НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ СЕРИЯ ТОМОВ ДЛЯ СОДЕЙСТВИЯ НАУЧНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ И ПРОГРЕССУ В ОБРАЗОВАНИИ Под редакцией Дж. Маккина Кеттела
ТОМ I — ОСНОВЫ НАУКИ
ПОД ТОЙ ЖЕ РЕДАКЦИЕЙ
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. Серия томов для содействия научным исследованиям и прогрессу в образовании.
Том I. Основы науки. Авт. А. Пуанкаре. Содержит авторизованный английский перевод Джорджа Брюса Хэлстеда книг «Наука и гипотеза», «Ценность науки» и «Наука и метод».
Том II. Медицинские исследования и образование. Авт. Ричард Миллс Пирс, Уильям Г. Уэлч, У. Г. Хауэлл, Франклин П. Молл, Льюэллис Ф. Баркер, Чарльз С. Майнот, У. Б. Кэннон, У. Т. Каунсилмен, Теобальд Смит, Г. Н. Стюарт, К. М. Джексон, Э. П. Лайон, Джеймс Б. Херрик, Джон М. Додсон, К. Р. Бардин, У. Офалс, С. Дж. Мельцер, Джеймс Юинг, У. У. Кин, Генри Г. Дональдсон, Кристиан А. Хертер и Генри П. Боудич.
Том III. Управление университетами. Авт. Дж. Маккин Кеттел и другие авторы.
АМЕРИКАНСКИЕ УЧЕНЫЕ. Биографический справочник.
SCIENCE. Еженедельный журнал, посвященный развитию науки. Официальный орган Американской ассоциации содействия развитию науки.
THE POPULAR SCIENCE MONTHLY. Ежемесячный журнал, посвященный распространению научных знаний.
THE AMERICAN NATURALIST. Ежемесячный журнал, посвященный биологическим наукам, с особым вниманием к факторам эволюции.
THE SCIENCE PRESS НЬЮ-ЙОРК ГАРРИСОН, ШТАТ НЬЮ-ЙОРК
ОСНОВЫ НАУКИ
НАУКА И ГИПОТЕЗА ЦЕННОСТЬ НАУКИ НАУКА И МЕТОД
АВТОР А. ПУАНКАРЕ
АВТОРИЗОВАННЫЙ ПЕРЕВОД ДЖОРДЖА БРЮСА ХЭЛСТЕДА
СО СПЕЦИАЛЬНЫМ ПРЕДИСЛОВИЕМ ПУАНКАРЕ И ВВЕДЕНИЕМ ДЖОЗАЙИ РОЙСА, ГАРВАРДСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
THE SCIENCE PRESS НЬЮ-ЙОРК И ГАРРИСОН, ШТАТ НЬЮ-ЙОРК 1913
Copyright, 1913
BY The Science Press
ТИПОГРАФИЯ THE NEW ERA PRINTING COMPANY ЛАНКАСТЕР, ШТАТ ПЕНСИЛЬВАНИЯ
CONTENTS
PAGE Henri Poincaréix Author's Preface to the Translation3
SCIENCE AND HYPOTHESIS Introduction by Royce9 Introduction27
Part I. Number and Magnitude Chapter I.—On the Nature of Mathematical Reasoning31 Syllogistic Deduction31 Verification and Proof32 Elements of Arithmetic33 Reasoning by Recurrence37 Induction40 Mathematical Construction41 Chapter II.—Mathematical Magnitude and Experience43 Definition of Incommensurables44 The Physical Continuum46 Creation of the Mathematical Continuum46 Measurable Magnitude49 Various Remarks (Curves without Tangents)50 The Physical Continuum of Several Dimensions52 The Mathematical Continuum of Several Dimensions53
Part II. Space Chapter III.—The Non-Euclidean Geometries55 The Bolyai-Lobachevski Geometry56 Riemann's Geometry57 The Surfaces of Constant Curvature58 Interpretation of Non-Euclidean Geometries59 The Implicit Axioms60 The Fourth Geometry62 Lie's Theorem62 Riemann's Geometries63 On the Nature of Axioms63 Chapter IV.—Space and Geometry66 Geometric Space and Perceptual Space66 Visual Space67 Tactile Space and Motor Space68 Characteristics of Perceptual Space69 Change of State and Change of Position70 Conditions of Compensation72 Solid Bodies and Geometry72 Law of Homogeneity74 The Non-Euclidean World75 The World of Four Dimensions78 Conclusions79 Chapter V.—Experience and Geometry81 Geometry and Astronomy81 The Law of Relativity83 Bearing of Experiments86 Supplement (What is a Point?)89 Ancestral Experience91
Part III. Force Chapter VI.—The Classic Mechanics92 The Principle of Inertia93 The Law of Acceleration97 Anthropomorphic Mechanics103 The School of the Thread104 Chapter VII.—Relative Motion and Absolute Motion107 The Principle of Relative Motion107 Newton's Argument108 Chapter VIII.—Energy and Thermodynamics115 Energetics115 Thermodynamics119 General Conclusions on Part III123
