Текст книги "История математики. От счетных палочек до бессчетных вселенных"
Автор книги: Ричард Манкевич
Жанры:
Математика
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 15 страниц)
Ричард Манкевич
История математики
От счетных палочек до бессчетных вселенных
Посвящается Марине и памяти Пола
Вступление
Я наконец понял: б о льшую часть жизни я боролся за то, чтобы сломать привычное представление, застрявшее в групповом менталитете моих сограждан. Сущность этого представления можно сформулировать в виде уравнения: математика = школа. При упоминании о математике перед глазами большинства людей сразу же всплывает образ школы. Не так давно реакцией при упоминании математики с вероятностью 99 % слышалось заявление, произносимое с забавной смесью обиды и дерзкой гордости: «В школе я никогда не отличался отличной успеваемостью по этому предмету». Но к 1995 году можно было прийти на вечеринку и объявить, что вы математик, – скорее всего, это вызвало бы длительное обсуждение фракталов, теории хаоса и Института Санта-Фе [1]1
Институт Санта-Фе – уникальное учреждение в западном научном мире. Институт не государственный, существует на средства спонсоров. Штатных сотрудников не много. Профессора и доктора приглашаются на время. Оклады преподавателей и стипендии студентов оплачиваются из средств института. Тематика института охватывает очень широкий круг проблем, относящихся к гуманитарным и естественным наукам. В частности, в институте ведутся работы по физике, химии, математической истории, лингвистике, экономике, биологии. Главная цель работ – объединение этих наук, так чтобы все участники понимали друг друга, иными словами – возвращение к науке эпохи Ренессанса, когда ученые были «всезнаями» и не разделялись по узким профессиям. (Здесь и далее – прим. ред.)
[Закрыть]. К концу 1990-х годов самой привлекательной темой была теорема Ферма. (Если вы понятия не имеете, о чем идет речь и кто это такой, вам обязательно надо купить эту книгу.) Но даже в 2000 году большинство людей все еще связывало математику со школой и больше ни с чем.
«Школа» – это вполне приемлемо. А вот «больше ничто» – это ужасно. Как справиться с жутким всепоглощающим невежеством, непониманием одной из основных движущих сил, сотворивших современный мир, одного из столпов человеческой интеллектуальной деятельности?
Не все сразу, конечно. Общество уже намного лучше усваивает математические понятия и воспринимает эту науку как разумную и нормальную форму человеческой деятельности – доказательством служит всё увеличивающаяся готовность средств массовой информации сообщать о достижениях или новых открытиях в области математики, причем не только на страницах научных журналов (помните формулу намокания печенья?). Общеизвестна удивительная популярность математических книг и журнальных статей для неспециалистов. Книги, посвященные математике, вышли на первые строчки в списках бестселлеров научно-популярной литературы. Кинофильмы, посвященные математике, получают награды.
Как это происходит? Международные движения и правительственные инициативы тут ни при чем. ЮНЕСКО объявила 2000 год Международным годом математики. Британское правительство решило ухватиться за уравнение «математика = школа», а затем попытаться что-то с этим сделать. Но тем не менее открытие, что «математика сексуальна, математика – новый рок-н-ролл» (я цитирую центральные газеты), было сделано в результате нескоординированных действий большого количества людей – тех, кто нашел свой собственный способ взглянуть на эту науку и заинтересовать ею более широкую аудиторию.
Вот так, шаг за шагом, стало выстраиваться новое представление о математике, согласно которому этот предмет считается пограничной областью научных исследований, центральной силой, способствующей развитию новых технологий, формой облагораживающего влияния на человеческую культуру. Математика всегда выполняла эти функции, но теперь это замечает намного больше людей.
Ричард Манкевич – один из воинов-одиночек, посвятивших себя продвижению этих идей. Впервые я встретился с ним в Кройдоне, на выставке работ голландского художника Мориса Эшера. Эшер не обучался математике, но в его почти ирреальных произведениях доминируют математические сюжеты – ячеистые формы, узоры неевклидовой геометрии и своего рода философские визуальные каламбуры, душа которых – математика в самом чистом ее виде.
