Пуанкаре

Шибанов Анатолий Сергеевич

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 па 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 порой 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.

Запрет на поиски

Такие чудесные приобретения в немалом количестве рассыпаны по страницам "Новых методов" щедрой рукой их создателя. И почти каждое из них столь же самостоятельно и автономно, как одна звезда по отношению к другой. Едва появившись на свет, они тут же проникают в другие точные науки и начинают вести независимую, порой весьма активную жизнь. Одна из теорем, сформулированных Пуанкаре для небесномеханических систем, оказалась вдруг на самом острие дискуссии, разгоревшейся между двумя известными учеными по поводу термодинамической необратимости.

Исследуя задачу трех тел, Пуанкаре пришел к весьма важному утверждению о том, что система из материальных точек, обладающих массами и движущихся по законам механики, через некоторое время обязательно должна вернуться в состояние, весьма близкое к первоначальному. Сам Пуанкаре использовал эту "теорему возвращения" при изучении стабильности солнечной системы. Но теорема оказалась на редкость универсальной. Она положила начало нынешнему учению о взаимно однозначных и взаимно непрерывных преобразованиях множеств, инвариантных относительно меры. Эта же теорема лежит у истоков современных подходов к эргодической теории. Первый выход ее за пределы небесной механики состоялся еще в 1896 году. Эрнст Цермело, молодой ассистент видного немецкого ученого Макса Планка, применил "теорему возвращения" к совокупности свободно движущихся молекул или атомов. Получалось, что протекающие в такой системе процессы обратимы. Если, например, два различных газа смешиваются после удаления разделяющей их перегородки, то можно дождаться такого момента, когда они сами собой разделятся, вернутся к исходному состоянию. Это явно противоречило утверждаемой вторым началом термодинамики необратимости всех процессов.

В спор с Цермело вступил хорошо известный уже физик Людвиг Больцман, против которого и были направлены критические стрелы немецкого ученого. Атаки с обеих сторон велись весьма темпераментно. Больцман настолько непримиримо отнесся к рассуждениям Цермело, что в полемическом задоре посоветовал ему даже не вмешиваться в дела статистической механики. Ожесточенная дискуссия вокруг "парадокса обратимости" продолжалась не один год. По мнению Больцмана, теорема Пуанкаре полностью согласовывалась с его научными положениями. Он утверждал, что для систем, состоящих

из огромного числа частиц, время возврата в начальное состояние, которое является весьма маловероятным, должно быть астрономически большим. Это и означает, что, несмотря на "теорему возвращения", практически осуществляются лишь необратимые процессы как наиболее вероятные. Для смеси двух газов период, в течение которого могло бы произойти их самопроизвольное разделение, настолько велик, что никому не удается наблюдать такое необычное явление. В полемике с противником Больцман проявил весь свой сарказм, задевая порой даже Планка, стоявшего на стороне своего ученика. В результате между участвовавшими в дискуссии учеными сложились далеко не дружественные отношения, которые проявлялись и много лет спустя.

Если "теорема возвращения" породила в ученой среде неуемную вспышку страстей, то другая теорема Пуанкаре, наоборот, погасила тот азарт, который в течение двух веков сопутствовал одной проблеме небесной механики. Целых два столетия математики и механики, словно средневековые алхимики в погоне за философским камнем, вели неустанные поиски "первых интегралов" небесномеханических задач. Заманчивы были эти математические образования, построенные на основе известных законов сохранения. Согласно одному закону сохранения, если на механическую систему не действуют извне никакие силы, то центр масс ее либо остается неподвижным, либо же движется по прямой с постоянной скоростью. Так, если считать, что на Солнце и планеты не действует притяжение со стороны звезд, то центр масс солнечной системы перемещается равномерно и прямолинейно в направлении созвездия Геркулеса со скоростью 20 километров в секунду. Поскольку движение происходит в трехмерном пространстве, то можно записать шесть предельно простых математических соотношений для составляющих скорости центра масс по трем направлениям (они либо равны нулю, либо постоянны) и для трех его пространственных координат, указывающих положение этой точки. Такие соотношения между координатами и скоростями, которые, подобно "интегральным инвариантам", остаются постоянными при движении механической системы, получили название "первых интегралов". Закон сохранения момента количества движения системы дает три дополнительных "первых интеграла". И наконец, запись третьего закона сохранения — закона сохранения энергии — представляет собой еще один "первый интеграл".

"Первые интегралы" поставляли ученым уже готовые соотношения между координатами и скоростями, полученные без интегрирования дифференциальных уравнений движения. Этот обходный маневр решения задач динамики был известен давно. Лаплас в своем «Трактате» описывает и применяет все "первые интегралы" механических систем, а в XIX веке им присваивают уже почетно-возрастной титул «классические». Несмотря на общепринятое для них название, эти выражения в отличие от "интегральных инвариантов" не содержат никаких интегралов и представляются чисто алгебраическими соотношениями, которые оказывают неоценимую помощь при исследовании различных задач механики. К сожалению, их было только десять. А для полного решения задачи трех тел, например, требовалось восемнадцать "первых интегралов". Поэтому не прекращались упорные поиски недостающих "первых интегралов", которые вместе с «классическими» позволили бы получать окончательные результаты для основных задач небесной механики, минуя все неприятности, связанные с интегрированием дифференциальных уравнений. Но каждый раз, как ученые узнавали об открытии нового математического соотношения, сохраняющего постоянное значение при движении системы, рано или поздно обнаруживалось, что оно является комбинацией уже известных "первых интегралов" и не несет никаких новых возможностей. "Первые интегралы" небесной механики уподобились великим загадкам математики — квадратуре круга, трисекции угла и другим, над решением которых тщетно билось не одно поколение ученых. Не видно было конца этой бесплодной трате усилий.

Первый предостерегающий сигнал прозвучал в 1887 году, когда немецкий астроном и математик Г. Брунс строго доказал, что всякий новый "первый интеграл" задачи трех тел, выражаемый алгебраическим соотношением, непременно будет представлять собою некоторую комбинацию старых, «классических» интегралов. Теорема Брунса заставляла задуматься. Десять известных "первых интегралов" алгебраического типа исчерпывали собою все алгебраические соотношения, обладающие нужными свойствами. Естественно было теперь обратиться к поискам среди более сложных математических выражений — трансцендентных. Ведь ни одного трансцендентного "первого интеграла" еще не обнаружили. Поэтому, открыв такой «интеграл», можно быть твердо уверенным, что он действительно новый, поскольку из алгебраических «интегралов» его никак не составишь. Не относятся ли все недостающие "первые интегралы" к трансцендентным? Вопрос этот волновал теперь многих, в том числе Пуанкаре. Он начинает свое исследование проблемы и через некоторое время приходит к более общему утверждению о том, что уравнения движения задачи трех тел не допускают не только алгебраических, но и трансцендентных "первых интегралов", отличных от «классических». Это доказательство изложено в пятой главе первого тома "Новых методов", которая так и называется: "Несуществование однозначных интегралов". После такого усиления новая теорема небесной механики положила конец всяким поискам недостающих "первых интегралов". Сейчас этот фундаментальный результат известен под именем теоремы Брунса — Пуанкаре. [27]

27

[27] В 1898 году французский математик П. Пенлеве обобщил эту теорему уже в другом направлении — распространил ее действие на задачу произвольного числа тел.