Пьер Лаплас: биография, достижения в науке.

Лаплас В своем «Трактате о небесной механике» (1779- 1825) Пьер Симон де Лаплас доказывал, что солнечная система, управляемая силами гравитации, упорядочена и что планеты движутся по вечно неизменным орбитам. В своей книге «Изложение системы мира» (1796), обсуждая возможность

И. С. Дмитриев Пьер Симон Лаплас - маленький император большой науки

И. С. Дмитриев Пьер Симон Лаплас - маленький император большой науки Состояние французской науки при ancien r?gime и в первое пятилетие революции многократно рассматривалось в историко-научной литературе. Гораздо меньше внимания было уделено научной жизни Франции

Пьер-Симо́н Лапла́с - выдающийся французский математик, физик и астроном.

Открытия Лапласа в астрономии

Кроме математически обоснованной космогонической гипотезы образования всех тел Солнечной системы, названной его именем: гипотеза Лапласа, он сделал много других открытий в астрономии.

Предположение о множестве галактик

Он первый высказал предположение, что некоторые наблюдаемые на небе туманности на самом деле - галактики, подобные нашему Млечному пути.

Он развил теорию возмущений и убедительно показал: все отклонения положения планет от предсказанных законами Ньютона объясняются взаимовлиянием планет , которое можно учесть с помощью тех же законов Ньютона. Ещё в 1695 г. Галлей обнаружил, что Юпитер в течение нескольких веков постепенно ускоряется и приближается к Солнцу, а Сатурн, наоборот, замедляется и удаляется от Солнца. Некоторые учёные полагали, что в конце концов Юпитер упадёт на Солнце. Лаплас открыл причины этих смещений (неравенств ) - взаимовлияние планет , и показал, что это не более чем периодические колебания, и всё возвращается в исходное положение каждые 929 лет.

Он выдвинул и обосновал тезис о том, что в небесной механике нет иных сил, кроме ньютоновских.

Лаплас открыл, что ускорение в движении Луны, приводившее в недоумение всех астрономов (вековое неравенство ), тоже является периодическим изменением эксцентриситета (числовая характеристика конического сечения, показывающая степень его отклонения от окружности) лунной орбиты и возникает под влиянием притяжения крупных планет. Рассчитанное им смещение Луны под влиянием этих факторов хорошо соответствовало наблюдениям.

По неравенствам в движении Луны Лаплас уточнил сжатие земного сфероида. Исследования, произведенные Лапласом в движении Луны, дали возможность составить более точные таблицы Луны, что, в свою очередь, способствовало решению навигационной проблемы определении долготы на море.

Законы Лапласа

Лаплас первый построил точную теорию движения галилеевых спутников Юпитера, орбиты которых из-за взаимовлияния постоянно отклоняются от кеплеровских. Галилеевы спутники - это 4 крупнейших спутника (из общего числа 67) Юпитера: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто (в порядке удаления от Юпитера). Они входят в число крупнейших спутников Солнечной системы и могут наблюдаться в небольшой телескоп). Спутники были открыты Галилео Галилеем 7 января 1610 г. с помощью его первого в истории телескопа.

Он также обнаружил связь между параметрами их орбит, выражаемую двумя законами, получившими название «законов Лапласа».

О движении колец Сатурна

Кольца Сатурна постоянно будоражили воображение исследователей своей уникальной формой. Кант первым предсказал существование тонкой структуры колец Сатурна. Пользуясь своей моделью протопланетного облака, он представлял себе кольцо в виде плоского диска из сталкивающихся частиц, вращающихся дифференциально вокруг планеты по закону Кеплера. Именно дифференциальное вращение, согласно Канту, является причиной расслоения диска на серию тонких колечек. Позднее Симон Лаплас доказал неустойчивость твердого широкого кольца . А еще ранее он доказал, что кольца не могут быть твёрдыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришёл к заключению, что подобная структура может быть устойчивой только в том случае, если состоит из роя не связанных между собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов.

Вычислив условия равновесия кольца Сатурна, Лаплас доказал, что они возможны лишь при быстром вращении планеты около оси, и это действительно было доказано потом наблюдениями Уильяма Гершеля.

