Пиксель. История одной точки

По словам Фурье, эксперименты «способствовали тому, чтобы придать теории авторитет, от которого иначе пришлось бы отказаться в вопросе все еще неясном и, по-видимому, подверженном стольким неопределенностям». Так выглядит классическая наука. Разработайте теорию для выдвижения гипотезы. Проведите эксперимент для ее проверки. Слова Фурье доказывают, что он одновременно был математиком и физиком-экспериментатором. Он не боялся запачкать руки.

Фурье понял, что может описать сложную картину теплового потока, проходящего через твердый объект, как сумму синусоидальных волн. Это означало, что он мог предсказать, как (и на протяжении какого времени) тепло будет распространяться, скажем, от запального фитиля пушки к ее жерлу.

Итак, для понимания контекста: между 1803 и 1807 годами, пока Фурье совершенствовал свою теорию передачи тепла и проводил подтверждающие ее эксперименты, он также заключал контракты на осушение болот, строил дороги, наставлял молодых людей и работал над публикацией исследования о Египетской экспедиции. Откуда у него такая пропускная способность?

Фурье одинаково хорошо ориентировался в политике как республики, так и империи. Он использовал свое личное знакомство с Наполеоном, чтобы утвердить проект строительства большой дороги между городами, передав императору короткую пояснительную записку. Наполеон рассмотрел и утвердил проект всего за два дня. А вот отношения с научными кругами оказались не столь успешными, поскольку в изгнании Фурье отдалился от академических интриг, происходивших в Париже.

В академических кругах одним из первых с его трактатом 1807 года ознакомился Лаплас, тот самый, которого Наполеон назначил сенатором и который знал Фурье еще по Политехнической школе. Лапласу не нравилась математика, лежащая в основе великой идеи Фурье. Первую публичную атаку на него провел протеже Лапласа Симеон Дени Пуассон, который после назначения Фурье префектом Изера занял его кафедру в Политехнической школе. В результате долгой и ожесточенной полемики трактат так и не был опубликован Академией. Лаплас в конце концов согласился с идеями Фурье, но Пуассон так и не изменил своего мнения.

По мнению потомков, Фурье впервые изложил свою теорию в работе 1807 года, поэтому можно считать, что на 2007 год пришелся ее неотпразднованный двухсотлетний юбилей. Однако прежде чем получить заслуженное внимание, Фурье пришлось ответить еще на один вызов. Вероятно, из-за продолжительных споров Академия объявила, что в 1811 году присудит большую премию в области математики за исследования… распространения тепла в твердых телах! Фурье в ответ написал Призовое эссе – расширенную версию работы 1807 года, сохранившую ее основные положения.

Итак, давайте еще раз вспомним, чем занимался Фурье, когда готовил эссе на соискание премии: болота; дороги; наставничество; «Описание Египта». Вопрос все тот же: откуда у него такая полоса пропускания?

Одна из дополнительных тем, затронутых в Призовом эссе, намекает на ньютоновские амбиции Фурье. Он, применив свою теорию теплового потока в планетарном масштабе, первым обратил внимание на глобальное явление, которое сейчас принято называть парниковым эффектом. Солнечный свет, проходящий через атмосферу, нагревает поверхность Земли, но при этом часть отраженного тепла удерживается. Если прибегнуть к несовершенной метафоре, то атмосфера напоминает стекло теплицы, которое пропускает солнечный свет, но не выпускает наружу тепло. В результате естественного парникового эффекта Земля нагревается и становится местом, пригодным для жизни. Несмотря на всю свою гениальность, Фурье не предвидел, что деятельность человека усилит парниковый эффект до такой степени, что излишнее тепло превратится в угрозу для жизни на нашей планете.

Несмотря на интриги академиков, Фурье получил премию за свое Призовое эссе. Но при этом ознакомившаяся с работой комиссия единодушия не проявила. В частности, Лаплас голосовал против.

«Способ, которым автор приходит к этим уравнениям, не лишен недостатков, – говорится в отчете комиссии. – Его способ аналитического вычисления интегралов все же оставляет желать лучшего с точки зрения общности и даже математической строгости решения».

