Август Фердинанд Мёбиус - тот, кто свернул бесконечность в кольцо

Если вы думаете, что пиар и раскрутка важны только для шоу-бизнеса, а в научной сфере лишь вредят, то ошибаетесь. Доказательством тому – история о математике и астрономе Августе Мёбиусе, славу которого затмило всего лишь одно из его многочисленных открытий - лента Мебиуса.

Если вы думаете, что пиар и раскрутка важны только для шоу-бизнеса, а в научной сфере лишь вредят, то ошибаетесь. Доказательством тому – история о математике и астрономе Августе Мёбиусе, славу которого затмило всего лишь одно из его многочисленных открытий - лента Мёбиуса.

Как и его современники Карл Гаусс и Уильям Уильям Гамильтон, он был профессором астрономии, но свои самые значительные открытия совершил в области математики. Он ввел такие математические понятия, как однородные (они же барицентрические) координаты, бесконечно удаленные элементы; систематизировал виды поверхностей и кривых; сформулировал правило знаков в геометрии; изучил свойства алгебраических кривых III порядка в пространстве; разработал аналитические способы исследования применительно к проективной геометрии.
Астрономы благодарны ему за работы о планетных затмениях, системах линз, движении небесных тел и астрономических принципах, видимо, поэтому его именем назвали астероид и кратер на обратной стороне Луны.

1. Детство

Август Фердинанд Мёбиус (17.11.1790-26.09.1868) появился на свет в гимназии Шульпфорте, близ Наумбурга, в Курфюршестве Саксония. Отец его, Иоганн Генрих Мёбиус (1752-1792 гг.) работал здесь преподавателем танцев, а потому проживал в комнатах для преподавателей с женой и ребенком. Маленький Август плохо запомнил отца, ведь тот умер, когда ребенку не было еще и трех лет. Поэтому все начальное воспитание дала ему мать, Иоганна Кейл Мёбиус (1758-1820). В семье всегда гордились ее предком, Мартином Лютером. Кстати, уже в раннем возрасте Август активно интересовался математикой.

2. Учеба

В возрасте 12 лет (с 1803 и по 1809 г.) он начал обучение все в той же гимназии Шульпфорте, его преподавателем математики был Иоганн Готлиб Шмидт. По окончании поступил в Лейпцигский университет на факультет права. Проучившись полсеместра, Мёбиус пришел к выводу, что быть правоведом – не его призвание, а потому перешел к изучению астрономии и математики. Здесь он проучился с 1809 по 1813 г. Наставляли будущего ученого профессора: математики – Мориц фон Праск, физики – Людвиг Вильгельм Гилберт, астрономии – Карл Брандан Моллвейде (чуть позже Август даже стал его ассистентом).

Закончив здесь обучение, Август Мёбиус почувствовал необходимость получить дополнительные знания. А потому уехал из Лейпцига в мае 1813 г., за несколько месяцев до известнейшей Лейпцигской битвы (или Битвы народов), после которой началось отступление наполеоновских войск во Францию. Мёбиус в то время находился на лекциях Карла Гаусса, профессора астрономии в Геттингенском университете и директора Геттингенской обсерватории. Проучившись у него 2 семестра, Мёбиус отправляется дальше. Теперь он посещает математические семинары Иоганна Пфаффа в университете Галле. Все эти долгие занятия вылились в написание докторской диссертации на тему «Затмения планет». Прямо перед защитой диссертации его попытались забрать в прусскую армию, но, чудом избежав этой угрозы, в 1815 г. он все же успешно защитился. А благодаря еще одной дополнительной работе о тригонометрических уравнениях получил право преподавать в немецких университетах.

