Elementy – Euklides (ok. 300 p.npe.)

Myślimy często o starożytnej Grecji jako o cywilizacji, która dała nam filozofię, teatr, poezję, historię, sztukę, logikę, demokrację. Mniej dostrzegane są początki nauk ścisłych, które, wbrew wszelkiemu prawdopodobieństwu, osiągnęły u Greków niezwykle wysoki poziom. Dwa najważniejsze dzieła, Elementy i Almagestpowstały w Aleksandrii, pierwsze na początku świetności miasta, drugie już pod jej koniec. Oddzielone od siebie ponad czterema wiekami, skondensowały w sobie to, co najlepsze w starożytnym dorobku. A bez greckiej geometrii i astronomii nie do pomyślenia byłaby późniejsza nauka islamska, a także praca Mikołaja Kopernika i jego następców prowadząca do rewolucji naukowej XVII wieku.

Tekst Elementów, podzielony na trzynaście ksiąg, obejmuje w sposób systematyczny najważniejsze osiągnięcia matematyki greckiej przed Archimedesem. Napisane około roku 300 p.n.e. dzieło było przez wieki kopiowane zarówno w greckim oryginale, jak i w przekładach na hebrajski, arabski i łacinę, a od 1482 roku zaczęło ukazywać się drukiem w niezliczonych wydaniach książkowych, które liczbą ustępują tylko wydaniom Biblii. Aż do początku XIX wieku znano tekst Euklidesa jedynie w redakcji Teona z Aleksandrii, uczonego z IV w.n.e., ojca Hypatii. W 1808 r. François Peyrard, pierwszy bibliotekarz École Polytechnique w Paryżu, odkrył, iż rękopis Elementów zrabowany z Watykanu przez Napoleona (Vaticanus graecus 190, zwany też P) jest wcześniejszą wersją dzieła. Stała się ona później podstawą definitywnego wydania opracowanego przez duńskiego filologa Johana Ludviga Heiberga.

[Vaticanus graecus 190]

Dzieło Euklidesa nie było pierwszym noszącym ten tytuł, szybko stało się jednak klasyczne, czego pośrednim dowodem jest fakt, że nie zachowały się niemal żadne wcześniejsze teksty matematyczne – w czasach gdy kopiowanie książek było kosztowne i pracochłonne, następowała swoista selekcja naturalna rękopisów, w której te bardziej przydatne wypierały mniej użyteczne. Elementy są najwcześniejszym zachowanym greckim traktatem poświęconym matematyce, ponieważ stanowią one podręcznik, z którego można nauczyć się podstaw matematyki. Stosowane były w tej funkcji nie tylko w starożytności, ale i w czasach późniejszych aż po dziewiętnasty wiek.

Zadziwiająco mało wiemy o autorze tekstu, nawet jego istnienie podawano w wątpliwość, argumentując, że dzieło jest niejednorodne i różne jego księgi wykazują rozmaity stopień dojrzałości. Na ogół sądzi się jednak, że Euklides działał i prawdopodobnie także urodził się w Aleksandrii, mieście niedługo wcześniej założonym przez Aleksandra Wielkiego i przez długie wieki stanowiącym ośrodek nauki i kultury greckiej. Według Proklosa, neoplatończyka z V w.n.e., Euklides żył za panowania Ptolemeusza I i był młodszy niż krąg uczniów Platona, a starszy od Archimedesa i Eratostenesa. Miał być platonikiem i z tego powodu dzieło jego kulminowało konstrukcją i omówieniem pięciu brył platońskich, znanych z Timajosa. Euklidesa nie uważano nigdy za oryginalnego twórcę, sądzono, że zebrał on i usystematyzował osiągniecia poprzedników, w szczególności Eudoksosa i Teajteta. Elementy nie są jednak prostą kompilacją znanego już materiału, lecz próbą zbudowania dedukcyjnego systemu wiedzy matematycznej. Możliwe, że tak jak i w późniejszej historii matematyki, po okresach szybkich postępów następowały okresy systematyzacji i porządkowania wiedzy i Elementy są świadectwem takiego dążenia. Choć odkrycia późniejszych matematyków, takich jak Archimedes, Apoloniusz i Pappus, znacznie wykroczyły poza problematykę Elementów, dzieło to pozostało najszerzej używanym podręcznikiem w historii. Jego znaczenie nie ogranicza się do matematyki: dedukcyjny system wiedzy stał się ideałem wielu późniejszych filozofów i uczonych. W naukach ścisłych aż do dziś uważa się możliwość ustrukturyzowania wykładu na wzór greckiej geometrii za ważny sprawdzian dojrzałości danej dyscypliny. Wprowadzając postulaty, z których następnie wyprowadzamy twierdzenia, osiągamy pojęciową jasność i większą przejrzystość konstrukcji myślowych, musimy bowiem uświadomić sobie jasno przyjęte założenia.

Pamiętać też należy, iż grecka geometria nie była traktowana jako abstrakcyjna gra logiczna, lecz jako teoria wywodząca się z obserwacji dotyczących ciał w przestrzeni, stanowiła więc i nadal stanowi (wraz z nieeklidesowymi rozszerzeniami) podstawę fizyki. Można więc traktować ją jako pierwszą matematyczną teorię fizyczną. Kiedy niedługo później Archimedes w podobny sposób ujmował zasady równowagi ciał, rozszerzał niejako geometrię, tworząc zarazem pierwszą fizykę matematyczną.