Упреки за недостаточную строгость в математике – это серьезное оскорбление для ученого. Академия снова медлила с публикацией Призового эссе, как и с сочинением 1807 года.

Лишь после окончательного изгнания Наполеона на остров Святой Елены в 1815 году Фурье вернулся в Париж и опубликовал свое Призовое эссе. Оно вновь подверглось испепеляющей критике от непримиримого Пуассона. Но Фурье обнаружил элементарную ошибку в трудах своего недоброжелателя и ложное утверждение в его альтернативной теории тепла. В письме к Лапласу Фурье торжествующе указал на них, чем нанес сокрушительный удар по позициям Пуассона. Лаплас наконец склонился на сторону Фурье.

Танцы с тиранами

Триумфальным достижениям в науке не сопутствовал столь же блестящий успех в политике. Продолжились танцы с Наполеоном, осложнившие последний год Фурье на посту префекта Изера. Наполеон отрекся от престола в апреле 1814 года. На трон взошел король Людовик XVIII. Бывший император отправился в свое первое изгнание на остров Эльба примерно в 30 милях к востоку от Корсики и почти в 200 милях к юго-востоку от Парижа. Вполне естественно, что его путь пролегал через Гренобль. В нормальных условиях префекту провинции полагалось бы естественным поприветствовать человека, которому он обязан назначением на столь высокий пост. Фурье должен был принять у себя бывшего императора. Но времена настали необычные, поэтому встреча обещала быть неловкой.

Реставрация Бурбонов не затронула положение Фурье, но не сочтет ли Наполеон подчинение королю предательством, перебежничеством? Фурье не собирался выяснять это. Путем закулисных интриг он внес в маршрут Наполеона коррективы, предупредив, что бывшему императору в Гренобле грозит опасность. Замысел сработал. Встречи с Наполеоном удалось избежать. Новому правительству предстояло утвердить Фурье в должности префекта. Младший брат нового короля граф д’Артуа, впоследствии ставший королем Франции Карлом X, нанес ему визит, завершив этот процесс.

Но танцы с Наполеоном не закончились. 2 марта 1815 года Фурье получил от префекта соседней провинции пугающее письмо:

Имею честь сообщить вам, что Бонапарт во главе 1700 человек высадился вчера в бухте Жуан [и] направляется в Лион через Сен-Валье, Динь и Гренобль. Какой бы необычной ни показалась вам эта новость, она абсолютно правдива.

Наполеон триумфально вернулся из ссылки, чтобы свергнуть короля и еще 100 дней править Францией. Он возвращался с юго-востока по тому же роковому маршруту, соединявшему Эльбу и Корсику с Греноблем, Осером и Парижем. Фурье снова пришлось искать способа избежать опасной встречи, особенно после того, когда он с таким успехом выставил себя лояльным роялистом.

Он подготовил резиденцию префектуры к встрече императора. Фурье оставил приветственную записку для Наполеона, в которой объяснил причины своей лояльности новому королю и конфликта интересов. Затем он спешно покинул Гренобль и приближался к Лиону, когда Наполеон триумфально вошел в город через главные ворота.

Разгневанный Наполеон потребовал сместить Фурье с поста префекта. Как мог узурпатор – так назвал Наполеона Фурье – сместить назначенного префекта? Сила этого человека заключалась в том, что он сделал это, а Фурье и граждане Гренобля сочли его решение законным.

Впрочем, друзья Фурье из окружения Наполеона успокоили императора, показав ему «Историческое введение» Фурье к «Описанию Египта», полное похвал гению Бонапарта. Гнев его остыл, и он попросил встречи с Фурье. Они встретились в Бургуэне, где Фурье некогда занимался осушением болот. Сложно понять, что сыграло решающую роль в динамике их отношений. Слабость к интеллектуалам, особенно к математикам? Сохранившиеся со времен Египетской экспедиции отношения как между старыми товарищами? Как бы то ни было, император не только простил Фурье, но и назначил его префектом департамента Рона, управляемого из Лиона! Фурье вступил в новую должность 12 марта 1815 года, всего через десять дней после получения письма, сообщавшего о возвращении Наполеона с Эльбы. В тот год события развивались очень быстро. 18 июня Наполеон потерпел поражение при Ватерлоо, а 8 июля на престол вновь взошел Людовик XVIII.