Динамическая теория приливов

Лаплас разработал теорию приливов при помощи двадцатилетних наблюдений уровня океана в Бресте (Франция). Для расчёта приливов Лаплас исходил из предположения, что вся Земля погружена в каплю Мирового океана, но учёл, что приливные силы в ней изменяются по периодическому закону, являющемуся суммой гармонических составляющих с разной фазой.

Опубликованная в 1775 году «динамическая» теория приливов Лапласа устраняла главный недостаток статистической теории Ньютона - гипотезу о статическом состоянии явления, которое в действительности непрерывно меняется.

В динамической теории приливы рассматриваются как волновое движение частиц воды в вертикальном и горизонтальном направлениях. Лаплас в рамках этой теории получил уравнения движения приливов на вращающейся Земле и дал их решение в предположении, что океан покрывает ровным слоем всю Землю.

Выведенные Лапласом дифференцированные уравнения показали возможность выражения изменчивости приливов во времени в определенных точках в форме суммы ряда простых гармонических колебаний. Таким образом, Лаплас положил начало наиболее общему практическому методу предвычисления приливов, названному гармоническим анализом . Этот метод и сейчас является основным методом предвычисления приливов в практических целях.

То, что мы знаем, так ничтожно по сравнению с тем, что мы не знаем.

Пьер Симон Лаплас

Пьер Симон Лаплас (23 марта 1749 - 5 марта 1827) - выдающийся французский математик, физик и астроном; известен работами в области небесной механики, дифференциальных уравнений, один из создателей теории вероятностей. Заслуги Лапласа в области чистой и прикладной математики и особенно в астрономии громадны: он усовершенствовал почти все отделы этих наук.

Пьер Симон Лаплас родился в местечке Бомон-ан-Ож, в нормандском департаменте Кальвадос в семье небогатого крестьянина. Впоследствии граф и маркиз Лаплас стыдился своего незнатного происхождения, поэтому о его детских и юношеских годах известно очень немногое. Пьер рано проявил свои выдающиеся способности, с блеском окончил школу бенедиктинцев и был оставлен там же, в Бомоне, преподавателем математики военной школы. В семнадцать лет написал свою первую научную работу. Посланный им в Турин и напечатанный там мемуар «Sur le calcul intégral aux différences infiniment petites et aux différences finies» (1766) обратил на себя внимание учёных, и Лаплас был приглашён в Париж.

Жизнь в захолустном Бомоне тяготила Лапласа, и в 1766 году он отправился в Париж. Там с помощью Д’Аламбера он получил место преподавателя математики в Военной школе Парижа.

В 1772 году Лаплас сделал попытку поступить в Парижскую академию наук, но провалился на выборах. Д’Аламбер попытался устроить своего протеже в Берлинскую академию и написал письмо ее президенту Лагранжу: «Этот молодой человек горит желанием заниматься математикой, и я думаю, что у него достаточно таланта, чтобы выделиться в этой области». Но Лагранж вежливо отказал. Он ответил, что условия в Берлинской академии наук плохие, и он не советует в нее поступать.

В самом начале научной карьеры Лаплас сразу приступил к штурму «главной проблемы небесной механики»: исследованию устойчивости Солнечной системы.

В движении Луны и планет наблюдались некоторые нерегулярности. Они могли означать, что планета удаляется от Солнца на всё большее расстояние. Ещё в 1695 году Галлей обнаружил, что Юпитер в течение нескольких веков постепенно ускоряется и приближается к Солнцу, а Сатурн, наоборот, замедляется и удаляется от Солнца. Некоторые учёные полагали, что в конце концов Юпитер упадёт на Солнце.

В 1773 году, виртуозно применив математический анализ, Лаплас доказал, что нерегулярности, наблюдаемые в скоростях Юпитера и Сатурна, имеют периодический характер, поэтому движение этих двух планет является устойчивым. Даже Ньютон и Эйлер не были в этом уверены.

В 1773 году Лаплас становится адъюнктом Парижской академии.

В 1778 году Лаплас женился на Шарлотте де Курти - красивой женщине с добрым характером и был счастлив в личной жизни. Жена любила своего мужа, преклонялась перед ним и делала все, чтобы оградить его от домашних забот и волнений, чтобы все свое время он мог посвящать занятиям наукой. Семейная жизнь Лапласа, по воспоминаниям современников, текла ровно и приятно. У него были дочь и сын - впоследствии генерал Лаплас.