Poniżej skoncentrujemy się na przedstawieniu metody postępowania Euklidesa, ograniczając się do tego, co było znane i czytane najszerzej i nie ograniczało się tylko do samej matematyki. Aksjomatyczna konstrukcja wiedzy jest osiągnięciem greckim nie mniejszym niż demokratyczne rządy albo rzeźba. Dzięki Euklidesowi nigdy już nie stracono z oczu, przynajmniej w kręgu śródziemnomorskim, owej metody uzyskiwania zdań niezbitych i pewnych. Jeśli prawdą jest, że (jak ujął to Alfred North Whitehead) filozofia europejska stanowi ciąg przypisów do Platona, to z niemniejszą dozą słuszności powiedzieć można, że nauki ścisłe – fizyka w nie mniejszym stopniu niż matematyka – stanowią rozbudowany komentarz do Elementów Euklidesa.

Każda z ksiąg (albo grup ksiąg) poprzedzona jest definicjami. Księga pierwsza zaczyna się od wymienienia pięciu postulatów geometrii oraz pięciu ogólniejszych prawidłowości odnoszących się do tego, co Euklides nazywa wielkościami – może tu chodzić (jak czytelnik dowiaduje się przy okazji kolejnych twierdzeń) o długość odcinka, wielkość kąta, pole powierzchni czy objętość pewnych brył. Następnie z owych dziesięciu założeń wyprowadzane są kolejne twierdzenia oraz konstrukcje. Księgi I-IV oraz VI, XI-XIII poświęcone są geometrii, sięga V zawiera wykład teorii proporcji Eudoksosa (odgrywały one w matematyce greckiej rolę dzisiejszych liczb rzeczywistych), księgi VII-IX dotyczą arytmetyki, w księdze X dyskutowane są rozmaite rodzaje liczb niewymiernych, zawsze jednak traktowanych jako proporcje długości pewnych odcinków. Ostatnia księga XIII kończy się twierdzeniem, że istnieje dokładnie pięć brył platońskich (sześcian oraz foremne: czworościan, ośmiościan, dwunastościan i dwudziestościan).

Podejście Euklidesa niewątpliwie wiele zawdzięcza istniejącej już tradycji matematycznej, a także platońskiemu rozróżnieniu między przedmiotami postrzeganymi przez zmysły a bytami idealnymi: korzystając z rysunków, traktuje je tylko jako pomoc w wyobrażeniu sobie, jak mają się do siebie idealne figury geometryczne. Koncepcję uporządkowania wiedzy, zaczynając od założeń, których prawdziwość przyjmuje się bez dowodu, znaleźć można u Arystotelesa, nie wiadomo jednak, czy występuje tu jakaś bezpośrednia zależność, czy tylko wspólna tradycja filozoficzna. Geometria stała się pierwszą wyspecjalizowaną dziedziną wiedzy, uprawianą nie ze względów praktycznych, lecz dla niej samej. Wysokie mniemanie o pedagogicznych wartościach geometrii żywił Platon, sądząc, że kieruje ona uwagę ku temu, co wieczne i niezmienne. Stobajos przytacza następującą anegdotę:

Ktoś zaczął się uczyć u Euklidesa i kiedy poznał pierwsze twierdzenie, spytał:
– Co mi przyjdzie z tego, żem się tego nauczył?

Na to Euklides zawołał niewolnika i powiedział:

– Daj mu trzy obole, jeśli musi mieć zysk z tego, czego się uczy.

Omówimy bliżej główne linie rozumowania księgi I Elementów. Tekst poprzedzają 23 definicje, np. „Punkt jest tym, co nie ma żadnych części”, „Linia zaś jest długością bez szerokości”, „Równoległe są proste, które będąc na tej samej płaszczyźnie rozciągają się bez kresu w obie strony, ale w żadnej części się nie przetną” (przeł. M. Roszkowski). Linia prosta u Euklidesa jest zawsze skończona, tzn. jest odcinkiem wedle dzisiejszej terminologii. Dzisiejsi matematycy nie definiują wszystkich pojęć danej teorii, część z nich muszą bowiem stanowić pojęcia pierwotne, które przyjmuje się bez definicji, a ich sens ujawnia się dopiero, gdy badamy, w jaki sposób pojęcia występują one w aksjomatach i twierdzeniach.

Pięć postulatów głosi kolejno, że

1. Z każdego punktu do każdego innego można poprowadzić prostą (odcinek).
2. Odcinek można (obustronnie) przedłużać.
3. Z dowolnego środka można zakreślić okrąg przechodzący przez dany punkt.
4. Wszystkie kąty proste są wzajemnie równe.
5. Jeśli prosta przecina dwie inne proste, tworząca dwa kąty wewnętrzne mniejsze (w sumie) od dwóch kątów prostych, to można owe dwie proste przedłużyć tak, aby się przecięły.

Kąt prosty zdefiniowany jest tak, jak to widać na rysunku: gdy oba kąty utworzone przez półprostą o początku leżącym na danej prostej są równe, to kąty są kątami prostymi. Postulat 4 głosi, że dowolne kąty proste są równe, co znaczy tyle, że są przystające – mogą być na siebie nałożone tak, aby ich wierzchołki oraz ramiona się pokrywały (Euklides nie mówi tego wprost).

Pięć aksjomatów ogólnych stwierdza (w redakcji M. Kordosa):
1. Dwie wielkości równe trzeciej są równe.
2. Dodając do równych równe, dostajemy równe.
3. Odejmując od równych równe, dostajemy równe.
4. Wielkości dające się zamienić są równe.
5. Część jest mniejsza od całości.

Aksjomaty te stosowane są do porównania długości, kątów, figur, jak np. trójkąty. Mniejszy oznacza np. w przypadku odcinków, że po ich nałożeniu zostaje jeszcze jakaś niepokryta część większego (całości). Euklides nie posługuje się żadnymi miarami, porównuje tylko wielkości między sobą. Dlatego np. trójkąty są równe, gdy są przystające (można je na siebie nałożyć), ale także, gdy mają np. wspólną podstawę oraz jednakowe wysokości – dziś powiedzielibyśmy, że ich pola powierzchni są równe. Euklides nie myślał o długości jako liczbie, ani o polu prostokąta jako iloczynie długości boków, porównywał co najwyżej między sobą dwie wielkości.

