Пьер Симон Лаплас

За блестящий интеллект и выдающиеся достижения сразу в нескольких науках — астрономии, математике, физике — Лапласа называли «французский Ньютон». Во времена Великой французской революции он считался «врагом народа» и едва избежал казни, а после Реставрации получил титул маркиза и пэра Франции. Его жизнь была яркой, и всего в ней он добился собственными силами.
Родился Пьер Симон Лаплас 23 марта 1749 г. в семье небогатого фермера в местечке Бомон-ан-Ож в Нижней Нормандии.
О детстве и юности Лапласа известно мало. Он не любил рассказывать о провинциальных родственниках и бедности родительского дома. Помещик, у которого его отец арендовал землю, покровительствовал смышлёному мальчику и дал ему возможность учиться в коллеже монахов-бенедиктинцев в Бомон-ан-Ож. В середине XVIII в. образование в нём уже было светским.
Лаплас проявил блестящие способности к языкам, математике, литературе, богословию. Литературу он любил всю жизнь, особенно Жана Ра-сина. Его стихи Лаплас ставил наравне с открытиями Исаака Ньютона и читал наизусть отрывки из его трагедий. Юный Пьер Симон вначале думал стать богословом. Он успешно выступал в дискуссиях на религиозные темы и обратил на себя внимание влиятельных служителей ордена бенедиктинцев. Благодаря этому Лаплас, ещё учась в коллеже, получил место преподавателя в военной школе Бомона. Там он преподавал элементарную математику.
Окончив коллеж, Лаплас поступил в университет в городе Кан и готовился там к карьере священника. Огромное влияние на него оказала «Энциклопедия, или Толковый словарь наук, искусств и ремёсел», авторами которой были великие деятели эпохи Просвещения во Франции. Лаплас самостоятельно изучал труды Исаака Ньютона и математические работы Леонарда Эйлера, Алексиса Клеро, Жозефа Луи Лагранжа и Жана Лерона Д’Аламбера.
Первая научная работа Лапласа была связана с математической теорией азартных игр. Для нахождения средних значений случайных величин он предложил «метод наименьших квадратов» (ищется величина, сумма квадратов отклонений от которой минимальна). Метод этот стал одним из важнейших инструментов теоретического естествознания.
Лаплас стал убеждённым последователем Ньютона и поставил перед собой задачу объяснить движение планет, их спутников, комет, океанские приливы на Земле и сложное движение Луны, пользуясь только принципом тяготения Ньютона. Своё убеждение он хотел подтвердить конкретными расчётами. Лаплас отказался от карьеры священника и решил посвятить свою жизнь теоретической астрономии.
Осенью 1770 г. Лаплас переехал в Париж. Он послал Д’Аламберу рекомендательные письма, на которые тот не обратил никакого внимания. Тогда Лаплас написал знаменитому учёному письмо, в котором изложил свои представления о задачах теоретической астрономии. Д’Аламбер понял, что перед ним очень талантливый молодой человек, уже владеющий современными математическими методами. Благодаря его поддержке Лаплас стал профессором математики в Королевской военной школе в Париже.
Лаплас обосновался в Париже и в Нормандию никогда больше не возвращался. Всё своё время он отдавал математике, направляя в Королевскую академию наук работу за работой по теории вероятностей и механике. Ему хотелось получить там младшую научную должность адъюнкта. Лаплас, которому было 22 года, был вполне уверен в себе: ведь Клеро был избран в Академию в 18 лет, а Д’Аламбер — в 24 года. Однако первая попытка оказалась неудачной. Лаплас вёл себя самоуверенно и нередко уязвлял самолюбие академиков, демонстрируя высокий уровень своих знаний. Несмотря на множество работ по математике, его забаллотировали.
Отвернувшись от французских академиков, обиженный Лаплас вступил в переписку с Лагранжем, президентом Берлинской королевской академии наук. С тех пор их научные судьбы тесно переплелись, так как оба учёных работали в одной области.