Ричард не был организатором этой выставки, но в течение многих лет вкладывал свою безграничную энергию и энтузиазм в визуальные проекты, целью которых было донести математику до людей. И один из этих проектов – «История математики» – книга, которую он написал, потому что, по его словам, «такой книги не существовало».
Теперь она есть. И вот о чем в ней рассказывается. Несколько арифметических трюков, которые вы изучали в школе, а затем, повзрослев, быстро забыли, – это еще не вся математика. Эта наука – неотъемлемая часть человеческой культуры, и ее становление в этом качестве происходило по крайней мере в течение пяти тысяч лет. И, в отличие от истории искусства, в течение этих пяти тысяч лет хне просто незначительным образом влиял на у, нет, устроился непосредственно на исследованиях х.Математика была плодом коллективной деятельности относительно небольшого числа невероятно талантливых людей, которые прорывались сквозь пространственные и временные границы так, словно их вовсе не существовало. Вместе эти люди создали одно из величайших чудес света.
В школьные годы я проводил много времени в местных библиотеках, отыскивая книги по математике. Никто не сказал мне, что подростки такими вещами не занимаются, а если бы мне сказали что-то в этом духе, я все равно не обратил бы на эти слова никакого внимания, потому что эта наука уже тогда очаровала меня. По правде говоря, тогда в продаже было не так много книг, посвященных математике, поэтому я прочитал все. Среди них было несколько историй математики. Из наиболее ярких (но часто грешивших неточностями) следует назвать книги Эрика Темпла Белла «Гении математики» и «Развитие математики». Но не было ничего похожего на «Историю математики», это потрясающее произведение, делающее основной упор на культурную составляющую, то есть на непрерывное взаимодействие между математическим мышлением и прочими видами человеческой деятельности.
Математика играла ключевую роль в таких важнейших областях, как картография и навигация, она помогла создать перспективу в искусстве, а также способствовала изобретению радио, телевидения и телефона. Без нее авиалинии не смогли бы работать так эффективно, спутниковое телевидение имело бы в десять раз меньше каналов, а пищевая промышленность мира не смогла бы обеспечить потребности современного населения Земли. Я не говорю, что мы обязаны всем этим только математике, но она стала одним из наиболее важных компонентов. И я не говорю, что все эти вещи однозначно хороши,однако уверен, что они играют важную рольв нашей жизни.
Математика – одна из самых длинных, самых блестящих нитей в гобелене человеческой истории; нить, которая прочно и глубоко вплетена в ткань человеческих достижений. Книга «История математики» простым и доступным языком рассказывает нам о многих значительных событиях и доказывает, что эта наука во все времена вызывала глубочайшее уважение.
Это одна из тех книг, которую я с огромным удовольствием прочитал бы в подростковом возрасте. Но – и я снова возвращаюсь к тому, с чего начал, – это книга для всех. Если вы уже взрослый человек, это не значит, что для вас все потеряно. Пора обретать настоящуюкультуру.
Иэн Стюарт
Предисловие
Эта книга была создана, потому что ничего подобного раньше не существовало. Я искал способ доступно изложить историю математики. Вместо того чтобы развернуть перед читателем последовательность «великих теорем», я хотел наглядно показать, что математика была тесно связана с интересами и устремлениями цивилизаций. Я считал, что всего этого можно будет добиться, сочетая наглядную сторону математики с комментариями ученых и разворачивая это повествование на фоне исторических периодов и ключевых событий из области математических идей. Границы пространства и времени не позволят мне пересказать всю историю математики. Поэтому я выбрал для освещения ключевые моменты истории – ее приливы и отливы совпадают с расцветом и закатом величайших цивилизаций.