Cały wykład podzielony jest na zagadnienia, które mogą być albo rozwiązaniem problemu konstrukcyjnego, albo twierdzeniem. W księdze I znajduje się 48 zagadnień, twierdzenie I,47 to twierdzenie dziś nazywane tw. Pitagorasa, I,48 to twierdzenie do niego odwrotne. Przyjrzyjmy się postępowaniu Euklidesa. Stosujemy dla przejrzystości nieco uwspółcześnioną terminologię, sformułowania nasze nie są wprawdzie dosłownym przekładem oryginału, ale też i nie odbiegają od niego zbyt daleko.

I,1 Mając dany odcinek AB, skonstruować na nim trójkąt równoboczny.

Konstrukcja sprowadza się do zakreślenia dwóch okręgów (Post. 3), które wyznaczą punkty przecięcia (co jednak nie wynika z aksjomatów Euklidesa, choć jest prawdą). Mając punkt przecięcia C, budujemy dwa odcinki AB oraz BC (Post. 1). Odcinki te są równe, ponieważ równe są odcinkowi AB (Aksj. 1). Trójkąt jest więc równoboczny. Warto zwrócić uwagę na eliminowanie kroków „oczywistych” i zastępowanie ich odwołaniami do postulatów i aksjomatów – w tym leży matematyczna siła Euklidesa, choć w oczach mniej matematycznie nastawionego czytelnika wywołuje to wrażenie (może nadmiernej) pedanterii.

I,2 Mając dany odcinek BC oraz punkt A nie leżący na nim, skonstruować odcinek AE=BC.

Łączymy w tym celu punkty AB (Post. 1) i budujemy trójkąt równoboczny za pomocą I,1. Promieniem BC zakreślamy okrąg o środku B (Post. 3). Przedłużamy następnie odcinek BD (Post. 2) do przecięcia z tym okręgiem H. Następnie promieniem HD zakreślamy okrąg o środku D. Przedłużenie AD (Post. 2) przetnie się z tym okręgiem w punkcie E. Odcinek AE (Post. 1) jest szukanym odcinkiem równym BC. Z aksjomatów ogólnych łatwo wnioskujemy, że odcinki te są równe, tzn. równe są ich długości (promień większego okręgu na rysunku to suma AB i boku trójkąta, odejmując potem bok trójkąta, otrzymujemy naszą tezę).
Warto zauważyć, że konstrukcje Euklidesa wykonywane są za pomocą linijki bez żadnej skali oraz cyrkla, który także nie pozwala przenosić odległości, lecz tylko poprwadzić okrąg z danego środka przez dany punkt (po przeniesieniu cyrkiel „nie pamięta” swego rozwarcia). Dzięki I,2 możemy uwolnić się od tego ograniczenia i odtwarzać odległość dwóch punktów w innym miejscu.

I,4 Dwa trójkąty, których dwa boki oraz zawarty między nimi kąt są równe, są przystające (równe).

Jest to cecha przystawania trójkątów bok-kąt-bok (bkb). Euklides dowodzi tego twierdzenia, nakładając na siebie oba trójkąty. Nie jest to postępowanie oczywiste, jeśli nie uważamy naszych figur za sztywne obiekty, które można przemieszczać bez zmiany kształtu i długości. David Hilbert przyjął w XIX w. to twierdzenie za jeden z aksjomatów w swoim wykładzie geometrii euklidesowej.

I,5 W trójkącie równoramiennym ABC, w którym AB=BC, kąty wewnętrzne przy podstawie są równe.

Przedłużamy ramiona trójkąta o jednakowe odcinki BF=CG. Trójkąty ABG i ACF są przystające na mocy poprzedniego twierdzenia, zatem także kąty ABG oraz ACF są równe. Trójkąty BFC i CGB są przystające na mocy tego samego twierdzenia (kąty BFC i BGC są równe, gdyż oba trójkąty pierwszej pary są przystające). Kąty ABC i BCA można przedstawić jako różnicę odpowiednio równych kątów (np. \sphericalangle ABC=\sphericalangle ABG-\sphericalangle CBG), muszą zatem być równe.
Twierdzenie to zyskało w średniowieczu nazwę Pons asinorum („ośli most”), nie wiadomo, czy z powodu kształtu towarzyszącego mu rysunku, czy też dlatego, że w tym miejscu ujawniał się już podział na tych, którzy rozumieją geometrię i na tych, którzy jej nie rozumieją. Pappus przedstawił prostszy dowód, w którym I,4 stosujemy do trójkątów BAC i CAB: ich boki są parami równe, a kąt przy wierzchołku jest tym samym kątem BAC, zatem oba trójkąty są przystające i kąty przy podstawie są równe. Euklides mógł mieć opory przeciwko takiemu potraktowaniu jednego trójkąta jako dwóch.

I,6 Jeśli kąty przy podstawie trójkąta są równe, to trójkąt jest równoramienny.

Euklides dowodzi tego twierdzenia przez sprowadzenie do niedorzeczności (reductio ad absurdum). Zakładamy, że teza twierdzenia jest fałszywa, a następnie staramy się wykazać, że wynika stąd zaprzeczenie założeń twierdzenia. Jeśli AB\neq AC, to któryś z odcinków jest większy, tzn. ma większą długość. Załóżmy, że AB>AC. Możemy wówczas na odcinku AB odłożyć odcinek AD=AC. Kąt DCB jest zatem mniejszy od kąta ACB. Jednocześnie trójkąt DBC jest równoboczny, a więc kąty DCB i DBC są równe na mocy poprzedniego twierdzenia. Kąt DBC jest tym samym, co kąt ABC, ergo ABC jest mniejszy od ACB wbrew założeniu.

I,9 Skonstruować dwusieczną danego kąta.