Part IV. Nature Chapter IX.—Hypotheses in Physics127 The Rôle of Experiment and Generalization127 The Unity of Nature130 The Rôle of Hypothesis133 Origin of Mathematical Physics136 Chapter X.—The Theories of Modern Physics140 Meaning of Physical Theories140 Physics and Mechanism144 Present State of the Science148 Chapter XI.—The Calculus of Probabilities155 Classification of the Problems of Probability158 Probability in Mathematics161 Probability in the Physical Sciences164 Rouge et noir167 The Probability of Causes169 The Theory of Errors170 Conclusions172 Chapter XII.—Optics and Electricity174 Fresnel's Theory174 Maxwell's Theory175 The Mechanical Explanation of Physical Phenomena177 Chapter XIII.—Electrodynamics184 Ampère's Theory184 Closed Currents185 Action of a Closed Current on a Portion of Current186 Continuous Rotations187 Mutual Action of Two Open Currents189 Induction190 Theory of Helmholtz191 Difficulties Raised by these Theories193 Maxwell's Theory193 Rowland's Experiment194 The Theory of Lorentz196
THE VALUE OF SCIENCE Translator's Introduction201 Does the Scientist Create Science?201 The Mind Dispelling Optical Illusions202 Euclid not Necessary202 Without Hypotheses, no Science203 What Outcome?203 Introduction205
Part I. The Mathematical Sciences Chapter I.—Intuition and Logic in Mathematics210 Chapter II.—The Measure of Time223 Chapter III.—The Notion of Space235 Qualitative Geometry238 The Physical Continuum of Several Dimensions240 The Notion of Point244 The Notion of Displacement247 Visual Space252 Chapter IV.—Space and its Three Dimensions256 The Group of Displacements256 Identity of Two Points259 Tactile Space264 Identity of the Different Spaces268 Space and Empiricism271 Rôle of the Semicircular Canals276
Part II. The Physical Sciences Chapter V.—Analysis and Physics279 Chapter VI.—Astronomy289 Chapter VII.—The History of Mathematical Physics297 The Physics of Central Forces297 The Physics of the Principles299 Chapter VIII.—The Present Crisis in Physics303 The New Crisis303 Carnot's Principle303 The Principle of Relativity305 Newton's Principle308 Lavoisier's Principle310 Mayer's Principle312 Chapter IX.—The Future of Mathematical Physics314 The Principles and Experiment314 The Rôle of the Analyst314 Aberration and Astronomy315 Electrons and Spectra316 Conventions preceding Experiment317 Future Mathematical Physics319
Part III. The Objective Value of Science Chapter X.—Is Science Artificial?321 The Philosophy of LeRoy321 Science, Rule of Action323 The Crude Fact and the Scientific Fact325 Nominalism and the Universal Invariant333 Chapter XI.—Science and Reality340 Contingence and Determinism340 Objectivity of Science347 The Rotation of the Earth353 Science for Its Own Sake354
SCIENCE AND METHOD Introduction359 Book I. Science and the Scientist Chapter I.—The Choice of Facts362 Chapter II.—The Future of Mathematics369 Chapter III.—Mathematical Creation383 Chapter IV.—Chance395
Book II. Mathematical Reasoning Chapter I.—The Relativity of Space413 Chapter II.—Mathematical Definitions and Teaching430 Chapter III.—Mathematics and Logic448 Chapter IV.—The New Logics460 Chapter V.—The Latest Efforts of the Logisticians472
Book III. The New Mechanics Chapter I.—Mechanics and Radium486 Chapter II.—Mechanics and Optics496 Chapter III.—The New Mechanics and Astronomy512
Book IV. Astronomic Science Chapter I.—The Milky Way and the Theory of Gases523 Chapter II.—French Geodesy535 General Conclusions544 Index547
АНРИ ПУАНКАРЕ
Сэр Джордж Дарвин, достойный сын бессмертного отца, сказал, говоря о том, чем был Пуанкаре для него и его работ: «Его следует считать руководящим гением — или, могу ли я сказать, моим святым покровителем?»