Второе имперское правление Наполеона продлилось знаменитые Сто дней, но вторая префектура Фурье оказалась еще короче – около шестидесяти. Одним из последних своих актов Наполеон – всего за две недели до Ватерлоо – назначил Фурье пенсию в связи с уходом в отставку. Акт должен был вступить в силу через две недели. Конечно, положенных выплат Фурье так и не получил. Итак, Наполеон отправился в ссылку на остров Святой Елены, а Фурье остался без работы, без пенсии и с запятнанной политической репутацией.

Но, по крайней мере, его изгнание наконец закончилось. Теперь он мог вернуться в Париж и создать свою музыкальную теорию тепла.

Жозеф и Софи

Была ли у Фурье личная жизнь? Может быть, не в провинциальном Гренобле, а в столице? Конечно, хотелось бы, чтобы у создателя концепции мира-как-музыки случился драматический роман, подобный тому, который десятилетием ранее закрутился у Бенджамина Франклина с овдовевшей хозяйкой известного французского салона.[1]

Возможно, дело в странных недугах Фурье, но он так и не встретил свою мадам Гельвецию. Нам, к сожалению, вообще не известно ни об одном его романтическом увлечении. Единственный намек на близкие отношения – очевидно, чисто платонические – это его глубокая дружба с Мари-Софи Жермен. Она стала первой женщиной, получившей математическую премию Академии наук, и разочаровала «огромную толпу, которая, несомненно, была привлечена желанием увидеть новый вид виртуозности в науке», тем, что не явилась на ее вручение. Однако даже достигшая таких высот женщина не могла получить приглашение на заседания Академии. Она добилась постоянного разрешения посещать séances, или собрания академиков, только спустя семь лет после начала постоянной переписки с Фурье. Именно он сделал это возможным.

Сохранился небольшой архив с письмами Фурье к Мари-Софи. Все они формальны, кроме одного, написанного, судя по неровному почерку, в последние годы. Оно адресовано «Ch. S.» (Chère Sophie, дорогой Софи) и подписано «J» (Joseph, Жозеф). Еще в одном письме Фурье обращался к врачу с просьбой о конфиденциальной помощи для дорогого, но неназванного друга, у которого имелись проблемы со здоровьем:

Она достойна всего вашего внимания по причине редчайших и прекраснейших качеств. Что касается меня, нежно любящего ее, то, поскольку это совершенно непредвиденное событие может совершенно уничтожить чувства, которые я питаю к ней, я был бы глубоко благодарен за все, что вы могли бы сделать для нее и для меня.

Точно неизвестно, о ком идет речь, но Софи Жермен действительно умерла от рака молочной железы. Какие чувства обуревали его, если это действительно была Софи?

Стать бессмертным

Фурье наконец-то стал членом Академии наук в Париже (рис. 1.8). В 1821 году состоялась публикация полной версии его теории под названием «Аналитическая теория тепла». К нему постепенно приходило признание. Французская академия наук избрала Жан-Батиста Жозефа Фурье постоянным секретарем, а Королевское общество Ньютона в ноябре 1823 года сделало его иностранным членом. Он, так завидовавший Ньютону в возрасте 21 года, в 55 лет, на последнем десятке лет своей жизни, проложил себе путь в бессмертие. Его внесли в официальный список immortel – «бессмертных» Французской академии наук – в 1826 году, а Гюстав Эйфель в 1889-м поместил его имя в числе 72 выдающихся французских ученых и инженеров на цоколе балкона первого яруса знаменитой башни.

Рис. 1.8

После смерти Наполеона Фурье получил пенсию. Поначалу королевское правительство выражало недовольство, что Фурье согласился стать префектом Роны в роковые Сто дней. Первый раз он попытался добиться назначения пенсии сразу после ссылки Наполеона на остров Святой Елены. Просьбу отклонили. Он пытался снова в 1816, 1818 и 1821 годах, но каждый раз получал отказ. Только пятая попытка, уже после смерти Наполеона, увенчалась успехом.