3. Преподавательская деятельность

В это время, в 1816 г., Карл Моллвейде решил полностью посвятить свое время математическим вопросам, а посему перешел на кафедру математики Лейпцигского университета, предложив пригласить преподавателем астрономии молодого Августа Мёбиуса. Ему дали звание экстраординарного профессора (несмотря на пышное название – это низшая степень, присваиваемая новичкам). На этом его карьерный рост надолго остановился. Причиной тому было полное неумение выставить себя в выгодном свете, заручиться поддержкой коллег или студентов. Он был очень спокойным и сдержанным человеком, лекции его не отличались театральностью, а потому приходило немного студентов. Все просто: чем меньше студентов, вносящих оплату за курс, тем меньше жалование и хуже отношение начальства.

Кроме того, Августа Фердинанда в 1816 г. назначили еще и наблюдателем в Лейпцигской обсерватории. Для того чтобы полностью войти в курс дела, Мёбиус объездил несколько подобных немецких сооружений, следствием чего стал список необходимых улучшений для последующего ремонта. Его назначили ответственным за реконструкцию Лейпцигской обсерватории, и с 1818 по 1821 г. он был весьма занят этим серьезным проектом.

4. Семейная жизнь

Все это время Август Мёбиус живет вместе с матерью, но в 1820 г. она умирает. Возможно, именно неустроенный быт заставляет его решиться на женитьбу. Его избранницей становится Доротея Христина Иоганна Рат (1790-1859). Жена была слепой от рождения, однако это не помешало ей произвести на свет и воспитать трех прекрасных детей: дочь Эмилию (1822-1897), в замужестве д'Арре; а также сыновей Августа Теодора (1821-1890) и Пауля Генриха (1825-1899). Оба стали известными преподавателями литературы, причем первый специализировался на скандинавских и исландских сказаниях, а второго часто путали с внуком Мёбиуса, Паулем Юлиусо, который стал известным неврологом.

5. Преподавательская деятельность: продолжение полосы невезения

Постепенно Мёбиус приобретал известность в научных кругах благодаря своим работам. Возможно, некоторые из них и нельзя назвать революционными, однако все были выполнены на высочайшем уровне и описывали достаточно узкоспециализированные вопросы геометрии, астрономии и механики.

Уже в 1816 г. он получил приглашение стать профессором астрономии в университете Грайфсваля, в Мекленбурге, а в 1819 г. – профессором математики в университете Дерпта (современный Тарту, Эстония). Однако ему не хотелось покидать свою родную Саксонию и Лейпцигский университет, который считал наилучшим по уровню обучения.
В 1825 г. умирает его учитель и друг Карл Моллвейде. Август Фердинанд очень надеялся, что освободившееся место отдадут ему, ведь он обладал всеми необходимыми знаниями.

6. Научные труды

В 1829 г. Август Фердинанд Мёбиус становится членом-корреспондентом Берлинской академии наук, а впоследствии и Французской академии наук.
Практически все научные работы он публикует в журнале, основанном немецким математиком Августом Крелем (1780-1855 гг.). Это был первый научный журнал, посвященный исключительно вопросам математики.

В 1828 г. выходит его работа «Барицентрическое исчисление» (или «Расчеты центров тяжести»), которую высоко оценил Карл Гаусс, назвав революционным открытием в истории математики. Гаусс считал ее более значимой, чем дифференциальное исчисление или его теория сравнения чисел. В этой работе Мёбиус разработал аналитическую теорию как проективных, так и аффинных преобразований.

В 1837 г. публикуется двухтомное «Руководство по статике», где ученый подробно остановился на силах, которые воздействуют на такие неподвижные конструкции, как здания, мосты и дамбы. Это была одна из самых значимых монографий I пол. XIX в., посвященных статике. В том же году выходит работа «Принципы астрономии».

В 1840 г. он сформулировал задачу о пяти смежных границах (причем намного раньше, чем появилась проблема четырех красок), которая выглядит так.
«Жил король, у которого было 5 сыновей. Он приказал, чтобы после его смерти дети поделили государство так, чтобы участок каждого имел смежные границы с прочими четырьмя. Возможно ли это?» Конечно, ответ отрицательный, как и следует из решения Мёбиуса.
Однако эта задача показывает первичный интерес ученого к такому разделу математики, как топология. Это наука изучающая явление непрерывности, как одного из свойств поверхностей и пространств. Благодаря определению свойств ленты Мёбиуса, ученого называют одним из пионеров топологии. Хотя это открытие и было совершено в 1858 г. одновременно двумя учеными: Мёбиусом и Иоганном Листингом (1808-1882 гг.), еще одним учеником Гаусса, имя лента получила в честь Августа Фердинанда.