С самого начала математика оказывала заметное влияние на все виды человеческой деятельности. Торговля, сельское хозяйство, религия, война – везде ощущалось влияние математики, а все аспекты человеческой жизни, в свою очередь, порождали математические понятия. Тем не менее история этой науки в значительной степени скрыта от нашего пристального взгляда. Возьму на себя смелость утверждать, что взаимное развитие философии, математики и других естественных наук намного важнее для истории человечества, чем бесконечная смена правителей и парад войн. Я надеюсь, эта книга внесет свой скромный вклад в научную культуру общества небывалых достижений.
Возможно, науки, и особенно математика, испытывали недостаток общественного внимания, которое уделялось в основном искусствам, и в результате не смогли занять в сердцах и умах людей столь же значимое место. Уже произошло своего рода «перекрестное опыление» таких понятий, как теория относительности, квантовая механика, искусственный интеллект, теорема неполноты, и они стали частью общепринятых современных представлений. Но когда математики говорят о красоте своего предмета, это часто списывается на остаточные эмоции тех, кто провел слишком много времени в разреженной атмосфере башни из слоновой кости. Лишь использование компьютеров наконец сделало красоту математики доступной для всех.
Математика – не наука о непонятных символах. Это наука идей: идей о пространстве, времени, числах и их взаимоотношениях. Это наука о количественных соотношениях, развитие и усложнение которых отражают поиски знания. Любые идеи рождаются из образа. С ростом вычислительных возможностей математика родилась заново – как визуальная наука. Самые невероятные структуры, которые можно отыскать в хаотических сложных системах, прорываются сквозь лес символов и открывают для всех и каждого возможность своими глазами увидеть математический пейзаж. Возникает новая эстетика, в которой математическая точность сочетается с художественной выразительностью. Большая часть этой книги подтверждает факт, что эта смесь в той или иной степени присутствует везде и всюду. Эти два аспекта культуры – точность и выразительность – обручились очень давно, хотя так и не сумели предстать перед алтарем.
1. Начало начал
В любой книге должна быть первая глава со вступительным словом. История – не слишком однозначный и четкий предмет, так что поиск первого использования чисел – это путешествие в туманное прошлое к истокам человеческой жизни и цивилизации. Археологи и другие ученые пытаются выложить мозаику нашей праистории из жалкой горстки мелких обломков. Новые открытия не просто становятся дополнительными кусочками головоломки, они могут радикально изменить всю картину прошлого и наше отношение к нему. Мы всегда должны помнить об этом, глядя на самые ранние свидетельства математической деятельности, а также на математические культуры Месопотамии и Египта.
Самое раннее свидетельство записи чисел было раскопано в Свазиленде (Южная Африка). Это малоберцовая кость бабуина с двадцатью девятью четкими пометами, относящаяся относящиеся к 35-му тысячелетию до нашей эры. Она напоминает календарные палочки, до сих пор использующиеся в Намибии, – они позволяют фиксировать ход времени. В Западной Европе также были найдены кости неолитического периода. На лучевую кость предплечья волка, найденную в Чешской Республике и датированную 30-м тысячелетием до нашей эры, нанесено пятьдесят пять меток, разбитых на два ряда из пяти групп. Возможно, это долговая палочка, а возможно, пометы говорят о количестве убитых животных. Одна из самых интригующих находок – так называемая «кость Ишанго», обнаруженная на берегу озера Эдвардс между Угандой и Демократической Республикой Конго. Ее возраст – более 22 000 лет, и, похоже, это не просто долговая палочка. Микроскопический анализ показал дополнительные отметки, связанные с фазами Луны. Предсказывать полнолуние тогда было необходимо – возможно, по религиозным причинам, а вероятней всего, потому, что видеть ночью было полезно из чисто практических соображений. Неудивительно, что сохранение знаний о движении великих небесных часов стало главной задачей народов неолита. Скорее всего, на становление математики самое большое влияние оказали небо и светила – за счет них развивались астрономия, астрология или космология.