Политические баталии для него закончились, но усугубились проблемы со здоровьем. Он постоянно страдал от тех или иных недугов. В пожилом возрасте его так беспокоили проблемы с дыханием, что он построил для себя специальный ящик. Эта конструкция поддерживала тело в вертикальном положении во время письма, чтения лекций или сна. Наружу оставались торчать только голова и руки. Возможно, одышка возникла из-за удушающей атмосферы в шкафу, где Фурье проводил ночи, будучи подростком, или была признаком застойной сердечной недостаточности.

Фурье умер от сердечного приступа в 1830 году, пережив Наполеона всего на несколько лет. Его могила на знаменитом парижском кладбище Пер-Лашез украшена синусоидальными волнами и египетскими мотивами. По обе стороны от его бюста выгравированы лилии с очень длинными стеблями – осями волн. Каждая лилия заканчивается вздыбленной коброй, увенчанной солнечным диском.

Возможно, именно Египет довел Фурье до одержимости теплом, так что символика надгробия прославляет как причину, так и следствие.

Другой выдающийся гражданин Гренобля – Жан-Франсуа Шампольон, первый профессор египтологии, – скончался через два года и тоже похоронен на Пер-Лашез. Его брат Жак-Жозеф Шампольон-Фижак написал одну из самых ранних биографий Фурье. «Дорогая Софи», близкая подруга Фурье Софи Жермен – Фурье вряд ли вел себя как frileux рядом с ней – тоже покоится на Пер-Лашез.

Незадолго до своей смерти Жермен сделала взнос в фонд на создание надгробного памятника Фурье на Пер-Лашез. Пуассон, до последнего противостоявший им обоим, отказался пожертвовать деньги на это. Не вполне удачно складывалась и судьба «Воспоминаний…», оригинального шедевра Фурье 1807 года, где впервые была сформулирована великая теория. Рукопись пропала более чем на 160 лет, пока наконец не обнаружилась в библиотеке Национальной школы мостов и дорог (École nationale des ponts et chaussées). Это не так странно, как кажется на первый взгляд. Эта школа – старейшее инженерно-строительное учебное заведение в мире, даже старше самого Фурье.

Природа гения

Почему великая идея Фурье встретила такое сопротивление? Проблема, по мнению его критиков, заключалась в следующем: как может что-то непостоянное – например, некая песня или картина – быть эквивалентно сумме регулярных волн?

В математике ничто не принимается на веру: либо доказано, либо нет, либо доказана недоказуемость. Сам Фурье, несмотря на удивительную интуицию, не сумел покорить эту вершину истинности в математическом выражении своей теории. Восполнить оставшиеся пробелы удалось молодому Петеру Густаву Лежёну Дирихле. Он приехал в Париж в 1826 году, познакомился с Фурье и был очарован им. Под руководством пожилого наставника Дирихле с математической строгостью обосновал теорию и опубликовал свои изыскания в 1829-м, в последний год жизни Фурье.

Тем не менее некоторых математиков все еще беспокоят дальние эзотерические заводи математики Фурье. А вот у инженеров дела обстоят иначе. В конце 1960-х я прошел чрезвычайно важный базовый курс по рядам Фурье у Рона Брейсвелла в Стэнфорде. Он усердно подчеркивал существование математических трудностей на периферии теории Фурье и строгие пределы ее применения. Но он также пояснил, что математические тонкости не мешают использовать ее при анализе явлений реального мира. Или, скорее, он четко дал понять, что реальный мир находится в пределах, установленных такими математиками, как Дирихле.

Математики имеют дело со всеми возможными узорами, а не только с теми, которые мы действительно встречаем в реальном мире. Математики изучают абстракции, а инженеры работают с физическими реалиями: теплом, светом, звуком, дорогами и мостами, изображениями. Для инженеров частоты и амплитуды Фурье такие же «физические», как и весь физический мир, который они описывают. Если Мать-природа создает закономерность, то великая идея Фурье почти всегда подходит для ее описания.

