Вначале была аксиома. Гильберт. Основания математики - Страница 5

«Начала» состоят из 13 книг и содержат 465 геометрических пропозиций, от базовых принципов до самых проработанных выводов. Евклид начинает Книгу I списком из 23 определений основных геометрических терминов (точка, прямая, треугольник, окружность и так далее). Например: «Точка есть то, что не имеет частей». Затем Евклид приводит пять постулатов, на которых базируется вся его геометрия. Эти постулаты представлены без доказательства и обоснования, их просто нужно принять как предпосылки к изложенному дальше. Например: «Между двумя любыми точками можно провести прямую линию». После определений и геометрических постулатов Евклид уточняет ряд общих понятий и неоспоримых истин. Например: «Целое больше части» или «Равные одному и тому же равны и между собой». С этого момента Евклид начинает углубляться в предмет. Так, в первой пропозиции «Начал» показано, как построить равносторонний треугольник на заданном линейном отрезке.

В то время как общие понятия имеют чисто логическое происхождение, постулаты (или аксиомы) обладают геометрической природой. Они уточняют правила работы с математическими объектами, которые Евклид определил до этого. Эти пять постулатов, или аксиом, следующие.

1. От всякой точки до всякой точки можно провести прямую.

2. Ограниченную прямую можно непрерывно продолжать по прямой.

3. Из всякого центра всяким раствором может быть описан круг.

4. Все прямые углы равны между собой.

Иллюстрация пятого постулата Евклида.

5. Если прямая, пересекающая две прямые, образует внутренние односторонние углы, меньшие двух прямых, то, продолженные неограниченно, эти две прямые встретятся с той стороны, где углы меньше двух прямых (см. рисунок на предыдущей странице).

В отличие от прочих, пятый постулат Евклида довольно неочевиден, и это привело к тому, что многие математики — например, Птолемей (II век), Джон Валлис (1616-1703) и Иероним Саккери (1667-1733) — безуспешно пытались доказать его через остальные постулаты. В попытках доказательства каждый из них превосходил другого по утонченности и находчивости. Но единственным, чего они добились, стали формулировки, равносильные пятому постулату. Одна из них — знаменитая аксиома параллельных прямых. «Через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести не более одной прямой, параллельной данной» (см. рисунок выше). Другая версия провозглашает, что «Сумма углов треугольника равна 180°». Однако историю о пятом постулате, или аксиоме параллельных прямых, ждал удивительный финал.

Иллюстрация аксиомы параллельных прямых.

Как математикам удалось освободиться от цепей евклидовой геометрии? Более 2000 лет они были убеждены, что это единственно возможная геометрия, единственное убедительное описание мира, поскольку изучалось только одно физическое пространство. Но в XIX веке открытие различных геометрий (в которых не выполнялась аксиома параллельных прямых) усилило их тревогу и заставило признать ошибку. Этот животрепещущий вопрос касался формы мира (если он действительно имеет какую-то форму).

Первой неевклидовой геометрией, с которой смирились математики, оказалась, как ни странно, старая знакомая — проективная геометрия. Она начала свой путь в эпоху Возрождения, когда художники заинтересовались проецированием пространства на холст. Тогда было открыто одно из отличительных свойств проективной геометрии (которое радикально отличает ее от неевклидовой): две прямые, которые в трехмерном пространстве представлены как параллельные, на двумерном холсте предстают как пара прямых, пересекающихся на линии горизонта, в бесконечности. Точно так же железнодорожные рельсы, параллельные по всей длине, на фотографиях кажутся пересекающимися в точке схода. Так что в проективной геометрии две любые точки всегда пересекаются: либо в конкретной точке, либо в бесконечности. Следовательно, проективная геометрия противоречит аксиоме параллельных прямых, поскольку через точку, не лежащую на данной прямой, не проходит ни одной прямой, параллельной первой.