Существуют записи, сделанные в Месопотамии – области, расположенной между реками Евфрат и Тигр, – и относящиеся приблизительно к 3500-м годам до нашей эры. В этом регионе сменилось несколько культур. На смену древним шумерам и аккадцам пришли мастера по работе с железом – хетты, которые, в свою очередь, отступили перед внушающими страх ассирийцами. За ними последовали халдеи и их известный царь Навуходоносор, которые были впоследствии изгнаны персами, а тех разбили армии Александра Великого. Центральная власть последовательно концентрировалась в городах Ур, Ниневия и Вавилон. Базовые математические знания пришли из древней Вавилонской империи (1900–1600 до н. э.), на которую заметно повлияли шумеры и аккадцы, а также из империи, которой правила династия Селевкидов – наследников сподвижника Александра Македонского, получивших власть над этим регионом в четвертом столетии до нашей эры. Эти знания явно сформировались под греческим и вавилонским влиянием. В тот период Вавилон занимал ключевое положение в этом регионе, а потому математика часто называется «вавилонской наукой».
Наша современная десятеричная система счисления – это система со знакоместом на основе 10. Другими словами, десять единиц на одном знакоместе эквивалентны одной единице на следующем, более высоком знакоместе, при этом положение цифры в числе определяет ее значимость. На основании самых ранних записей можно показать, что вавилоняне использовали шестидесятеричную, или базирующуюся на основании 60, систему счисления. Она и поныне живет в нашем способе исчисления времени. Таким образом, например, вавилоняне выразили бы число 75 как «1,15», мы тоже записываем 75 минут как 1 час и 15 минут. Приблизительно за 2000 лет до нашей эры появилась система знакоместа, в которой применялось только два клинообразных символа: Тдля 1 и < для 10, при этом сохранялась шестидесятеричная основа. Таким образом, 75 записывалось как Т< Т Т Т Т Т Для обозначения ноля символа не существовало. Позиционный символ не использовался до времен новой Вавилонской империи, возникшей в шестом веке до нашей эры, так что следует соблюдать осторожность, читая древние вавилонские числа, поскольку позиционное значение символов надо оценивать в зависимости от контекста. Например, без ноля нам было бы трудно различить числа 18, 108 и 180. Мы не знаем точно, почему вавилоняне предпочитали работать с такой системой, однако она оказалась очень эффективной при вычислениях и выдержала испытание временем, преимущественно за счет использования основы 60 при расчетах минут и секунд и при измерении времени и углов.
Веским доказательством существования вавилонской математики служат глиняные таблички с клинописными надписями. Они очень широко использовались, и сотни тысяч экземпляров этих табличек выжили – от крошечных фрагментов до целых блоков размером с портфель. Повсюду было много глины, и, пока она оставалась влажной, можно было стереть вычисление и начать писать заново. Как только глина затвердевала, табличка или выбрасывалась, или использовалась в качестве строительного материала. Арифметические вычисления тогда были распространены не меньше, чем теперь. Вавилоняне были плодовитыми творцами математических таблиц. Они оставили нам несколько довольно сложных образцов, касающихся исчисления обратных величин, площадей, кубов и более высоких степеней чисел – такие степени полезны при вычислении прибыли по ссудам. Использование математических таблиц теперь в значительной степени ушло в прошлое из-за широкого распространения калькуляторов, но их важность в облегчении вычислений имеет долгую историю, восходящую к глиняным табличкам вавилонян. Этот народ был очень опытен в алгебре, хотя вопросы и методы решения были риторическими – они объяснялись словами, а не символами. Вавилоняне решали квадратные уравнения приемом, который сейчас, по существу, не что иное, как «наш» метод «дополнения до полного квадрата». Их обоснование этой процедуры основывалось на том, что прямоугольную область можно перестроить таким образом, чтобы получился квадрат. Некоторые уравнения более высокого порядка решались или числовыми методами, или путем упрощения их до уже известных типов.
