Число, пришедшее с холода. Когда математика становится приключением

Ташнер Рудольф

Еще Христофор Колумб мог исходить из допущения о том, что окружность Земли по экватору составляет всего 27 тысяч километров. Следовательно, континент Европы и Азии, согласно таким данным, составлял большую часть суши Северного полушария. Расстояние от Лиссабона до китайского города Гуаньчжоу, согласно сообщениям путешественника XIII в. Марко Поло, составляло около 11 тысяч километров. При таком допущении Колумб мог рискнуть и попытаться западным морским путем через Атлантику достичь Китая или Индии. Советники португальского короля отговаривали от финансирования этого предприятия – они доверяли старым расчетам Эратосфена. Испанский королевский двор после долгих и мучительных переговоров поддержал Колумба, и 3 августа 1492 г. он смог выйти в море. До конца своей жизни Колумб был убежден в том, что 12 октября 1492 г. он открыл «другую сторону» Индии.

Фальсифицированные измерения, таким образом, сделали возможным открытие Америки.

Астрономически большие числа

Окружность длиной 40 тысяч километров уже

трудно представить себе наглядно {4} , и воображение совершенно нам отказывает, если мы оставим Землю и обратимся к расстояниям космического масштаба. Вскоре после того, как Эратосфен совершил свой научный подвиг, астроном Гиппарх измерил расстояние от Земли до Луны. Это измерение было основано на оценке следующих наблюдений: во время лунного затмения тень Земли покрывает диск луны. Край тени Земли на диске имеет форму окружности – кстати говоря, именно этот факт послужил для Аристотеля доказательством шарообразной формы Земли, ибо только шар во всех своих проекциях отбрасывает на предметы круглую тень. Если во время лунного затмения взять монету достоинством 1 евро и начать рассматривать ее на расстоянии вытянутой руки (то есть на расстоянии приблизительно 75 сантиметров), очертания края монеты точно совпадут по размеру с краем земной тени на диске Луны. Длина окружности монеты равна приблизительно 75 миллиметрам, а монета удалена от глаза на расстояние, превышающее длину окружности в десять раз, то есть из этого можно заключить, что Луна удалена от Земли на расстояние, приблизительно в десять раз превышающее окружность Земли, что соответствует 400 тысячам километров. В сравнении с точно вычисленным средним расстоянием Луны от Земли, равным 384 тысячам километров, это не такой уж плохой результат. Сам Гиппарх впоследствии придумал более совершенный способ {5} , с помощью которого определил расстояние от Земли до Луны с ошибкой всего в несколько процентов.

4

Насколько легко люди поддаются заблуждениям, показывает следующий пример: допустим, что Земля – это идеальный шар, окружность которого по экватору равна в точности 40 тысячам километров. Допустим, что этот шар по экватору туго обтянут шнуром. После этого шнур немного ослабляют, увеличив его длину на 10 сантиметров. Насколько удалится шнур от поверхности Земли, если удлинение распределить равномерно по всей длине шнура? Сможем ли мы просунуть под шнур хотя бы песчинку, имеющую в диаметре одну сотую миллиметра? Поразительный ответ гласит, что мы сможем просунуть под шнур не только крошечную песчинку, но даже довольно толстый палец диаметром более 1 сантиметра, причем сразу в нескольких местах приподнятого над поверхностью Земли шнура.

5

Гиппарх учел, что тень Земли имеет не цилиндрическую, но коническую форму. Угол раствора этого конуса, который определяет уменьшение диаметра тени при удалении от источника света, Гиппарх смог вывести из величины солнечного диска. Умелое применение тригонометрических закономерностей, хорошо известных греческим математикам того времени, позволило Гиппарху измерить и рассчитать расстояние от Луны до Земли с относительной погрешностью всего в один процент.

Рис. 3. Тень Земли так покрывает диск полной Луны, что размер округлого края тени соответствует размеру монеты достоинством 1 евро, удаленной на расстояние 75 см от глаза. Отсюда можно грубо оценить расстояние от Земли до Луны

Зная расстояние от Земли до Луны, можно – по крайней мере, так думал живший до Эратосфена астроном Аристарх – определить и расстояние от Земли до Солнца. Когда на дневном небосводе видна ровно половина Луны, достаточно, по мысли Аристарха, измерить угол между зрительным лучом, направленным на Солнце, и зрительным лучом, направленным на Луну. Дело в том, что на Луне угол между лучами зрения, направленными на Солнце и на Землю, является прямым. Зная угол треугольника, образованный двумя сторонами, в концах которых находятся Луна – Земля и Земля – Солнце соответственно, можно определить форму треугольника. Если же известна одна сторона этого прямоугольного треугольника – в нашем случае это сторона, соответствующая расстоянию от Луны до Земли, – то можно легко вычислить длины двух других сторон.

