Александр Михайлович Ляпунов

Итак, теперь их трое в упряжке: Пуанкаре, Ляпунов и Дарвин. Кто такой Джордж Дарвин — не составляло для Ляпунова секрета. Второй сын великого естествоиспытателя Чарлза Дарвина, он отнюдь не светился лишь отраженной славой отца, но и сам получил известность как крупный астроном, математик и механик. Недаром доверили ему знаменитую «ньютоновскую кафедру» в Кембриджском университете. Будучи президентом Королевского астрономического общества, вручил он в 1900 году французскому академику Анри Пуанкаре золотую медаль, присужденную ему обществом. Знать, тогда уже обратилась мысль Дарвина к исследованию фигур равновесия вращающейся жидкости, тогда уже наметил он направление нынешних своих трудов.

Известность Дарвину принесли сочинения по теории приливов и приливного трения. Своими расчетами доказывал он, будто приливное трение в коре Земли постепенно замедляет ее вращение и через миллиарды лет земные сутки станут вдвое длиннее. И то, что Луна обращена к Земле всегда одной стороной, английский ученый тоже объяснял приливами в лунной коре. Притом Луна, по его утверждениям, весьма медленно удаляется от нашей планеты. А раз так, то было время — около двух-трех миллиардов лет назад, когда Земля и ее спутник располагались совсем близко, почти соприкасались. А еще раньше, продолжал рассуждать Дарвин, Земля и Луна составляли единое целое. Так пришел он к гипотезе о том, что в далеком прошлом Луна естественным путем отделилась от вращающейся жидкой земной массы. Точно так же истолковывал Дарвин происхождение двойных звезд.

Во второй половине XVIII века, когда начали делать сильные телескопы, обнаружили пары звезд, притягивающих друг друга и вращающихся одна вокруг другой. О двойных звездах вновь усиленно заговорили, когда в 1889 году был открыт особый их класс — спектрально-двойные звезды. Они настолько сближены, что ни в какой телескоп не различить их по отдельности. Только спектроскопические исследования подтверждали двойное их строение. Вот тогда-то Дарвин и решил, что двойные звезды тоже образовались в результате деления на две части жидкого тела, вращающегося вокруг оси.

До чего же цельная и убедительная картина рисовалась английскому астроному! По мере увеличения скорости вращения жидкой массы она закономерно меняет свой облик: из сферы превращается в сплюснутый эллипсоид Маклорена, затем — в вытянутый как дыня эллипсоид Якоби, который, все больше удлиняясь, должен в конце концов распасться на два отдельных тела. Быть может, в глубине души Дарвин надеялся повторить научный подвиг прославленного родителя и создать свою эволюционную теорию, только не для живых организмов, а для небесных тел? Недоставало ему лишь промежуточной фигуры, непосредственно предшествующей разрыву. Отсутствующее звено нарушало стройную теоретическую схему и делало ее менее убедительной.

И вот в руки Дарвина попали работы Пуанкаре, в которых описывалась неэллипсоидальная фигура равновесия, названная автором грушевидной, потому что она в самом деле напоминала грушу. Сомнений больше не было: досадный пробел наконец пополнен. Вся картина представлялась теперь Дарвину до конца завершенной. По мере ускорения вращения одна половина эллипсоида Якоби утолщается и набухает, вбирая в себя большую часть жидкой массы, другая же, наоборот, уменьшается в размерах. «Дыня» перестраивается в «грушу». Затем перемычка между двумя частями грушевидной фигуры становится все тоньше, «груша» делается похожей на песочные часы и разрывается под действием центробежных сил на две неравные доли. Именно так миллиарды лет назад Луна отделилась от матери-Земли.

Все складывалось для Дарвина как нельзя лучше, но праздновать успех было преждевременно. Он и сам это сознавал, потому предпринял такую основательную работу вослед изысканиям Пуанкаре. Требовалось обрести последний, решающий аргумент в пользу теории. Судьба ее зависела теперь от одного-единственного числа, к которому вели исключительно трудоемкие, кропотливые расчеты. Но их исход представлялся Дарвину столь многозначительным, что он не колеблясь решился обременить себя устрашающими вычислениями.

