Joseph Louis Lagrange i „wektor Laplace’a-Rungego-Lenza” (1781)

Pisałem kiedyś o zasadzie Arnolda: „Jeśli jakieś pojęcie nazwano czyimś imieniem, to nie jest to imię odkrywcy”. Przykładem może tu być tzw. wektor Rungego-Lenza, niemal odkryty przez Jakoba Hermanna, a na pewno odkryty przez Josepha Lagrange’a.

Joseph Louis Lagrange jest mało znany poza kręgiem profesjonalnych matematyków i fizyków. Wiele jego dokonań weszło do języka nauki i stała się dobrem powszechnym, funkcjonującym często bezimiennie. Urodzony w Turynie jako Giuseppe Luigi Lagrangia, poddany królestwa Sardynii, syn urzędnika królewskiego francuskiego pochodzenia, odkrył w sobie talent matematyczny jako nastolatek-samouk. Ojciec stracił fortunę w ryzykownych spekulacjach i syn potrzebował płatnego zajęcia. Pod koniec życia uczony twierdził, że gdyby nie potrzeba zarabiania, pewne nie zostałby matematykiem. Zapewne przesadzał. Talent tej wielkości nie daje chyba możliwości wyboru. W każdym razie młody Lagrange zadziwił Leonharda Eulera, z którym zaczął korespondować na temat rachunku wariacyjnego. W wieku dziewiętnastu lat został też mianowany sostituto – „zastępcą” profesora matematyki w szkole artyleryjskiej w Turynie. Uczył tam młodzieńców starszych od siebie, artyleria była uczonym rodzajem wojsk – to ze szkoły artylerii Napoleon Bonaparte wyniósł swój szacunek do przedmiotów ścisłych. Niezbyt przedsiębiorczy i cichy Lagrange spędził w Turynie wiele lat. Dopiero w wieku trzydziestu lat dzięki protekcji Jeana d’Alemberta został powołany do Akademii Nauk w Berlinie w miejsce Eulera, który wolał carową Katarzynę II od Fryderyka II pruskiego. Piemontczyk spędził w Prusach dwie dekady, narzekając na chłody i pisząc wciąż nowe ważne prace. W Berlinie powstało jego największe dzieło Méchanique analitique (sic!), opublikowane w dwóch tomach już w Paryżu, gdzie spędził resztę życia. Tam podczas Rewolucji zajmował się wprowadzeniem metrycznego systemu miar oraz nowego kalendarza i nowego podziału doby. Metr zdefiniowano wtedy jako jedną czterdziestomilionową część południka paryskiego, lecz babiloński, sześćdziesiątkowy podział godzin i minut okazał się zbyt głęboko zakorzeniony i tutaj zmiany się nie przyjęły. Został też Lagrange pierwszym profesorem analizy w École polytechnique, elitarnej i bardzo nowoczesnej na swe czasy szkole wyższej, modelu dla licznych politechnik na całym świecie.

Książka Lagrange’a była, niemal równo sto lat po Zasadach matematycznych Isaaca Newtona, podsumowaniem dorobku Newtonowskiej mechaniki za pomocą metod analitycznych spod znaku Leibniza, Bernoullich i Eulera.

W książce tej nie znajdzie Czytelnik żadnych rysunków. Metody, jakie w niej wykładam, nie wymagają żadnych konstrukcji ani rozumowań geometrycznych bądź mechanicznych, lecz jedynie operacji algebraicznych poddanych regularnym i jednolitym procedurom. Ci, co kochają Analizę, z przyjemnością zobaczą, jak mechanika staje się jej kolejną gałęzią i będą mi wdzięczni za takie poszerzenie jej domeny.