В 1785 году Лаплас становится действительным членом Парижской Академии наук. В этом же году, на одном из экзаменов, Лаплас высоко оценивает знания 17-летнего абитуриента Бонапарта. Впоследствии их отношения были неизменно тёплыми.

В 1779 - 1784 годах Лаплас совместно с Лавуазье занимался физическими вопросами, в частности, теплотой плавления тел. Великая французская революция прервала работы Лапласа в этой области.

После народного восстания 1793 года во Франции установилась якобинская диктатура. Вскоре революция пошла на спад. 8 августа 1793 года декретом Конвента Академия наук в числе всех других королевских учреждений была упразднена, а Лаплас был уволен из Комиссии по мерам и весам из-за «недостаточности республиканских добродетелей и слишком слабой ненависти к королям».

В 1794 году Конвент создал Нормальную школу, предназначенную для подготовки преподавателей, и Центральную школу общественных работ, которая потом была переименована в Политехническую школу. Лаплас был профессором обеих этих школ. Выдающимся высшим учебным заведением стала Политехническая школа, про которую современники говорили, что это «заведение без соперника и без образца, заведение, которому завидует вся Европа, первая школа в мире». Помимо Лапласа в ней преподавали такие знаменитые ученые, как Монж, Лагранж, Карно.

В 1795 году вместо упраздненной Академии наук Конвент создал Национальный институт наук и искусств. Лаплас становится членом Института и возглавляет Бюро долгот, которое занималось измерением длины земного меридиана.

На всех этапах бурной политической жизни тогдашней Франции Лаплас никогда не вступал в конфликты с властями, которые почти неизменно осыпали его почестями. Простонародное происхождение Лапласа не только предохранило его от репрессий революции, но и позволило занимать высокие должности.

На другой день после переворота 18 брюмера пришедший к власти Наполеон назначил Лапласа министром внутренних дел. На этом посту ученый продержался лишь полгода и был заменен братом Наполеона Люсьеном Бонапартом. Чтобы не обидеть ученого, Бонапарт назначил Лапласа членом сената и послал ему учтивое письмо.

В 1803 году Наполеон сделал Лапласа вице-президентом сената, а через месяц - канцлером. В 1804 году ученый получил орден Почетного легиона.

С 1801 по 1809 годы Лаплас был избран членом королевских обществ в Турине и Копенгагене, академий наук в Геттингене, Берлине и Голландии. 13 октября 1802 году Лаплас стал почетным членом Петербургской академии наук.

Наполеон, который очень верно судил о людях, так писал на острове Святой Елены о Лапласе в своих воспоминаниях «Великий астроном грешил тем, что рассматривал жизнь с точки зрения бесконечно малых». Действительно, все, что не касалось науки, было для Лапласа бесконечно малым. Строгий и взыскательный к себе, когда дело шло о науке, в обыденной жизни Лаплас поступал иногда хорошо, иногда плохо, смотря по обстоятельствам, пренебрегая всем этим, как бесконечно малым, во имя главного дела своей жизни - научного творчества. Ради науки он даже менял свои убеждения. Видимо, стоит отнестись к некоторым моментам в жизни Лапласа, как к бесконечно малому в сравнении с тем великим и значительным, что создал ученый в науке.

Всю свою жизнь Лаплас посвятил астрономии, и, какой бы областью математики он не занимался, его прежде всего интересовало применение полученных результатов к астрономии. Рассказывают, будто в своих рукописях Лаплас не редко опускал трудные этапы доказательства, заменяя их кратким замечанием: «Нетрудно видеть, что…» Одно не вызывает сомнения - Лапласу действительно было не до детальной отделки доказательств, он торопился поскорее перейти к астрономическим приложениям. Многочисленные фундаментальные результаты, полученные Лапласом в математике, были не более чем побочными продуктами его титанической деятельности в области естествознания. Математика для Лапласа была языком и средством познания и описания естественного мира. Известно высказывание Лапласа:

Состояние Вселенной в данный момент можно рассматривать как результат её прошлого и как причину её будущего. Разумное существо, которое в любой момент знало бы все движущие силы природы и взаимное расположение образующих её существ, мог бы - если бы его разум был достаточно обширен для того, чтобы проанализировать все эти данные, - выразить одним уравнением движение и самых больших тел во Вселенной, и мельчайших атомов.

