© Joat Enterprises, 2017

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2019

Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» (при финансовой поддержке Н.В. Каторжнова).

Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив «Траектория» (www.traektoriafdn.ru) создан в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.

В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Год: 1973. Место: военно-морская база Скарамангас под Афинами.

Все взгляды сфокусированы на фанерной модели древнеримского судна, выполненной в натуральную величину. На этой модели сфокусированы лучи солнца, отраженные от 70 покрытых медью зеркал, расположенных в 50 м от нее и имеющих размер 1 м в ширину и 0,5 м в высоту.

Проходит несколько секунд, и корабль вспыхивает.

Греческий ученый Иоаннис Саккас в наши дни воссоздает легендарный сюжет из истории древнегреческой науки. Во II в. римский писатель Лукиан писал, что при осаде Сиракуз около 214–212 гг. до н. э. инженер и математик Архимед изобрел устройство, которое позволяло уничтожать вражеские корабли при помощи огня. Существовало ли вообще это устройство и если существовало, то как работало, совершенно неясно. Рассказ Лукиана, в принципе, может быть всего лишь отсылкой к обычной практике использования горящих стрел или обстрела пылающими тряпками из катапульты, но трудно представить себе причину, по которой эту тактику следовало представлять как новое изобретение. В VI в. Анфимий из Тралл в трактате «Пылающие стекла» предположил, что Архимед тогда воспользовался огромной линзой. Но согласно самой распространенной легенде Архимед использовал гигантское зеркало или, может быть, систему зеркал, расположенных по дуге и образующих грубый параболический отражатель.

Парабола – это U-образная кривая, хорошо известная греческим геометрам. Архимед, безусловно, знал о свойстве ее фокуса: все прямые, параллельные оси параболы, отражаясь от ее внутренней части, проходят через одну и ту же точку, которая называется фокусом параболы. Понимал ли кто-нибудь в то время, что параболическое зеркало точно так же сфокусирует свет (и жар) солнца, менее очевидно, поскольку представления греков о свойствах света были рудиментарными. Но, как показывает эксперимент Саккаса, на самом деле Архимеду не понадобилось бы громоздкое параболическое сооружение. Множество солдат, вооруженных отражающими щитами и независимо друг от друга направляющих их так, чтобы отраженные каждым щитом лучи солнца попадали на одну и ту же часть вражеского корабля, добились бы не меньшего эффекта.

Практическая применимость того, что часто называют «лучами смерти Архимеда», с давних времен служит предметом горячих споров. Философ Рене Декарт, пионер в оптике, не верил, что такой прием мог сработать. Эксперимент Саккаса показывает, что все же мог, хотя фанерная модель корабля была хлипкой и к тому же окрашена краской на основе смолы, так что поджечь ее было несложно. С другой стороны, во времена Архимеда корабли обязательно смолили, смола обеспечивала герметичность и защиту корпуса. В 2005 г. группа студентов Массачусетского технологического института повторила эксперимент Саккаса; в конечном итоге им удалось поджечь деревянную модель корабля – но только после того, как мишень на протяжении 10 минут неподвижно стояла под направленными на нее сфокусированными лучами солнца. Они попробовали проделать то же самое еще раз для телешоу «Разрушители легенд». Сюжет снимался в Сан-Франциско, а в качестве мишени было использовано старое рыболовное судно; участникам удалось местами обуглить дерево, кое-где даже появились языки пламени, но целиком судно не загорелось. «Разрушители легенд» сделали вывод, что вся эта история – миф.

Архимед был человеком энциклопедических знаний: астрономом, инженером, изобретателем, математиком, физиком. Вероятно, он был величайшим ученым (воспользуемся современным понятием) своего времени. Помимо значительных математических открытий Архимед сделал несколько изобретений, поражающих своим разнообразием – Архимедов винт для поднятия воды, систему для поднятия тяжестей на основе канатов и блоков (аналог современных талей), – и открыл Архимедов принцип плавания тел и закон рычага (хотя само устройство появилось намного раньше). Ему приписывают также создание еще одной военной машины – когтя. Он будто бы использовал это устройство, напоминающее подъемный кран, в битве при Сиракузах; с его помощью он поднимал вражеские корабли из воды и топил их. Авторы документального телефильма 2005 г. «Супероружие древнего мира» построили собственную версию этой машины, и она работала. В древних текстах можно найти множество других заманчивых упоминаний о теоремах и изобретениях, приписываемых Архимеду. Среди них механический вычислитель движения планет – что-то вроде знаменитого антикитерского механизма, датируемого примерно 100 г. до н. э. и найденного среди обломков кораблекрушения в 1900–1901 гг.; разгадать его назначение и принцип действия удалось лишь недавно.

Мы очень мало знаем об Архимеде. Родился он в Сиракузах – историческом городе на Сицилии, расположенном ближе к южной оконечности восточного побережья острова. Город был основан в 734 или 733 г. до н. э. греческими колонистами, по преданию, под предводительством полумифического Архия, после того как тот покинул Коринф и удалился в изгнание. Если верить Плутарху, Архий был влюблен в прекрасного юношу Актеона и, не добившись от него взаимности, попытался похитить предмет своей страсти; в ходе завязавшейся борьбы Актеон был разорван на куски. Мольбы отца юноши Мелисса, просившего о справедливости, остались без ответа, поэтому он взобрался на верхушку храма Посейдона, призвал этого бога отомстить за его сына – и бросился вниз, на скалы. После этого драматического события случились сильная засуха и голод, и местный оракул возвестил, что только возмездие может умилостивить Посейдона. Архий понял смысл послания и добровольно отправился в изгнание, чтобы избежать принесения в жертву; он отправился на Сицилию и основал Сиракузы. Позже прошлое все же настигло его, и Телеф, который мальчиком тоже какое-то время был предметом страсти Архия, убил его.

Земля была плодородна, местные жители дружелюбны, и вскоре Сиракузы стали самым процветающим и могущественным греческим городом на всем Средиземноморье. В трактате «Псаммит», или «Исчисление песчинок», Архимед говорит, что его отцом был астроном Фидий. Если верить «Сравнительным жизнеописаниям» Плутарха, то он был дальним родственником тирана Сиракуз Гиерона II. Считается, что в юности Архимед учился в египетском городе Александрия, расположенном в дельте Нила, где встречался с Кононом Самосским и Эратосфеном Киренским. Это подтверждают, в частности, утверждения Архимеда о том, что Конон был его другом; кроме того, вводные части его книг «Послание к Эратосфену о методе» и «Задача о быках» обращены к Эрастофену.

О смерти Архимеда тоже ходят легенды, в свое время мы доберемся и до них.

Математическая репутация Архимеда зиждется на книгах, которые уцелели и дошли до нас – все в более поздних копиях. «Квадратура параболы», написанная в форме письма к другу Архимеда Досифею, содержит 24 теоремы о параболах, последняя из которых дает площадь параболического сегмента, выраженную через площадь связанного с ним треугольника. Парабола вообще занимает видное место в трудах Архимеда. Это один из типов конических сечений – семейства кривых, игравшего значительную роль в греческой геометрии. Чтобы получить коническое сечение, нужно разрезать плоскостью двойной конус, образованный при соединении вершинами двух одинаковых конусов. Существует три основных типа конических сечений: эллипс – замкнутый овал, парабола – U-образная кривая и гипербола – две U-образные кривые, расположенные «спина к спине».

Работа «О равновесии плоских фигур» состоит из двух отдельных книг. В ней устанавливаются фундаментальные закономерности того, что мы сегодня называем статикой, – той области механики, где анализируются условия, при которых тело остается в покое. Дальнейшее развитие этой темы образует фундамент всего строительного искусства и дает возможность рассчитать силы, действующие на структурные элементы зданий и мостов, и гарантировать, что они действительно сохранят покой и не будут ни вспучиваться, ни рушиться.