Na ramionach kąta odkładamy równe odcinki AD i AE. Następnie na odcinku AD konstruujemy trójkąt równoboczny. Jego trzeci wierzchołek wraz z wierzchołkiem kąta wyznaczają szukaną dwusieczną, co można łatwo udowodnić: kąty ADE i AED są równe jako kąty przy podstawie trójkąta równoramiennego. W takim razie także kąty ADF i AEF są równe i oba trójkąty ADF i AEF są przystające. Wobec tego kąty DAF i FAE są równe c.n.d.

I,11 Skonstruować prostopadłą do danej prostej w punkcie D.

Wyznaczamy na prostej dwa punkty A i B w równych odległościach od D: AD=DB. Następnie na odcinku AB konstruujemy trójkąt równoboczny. Jego trzeci wierzchołek C wraz z punktem D wyznaczają szukaną prostopadłą. Aby to udowodnić, zauważamy, że trójkąty ADC i BDC są przystające, a zatem kąty CDA i CDB są równe – spełniona jest więc definicja kąta prostego i oba te kąt są równe kątowi prostemu. Tym samym DC jest prostopadła do prostej AB.

I,20 (Nierówność trójkąta) Dwa boki trójkąta razem są dłuższe od trzeciego boku.

Niech będzie dany trójkąt CAB, chcemy dowieść, że odcinki AC wraz z CB są większe od AB. W tym celu na przedłużeniu AC odkładamy odcinek CD=CB. Kąt ABD jest większy od kąta CBD. Ten ostatni równy jest kątowi CDB, czyli ADB. W trójkącie ABD naprzeciwko większego kąta leży większy bok (I, 19; nie przytaczamy dowodu), a zatem AD=AC+CB>AB (stosując współczesny zapis).
Z twierdzenia tego wynika, że długość łamanej łączącej dwa punkty jest zawsze większa niż długość odcinka łączącego te punkty. W konsekwencji, jeśli połączymy oba punkty jakąś krzywą gładką, ale taką że zarówno samą krzywą, jak i jej długość można dowolnie przybliżać za pomocą łamanych, to długość łuku krzywej nie może być mniejsza niż długość odcinka łączącego dane punkty. Inaczej mówiąc, odcinek jest krzywą o najmniejszej długości (przy ustalonych obu końcach). Euklides nie dowodzi takiego twierdzenia, ale było ono znane greckim geometrom.
Dopiero blisko połowy księgi I staje się potrzebny Postulat 5.

I,29 Jeśli prosta EF przecina parę prostych równoległych AB i CD, to kąty naprzemianległe wewnętrzne są równe.

Wykażemy, że kąt AGF równy jest kątowi EHD. Załóżmy, że oba te kąty nie są równe. Niech np. AGF będzie większy od EHD. Ponieważ kąty AGF i BGF dopełniają się do dwóch kątów prostych (I,14; nie przytaczamy dowodu), więc suma kątów BGF i EHD jest mniejsza od dwóch kątów prostych. Z Post. 5 wynika, że proste AB i CD (po ewentualnym przedłużeniu) przetną się, nie są zatem – wbrew założeniu – prostymi równoległymi.
Postulat 5 sformułowany został tak, aby wygodnie się nim było posługiwać do wykazania, że dwie proste nie są równoległe. Nie wydawał się on tak oczywisty jak pozostałe i wzbudzał zawsze rozmaite wątpliwości. Jest on równoważny innemu postulatowi sformułowanemu przez Playfaira: Przez punkt nie leżący na danej prostej można przeprowadzić dokładnie jedną prostą równoległą do danej. Postulat 5 jest także równoważny twierdzeniu o sumie kątów wewnętrznych trójkąta.

I,32 Suma kątów wewnętrznych trójkąta równa jest dwóm kątom prostym.

Wystarczy zauważyć równość zaznaczonych kątów na rysunku (linia przerywana jest równoległa do boku trójkąta).

I,47 (Tw. Pitagorasa) W trójkącie prostokątnym suma kwadratów zbudowanych na przyprostokątnych jest równa kwadratowi zbudowanemu na przeciwprostokątnej.

Zwróćmy uwagę na sformułowanie: należy najpierw skonstruować kwadraty, o których mowa w twierdzeniu, a następnie wykazać, że suma (pól) dwóch mniejszych kwadratów jest równa polu kwadratu największego. Wysokość trójkąta opuszczona z kąta prostego po przedłużeniu dzieli kwadrat na dwa prostokąty. Euklides wykazuje, że dla trójkąta ABΓ oba pola zaznaczone na zielono oraz oba pola zaznaczone na niebiesko są równe.

Dowód Euklidesa korzysta z konstrukcji I,46 kwadratu na danym odcinku oraz linii równoległej do BΔ i ΓE przechodzącej przez dany punkt A (I,31). Wykazuje następnie, że AH jest przedłużeniem AΓ oraz AΘ jest przedłużeniem AB (I,14). Trójkąty ABΔ oraz ZBΓ są przystające na mocy twierdzenia I,4 (bkb). Prostokąt BΛ o podstawie BΔ ma tę samą wysokość co trójkąt ABΔ o tej samej podstawie. Na mocy I,41 prostokąt jest dwa razy większy od trójkąta (to wynik równoważny wzorowi na pole trójkąta, gdy określimy pole prostokąta). Kwadrat BH jest z tego samego powodu dwa razy większy od trójkąta ZBΓ o podstawie ZB. W analogiczny sposób pokazać można, że oba pola zaznaczone na niebiesko są równe, co kończy dowód.