Такова уж особенность любого теоретического объекта в механике, что вопрос о его возможности должен решаться дважды. Сначала нужно доказать его физическую правдоподобность, осуществимость. Ведь силы, действующие на частицы вращающейся жидкости, могут не позволить им сложиться в грушевидную фигуру. Поэтому фигура должна быть прежде всего равновесной. В работах Ляпунова и Пуанкаре этот вопрос был разрешен. Теперь наступил черед другому вопросу: удержится ли жидкость в такой фигуре продолжительный срок? Не эфемерна ли, не мимолетна возникшая игрою механических сил «груша»? Ведь какие бы вещественные объекты ни измыслило человеческое сознание, в природе могут встретиться только те из них, которые устойчивы. Например, воображение с легкостью нарисует карандаш, стоящий на острие строго вертикально, и математик без труда отобразит в своих уравнениях это равновесное положение. Но в действительности никакой карандаш на острие не устоит. Неустойчивость переводит мысленно возможное явление в разряд нереальных, недействительных.

Реальная вращающаяся жидкость принимает только устойчивую форму равновесия в отличие от математического своего образа, который только теоретически мыслим и существует лишь в знаках и символах математики. Случайно или преднамеренно надавив резиновый мячик, можно его деформировать: сплющить или вмять с какого-то боку. Но стоит исчезнуть посторонней, внешней силе, и он снова сделается круглым. Потому что сфера — его устойчивая форма равновесия. Не бывает туго надутых резиновых шаров с вмятинами и уплощениями. Быть может, не бывает в природе и грушевидных фигур вращающейся жидкой массы? Чтобы ответить на такой вопрос, необходимо исследовать устойчивость «груши».

Пуанкаре рассмотрел вопрос об устойчивости грушевидной формы, но всего лишь в первом приближении. Известный в будущем немецкий ученый Карл Шварцшильд, защищавший в 1896 году докторскую диссертацию на тему «Теория равновесия однородной вращающейся жидкой массы Пуанкаре», показал, что нельзя судить об устойчивости «груши», не имея более точного решения. Справедливость его критики признал и сам Пуанкаре. Тогда-то и обратился Дарвин к французскому коллеге с просьбой помочь ему отыскать более точное, второе приближение. Пуанкаре был увлечен другими научными проблемами, потому ограничился тем, что опубликовал общие формулы для расчетов. Произведя с их помощью в высшей степени сложные и громоздкие вычисления, Дарвин пришел к выводу, что грушевидная фигура устойчива. Торжеству его не было границ: наконец-то математические расчеты подтвердили выдвинутую им космогоническую гипотезу! Свои результаты незамедлительно опубликовал он в статье «О грушевидных фигурах равновесия вращающейся жидкой массы», вышедшей в 1903 году. Она-то и попалась на глаза Ляпунову, известив его о том, что еще одно заинтересованное лицо активно занялось той же задачей, над которой ломал он голову.

Надо было поспешить с изданием своих результатов и Ляпунову. В статье «Об одной задаче Чебышева», помещенной в «Записках Академии наук» 1905 года, кратко изложил он достигнутое к той поре. Упомянув о предыдущей своей работе по фигурам равновесия неоднородной жидкости, Александр Михайлович подчеркнул преемственность между двумя большими и независимыми его исследованиями. Успешное решение задачи Клеро-Лапласа позволило использовать тот же метод для задачи Чебышева и доказать «с полной строгостью существование тех фигур равновесия, которые в течение столь долгого времени были известны лишь в первом приближении».

Так решена была наконец задача Чебышева: среди фигур равновесия вращающейся жидкости в самом деле отыскались неэллипсоидальные, в том числе грушевидные. Но, доказав математически осуществимость грушевидных форм, Ляпунов категорически отверг возможность встретить их в реальной действительности. Для этого им недоставало весьма важного, можно сказать, наипервейшего качества — устойчивости.

Вывод Ляпунова ошеломил зарубежных ученых. Только что Дарвин, опираясь на формулы Пуанкаре, доказал устойчивость грушевидной фигуры, а математик из далекого Петербурга настаивает на прямо противоположном. В самой точной из наук, где, казалось бы, гарантированы объективность и однозначность результатов, сложилась нетерпимая ситуация: расчеты двух видных исследователей совпали с точностью до «наоборот». Причем в буквальном смысле. Ведь в качестве критерия устойчивости выступала некая математическая величина, которую требовалось подсчитать. Покажут вычисления, что она положительна, значит, грушевидная фигура устойчива. Если же в итоге всех выкладок признают ее отрицательной, ни о какой устойчивости не может быть и речи. И вот Дарвин получает эту величину со знаком «плюс», а Ляпунов — со знаком «минус». Есть от чего прийти в недоумение ученому люду!