Как звучит число?

Как звучит число?

Что может быть скучнее таблицы умножения или метрической системы мер! Одно упоминание о них вызывает в памяти серые школьные тетрадки советских времен, где на последней странице обложки были приведены упомянутая таблица, а ниже – данные о том, сколько метров в километре, сколько килограммов в тонне и т. д. Лишь у первоклашек они вызывали священный трепет перед могуществом знания, ученики же старших классов скользили рассеянным взглядом по колонкам цифр, воспринимая их, скорее, как декоративный орнамент. А между тем…

Целые числа и законы гармонии

Могущество числа в древности не подвергалось сомнению. Ключ к законам всеобщей гармонии Пифагор и его ученики видели в знаменитом Тетраксисе. Он образуется числами 1, 2, 3, 4; составленные из них дроби дают идеально согласованные пропорции. Самый яркий пример этого мы видим в музыке: две одинаково натянутые струны с отношением длин 1:2 звучат приятно для слуха. Столь же гармоничный звук издают струны с отношением длин 2:3 и 3:4. На основе этих законов созвучий была построена пифагорейская гамма, в которой ноты «до», «фа», «соль» и «до» второй октавы звучали на частотах, образующих именно такие пропорции. В современном строе во имя большей технологичности принято другое расположение нот в октаве, однако к пифагорейской гамме постоянно возвращаются композиторы и музыканты в поисках гармонии.

Столь замечательное применение этого принципа в практике не могло оставить равнодушными античных философов, и закон гармоничных отношений распространяется в их учениях и на строение неба, и на человека. Так укрепляется представление о том, что «числа правят миром».

Но время течет, и вот уже успехи математики не кажутся нам столь ошеломляющими. Люди додумались до иррациональных дробей, до мнимых чисел – совсем уж абстрактных. Над древними поверьями только посмеиваются: что знали эти мудрецы, так твердо придерживавшиеся своих целых чисел? Да и загадка музыкальной гармонии, казалось бы, давно раскрыта. Стало ясно, что струна при колебании может иметь профиль синусоиды, и пифагорейские ноты образуются такими профилями колебаний, в которых полупериоды синусоиды укладываются целое число раз, – никакой тут тайны нет.

Но так ли уж правы те, кто так говорит? Анализ уравнения колебаний струны позволяет увидеть удивительное свойство его решений – выбирать из многообразия возможностей лишь те, которые разрешены природой. Связано это с определенным принципом, напоминающим резонанс, с законом, который подавляет все, кроме дозволенного. Оказывается, в уравнении есть спектр решений, не меняющих со временем своей пространственной формы, изменяется лишь их амплитуда. Члены уравнения, отвечающие за пространственную форму решения, лишь умножают их на определенное число (так называемое собственное число оператора Лапласа), комбинация только таких решений и может существовать. И самое удивительное – эти числа как раз и являются пифагорейскими отношениями целых чисел.

Прекрасно сознавая, что предыдущий абзац покажется загадочным для людей, далеких от математики, поясним: это означает, что законы гармонии в виде отношений целых чисел заложены в самой структуре мира, отраженной в уравнениях.

Но уравнения подобного типа описывают не только звучащую струну, им подчиняется и множество других процессов. Законы колебаний мембран и тел правильной формы (прямоугольной, шаровой, цилиндрической), распространения в них тепла, законы излучения света атомами, законы распространения радиоволн и т. п. выводятся из решений задачи на собственные числа для оператора Лапласа, которая и дает в качестве этих чисел пифагорейские дроби.

Самое удивительное, что в ряде случаев эти решения воспринимаются человеком как гармоничные. Пример с музыкой нас в этом убеждает. Может быть, наше чувство красоты связано со структурой мира, ведь мы тоже являемся его частью?