W księdze VI Euklides przytacza inny dowód tw. Pitagorasa, oparty na podobieństwie mniejszych trójkątów na rysunku i trójkąta wyjściowego. Ten drugi dowód znany był prawdopodobnie wcześniej, dowód I,47, pochodzący zapewne od samego Euklidesa, jest bardziej zadowalający matematycznie, gdyż używa mniejszej liczby założeń: w księdze I daleko jeszcze jesteśmy od tak subtelnych konstrukcji jak figury podobne.
Ostatnie twierdzenie tej księgi I,48 jest odwrotne do tw. Pitagorasa: Jeśli spełniony jest warunek pól dla kwadratów zbudowanych na bokach trójkąta, to trójkąt ów jest prostokątny.

Elementy są podręcznikiem i były nim już w chwili powstania. Ścisłość rozumowań Euklidesa stała się wzorem dla przyszłych matematyków. Wybitny matematyk XX wieku André Weil pisał: „ [Elementy] Euklidesa to pierwszy zachowany tekst matematyczny, w którym pojęcie dowodu utożsamione zostało z łańcuchem wnioskowań pozbawionym luk; nie bez powodu ten sposób widzenia przedmiotu zachował swą aktualność do dziś”.

Nie sposób oczywiście przedstawić nawet pobieżnie wpływu książki czytanej w ciągu dwudziestu kilku wieków przez tysiące ludzi: wybitnych matematyków, jak i myślicieli czy po prostu uważnych czytelników mniej lub bardziej oddalonych od nauk ścisłych.

Greckie manuskrypty Elementów przechowywane były w Bizancjum. Od nich pochodziły przekłady arabskie, które z kolei dały początek rozpowszechnianiu się tekstu zarówno na Wschód (języki hebrajski, syryjski, perski), jak i na Zachód (łacina). W europejskim średniowieczu przekładano Euklidesa z arabskiego na łacinę wielokrotnie w wieku dwunastym i później. Już sama międzynarodowa lista tłumaczy daje pojęcie o zainteresowaniu Elementami: Adelard z Bath, Hermann z Karyntii, Gerard z Cremony, Robert z Chester, Campanus z Novary. Przekład tego ostatniego stał się podstawą pierwszego drukowanego wydania Elementów w Wenecji w roku 1482. W XVI wieku udało się też dotrzeć do tekstu greckiego (w wersji Teona). Od tamtej pory ukazały się niezliczone wydania oraz przekłady na języki narodowe (brak nadal kompletnego przekładu polskiego, choć już w 1808 Józef Czech, dyrektor Liceum Krzemienieckiego, przełożył osiem ksiąg, opierając się na angielskiej wersji Roberta Simonsa).

Twierdzenie Pitagorasa w weneckim wydaniu z 1482 r. (numeracja twierdzenia lekko w nim szwankowała)

Geometria oraz arytmetyka miały w średniowieczu mocną pozycję jako sztuki wyzwolone wchodzące w skład quadrivium („czterodroże”) wraz z astronomią i muzyką (która obejmowała głównie teoretyczną naukę o proporcjach dźwięków w różnych skalach). Także i później podstawy geometrii stanowiły nieodzowny element wykształcenia, Elementów długo jeszcze używano jako podręcznika. Bertrand Russell, logik i filozof, wspomina: „W wieku jedenastu lat zacząłem Euklidesa z moim bratem w roli tutora. Było to w moim życiu wielkie wydarzenie, równie olśniewające co pierwsza miłość. Wcześniej nie wyobrażałem sobie nawet, że istnieje na świecie coś tak zachwycającego. Kiedy przeszedłem Zagadnienie 5 (Pons asinorum), brat powiedział mi, że powszechnie uchodzi ono za trudne, ja jednak nie napotkałem w nim żadnych trudności. To wtedy po raz pierwszy zaświtało w mej głowie, że może obdarzony zostałem jakąś inteligencją”. Kilka lat młodszy Albert Einstein nie uczył się wprawdzie z Elementów, lecz z podręcznika będącego ich zmodernizowaną wersją; także dla niego odkrycie geometrii było wielkim przeżyciem, wspominał potem podręcznik jako „świętą książeczkę”, co w jego ustach – uduchowionego niedowiarka i spinozisty – miało swoją wymowę. Einstein sądził wręcz, że głęboki wstrząs intelektualny, jaki wówczas przeżył, stanowi niejako rodzaj probierza, czy ktoś się do nauki nadaje, czy nie. Zanim jeszcze podręcznik trafił w jego ręce, udało mu się znaleźć dowód twierdzenia Pitagorasa oparty na podobieństwie trójkątów (VI,31).

Metoda geometryczna kusiła też filozofów. Thomas Hobbes, mając już czterdzieści lat, natknął się w bibliotece znajomego gentlemana na egzemplarz Elementów, które otwarte były na stronie zawierającej twierdzenie Pitagorasa. Przeczytawszy jego treść, wykrzyknął: na Boga, to niemożliwe! Potem jednak cofając się stopniowo do twierdzeń, na których oparty był dowód, zrozumiał, że rozumowanie Euklidesa jest bez zarzutu. René Descartes sam był wybitnym matematykiem i z geometrią zapoznał się wcześnie w jezuickim kolegium w La Flèche. Właśnie na goemetrii wzorował się w swym podejściu do filozofii, która miała być nowym początkiem ludzkiej wiedzy. „Owe długie łańcuchy uzasadnień, zupełnie proste i łatwe, którymi zazwyczaj posługują się geometrzy, by dotrzeć do swych najtrudniejszych dowodzeń, dały mi sposobność do wyobrażenia sobie, że wszystkie rzeczy dostępne poznaniu ludzkiemu wynikają w taki sam sposób wzajemnie ze siebie, a także, że nie mogą istnieć tak odległe, do których byśmy wreszcie nie dotarli, i tak ukryte, których byśmy nie wykryli, bylebyśmy tylko nie przyjmowali za prawdziwą żadnej rzeczy, która by prawdziwą nie była, i zachowywali zawsze należyty porządek w wyprowadzaniu jednych z drugich” (przeł. W. Wojciechowska, Rozprawa o metodzie, PWN 1981, s. 23). Zdaniem Immanuela Kanta przedmioty, które bada matematyka: przestrzeń i czas nie pochodzą z doświadczenia, ale mają swe źródło w poznającym przedmiocie. Geometria stała się w ten sposób nauką o jedynie możliwej przestrzeni.