В начале XIX века в проективной геометрии наметился прорыв, и совершил его французский математик Виктор Понселе (1788-1867). Этот наполеоновский офицер, оказавшись в российском плену, посвятил себя усовершенствованию идей в данной области и по возвращении домой опубликовал «Трактат о проективных свойствах фигур» (1822). В нем Понселе ввел понятие проективной геометрии как сферы знания, рассматривающей свойства фигур, которые сохраняются при проецировании, то есть свойств, общих для фигур с их тенями и проекциями. Эти свойства включают в себя отношения принадлежности, но не отношения расстояния или размера. Так, если три точки лежат на одной прямой, при проецировании они на одной прямой и остаются, но очень вероятно, что расстояние между ними изменится. Точно так же тень, которую отбрасывает каждый из нас, не равна нам по размеру. Через некоторое время немецкий математик Юлиус Плюккер (1801-1868) включил в проективную геометрию координаты, что позволило ему алгебраизировать ее и доказать многочисленные результаты с аналитической точки зрения.

В результате проективная геометрия составляла особый случай неевклидовой геометрии. Аксиома параллельных прямых не выполнялась (поскольку на проективной плоскости не существовало параллельных прямых), но проективная геометрия отрицала не только аксиому параллельных прямых, но и параметры углов и расстояние (поскольку при проецировании они не сохраняются). Не выполнялся не только пятый, но и четвертый постулаты Евклида (об углах). Поэтому математики не стали рассматривать проективную геометрию как настоящую неевклидову геометрию.

Казавшаяся недостижимой цель заключалась в том, чтобы с нуля построить новую геометрию, которая выполняла бы евклидовы аксиомы, кроме аксиомы параллельных прямых. Поскольку она отрицалась, оставалось два пути: либо отрицать существование параллельных прямых («не существует параллельных прямых»), либо отрицать единственность прямой, параллельной данной, проходящей через точку, не лежащую на ней («существует более одной параллельной прямой»).

ПРОГРАММА ЭРЛАНГЕНА

Феликс Клейн (1849-1925), учитель Гильберта, проповедовал четкое видение геометрии. Любая геометрия состоит из пространства и группы трансформаций. Для Клейна геометрия заключалась в изучении свойств объектов, которые остаются инвариантными к некоторой группе трансформаций, или предварительно заданных движений. Уверовав в роль проективной геометрии, он доказал, что раз она задана группой проекций — наибольшей группой, — то представляет собой основную геометрию, базирующуюся на минимальном числе начальных гипотез. Все прочие геометрии проистекают из нее, порождая дополнительные гипотезы. Именно так произошло с евклидовой геометрией, которая наследовала все проективные свойства.

Этот тезис он развивал в своей инаугурационной речи, когда в 1872 году заступал на должность главы кафедры Эрлангенского университета.

Феликс Клейн.

Как Карл Фридрих Гаусс (1777-1855), так и Янош Бойяи (1802-1860) и Николай Лобачевский (1792-1856) приняли существование параллельных прямых и отрицали их единственность: через одну точку, не лежащую на прямой, проходит более одной параллельной прямой. Этим трем математикам удалось вывести достаточный ряд теорем воображаемой геометрии, не столкнувшись ни с абсурдом, ни с каким-либо парадоксом.

Но не ожидали ли они их за углом? Разве можно быть уверенными в том, что пойди они дальше, их выводы не разбились бы о какое-нибудь противоречие? В середине века назрела необходимость в модели этой новой геометрии в рамках евклидова учения, чтобы даже в случае скрытого в ней противоречия она так же оставалась частью почитаемой евклидовой геометрии (что казалось невозможным). С этой позиции можно было раз и навсегда доказать, что справедливость новой геометрии заключается именно в справедливости евклидовой геометрии, которая считалась надежной. Поставленную задачу частично решил Эудженио Бельтрами (1835-1900), предложив в 1868 году локальную модель — псевдосферу. Через два года Клейн открыл первую полноценную модель неевклидовой геометрии.