Jose Santonja - Физика учит новый язык. Лейбниц. Анализ бесконечно малых.

• Название: Физика учит новый язык. Лейбниц. Анализ бесконечно малых.
• Автор: Jose Santonja
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015

Готфрид Вильгельм Лейбниц — один из самых гениальных ученых в истории науки. Он жил на рубеже XVII и XVIII веков, в эпоху больших социальных, политических и научных перемен. Его влияние распространяется практически на все области знания: физику, философию, историю, юриспруденцию... Но главный вклад Лейбница, без сомнения, был сделан в математику: кроме двоичного исчисления и одного из первых калькуляторов в истории он создал, независимо от Ньютона, самый мощный инструмент математического описания физического мира — анализ бесконечно малых.

---

Паскалина — вычислительная машина, придуманная Паскалем.

Сам Паскаль создал фабрику для изготовления паскалины, как было названо это изобретение. Поскольку процесс был полностью ручным, цена конечного продукта оказалась такой высокой, что производство не удалось поставить на поток. В итоге было изготовлено около полусотни машин, из которых сегодня осталось несколько, хранящихся в научных музеях.

В середине 1660-х годов появляются новые машины, на этот раз созданные математиком Сэмюэлем Морлендом (1625-1695), который, кроме того, был дипломатом, шпионом, академиком и в особенности изобретателем: он разработал портативные плиты на пару и водяные насосы. Морленд был знаком с машиной Паскаля и, похоже, также с машиной, сконструированной Рене Грийе де Ровеном, часовщиком Людовика XIV, на которой, как считается, основывалась машина Лейбница. Он создал три вычислительные машины: одну — для осуществления тригонометрических вычислений, другую — складывающую и третью — позволяющую умножать и делить. Последние две машины представлены в книге Морленда „Описание и применение двух арифметических инструментов“.

Суммирующая машина имела ряд колес, подобно машине Паскаля, но они были независимы друг от друга. К каждому из них был присоединен маленький круг, указывающий число полных оборотов, которые сделало большое колесо, и количество этих оборотов потом нужно было прибавить вручную. Данная машина была придумана для работы с английской монетной системой и считается первым карманным калькулятором.

Умножающая машина была основана на тех же принципах, что и таблицы Непера. Она состояла из плоской пластинки с несколькими отверстиями, куда можно было поместить ряд взаимозаменяемых дисков, которые были в основном круглой версией таблиц Непера. Некоторые из таких дисков позволяли вычислять квадратные и кубические корни. Есть предположение, что конструкция умножающей машины была придумана под влиянием другой машины, созданной в 1659 году итальянцем Тито Ливио Бураттини (1617-1681).

Механизмы арифметической машины Лейбница. Это была первая машина такого типа,которая позволяла осуществлять четыре базовые арифметические операции.

АРИФМЕТИЧЕСКАЯ МАШИНА ЛЕЙБНИЦА

Все машины того времени создавались по подобию машины Паскаля. Однако арифметическая машина, разработанная Лейбницем, была гораздо более прогрессивной моделью по сравнению с другими современными ему механизмами. Хотя изначально ученый основывался на том же подходе, что и Паскаль, вскоре он понял: для перехода от сложения и вычитания к более сложным операциям нужен более мощный и сложный механизм.

Возможно, конструкция этой машины уже была продумана Лейбницем в начале 1670-х годов. Во время своего первого визита в Париж он познакомился с наследием Паскаля и наверняка изучал его вычислительную машину. Хотя изначально Лейбниц назвал свою машину Staffehvalze (по-английски Stepped Reckoner), что-то вроде „ступенчатого калькулятора“, далее он говорил о ней как об арифметической машине.

Она состояла из двух частей: верхней, статичной, и нижней, наделенной самоходной кареткой. Но ее гениальность — в наличии ряда цилиндров, на которых находилось по девять зубцов различной длины (см. рисунок). Цилиндр был закреплен на оси и соприкасался с зубчатым колесом, прикрепленным к оси, параллельной предыдущей. Когда крутился соответствующий диск с цифрами, цилиндр продвигался вперед или назад, так что зубчатое колесо, приведенное в действие цилиндром, двигалось в зависимости от зубцов, которые могли его при этом цеплять. Данное колесо вращало последний диск, на котором появлялся результат — его можно было увидеть в окошке коробки.

В машине использовались три типа колес: сумма, множимое и множитель. При взаимодействии они позволяли вычислять суммы, разности, произведения и частные.

