Периодические решения

Если Париж не веселится и не поет в свой традиционный июньский праздник - это самый верный признак его недовольства. Особенно мрачно и уныло выглядел в июньские дни 1893 года Латинский квартал. Не видно и тени всегдашнего безудержного веселья, захлестывавшего некогда его улицы. Пуанкаре с семьей по-прежнему обитает в этом районе столицы (теперь уже на улице Клода Бернара), оказавшись в центре последних трагических событий, взбудораживших весь город.

Началось все с судебного приговора по делу устроителей бала "Четырех искусств", наделавшего много шума прошедшей зимой. Сенатор Беранже и академики Жюль Симон и Пасси, основываясь на сообщениях одной газеты, обратились к прокурору с требованием наказать учеников парижских художественных мастерских - зачинщиков этого безнравственного, по их мнению, мероприятия. Хроникер газеты сообщил о том, что костюмы некоторых особ женского пола на этом балу имели якобы весьма фривольный вид. Состоявшееся несколько месяцев спустя заседание суда носило довольно забавный характер. Все очевидцы, в том числе полицейский комиссар, в один голос утверждали, что на балу не происходило ничего предосудительного. На маскарадах Большой оперы можно наблюдать во много раз более безнравственные сцены, которые тем не менее никем не осуждаются. Адвокаты подсудимых изощряли свое остроумие по поводу возбудивших дело ревнителей морали преклонного возраста, вспоминая басню о лисице и винограде. Продемонстрировал свою склонность к иронии и суд, применив к обвиняемым закон, автором которого был сам сенатор Беранже и согласно которому впервые привлеченные к суду лица могут не подвергаться наказанию до совершения вторичного проступка.

Люксембургский сад и бульвар Сен-Мишель

Около двух тысяч студентов отпраздновали свою победу, устроив под окнами Беранже и Симона кошачьи концерты. Но несколько позднее, когда веселящаяся толпа молодежи с виноградными листьями на головных уборах и в петлицах вернулась на бульвар Сен-Мишель, на нее набросился отряд полиции, нанося налево и направо удары кулаками, ногами и даже саблями в ножнах. Один юноша ударом в висок был убит полицейским наповал. После этого события приняли уже совсем иной оборот.

Возвращаясь из университета, Пуанкаре с удивлением замечает группы возбужденных студентов, возводящих баррикады из киосков, скамеек, фонарных столбов. Вскоре в ход пошли проезжавшие мимо экипажи и омнибусы. Решив обогнуть этот неспокойный участок, он сворачивает в сторону и, миновав несколько улиц, наталкивается на застывший в выжидательной позиции кирасирский полк. Вечером ему сообщают, что объявлено осадное положение. В течение нескольких дней Латинский квартал оставался ареной ожесточенных столкновений между студентами и полицией. В Палате депутатов вспыхивают яростные, скандальные дебаты. Радикальная и социалистическая партии обнародовали свои манифесты по поводу происходящих событий. Прохожим на улицах раздают воззвания, отпечатанные на ярко-красной бумаге. Все настороженно ждут, не перекинутся ли беспорядки в Бельвилль и другие рабочие предместья Парижа. По железной дороге в город спешно прибывают 15 тысяч кавалеристов.

После безжалостного подавления студенческих волнений на стенах домов появляются призывы к парижанам не принимать участия в официально проводимом празднестве. Большая часть жителей столицы, возмущенных бесчинствами полиции, действительно не примкнула к праздничным шествиям и гуляньям. Ежегодно проводимые торжества на этот раз состоялись при скудном стечении публики.

В омраченном настроении Пуанкаре покинул Париж, чтобы под сенью тихого сада в Лозере засесть над страницами третьего тома "Новых методов". Часами просиживает он над большими листами линованной бумаги, с поразительной быстротой покрывая их формулами и строками текста, написанными тонким, угловатым почерком. Порой его рука машинально выписывает подряд одну и ту же формулу, как бы побуждая замершую мысль следовать прихотливой цепи математических ассоциаций. Пишет Пуанкаре легко, ясным, точным языком, не стремясь к какой-либо эстетической выразительности оборотов своей речи. Но неправильная орфография его всегда коробила. В оставшихся после него рукописях очень мало помарок. Исправления автор вносит только для того, чтобы придать больше силы и убедительности своему изложению, чтобы лучше оттенить тончайшие нюансы мысли. Кроме точности выражения, у него нет другой заботы.

Прежде чем приступить к новой главе, он набрасывает порой кое-какие предварительные заметки или же просто располагает на листе бумаги в определенном порядке те положения, которые ему следует развивать. Закончив главу, он уже больше к ней не возвращается, даже если сознает, что она еще далека от стилистического совершенства. Очень редко Пуанкаре редактировал свои статьи и мемуары. Издатели жаловались, что с трудом могут заставить его хотя бы просмотреть корректурные листы. Но происходило это не от небрежности и не от отсутствия внутренней потребности в совершенстве, о чем свидетельствует его собственное признание: "Никогда еще я не закончил ни одной работы, не испытав чувства неудовлетворенности тем, как я ее отредактировал, или принятым мною планом". Могучий напор идей, обилие новых мыслей и догадок, требующих математической проверки и доказательства, не оставляют ему ни сил, ни времени для последующей литературной обработки своего произведения.

