Pierre Fermat: zasada najmniejszego działania dla światła (1657-1662)

Greccy geometrzy zauważyli, że światło biegnie po najkrótszej drodze, i to zarówno wtedy, gdy porusza się prostoliniowo między dwoma punktami (np. A i C), jak i wówczas, gdy po drodze odbija się od zwierciadła, biegnąc po łamanej ABC. Najkrótszej drodze odpowiada prawo odbicia: kąt odbicia równy jest kątowi padania.

fermat-heron

Rozumowanie z rysunku znajdujemy u Herona z Aleksandrii w jego Katoptryce (czyli optyce zwierciadeł). Jeśli punkt A odbijemy symetrycznie w płaszczyźnie zwierciadła (prostopadłej do rysunku), otrzymujemy A’. Drogi A’B i AB są więc równe. Zamiast ABC możemy rozpatrywać A’BC. Dowolna łamana AXC ma taką samą długość, jak A’XC. Ponieważ każda łamana biegnąca od A’ do C jest dłuższa niż odcinek prostej, więc najkrótsza droga równa jest ABC i punkt B leży wówczas na odcinku A’C. Łatwo widać, że dla takiej drogi kąt odbicia równa się kątowi padania.

W roku 1657 Pierre Fermat, radca parlamentu (czyli sądu) w Tuluzie, otrzymał w prezencie książkę poświęconą światłu.

la_lumiere_cureau_de_la-chambre

Jej autorem był Marin Cureau de La Chambre, lekarz, do którego nastoletni Ludwik XIV, przyszły Król-Słońce miał ogromne zaufanie. Fermat, urzędnik królewski, czuł się w obowiązku zajrzeć do książki doradcy tak uczonego i ustosunkowanego na dworze (zręczność dyplomatyczną autora widać i w tym, że na karcie tytułowej jego własne nazwisko złożone jest znacznie mniejszą czcionką niż nazwisko potężnego kardynała Mazarin). Książka zawierała dowód Herona. Cureau de La Chambre zwracał też uwagę, że gdy światło się załamuje, przebywana przez nie droga już nie jest najkrótsza.

fermat0

Droga ABC jest oczywiście dłuższa niż ADC na rysunku. Fermat znał, jak wszyscy, prawo załamania (prawo Snella), opublikowane przez Kartezjusza w 1637 roku. Nie zgadzał się jednak z fizycznym wyprowadzeniem tego prawa, niezbyt wierzył chyba w te wszystkie niewidzialne cząstki rozmaitych kształtów i wielkości, które miały się ze sobą zderzać i na siebie napierać, tłumacząc absolutnie wszystko: od ruchu planet i optyki, po magnetyzm i ciężkość ciał. Jako matematyk szukał wyjaśnienia elegantszego i mniej uwikłanego w trudne do sprawdzenia przesłanki. Gdyby przyjąć, że w gęstszym ośrodku światło napotyka większy opór, to należałoby drogę w ośrodku liczyć np. podwójnie. A więc nadal można podejrzewać, że światło wybiera najłatwiejszą drogę. Należałoby jednak minimalizować nie sumę dróg, lecz pewną ich kombinację, np. AB+2BC. Gęstszemu ośrodkowi odpowiadałby większy współczynnik: wyglądało to rozsądnie, gdyż u Kartezjusza światło miało „większą siłę” w ośrodku gęstszym, co nie jest zbyt intuicyjne (ani zrozumiałe). Nie chcąc wdawać się w spory na temat natury światła, Fermat unikał mówienia o jego prędkości – bowiem zdaniem kartezjan oraz Cureau de La Chambre światło rozchodzi się momentalnie. Sporów z kartezjanami, uczniami mistrza, nie uniknął, podobnie jak dwadzieścia lat wcześniej z ojcem-założycielem tej sekty filozoficznej. Fermat znany był z wysuwania twierdzeń, których nie chciało mu się albo których nie potrafił dowieść, słynnym przykładem jest jego Wielkie Twierdzenie udowodnione pod koniec XX wieku. Także i tym razem niezbyt chętnie brał się do sprawdzenia, czy rzeczywiście światło podlega zasadzie najmniejszego działania. Miał własną metodę szukania ekstremum, dość toporną z dzisiejszego punktu widzenia, zastąpioną później przez obliczanie pochodnych. W wersji Fermata prowadziła ona do długich rachunków, ale w pierwszym dniu nowego roku 1662 zakomunikował Cureau de La Chambre, że obliczenia się udały i prowadzą do znanego prawa załamania. Niemal pięcioletnie opóźnienie między wysunięciem twierdzenia a zbadaniem jego konsekwencji tłumaczył Fermat dwiema przeszkodami: po pierwsze, nie był całkiem pewien, jak należy sformułować zasadę minimum i czy prawo Snella jest ściśle słuszne. Drugą przeszkodą była, typowa dla matematyków, niechęć do długich rachunków. W tym przypadku w grę wchodziły cztery odcinki, a więc cztery pierwiastki z sumy kwadratów współrzędnych. „Obawa, że po długich i trudnych rachunkach dojdę do jakiejś fantastycznej i nieregularnej proporcji oraz moja naturalna skłonność do lenistwa pozostawiły rzecz w tym stanie aż do ostatniego napomnienia, którego udzielił mi w pańskim imieniu pan przewodniczący de Miremont. (…) Nagroda za tę pracę okazała się zupełnie nadzwyczajna, niespodziewana i szczęśliwa. Kiedy bowiem przebrnąłem przez wszystkie równania, mnożenia, antytezy i inne operacje, jakich wymaga moja metoda (…) stwierdziłem, że moja zasada daje dokładnie tę samą proporcję załamania, jaką ustalił pan Descartes. Tak bardzo zaskoczył mnie ten niespodziewany wynik, że z trudem mogłem dojść do siebie. Wiele razy powtórzyłem różne operacje algebraiczne, otrzymując stale ten sam wynik, choć moje rozumowanie zakłada, iż przejście światła przez gęste ciała jest trudniejsze niż przez rzadkie, co uważam za prawdziwe oraz niewątpliwe, niemniej jednak pan Descartes zakłada coś przeciwnego”.

