Для пуристов точка, прямая или плоскость были интуитивно понятными объектами, которые можно представить и которые позволяли сформулировать и доказать теоремы исходя из законов логики и аксиом, установленных древнегреческим математиком и геометром Евклидом (ок. 325 — ок. 265 до н.э.). С аналитической же точки зрения, прямая считалась совокупностью точек, определяемых декартовыми координатами, и правила игры в этом случае диктовала абстрактная алгебра. Уже тогда математический анализ был развит достаточно, чтобы оперировать прямыми, плоскостями и кривыми на очень высоком уровне, не нуждаясь в том, чтобы «видеть» эти операции.
Университет немецкого Геттингена стал флагманом этого нового подхода.
ГЁТТИНГЕН
Гёттингенский университет был основан в 1734 году Георгом II, курфюрстом Ганновера. В 1866 году этот город был присоединен к Пруссии, что повлекло за собой важные изменения: прусское правительство считало, что университет имел ключевое значение для развития страны. В том же году ректором был назначен немецкий математик Феликс Клейн (1849-1925): он сохранил верность этому учебному заведению, отклоняя другие предложения работы, среди которых была и кафедра в Берлине. Клейн проработал здесь до самого выхода на пенсию в 1920 году, но продолжал читать лекции до 1924 года. Он разработал проект, известный как Эрлангенская программа, в рамках которой хотел установить новые связи между различными областями математики и приблизить ее к физике.
ФЕЛИКС КЛЕЙН
Немецкий математик Феликс Клейн родился 25 апреля 1849 года в Дюссельдорфе, в семье важного прусского чиновника. Начальное образование ему дала мать. Затем Феликс два года отучился в частной начальной школе и в 1857 году поступил в Дюссельдорфское училище, где провел восемь лет и получил полное среднее образование. В16 лет Клейн поступил в Боннский университет. Несмотря на то что его очень интересовала математика, он большую часть времени посвящал занятиям ботаникой. Через год после поступления в университет начал посещать семинары по физике, которые проходили под руководством Юлиуса Плюккера, физика и математика, в то время работавшего над своей книгой Neue Geometrie des Raumes («Новая геометрия пространства»). Клейн так углубился в изучение этой темы, что после смерти Плюккера взял на себя составление второй части книги.
Индивидуальная образовательная программа
Отдавая себе отчет в том, что ему не хватает знаний в некоторых областях математики, особенно в интегральном исчислении, в 1869 году Клейн переехал в Гёттинген и в течение года посещал занятия Альфреда Клебша. Клейн никогда не придерживался стандартной академической программы и сам составлял учебный план. Во время учебы в Берлине в 1870 году он посещал не занятия по математике, а кофейни — правда, в обществе двух выдающихся математиков — австрийца Отто Штольца (1842-1905), который уже заведовал математической кафедрой и приехал в Берлин, чтобы расширить свои познания, и норвежца Софуса Ли (1842-1899). Именно Ли открыл Клейну важность теории групп, разработанной Эваристом Галуа (1811-1832) и впоследствии оказавшей большое влияние на научную деятельность Клейна. По прошению Клебша Клейн получил звание ординарного профессора в Эрлангенском университете. Именно там, комментируя созданный им учебный план, Клейн впервые изложил свою знаменитую Эрлангенскую программу. За годы педагогической деятельности он преподавал математику в Мюнхене (1875-1880), Лейпциге (1880-1886) и Гёттингене (1886-1913), где создал институт прикладной математики. В 1882 году у Клейна на фоне серьезного психического расстройства произошел нервный срыв, и он прекратил заниматься наукой. Ученый умер в Гёттингене 22 июня 1925 года.
Эту программу Клейн воплотил в жизнь за десять лет. Его верным союзником стал Давид Гильберт, один из самых выдающихся ученых конца XIX — начала XX века, который, как считается, оказал наибольшее влияние на геометрию после Евклида.
Благодаря Гильберту в 1895 году началась новая эпоха в развитии Гёттингенского университета, а Математический институт Гёттингена прославился во всем мире. Гильберт разделял мнение Клейна о том, что университет должен открыться для международного сообщества и отойти от пуристских взглядов, чтобы способствовать объединению различных математических дисциплин, но при этом стараться избегать открытого столкновения с Берлинским университетом. И действительно, вскоре Гёттингенский университет прославился своей открытостью: здесь радушно принимали ученых и мыслителей с новаторскими идеями независимо от их происхождения или социального положения.
Гильберт придерживался твердой позиции по поводу роли математики по отношению к физике; однажды он даже заявил, что физика слишком сложна для самих физиков. Совместно с немецким математиком Рихардом Курантом (1888-1972) Гильберт издал книгу Methoden der mathematischen Physik («Методы математической физики», 1924), которая оказалась бесценной для физиков. Работа переиздается до сих пор и известна под кратким названием «книга Куранта — Гильберта».
АКСИОМАТИКА
Такие элементарные понятия, как точка, прямая, плоскость, и их взаимоотношения, от простых до сложных, были систематизированы и упорядочены в период с 330 по 275 год до н.э. в одной из самых известных книг во всей истории человечества. Мы говорим о «Началах» Евклида. Этот труд состоит из 13 книг, в которых содержатся все знания по геометрии того времени. Евклид построил свою геометрию на трех ключевых понятиях: аксиомах, теоремах и постулатах. Теоремы относятся к неочевидным предложениям, которые можно доказать на основе аксиом и постулатов посредством логических рассуждений. Всего Евклид ввел 23 аксиомы (или определения) и 5 постулатов. Различие между аксиомой и постулатом очень важно для понимания сущности геометрии, описанной в «Началах». Аксиома не нуждается в доказательстве, так как это ясное и очевидное утверждение. Например, первая аксиома Евклида гласит: «Точка есть то, что не имеет частей». Постулат же — предложение, которое, не будучи таким очевидным, как аксиома, считается истинным без доказательства.
Таким образом, математическое здание строится шаг за шагом на основе системы аксиом и логических правил, которые позволяют создавать теоремы. До появления неевклидовых геометрий этот фундамент казался достаточно прочным и вызывал полное доверие.
ПЯТЫЙ ПОСТУЛАТ
В пятом постулате «Начал» Евклида — не таком ясном, как остальные четыре, — утверждается:
«Если через две прямые проходит прямая, образующая с одной стороны внутренние углы, чья сумма меньше суммы двух прямых углов, то если продолжить эти прямые бесконечно, они встретятся с той стороны, с которой сумма двух углов меньше двух прямых углов».
Возьмем прямую R3, проходящую через прямые R1 и R2 (см. рисунок).
Внутренние меньшие углы, о которых идет речь в постулате, обозначены буквами а и b. Согласно пятому постулату, если мы продолжим прямые R1 и R2, то они пересекутся в правой части рисунка. Недостаток в этом постулате простоты и очевидности, присущей первым четырем, всегда привлекал внимание геометров. Сам Евклид старался избегать этого постулата и впервые применил его только в доказательстве номер 29 книги I. Из-за этой попытки построить всю свою геометрию без пятого постулата Евклида даже называли первым неевклидовым геометром. Так или иначе, пятый постулат с самого начала вызывал вопросы. Справедлив ли он? И если да, действительно ли это независимый постулат? Или это теорема, которую можно доказать на основе четырех предыдущих постулатов?