Целые числа и структура Солнечной системы

А теперь обратимся к космосу, точнее – к строению Солнечной системы. Множество ученых, начиная с античности, видели в движении небесных тел высшее воплощение гармонии и пытались найти для ее описания те или иные математические закономерности. Представления об идеальных телах, движущихся по идеальным кривым (окружностям), лежали в основе систем мира Птолемея и Коперника. Кеплер пытался построить геометрическую модель Солнечной системы на основе правильных платоновских многоугольников. Пифагор положил в основу законов строения системы небесных сфер те же отношения целых чисел, которые дают гармонию в музыкальных созвучиях. И Боде пытался найти подтверждение этому в пропорциях между радиусами планетных орбит и даже вывел формулу, в основе которой лежали числа 0, 1, 2 и т. д., – так называемую формулу Боде.

Теперь нам известны размеры и форма орбит главных планет нашей системы, и опять кажется, что представления древних были слишком далеки от истины, – сравнение моделей Кеплера и Боде с реальностью дает слишком большие погрешности.

Но если посмотреть на отношения периодов обращения планет вокруг Солнца, можно уловить интересные закономерности, схожие с законами музыкальной гармонии. Прежде чем сформулировать их, поясним, как можно услышать музыку в периодических движениях планет.

Оказывается, что гармоничное созвучие, называемое октавой, дают две ноты «до», звучащие в разных октавах. То же самое можно сказать и про квинту и кварту – их дают ноты «до-соль» и «до-фа», независимо от того, в какой октаве взяты нота «до» и нота «соль». Однако ноты одного наименования, но разных октав отличаются тем, что период их колебаний отличается в два раза для соседних октав, в четыре раза для октав первой и третьей, в восемь – для первой и четвертой и т. п. И вообще, для того чтобы понять, какое созвучие образуют две ноты, надо привести их «в одну октаву». Для этого нужно взять отношение большего периода к меньшему и, если это отношение больше двух, делить его на два до тех пор, пока не получим числа в интервале от единицы до двух. Если в результате получится число два, эти ноты звучат в октаву, если 3/2 или 4/3 – они образуют созвучие квинта или кварта. Во всех других случаях пифагорейского созвучия не получается. Например, период колебаний второй струны в 64/3 раз больше первой. Делим это отношение на два – получим 32/3, еще раз на два – получим 16/3, еще раз – получим 8/3, и, наконец, следующее деление на два дает число больше единицы, но не больше двух – 4/3. Так звучат ноты «до» и «фа».

Применим этот принцип для периодов вращения планет солнечной системы – получим таблицу 3.

Интересно, что движения целого ряда планет в этом смысле образуют гармоничные созвучия: Солнце и Юпитер, Меркурий и Нептун звучат как ноты «до» и «фа», Меркурий и Плутон с хорошей точностью образуют октаву, а Нептун с Плутоном и Венера с Сатурном звучат, как ноты «до» и «соль».

Может быть, за этими числами и скрыта великая гармония небесных сфер, о которой говорил Пифагор?

В наше время на эти удивительные закономерности обратил внимание В. Г. Буданов. Одна из возможных моделей, объясняющая то, что отношения периодов обращения планет достаточно близки к пифагорейским, отправляет нас на много миллиардов лет назад, к моменту, когда планетная система нашего Солнца только зарождалась из протопланетного вещества. В теории нелинейных систем, созданной в XX веке, есть представление о том, что существует лишь небольшое число сценариев, по которым могут развиваться системы из большого числа элементов, сложным образом взаимодействующих между собой. Один из сценариев говорит о том, что если существует ритм жизни системы (например, цикл обращения протопланетного облака вокруг Солнца), то с изменением условий и вследствие нелинейных резонансных взаимодействий внутри системы может возникнуть подсистема, живущая с ритмом вдвое отличающимся от изначального. Затем могут возникать резонансы, связанные со сложением частот этих циклов, – этот процесс и мог дать в результате периоды обращений планет, описываемые гармоническими соотношениями. После этого можно лишь удивляться наблюдательности и интуиции пифагорейцев.