Fermat zakłada więc, że nie suma dróg s_1+s_2 musi być minimalna, lecz suma ich kombinacji liniowych s_1+ns_2, gdzie n jest współczynnikiem załamania drugiego ośrodka (względem pierwszego). Łatwo widać, że jeśli przyjmiemy za prędkość światła w drugim ośrodku wielkość v=c/n (gdzie c jest prędkością w ośrodku pierwszym), to można tę zasadę sformułować jako zasadę najkrótszego czasu:

t=\dfrac{s_1}{c}+\dfrac{s_2}{v}=\dfrac{s_1+n s_2}{c}.

Fermat dumny był z otrzymania eleganckiego wyniku, lecz kartezjanie uważali go za ciekawostkę matematyczną, a nie zasadę odnoszącą się do światła. Zasada Fermata nabrała sensu dopiero dla Christiaana Huygensa, który światło uznawał za rozchodzące się zaburzenie eteru, coś w rodzaju fali nieokresowej, jak np. fala uderzeniowa. Wiedział on już, że prędkość światła jest skończona. Huygens przedstawił też elegancki dowód, że zasada Fermata prowadzi do prawa załamania Snella. Jest on wyraźnie prostszy niż obliczenie Fermata – zwykle udaje się uprościć rozumowanie, kiedy już wiadomo, dokąd prowadzi.

fermat-a-la-huygens

Porównujemy rzeczywisty bieg promienia światła ABC z fikcyjnym AFC. Budujemy prostokąt AOHB, mamy w ten sposób pewność, że AB=OH. Na BC opuszczamy prostopadłą GF z punktu G. Z prawa załamania mamy

\dfrac{\mbox{HF}}{\mbox{BG}}=\dfrac{\sin\alpha}{\sin\beta}=n.

Zachodzą też nierówności

\mbox{AF}>\mbox{OH}+\mbox{HF}=\mbox{AB}+n\mbox{BG},

n\mbox{FC}>n\mbox{GC}.

Dodając te nierówności stronami, otrzymujemy:

\mbox{AF}+n\mbox{FC}>\mbox{AB}+n\mbox{BC}.

Zmieniając nieco nasz rysunek, możemy zrozumieć przyczynę prawa załamania dla fal. Linie AA’ oraz BH to czoła fali w pierwszym ośrodku, GF oraz CC’ to czoła fali w drugim ośrodku. W czasie potrzebnym na przejście odległości HF w pierwszym ośrodku, w drugim fala przejdzie odległość BG.

fermat-huygens2

Zatem stosunek obu odległości równy jest

\dfrac{\sin\alpha}{\sin\beta}=\dfrac{c}{v}=n.

Bezpośrednie wyjaśnienie zasady Fermata daje nam mechanika kwantowa albo falowa teoria światła: faza światła zależy od czasu. W sąsiedztwie ekstremum fazy zmieniają się bardzo powoli i rezultatem jest silna fala wypadkowa.

Warto może przytoczyć dzisiejszą wersję obliczeń Fermata. Jest ona banalna, co nie oznacza, że jesteśmy mądrzejsi od Fermata, ale że mamy lepsze techniki rachunkowe. Pojawiły się one już kilka lat później w rękopisach Isaaca Newtona, które niewielu widziało, a później w 1684 roku w pierwszej publikacji Leibniza na temat rachunku różniczkowego. Metoda Fermata przekształciła się w algorytmy, do których stosowania wcale nie potrzeba inteligencji, z powodzeniem robią to dziś programy w rodzaju WolframAlpha itp.

fermat

Wielkość, którą mamy zminimalizować, ma postać:

s(x)=\sqrt{(x-x_a)^2+y_a^2}+n\sqrt{((x-x_b)^2+y_b^2}.

Szukamy ekstremum tej funkcji, przyrównując jej pochodną do zera:

s'(x)=\dfrac{2(x-x_a)}{2\sqrt{(x-x_a)^2+y_a^2}}+n\dfrac{2(x-x_b)}{2\sqrt{((x-x_b)^2+y_b^2}}=0.

Łatwo spostrzec, patrząc na rysunek, że pierwszy składnik równy jest \sin\alpha, a drugi -n\sin\beta, skąd otrzymujemy prawo Snella.

