Сергей Капица. Физика и математика 18 века

 

 

Лаплас - НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА. ИЗЛОЖЕНИЕ СИСТЕМЫ МИРА. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ

 

Мы приводим предисловия к «Изложению системы мира», а также к первому (1799) и к третьему (1805) томам «Небесной механики».

 

С именем Лапласа связан тот детерминизм, который был столь характерной чертой естественнонаучных представлений его эпохи. Тем не менее Лапласу принадлежит и знаменитое сочинение по теории вероятностей; мы заключаем этот раздел предисловием к его «Аналитической теории вероятностей» (1812).

 

 

ИЗЛОЖЕНИЕ СИСТЕМЫ МИРА

 

Предисловие

 

Из всех естественных наук астрономия представлена нам самым длинным сцеплением открытий. Чрезвычайно далеко от первого взгляда на небо до общего воззрения, которым теперь обнимают прошедшее и будущее состояние мира.

 

Чтобы прийти к этим воззрениям, нужно наблюдать светила в течение многих веков; понять, как по их кажущимся движениям узнать истинное движение Земли, как перейти от законов планетных движений к началу всемирного тяготения и, наконец, от этого начала к полному объяснению всех небесных явлений в их малейших подробностях. Ум человеческий совершил это дело в астрономии.

 

Изложение последовательности этих открытий и простейшего способа их происхождения представляет двойную выгоду – познание большого количества занимательных фактов и истинные методы исследования законов природы. Этому предмету посвящено сочинение, лежащее перед читателем.

 

 

НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА

 

Предисловие к I тому

 

В конце прошлого века Ньютон опубликовал свое открытие всемирного тяготения. С тех пор математикам удалось все известные явления мироздания свести к этому великому закону природы, и таким образом достичь в астрономических теориях и таблицах неожиданной точности. Моя цель состоит в том, чтобы представить с единой точки зрения теории, рассеянные по разным работам, соединив вместе все результаты по равновесию и движению твердых и жидких тел, из которых построена наша Солнечная система и подобные системы, раскинутые в просторах Вселенной, и построить таким путем небесную механику.

 

Астрономия, рассмотренная наиболее общим образом, есть великая проблема механики, которая состоит в определении небесных движений произвольного вида. В то же время ее решения зависят от точности наблюдений и полноты анализа. Необычайно важно поэтому исключить из нее все эмпирические утверждения, так чтобы из наблюдений брать только самые необходимые сведения. В той степени, насколько возможно в данной работе, я пытался это осуществить, и я надеюсь, что математики и астрономы отнесутся с сочувствием к трудности этого положения и, если они найдут представленные результаты достаточно простыми, то смогут использовать их в своих исследованиях.

 

Сочинение будет разделено на две части. В первой я даю методы и формулы, определяющие движение центров тяжести небесных тел, форму этих тел, колебания жидкостей, которые их покрывают, и их движение относительно собственного центра тяжести. Во второй части сочинения формулы, полученные в первой, будут применены к планетам, спутникам и кометам. Я заключаю эту часть исследованием различных вопросов, имеющих отношение к мирозданию, и даю исторический обзор математических работ, посвященных этому предмету.

 

Я принял десятичную систему деления прямого угла и дня. В линейных измерениях я исхожу из длины метра, который определен дугой земного меридиана между Дюнкерком и Барселоной.

 

Предисловие к III тому

 

БОНАПАРТУ – ЧЛЕНУ НАЦИОНАЛЬНОГО ИНСТИТУТА , ГРАЖДАНИНУ ПЕРВОМУ КОНСУЛУ  – РАЗРЕШИТЕ МНЕ ПОСВЯТИТЬ ЭТОТ ТОМ– ГЕРОИЧЕСКОМУ УМИРОТВОРИТЕЛЮ ЕВРОПЫ...

