно, а в том же отношении, в каком делится самая большая величина, можно разделить какую угодно другую. Таким образом, для доказательств бесконечное не принесет им никакой пользы, а бытие будет найдено в [реально] существующих величинах».

Для понимания методологии Евклида очень важно ответить на вопрос: прав ли Аристотель, когда утверждает, что его философия бесконечности не относится к математике? Насколько строго Евклид придерживается ограничений, установленных Аристотелем, и в каких случаях он их нарушает? Евклид считает, что прямые — это прямые отрезки, а их концы — точки, то есть прямые конечны. Он дает определение именно отрезкам и рассматривает только их. В пятом постулате он избегает говорить о параллелизме, который, как мы увидим дальше, подразумевает существование бесконечности. В разделе по арифметике, в частности в предложении 20 книги IX, он говорит:

Простых чисел существует больше всякого предложенного количества простых чисел.

Такая формулировка позволяет Евклиду применить прямое доказательство, а если бы он воспользовался понятием актуальной бесконечности, то вынужден был бы прибегнуть к непрямому доказательству. В этом заключается одна из трудностей, перед которой нас часто ставит использование понятия бесконечности: приходится прибегать к косвенным доказательствам с помощью метода доведения до абсурда. Рассмотрим разницу между двумя типами доказательств на примере утверждения Евклида, процитированного выше. Начнем с прямого. Представим, что у нас есть бесконечное количество простых чисел: а, b,..., т. Возьмем число N = (а х b х ... x m) + 1. Если N— простое число, значит есть простое число, отличное от а, b, ..., m. Напротив, если N — составное число, то его делителем будет простое число (книга VII, предложение 32), которое должно быть отличным от каждого из ряда простых чисел а, b, ..., m.

Теперь обратимся к непрямому доказательству. Переформулируем предложение 20 следующим образом:

Ряд простых чисел бесконечен.

Если принять за истину обратное, то ряд простых чисел а, b, ..., m ограничен и содержит в себе их все. Но если мы повторим предыдущее доказательство, то получим число, отличное от а, b, ..., m, значит, последовательность не включает в себя все числа.

Однако Евклид не мог совершенно избежать использования актуальной бесконечности. Например, он пишет:

Книга I, определение 23. Параллельные суть прямые, которые, находясь в одной плоскости и будучи продолжены в обе стороны неограниченно, ни с той, ни с другой стороны не встречаются.

РИС. 6

РИС. 7

В этом утверждении прямо говорится о неограниченности, то есть подразумевается актуальная бесконечность. В той же первой книге это слово встречается еще в двух предложениях: в формулировке и в доказательстве.

Книга I, предложение 12. К данной неограниченной прямой из заданной точки, на ней не находящейся, можно провести перпендикулярную прямую (см. рисунок 6).

Книга I, предложение 22. Из трех прямых, которые равны трем данным, можно составить треугольник (см. рисунок 7).

Что заставляет Евклида бросать вызов аристотелевскому ограничению на использование бесконечности в действительности? Ответ прост. Он хочет, чтобы его утверждения были действительны в общем смысле, то есть не зависели от конкретного рисунка. В первом случае прямая, к которой мы хотим провести перпендикуляр, должна быть достаточно длинной, чтобы гарантировать, что исходная точка этого перпендикуляра будет над ней независимо от конкретной точки на рисунке. Во втором случае три стороны треугольника должны находиться на и над прямой, которая, соответственно, должна быть настолько длинной, чтобы вмещать их независимо от длин сторон, а для этого она должна быть бесконечной. Значит, в некотором смысле ограничение, установленное Аристотелем, отнимает что-то у математиков. Девять веков спустя Прокл в комментарии к первой книге «Начал» выразил свое мнение по этому поводу, анализируя предложение 12:

«Но надо исследовать теоретически, как полагается беспредельное в цельном. Ясно, что если имеется неограниченная прямая, то неограниченна и плоскость, содержащая ее, причем на деле, поскольку задача предложена. [...] Остается считать, что беспредельное существует лишь в воображении, но беспредельное не мыслится воображением. Ведь мыслить — значит придавать мыслимому форму и предел [...] Так что беспредельное относится не к мышлению, но к неопределенному для мысли; и, будучи немыслимым, несоразмерным природе и непостижимым для мысли, оно и называется беспредельным. [...] Воображение порождает его в силу своей нераздельной способности непостижимого порождения и представляет беспредельное по его немыслимости. [...] Так что когда мы полагаем в воображении данную неограниченную прямую, подобно всем прочим геометрическим фигурам, [...] не удивительно ли, как эта линия может быть беспредельной на деле и как она, будучи неопределенной, связана с определенными понятиями? С другой стороны, разум, из которого исходят рассуждения и доказательства, не пользуется беспредельным в науках, [...] беспредельное берется не ради беспредельного, но ради определенного. Ведь если данная точка не лежит на продолжении ограниченной прямой и не отстоит от этой прямой так, что никакая часть прямой не лежит под точкой, у нас не будет никакой потребности в беспредельном. В этом случае пользуются ограниченным, как не подлежащим проверке и бесспорным».

В этом тексте сделан большой шаг вперед по сравнению с предыдущими рассуждениями о бесконечном. Однако лишь благодаря исследованиям немецких ученых Рихарда Дедекинда (1831-1916) и особенно Георга Кантора (1845-1918) — всего через 50 лет после того, как Лобачевский и Бойяи расправились с пятым постулатом, — актуальная бесконечность стала частью математики. Так был положен конец философско-научной традиции, длившейся более 2000 лет.