Научные достижения XVIII века собраны и воплощены Лапласом в одном из шедевров научной литературы - пятитомной «Небесной механике», печатавшейся в 1799-1825 годах.

Воспитанный в духе католицизма, Лаплас был агностиком и решительно отвергал идею о боге - создателе математического плана Вселенной. Рассказывают такую историю:

Когда Лаплас преподнёс в подарок Наполеону экземпляр своей «Небесной механики», тот заметил: «Месье Лаплас, говорят, вы написали эту толстую книгу о системе мира, не упомянув создателя ни единым словом». На что Лаплас, якобы ответил: «Мне не понадобилась эта гипотеза».

По иронии судьбы Лаплас, твёрдо веривший в то, что явления природы строго детерминированы в соответствии с математическими законами, становится одним из отцов статистических и вероятностных методов в математике. Причины, вызывающие то или иное явление, считал Лаплас, не всегда известны, и наблюдения обладают ограниченной точностью. Чтобы определить наиболее вероятные причины и наиболее вероятные результаты, следует воспользоваться теорией вероятностей. В 1812 году выходит в свет грандиозная «Аналитическая теория вероятностей», в которой Лаплас также подытожил все свои и чужие результаты. "Аналитическая теория вероятностей" Лапласа издавалась трижды при жизни автора (1812, 1814, 1820), и по праву считается классическим трудом по этому разделу математики.

При решении прикладных задач Лаплас разработал методы математической физики, широко используемые и в наше время. Особенно важные результаты относятся к теории потенциала и специальным функциям. Он ввел в математику шаровые функции, которые применяются для нахождения общего решения уравнения Лапласа и при решении задач математической физики для областей, ограниченных сферическими поверхностями. Он далеко продвинул линейную алгебру; в частности, Лаплас дал разложение определителя по минорам. Лаплас расширил и систематизировал математический фундамент теории вероятностей, ввёл производящие функции. Несмотря на то, что до Лапласа теорией вероятностей занимались, в частности, Ферма и Бернулли, именно Лаплас является в значительной мере автором математической теории вероятностей, причем ему принадлежит усовершенствование методов доказательства. Первая книга «Аналитической теории вероятностей» посвящена математическим основам; собственно теория вероятностей начинается во второй книге, в применении к дискретным случайным величинам. Там же - доказательство предельных теорем Муавра-Лапласа и приложения к математической обработке наблюдений, статистике народонаселения и «нравственным наукам». Лаплас развил также теорию ошибок и приближений методом наименьших квадратов.

Целый ряд выдающихся достижений принадлежит Лапласу в астрономии помимо уже упомянутого доказательства устойчивости Солнечной системы. Лаплас предложил первую математически обоснованную космогоническую гипотезу образования всех тел Солнечной системы, называемую его именем: гипотеза Лапласа.

По гипотезе Лапласа, Солнечная система образовалась из первичной туманности, состоявшей из раскаленного газа и простиравшейся далеко за пределы орбиты самой дальней планеты. Вращательное движение охлаждавшейся и сжимавшейся туманности обусловливало ее сплющивание. В процессе этого сплющивания возникала центробежная сила, под влиянием которой от туманности по ее краю отделялись кольца газовой материи, собравшиеся затем в комки и давшие начало планетам и их спутникам.

Его гипотеза была общепризнанной в науке в течение столетия. Со временем она пришла в противоречие с вновь открытыми закономерностями в Солнечной системе и была оставлена.

Лаплас первый высказал предположение, что некоторые наблюдаемые на небе туманности, на самом деле - галактики, подобные нашему Млечному пути.