 

В первой части данного труда выведены общие принципы равновесия и движения тел. Приложение этих принципов к движению небесных тел привело нас, путем чисто математических рассуждений, без введения гипотез, к закону всемирного тяготения. Действие тяжести, движение снарядов у поверхности Земли составляют частные случаи этого закона. Далее мы рассмотрели системы тел, подверженных этому великому закону природы, и вывели, исключительно путем анализа, общие выражения для их движений, формы и колебаний покрывающих их жидкостей. Из этих зависимостей мы получили все известные нам явления приливов и отливов, изменение длины градусной дуги меридиана и силы тяжести на поверхности Земли, предварение равноденствий, либрацию Луны, форму и движение колец Сатурна и указали на причину, по которой эти кольце неизменно остаются в плоскости экватора Сатурна. Более того, мы вывели, исходя из той же теории тяготения, основные уравнения движения планет, в особенности Сатурна и Юпитера, главные неравенства которых имеют периоды больше девятисот лет. Неравенства движений Юпитера и Сатурна вначале представляли для астрономов только лишь аномалию, законы и причины которой были неизвестны. В течение долгого времени эти неправильности казались несовместимыми с теорией тяготения. Однако более внимательное рассмотрение показало, что они могут быть выведены из теории тяготения, и тем самым эти движения стали одним из самых поразительных ее доказательств. Мы развили теорию вековых движений элементов планетной системы, при которых она возвращается в то же состояние лишь по прошествии многих столетий. Среди всех изменений элементов мы обнаружили постоянство средних движений и средних размеров орбит. По‑видимому, природа их первоначально установила для вечного продолжения, имея в виду те же цели, с которыми так дивно устроена Земля для сохранения особей и продолжения видов. Из одного того, что все движения происходят в одну сторону, в плоскостях, лишь слабо наклоненных, следует, что орбиты планет и спутников всегда были почти круговыми и лишь мало наклоненными друг к другу. Таким образом, изменения наклона эклиптики, которая всегда была заключена в узких пределах, никогда не приведут к вечной весне на Земле.

 

Мы показали, что сфероид Земли, постоянно притягивающий к своему центру обращенное к нам полушарие Луны, передает вращательному движению спутника вековые вариации своего собственного движения и таким образом всегда уводит из нашего поля зрения другое полушарие. Наконец, мы показали, что в движении первых трех спутников Юпитера имеет место замечательная закономерность, следующая из их взаимного притяжения: средняя долгота первого спутника, видимая из центра Юпитера, за вычетом одной трети долготы второго спутника и в сумме с удвоенной долготой третьего спутника, всегда точно равна двум прямым углам. Следовательно, эти спутники никогда не могут одновременно находиться в затмении.

 

В последующем нам предстоит особо рассмотреть возмущения планет и комет при их движении вокруг Солнца, движения Луны вокруг Земли и спутников вокруг планет. В этом состоит цель второй части этого труда, в котором особое внимание уделено улучшению астрономических таблиц. Эти таблицы следовали развитию науки, которая служит им основанием. В начале этот прогресс был исключительно медленным и в течение очень долгого времени люди следили только за видимым движением светил. Эта эпоха, начало которой затеряно в глубокой древности, может рассматриваться как детство астрономии. Ей принадлежат труды Гиппарха и Птолемея, а также наблюдения индусов, арабов и персов. Система Птолемея, которую они последовательно приняли, по существу является ничем иным, как способом представления видимых движений, и на этом основании она была полезна науке. Слабость человеческого ума часто требует помощи гипотезы для установления взаимосвязи, фактов. Если мы ограничиваем гипотезу таким ее применением и позаботимся о том, чтобы не приписывать ей того реального значения, которым она не обладает, и будем затем часто поправлять ее новыми наблюдениями, то мы сможем в конце концов обнаружить истинные причины или, по крайней мере, законы этих явлений. История, философии науки может представить много примеров тех преимуществ, которые можно извлечь из заранее принятой гипотезы, и тех ошибок, которым мы подвержены, полагая, что она соответствует истинному объяснению природы. В середине шестнадцатого века Коперник пришел к выводу, что кажущиеся движения небесных тел указывают нам на истинное движение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси. Таким образом, он показал нам мир с новой точки зрения, и тем самым изменил облик астрономии. Замечательная совокупность открытий навсегда оставит в нашей памяти, в истории науки, столетие, последовавшее за открытием Коперника, эпоху, которая также отмечена шедеврами литературы и искусства.