Newton byłby zapewne wstrząśnięty lekturą dzieła Lagrange’a. Zwyciężyła w nim algebra, metody formalnego przekształcania równań. Algorytmy zwyciężyły z wyobraźnią, ponieważ do ich stosowania wystarczy trzymać się prostych reguł. W ten sposób druga zasada dynamiki stała się układem trzech (lub więcej, zależnie od problemu) równań różniczkowych. Zagadnienie trzech przyciągających się ciał – jeden z wielkich problemów epoki, wymaga dwunastu całkowań. Lagrange pokazał w jednej ze swych prac, jak z dwunastu potrzebnych całkowań, zostaje do wykonania tylko siedem. Osiągnięcia tego rodzaju musiały być elitarne, choć miały też szersze znaczenie. Wielkim problemem epoki ponewtonowskiej była stabilność Układu Słonecznego. Newton przypuszczał, że wzajemne przyciąganie planet doprowadzi z czasem do rozregulowania się kosmicznego zegara, co zresztą może leżeć w boskim planie stwórczym: jako gorliwy czytelnik i komentator Apokalipsy św. Jana traktował znaną nam postać świata jako przejściową, próbował nawet oszacować, kiedy nastąpi ponowne przyjście Chrystusa. Lagrange, a po nim Pierre Simon Laplace (obaj raczej indyferentni religijnie) podjęli zagadnienie stabilności Układu Słonecznego. Wyglądało na to, że system planetarny zmienia się jedynie okresowo i nie ma w nim jednokierunkowych zmian parametrów orbit takich, jak ich rozmiar czy mimośród – a zatem grawitacja nie musi prowadzić do katastrofy kosmicznej. Zagadnienie to okazało się zresztą bardziej skomplikowane, niż sądzili Lagrange i Laplace. Pokazał to pod koniec wieku XIX Henri Poincaré. W wieku XX zrozumiano, że w układach takich jak planetarne powszechnie występują zjawiska chaotyczne. Chaos nie jest jednak nieuchronny, niezbyt wielkie zaburzenia nie naruszają bowiem regularnego charakteru ruchu. Wielkim osiągnięciem dwudziestowiecznej mechaniki analitycznej jest teoria KAM, zwana tak od nazwisk jej twórców: Andrieja Kołmogorowa, Vladimira Arnolda (to jego nazwisko pojawia się w zasadzie Arnolda – sformułowanej oczywiście nie przez niego, lecz przez Michaela Berry’ego) i Jürgena Mosera.

Pokażemy, jak Lagrange wprowadził trzy stałe ruchu Keplerowskiego, które dziś nazywa się powszechnie wektorem (Laplace’a)-Rungego-Lenza. Było to w roku 1779, a dwa lata później zostało opublikowane w pracach Akademii Berlińskiej (w Oeuvres de Lagrange, t. 5, s. 127-133). Algebraiczne podejście Lagrange’a łatwo daje się uogólnić na przestrzeń n-wymiarową {\mathbb R}^n, dlatego tak je pokażemy, uwspółcześniając nieco zapis. Siła grawitacji jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości od centrum, działa wzdłuż promienia wodzącego planety (wektor o współrzędnych x_i/r jest wektorem jednostkowym o kierunku promienia wodzącego). Przyspieszenie planety zapisane jako składowe kartezjańskie spełnia równania

\ddot{x}_i=-\dfrac{\mu x_i}{r^3},\,i=1\ldots n,

gdzie kropki oznaczają pochodne po czasie t, \mu jest iloczynem masy Słońca i stałej grawitacyjnej, a r=x_ix_i\equiv x_1^2+\ldots+x_n^2. Po powtarzających się wskaźnikach sumujemy – jest to konwencja sumacyjna Einsteina, którą uczony żartobliwie nazywał swoim największym odkryciem matematycznym (nigdy nie uważał się za matematyka, lecz za fizyka, któremu przyszło stosować nowe techniki matematyczne i który przychodził do matematyki z innej strony). Za czasów Lagrange’a i jeszcze długo później pisano po trzy równania dla współrzędnych x,y,z, co wydłużało (niepotrzebnie z naszego dzisiejszego punktu widzenia) prace. Sam zapis równań jako trzech składowych kartezjańskich nie był czymś oczywistym za życia Newtona, a więc nawet na początku XVIII wieku. Jakob Hermann uważał, iż wymaga to uzasadnienia.

Szukamy wyrażeń, kombinacji współrzędnych i prędkości, które pozostają stałe podczas ruchu (są to tzw. całki pierwsze). Znanym wyrażeniem tego rodzaju jest energia E będąca sumą energii kinetycznej i potencjalnej:

E=\dfrac{1}{2}\dot{x}_1^2-\dfrac{\mu}{r}.

Lagrange podał jeszcze inne całki ruchu Keplerowskiego (w istocie wystarczy, aby siła działająca ze strony centrum skierowana była radialnie, konkretna jej postać jest nieistotna):

L_{ij}=x_i\dot{x}_j-x_j\dot{x}_i.