Первая книга посвящена в основном закону рычага, который Архимед формулирует так: «Два груза находятся в равновесии на расстояниях, обратно пропорциональных их весам». Одно из следствий этого состоит в том, что длинный рычаг увеличивает малую силу. Плутарх сообщает нам, что Архимед драматически усилил это утверждение в письме к царю Гиерону: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю». Конечно, для этого ему потребовался бы невероятно длинный и идеально жесткий рычаг, но главный недостаток рычага состоит в том, что, хотя приложенная сила увеличивается, дальний конец рычага проходит куда меньшее расстояние, чем место приложения силы. На самом деле Архимед мог бы сдвинуть Землю на то же (крохотное-крохотное) расстояние, просто подпрыгнув на месте. Тем не менее рычаг очень эффективен, как и другое устройство (вариант рычага), также известное Архимеду, – полиспаст. Когда скептически настроенный Гиерон попросил Архимеда продемонстрировать свое изобретение, тот

…велел наполнить обычной кладью царское трехмачтовое грузовое судно, недавно с огромным трудом вытащенное на берег целою толпою людей, посадил на него большую команду матросов, а сам сел поодаль и, без всякого напряжения вытягивая конец каната, пропущенного через составной блок, придвинул к себе корабль – так медленно и ровно, точно тот плыл по морю[1].

Вторая книга посвящена в основном нахождению центра тяжести различных геометрических фигур – треугольника, параллелограмма, трапеции и сегмента параболы.

Книга «О сфере и цилиндре» содержит результаты, которыми Архимед настолько гордился, что даже велел начертать их на своей гробнице. Он доказал вполне строго, что площадь поверхности сферы в четыре раза больше площади любого ее большого круга (такого, как экватор сферической Земли); что объем шара составляет две трети объема цилиндра, описанного вокруг этого шара; и что площадь любого сегмента шара, отрезанного от него плоскостью, равна площади соответствующего сегмента такого цилиндра. В своем доказательстве он использовал витиеватый метод, известный как метод исчерпывания, который первым предложил Евдокс при работе с пропорциями с участием иррациональных чисел, которые невозможно точно представить в виде дроби. В современных терминах можно сказать, что Архимед доказал: площадь поверхности сферы радиуса r равна 4πr², а заключенный в ней объем равен 4/3πr³.

У математиков есть привычка представлять конечный результат в красиво организованном, упорядоченном виде, скрывая от глаз тот часто путаный и сумбурный процесс, в результате которого этот результат был получен. Нам повезло кое-что узнать о том, как Архимед делал свои открытия в отношении сферы, поскольку этот процесс нашел отражение в «Послании к Эратосфену о методе». Долгое время работа считалась утраченной, но в 1906 г. датский историк Йохан Гейберг обнаружил так называемый палимпсест Архимеда, содержавший ее неполный список. Палимпсест – это текст, стертый или смытый в древности с целью повторно использовать пергамент или бумагу, на которых он был написан. Около 530 г. Исидор Милетский собрал работы Архимеда в Константинополе (современный Стамбул), столице Византийской империи. В 950 г. их переписал неизвестный византийский писец; в то время в Константинополе действовала школа Льва Математика, в которой изучались работы Архимеда. После этого рукопись каким-то образом переместилась в Иерусалим, где в 1229 г. была разобрана, отмыта (не слишком хорошо), сложена пополам и заново переплетена уже в виде 177-страничной христианской литургической книги.

В 1840-е гг. на этот текст, вернувшийся к тому моменту обратно в Константинополь и находившийся в греческой православной библиотеке, наткнулся библеист Константин фон Тишендорф. Он вынул из книги один лист и поместил его в библиотеку Кембриджского университета. В 1899 г. Афанасий Пападопуло-Керамевс, составляя каталог библиотечных рукописей, частично перевел этот лист. Гейберг понял, что текст принадлежит Архимеду, и проследил судьбу книжной страницы обратно до Константинополя, где ему разрешили сфотографировать весь документ. Затем он переписал текст и издал результаты своей работы между 1910 и 1915 гг., а Томас Хит перевел текст на английский язык. После сложной цепочки событий, включая продажу на аукционе, осложненную судебной тяжбой по поводу права собственности на документ, рукопись была продана анонимному американцу за $2 млн. Новый владелец предоставил ее для исследований, так что затертый текст восстановлен с применением различных цифровых технологий обработки изображений.

Чтобы доказывать теорему методом исчерпывания, нужно заранее знать ответ, и ученые долгое время гадали, как Архимед сумел угадать правила определения площади поверхности и объема сферы. Трактат «О методе» поясняет:

Действительно, кое-что из того, что ранее было мною усмотрено при помощи механики, позднее было также доказано и геометрически, так как рассмотрение при помощи этого метода еще не является доказательством; однако получить при помощи этого метода некоторое предварительное представление об исследуемом, а затем найти и само доказательство гораздо удобнее, чем производить изыскания, ничего не зная[2].

Архимед мысленно уравновешивает шар, цилиндр и конус на весах, а затем нарезает их бесконечно тонкими ломтиками, которые перераспределяет таким образом, чтобы сохранить баланс. Затем он применяет закон рычага, чтобы соотнести три объема между собой (объемы цилиндра и конуса был уже известны), и выводит требуемые величины. Существуют предположения, что именно Архимед первым использовал настоящие бесконечно малые величины в математике. Возможно, мы усматриваем слишком много в этом не самом вразумительном документе, но ясно, что трактат «О методе» предвосхищает некоторые идеи дифференциального исчисления.

* * *

Другие труды Архимеда наглядно показывают, насколько разнообразными были его интересы. Трактат «О спиралях» доказывает некоторые фундаментальные утверждения о длинах и площадях, связанных с Архимедовой спиралью – кривой, которую описывает точка, движущаяся с постоянной скоростью вдоль прямой линии, вращающейся с постоянной скоростью. Трактат «О коноидах и сфероидах» исследует объемы сегментов объемных тел, образованных вращением конических сечений вокруг некоторой оси.

Трактат «О плавающих телах» – первая в истории работа по гидростатике и равновесным позициям плавающих объектов. В него входит и закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной этим телом. Этот принцип является темой знаменитого исторического анекдота, в котором Архимеда просят придумать метод, при помощи которого можно определить, действительно ли обетная корона, изготовленная для царя Гиерона, сделана из золота. Идея решения осеняет Архимеда внезапно, когда он принимает ванну, и он приходит в такой восторг, что выскакивает на улицу, позабыв одеться, и несется по городу в чем мать родила с криком «Эврика!» («Нашел!»). Не забывайте, что появление нагого человека в публичном месте в Древней Греции не рассматривалось как скандальное событие. Кульминацией книги является условие устойчивого плавания параболоида – предтеча фундаментальных идей теории кораблестроения, связанных с остойчивостью и переворачиванием судов.

В «Измерении круга» метод исчерпывания применяется для доказательства того, что площадь круга равна длине половины радиуса, умноженной на длину окружности, – πr² в современных терминах. Чтобы доказать это, Архимед вписывает в окружность и описывает вокруг нее правильные многоугольники с 6, 12, 24, 48 и 96 сторонами. Рассматривая девяностошестиугольник, он доказывает результат, эквивалентный, по существу, оценке величины π: он попадал в промежуток между

«Исчисление песчинок» адресовано Гелону II, тирану Сиракуз и сыну Гиерона II. Это подкрепляет предположение о том, что Архимед был в родстве с царской семьей. Он так объясняет свою цель:

Некоторые люди полагают, государь Гелон, что число песка по величине бесконечно… я постараюсь показать тебе… что среди чисел, которые получили от нас название и опубликованы в адресованной (мной) Зевксиппу книге, некоторые превосходят не только число песчинок в объеме, равном заполненной, как мы сказали, Земле, но даже в объеме, равном миру[3].