Первая машина, которую Лейбниц представил в научных сообществах, была прототипом, сделанным из дерева и имеющим проблемы в работе. В основном из-за дефектов изготовления ученый не смог доказать, что она осуществляет вычисления, для которых была предназначена. Позже Лейбниц нашел механика-часовщика, и ему удалось создать металлическую машину, которая работала.

Уже в середине 1670-х годов у Лейбница была машина, осуществлявшая все четыре операции. Он совершенствовал ее всю свою жизнь. Через несколько лет ученый попытался сконструировать ее таким образом, чтобы она работала в двоичной системе, но огромное количество цилиндров, необходимое для промежуточных операций, заставило его отказаться от этой идеи.

В то время механические машины обычно страдали от одной проблемы: они были сложными и очень затратными (если не невозможными) в производстве. Технологии той эпохи не позволяли реализовать конструкции, придуманные гениями. Хотя первые машины появились в начале XVII века, потребовалось еще два столетия на то, чтобы они приобрели популярность и коммерческий успех. Например, только в 1822 году стал продаваться арифмометр — первая механическая машина, созданная французом Шарлем Ксавье Тома де Кольмаром (1785-1870), который стал кавалером Почетного легиона за свое изобретение.

Так же как Исаак Ньютон стал известным в научных сообществах того времени после создания своего телескопа-рефлектора, имя Готфрида Вильгельма Лейбница начало упоминаться в главных академиях благодаря изобретенной им арифметической машине.

ГЛАВА 2 И осуществилось вычисление

В XVI и XVII веках науки, и в частности математика, переживали период своего расцвета. В значительной степени наступивший прогресс был связан с основами анализа бесконечно малых. Были решены многие классические задачи, но их место заняли новые, которые ставила перед учеными природа. Хотя Ньютон и Лейбниц считаются основателями этого анализа, сами они опирались на работы многих других известных математиков.

В конце марта 1672 года Лейбниц впервые приехал в Париж с целью защищать египетский проект, составленный совместно с Бойнебургом. Однако Англия уже вступила в войну с Нидерландами, и Франция сделала то же самое через неделю после его приезда, так что поездка Лейбница оказалась лишена смысла. Тогда он сосредоточился на дипломатических усилиях, стараясь оградить от этого конфликта Германию.

Несколько месяцев ученый провел в ожидании высочайшей аудиенции, отдавая себе отчет, что шансы на успех невелики. Через полгода его вынужденного бездействия в Париж приехал Фридрих фон Шёнборн, племянник курфюрста Майнца и зять Бойнебурга. Целью фон Шёнборна было принять участие в официальных мирных переговорах и предложить провести мирный конгресс в Кёльне. Не добившись никакого положительного результата, фон Шёнборн позже вместе с Лейбницем уехал в Англию.

Смерть Бойнебурга, случившаяся в следующем месяце, оказалась тяжелым ударом для Лейбница. Барон поддерживал его в научной деятельности и особенно помог ему наладить связи с учеными, политиками и государственными людьми, которые помогли последнему добиться должности советника курфюрста Майнца. Сам Лейбниц говорил о Бойнебурге как об "одном из самых великих людей этого века, особая дружба с которым была [для него] большой честью".

БЕСЕДЫ С УЧЕНЫМИ

Во время ожидания аудиенции Лейбниц воспользовался возможностями, которые предоставлял Париж, и встретился с многими известными учеными и интеллектуалами.

Летом 1672 года он навестил великого нидерландского ученого Христиана Гюйгенса, с научной работой которого он был частично знаком. Во время этой встречи Лейбниц показал ему первую модель своей арифметической машины, выполненную из дерева и еще далеко не совершенную. Позже Гюйгенс писал Ольденбургу: данная машина — большое достижение, даже несмотря на то что ее необходимо усовершенствовать.

Лейбниц также ознакомил Гюйгенса со своими наработками по суммированию бесконечных рядов — одной из проблем, больше всего занимавших математиков того времени. Тот посоветовал ему изучить сочинения английского математика Джона Уоллиса, а также Грегуара де Сен-Венсана (1584-1667), работу которого ученый прочел в королевской библиотеке. Другая важная встреча состоялась у Лейбница с королевским библиотекарем Пьером де Каркави, который очень хотел посмотреть на арифметическую машину. Также Лейбниц выполнил несколько его поручений, например оценил работу, связанную с вакуумом, написанную немецким физиком Отто фон Герике (1602-1686). Этот ученый был изобретателем вакуумного насоса и в 1654 году осуществил знаменитый эксперимент с магдебургскими полушариями. Герике соединил два полушария диаметром 50 см и создал между ними вакуум. С каждой стороны получившейся сферы он поставил по восемь лошадей, тянувших за полушария, чтобы разделить их, но им этого не удалось.