Mamy tych całek tyle, ile możliwości wyboru dwóch różnych wskaźników spośród n, czyli {n\choose 2}=\frac{n(n-1}{2}. Naprawdę jest to Keplerowskie prawo pól w przebraniu, a właściwie prawo pól plus stwierdzenie, że ruch zachodzi w płaszczyźnie (to ostatnie bywa nazywane zerowym prawem Keplera, co jest o tyle słuszne historycznie, że od niego Johannes Kepler zaczął swoje badania – przyjął je jako założenie. Kopernik nie wiedział, że tory planet są płaskie!). Zawsze możemy wybrać współrzędne tak, żeby co najwyżej dwie były różne od zera podczas ruchu, np. x_1, x_2. W przypadku 3D trzy całki (L_{23},L_{31},L_{12}) zachowują się jak wektor, jest to wektor momentu pędu.

Trzecia grupa całek, odkryta przez Lagrange’a i właściwa tylko siłom grawitacji, daje się zapisać w postaci

\mu e_i=-\dfrac{\mu x_i}{r}+\dot{x}_j L_{ij},\,i=1 \ldots n.

Wartości e_i są stałe. Jest to wektor zwany powszechnie w literaturze wektorem Rungego-Lenza. Lepiej poinformowani piszą o wektorze Laplace’a-Rungego-Lenza. W istocie jest to wektor Lagrange’a, którego szczególny przypadek podał Jakob Hermann, o czym Lagrange zapewne nie wiedział. Nie interesował go zresztą fakt, że jest to wektor, ważne dla niego były trzy całki ruchu. Laplace zaczerpnął te całki z pracy Lagrange’a i spopularyzował je, umieszczając w słynnym traktacie o mechanice niebios: Traité de mécanique céleste. Laplace, który uczył się pracy naukowej, czytając Lagrange’a, nie zawsze był lojalny wobec starszego kolegi. Ten zaś był chyba zbyt dumny, aby stale jak kupiec podkreślać swoje zasługi, co czyniła większość uczonych, konkurujących między sobą o niewielką pulę płatnych posad. Całki Lagrange’a z dzieł Laplace’a czerpali później inni bądź też sami odkrywali je niezależnie, jak William Rowan Hamilton. Runge i Lenz trafili do historii przypadkiem, z lenistwa późniejszych autorów, zbyt zajętych bieżącą pracą, aby włożyć wysiłek w przypisy.

Zobaczmy jeszcze, jak z wektora Lagrange’a wynika kształt toru planety. Mnożąc obie strony ostatniego równania przez x_i i sumując po powtarzającym się wskaźniku i, otrzymujemy

r +e_i x_i=L^2, 

gdzie L^2= \frac{1}{2} L_{ij}L_{ij}.Jest to równanie stożkowej o mimośrodzie e=\sqrt{e_i e_i}.

Trzeba podkreślić, że dla Lagrange’a nie było to jakieś szczególne osiągnięcie, lecz jedynie punkt wyjścia do pracy nad bardziej skomplikowanym zagadnieniem, gdy do problemu Keplera dodamy jeszcze siłę zaburzającą, jak w rzeczywistym problemie ruchu planet przyciąganych nie tylko przez Słońce, ale także przez inne planety.

Pokażemy jeszcze powyższe wyniki w zapisie wektorowym. Mamy wówczas

{\bf \ddot{r}}=-\dfrac{\mu {\bf r}}{r^3}.

Moment pędu równa się

{\bf L = r\times\dot{r}},

a wektor Lagrange’a:

\mu {\bf e}=-\dfrac{\mu {\bf r}}{r}+{\bf \dot{r}\times L}.

Mnożąc obie strony skalarnie przez {\bf r}, otrzymamy

r+{\bf e\cdot r}=\dfrac{L^2}{\mu}.

Uwaga techniczna. Łatwo sprawdzić, że podane wielkości są całkami pierwszymi, trudniej było je oczywiście odgadnąć. Kluczem jest tutaj obliczenie pochodnej po czasie z wektora jednostkowego, co Lagrange robi pozornie bez powodu, to znaczy powód wyjaśnia się po chwili. Mamy bowiem

\dfrac{d}{dt}\left(\dfrac{x_i}{r}\right)=\dfrac{\dot{x}_i r-\dot{r} x_i}{r^2}=\dfrac{x_jL_{ji}}{r^3}.

Korzystamy z faktu, że r\dot{r}=x_i\dot{x}_i (jest to zróżniczkowane tw. Pitagorasa: r^2=\sum_i x^2_i). Postać wektorowa jest przejrzysta, lecz ograniczona do {\bf R}^3.

 

 

Jakob Hermann pisze do Johanna Bernoulliego na temat ruchu planet, 12 lipca 1710 r.