Здесь Архимед рекламирует свою новую систему наименования больших чисел и борется с частым неверным употреблением термина «бесконечный» вместо «очень большой». Сам он ясно ощущает разницу. В его работе сочетаются две основные идеи. Первая из них – расширение стандартного набора греческих слов для обозначения чисел, чтобы можно было именовать гораздо большие числа, чем мириада мириад[4] (100 миллионов, 10⁸). Вторая – оценка размеров Вселенной, которую Архимед основывает на гелиоцентрической (с Солнцем в центре) системе Аристарха. Согласно результатам подсчета, для полного заполнения Вселенной потребовалось бы, в современной нотации, не более 10⁶³ песчинок.

* * *

В математике существует давняя традиция развлечения, в рамках которого математики исследуют всевозможные игры и головоломки. Иногда это делается просто для удовольствия, а иногда подобные легкомысленные задачи помогают понять серьезные концепции. В «Задаче о быках» поднимаются вопросы, не потерявшие актуальности и сегодня. В 1773 г. немецкий библиотекарь Готтхольд Лессинг наткнулся на одну греческую рукопись: стихотворение из 44 строк, приглашающее читателя подсчитать, сколько животных ходит в стаде бога Солнца. Заголовок стихотворения представляет его как письмо от Архимеда к Эратосфену. Начинается оно так:

Сколько у Солнца быков, найди для меня, чужестранец.

(Ты их, подумав, считай, мудрости если не чужд.)

Как на полях Тринакрийской Сицилии острова тучных

Их в четырех стадах много когда-то паслось.

Цветом стада различались: блистало одно млечно-белым,

Темной морской волны стада другого был цвет,

Рыжим третие было, последнее пестрым. И в каждом

Стаде была самцов множеством тяжкая мощь,

Все же храня соразмерность такую…[5]

Затем в ней перечисляются семь уравнений в стиле:

число белых быков число черных быков + число рыжих быков и следует продолжение:

Сколько у Солнца быков, чужестранец, коль точно ты скажешь,

Нам раздельно назвав тучных быков число,

Также раздельно коров, сколько каждого цвета их было,

Не назовет хоть никто в числах невеждой тебя,

Все ж к мудрецам причислен не будешь. Учти же, пожалуй,

Свойства какие еще Солнца быков числа.

число белых быков + число черных быков = квадратное число,

число пестрых быков + число рыжих быков = треугольное число.

Если ты найдешь, чужестранец, умом пораскинув,

И сможешь точно назвать каждого стада число,

То уходи, возгордившись победой, и будет считаться,

Что в этой мудрости ты все до конца превзошел[6].

Квадратные числа – это 1, 4, 9, 16 и т. д., получаются они при умножении натурального числа на само себя. Треугольные числа – это 1, 3, 6, 10 и т. д., образуемые сложением последовательных натуральных чисел, к примеру, 10 = 1 + 2 + 3 + 4. Эти условия образуют то, что мы сегодня называем системой диофантовых уравнений в честь Диофанта Александрийского, который написал о них около 250 г. в книге «Арифметика». Решение должно даваться в целых числах, поскольку вряд ли у бога Солнца в стаде ходит половинка коровы.

Первый набор условий дает бесконечное число возможных решений, в наименьшем из которых божественное стадо насчитывает 7 460 514 черных быков и сравнимое число остальных животных. Дополнительные условия позволяют выбрать среди этих решений и ведут к тому типу диофантовых уравнений, которые известны как уравнения Пелля (глава 6). Здесь нужно найти целые x и y, такие что nx² + 1 = y², где n – заданное целое число. К примеру, при n = 2 уравнение принимает вид 2x² + 1 = y², а его решениями являются пары чисел x = 2, y = 3 и x = 12, y = 17. В 1965 г. Хью Уильямс, Р. Герман и Чарльз Зарнке при помощи двух компьютеров фирмы IBM нашли наименьшее решение, удовлетворяющее двум дополнительным условиям. Это решение приблизительно равно 7, 76 × 10²⁰⁶⁵⁴⁴.

Архимед никак не мог найти это число вручную, к тому же нет никаких свидетельств того, что он вообще имеет какое-то отношение к этой задаче, кроме того что его имя фигурирует в названии стихотворения. Задача о быках до сих пор привлекает внимание специалистов по теории чисел и способствует получению новых результатов, к примеру решая уравнения Пелля.

* * *

Исторических данных о жизни Архимеда почти нет, однако о его смерти мы знаем чуть больше – если, конечно, считать, что хотя бы одна из дошедших до нас легенд соответствует истине. Но можно с уверенностью предположить, что хотя бы зерно правды в них присутствует.

Во время Второй Пунической войны, около 212 г. до н. э., римский генерал Марк Клавдий Марцелл осадил Сиракузы и взял город после двух лет осады. Плутарх рассказывает, что во время взятия города пожилой Архимед рассматривал какой-то чертеж на песке. Генерал послал солдата, чтобы тот пригласил Архимеда на встречу с ним, но математик отказался пойти, сказав, что не закончил работу над задачей. Солдат вышел из себя и убил Архимеда мечом; рассказывают, что последними словами мудреца были: «Не тронь моих чертежей!» Зная математиков, я полагаю, что такая ситуация вполне возможна, но Плутарх приводит и другой вариант истории, в которой Архимед пытается сдаться случайному солдату, а тот, решив, что математические инструменты в руках ученого стоят дорого, убивает его, чтобы ими завладеть. В обоих вариантах легенды Марцелл был очень недоволен смертью столь уважаемого гения механики.

Гробница Архимеда была украшена изображением его любимой теоремы из книги «О шаре и цилиндре»: объем шара, вписанного в цилиндр, равен 2/3 от его объема, а площадь поверхности шара равна площади боковой поверхности этого цилиндра. Через 100 с лишним лет после смерти Архимеда квестором (должностным лицом) на Сицилии был известный римский оратор Цицерон. Услышав о гробнице, он с трудом отыскал ее в заброшенном состоянии возле Агригентинских ворот в Сиракузах. Цицерон приказал восстановить гробницу, что позволило ему прочесть некоторые надписи и разглядеть чертеж шара и цилиндра.

Сегодня расположение этой гробницы неизвестно; судя по всему, от нее ничего не осталось. Но Архимед продолжает жить в своей математике, значительная часть которой не потеряла значения за более чем 2000 прошедших лет.

«Чжоу Би Суань Цзин» – «Канон расчета чжоуского гномона» – древнейший известный нам китайский математический текст, датируемый Периодом сражающихся царств, 400–200 гг. до н. э. Начинается этот трактат прекрасным примером образовательной пропаганды:

Далее в книге при помощи геометрии выводится величина расстояния от Земли до Солнца. Космологическая модель примитивна: плоская Земля под гладким сферическим куполом неба. Но математика в ней содержится достаточно хитроумная. В основном используется геометрия подобных треугольников в применении к теням, отбрасываемым Солнцем.

«Чжоу Би» наглядно показывает продвинутое состояние китайской математики в период, примерно соответствующий греческому эллинистическому периоду со смерти Александра Великого в 323 г. до н. э. по 146 г. до н. э., когда Римская республика присоединила Грецию к своей империи. Этот период был вершиной интеллектуального доминирования Древней Греции и временем жизни большинства великих геометров, философов, логиков и астрономов античного мира. Даже в условиях римского владычества Греция оставалась центром культурной и научной жизни примерно до 600 г., но центры математических инноваций переместились в Китай, Аравию и Индию. Передний край математического прогресса вновь переместился в Европу только в эпоху Возрождения, хотя на самом деле «Темные века» были совсем не такими темными, какими их иногда рисуют, и некоторые достижения того времени, не самые внушительные, действительно, принадлежат и Европе.