Рис. 4. Принцип измерения расстояния от Земли до Солнца по Аристарху: когда Луна освещена в точности наполовину, направление зрительного луча от Земли до Луны составляет прямой угол с направлением зрительного луча, направленного от Луны к Солнцу. Если теперь измерить угол между лучом, соединяющим Землю и Луну, и лучом, соединяющим Землю и Солнце, то можно получить углы прямоугольного треугольника. Исходя из известной длины одной стороны этого треугольника и его углов, можно посчитать, во сколько раз расстояние от Земли до Солнца превышает расстояние от Земли до Луны. Правда, измеренный угол между направлениями

от Земли до Луны и от Земли до Солнца настолько близок к прямому, что Аристарх не смог получить достоверные данные

Теоретически метод Аристарха безупречен. Но при попытке его практического применения он оказывается невыполнимым. Угол между направлением зрительной оси от Земли до Луны и направлением зрительной оси от Земли до Солнца очень мало отличается от прямого. Аристарх не мог измерить эту разницу с помощью доступных ему методов измерения углов. Направления лучей от Солнца до Луны и от глаза до Солнца оказывались практически параллельными. Таким образом, ясно, что Солнце находится от Земли на расстоянии, многократно превышающем расстояние от Земли до Луны. Аристарх считал, что в девятнадцать раз. Однако он сильно ошибся. Солнце располагается от Земли дальше, чем Луна, приблизительно в 400 раз.

Это расстояние приблизительно равно 150 миллионам километров. Произнести число 150 миллионов легко, но едва ли нам удастся вообразить себе такое расстояние наглядно. Достаточно ли сказать, что надо обогнуть Землю 3750 раз, чтобы преодолеть это немыслимо огромное расстояние? Или вспомнить о том, что свету, который каждую секунду преодолевает 300 тысяч километров, требуется около восьми минут для того, чтобы преодолеть расстояние от Солнца до Земли? Все это соответствует действительности, но превосходит силу нашего воображения.

Но с удаления от Земли до Солнца астрономические расстояния только начинаются. Самые близкие к нам звезды расположены от нас в 250 тысяч раз дальше, чем Солнце. Это приблизительно 40 триллионов километров. Свет в течение одного года преодолевает расстояние, равное девяти с половиной триллионам километров, и именно это расстояние для краткости очень мило называют «световым годом». Это необходимое сокращение, ибо, например, Млечный Путь, этот звездный остров, составленный из миллиардов звезд, одной из которых является наше Солнце, имеет диаметр около ста тысяч световых лет. Этот звездный остров называется галактикой. Ближайшая следующая галактика – туманность Андромеды. Она удалена от нас на расстояние около двух миллионов световых лет, но в ясную звездную ночь ее можно различить на небосводе невооруженным глазом в виде расплывчатой светящейся точки. В привычных единицах измерения это расстояние соответствует более чем 18 квинтиллионам километров – числу, напоминающему число зернышек риса из рассказа о мудреце и магарадже.

Но и это всего лишь начало рассказа космологов о величине мирового пространства. В нем таких галактик, таких звездных островов, как Млечный Путь или туманность Андромеды, насчитывается больше 100 миллиардов. С помощью мощнейших наземных телескопов и телескопов, установленных на искусственных спутниках Земли, астрономы наблюдают немыслимые бездны мироздания. Теоретически с помощью этих устройств можно проникнуть взором на расстояние почти 50 миллиардов световых лет, а дальше начинается «горизонт событий Вселенной», за который, если верить общей теории относительности Эйнштейна, мы не можем заглянуть даже с помощью самой совершенной аппаратуры. Если выразить 50 миллиардов световых лет в километрах, то получается число 450 секстиллионов километров.

Опять-таки произнести это легко, но наглядно представить невозможно.

Самое большое число во Вселенной

Огромные расстояния космоса побудили Архимеда к тому, чтобы вычислить самое большое число, существующее на Земле. Архимед придерживался того мнения, что, несмотря на некоторый смысл, все же было бы бесполезно говорить о числах, больших, чем число самых мелких частиц, которые могут уместиться во всей Вселенной.

По мнению Архимеда, самая мелкая из всех частиц – песчинка. Вероятно, что все же в виду имелась пылинка, потому что Архимед исходил из мысли о том, что в маковом зернышке может поместиться не больше десяти тысяч песчинок. Если положить рядом 25 маковых зернышек, то получится ширина пальца. Для верности Архимед несколько уменьшил размер макового зернышка и сделал его таким, что сорок зернышек, положенных в ряд, составят отрезок длиной один сантиметр. Представим себе маковое зернышко в виде куба с длиной ребра четверть миллиметра. Значит, объем этого кубика будет равен 0,016 кубического миллиметра. Архимед сделал его еще меньше, приравняв к 0,01 кубического миллиметра. Это зернышко может вместить десять тысяч песчинок. Таким образом, песчинка, которая, по Архимеду, является самой мелкой частицей во Вселенной, имеет крошечный объем, равный 0,000001 кубического миллиметра. Другими словами, в одном кубическом миллиметре может уместиться миллион песчинок.

Итак, наибольшее число во Вселенной – это песчаное число, то есть число песчинок, способных уместиться во Вселенной.

Размер Вселенной Архимед, надо сказать, оценил весьма щедро – и, как мы уже знаем, ошибочно – ибо в своих расчетах опирался на данные Аристарха о расстоянии от Земли до Солнца. По мнению Аристарха, Солнце удалено от Земли на расстояние, в 19 раз превышающее расстояние от Земли до Луны. Таким образом, по Аристарху, расстояние от Земли до Солнца равно произведению расстояния до Луны – 400 тысяч километров – на двадцать, что в результате дает восемь миллионов километров. Архимед предположил, что Вселенная заведомо уместится в куб, ребро которого в миллион раз больше расстояния от Земли до Солнца. То есть длина ребра равна восьми триллионам километров. Еще больше куб с ребром длиной десять триллионов километров. Из этого числа и исходил Архимед. Объем такого куба равен одному секстиллиарду кубических километров, или 10³⁹ кубических километров, или единице с тридцатью девятью нулями.