Ньютон и Эйнштейн знали, что обращаются с целой Вселенной, так же как об этом знают их последователи. Фурье, как и другие ученые, жившие в его время, не предвидел или не мог предвидеть, насколько универсальной окажется его великая музыкальная идея. У нас нет слов для обозначения гениальности, накапливающейся с течением времени или связанной с обширными последствиями развития идеи. Обычное представление о гениальности привязано к человеческой жизни – как в достижениях, так и в признании.

Тем не менее на протяжении двух столетий инженеры успешно и широко использовали гармоническую идею Фурье для нашего комфорта и развлечения. На ней основаны все современные средства передачи информации. Пиксель и история Цифрового Света – лишь один из последних примеров.

Несомненно, теперь Фурье оценен по заслугам, и неважно, будем ли мы называть его гением или нет. Если мы пройдем по тонкой линии, разделяющей гуманитарную и техническую культуры, то без труда заметим, что он известен и уважаем с обеих сторон.

2. Отсчеты Котельникова: нечто из ничего

Это – глухая, совершенно недостоверная, никем не подтвержденная легенда, которую нет-нет да и услышишь в лагерях: что где-то в этом же Архипелаге есть крохотные райские острова. Никто их не видел, никто там не был, а кто был – молчит, не высказывается. На тех островах, говорят, текут молочные реки в кисельных берегах, ниже как сметаной и яйцами там не кормят; там чистенько, говорят, всегда тепло, работа умственная и сто раз секретная. И вот на те-то райские острова (в арестантском просторечии – шарашки) я на полсрока и попал. Им-то я и обязан, что остался жив…

– Александр Солженицын. «Архипелаг ГУЛАГ»

Человек, который изобрел пиксель и начал цифровую революцию, был председателем Верховного Совета РСФСР. Не в одно и то же время, но все-таки это один и тот же человек. Звали его Владимир Котельников. В 2003 году, когда ему исполнилось 95 лет, другой Владимир – Путин – вручил ему в Кремле орден «За заслуги перед Отечеством» I степени. Ранее Котельников получил и множество советских наград, в том числе шесть орденов Ленина, две Сталинские премии, две звезды Героя Социалистического Труда. Он пережил Октябрьскую революцию 1917 года, а также все репрессии и войны, которые с тех пор составляют историю современной России. Он едва избежал ГУЛАГа – а точнее, тех самых «райских островов» внутри него, где трудился Солженицын, – поскольку находился под защитой влиятельной жены одного из самых кровавых приспешников Сталина. Он поделился с американцами информацией о первом советском искусственном спутнике Земли и составил карту Венеры с помощью цифровых изображений – пикселей, полученных из космоса.

Заслуги Котельникова, что вполне ожидаемо для вдохновителя Великой цифровой конвергенции, отмечены и в Америке: в 2000 году он награжден медалью Александра Грэма Белла. Тем не менее его имя мало кому известно в Штатах. За ним редко признают одно из величайших открытий ХХ века – теорему выборки, идею, лежащую в основе всего мира цифровых медиа. Лавры первооткрывателя обычно достаются Клоду Шеннону, известному американскому инженеру и математику, хотя Шеннон никогда на них не претендовал.

Как и в биографии Фурье, в судьбе Котельникова проявились три движущие силы технологического прорыва: великая научная идея, хаос революции и войны, требующий воплотить ее в конкретное изобретение, и тираны, защищающие ученых и продвигающие их технологии.

Великая идея Котельникова, напрямую ведущая к пикселю, вплетена в поразительно параллельные судьбы малоизвестного Котельникова и знаменитого Шеннона.

Разбрасыватель

Идея состоит в следующем: цифровое может достаточно точно представлять аналоговое. Дискретное, прерывистое и импульсное может точно представлять гладкое, непрерывное и плавно изогнутое. Прерывистая последовательность может точно представлять последовательную непрерывность. Возможно, сейчас вас это не удивляет, но я надеюсь все-таки удивить вас, потому что оказывается, что мы можем отбросить поразительное – фактически бесконечное – количество информации, практически ничего не теряя. Эта ключевая идея сделала возможным Цифровой Свет (а также цифровой звук). Эта фундаментальная истина лежала в основе Великой цифровой конвергенции и, следовательно, всего современного мира.