 

Кеплер указал законы движения планет по эллипсу. Телескоп, изобретенный благодаря счастливому случаю, был тут же усовершенствован Галилеем. Ему он позволил увидеть на небе новые неравенства и новые миры. Применение маятника в часах Гюйгенсом и телескопа к астрономическому квадранту придало точность измерениям времени и углов и тем самым сделало ощутимыми малейшие неравенства небесных движений. В то время как наблюдения представляли человеческому уму новые явления, для их объяснения и расчета были созданы новые инструменты мышления. Непер изобрел логарифмы. Анализ кривых и основы динамики были созданы трудами Декарта и Галилея. Ньютон открыл дифференциальное исчисление, разложил луч света и возвел тяготение до общего принципа. За только что прошедший век преемники этого‑великого человека закончили здание, фундамент которого заложил он. Был усовершенствован анализ бесконечно малых, изобретено исчисление частных производных как бесконечно малых, так и конечных. Вся механика сведена теперь к формулам. Применением этих открытий к закону тяготения были рассчитаны все небесные явления, что придало теориям и астрономическим таблицам необыкновенную точность; этому в значительной мере мы обязаны трудам французских математиков и тем премиям, которые учреждались Академией наук. К указанным открытиям следует прибавить аберрацию звезд и нутацию земной оси, обнаруженные Брадлеем, и многочисленные измерения длины градусной дуги меридиана и длины маятника, пример которых подала Франция, послав членов своей Академии на север, на экватор и в южное полушарие. Произведенное с большой точностью измерение длины дуги меридиана между Дюнкерком и Барселоной было положено в основу наиболее простой и естественной метрической системы мер. Были предприняты многочисленные экспедиции для исследования различных частей земного шара и для наблюдений прохождения Венеры через диск Солнца. Результатом этих путешествий стало точное определение размеров Солнечной системы. Мы должны указать на открытие Гершелем планеты Уран и его спутников, а также двух новых спутников Сатурна. Наконец, мы должны прибавить к этим открытиям изобретение такого замечательного и полезного на море прибора, как секстанта, астрономического телескопа, меридианного круга, пассажного инструмента и хронометра. Мы можем быть удовлетворены, что с точки зрения прогресса человеческого ума прошедший век достоин предшествующего. Век, в который мы только вступили, начался с очень обещающих астрономических предзнаменований. Его первый день был отмечен открытием планеты Церера. Вскоре последовало открытие планеты Паллада, с почти тем же средним расстоянием до Солнца. Близость Юпитера к этим двум, ничтожно малым телам, большая величина эксцентриситета и наклонения их переплетающихся орбит, должны привести к значительным неравенствам в их движении, которые прольют новый свет на теорию всемирного тяготения и послужат для дальнейшего ее усовершенствования.

 