Китайские же успехи были поразительны. До недавнего времени в большинстве вариантов истории математики рассматривалась исключительно европоцентрическая позиция и достижения Востока попросту игнорировались, пока Джордж Гевергезе Джозеф не написал о древней математике Юго-Восточной Азии книгу «Павлиний хохолок». Одним из величайших древнекитайских математиков был Лю Хуэй. Он был потомком правителя Цзысяна, принадлежавшего к династии Хань, и жил в царстве Цао Вэй в период троецарствия. В 263 г. он отредактировал и издал книгу с решениями математических задач, приведенных в знаменитом китайском математическом трактате «Цзю Чжан Суаньшу» («Математика в девяти книгах»).

Его работы включают доказательство теоремы Пифагора, некоторых теорем стереометрии, улучшенное по сравнению с Архимедовым приближенное значение числа π и системный метод решения линейных уравнений с несколькими неизвестными. Кроме того, он писал о методах топографии, с особым приложением к астрономии. Вероятно, он побывал в Лояне – одной из четырех древних столиц Китая – и измерил высоту Солнца по его тени.

Свидетельства ранней истории Китая исходят в основном из нескольких более поздних текстов, таких как обширные «Исторические записки» придворного историографа династии Хань Сыма Цяня (ок. 110 г. до н. э.) и «Бамбуковые анналы» – историческая хроника, написанная на бамбуковых дощечках, захороненная в гробнице владыки царства Вэй Сяна в 296 г. до н. э. и вновь обретенная в 281 г. н. э. Согласно этим источникам, китайская цивилизация начала свое развитие в III тыс. до н. э. с царства Ся. Письменные свидетельства начинаются с династии Шан, правившей с 1600 по 1046 г. до н. э. и оставившей древнейшее свидетельство китайского счета в форме гадальных костей – маркированных косточек, использовавшихся для предсказания судьбы. Успешное вторжение народа чжоу привело к возникновению довольно стабильного государства с феодальной структурой, которое начало разваливаться 300 лет спустя под давлением внешних племен.

К 476 г. до н. э. в Китае воцарилась настоящая анархия; это был период, известный как Период сражающихся царств и продолжавшийся более 200 лет. «Чжоу Би» была написана именно в эти бурные времена. Ее основное математическое содержание составляет то, что мы сегодня называем теоремой Пифагора, дроби и арифметика; в нее включено также немало астрономии. Теорема Пифагора представлена в разговоре между правителем Чжоу Гуном и благородным Шао Гао. Обсуждение прямоугольных треугольников в их диалоге приводит к формулировке знаменитой теоремы и геометрическому ее доказательству. Некоторое время историки считали, что это открытие на 500 лет опережает открытие самого Пифагора. Сегодня общепринятым является мнение, что это открытие было сделано независимо и что оно действительно опережало работы Пифагора, но не намного.

Еще одно значительное дошедшее до нас произведение примерно того же периода – уже упоминавшийся трактат «Цзю Чжан», содержащий богатый математический материал, такой как извлечение корней, решение систем уравнений, площади и объемы и, опять же, прямоугольные треугольники. В комментарии Чжан Хэна, относящемся к 130 г. н. э., значение числа π приближенно оценивается как Комментарий Чао Чуньчина к трактату «Чжоу Би» где-то в III в. добавил к основному тексту метод решения квадратных уравнений. Но самое существенное дополнение к «Цзю Чжан» сделал в 263 г. величайший китайский математик древности Лю Хуэй. Он предварил трактат своим объяснением:

В частности, Лю Хуэй дал доказательства того, что приведенные в книге методы работают; он использовал методики, которые сегодня мы не признали бы строгими, как и методики Архимеда в трактате «О методе». Кроме того, Лю Хуэй привел дополнительные материалы по топографической съемке, которые публиковались и отдельно в виде «Хай дао суань цзин» – «Трактата о морском острове».

В первой главе «Математики в девяти книгах» объясняется, как вычислять площади полей разной формы: прямоугольных, треугольных, трапецеидальных и круглых. Приведенные в ней правила верны, за исключением правила для круга. Даже здесь предложенный рецепт сам по себе верен: умножить радиус на половину длины окружности. Однако длина окружности вычисляется как утроенный диаметр, то есть, по существу, считается, что π = 3. Если говорить о практической применимости метода, то площадь круга здесь получается меньше реальной менее чем на 5 %.

В конце I в. до н. э. правитель Ван Ман велел астроному и создателю календаря Лю Синю придумать и предложить стандартную меру объема. Лю Синь изготовил очень аккуратный цилиндрический бронзовый сосуд, который и должен был служить стандартной мерой при сравнении. Тысячи копий этого сосуда использовались по всему Китаю. Оригинальный сосуд в настоящее время хранится в пекинском музее, и его размеры позволили некоторым ученым предположить, что Лю Синь, по существу, пользовался числом, близким к π и равным 3,1547. (Как именно можно получить это число с такой точностью при измерении бронзового горшка – непонятно, по крайней мере мне.) В трактате «Сюй шу» (официальная история династии Сюй) содержится утверждение, из которого можно понять, что Лю Синь действительно нашел новое значение числа π. Лю Хуэй замечает, что примерно в это же время придворный астролог Чан Хэн предложил считать π равным квадратному корню из 10, что составляет 3,1622. Ясно, что новые улучшенные значения π носились в воздухе.

В своих комментариях к «Девятикнижию» Лю Хуэй указывает, что традиционное правило «π = 3» ошибочно: вместо длины окружности оно дает периметр вписанного шестиугольника, который очевидно меньше. Затем он вычисляет более точное значение для длины окружности (и косвенно для π). Мало того, он пошел еще дальше и описал вычислительный метод оценки числа π со сколь угодно высокой точностью. Его подход напоминал подход Архимеда: аппроксимировать окружность правильными многоугольниками с 6, 12, 24, 48, 96, … сторонами. Чтобы применить метод исчерпания, Архимед использовал одну последовательность аппроксимирующих многоугольников внутри, вписывая их в окружность, а вторую – снаружи, описывая их около окружности. Ли Хуэй пользовался только вписанными многоугольниками, но в завершение расчета он привел геометрические аргументы в пользу того, чтобы определить как нижнюю, так и верхнюю границы истинного значения π. Этот метод позволяет получить сколь угодно точное приближение к π, не используя ничего сложнее квадратных корней. Для вычисления квадратных корней существует формализованный метод, трудоемкий, но не более сложный, чем умножение в столбик. Умелый расчетчик вполне мог бы за один день получить десять десятичных знаков π.

Позже, около 469 г., Цзу Чунчжи расширил этот расчет и показал, что

Результат был записан и сохранился, а вот метод, изложенный, возможно, в его потерянной работе «Чжуй шу» – «Метод интерполяции», до нас не дошел. Вероятно, это было сделано путем продолжения расчетов Лю Хуэя, но заголовок трактата позволяет предположить, что речь шла, скорее, о получении более точного результата из пары приближений, одно из которых слишком мало, а другое – слишком велико. Подобные методы можно найти в математике и сегодня. Не так давно им учили в школах, чтобы использовать таблицы логарифмов. Цзу предложил две простые дроби, приближенно выражающие: это Архимедова дробь 22/7, равная π с точностью до двух знаков после запятой, и 355/113, равная π с точностью до десяти знаков. Первое значение и сегодня широко используется, второе тоже хорошо известно математикам.

Одна из реконструкций доказательства теоремы Пифагора, принадлежащего Лю Хуэю и восстановленного на базе текстовых указаний в его книге, представляет собой хитроумное и необычное рассечение. Собственно прямоугольный треугольник, о котором идет речь, показан на рисунке черным. Квадрат, построенный на одном из его катетов (светло-серый), рассечен надвое диагональю. Квадрат, построенный на другом катете, разрезан на пять частей: один маленький квадратик (темно-серый), пара симметрично расположенных треугольников (средне-серых) тех же формы и размера, что и первоначальный прямоугольный треугольник, и пара симметрично расположенных треугольников (белых), заполняющих оставшееся место. После этого все семь кусочков собираются воедино и образуют квадрат на гипотенузе.