Reklamy

Johann Bernoulli i brachistochrona – krzywa najszybszego spadku (1697)

W roku 1691 Johann Bernoulli, młody matematyk bez stałych dochodów, w jednym z paryskich salonów spotkał nieco starszego markiza de L’Hôpital, wielkiego amatora matematyki. Bernoulli zrobił piorunujące wrażenie pokazując swój niepublikowany wynik dotyczący promienia krzywizny dowolnej krzywej. Szwajcar był w tym okresie najwybitniejszym w Europie, a więc i na świecie, ekspertem, znającym nowe metody rachunku różniczkowego i całkowego Leibniza. Tylko Newton w Anglii umiał więcej, ale w tym czasie Anglik coraz mniej zajmował się nauką, wkrótce zamieszkał w Londynie i zajął się nadzorowaniem królewskiej mennicy. Markiz de L’Hôpital zaczął brać u Bernoulliego lekcje, a po trzech latach zaproponował następujący układ: będzie Szwajcarowi wypłacał pensję roczną wysokości co najmniej 300 liwrów w zamian za możliwość dyskretnego otrzymywania części jego wyników naukowych wraz z możliwością publikowania ich przez markiza jako własne. Kiedy w 1696 roku markiz ogłosił anonimowo książkę Analyse des infiniment petits pour l’intelligence des lignes courbes („Analiza nieskończenie małych w celu badania linii krzywych”) – pierwszy podręcznik rachunku różniczkowego i całkowego, umowa się załamała, i to pomimo faktu, że w przedmowie de L’Hôpital zadeklarował ogólnikowo, iż wiele zawdzięcza Johannowi Bernoulliemu. Szwajcar zrozumiał, że sprzedał w ten sposób najlepszą cząstkę siebie i potem pilnował się, by tego błędu więcej nie powtórzyć. Kto uczył się o granicach funkcji, spotkał zapewne regułę de L’Hôpitala – to skutek owej umowy, regułę wymyślił Johann Bernoulli, ale po dziś dzień wszyscy nazywają ją regułą de L’Hôpitala.

Johann_Bernoulli

To, niestety, portret z ok. 1740 roku. W młodości chyba nie było go stać na portrecistów.

 Rachunek różniczkowy i całkowy stał się podstawą fizyki, a także różnych dziedzin inżynierskich. W szczególności można było teraz rozwiązywać w sposób systematyczny różne problemy związane z osiąganiem maksimum albo minimum danej funkcji. Pojawiły się także problemy bardziej ogólne, w których szukamy nie jakiegoś punktu na krzywej, ale samej krzywej. Np. mamy zadane dwa punkty i interesuje nas, jaką krzywą należy te dwa punkty połączyć, aby koralik nanizany na krzywą i ślizgający się bez tarcia dotarł do punktu położonego niżej w najkrótszym czasie. Możemy sobie wyobrażać (albo budować z drutu) różne krzywe i dla każdej sprawdzać, ile czasu zajmie koralikowi przebycie całej drogi. To jest właśnie problem brachistochrony – czyli krzywej najkrótszego spadku.
Johann Bernoulli w roku 1696 znalazł rozwiązanie i nie opublikował go, lecz rzucił wyzwanie innym matematykom, by także znaleźli rozwiązanie, jeśli potrafią.
Prędkość naszego koralika zależy tylko od wysokości, dla ślizgania bez tarcia słuszna jest zasada zachowania energii mechanicznej: ile koralik straci energii potencjalnej, tyle zyska kinetycznej.

brachistochrone

Obrazek ze strony http://www.mathcurve.com/courbes2d/brachistochrone/brachistochrone.shtml

Moglibyśmy połączyć punkty linią prostą, ale widzimy, że nie jest to najlepszy pomysł, chociaż droga przebywana przez koralik jest wtedy najkrótsza. Nabiera on jednak zbyt wolno prędkości. Nasz koralik ma największe przyspieszenie, spadając pionowo. Ale wówczas musi przebyć jeszcze odcinek poziomy i łączna droga jest za duża (załamanie krzywej nie ma znaczenia, można sobie wyobrażać, że jest to ciasny zakręt, a nie ostre załamanie), czas jest krótszy niż poprzednio, ale nie najkrótszy. Rozwiązaniem jest łuk cykloidy. To krzywa zataczana przez punkt na obwodzie toczącego się koła. Punkt wykonuje okresowe podskoki na wysokość równą średnicy koła. Odwrócona cykloida stanowi rozwiązanie problemu Bernoulliego.

Cycloid_f

Problem nie był aż tak trudny, jak Bernoulli sądził. Leibniz przysłał mu rozwiązanie natychmiast, gdy z listu dowiedział się o problemie. Bernoulli miał jednak nadzieję, że problem ten okaże się za trudny dla Newtona.
Właśnie zaczynał się spór o autorstwo nowej matematyki między Leibnizem i Newtonem. Niemal nikt na kontynencie nie chciał uwierzyć, że Newton kilkanaście lat przed Leibnizem posunął się bardzo daleko w rachunku różniczkowym i całkowym (u niego nazywało to się fluksje i kwadratury). Takie wyrażenia jak ów wzór na promień krzywizny, które tak zadziwił markiza de L’Hôpital, Newton uzyskał jeszcze w latach sześćdziesiątych. Nic z tego nie opublikował, niektóre fragmenty w rękopisie znali wybrani uczeni angielscy. Ponieważ nie publikował, trudno było teraz udowodnić, że tak wcześnie uzyskał istotne wyniki. Działało to także w drugą stronę: Newton, zawsze podejrzliwy, uznał, że to Leibniz musiał coś zaczerpnąć z jego rękopisów, kiedy odwiedził Anglię (nie spotkali się osobiście, ale Leibniz konferował z ludźmi posiadającymi pewne prace Newtona). W niezależne odkrycie tych samych technik nie bardzo wierzył – nie grzeszył skromnością, ale też nie znał nikogo, kto by mu dorównywał, więc właściwie było to proste uogólnienie obserwacji. Teraz, podrażniony wyzwaniem, zostawił na parę godzin sprawy mennicy i rozwiązał zagadnienie brachistochrony, burcząc, że nie lubi, kiedy go zaczepiają cudzoziemcy i odrywają od pilnowania interesów Korony.
Problem nie był aż tak trudny, rozwiązał go także markiz de L’Hôpital i starszy brat Johanna, Jakob, także wybitny matematyk. Rozwiązania zostały opublikowane w „Acta Eruditorum” w 1697 roku. Było to jednak zadanie, z którym wtedy potrafiło sobie poradzić zaledwie kilka osób. Później powstała specjalna gałąź matematyki, rachunek wariacyjny, badająca w sposób systematyczny różne zagadnienia tego typu.