В геометрии они знали процедуры, позволявшие найти площади плоских фигур. Многие задачи решались алгебраически. Иррациональные числа, дающие начало бесконечному разложению на десятичные дроби, изображались в цифровой форме путем усечения дробного шестидесятеричного разложения. Например, в десятичной системе счисления в выражении √ 5 =2,236067… три точки показывают, что разложение на десятичную дробь продолжается неопределенно долго. Усечение ее до двух десятичных знаков приводит к значению 2,23, хотя значение 2,24 – более точное приближение. Иногда усеченное и наиболее точное приближения дают один и тот же результат, например при усечении до трех десятичных знаков в обоих случаях √ 5 =2,236. Записей о каком-либо обсуждении предполагаемой бесконечной природы таких разложений не существует, но на одной табличке изображено очень хорошее приближение √2, которое в шестидесятеричной системе изображается как 1:24,51,10 и соответствует пяти десятичным позициям. Обоснования этого результата не дается, но метод, названный в честь Гирона, греческого математика первого века нашей эры, то есть примененный почти две тысячи лет спустя, приводит к точно такому же результату. Вавилоняне также вовсю использовали теорему Пифагора за тысячу лет до его рождения.
Математика древних вавилонян была сложной и применялась в практических целях – в бухгалтерских и финансовых расчетах, в определении весов и мер. Некоторые из проблем, которыми они занимались, показывают, что существовала также теоретическая традиция, плоды которой можно увидеть в вавилонской астрономии.
Для цивилизации, охватывающей приблизительно четыре тысячи лет, египтяне оставили удивительно мало свидетельств занятий математикой. Папирус – хрупкий материал, и то, что хоть какие-то древние папирусы сумели выжить, – просто чудо. Два главных источника информации известны как папирус Ринда и Московский папирус. Есть также несколько малозначимых документов и множество изображений на могилах и храмах, где можно увидеть коммерческие и административные задачи, решаемые с помощью математических навыков. Папирус Ринда был написан приблизительно в 1650-х годах до нашей эры писцом по имени Ахмес, который объясняет, что он копирует оригинал двухсотлетней давности. Во вступлении сказано, что этот текст – полное исследование всего сущего, прозрение относительно всего существующего, источник знаний обо всех непонятных тайнах. Нам это может показаться скорее преувеличением, но этот документ показывает, что искусство писцов было заповедником просвещенной элиты. В папирусе содержится 87 задач и их решения, он написан знаками повседневного жреческого письма, а не сложными иероглифическими символами, которые выбирались для декоративной письменности. Большинство задач – задачи на вычисления, например задача разделения нескольких ломтей хлеба между определенным числом людей. Есть также метод определения площади прямоугольного треугольника. Все решения проиллюстрированы конкретными примерами, не дается никаких явных общих формул. Московский папирус посвящен практически тем же самым вопросам, но включает также вычисление объема усеченной пирамиды, или усеченного конуса, а также, похоже, площади поверхности полусферы.
В использовании чисел египтянами сразу же выделяются два момента. Прежде всего, вычисления основаны только на сложении и использовании таблицы умножения на два, а также на дробных единицах (1/2,1/3 и т. д.). Умножение, таким образом, состояло в повторяющемся удвоении (и, в случае необходимости, делении пополам), а затем происходило сложение соответствующих промежуточных значений. Например, чтобы умножить 19 на 5, писец должен был написать:
/1 19
2 38
/4 76
Затем, поскольку 1+4 = 5, сложение 19 и 76 дает 95, что соответствует 19 х 5. Деление происходит точно так же, но теперь есть возможность дробного решения. Здесь используются дробные единицы. Египетский способ обозначать долю единицы заключался в рисовании черточки над числом: таким образом, 1/5 писалось как 5. Символа для обозначения нашего числа 2/5 или любой другой дроби, за исключением 2/3, не существовало. Папирус Ринда начинается с таблицы дробей вида 2/n, где n – нечетное число, разложенное на доли единицы. Так, 2/5 равно 1/3 плюс 1/15, и во всех случаях, когда задача имела решением число, которое мы записываем как 2/5, египетские писцы записали бы его как 3¯ 15¯. Все еще трудно понять, как эта схема функционировала на практике, хотя она явно срабатывала, и мы ждем дальнейших открытий, позволяющих разъяснить ее происхождение.