Для доказательства этой теоремы могут быть использованы и другие рассечения, попроще.

Древнекитайские математики были нисколько не слабее своих греческих современников, и развитие китайской математики после периода Лю Хуэя видело множество открытий, опередивших появление тех же достижений в европейской математике. К примеру, оценки числа π, полученные Лю Хуэем и Цзу Чунчжи, европейцам удалось превзойти лишь 1000 лет спустя.

Джозеф проверяет, не могли ли некоторые идеи китайских математиков попасть с купцами и торговыми караванами в Индию и Аравию, а затем, возможно, даже в Европу. Если так, то позднейшие достижения, когда европейцы заново открывали математические законы, вполне возможно, не были совершенно независимыми. В Индии в VI в. были китайские дипломаты, и китайские переводы индийских математических и астрономических трактатов сделаны в VII в. Что же до Аравии, то пророк Мухаммед выпустил хадис – изречение с религиозным смыслом, – в котором говорилось: «Ищите знание, даже если до него далеко, как до Китая». В XIV в. арабские путешественники сообщали о прочных торговых связях с Китаем, а марокканский путешественник и ученый Мухаммад ибн Баттута написал о китайских научных и технических достижениях, а также о китайской культуре в книге «Рила» – «Путешествия».

Мы знаем, что идеи из Индии и Аравии проникали в средневековую Европу, о чем говорится в двух следующих главах. Поэтому вполне возможно, что в Европу проникали в какой-то мере и китайские знания. Присутствие иезуитов в Китае в XVII и XVIII вв. отчасти через Конфуция вдохновило философию Лейбница. Можно предположить, что существовала сложная сеть, посредством которой математика, физика и многое другое циркулировало между Грецией, Ближним Востоком, Индией и Китаем. Если это так, то традиционная история западной математики, возможно, нуждается в определенном пересмотре.

После смерти пророка Мухаммеда в 632 г. власть над исламским миром перешла к сменявшим друг друга халифам. В принципе, халифов избирали за их достоинства, так что система правления в халифате не была в строгом смысле монархией. Однако халиф обладал всей полнотой власти. К 654 г., при третьем халифе Усмане, халифат стал крупнейшей в истории империей. Его территория (в терминах современной географии) включала Аравийский полуостров, Северную Африку от Египта через Ливию до восточной части Туниса, Левант, Кавказ и значительную часть Средней Азии, от Ирана через Пакистан и Афганистан до Туркмении.

Первые четыре халифа считаются праведными (рашидун); их сменила династия Омейядов, на смену которой, в свою очередь, пришла династия Аббасидов, которые свергли Омейядов с помощью персов. Центр власти, находившийся первоначально в Дамаске, переместился в Багдад – город, основанный халифом аль-Мансуром в 762 г. Его расположение вблизи от границ Персии отчасти диктовалось необходимостью прибегать к услугам персидских управленцев, понимавших, как взаимодействуют между собой разные области Исламской империи. Был создан пост визиря, позволивший халифу передать другому человеку административную ответственность: визирь, в свою очередь, поручал решение местных вопросов региональным эмирам. Постепенно халиф превратился в номинального главу государства, а реальная власть сосредоточилась в руках визиря, но первые халифы династии Аббасидов пользовались значительной властью.

Примерно в 800 г. Гарун аль-Рашид основал «Байт аль-хикма», или «Дом мудрости», – академию, в которой письменные труды из других культур переводились на арабский язык. Его сын аль-Мамун довел проект отца до логического завершения – собрал в Байт аль-хикма огромную коллекцию греческих рукописей и пригласил многих известных ученых. Багдад, ставший центром науки и торговли, привлекал купцов и ученых мужей даже из таких отдаленных мест, как Китай и Индия. Среди них был и Мухаммад ибн Мусса аль-Хорезми – ключевая фигура в истории математики.

Аль-Хорезми родился в Хорезме или где-то неподалеку от него; Хорезм – это город в Средней Азии, современная Хива в Узбекистане. Главные работы аль-Хорезми относятся ко времени правления аль-Мамуна; он участвовал в сохранении и развитии тех знаний, которые тогда стремительно теряла Европа. Он переводил ключевые рукописи с греческого и санскрита, делал собственные открытия в физике, математике, астрономии и географии и написал серию книг, которые мы сегодня назвали бы научными бестселлерами. Название книги «Об индийском счете», написанной около 825 г., было переведено на латынь как Algoritmi de Numero Indorum; в то время это был практически единственный трактат, распространявший по всей Европе новость, о поразительном способе проведения арифметических расчетов. По пути Algoritmi превратились в Algorismi, и методы расчета с применением десятичных чисел получили название алгоризмов. В XVIII в. это слово изменилось и приобрело сегодняшнюю форму – алгоритм.

Его книгу «Аль-китаб аль-мухтасар фи хисаб аль-джебр ва-ль-мукабала» («Краткая книга об исчислении алгебры и аль-мукабалы»), написанную около 830 г., Роберт Честерский в XII в. перевел на латынь с названием Liber Algebrae et Almucabola. В результате аль-джебр, латинизированное до algebra, стало самостоятельным словом. Теперь оно означает использование таких символов, как x и y, для неизвестных величин, а также методы отыскания этих неизвестных путем решения уравнений, но в самой книге никакие символы не используются.

«Алгебра» была написана, когда халиф аль-Мамун предложил аль-Хорезми написать популярную книгу о вычислениях. Сам автор описывает ее цель так:

Все это не слишком похоже на книгу по алгебре. И правда, непосредственно алгебра занимает в ней лишь небольшую часть. Аль-Хорезми начинает с объяснения чисел в очень простых выражениях – единицы, десятки, сотни – на том основании, что «когда я думаю о том, в чем люди обычно нуждаются при расчетах, я понимаю, что это всегда число». Вообще, это не ученый трактат для мужей науки, но популярная математическая книга, практически учебник, который пытается не только информировать, но и обучать обычных читателей. Именно этого хотел халиф, и именно это он получил. Аль-Хорезми не рассматривал свою книгу как результат работы на переднем крае исследовательской математики. Но мы сегодня именно так смотрим на ту ее часть, которая посвящена аль-джебре. Это самый глубокий раздел книги: систематическое развитие методов решения уравнений с некоторой неизвестной величиной.

Собственно термин «аль-джебр», который обычно переводят как «дополнение», относится к приему добавления одного и того же слагаемого к обеим частям уравнения с целью его упрощения. «Аль-мукабала», или «уравновешивание», относится к переносу одного из слагаемых с одной стороны уравнения на другую сторону (но с противоположным знаком) и к сокращению подобных членов в обеих частях уравнения.

К примеру, если уравнение в современной символьной записи выглядит как

то аль-джебра разрешает нам добавить по 3 к обеим сторонам уравнения и получить

что в данном случае решает уравнение. Если уравнение выглядит как

то аль-мукабала позволяет нам перенести 6 с левой стороны уравнения на правую, только со знаком минус, и получить

Вторая аль-мукабала позволяет нам перенести x² из правой части уравнения в левую и вычесть уже его, получив

что проще, но еще не дает решение уравнения.

Я повторю, что аль-Хорезми не использует никаких символов. Отец алгебры на самом деле не делал ничего из того, что сегодня большинство из нас считает алгеброй. Он все описывал словами. Конкретные числа были единицами, неизвестная величина, которую мы называем x, называлась у него корнем, а наш x² назывался квадратом. Приведенное уравнение в этих терминах выглядело бы так:

квадрат плюс корень равно двенадцать единиц,

и без всяких символов. Так что следующая задача – объяснить, как от уравнения подобного типа перейти к ответу. Аль-Хорезми подразделяет уравнения на шесть типов, причем типичный случай представляет собой «квадраты и корни равняются числам», то есть что-то вроде x² + x = 12.