Главным образом, благодаря применению математического анализа к системе мира, мы поняли все могущество этого замечательного инструмента, без которого невозможно было бы раскрыть механизм столь сложный по своим действиям, но столь простой по своим причинам. В свои формулы математик теперь включает всю планетную систему, ее последовательные изменения. Он может мысленно оглядываться на различные состояния, через которые эта система прошла в наиболее удаленные от нас века, и может предсказать, что в грядущем развернется перед наблюдателем. Он видит эту величественную картину, охватывающую несколько миллионов лет, повторенную благодаря быстроте обращения за несколько веков в системе спутников Юпитера и воспроизводящую замечательные явления, подобные тем, которые давно подозревались астрономами в движении планет, но которые были слишком сложны и замедленны для того, чтобы установить их точные законы. Теория тяготения благодаря многим приложениям стала средством открытий, столь же верных, как сами наблюдения. Теория обнаружила ряд новых неравенств в движении небесных тел и позволила предсказать возвращение кометы 1759 года, обращения которой благодаря притяжению Юпитера и Сатурна очень нерегулярны. Таким путем математик может извлечь из наблюдений, как из богатого рудника, большое число ценных и тонких данных, которые без анализа были бы навсегда скрыты. Таковы относительные значения масс Солнца, планет и спутников, определенные по обращению этих тел, их периодическим и вековым неравенствам; скорость света и эллипсоидальность Юпитера, которую можно определить по затмениям его спутников точнее, чем прямыми наблюдениями; период вращения и сплюснутость Урана и Сатурна, вычисленные из предположения о том, что тела, обращающиеся вокруг этих планет, находятся соответственно в одной плоскости, следует еще назвать параллаксы Солнца и Луны, а также фигуру самой Земли, определенную по некоторым неравенствам Луны. Мы увидим в дальнейшем, что движение Луны, по мере усовершенствования астрономии, указывает на малую эллиптичность сфероида Земли, округлость которой стала известна первым астрономам по затмению этого светила.

 

Наконец, благодаря счастливому сочетанию расчета и наблюдений, то светило, которое придано Земле с тем, чтобы освещать его ночью, стало также вернейшим проводником для мореплавателя, защищающим от опасностей, вечно его подстерегавших из‑за ошибок при определении места на море. Совершенствование теории и таблиц Луны, которым мореплаватель обязан точности определения места, есть плод деятельности математиков и астрономов за последние полвека. В них объединено все то, что придает ценность открытиям, величие и полезность цели, плодотворность приложениям и достоинство преодоленным трудностям. Именно таким путем наиболее абстрактные теории, применение которых рассеяно по многочисленным явлениям природы и инженерного искусства, стали неиссякаемым источником удобства и радости даже для тех, кто с ними совершенно незнаком.

 

 

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ

 

НАПОЛЕОНУ ВЕЛИКОМУ

В этом сочинении я предполагаю изложить анализ и принципы, необходимые для решения проблем, касающихся вероятностей. В основе анализа лежат две теории, которые были мною опубликованы еще 30 лет тому назад в мемуарах Академии наук. Одна из них –это теория производящих функций , другая – теория приближенных формул для функций больших чисел.  Они являются предметом первой книги, в которой я излагаю их в еще более общей форме, чем в упомянутых мемуарах. Их сопоставление наглядно показывает, что вторая работа есть развитие первой и что их можно рассматривать как два раздела одного и того же исчисления, которое я называю исчислением производящих функций. Это исчисление лежит в основе той теории вероятностей, которая является предметом второй книги. Вопросы, относящиеся к случайным событиям, чаще всего сводятся к линейным дифференциальным уравнениям с простыми пли частными производными и первый отдел исчисления производящих функций дает общий метод для интегрирования уравнении такого рода. Но когда рассматривается большое число событии, то выражения, которые их описывают, состоят из большого числа членов и множителей так, что их численный расчет практически невозможен и потому так необходим способ, который преобразует такие ряды в сходящиеся. Это и осуществляется во второй части исчисления производящих функций с тем большим успехом, чем больше в нем необходимость.