Подобно тому как волна – это форма, представляющая частоты Фурье, существует форма, представляющая отсчеты, или выборки, Котельникова (см. рис. 2.1). Вскоре мы увидим, что это тесно связано с «формой» пикселя. Математики называют это «каменной стеной» или sinc-фильтром, а инженеры – реконструкционным или восстанавливающим фильтром. Поскольку оба названия не вполне понятны, я буду называть эту прекрасную форму «разбрасывателем». Вскоре вы поймете почему.

Обратите внимание, что она напоминает одну из волн Фурье, гребни и впадины которой постепенно уменьшаются до тех пор, пока в любом направлении не сводятся к нулю. На самом деле это именно то, ради чего все и затеяно. Соответствующая волна везде имеет амплитуду, равную центральному горбу, и частоту, равную частоте колебаний «разбрасывателя» (рис. 2.2).

«Разбрасыватель» пришел из математики, а не из реального мира, но он напоминает расходящиеся круги от брошенного в воду камня – их высота тоже уменьшается с увеличением расстояния. Подобно им, его волна бесконечно движется в каждом направлении, но на некотором расстоянии от центрального горба гребни ее становятся настолько низкими, что уже не имеют значения. Как мы увидим, это очень важно в реальном мире. Самое раннее изображение «разбрасывателя», которое я нашел, в правильном контексте появляется в классической статье Владимира Котельникова, опубликованной в 1933 году (рис. 2.3).

Впервые я узнал об этой замечательной идее в начале 1960-х на электротехническом факультете. Нам рассказывали, что ее выдвинул Гарри Найквист, американский инженер и настоящий герой для нас, инженеров-электронщиков. Он работал в легендарной «Лаборатории Белла» (Bell Labs) в AT&T – мы все мечтали трудоустроиться туда. Но в конце 1960-х, когда я учился в Стэнфорде, информатика наконец-то стала отдельной дисциплиной и автором великой идеи начали называть Клода Шеннона, нашего нового героя во всем, что касалось цифровых технологий. Он первым использовал слово «бит» в печати. И он тоже работал там в качестве младшего коллеги Найквиста.

Но это американская версия событий, и здесь вступает в действие закон Стиглера: «Никакое научное открытие не было названо в честь первооткрывателя». (Сам Стиглер, кстати, считал, что этот закон открыт Робертом Мертоном.) Так что в России, безо всяких колебаний, лавры первооткрывателя всегда отдают Котельникову. В Японии эти заслуги приписывают Исао Сомея. В Англии – сэру Эдмунду Уиттекеру. В Германии – Герберту Раабе. Впрочем, если на то пошло, Найквист родился в Швеции. И только Шеннон – истинный американец, родившийся в Мичигане. Можно ли считать желание приписать ему лавры первооткрывателя проявлением нездорового патриотизма? Все вышеперечисленные сформулировали свои версии этой идеи раньше Шеннона, кроме Сомея – он опоздал на несколько месяцев. Получается, что чести дать свое имя теории – во всяком случае, в Соединенных Штатах – удостоился человек, сформулировавший ее практически последним.

Несмотря на всю путаницу с именованием, факты говорят сами за себя: великую идею – в том виде, в котором она используется в Цифровом Свете, – впервые четко, ясно и обстоятельно изложил и доказал Котельников в 1933 году. Нам на Западе трудно поверить, что такая фундаментальная идея появилась в худшие дни сталинской России. Во время холодной войны нас учили, что советская наука если не фальшивка, как биология Лысенко, то в лучшем случае основана на украденных идеях или раздута пропагандой. Придется смириться, что авторство Котельникова неоспоримо.

Рис. 2.1

Происхождение, работы и карьера

Владимир Александрович Котельников родился в 1908 году в Казани, старинном городе на Волге примерно в 500 милях к востоку от Москвы. Трудно представить ученого со столь же безупречной математической родословной. Его прапрапрадед Семен Котельников учился у Леонарда Эйлера, одного из величайших математиков всех времен. Часть математического аппарата, который использовал Фурье, – это прямое наследие Эйлера. В 1757 году Семен Котельников стал одним из первых академиков Санкт-Петербургской академии наук, основанной Петром Великим и ныне именуемой Российской академией наук.