Jakie warunki musi spełniać brachistochrona? Istnieje w przyrodzie coś, co porusza się tak, aby czas ruchu był najkrótszy. Tym obiektem jest światło. Wybiera ono drogę odpowiadającą najkrótszemu czasowi. (Zauważył to niegdyś Pierre Fermat, autor słynnego twierdzenia). Dla światła zachodzi też prawo załamania Snella. Zwykle zapisuje się je za pomocą współczynnika załamania, co zaciemnia związek z prędkością. Tymczasem prawo załamania mówi po prostu tyle, że sinus kąta (do normalnej rozdzielającej ośrodki) jest proporcjonalny do prędkości w danym ośrodku:

\sin\alpha=kv,

gdzie k jest stałe dla danego promienia. (Dlatego kąt w powietrzu jest większy niż w wodzie: bo prędkość światła w powietrzu jest większa niż w wodzie.) W przypadku ruchu koralika kwadrat jego prędkości w punkcie P jest proporcjonalny do wysokości, z której spadł od początku swego ruchu:

v^2=2gh,

gdzie g jest przyspieszeniem ziemskim. Prędkość zależy więc jedynie od wysokości. Możemy wyobrażać sobie zamiast ruchu koralika rozchodzenie się światła w ośrodku, w którym prędkość zależy od wysokości.

cyclo_brachisto_s

 

Przypomina to nieco drogę światła w atmosferze ziemskiej, która ma różną gęstość na różnych wysokościach. Promień światła biegnie po linii krzywej – oczywiście w przypadku atmosfery efekt ten jest niewielki, choć ważny dla astronomów i znany od wieków (nazywa się refrakcją astronomiczną). Łącząc nasze dwa równania, możemy napisać:

\sin^2\alpha=k^2v^2=2gk^2 h\equiv \dfrac{h}{2r} \mbox{ (*).}

Oznaczyliśmy przez 2r największą głębokość, na jaką zsunie się nasz koralik, wówczas kąt \alpha=90^\circ i koralik-światło będzie poruszać się poziomo. Odpowiada to dnu cykloidy.
Możemy teraz sprawdzić, że cykloida spełnia warunek (*). Wyobraźmy sobie cykloidę zataczaną przez punkt P leżący na obwodzie koła o promieniu r. W chwili początkowej punkt P pokrywał się z początkiem układu, teraz odtoczył się do pewnego położenia P, tak jak na rysunku.

cycloid-1

Wektor prędkości punktu P jest prostopadły do odcinka SP. Łatwo to zrozumieć, zauważając, że toczące się koło ma w każdym momencie jeden nieruchomy punkt – jest nim punkt styku z podłożem S. Koło obraca się chwilowo wokół punktu S. Zatem chwilowa prędkość punktu P musi być prostopadła do odcinka SP i trójkąt SPQ jest prostokątny (SQ musi być średnicą koła – kąt wpisany oparty na średnicy jest kątem prostym). Gdy przyjrzymy się trójkątom prostokątnym na rysunku, stwierdzimy, że zachodzą równości:

\sin\alpha=\dfrac{SP'}{SP}=\dfrac{h}{SP}\mbox{ oraz }\sin\alpha=\dfrac{SP}{2r}.

Mnożąc je stronami, otrzymamy wzór (*). Zatem cykloida jest brachistochroną. Oczywiście, trochę oszukujemy (za Bernoullim!), korzystając z własności światła: w gruncie rzeczy nie chodzi jednak o światło, a o fakt, iż najkrótszy czas ruchu wiąże się z prawem załamania. Postaram się kiedyś napisać, jak Fermat doszedł do swej zasady najkrótszego czasu i co to ma wspólnego z prawem załamania.

DODATEK DLA ZNAJĄCYCH POJĘCIE POCHODNEJ

Wzór (*) możemy zapisać przez współrzędną y punktu P, wyznaczając z niego y, otrzymujemy

-y=2r\sin^2\alpha=r(1-\cos2\alpha).

Potraktujemy to jako jedno z równań parametrycznych naszej krzywej, parametrem jest kąt \alpha z osią y. Jeśli nasza krzywa biegnie pod kątem \alpha do osi y, to dla niewielkich przyrostów przyrostów funkcji wzdłuż krzywej mamy

\Delta x=-\Delta y\tan\alpha .