 

Моя цель состоит в представлении методов и общих результатов теории вероятностей и именно поэтому я рассматриваю самые тонкие вопросы, трудные и в то же время очень полезные для этой теории. В особенности я стремлюсь определить вероятность причин и следствий при большом числе указанных событий и отыскать законы, согласно которым эта вероятность приближается к своему пределу по мере того, как множатся эти события. По тому анализу, который они требуют, данные исследования заслуживают внимания математиков, и именно здесь находит свое самое важное применение теория приближенных формул для функций больших чисел. И, наконец, эта теория заслуживает внимания философов, показывая, как в конце концов устанавливается закономерность даже в тех вещах, которые кажутся нам обязанными случаю, и обнаруживаются скрытые, но постоянные причины, от которых зависит эта закономерность. Именно на закономерности этих средних результатов, выступающей при большом числе событий, основаны различные предприятия, такие, как пожизненная рента, пенсии, страхование. Вопросы, близкие к последнему, а также оспопрививание и голосование на выборных собраниях, не представляют никаких трудностей для их объяснения, если следовать моей теории. В этом сочинении я ограничиваюсь решением самых общих вопросов, по важность этих вопросов в гражданской жизни и моральные соображения, связанные с ними и усложняющие их, а также многочисленные наблюдения, которых они требуют, вызывают необходимость в самостоятельном сочинении.

 

Если принять во внимание аналитические методы, которые уже породила теория вероятностей, и те, которые она еще может дать, безошибочность принципов, которые служат ей базой, строгую и тонкую логику, требующую их применения при решении задач, полезность общественных учреждений, опирающихся на нее, и если затем обратить внимание на то, что даже в предметах, которые не могут быть точно рассчитаны, эта теория указывает наиболее верный путь в достижении решений и, что она помогает нам избежать иллюзий, которые часто вводят нас в заблуждения, то мы увидим, что нет науки, более достойной наших размышлений и результаты которой были бы более полезны. Теория вероятностей обязана появлением на свет двум французским математикам XVII века, века столь обильного великими людьми и великими открытиями, и века, который больше всех столетий делает честь человеческому разуму. Паскаль и Ферма поставили и решили несколько задач теории вероятностей. Гюйгенс в небольшом трактате на эту тему обобщил их и расширил. Далее эта проблематика в более общей форме была рассмотрена Бернулли, Монмортом и Муавром и многими другими знаменитыми математиками последнего времени.

 

Пьер Симон Лаплас

Пьер Симон Лаплас

 

К содержанию: Сергей Петрович Капица: Жизнь науки

 

Смотрите также:

 

Лаплас. Людовик 18 сделал Лапласа...

:: Лаплас Пьер Симон. (Pierre Simon Laplace, 1749—1827) — величайший французский геометр. Родился в крестьянской семье в Бомоне, в департамент Кальвадос.

 

Гипотезы о происхождении Земли. Гипотеза Лапласа

Гипотеза Лапласа. О появлении на свет планеты, играющей немаловажную роль в жизни
Согласно гипотезе Лапласа на месте Солнечной системы некогда существовала огромная...

 

Принцип Байеса - Лапласа. Данный принцип отступает...

В 1812 г. Лаплас обобщил этот принцип на случай различных вероятностей, но тем не менее говорят и о байесовском подходе

 

Образование планеты земля - «холодная» и «горячая» гипотезы.

Теория Лапласа, согласно которой Земля была изначально холодной, сохраняла популярность на протяжении почти столетия, хотя ей и противоречили некоторые

Классическая механика и лапласовский детерминизм.

Возникло философское учение – механистический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749–1827), французский математик, физик и философ.

 

Происхождение планет. Гипотезы Канта, Лапласа и Джинса.

В 1796 г. Лаплас в популярной форме высказал идею о том, что в процессе.

Лапласовский фатализм — механистический детерминизм

Лаплас— уже как философ. И тот и другой, как истинные ученые, полагали, что не превышают прав своей науки. Но Лаплас для этого

 

Исходная позиция Канта. Космогония И. Канта. Кантовская теория...

Поэтому П. Лаплас, разрабатывавший космогоническую концепцию (1796), во многом похожую на теорию

 

Происхождение Солнечной системы. Большие планеты...

П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в
Таким образом, согласно теории П. Лапласа, планеты образовались раньше Солнца.