Tymczasem matematycy nabierali coraz więcej wątpliwości. Karl Friedrich Gauss już w roku 1813 rozmyślał nad geometrią nieuklidesową, lecz oportunistycznie nie zdecydował się na publikację swych wyników. Także Ferdinand Karl Schweikart, profesor prawa, rozwijał podobne idee w zaciszu gabinetu. Dopiero János Bolyai i Nikołaj Iwanowicz Łobaczewski, niezależnie od siebie zaryzykowali publikację prac sprzecznych z dotychczasową tradycją, nie były one przyjęte dobrze. Obaj zajmowali się geometrią hiperboliczną, w której istnieje nieskończenie wiele prostych równoległych do danej prostej. Postulat 5 Euklidesa jest bowiem niezależny od pozostałych i równie dobrze można zbudować konsekwentną geometrię, wychodząc z jego zaprzeczenia. Pod koniec XIX wieku David Hilbert podał ścisłe sformułowanie geometrii euklidesowej. Znalazło się w nim dwadzieścia aksjomatów, trzy pojęcia pierwotne (punkt, linia prosta, płaszczyzna) oraz cztery relacje pierwotne (leżenia pomiedzy, zawierania oraz przystawania odcinków oraz kątów). Różnica w podejściu między dawną geometrią a jej nowoczesnym, abstrakcyjnym sformułowaniem podkreślona została przez Hilberta następująco: „Powinno się w każdej chwili móc wstawić w miejsce punktów, linii i płaszczyzn – stoły, krzesła i kufle do piwa” (oczywiście pod warunkiem, że obiekty te spełniają aksjomaty geometrii).

Reklamy

John Maynard Keynes, Isaac Newton i Pitagoras z Samos (1694)

W roku 1936 na aukcji w domu Sotheby’s sprzedano dużą kolekcję rękopisów alchemicznych i religijnych Isaaca Newtona. Ani uniwersytet w Cambridge, ani British Museum nie były zainteresowane kupnem. Znaczną część papierów nabyli dwaj zapaleni kolekcjonerzy bibliofile: ekonomista John Maynard Keynes i filolog arabista i biblista Abraham Shalom Yahuda. Keynes przeżywa dziś renesans jako pierwszy ekonomista zalecający zwiększenie wydatków w celu pobudzenia gospodarki w kryzysie i uruchomienia mocy produkcyjnych. Współczesna wersja tego podejścia to quantitative easing – stosowane w ciągu ostatniej dekady praktyki skupowania obligacji przez bank centralny, dzięki czemu zamieniane są one na gotówkę, wpływającą do gospodarki. Keynes był postacią skomplikowaną i niełatwą do zaszufladkowania. Studiował matematykę w Cambridge, zajmował się filozofią, trochę chodził na wykłady z ekonomii, obracał się wśród artystów i pisarzy, znanych jako grupa z Bloomsbury (m.in. Virginia Woolf, E.M. Forster, Lytton Strachey), był wysokim urzędnikiem, dyrektorem Banku Anglii, prywatnym inwestorem, mecenasem sztuki, doradcą rządowym. Brał udział w wypracowywaniu traktatu wersalskiego po I wojnie światowej i był przeciwny nakładaniu na Niemcy wysokich reparacji (jak wiemy, Niemców upokorzono, co znacznie się przyczyniło do sukcesów nazizmu i następnej wojny). Bertrand Russell, logik matematyczny i filozof, pisał o nim:

Keynes miał najbystrzejszy i najklarowniejszy umysł, z jakim się zetknąłem. Kiedy się z nim spierałem, miałem uczucie, że walczę o życie i rzadko kiedy nie miałem potem wrażenia, iż okazałem się po trosze głupcem. Czasami sobie myślałem, że taka błyskotliwość jest nie do pogodzenia z głębią, lecz nie sądzę, żeby ten pogląd był uzasadniony. [Autobiography 1872-1914, koniec rozdz. 3]

Bertrand Russell, John Maynard Keynes, Lytton Strachey w roku 1915, National Portrait Gallery

Keynes już jako młody człowiek interesował się postacią Newtona i kupił pierwsze wydanie Principiów. W latach czterdziestych napisał, jak wyobraża sobie wielkiego uczonego.