Анри Пуанкаре родился 29 апреля 1854 года в Нанси, где его отец был высокоуважаемым врачом. Его школьное обучение было прервано войной 1870–1871 годов, чтобы узнавать новости о которой, он научился читать немецкие газеты. Он превосходил других мальчиков своего возраста по всем предметам и в 1873 году с лучшим результатом поступил в Политехническую школу, где, подобно Яношу Бойяи в Марошвашархее, посещал курсы математики, не делая записей и не имея программы. В 1875 году он перешел в Горную школу и 26 марта 1879 года был назначен на должность. Однако 1 августа 1879 года он получил докторскую степень в Парижском университете и 1 декабря 1879 года был назначен преподавателем на факультет наук в Кане, откуда его вскоре вызвали в Парижский университет, где он преподавал с 21 октября 1881 года до своей смерти 17 июля 1912 года. Поэтому ошибочно говорить, что он начинал как инженер. В возрасте тридцати двух лет он стал членом Академии наук, а 5 марта 1908 года был избран членом Французской академии. На 1 июля 1909 года число его работ составляло 436.
Его первая публикация вышла в 1878 году и не была важной. Впоследствии появилось эссе, представленное на конкурс на соискание Гран-при в 1880 году, но оно не победило. Внезапно произошло изменение, яркая вспышка, прорыв в феврале 1881 года, и Пуанкаре называет нам даже минуту, когда это случилось. Садясь в омнибус, «в тот момент, когда я поставил ногу на подножку, мне пришла мысль, причем ничто в моих предыдущих размышлениях, казалось, не предвещало ее, что преобразования, которые я использовал для определения фуксовых функций, тождественны преобразованиям неевклидовой геометрии». Тем самым открылась новая и необъятная перспектива. Более того, была схвачена волшебная палочка всей его жизненной работы, была потерта лампа Аладдина — неевклидова геометрия, чье волшебство должно было открыть новую теорию нашей Вселенной, чье блестящее изложение было начато в его книге «Наука и гипотеза», которая была переведена на шесть языков и уже разошлась тиражом более 20 000 экземпляров. Неевклидова идея заключается в возможности альтернативных законов природы, что во введении к «Электричеству и оптике» (1901) сформулировано так: «Если, следовательно, явление допускает полное механическое объяснение, оно будет допускать бесконечное множество других, которые будут столь же хорошо объяснять все особенности, выявленные экспериментом».
Система законов природы, столь во многом обязанная Ньютону, является лишь одной из бесконечного числа мыслимых рациональных систем, помогающих нам осваивать и создавать опыт; она commode, удобна; но, возможно, другая может быть значительно более выгодной. Старая концепция «истинного» была пересмотрена. Первое выражение новой идеи встречается на титульном листе чудесной книги Яноша Бойяи «Абсолютная наука о пространстве» во фразе «haud unquam a priori decidenda».