В 1843 г. он опубликовал «Элементы небесной механики».

В 1844 г. к Мёбиусу обратился преподаватель математики Герман Грассман с просьбой написать рецензию на его работу «Линейная теория расширения, как новая ветвь математики». Он утверждал, что результаты ее перекликаются с темами, которые разрабатывал Август Фердинанд. Мёбиус не понял важности работы молодого ученого и отказался, однако уговорил того принять участие в математическом конкурсе. Когда Грассман в 1847 г. выиграл состязание, то ученому все-таки пришлось написать рецензию.

7. Преподавательская деятельность: долгожданное признание

В 1844 г. Мёбиуса пригласили стать профессором в университете Йены, в Тюрингии. К тому моменту он был уже известным ученым. Чтобы удержать Августа Фердинанда, руководство Лейпцигского университета наконец-то предложило ему звание профессора, повысив его через 28 лет безупречной службы. Студентами Мёбиуса были известные немецкие и австрийские ученые: математик и астроном Отто Фидлер, математик Герман Ганкель, физик и астроном Отто фон Литтроу, математик и астроном Рудольф Сондорфер.

В 1848 г. его назначили директором Лейпцигской обсерватории, а место наблюдателя занял его зять д'Арре. Так что все награды и должности все же нашли своего тихого и скромного героя. Кстати, скорее всего Мёбиус был еще и весьма рассеянным. Немецкий историк математики Мориц Кантор упоминает, что каждый раз, выходя на улицу, ученый произносил известную мнемоническую формулу «3S und Gut», которая представляет собой перечисление вещей, которые он обязательно должен был взять с собой на прогулку: schlüssel (ключи), schirm (зонтик), sacktuch (носовой платок), geld (деньги), uhr (часы), taschenbuch (записную книжку).

8. Упражнения с лентой

Говорят, что открытию свойств трехмерной поверхности, у которой имеется лишь одна сторона и одна граница, проще говоря, ленты Мёбиуса, помогла служанка ученого, которая то ли неправильно сшила ленту, то ли слишком тщательно обматывала горло шарфом. Биографы тут немного путаются в показаниях. Но, тем не менее, в 1858 г. Мёбиус отправил во Французскую академию наук работу, в которой показал возможность существования поверхности лишь с одной стороной. Ответа от Академии при жизни он так и не дождался, вот почему Листинг успел опубликовать свое решение раньше – в 1861 г. Работа Августа Мёбиуса увидела свет только в составе четырехтомного собрания в 1885-1887 гг.

Итак, чем так интересна лента Мёбиуса:

- она односторонняя, поэтому покрасить ее в два цвета не удастся;
- ее можно получить, перекрутив край полоски на 180° и склеив обе части;
- если вести карандаш вдоль полоски, не отрывая грифель от поверхности, то через какое-то время вы вернетесь в исходную точку;
- если разрезать ленту ровно посередине полосы, то получится уже обычная двусторонняя лента, но вдвое длиннее, чем исходная;
- если отрезать лишь треть полосы, то получим пару колец, причем разного размера: одно большое, а другое – маленькое;
- если склеить перекрученную дважды полоску, а затем полученную ленту разрезать посередине полосы, то получится два соединенных кольца, причем каждое из них тоже будут перекрученными.

Эту ленту сравнивают с символом бесконечности, ведь вдоль ее поверхности можно вести линию, сколь угодно долго. В стихотворении Н.Ю. Ивановой о листе Мёбиуса поэтично говорится: «В нем простота, и вместе с нею сложность, что недоступна даже мудрецам». А вы разобрались в хитросплетениях жизни человека, которому удалось свернуть бесконечность в обыкновенное кольцо?