(tan oznacza tangens). Dzieląc to przez \Delta\alpha i przechodząc do granicy, dostaniemy pierwszą równość w

\dfrac{dx}{d\alpha}=-\tan\alpha\dfrac{dy}{d\alpha}=2r\tan\alpha\sin2\alpha=4r\sin^2\alpha=2r(1-\cos2\alpha).

Ostatnie wyrażenie możemy scałkować i otrzymamy wówczas:

x=r(2\alpha-\sin 2\alpha).

Otrzymaliśmy parametryczne równania cykloidy, zwykle kąt 2\alpha zapisuje się jako \varphi – ma on sens kąta obrotu naszego koła generującego cykloidę od chwili początkowej.
Warto też zwrócić uwagę, że dwa zadane punkty łączy tylko jedna cykloida. Załóżmy, że mamy dane punkty O i A.

cycloid_single

Rysujemy cykloidę zakreślaną przez koło o promieniu 1. Cykloida ta przetnie prostą OA w jakimś punkcie P. Należy teraz zatoczyć cykloidę za pomocą koła o promieniu r równym

r=\dfrac{OA}{OP},

przejdzie ona przez punkt A. Wynika to stąd, że każda cykloida ma tylko jeden parametr określający jej kształt, a mianowicie promień koła, które się toczy. Jeśli znajdziemy właściwy promień, to nie ma już żadnej swobody wyboru naszej cykloidy.

Śmierć Hypatii: rok 415 po narodzeniu Chrystusa

Aleksandria słynęła swoją biblioteką i swoim uczonymi – tutaj powstała większość znanych osiągnięć nauki greckiej – miasto było zhellenizowane, kto chciał uprawiać naukę, musiał uczyć się greki. D. J. de Solla Price wysunął kiedyś tezę, że bez aleksandryjskiej nauki niemożliwa byłaby rewolucja naukowa XVII wieku, a więc w konsekwencji nasza współczesna cywilizacja. Pewne jest w każdym razie, że w Aleksandrii uprawiano najlepszą naukę w ówczesnym świecie.

Miasto u ujścia Nilu było bogate i wielonarodowe, oprócz Egipcjan wiele do powiedzenia mieli w nim Grecy, znajdowała się tu także największa kolonia żydowska poza ziemiami Izraela.

Hypatia była córką matematyka Teona. Razem z ojcem pracowała nad komentarzem do Optyki Euklidesa i nad wydaniem Almagestu Ptolemeusza, sama napisała komentarze do Stożkowych Apoloniusza, a także do pierwszych sześciu ksiąg Arytmetyki Diofantosa – samych dzieł stworzonych w Aleksandrii wystarczało aż nadto na pracowite życie. Prawdopodobnie dzięki zainteresowaniu Hypatii sześć pierwszych ksiąg Diofantosa zachowało się do naszych czasów, teksty trwały wówczas dopóty, dopóki ktoś uznawał je za warte trudu przepisywania. Dzieła aleksandryjskie stały się później podstawą nauki islamskiej, a także europejskiej w XVI i XVII wieku. Nie było właściwie uczonego, który nie czytałby swoich greckich poprzedników i nie nawiązywał z nimi swoistego dialogu. Tak było z Kopernikiem i Newtonem. Właśnie czytając Diofantosa Pierre de Fermat wpadł na pomysł swego wielkiego twierdzenia.

Dioph3

Stronica Diofantosa ze słynnym dopiskiem Fermata (oryginał się nie zachował, dysponujemy jedynie wydaniem z roku 1670 przygotowanym przez syna uczonego Clémenta-Samuela de Fermat). „Sześcian natomiast na dwa sześciany ani czwarta potęga na sumę dwóch czwartych potęg, ani ogólnie żadna inna potęga prócz kwadratu na sumę dwóch takich samych nie może zostać rozłożona, czego dowód zaprawdę cudowny odkryłem, nie starczy nań jednak miejsca na tym marginesie”.

Życie Hypatii przypadło na schyłek kultury antycznej. Chrześcijanie nie potrzebowali pogańskiej nauki, której nie znali i nie rozumieli. Tępili też zawzięcie wszystkie inne religie – bo przecież tylko ich religia mogła być prawdziwa. Pogańskie świątynie burzono bądź zamieniano na kościoły. Osławiony był pod tym względem patriarcha Teofil, „wieczny nieprzyjaciel pokoju i cnoty, człowiek zuchwały i zły, którego ręce zbrukane były na przemian złotem i krwią” (Edward Gibbon, The Decline and Fall of the Roman Empire, rozdz. 28). Przypisuje mu się także niszczenie resztek „pogańskiej” biblioteki aleksandryjskiej. Nie wiadomo, czy było jeszcze co niszczyć, z pewnością jednak Teofil nie widziałby szczególnego powodu, by ją chronić.

Sytuacja w mieście zaogniła się jeszcze bardziej, gdy po śmierci Teofila patriarchą i biskupem został jego siostrzeniec Cyryl – późniejszy święty, jeden z ojców i doktorów Kościoła – hierarcha nie mniej wojowniczy i równie ograniczony. Po poganach przyszła kolej na Żydów. Ponieważ chrześcijanie byli w większości, więc ostatecznie „mnóstwo Żydów opuściło miasto i to wydarzenie na pewno odbiło się na gospodarce miasta. Cyryl zaś niewątpliwie wykorzystał te wypadki, aby pozbyć się z Aleksandrii jak największej liczby Żydów. Wiedział bowiem, że osłabi to tradycyjną wrogość między wyznaniami i zmniejszy grono przeciwników polityki Kościoła w mieście” (M. Dzielska, Hypatia). Ta niezawodna metoda rozładowywania konfliktów nieraz jeszcze była z powodzeniem stosowana.