Затем он переходит к анализу каждого типа уравнений по очереди, причем решает их с использованием смеси алгебраических и геометрических методов. Так, чтобы решить уравнение x² + x = 12, аль-Хорезми рисует квадрат, который должен представлять x² (левый рисунок). Чтобы прибавить к этому корень x, он пририсовывает к квадрату четыре прямоугольника, каждый со сторонами x и (средний рисунок). Получившаяся фигура наводит на мысль «завершить квадрат», присоединив сюда же четыре «уголка» – маленькие квадратики со стороной и площадью  Так что он добавляет к левой части уравнения (правый рисунок). По правилу аль-джебр он должен также прибавить и к правой части уравнения то, в результате чего справа становится  Теперь

Извлечем квадратный корень из обеих частей уравнения и получим

так что x = 3. Сегодня мы взяли бы еще отрицательный квадратный корень, и получили второе решение, x = –4. Отрицательные числа уже начинали появляться в трудах ученых периода аль-Хорезми, но сам он их не упоминает.

Такой подход был бы понятен и вавилонянам, и грекам, поскольку они и сами в свое время занимались примерно тем же. На самом деле существуют сомнения относительно того, был ли аль-Хорезми знаком с «Началами» Евклида. По идее, должен был быть знаком, поскольку аль-Хаджжадж – другой ученый из «Дома мудрости» – перевел Евклида на арабский, когда аль-Хорезми был молодым человеком. Но с другой стороны, основной задачей «Дома мудрости» был именно перевод, и его работники не были обязаны читать труды, переведенные их коллегами. Некоторые историки утверждают, что геометрия аль-Хорезми по стилю не соответствует Евклидовой, и это свидетельствует о том, что ученый не был знаком с оригиналом. Но, я повторяю, «Алгебра» – популярная книга о математике, так что она и не должна была бы следовать аксиоматическому стилю Евклида, даже если бы сам аль-Хорезми знал Евклида назубок. Во всяком случае идея достраивания квадрата восходит еще к вавилонянам и позаимствовать ее можно было из множества разных источников.

Почему же тогда многие историки считают именно аль-Хорезми отцом алгебры? Особенно с учетом того, что он не использует никаких символов? И у него имеется сильный конкурент, грек Диофант. В его «Арифметике» – серии книг о решении уравнений в натуральных или рациональных числах, написанной около 250 г., – символы используются. Один из ответов состоит в том, что главной областью интересов Диофанта была теория чисел да и символы его были, по существу, простыми сокращениями. Однако более глубокий ответ, который мне кажется и более убедительным, заключается в том, что аль-Хорезми часто, хотя и не всегда, приводит универсальные методы решения, тогда как его предшественники, как правило, брали пример с конкретными числами и решали его. Читателю оставалось самому выводить общее правило. Так что результат приведенного выше геометрического решения мог бы выглядеть примерно так: «Возьмите 1, поделите на 2, получится возведите ее в квадрат, получится затем добавьте по к каждой стороне», – и читатель должен будет сам догадаться, что общее правило состоит в том, чтобы заменить первоначальную 1 половинкой коэффициента при x, возвести результат в квадрат, прибавить результат к обеим сторонам уравнения и т. д. Конечно, при обучении преподаватель разъяснил бы решение на таком уровне обобщения и закрепил результат, заставив ученика прорешать множество других примеров.

Иногда аль-Хорезми, кажется, делает ровно то же самое, но, как правило, он подробнее описывает применяемые правила. Так что более глубокая причина того, что именно ему приписывают изобретение алгебры, состоит в том, что он сосредоточился на общих правилах манипулирования алгебраическими выражениями, нежели на конкретных числах, которые они представляют. К примеру, он дает правила раскрытия скобок при их перемножении

(a + bx) (c + dx)

в терминах квадрата x², корня x и чисел. Мы бы записали это правило символически как

ac + (ad + bc) x + (bd) x²,

и именно это он говорит, словесно, без использования конкретных чисел для a, b, c или d. Он рассказывает читателям, как нужно манипулировать общими выражениями в числах, корнях и квадратах. Эти выражения рассматриваются не как зашифрованные версии какого-то неизвестного числа, но как новый тип математического объекта, выражения с которым можно просчитывать, даже если реальные числа вам неизвестны. Именно этот шаг к абстракции – если мы примем его как таковой – лежит в основе утверждения о том, что аль-Хорезми изобрел алгебру. В «Арифметике» ничего подобного нет.

Другие темы в его книге более прозаичны: там можно найти правила вычисления площадей и объемов таких фигур, как прямоугольник, круг, цилиндр, конус и шар. Здесь аль-Хорезми следует тем же путем, каким двигались математики в индийских и еврейских текстах, и ничего похожего на Архимеда или Евклида вы там не найдете. Заканчивается книга более приземленными вещами: подробным разбором исламских правил наследования имущества, требующих разделения его в разных пропорциях; ничего более сложного с математической точки зрения, чем решение линейных уравнений и арифметика, в этом разделе не встречается.

* * *

Важнейшим трудом аль-Хорезми как на момент написания, так и на протяжении еще нескольких столетий была «Книга об индийском счете», давшая нам, как уже отмечалось, слово «алгоритм». Фраза Dixit Algorismi – «Так говорил аль-Хорезми» – была весьма убедительным аргументом в любом математическом диспуте. Учитель сказал: внимайте его словам.

Под индийским счетом подразумеваются, безусловно, ранние варианты десятичной системы записи чисел, в которой любое число может быть записано как последовательность десяти символов – 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Как видно из названия книги, аль-Хорезми признавал первенство индийских математиков в этом вопросе, но его влияние в средневековой Европе было настолько велико, что такую систему исчисления стали называть арабской (иногда ее называли еще индо-арабской системой, что тоже несправедливо по отношению к индусам). Основной вклад арабского мира в эту систему – изобретение собственных символов для обозначения цифр, похожих на индийские, но все же отличных от них, а также распространение этой системы записи и побуждение к ее использованию. Символы же для обозначения десяти цифр не раз менялись с течением времени, и разные регионы современного мира до сих пор пользуются разными их вариантами.

Сегодня алгоритм – это пошаговая процедура вычисления какой-то конкретной величины или получения какого-то конкретного результата с гарантией того, что по получении нужного результата процесс остановится. «Пробуй все числа в случайном порядке, пока какое-нибудь не подойдет» – не алгоритм: если в результате будет получен ответ, это верная процедура, но с тем же успехом процесс может продолжаться вечно и ни к чему не привести. Чтобы описать один из ранних примеров алгоритма, вспомним, что простое число не имеет других делителей, кроме его самого и единицы. Вот первые несколько простых чисел: 2, 3, 5, 7, 11, 13. Любое другое натуральное число больше 1 называется составным. К примеру, 6 – составное число, потому что 6 = 2 × 3. Число 1 считается особым и называется единицей в этом контексте. Решето Эратосфена, придуманное около 250 г. до н. э., представляет собой алгоритм нахождения всех простых чисел вплоть до какого-то конкретного предела. Начните с того, что выпишите все положительные целые числа вплоть до заданного предела. Удалите из списка все числа, кратные 2, кроме 2, затем все числа, кратные следующему оставшемуся числу 3, кроме самого числа 3, затем проделайте то же самое для следующего уцелевшего числа 5 и т. д. После числа шагов, не превышающего заданного предела, процесс завершается: в списке остается ровно то, что нужно: все простые числа до заданного предела.