В связи с историей системы Земля — Луна и происхождением двойных звезд, формулируя геометрический критерий устойчивости, Пуанкаре доказал существование ранее неизвестной грушевидной фигуры, с возможностью того, что прогрессирующая деформация этой фигуры при увеличении угловой скорости может привести к распаду вращающегося тела на две отдельные массы. О его трактате «Новые методы небесной механики» сэр Джордж Дарвин говорит: «Вероятно, что в течение полувека он будет тем рудником, из которого более скромные исследователи будут добывать свои материалы». Блестящей была его оценка Пуанкаре при вручении золотой медали Королевского астрономического общества. Трое других, наиболее близких ему по гениальности, связаны с ним медалью Сильвестра Королевского общества, медалью Лобачевского Физико-математического общества Казани и премией Бойяи Венгерской академии наук. Его работу следует причислить к величайшим математическим достижениям человечества.
Суть силы Пуанкаре заключается в изречении, которое Сильвестр часто цитировал мне как слова Гесиода: «Целое меньше своей части».
Он сразу проникает в божественную простоту совершенно общего случая и оттуда спускается, как с Олимпа, к частным конкретным земным деталям.
Сочетание казалось бы чрезвычайно простых аналитических и геометрических концепций дало необходимые общие выводы огромного масштаба, из которых возникла обескураживающая чаща возможных дедукций. И так он оставляет благородное, плодотворное наследие.
Лав говорит: «Его право признано сейчас, и вряд ли будущие поколения пересмотрят суждение, чтобы поставить его в ряд величайших математиков всех времен».
Джордж Брюс Хэлстед.
НАУКА И ГИПОТЕЗА
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА К ПЕРЕВОДУ
Я чрезвычайно благодарен доктору Хэлстеду, который был так любезен, что представил мою книгу американским читателям в ясном и точном переводе.
Всем известно, что этот ученый уже взял на себя труд перевести многие европейские трактаты и тем самым внес мощный вклад в то, чтобы новый континент понял мысли старого.
Некоторые люди любят повторять, что англосаксы мыслят не так, как латиняне или немцы; что у них совершенно иной способ понимания математики или физики; что этот способ кажется им превосходящим все остальные; что они не чувствуют необходимости менять его или даже знать способы других народов.
В этом они, несомненно, ошибались бы, но я не верю, что это правда, или, по крайней мере, что это больше не правда. В течение некоторого времени англичане и американцы посвящают себя гораздо больше, чем прежде, лучшему пониманию того, что думают и говорят на континенте Европы.
Конечно, каждый народ сохранит свой характерный гений, и было бы жаль, если бы было иначе, если предположить, что такое возможно. Если бы англосаксы захотели стать латинянами, они никогда не были бы никем, кроме плохих латинян; точно так же, как французы, пытаясь подражать им, могли бы оказаться лишь довольно посредственными англосаксами.
А затем, англичане и американцы совершили научные завоевания, которые могли совершить только они; они совершат еще больше таких, на которые другие были бы неспособны. Поэтому было бы прискорбно, если бы англосаксов больше не существовало.
Но континенталы, со своей стороны, сделали вещи, которые англичанин не смог бы сделать, так что нет необходимости желать, чтобы весь мир стал англосаксонским.
У каждого свои характерные способности, и эти способности должны быть разнообразными, иначе научный концерт напоминал бы квартет, где каждый хотел бы играть на скрипке.
И все же неплохо, чтобы скрипка знала, что играет виолончель, и наоборот.
Это то, что англичане и американцы понимают все больше и больше; и с этой точки зрения переводы, предпринятые доктором Хэлстедом, наиболее уместны и своевременны.
Рассмотрим сначала то, что касается математических наук. Часто говорят, что англичане культивируют их только ввиду их приложений и даже что они презирают тех, у кого другие цели; что слишком абстрактные спекуляции отталкивают их, как отдающие метафизикой.