W wyniku zamieszek splądrowano mienie żydowskie i jedną z synagog zamieniono ku bożej chwale na kościół pod wezwaniem św. Jerzego. Prefekt Egiptu Orestes, podejrzewany o niechęć do chrześcijan, napadnięty został na ulicy przez chrześcijańskich fanatyków, jego gwardia przyboczna uciekła, a jeden z mnichów, niejaki Ammoniusz, trafił Orestesa kamieniem w głowę. Został później pojmany i zmarł w trakcie tortur. Biskup Cyryl przyznał mu palmę męczeńską za obronę wiary.

Hypatia nie była ani Żydówką, ani chrześcijanką. Maria Dzielska stawia tezę, że Hypatia miała wpływ na Orestesa i dlatego ją zabito. Autorytet Hypatii był jednak wyłącznie duchowy, a politykę w mieście uprawiało się, organizując bojówki i kontrbojówki. Zapewne oboje wraz z Orestesem starali się obronić miasto przed jedynowładztwem duchownych, w dodatku tak skrajnych i nieprzejednanych jak Cyryl.

Nietrudno było podburzyć przeciwko niej tłuszczę, skoro nawet świątobliwy historyk, biskup Jan z Nikiu, stwierdza: „Była w tym czasie w Aleksandrii pogańska filozofka o imieniu Hypatia; zajmowała się stale magią, astrolabiami i instrumentami muzycznymi i omamiła wielu ludzi szatańskimi sztuczkami. Nadzwyczajnie szanował ją prefekt miasta [Orestes], gdyż omamiła go swoją magią. Przestał uczęszczać do kościoła, jak zwykł to dotychczas czynić”. Dalej następuje opis prowokacji żydowskich i chrześcijańskiej odpowiedzi w postaci pogromu. Nie tłumacząc, jaki związek miały te wszystkie sprawy z Hypatią, Jan z Nikiu kontynuuje z wyraźną satysfakcją: „Następnie tłum wiernych Pańskich pod przewodnictwem urzędnika Piotra – który był doskonałym sługą Jezusa Chrystusa – zabrał się za szukanie owej pogańskiej kobiety, która swymi magicznymi sztuczkami omamiła mieszkańców miasta oraz prefekta. A gdy dowiedzieli się, gdzie przebywa, udali się po nią i zastali ją siedzącą na wysokim krześle. Zmusili ją do zejścia i wlekli ją po ziemi, aż zawlekli do wielkiego kościoła, zwanego Cezarejon. Było to podczas postu. I zdarli z niej szaty, i wlekli ją po ulicach miasta, aż umarła. I zanieśli ją do miejsca zwanego Kinaron, i spalili jej ciało w ogniu. Cały lud otoczył patriarchę Cyryla, obwołując go «nowym Teofilem», który zniszczył pozostałości pogaństwa w mieście”.

Wygląda więc na to, że gdy tłum spalił, co mógł żydowskiego, zajął się Hypatią, możliwe, że stało się to w trakcie jej wykładu. Ów „doskonały sługa Jezusa Chrystusa” Piotr, urzędnik, a może, jak piszą inni, kościelny lektor, mający niższe święcenia – sprawia, że ciarki przebiegają po krzyżu…

index

Frontispis Indeksu ksiąg zakazanych papieża Benedykta XIV z roku 1758. Podpis głosi: „I wielu też z tych, co uprawiali magię, poznosiło księgi i paliło je wobec wszystkich. Wartość ich obliczono na pięćdziesiąt tysięcy denarów w srebrze” (Dz 19,19). Indeks ten jako pierwszy nie powtarzał ogólnego zakazu ksiąg nauczających o ruchu Ziemi i nieruchomości Słońca, choć utrzymał szczegółowy zakaz czytania dzieł Kopernika, Keplera i Galileusza.

Andrew Wiles: wielkie twierdzenie Fermata i matematyka czysta (1986-1995)

„Moje doświadczenia z uprawianiem matematyki najlepiej można chyba opisać, porównując je do wędrówki po ciemnym niezbadanym domu. Wchodzę do pierwszego pokoju: panuje w nim zupełny mrok. Błądzę po omacku i wpadam na meble, ale stopniowo uczę się, gdzie stoi każdy z nich. Po jakichś sześciu miesiącach znajduję wyłącznik i naraz wszystko staje się jasne, widzę dokładnie, gdzie jestem. A potem wchodzę do następnego ciemnego pokoju i spędzam tam następne sześć miesięcy. I każde z tych olśnień – czasem trwają one tylko chwilę, a czasem dzień albo dwa – jest tylko kulminacją owych wielu miesięcy błądzenia po omacku i bez nich byłoby niemożliwe” (Andrew Wiles on Solving Fermat).