Ulmenses sunt mathematici – mieszkańcy Ulm to matematycy – głosiło stare porzekadło. Znamy jednego matematyka z Ulm Johannesa Faulhabera, który miał kontakty z Keplerem i być może z Kartezjuszem. Słynna ogrzewana komora, w której rozmyślał francuski filozof pewnej jesieni, mieściła się w Neuburgu niezbyt oddalonym od Ulm. No i w Ulm urodził się Albert Einstein, lecz rodzina rok później się przeprowadziła i uczony jako człowiek dorosły nigdy potem nie odwiedził już swego miasta rodzinnego.

Prawdziwą kolebką matematyków była natomiast leżąca niezbyt daleko od Ulm Bazylea. Stąd pochodziła rozgałęziona rodzina Bernoullich, a także Leonhard Euler i Jakob Hermann. Protoplastą naukowego rodu był Jakob Bernoulli, to od niego uczyli się matematyki jego brat Johann oraz Jakob Hermann. Johann z kolei był ojcem wybitnego Daniela i nauczycielem genialnego Eulera. Ponieważ posad dla matematyków nie było w Europie wiele, więc wszyscy ci matematycy sporo podróżowali. Dzięki bazylejskim matematykom rachunek różniczkowy i całkowy Leibniza stał się podstawą nowożytnej matematyki.

Drugim wielkim zadaniem uczonych od końca XVII wieku stało się przyswojenie osiągnięć Isaaca Newtona. Matematyczne zasady filozofii przyrody zawierały rewolucyjną fizykę przedstawioną za pomocą indywidualnego języka matematycznego, stworzonego przez autora. Nie było w historii nauki traktatu tak oryginalnego zarówno pod względem treści fizycznej, jak i matematycznej. Toteż jego zrozumienie i opanowanie zajmowało całe lata nawet wybitnym uczonym. Na kontynencie panował matematyczny idiom Leibniza i twierdzenia Newtona tłumaczono niejako na tę zrozumiałą wśród uczonych symbolikę.

Jakob Hermann pierwszy podał różniczkowe sformułowanie II zasady dynamiki. Miało ono u niego postać

G=M dV: dT,

gdzie G,M oznaczały siłę i masę, a dV, dT – różniczki prędkości i czasu. Zapis ten pojawił się dopiero na 57 stronie jego traktatu Phoronomia (1716) i odnosił się do siły ciężkości zależnej od położenia. Oczywiście, Newton już w 1687 r. rozważał takie siły, ale wyłącznie w postaci geometrycznej. Jego II prawo brzmiało: „Zmiana ruchu jest proporcjonalna do przyłożonej siły poruszającej i następuje w kierunku prostej, wzdłuż której siła ta jest przyłożona.” Newton miał na myśli zmiany pędu ciała w pewnym krótkim czasie. Jednym problemem tego sformułowania była kwestia opisywania zmian w czasie, drugim problemem był wektorowy charakter siły: ilość ruchu, pęd, zmienia się w kierunku przyłożonej siły.

Pokażemy, jak Hermann rozwiązał problem ruchu ciała przyciąganego siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości od nieruchomego centrum. Zwolennicy Leibniza mieli zastrzeżenia do Newtonowskiego dowodu tego faktu, zbyt szkicowego. Pragnęli wyraźnego wykazania, że tylko stożkowe (albo część linii prostej) mogą być torem ciała. Opisywałem kiedyś rozwiązanie tego problemu podane w XIX wieku przez Williama Rowana Hamiltona.

Wyobrażamy sobie przyciągane przez centrum S ciało zakreślające krzywą CD. Jego ruch w nieskończenie krótkim czasie dt można przedstawić jako sumę wektorową ruchu bezwładnego od C do E oraz spadania od E do D wzdłuż kierunku siły w punkcie C, tzn. odcinki SC i DE są równoległe. Zmiana współrzędnej x w ruchu bezwładnym byłaby równa dx. Efekt działania siły przyciągającej to różniczka drugiego rzędu ddx (co później zapisywano d^{2}x). Oczywiście do ddx wchodzi tylko x-owa składowa siły.

Dziś narysowalibyśmy to tak, Hermann odnajduje trójkąty podobne na swoim rysunku i dochodzi do wniosku, że

ddx \propto F\dfrac{x}{r} dt^2.