Uważam, że Newton był inny, niż się zwykle wyobraża. Nie sądzę jednak, że był przez to mniej wielki. Był mniej zwyczajny, bardziej niezwykły, niż XIX wiek starał się go przedstawić. Geniusze są ludźmi wielce osobliwymi. (…) Od XVIII stulecia począwszy, zaczęto uznawać Newtona za pierwszego i największego uczonego nowożytnego, racjonalistę, kogoś, kto nauczył nas kierować się w myśleniu jedynie chłodnym i pozbawionym uprzedzeń rozumem. Ja nie patrzę na niego w taki sposób. Nie sądzę, by ktokolwiek, kto pochylił się nad zawartością tej skrzyni, którą Newton spakował, gdy ostatecznie opuszczał Cambridge w roku 1696, i której zawartość, choć częściowo rozproszona, dotarła do nas, mógł o nim myśleć w taki sposób. Newton nie był pierwszym przedstawicielem Wieku Rozumu. Był ostatnim z magów, ostatnim z Babilończyków i Sumerów, ostatnim z wielkich myślicieli patrzących na świat widzialny i duchowy tymi samymi oczyma, co ci, którzy zaczęli budować nasze intelektualne dziedzictwo niespełna 10 000 lat temu. Isaac Newton, pogrobowiec, dziecko bez ojca, urodzone w Boże Narodzenie 1642 roku, był ostatnim cudownym dzieckiem, któremu Trzej Magowie mogliby złożyć szczery i stosowny hołd. (…) Czemu nazywam go magiem? Ponieważ patrzył na cały wszechświat i na wszystko, co się w nim znajduje, jak na zagadkę, tajemnicę, która może zostać odczytana dzięki skupieniu czystej myśli na pewnych dowodach, pewnych mistycznych wskazówkach umieszczonych przez Boga w świecie, aby umożliwić ezoterycznemu bractwu coś w rodzaju polowania na filozoficzny skarb. Uważał, że owe wskazówki znaleźć można po części w świadectwach niebios i w budowie elementów (i to właśnie wywołuje fałszywą sugestię, jakoby był filozofem eksperymentalnym), ale po części także w pewnych dokumentach i tradycjach przekazywanych przez braci w jednym nieprzerwanym łańcuchu od pierwotnego zaszyfrowanego objawienia w Babilonii. Uważał wszechświat za kryptogram Wszechmogącego – podobnie jak sam zawarł odkrycie rachunku różniczkowego i całkowego w anagramie przekazanym Leibnizowi. Sądził, że dzięki czystej myśli, dzięki koncentracji umysłu, owa zagadka zostanie odsłonięta przed wtajemniczonymi. Udało mu się odczytać zagadkę niebios. I wierzył, że dzięki tym samym zdolnościom introspekcyjnej wyobraźni odczyta zagadkę Boskiej osoby, zagadkę przeszłych i przyszłych wydarzeń zapisanych u Boga, zagadkę elementów i ich utworzenia się z niezróżnicowanej pierwszej materii, zagadkę zdrowia i nieśmiertelności. Wszystko zostanie przed nim odsłonięte, jeśli tylko wytrwa aż do końca, będzie sam i nikt mu nie będzie przeszkadzał, nikt nie będzie wchodził do pokoju; jeśli będzie czytał, prze pisywał, sam wszystko sprawdzał, bez żadnych przerw, bez ujawniania czegokolwiek, bez ciągłego wtrącania się i obiekcji z zewnątrz, gdy z lękiem i dreszczem przypuszcza atak na owe rzeczy na poły nakazane, na poły zabronione, skrywając się w łonie Boga jak w łonie matki.

Kopia portretu Godfreya Knellera z 1689, uczony wcześnie posiwiał, mówił, że to skutek eksperymentów z rtęcią. (Wikipedia). Sam portret jest własnością prywatną i rzadko można go oglądać.

Keynes miał niewątpliwie rację, uważając Newtona raczej za epigona pewnej tradycji niż za prekursora nowej nauki (my patrzymy na niego jakby przez odwróconą lunetę, wiedząc, jak później eksplodowały nauki ścisłe). Bez wątpienia także był Newton postacią wymykającą się klasyfikacjom, zupełnie nieprzewidywalną i osobną, posiadającą swoją prywatną wizję wszechświata, którą rzadko i niechętnie dzielił się z innymi. Nie był ani zawodowym uczonym, ani nauczycielem, ani filozofem. Szukał wiedzy dla siebie i nie dzielił jej na naukową i nienaukową. Alchemia jako zagadka była dla niego nie mniej pasjonująca niż Apokalipsa św. Jana i zawarte w niej proroctwa. Dzięki katedrze Lucasa mógł robić, co chciał i niezbyt chętnie informował o tym świat zewnętrzny (czasem nawet nie mógł, bo np. jako członek Kolegium Św. Trójcy – Trinity College – nie mógł powiedzieć głośno, że Trójca św. jest fikcją wymyśloną przez Atanazego, niezgodną z tradycją i pismami wczesnego Kościoła). Nie potrzebował cudzych pochwał, niezbyt też chyba wierzył w to, że ktoś mógłby mu powiedzieć na temat matematyki czy fizyki coś istotnego, do czego sam już wcześniej nie doszedł. Rzadko ktoś go zaskakiwał w nauce, on wszystkich – niemal zawsze. Wszystkie właściwie prace trzeba było z niego wyduszać, niewiele go obchodziło, co inni sądzą na ich temat, rozmawiał niezdawkowo tylko z ludźmi zaprzyjaźnionymi, a i to dość rzadko.

Dobrym przykładem jego postawy jest kontekst, w jakim widział prawo ciążenia. Dla nas jest jego odkrywcą, można spokojnie założyć, że gdyby mały Isaac zmarł zaraz po porodzie (a był słabiutkim wcześniakiem i nikt nie wierzył, że przeżyje), to prawa powszechnego ciążenia nie znano by jeszcze długo, gdzieś do połowy XVIII wieku. On sam czuł się wprawdzie jego odkrywcą, ale wierzył, że przed nim musiano już to prawo znać. Podejrzewał, że zapewne znał je już Pitagoras.

W roku 1694 Newton zastanawiał się nad drugim wydaniem swoich Matematycznych zasad filozofii przyrody. Myślał o tym, aby prowadzić pewne komentarze – scholia do sformułowania praw ciążenia. (Ponieważ nie stosowano jeszcze zapisu algebraicznego, Newton podawał kolejno różne własności grawitacji: że jest proporcjonalna do masy jednego ciała, a także masy drugiego ciała i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi – nie było jednego wyrażenia matematycznego). Ostatecznie nie zdecydował się na publikację tych Scholiów klasycznych. Dają nam one jednak wgląd w jego sposób myślenia o historii. Musimy pamiętać, że Newton znał praktycznie całą klasyczną literaturę i filozofię, nie dlatego że cenił poezję, lecz ze swoistej ostrożności poznawczej, ze względu na elementy wiedzy, którą być może znali starożytni. Znał też praktycznie na pamięć pisma kilkuset Ojców Kościoła, eksperci przypuszczają, że był ostatnim takim erudytą. Do tego dochodzi jeszcze tradycja hermetyczna i alchemiczna. Jak się zdaje, nigdy nie zapominał tego, co raz przeczytał. Newton szukał w tych różnych tekstach zapomnianej albo specjalnie ukrytej wiedzy.