Mówi się czasem, że w każdej dziedzinie wiedzy tyle jest prawdy, ile jest w niej matematyki. Odkrycie, że świat fizyczny można opisać w języku matematyki i że właściwie tylko od nas zależy, z jak wielką dokładnością to zrobimy, uważam za największe osiągnięcie ludzkości. Nie chodzi o to, że pewne aspekty świata dają się ująć matematycznie, bo to wiedzieli już starożytni. Istotą nowożytnej nauki jest wiara, że w zasadzie każdy aspekt świata fizycznego (ale i chemicznego, a coraz częściej także biologicznego czy ekonomicznego) daje się opisać stosownym modelem matematycznym. Nie tylko planety czy dźwignie, ale spadanie liścia na wietrze, drogę cyklonu, atomy i cokolwiek nam przyjdzie do głowy.

Jednocześnie matematyka, choć tak potrzebna wszystkim, jest w zasadzie samowystarczalna i wielu matematyków niezbyt interesuje się innymi naukami, po cichu uważając je za stratę czasu. Wciąż istnieje platoński ideał matematyki czystej, przebywającej tam, gdzie idea Piękna, gdzieś w pobliżu idei Dobra. I niektórzy matematycy spędzają całe życie w swoim zaczarowanym pałacu nie z tego świata. W nagrodę omija ich nieco tak powszechna dziś komercjalizacja i pogoń za szybkimi wynikami (co najmniej dwa odkrycia rocznie).

Andrew Wiles jest niewątpliwie matematykiem czystym – w każdym sensie tego słowa. Jego dziedzina to teoria liczb, a więc badanie własności najprostszych liczb: 1, 2, 3, … – liczb naturalnych. Kiedy spostrzegł, że możliwe jest zaatakowanie wielkiego twierdzenia Fermata, zamknął się na siedem lat na strychu i nie mówiąc o tym nikomu, pracował. Nie publikował w tym czasie, musiał więc wtajemniczyć swojego dziekana. Nie chciał, aby koledzy wciąż go pytali, jak mu idzie. Być może obawiał się także, iż ktoś mógłby go ubiec. Nie ma powodu wstydzić się takich uczuć – nie mają przecież nic wspólnego z podkładaniem nogi konkurentom. Jest w tym duch sportowej walki: wszyscy mają równe szanse, oni też mogą położyć na szalę swoją reputację. Wygra najlepszy.

576px-Andrew_wiles1-3

Wygrał Andrew Wiles. Twierdzenie Fermata było słynną szklaną górą, na którą daremnie próbowali wspiąć się wciąż nowi śmiałkowie. Niemal każdy ambitniejszy matematyk próbował zmierzyć się z tym twierdzeniem. Nie każdy miał dość rozsądku, aby w porę przestać się nim zajmować.
Właściwie była to tylko błyskotliwa hipoteza. Pierre Fermat, jurysta w parlamencie Tuluzy, a w wolnych chwilach matematyk, jakby od niechcenia i dla rozrywki wytyczył wiele nowych dróg. W roku 1637 na marginesie czytanego przez siebie Diofantosa zanotował, że równanie

x^p+y^p=z^p

ma wprawdzie rozwiązania naturalne, gdy p=2, ale nie ma ich dla żadnej wyższej potęgi p. Stwierdził nawet, że ma dowód, ale nie zmieści mu się na wolnym miejscu na stronie, toteż go nie zamieścił. Luźne stwierdzenia tego rodzaju w wypadku Fermata należało traktować poważnie, rzadko bowiem zawodziła go intuicja.
Sam Fermat podał (w innym miejscu) dowód swego twierdzenia dla p=4, wynikała z tego także jego prawdziwość dla wykładników postaci p=4n. Łatwo też pokazać, że wystarczy dowieść twierdzenia Fermata dla wykładników będących nieparzystymi liczbami pierwszymi.
Następny krok wykonał pod koniec XVIII wieku Leonhard Euler, niestrudzony syn pastora z Bazylei, który umiał obrócić na swoją korzyść ambicje absolutnych władców swej epoki i pracował na zmianę pod rządami Fryderyka II w Prusach albo Katarzyny II w Rosji. Ani królowi, ani carycy nie zależało jakoś szczególnie na matematyce, ale obojgu bardzo zależało na splendorze. Euler wykazał słuszność twierdzenia w przypadku p=3 (nie do końca, dowód został później uzupełniony). Następne generacje matematyków przyniosły dowody wielu różnych szczególnych przypadków twierdzenia Fermata, wciąż nie było jednak dowodu ogólnego. Póki takiego dowodu nie ma, wszystko jest możliwe – bywały już przypadki hipotez, które wydawały się słuszne, lecz w końcu okazały się fałszywe. Euler wysunął np. hipotezę, że równanie

x^4+y^4+z^4=w^4

nie ma rozwiązań naturalnych. W 1988 roku Noam Elkies znalazł kontrprzykład:

2682440^4 + 15365639^4 + 18796760^4 = 20615673^4.