По замыслу Пуанкаре, заключительный том его "Новых методов" должен был резко отличаться от уже выходящего из печати второго тома, посвященного интегрированию дифференциальных уравнений рядами. В нем он снова возвращается к разработанным им ранее качественным методам исследования дифференциальных уравнений, применение которых в задачах небесной механики было продемонстрировано еще в отдельных главах первого тома.

Ровно десять лет назад, в 1883 году, молодой преподаватель Сорбонны Анри Пуанкаре, заинтересовавшись периодическими решениями дифференциальных уравнений, опубликовал по этому вопросу свои первые результаты. Никаких общих методов нахождения таких решений в небесной механике не было. В свое время Эйлер и Лагранж указали для задачи трех тел пять частных случаев, когда при особых начальных условиях движение принимает периодический характер. И вот теперь, от единичных, разрозненных фактов Пуанкаре поднимается до глубоких теоретических обобщений. В первом томе его труда периодическим решениям и их применению в небесной механике посвящены две главы. В них заложена основа того, что и сейчас еще представляется астрономам-теоретикам весьма актуальным и многообещающим направлением в исследовании движений небесных тел. Еще большее значение имела эта теория для предсказания эволюции планетных орбит в солнечной системе.

Не случайно Пуанкаре придавал столь важное значение периодическим решениям, представляемым замкнутыми орбитами. По его замыслам, они должны были стать опорой в изучении всех других, непериодических движений. Вкратце идея его такова: если замкнутых, периодических орбит много и расположены они достаточно густо, то можно предугадать, как пройдут зажатые между ними кривые, соответствующие непериодическим движениям. Словно огненные линии, прочерчиваемые трассирующими очередями, периодические кривые разграничивают все пространство на простреливаемые, просматриваемые участки. "Что делает для нас эти решения столь ценными,- пишет сам Пуанкаре о периодических решениях,- это то, что они являются, так сказать, единственной брешью, через которую мы можем проникнуть в область, считавшуюся до сих пор совершенно недоступной". Поэтому так важно было научиться находить периодические решения, даже не имея возможности проинтегрировать дифференциальное уравнение, только по одному его внешнему виду. Типичная задача качественной теории дифференциальных уравнений.

Пуанкаре не только набрасывает схему использования периодических решений в небесной механике, но и разрабатывает методы ее практического претворения. Его метод малого параметра стал одним из наиболее действенных и незаменимых инструментов теоретического исследования. И не только в астрономии, но и во многих других областях механики и физики. Вслед за Эйлером и Лагранжем он находит много новых и интересных периодических решений для задачи трех тел. А практическую плодотворность своей идеи автор демонстрирует на примере некоторых малых планет типа Гекубы. Кстати, идея эта стала одной из наиболее привлекательных Для Пуанкаре. На всем протяжении своего творческого пути он не раз возвращается к периодическим решениям, до самых последних дней стремится превратить их в универсальное орудие изучения всяких движений. И под конец книги мы снова встретимся с его работой, нацеленной на эту великую задачу небесной механики.

Большая часть третьего тома посвящена другой важной проблеме, к решению которой Пуанкаре тоже привлекает качественные методы. Это была проблема устойчивости движения небесных тел, вековая проблема, вот уже два столетия живо волновавшая многих выдающихся механиков и астрономов. Заинтересовавшись этим вопросом, Пуанкаре проводит кропотливое математическое исследование и приходит к выводу, что, даже если небесные координаты планет представляются сходящимся тригонометрическим рядом, это вовсе не доказывает устойчивости планетной системы. Проблема оказалась куда сложнее, чем предполагали астрономы. Наиболее обстоятельно автор "Новых методов" исследует частный случай задачи трех тел, когда одна масса во много раз меньше двух других. Почти любое движение оказалось при этом устойчивым в некотором смысле. К столь важному выводу Пуанкаре пришел с помощью нового, введенного им в третьем томе понятия - "интегрального инварианта". Так он назвал некоторые величины, выражаемые математически с помощью интегралов, которые остаются постоянными, неизменными при движении изучаемой системы тел. Физический смысл этих величин может быть норой весьма сложным или попросту не наглядным, но в качестве примера простейшего "интегрального инварианта" можно назвать объем некоторого количества несжимаемой жидкости. Величина его вычисляется с помощью интегралов и при любом течении жидкости остается постоянной, так как жидкость не сжимается и не расширяется.

Метод исследования движений с помощью "интегральных инвариантов" оказался столь плодотворным и привлекательным, что вслед за Пуанкаре его подхватывают и используют другие исследователи. Шази этим методом еще раз анализирует задачу трех тел и приходит к новым интересным выводам, а Вилькенс получает важные результаты, изучая движение астероидов и комет. В наше время "интегральные инварианты" перекочевали уже на страницы учебников и монографий, став классическим средством теоретического исследования не только в механике и астрономии, но и в статистической физике, и в квантовой механике.