Наконец, в 1773 г., Лаплас был избран в Парижскую академию наук как адъюнкт-механик. В том же году была опубликована его фундаментальная работа «О принципе всемирного тяготения и о вековых неравенствах планет, которые от него зависят». (Вековым неравенством называют неуклонное, монотонное изменение периода обращения планеты вокруг Солнца. По законам Кеплера, он должен быть постоянным.) Но ещё Галлей, сравнивая свои наблюдения с данными астрономов предшествующих эпох, обнаружил, что в его эпоху Сатурн обращался вокруг Солнца медленнее, чем в древности, а Юпитер, наоборот, быстрее. Это ускорение планеты означало, что уменьшилась большая полуось орбиты планеты. Если бы ускорение Юпитера продолжалось бесконечно, то он упал бы на Солнце. Сатурн же удалился бы от Солнца навсегда. Чтобы объяснить неравенства Юпитера и Сатурна, учитывая при этом взаимное тяготение этих планет, Эйлер, а затем Клеро и Лагранж предложили свои теории возмущений планетных орбит.
Лаплас, усовершенствовав теорию Лагранжа, показал, что неравенства планет должны быть периодическими. Например, замедление Сатурна должно со временем смениться ускорением, а наблюдаемое ускорение Юпитера сменится замедлением. По его словам, «взаимное действие планет не вызывает векового ускорения в их средних движениях». Это означало, что Солнечная система, по-видимому, устойчива. Объясняя устойчивость работы «часового механизма» природы, Лаплас уже не предусматривал вмешательство Творца, к чему прибегал в своё время Ньютон. А в науке возник новый обязательный принцип: «Не должно вводить Бога в научную теорию, даже если ты веруешь в него». Так поступали все верующие учёные: Лаплас, Ломоносов, Дарвин, Эддингтон, Хаббл.
Последующие работы Лагранжа и самого Лапласа подтвердили их расчёты. Оказалось, что период изменения элементов орбиты одной планеты из-за возмущающего действия другой тем больше, чем ближе отношение начальных периодов обращения этих планет к рациональному числу (соизмеримые периоды). Если это отношение равно рациональному числу, то возмущения со временем должны непрерывно расти, и одна из планет либо упадёт на Солнце, либо будет выброшена из Солнечной системы. Таких случаев для больших планет в ней не наблюдалось. Зато периоды всех планет почти соизмеримы с периодом обращения Юпитера, поэтому их движения сложны и только в первом приближении могут быть описаны законами Кеплера.
Античные философы считали соизмеримость признаком гармонии. Они полагали, что движения планет гармоничны. Лаплас же обнаружил, что сложное движение планет и комет вызвано именно близостью Солнечной системы к гармоничному состоянию.
В работах 1778-1785 гг. Лаплас продолжал совершенствовать теорию возмущений. Её он использовал для анализа движения комет. Он показал, что если первоначально комета двигалась относительно Солнца по гиперболической орбите, то, приблизившись к Юпитеру, она будет испытывать сильное гравитационное воздействие. Её орбита может стать эллиптической, и периодически комета будет возвращаться к Солнцу.
В марте 1788 г. Лаплас женился на Шарлотте де Курти, красивой женщине с мягким характером. По воспоминаниям друзей Лапласа, в семейной жизни он был счастлив. У него было двое детей — сын, впоследствии генерал-артиллерист, и дочь, которая умерла в молодости.
В 1789 г. Лаплас построил теорию движения спутников Юпитера. Она очень хорошо согласовалась с наблюдениями, и её использовали для предсказания движения этих спутников.
Штурмом Бастилии 14 июля 1789 г. началась Великая французская революция. В августе 1792 г. король был свергнут и вскоре казнён. Учредительное собрание объявило Францию республикой.
Лаплас стоял в стороне от революционных событий. Некоторое время он принимал участие в работе Комиссии по установлению новой системы мер и весов, созданной в 1790 г. под председательством Лагранжа. Когда власть перешла к якобинцам, Лаплас был выведен из Комиссии за «недостаток республиканских добродетелей и ненависти к королям». Начались массовые казни. Якобинцы казнили даже знаменитого химика Лавуазье и астронома Байи. Королевская академия наук была упразднена. В мае 1793 г. Лаплас с семьёй бежал в городок Мелен недалеко от Парижа.
Там Пьер Симон написал замечательную и вполне общедоступную книгу «Изложение системы мира». Есть её русский перевод. В ней он собрал все основные астрономические знания XVIII столетия, не используя ни одной формулы. Лаплас подробно рассказал о календаре, затмениях, кометах, о движении планет и их спутников, о вращении Земли и её форме, о законе тяготения, о кольцах Сатурна, о движении Луны и приливах. Книгу завершают главы об истории астрономии и системе мира и примечания. В седьмом примечании Лаплас представил свою гипотезу происхождения Солнечной системы, которая вскоре стала знаменитой. Сам же он, как и Ньютон, остерегался гипотез и опубликовал свою «с осторожностью, подобающей всему, что не представляет результата наблюдений и вычислений».