Wielu wybitnych matematyków unikało twierdzenia Fermata. David Hilbert, zapytany, czemu nigdy się nim nie zajmował, stwierdził, że musiałby stracić trzy lata na opanowanie tego wszystkiego, co mogłoby być potrzebne, a on nie ma trzech lat do stracenia. Andrew Wiles był w lepszej sytuacji: dzięki pracy poprzedników miał już do dyspozycji niezbędne elementy. Co więcej, twierdzenie Fermata przestało być interesującym faktem na uboczu rozwoju matematyki, lecz stało się tematem ważnym. W 1986 roku Gerhard Frey wykazał, że gdyby istniał kontrprzykład do twierdzenia Fermata, musiałaby istnieć pewna krzywa eliptyczna o szczególnych i niespotykanych własnościach. Krzywe eliptyczne to wykresy równania

y^2=x^3+ax^2+bx+c,

o ile wykres nie ma żadnych punktów osobliwych (przecięć ani załamań).

eliptyczne

Krzywe te mają wiele interesujących własności: można je wyrazić za pomocą tzw. funkcji eliptycznych (stąd nazwa), każda sieczna przecina je dokładnie w trzech punktach, co pozwala każdej parze punktów przyporządkować trzeci (można wprowadzić strukturę grupy). W teorii liczb bada się sytuacje, gdy a, b, c są całkowite albo wymierne. Istnienie krzywej Freya przeczyłoby tzw. hipotezie Shimury-Taniyamy dotyczącej pewnych własności krzywych eliptycznych. Wiles postanowił dowieść tej hipotezy, a właściwie jej słabszej wersji, wystarczającej do jego celów. Jeśli (słabsza) hipoteza Shimury-Taniyamy jest słuszna, to nie może istnieć krzywa Freya. a tym samym twierdzenie Fermata zostało udowodnione niewprost. Hipoteza Shimury-Taniyamy została zresztą później udowodniona w wersji silniejszej i z punktu widzenia specjalistów to właśnie osiągnięcie jest najważniejsze: łączy bowiem w nieoczekiwany sposób analizę matematyczną z geometrią. Zatem twierdzenie Fermata okazało się nie tylko trudną ciekawostką, lecz pozwoliło zrozumieć głębsze związki między różnymi dziedzinami matematyki. To właśnie było zawsze najciekawsze w teorii liczb: aby zrozumieć problemy dotyczące np. podzielności i liczb pierwszych, potrzebne są głębokie idee dotyczące funkcji zmiennej zespolonej.
Andrew Wiles wyszedł z ukrycia w czerwcu 1993 roku, gdy wygłosił serię wykładów w swoim rodzinnym Cambridge w Anglii. Choć ich tytuł nie zapowiadał sensacji, to bookmacher w Cambridge nie chciał przyjmować zakładów o to twierdzenie: nie znał się na matematyce, lecz kiedy kolejni studenci zaczęli zgłaszać się z propozycją takiego samego zakładu, zrozumiał, że zapewne coś się święci. Do historii przeszło zakończenie ostatniego wykładu: po wykazaniu, że twierdzenie Fermata zostało właśnie udowodnione, Wiles stwierdził: „Myślę, że na tym zakończę”.

Najtrudniejsze było jednak jeszcze przed nim. W dowodzie znaleziono istotną lukę, co nie dziwi w przypadku pracy tak długiej (ponad sto stron w „Annals of Mathematics”) i robionej samotnie. Wiles wraz ze swoim dawnym studentem Richardem Taylorem usiłowali dowód poprawić, lecz sprawa wyglądała coraz poważniej. Bez tego jednego elementu cała układanka byłaby na nic. Pracowali ponad rok bez rezultatu i Wiles bliski już był decyzji o rezygnacji z dalszych prób, kiedy nagle okazało się, że pewien jego stary pomysł z okresu samotnej pracy, zarzucony później, teraz nieoczekiwanie się przydał.
„Wierzę że, aby osiągnąć w życiu zadowolenie, musisz robić coś, co cię pasjonuje. (…) Tylko taka pasja pozwala się nie poddawać, kiedy utkniesz na jakimś trudnym problemie i poczujesz się sfrustrowany. Jako matematyk staniesz się częścią wspólnoty, która istnieje od tysięcy lat, i wniesiesz wkład do twórczego projektu, rozciągającego się na całe wieki i cywilizacje. Życie jest zbyt krótkie, aby marnować je na rzeczy, które cię nie obchodzą…” (wywiad z Claudio Bartoccim, 2004, w: C. Bartocci, R. Betti, A. Guerraggio, R. Lucchetti (red.), Mathematical Lives: Protagonists of the Twentieth Century From Hilbert to Wiles, Springer 2011).

Słowa Wilesa o wspólnocie badaczy stosują się także i do twierdzenia Fermata. Oto lista tych, którzy oprócz niego wnieśli do tego problemu swój ważny wkład tylko w XX wieku: Spencer Bloch (USA), Henri Carayol (Francja), John Coates (Australia), Pierre Deligne (Belgia), Ehud de Shalit (Izrael), Fred Diamond (USA), Gerd Faltings (Niemcy), Matthias Flach (Niemcy), Gerhard Frey (Niemcy), Alexander Grothendieck (Francja), Yves Hellegouarch (Francja), Haruzo Hida (Japonia), Kenkichi Iwasawa (Japonia), Kazuya Kato (Japonia), Nick Katz (USA), V.A. Kolyvagin (Rosja), Ernst Kunz (Niemcy), Robert Langlands (Kanada), Hendrik Lenstra (Holandia), Wen-Ch’ing Winnie Li (USA), Barry Mazur (USA), André Néron (Francja), Ravi Ramakrishna (USA), Michel Raynaud (Francja), Ken Ribet (USA), Karl Rubin (USA), Jean-Pierre Serre (Francja), Goro Shimura (Japonia), Yutaka Taniyama (Japonia), John Tate (USA), Richard Taylor (Wielka Brytania), Jacques Tilouine (Francja), Jerry Tunnell (USA), André Weil (Francja).