Меры длины и времени, или Загадка числа 60

Благодаря индусам и арабам сейчас мы пользуемся десятичной системой счисления. Выражается это в том, что, имея десять цифр, от нуля до девяти, любое число мы записываем, указывая, сколько в нем единиц, десятков, сотен (т. е. десятков десятков) и т. п. Принято считать, что в основе этой системы счисления лежит строение тела человека, а точнее – наличие десяти пальцев на руках. Мы к этому так привыкли, что трудно даже себе представить, как можно считать по-другому (пожалуй, это не относится к компьютерщикам, которые привыкли считать в двоичной, восьмеричной или шестнадцатеричной системах). Тем не менее в древности были люди, которые считали шестидесятками, а не десятками. Эти мудрецы жили в Вавилоне много тысячелетий назад. Важную роль в этой системе счисления играли и делители числа 60 – числа 6 и 12 (до сих пор некоторые любят считать все в дюжинах). Возможно, эта система счета взята не от человека, а от Солнца.

Судите сами. Видимый угловой размер[2] Солнца (впрочем, как и Луны) – половина углового градуса, то есть 1/360 часть дуги полуокружности. Значит, в день равноденствий, делящих год на две равные части, когда Солнце восходит точно на востоке, а заходит на западе, диаметр солнечного диска 360 = 60 x 6 раз укладывается в видимом его пути по небу. Во всех древних календарях считалось, что год состоял из 360 = 60 x 6 дней, то есть, по представлениям древних, за одни сутки Солнце сдвигалось на небе относительно звезд на 1/360 своего годового пути – то есть на один градус. Число 60 лежит в основе и более мелких угловых единиц – в одном градусе 60 угловых минут, а в минуте – 60 угловых секунд. Кроме того, до сих пор у нас 60 минут в часе, и 60 секунд в минуте времени – древние очень хорошо понимали, что единицы измерения пространства (в данном случае углов) тесно связаны с единицами измерения времени – один угловой градус по небу Солнце проходит за одни сутки по времени.

С большими циклами движения Солнца тоже связано число 60. С древности известно явление, называемое сейчас прецессией земной оси: если вы когда-нибудь наблюдали за вращением волчка на полу, то видели, что кроме быстрого вращения его вокруг своей оси есть еще одно более медленное движение самой оси вокруг перпендикуляра к поверхности пола. Земля – тот же волчок, и ее ось перемещается вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики с периодом, как считали древние, 60 x 6 x 6 x 12 = 25920 лет (по современным данным – 25776 лет; относительная точность 0.0056!). Этот процесс приводит к тому, что в день весеннего равноденствия Солнце восходит на фоне разных зодиакальных созвездий. Всего таких созвездий 12, и в каждом созвездии Солнце восходит в этот день года в течение 60 x 6 x 6 = 2160 лет. (Сейчас примерно 21 марта Солнце восходит в точке на границе созвездий Рыб и Водолея, отсюда название наступающей эры – эра Водолея.)

Еще одна интересная особенность древних мер для измерения пространства и времени – их связь с человеком. Меры, соизмеримые с человеком, связаны с характерным масштабом его тела: локоть, фут – само название свидетельствует об их происхождении. Существуют сказания о легендарных личностях – царях или божественных правителях, длина ног или рук которых стали единицами измерений. К таким единицам относится, в частности, английский фут.

Но и в более масштабных мерах присутствует целое число ярдов и футов – например, в сухопутной миле 1760 ярдов. А в длине лунного экватора с хорошей точностью укладывается 2140 = 60 x 6 x 6 сухопутных миль. А в длине земного экватора с точностью 1,5 % содержится 21400 = 60 x 60 x 6 морских миль. Таким образом, число 60 является универсальным, позволяющим найти пропорции между размерами человеческого тела, размерами планет, длительностью суток, года и эры.

В школе нас учат, что складывать секунды с метрами нельзя, так же как нельзя складывать груши с мальчиками. Однако в основе самих систем мер лежит принцип единства пространства и времени, и что самое удивительное – этим принципом прекрасно воспользовались наши предки, жившие за многие тысячелетия до нас.

Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ

Данный текст является ознакомительным фрагментом.