Иэн Стюарт - Значимые фигуры. Жизнь и открытия великих математиков

Первоначально разные участки стержня могут быть нагреты или охлаждены до различных температур; таким образом создается температурный профиль распределения теплоты. Решения уравнения описывают, как начальное распределение теплоты вдоль стержня изменяется с течением времени. Точная форма уравнения привела Фурье к простому решению в одном частном случае. Если начальное распределение температуры представляет собой синусоиду, которая имеет максимум в центре, а к концам стержня сходит на нет, то с течением времени профиль температуры не меняется, а значение ее убывает и экспоненциально стремится к нулю. Однако Фурье хотел знать, что происходит с теплотой при произвольном начальном температурном профиле. Предположим, к примеру, что первоначально стержень нагрет на половине своей длины и охлажден на второй половине. Тогда начальный профиль представляет собой своеобразный меандр. Меандр – это не синусоида.

Чтобы получить решения несмотря на это препятствие, Фурье использовал важное свойство своего уравнения – его линейность. То есть любые два решения этого уравнения при сложении дадут еще одно решение. Если бы он мог представить начальный профиль как линейную комбинацию синусоид, то решение представляло бы собой соответствующую комбинацию экспоненциально убывающих синусоид. Он обнаружил, что меандр можно представить в таком виде, если взять бесконечное число синусоид и сложить профили вида sin x , sin 2 x , sin 3 x , sin 4 x и т. д. Чтобы получить точно прямоугольную форму, потребуется бесконечное число подобных слагаемых. Так, для стержня длиной 2π формула выглядит так:

Красиво, не правда ли?

Расчеты убедили Фурье в том, что если использовать наряду с синусовыми и косинусовые слагаемые, то можно представить в виде бесконечного тригонометрического ряда любой начальный температурный профиль, каким бы сложным он ни был, даже если в нем имеются разрывы непрерывности, как в меандре. Поэтому и решение своего уравнения Фурье мог записать в той же форме. Каждое слагаемое убывает со своей скоростью; чем больше циклов колебания укладывается на синусоиде или косинусоиде, тем быстрее убывает соответствующая ей составляющая. Поэтому температурный профиль меняет не только размер, но и форму. Кроме того, Фурье методом интегрирования вывел общую формулу для слагаемых своего ряда.

Работа произвела на комиссию достаточно сильное впечатление, чтобы присудить ей приз, но членов комиссии встревожило заявление Фурье о том, что его метод применим к любому начальному профилю, даже если на нем будет множество скачков других разрывов непрерывности – как на меандре, только хуже. В качестве обоснования Фурье апеллировал к физической интуиции, но математики всегда опасаются, что интуитивные выводы и представления на самом деле могут основываться на каких-то неявно принимаемых предположениях. В самом деле, ни предложенный метод, ни возникающая в связи с ним проблема не были по-настоящему новыми. Тот же вопрос уже поднимался в связи с волновым уравнением и вызвал ссору между Эйлером и Бернулли; Эйлер опубликовал те же самые интегральные формулы разложения в ряд, что и Фурье, с более простым и элегантным доказательством. Главным различием было утверждение Фурье о том, что его метод применим к любым профилям, непрерывным или с разрывами, – утверждение, на которое Эйлер не решился. Для волн этот вопрос был не настолько серьезным, потому что прерывистый профиль был бы моделью порванной скрипичной струны, которая, естественно, колебаться не стала бы вообще. Но для распределения теплоты профили вроде меандра вполне могли иметь разумную физическую интерпретацию и потому тоже являлись объектом идеализированных модельных допущений. Но в остальном фундаментальная математика в том и другом случае была одна и та же, и на тот момент задача оставалась нерешенной.

Задним числом можно сказать, что обе стороны диспута были отчасти правы. Основная проблема здесь заключается в сходимости ряда: имеет ли бесконечная сумма какое-то определенное разумное значение? Для тригонометрических рядов это довольно тонкий вопрос, осложненный необходимостью рассматривать не одну, а несколько разных интерпретаций «сходимости». Для полного ответа требовалось три ингредиента: новая теория интегрирования, разработанная Анри Лебегом; язык и строгие правила теории множеств, придуманной Георгом Кантором; и радикально новый подход, найденный Бернхардом Риманом. В результате выяснилось, что метод Фурье применим к широкому, но все же не универсальному классу начальных профилей. Физическая интуиция здесь служит хорошим ориентиром, и эти профили вполне годятся для любой разумной физической системы. Но, если подойти строго математически, никогда не следует обещать слишком много, ибо существуют исключения. Так что Фурье был прав по существу, но и его критики тоже были в чем-то правы.

В 1820-е гг. Фурье одним из первых начал исследования в области глобального потепления. Однако его интересовали не изменения климата, вызванные деятельностью человека; он просто хотел понять, почему на Земле достаточно тепла для поддержания жизни. Чтобы выяснить это, он применил свои знания о теплопроводности к нашей планете. Единственный очевидный источник тепла – излучение, получаемое Землей от Солнца. Часть этого тепла планета излучает обратно в космос, а того, что остается, должно хватать на обеспечение наблюдаемой средней температуры на поверхности. Но этого не хватало. По расчетам Фурье, Земля должна была быть заметно холоднее, чем на самом деле. Фурье сделал вывод, что в этих процессах, видимо, задействованы какие-то другие факторы, и опубликовал в 1824 и 1827 гг. статьи на эту тему. Со временем он решил, что наиболее вероятным объяснением является какое-то дополнительное излучение из межзвездного пространства, и безнадежно в этом ошибся. Однако он предложил (и отверг) также и верное объяснение: что атмосфера может играть роль своеобразного одеяла и удерживать под собой больше тепла, чем уходит в космос.

Вдохновением для него стал эксперимент, который провел геолог и физик Орас-Бенедикт де Соссюр. Исследуя возможность использования солнечных лучей для приготовления пищи, де Соссюр обнаружил, что самым эффективным из всех предложенных им устройств является изолированный ящик, закрытый тремя слоями стекла, разделенными довольно толстыми прослойками воздуха; это устройство могло нагреваться до 110 °C как на теплых равнинах, так и высоко в холодных горах. Следовательно, в механизме нагрева значительную роль играет воздух внутри ящика и действие стекла. Фурье предположил, что атмосфера Земли могла бы, в принципе, действовать примерно тем же манером, что и солнечная печь де Соссюра. Выражение «парниковый эффект», возможно, происходит от этого предположения, но первым его использовал Нильс Экхолм в 1901 г.