Алгоритмы в современной жизни приобрели принципиальное значение, потому что компьютеры – это машины, исполняющие алгоритмы. Алгоритмы выкладывают в интернет смешные видео с котиками, рассчитывают ваш кредитный рейтинг, решают, какие книги можно попытаться продать вам, осуществляют миллиарды биржевых сделок с валютой и акциями каждую секунду и пытаются украсть у вас пароль от онлайн-банка. Как ни забавно, из всех работ аль-Хорезми подробнее всего об алгоритмах рассказывается не в трактате «Об индийском счете», хотя любой метод арифметического счета, естественно, представляет собой алгоритм. Больше всего алгоритмов в его алгебраической книге, которая вошла в историю тем, что в ней излагаются общие процедуры решения уравнений. Эти процедуры являются алгоритмами, и именно это делает их такими важными.

* * *

Аль-Хорезми писал не только о математике, но также о географии и астрономии. Его «Китаб сурад аль-ард» («Книга описания Земли») 833 г. дополняет предыдущий классический труд на эту тему – «Географию» Птолемея, написанную около 150 г. Это своего рода набор «сделай сам» для атласа известного на тот момент мира: контуры континентов на трех различных типах координатной решетки с указаниями, где на них следует поместить основные города и другие значительные детали. Кроме того, в книге обсуждаются базовые принципы составления карт. В труде аль-Хорезми список локаций расширен до 2402 объектов, а некоторые данные Птолемея были исправлены; в частности, аль-Хорезми снизил завышенную Птолемеем оценку длины Средиземного моря. Кроме того, если Птолемей показывал Атлантический и Индийский океаны как моря, окруженные со всех сторон сушей, то аль-Хорезми не стал их ограничивать.

Книга «Зидж аль-Синдхинд» («Астрономические таблицы Синдхинда»), датируемая примерно 820 г., содержит более сотни астрономических таблиц, взятых в основном из трудов индийских астрономов. Среди них имеются таблицы движения Солнца, Луны и пяти планет, а также таблицы тригонометрических функций. Считается, что аль-Хорезми писал также о сферической тригонометрии, очень важной для навигации. «Рисала фи истихрадж таких аль-яхуд» («Определение эры евреев и об их праздниках») рассказывает о еврейском календаре и анализирует Метонов цикл – 19-летний период, очень близкий к общему кратному солнечного года и лунного месяца. Вследствие этого солнечный и лунный календари, которые со временем постепенно расходятся, вновь почти выравниваются каждые 19 лет. Этот цикл назван в честь Метона Афинского, который описал его в 432 г. до н. э.

Наряду с достижениями математиков древнего Китая (глава 2) и Индии (глава 4) достижения аль-Хорезми служат дополнительным свидетельством того, что в Средние века, когда наука Европы в основном находилась в состоянии застоя, центр научной и математической деятельности переместился на Восток. Со временем, в эпоху Возрождения, Европа пробудилась вновь, как мы увидим в главе 5. Аль-Хорезми проложил новый путь, и математике уже не суждено было вернуться в прежнее состояние.

«Вода урагана Рита весила, как 100 миллионов слонов». Сегодня СМИ часто используют слонов как меру веса, не говоря уже о Бельгии и Уэльсе как мерах площади, олимпийских плавательных бассейнах как мерах объема и лондонских автобусах для измерения длины или высоты. А что вы скажете о таком перечне:

Что первым приходит в голову? На самом деле это перевод стихотворения о числе π, написанного около 1400 г. Мадхавой из Сангамаграмы – величайшим, вероятно, средневековым индийским математиком и астрономом. Боги, слоны, змеи и т. п. – это символические обозначения чисел, которые предполагалось рисовать в виде маленьких картинок. Вместе (с конца, по списку) они представляют число

При делении на 90 млрд получается

Это, пожалуй, выглядит более знакомо. Отношение, о котором идет речь, представляет собой геометрическое определение числа π, равного

Эти два числа совпадают до 11-го знака после запятой (округляя 589 до 59 на 10-м и 11-м месте). В то время это было одним из лучших известных приближений. К 1430 г. персидский математик Джамшид аль-Каши побил этот рекорд, получив в своей книге «Мифтах аль-хисаб» («Ключ к арифметике») 16 знаков после запятой.

До нас дошли кое-какие астрономические тексты Мадхавы, но его математические работы известны только в изложении позднейших комментаторов. Вечная проблема приписывания великому основателю и учителю результатов, полученных его интеллектуальными потомками (так, к примеру, все открытое любым членом пифагорейского культа по умолчанию приписывается Пифагору), означает, что мы не можем с полной уверенностью сказать, какие результаты были получены непосредственно Мадхавой. В дальнейшем рассказе я буду принимать слова его последователей на веру.

Его величайшим достижением было введение бесконечных рядов; таким образом были сделаны первые шаги в направлении математического анализа. Он обнаружил то, что известно на Западе как ряд Грегори для функции арктангенса и ведет к выражению числа π в виде бесконечного ряда. Самые впечатляющие его открытия – бесконечные ряды для тригонометрических функций синуса и косинуса, которые на Западе были найдены только Ньютоном, на 200 с лишним лет позже.

О жизни Мадхавы известно мало. Он жил в селении Сангамаграма, и это название по традиции добавляется к его имени, чтобы отличать от других людей с именем Мадхава, таких как астролог Видья Мадхава. В селении был храм, посвященный одноименному богу. Считается, что располагалось это селение возле современного селения браминов Ириньялакуда. Это недалеко от города Кочина в штате Керала – длинной вытянутой области на южной оконечности Индии, зажатой между Аравийским морем на западе и горной цепью Западные Гаты на востоке. Во времена позднего Средневековья Керала был крупным центром математических исследований. Большинство раннеиндийских математиков происходили из более северных мест, но по неведомой причине Керала в какой-то момент перехватил инициативу. Математику в Древней Индии, как правило, рассматривали как часть астрономии, и Мадхава основал Керальскую школу астрономии и математики.

В эту школу входило большое количество необычайно сведущих математиков. Парамешвара – индийский астроном, который использовал наблюдение затмений для проверки точности вычислительных методов того времени. Он оставил после себя по крайней мере 25 рукописей. Келаллур Нилаканта Сомаяджи в 1501 г. написал значительный астрономический трактат «Тантрасамграха», состоящий из 432 стихов на санскрите, объединенных в восемь глав. В частности, он включает поправки Нилаканты к теории движения Меркурия и Венеры великого индийского математика Арьябхаты. Он написал также обширный комментарий «Арьябхатия бхасья» на другой труд Арьябхаты, в котором обсуждаются алгебра, тригонометрия и бесконечные ряды для тригонометрических функций. Естхадева написал «Юктибхасу» – комментарий к «Тантрасамграхе», в который добавлены доказательства ее основных выводов. Некоторые считают этот текст первым трудом по дифференциальному исчислению. Мельпатур Нараяна Бхаттатир – математический лингвист – расширил в труде «Пркриясарвавом» аксиоматическую систему Панини из 3959 правил для санскритской грамматики. Прославился он «Нараяниямой» – похвальной песней Кришне, которая поется в Индии до сих пор.

Тригонометрия, или использование треугольников для измерения, восходит еще к древним грекам; особенно много ей занимались Гиппарх, Менелай и Птолемей. Есть две основные области применения тригонометрии в деятельности человека: топография и астрономия. (Позже к этому списку добавилась навигация.) Существенно здесь то, что расстояния зачастую трудно (а в случае астрономических тел просто невозможно) измерять непосредственно, зато углы можно измерять везде, где есть прямая видимость. Тригонометрия дает возможность вычислить длины сторон треугольника по его углам, при условии что хотя бы одна сторона известна. В топографии одна тщательно измеренная доступная база и множество углов ведут к появлению точной карты; то же, с некоторыми нюансами, относится и к астрономии.