Одна из причин использования такой системы заключается в том, что при числовых расчетах, связанных с разделением наследства или распределением благ, использовались дробные единицы, поскольку они точнее, чем самое близкое приближение. У египтян не было никакой валюты, так что они совершали сделки, используя в качестве эквивалента другие товары, чаще всего хлеб и пиво. Это отлично видно в задаче из папируса Ринда о том, как разделить девять хлебов на десять едоков. Сейчас мы вычислили бы, что каждый получит по 9/10 хлеба, и распределили бы хлебы, отрезав от каждого по одной десятой доле, чтобы девять человек получили бы по одному неполному хлебу – по 9/10 буханки, а десятый – девять отрезанных ломтей по 1/10. Решение, приведенное в папирусе: 9/10 = 2/3 + 1/5 + 1/30. Такое деление потребует больше надрезов, зато каждый человек получит не просто равное количество хлеба, но и одинаковые куски.
Меры объема имели свои собственные обозначения, составленные из частей иероглифа, изображавшего око Гора. Здесь заметна двойная функция жречества – административная и религиозная. Гор – бог-сокол, и его глаз отчасти человеческий, отчасти соколиный. Каждый элемент иероглифа представлял дробь от 1/2 до 1/64, а сочетания этих элементов могли отобразить любое число долей 1/64. Но око Гора также имело мистическое значение. Этот бог, единственный сын Изиды и Осириса, поклялся мстить за смерть своего отца, убитого собственным братом Сетом. Во время одного из бесчисленных сражений Сет вырвал у Гора око, разорвал его на шесть частей и разбросал по всему Египту. Гор в ответ оскопил Сета. Согласно легенде, боги, вмешавшись, провозгласили Гора царем Египта, богом-опекуном фараонов. Кроме того, они велели Тоту, богу образования и магии, собрать око Гора. Таким образом глаз стал символом цельности, ясновидения, изобилия и плодородия. Писцы, чьим покровителем был Тот, использовали его как талисман, символизировавший дробные меры. Существует рассказ о том, как ученик писца однажды заметил своему учителю: все доли ока Гора составляют в целом не единицу, а скорее 63/64. Учитель ответил, что Тот вознаграждает недостающей 1/64 того писца, который добивался покровительства бога и принял его.
Наши знания о египетской математике ограничены ввиду недостаточного числа артефактов. В результате она кажется шагом назад по сравнению с уровнем, которого достигли вавилоняне. Но скорее всего, это неправильно, особенно учитывая точность, с которой египтяне строили пирамиды и управляли такой обширной империей. До нас дошли лишь обрывки свидетельств, позволяющие предположить, что они добились важных результатов. Например, вполне вероятно, что они могли вычислить объем усеченной пирамиды. Однако по-прежнему неясно, что это за результат – отдельный, вдохновленный интересом к пирамидам, или же часть более передовой, но, к сожалению, не дошедшей до нас совокупности знаний. Древние греки открыто признавали, что их математика, в особенности геометрия, уходит корнями в египетские знания. Но сейчас нас больше всего поражает не сходство между египетской и греческой математикой, а огромные различия в способе выражения и глубине их знаний. Похоже, «трудные тайны» Ахмеса и сегодня остаются неразгаданными.
109. Этот царь [Сесострис [3]3
Имеется в виду фараон Сенусерт (Сесострис) III (1878–1842 до н. э.).
[Закрыть]], как передавали жрецы, также разделил землю между всеми жителями и дал каждому по квадратному участку равной величины. От этого царь стал получать доходы, повелев взимать ежегодно поземельную подать. Если река отрывала у кого-нибудь часть его участка, то владелец мог прийти и объявить царю о случившемся. А царь посылал людей удостовериться в этом и измерить, насколько уменьшился участок, для того чтобы владелец уплачивал подать соразмерно величине оставшегося надела. Мне думается, что при этом-то и было изобретено землемерное искусство и затем перенесено в Элладу. Ведь «полос» и «гномон», так же как и деление дня на 12 частей, эллины заимствовали от вавилонян.Середина V века до н. э.