Pole SCD zakreślane w czasie dt można przedstawić jako pole trójkąta o bokach [x,y] oraz [dx,dy], a więc jest ono równe połowie pola równoległoboku dt\propto y dx-x dy.
Ostatecznie różniczkę ddx możemy zapisać następująco (siła jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości):

-a ddx=\dfrac{x}{r^3}(y dx-x dy)^2,

gdzie a jest stałą proporcjonalności. Naszym zadaniem jest znalezienie równania krzywej.
Całką tego równania jest

a dx=\dfrac{y}{r}(ydx-xdy).

Dzieląc obustronnie przez x^2 i całkując ponownie, otrzymujemy

-\dfrac{a}{x}+c=-\dfrac{r}{x}\;\Rightarrow\; a-cx=r,

gdzie c jest stałą całkowania. Jest to równanie stożkowej (po obustronnym podniesieniu do kwadratu otrzymamy wielomian kwadratowy w zmiennych x,y).

Postępowanie Hermanna jest pomysłowe, choć całkowania są nieintuicyjne. Można jednak, jak zawsze, sprawdzić je, idąc od końca do początku, tzn. wykonując dwa kolejne różniczkowania. Tak naprawdę sztuka rozwiązywania równań różniczkowych jest często zamaskowanym odgadywaniem całek. Różniczkowania wynikają z reguły Leibniza dla iloczynu d(uv)=v du+u dv.
W naszym przypadku mamy np. dla drugiego równania

d\left(\dfrac{y}{r}\right)=\dfrac{rdy-ydr}{r^2}=\dfrac{r^2 dy-y rdr}{r^3}.

Pamiętając, że r^2=x^2+y^2, mamy rdr=xdx+ydy. Itd. itp. rachunki „od końca” są łatwe. W pierwszym całkowaniu przyjęliśmy stałą całkowania równą zeru, co nie zmniejsza ogólności wyniku, bo Hermann zakłada, iż oś Sx jest osią toru planety, tzn. przecięcie z osią x z lewej strony punktu S następuje w peryhelium albo aphelium, czyli przy y=0 powinno być dx=0.
Johann Bernoulli, który miał dość nieznośny charakter (nigdy nie dość wypominania mu, jak to konkurował ze swym synem Danielem) odpowiedział wybrzydzaniem na procedurę Hermanna i przedstawił swoją ogólniejszą, opartą na innym podejściu.

Z dzisiejszego punktu widzenia Hermann odkrył pewną całkę pierwszą problemu Keplera (tak się dziś nazywa problem ruchu wokół centrum przyciągającego jak 1/r^2). Całka pierwsza to wyrażenie, którego wartość nie zmienia się podczas ruchu. U Hermanna jest to

-\dfrac{dx}{dt}L_{z}-\dfrac{y}{r}=A_{y}=const.

W wyrażeniu tym L_z=xp_{y}-yp_{x}. Gdyby zająć się przyspieszeniem wzdłuż osi Sy, otrzymalibyśmy drugą całkę. Razem składają się one na wektor

\vec{A}=\vec{p}\times \vec{L}-\dfrac{\vec{r}}{r}.

Nazywa się go wektorem Rungego-Lenza, choć odkrył go właściwie Jakob Hermann. W pełni zdał sobie sprawę z faktu, że mamy trzy takie całki pierwsze, czyli w istocie wektor, Joseph Lagrange, a po nim Pierre Simon Laplace. Laplace przedyskutował też systematycznie wszystkie całki pierwsze problemu Keplera (trzy to moment pędu, trzy to nasz wektor, jedna to energia całkowita planety). Carl David Runge (ur. 1856) oraz Wilhelm Lenz (ur. 1888) pojawiają się w tej historii późno i w rolach dość przypadkowych. Pierwszy (znany z algorytmu Rungego-Kutty) użył tego wektora w swoim podręczniku analizy wektorowej, drugi zastosował go do pewnego problemu w starej teorii kwantów, przepisując go z podręcznika Rungego. Zupełnie niekosztowny sposób wejścia do historii. Wilhelm Lenz jest natomiast autorem tzw. modelu Isinga (Ernst Ising był jego doktorantem). Wektor odegrał pewną rolę w powstaniu mechaniki kwantowej. Stosując go, Wolfgang Pauli otrzymał wartości energii w atomie wodoru na podstawie formalizmu macierzowego Heisenberga. Chwilę później Erwin Schrödinger zrobił to samo w swoim formalizmie i wielu fizyków nie wiedziało, co o tym myśleć, bo na pierwszy rzut oka oba podejścia różniły się kompletnie.