Гипотеза Лапласа была результатом осмысления астрономических наблюдений и расчётов движений тел под действием ньютоновской силы тяготения. Он знал и о светящихся туманностях, открытых Гершелем. Лаплас предположил, что Солнечная система рождена из горячей газовой туманности, окружавшей молодое Солнце. Постепенно туманность остыла и под действием тяготения начала сжиматься. С уменьшением её размеров она вращалась всё быстрее. Из-за быстрого вращения центробежные силы стали сравнимыми с силой тяготения, и туманность сплющилась, превратилась в околосолнечный диск, который начал разбиваться на кольца. Чем ближе к Солнцу было кольцо, тем быстрее оно вращалось. Вещество каждого кольца постепенно остыло. Так как вещество в кольце не было распределено однородно, отдельные его сгустки благодаря тяготению начали сжиматься и собираться вместе. В конце концов кольцо из сгустков превратилось в протопланету. Каждая протопланета вращалась вокруг оси, и в результате этого могли образоваться её спутники.
Гипотеза Лапласа просуществовала более ста лет. Его ученики пытались представить её в виде математической модели. В рамках этой гипотезы не удалось объяснить, почему 98% момента количества движения Солнечной системы приходится на орбитальное движение планет, хотя их суммарная масса в 750 раз меньше массы Солнца. Кроме того, развитие газодинамики показало, что вращающееся кольцо не может сгуститься в планету. Однако физические эффекты «остывания» и «гравитационного сжатия», которыми пользовался Лаплас, являются главными и в современных моделях образования Солнечной системы.
В своей книге Лаплас, обсуждая свойства тяготения, приходит к выводу о том, что во Вселенной, возможно, есть настолько массивные тела, что свет не может их покинуть. Такие тела сейчас называют чёрными дырами.
«Изложение системы мира» вышло в свет в 1796 г.
В 1794 г., когда террор якобинцев был остановлен, Лаплас вернулся в Париж и принял участие в организации Нормальной школы (высшего учебного заведения) и Бюро долгот, которое должно было публиковать координаты Солнца, Луны и планет.
В 1790 г. была учреждена Палата мер и весов. Президентом стал Лаплас. Здесь под его руководством создана современная метрическая система всех физических величин.
В августе 1795 г. был учреждён Институт Франции, заменивший Академию. Лагранж избран председателем, а Лаплас — вице-председателем физико-математической секции института.
Лаплас начал работу над большим научным трактатом о движении тел в Солнечной системе. Он назвал его «Трактатом о небесной механике». Первый том вышел в 1798 г.
В ноябре 1799 г. генерал Наполеон Бонапарт произвёл государственный переворот и объявил себя первым консулом Французской республики. Когда Наполеон учился в Военной школе, он слушал лекции Лапласа и блестяще сдал ему экзамен по баллистике. Придя к власти, Наполеон назначил Лапласа министром внутренних дел, а сам вступил в члены Института Франции. Однако министр внутренних дел из Лапласа не получился. Он хотел реорганизовать работу судов на научной основе так, чтобы их приговоры с наибольшей вероятностью соответствовали сути дела. Через месяц Наполеон перевёл его в Сенат.
Лаплас продолжал много работать. Один за другим выходили тома «Трактата о небесной механике». Он стал членом большинства европейских академий. В 1808 г. Наполеон, уже будучи императором, пожаловал Лапласу титул графа империи.
После падения Наполеона и реставрации королевской династии Бурбонов в 1814 г. Лапласа снова осыпали милостями. Он получил титул маркиза и стал пэром Франции, ему вручили орден Почётного легиона высшей степени. За литературные достоинства «Изложения системы мира» Лаплас был избран в число «40 бессмертных» — академиков сект тип языка и литературы Парижской академии наук
В 1820 г. Лаплас организовал расчёты координат Луны по формулам его теории возмущений. Новые таблицы хорошо согласовывались с наблюдениями и имели большой успех.
Последние годы жизни Лаплас провёл с семьёй в Аркейле. Он занимался изданием «Трактата о небесной механике», работал с учениками. Несмотря на крупные доходы, жил он очень скромно. Кабинет Лапласа украшали копии с картин Рафаэля.
Зимой 1827 г. Лаплас заболел. Утром 5 марта 1827 г. он умер. Последние слова его были: «То, что мы знаем, так ничтожно по сравнению с тем, чего мы не знаем».