Англичане, даже в математике, должны всегда переходить от частного к общему, так что у них никогда не возникло бы идеи входить в математику, как это делают многие немцы, через ворота теории множеств. Они всегда должны, так сказать, держать одну ногу в мире чувств и никогда не сжигать мосты, поддерживающие их связь с реальностью. Таким образом, они должны быть неспособны понять или, по крайней мере, оценить определенные теории, более интересные, чем утилитарные, такие как неевклидовы геометрии. Согласно этому, первые две части этой книги, о числе и пространстве, должны казаться им лишенными всякой субстанции и только сбивать их с толку.
Но это неправда. И прежде всего, являются ли они такими бескомпромиссными реалистами, как говорят? Являются ли они абсолютно невосприимчивыми, я не говорю к метафизике, но, по крайней мере, ко всему метафизическому?
Вспомните имя Беркли, родившегося, несомненно, в Ирландии, но немедленно принятого англичанами, который обозначил естественный и необходимый этап в развитии английской философии.
Разве этого недостаточно, чтобы показать, что они способны совершать восхождения иначе, чем на привязном аэростате?
А если вернуться к Америке, разве не является «Monist», издаваемый в Чикаго, тем журналом, который даже нам кажется смелым и который, тем не менее, находит читателей?
А в математике? Вы думаете, американские геометры заботятся только о приложениях? Отнюдь нет. Та часть науки, которую они культивируют наиболее преданно, — это теория групп подстановок, причем в ее самой абстрактной форме, наиболее далекой от практической.
Более того, доктор Хэлстед ежегодно дает обзор всех работ, касающихся неевклидовой геометрии, и вокруг него есть публика, глубоко заинтересованная в его работе. Он посвятил эту публику в идеи Гильберта и даже написал элементарный трактат по «Рациональной геометрии», основанный на принципах прославленного немецкого ученого.
Внедрить этот принцип в преподавание — это, безусловно, на сей раз сжечь все мосты доверия к чувственной интуиции, и это, признаюсь, смелость, которая кажется мне почти безрассудством.
Американская публика поэтому гораздо лучше подготовлена, чем думали, к исследованию происхождения понятия пространства.
Более того, анализировать это понятие — не значит жертвовать реальностью ради не знаю какого призрака. Геометрический язык — это, в конце концов, только язык. Пространство — это только слово, которое мы приняли за вещь. Каково происхождение этого слова и других слов тоже? Какие вещи они скрывают? Спрашивать об этом позволительно; запрещать это значило бы, напротив, быть обманутым словами; это значило бы поклоняться метафизическому идолу, подобно диким народам, которые простираются перед статуей из дерева, не осмеливаясь взглянуть на то, что внутри.
В изучении природы контраст между англосаксонским духом и латинским духом еще больше.
Латиняне стремятся в общем облечь свою мысль в математическую форму; англичане предпочитают выражать ее через материальное представление.
Оба, несомненно, полагаются только на опыт для познания мира; когда им случается выйти за его пределы, они считают свое предзнание лишь временным и спешат запросить его окончательное подтверждение у самой природы.
Но опыт — это еще не все, и ученый не пассивен; он не ждет, пока истина придет и найдет его, или пока случайная встреча приведет его лицом к лицу с ней. Он должен идти ей навстречу, и именно его мышление должно открыть ему путь, ведущий туда. Для этого нужен инструмент; что ж, именно здесь начинается разница — инструмент, который обычно выбирают латиняне, не тот, который предпочитают англосаксы.
Для латинянина истина может быть выражена только уравнениями; она должна подчиняться законам простым, логичным, симметричным и подходящим для удовлетворения умов, влюбленных в математическую элегантность.
Англосакс, чтобы изобразить явление, сначала будет поглощен созданием модели, и он сделает ее из обычных материалов, таких, какими нам показывают их наши грубые, ничем не подкрепленные чувства. Он также делает гипотезу, он предполагает неявно, что природа в своих тончайших элементах такая же, как в сложных совокупностях, которые одни только доступны нашим чувствам. Он заключает от тела к атому.