Лаплас далеко продвинул теорию возмущений и убедительно показал: все отклонения положения планет от предсказанных законами Ньютона (точнее говоря, предсказанных решением задачи двух тел) объясняются взаимовлиянием планет, которое можно учесть с помощью тех же законов Ньютона. До открытий Лапласа немало учёных пытались объяснить отклонения теории от наблюдений движением эфира, конечной скоростью тяготения и иными не-ньютоновскими факторами; Лаплас надолго похоронил подобные попытки. Он, как ранее Клеро, провозгласил: в небесной механике нет иных сил, кроме ньютоновских, и аргументировано обосновал этот тезис.

Лаплас открыл, что ускорение в движении Луны, приводившее в недоумение всех астрономов (вековое неравенство), тоже является периодическим изменением эксцентриситета лунной орбиты, и возникает оно под влиянием притяжения крупных планет. Рассчитанное им смещение Луны под влиянием этих факторов хорошо соответствовало наблюдениям.

По неравенствам в движении Луны Лаплас уточнил сжатие земного сфероида. Вообще исследования, произведенные Лапласом в движении нашего спутника, дали возможность составить более точные таблицы Луны, что, в свою очередь, способствовало решению навигационной проблемы определении долготы на море.

Лаплас первый построил точную теорию движения галилеевых спутников Юпитера, орбиты которых из-за взаимовлияния постоянно отклоняются от кеплеровских. Он также обнаружил связь между параметрами их орбит, выражаемую двумя законами, получившими название «законов Лапласа».

Вычислив условия равновесия кольца Сатурна, Лаплас доказал, что они возможны лишь при быстром вращении планеты около оси, и это действительно было доказано потом наблюдениями Уильяма Гершеля. Лаплас пришел к выводу, что кольцо Сатурна не может быть сплошным, иначе оно было бы неустойчивым; предсказал сжатие Сатурна у полюсов.

Лаплас разработал теорию приливов при помощи двадцатилетних наблюдений уровня океана в Бресте.

В физике Лапласу принадлежит барометрическая формула, связывающая плотность воздуха, высоту, влажность и ускорение свободного падения. Лаплас опубликовал ряд работ по теории капиллярности и установил закон для капиллярного давления. В 1809 году Лаплас занимался проблемами акустики; он вывел формулу для скорости распространения звука в воздухе.

Бесспорно, Лаплас был великим ученым. Научное наследие его огромно. Сведения же о нем, как человеке весьма противоречивы.

Лапласа особенно осуждают за то, что он был аполитичен. Он всегда оставлял проигравших и переходил на сторону победивших. Так, в 1814 году Лаплас одним из первых подал голос за низложение Наполеона. Но надо помнить, что главным в жизни Лапласа была не политика, а наука. Ей он отдавался со всей страстью, ей он служил верой и правдой, в ней он был честен, откровенен и принципиален до конца. Бывало, он заблуждался. Например, он не принял волновую теорию света и настаивал на его корпускулярной природе. Но ошибками такого рода страдали и другие великие ученые.

Лаплас был широко образованным человеком. Он знал языки, историю, философию, химию и биологию, не говоря уже об астрономии, математике и физике. Любил поэзию, музыку, живопись. Обладал прекрасной памятью и до глубокой старости наизусть читал целые страницы из Расина.

После реставрации монархии Лаплас пользовался благосклонностью Людовика XVIII. Король сделал его пэром Франции и пожаловал титул маркиза. В 1816 году ученого назначили членом комиссии по реорганизации Политехнической школы. В 1817 году Лаплас стал членом вновь созданной Французской академии, т. е. одним из сорока бессмертных.

Умер Пьер Симон Лаплас после недолгой болезни 5 марта 1827 года. Его последние слова были: «То, что мы знаем, так ничтожно по сравнению с тем, что мы не знаем».

Имя Лапласа носят следующие математические объекты:

• интеграл Лапласа
• оператор Лапласа (лапласиан)
• векторный оператор Лапласа (векторный лапласиан)
• предельная формула Лапласа
• преобразование Лапласа
• распределение Лапласа
• локальная теорема Лапласа
• теорема Лапласа о вычислении определителя
• уравнение Лапласа
• функция Лапласа
• метод Лапласа

По материалам книг Д. Самина «100 великих учёных» (М.: Вече, 2000) и «Шеренга великих математиков» (Варшава, изд. Наша Ксенгарня, 1970), сайта tonnel.ru и Википедии.