Jego własne poglądy naukowe przypominały starożytny epikureizm, znany głównie z poematu Lukrecjusza O naturze rzeczy. Nieskończony wszechświat, czy może nawet nieskończone zbiorowisko wszechświatów, wypełnionych atomami, które działają na siebie siłami ciążenia. Kłopot z Lukrecjuszem i epikureizmem był taki, że ich filozofia powstała z wyraźnym przesłaniem etycznym: nie potrzebujemy obawiać się bogów, bo oni z pewnością się nami nie zajmują, jest tylko materia, która podlega w przyrodzie wiecznemu recyclingowi, jak we śnie ekologa. Newton był natomiast fundamentalistą biblijnym i religijnym fanatykiem, dla którego nawet Kartezjusz był bezbożnikiem, gdyż w jego systemie świata nie było miejsca na Boga. Toteż uznał, że system Lukrecjusza został źle zrozumiany i jest pozostałością po jeszcze starszej wiedzy, którą np. posiadał Pitagoras. Dotyczyć miała nie tylko atomów i ich budowy (chodziło o to, że materia ma stałą gęstość, a jeśli np. woda ma mniejszą gęstość niż złoto, to znaczy, że w cząstkach wody znajduje się więcej próżni). Także prawo powszechnego ciążenia znane było Pitagorasowi albo uczonym przed nim. Ukryte było w koncepcji harmonii świata. Gdyby wyobrazić sobie, że odległość Słońce-planeta to długość struny, to chcąc wszystkie te struny doprowadzić do unisono, należałoby do nich zastosować prawo, odkryte przez Vincenza Galilei, wiążące siłę naciągu i długość: zamiast skracać strunę x razy możemy zastosować x^2 razy większą siłę ciążenia. W ten sposób wszystkie kosmiczne „dźwięki” miałyby tę samą wysokość.

Czy Newton naprawdę wierzył w ten pomysł? Zdawał sobie sprawę, że ściśle biorąc, nie ma w tekstach starożytnych nic o prawie wiążącym naciąg struny i kwadrat jej długości. Ale dopuszczał możliwość, że taka wiedza została z czasem zagubiona bądź zniekształcona, ponieważ przekazywano ją w postaci symboli zrozumiałych dla wtajemniczonych, aby trzymać tajniki nauki z dala od profanów. Tak działali pitagorejczycy, a w czasach nowożytnych – alchemicy. Sam Newton przypuszczał, że geometryczne ujęcie rachunku różniczkowego i całkowego, które odkrył, było w zasadzie wiedzą starożytnych. Czuł się więc bardziej kontynuatorem starożytnych niż swoich współczesnych. Nie należy uważać, że jest w tym jedynie dziwactwo wielkiego uczonego. To znaczy jest tu element osobistego dziwactwa, ale także i obce nam podejście do historii. Dla Newtona wiedza naukowa nie była konstrukcją historyczną, lecz zbiorem sekretów, które posiąść mogą wybrani (z wyraźną pomocą Bożą). Mity i podania uznawał za zaszyfrowane informacje, które można odkodować, jeśli złamie się klucz. Nie występuje w jego świecie coś takiego jak licentia poetica, jeśli nie wszystko da się zrozumieć i odczytać, to jest to skutek błędów w przekazie.

Speaking Deutsch…

…zwolennicy wysoce niemoralnych doktryn niemal zawsze wierzą także w jakieś związane z nimi fałszywe zdania na temat faktów. Na przykład po zamachu z 11 września 2001 roku miliony ludzi wierzyły, iż został on przeprowadzony przez rząd Stanów Zjednoczonych albo tajne służby Izraela. I choć stwierdzenia te są błędne na poziomie czystych faktów, noszą też wyraźne znamię zła moralnego – podobnie jak skamielina, wytworzona z nieorganicznej materii, nosi w sobie odcisk minionego życia. Aby sklecić jakieś moralne uzasadnienie, dlaczego ludzie Zachodu zasługują na to, żeby ich w przypadkowy sposób zabijać, trzeba wyjaśnić na poziomie faktów, że Zachód nie jest tym, za co się uważa, a to z kolei wymaga bezkrytycznego przyjęcia teorii spiskowych, zaprzeczania faktom historycznym itd.

Piękno, dobro i zło, liczby pierwsze i zbiory nieskończone – wszystko to istnieje obiektywnie, choć nie fizycznie.

W trakcie ewolucji biologicznej, podobnie jak w historii sztuki, zmieniały się kryteria i ewoluowały także sposoby, aby im sprostać. W ten sposób kwiaty zdobyły wiedzę, jak przyciągać do siebie owady, a owady umiejętność rozpoznawania kwiatów i skłonność do kierowania się w ich stronę. (…) tak więc kwiaty musiały wytworzyć obiektywne piękno, a owady nauczyły się je rozpoznawać. W rezultacie jedynymi gatunkami przyciąganymi przez kwiaty są owady, które z nimi współewoluowały – oraz ludzie.

Z wiedzą naukową jest podobnie jak z bogactwem: trudno sobie wyobrazić, jakby to było, gdybyśmy mieli jej dwa razy więcej i kiedy próbujemy na jej temat prorokować, stwierdzamy, że dopisujemy jedynie kolejne miejsca po przecinku do tego, co już wiemy.

Wszystkie cytaty pochodzą z książki Davida Deutscha, The Beginning of Infinity.

I na koniec myśl Bertranda Russella ze Sceptical Essays: Większość ludzi woli raczej umrzeć, niż pomyśleć; i wielu umiera.