Греки использовали в своих задачах хорду угла (см. рисунок). Гиппарх в 140 г. до н. э. составил первую таблицу хорд и пользовался ею как в плоской, так и в сферической тригонометрии. Последняя имеет дело с треугольниками, образованными дугами больших кругов на сфере, и это важно в астрономии, поскольку звезды и планеты при наблюдении с Земли кажутся лежащими на небесной сфере – воображаемой сфере, в центре которой находится Земля. Точнее говоря, направления на эти тела соответствуют точкам на любой подобной сфере. Во II в. Птолемей включил таблицы хорд в свой «Альмагест», и его результаты широко использовались на протяжении следующих 1200 лет.

Математики Древней Индии, опираясь на работы греков, добились больших успехов в тригонометрии. Они обнаружили, что удобнее использовать не хорды, а тесно связанные функции синуса (sin) и косинуса (cos), которыми мы пользуемся и сегодня. Синусы впервые появились в «Сурья сиддханта» – серии индийских астрономических текстов, датируемых примерно 400 г.; Ариабхата около 500 г. развил эту идею в своем труде «Ариабхатия». Аналогичные идеи возникли независимо и в Китае. Индийскую традицию продолжили Варахамихира, Брахмагупта и Бхаскара Ачарья, в работах которых имеются полезные аппроксимации функции синуса и некоторые базовые формулы, такие как

sin²θ + cos²θ = 1

у Варахамихиры; по существу, это тригонометрическая интерпретация теоремы Пифагора.

До недавнего времени ученые считали, что после Бхаскара Ачарья в индийской математике наступил застой, во время которого ученые ограничивались лишь комментариями к классическим работам, и лишь после того, как Британия присоединила Индию к своей активно развивающейся империи, там появилась новая математика. Возможно, это было правдой в отношении значительной части Индии, но не в отношении Кералы. Джозеф отмечает, что «качество математики, доступной в текстах [Керальской школы] … настолько высокого уровня в сравнении с тем, что было достигнуто в классический период, что кажется невозможным, чтобы одно произошло от другого». Однако сколько-нибудь сравнимые идеи появились лишь несколькими столетиями позже в Европе, так что никакого правдоподобного «недостающего звена» разглядеть не удается. Достижения Керальской школы, судя по всему, были ее собственными.

Комментарий Естхадевы «Юктибхаса» так описывает ряд, приписываемый Мадхаве:

Первый член есть произведение заданного синуса и радиуса искомой дуги, деленного на косинус этой же дуги. Последующие члены получаются методом повторений, когда первый член последовательно умножается на квадрат синуса и делится на квадрат косинуса. Все члены затем делятся на нечетные числа 1, 3, 5, … Дуга получается прибавлением и вычитанием соответственно членов с нечетными номерами и членов с четными номерами.

В современной нотации и с учетом того, что тангенс угла θ равен синусу этого угла, деленному на его же косинус, получаем

Это (если записать в терминах арктангенса) и есть то, что мы на Западе называем рядом Грегори, его открыл в нашей цивилизации Джеймс Грегори в 1671 г. или, возможно, чуть раньше. Согласно трактату «Махаджьянаяна пракара» («Методы для больших синусов»), Мадхава использовал этот ряд для вычисления π. Особый случай (θ = π/4 = 45°) приведенного ряда дает бесконечный ряд для π – первый пример рядов такого типа.

Это не слишком практичный способ вычислить число π, поскольку члены ряда убывают очень медленно и нужно пройти громадное число слагаемых, чтобы получить хотя бы несколько очередных десятичных знаков. Приняв вместо этого θ = π/6 = 30°, Мадхава вывел вариант ряда, который сходится быстрее:

Он вычислил первый 21 член ряда и получил π с точностью до 11 знаков после запятой. Этот ряд стал первым новым методом вычисления π после Архимеда, использовавшего все более близкие по форме к окружности правильные многоугольники.

Один из приемов Мадхавы удивительно хитроумен. Мадхава оценил ошибку, возникающую при усечении ряда на некотором конечном этапе. Мало того, он привел три выражения для ошибки, которые можно прибавлять к общему значению в качестве корректирующего члена для повышения точности. Вот его выражения для ошибки после сложения n членов ряда:

Третье из этих выражений он использовал для получения улучшенного значения суммы при расчете π с точностью до 13 знаков после запятой. Ничего подобного не наблюдается нигде в математической литературе до нынешних времен.

В 1676 г. Ньютон написал письмо Генри Олденбургу – секретарю Королевского общества; в письме он информировал этого достойного человека о двух бесконечных рядах для синуса и косинуса:

которые он вывел кружным путем, с использованием дифференциального исчисления. Сегодня мы знаем, что эти выражения, долгое время приписывавшиеся Ньютону, были получены Мадхавой почти на 400 лет раньше. Подробности вывода этих рядов приведены в «Юктибхасе». Метод вывода сложен, но его можно рассматривать как ранний вариант метода интегрального исчисления – суммирование подобных рядов член за членом.

В самом деле, утверждается, что Мадхава выработал некоторые базовые понятия дифференциального и интегрального исчисления задолго до Ньютона. Речь идет о дифференцировании, интеграле как площади под кривой и почленном интегрировании. Он нашел методы разложения многочленов в алгебре, вывел числовой метод решения уравнений посредством итераций и работал над бесконечными цепными дробями.

* * *

Джозеф спрашивает, могли ли идеи Мадхавы просочиться в Европу. Он указывает, что европейские исследователи, такие как Васко да Гама, хорошо знали Кералу, потому что это удобный остановочный пункт для кораблей, пересекающих Аравийское море на пути в Китай и другие страны Востока. Роль этого региона как центра торговли восходит еще к вавилонским временам. Географическая изоляция, зажатость между Западными Гатами и Аравийским морем, защищала его от бурной политической жизни остальной части средневековой Индии, что было дополнительным бонусом для чужеземных путешественников. Действительно, создается впечатление, что кое-что из достижений керальской техники и местных изделий в то время добиралось до Европы, однако до сих пор не найдено никаких свидетельств прямого переноса математических идей. Так что до тех пор, пока на свет не появятся новые свидетельства (если появятся), нам остается предполагать, что Керала и Европа открыли множество важных математических идей независимо друг от друга.

Работа таких выдающихся индийских математиков, как Ариабхата и Брахмагупта, давно признана в Европе. С трудами Керальской школы европейское научное сообщество впервые познакомилось только в 1835 г., когда Чарльз Виш написал статью о четырех самых значительных индийских текстах: это «Тантрасамграха» Нилаканты, «Юктибхаса» Естхадевы, «Карана Паддхати» Путхуманы Сомайаджи и «Садратнамала» Санкары Вармана. Виш, можно сказать, запустил лису в курятник, когда заявил, что «Тантрасамграха» содержит основы работы с производными, как Ньютон называл дифференциальное исчисление (глава 7): что в ней «полно производных форм и рядов, которые невозможно найти ни в одном труде других стран». В дни, когда всю торговлю с Индией контролировала Ост-Индская компания, а сама страна рассматривалась как легкая добыча для завоевателя, это заявление не произвело совершенно никакого впечатления. Керальская математика была быстро и прочно забыта. Только столетие спустя, в 1940-х гг., ее высокий уровень был наконец вновь описан в серии статей Кадамбура Раджагопала и его соавторов; они проанализировали математику Керальской школы и продемонстрировали, что индийские математики открыли множество важных вещей намного раньше европейцев, которым эти достижения, как правило, приписывали.

«В ранней молодости я предавался с таким увлечением всякого рода телесным упражнениям, что со мной считались даже самые злостные задиры… В тех городах, где мне приходилось жить, я всегда ходил в ночное время, вопреки запрещениям властей, вооруженный. Днем я выходил в башмаках со свинцовой подошвой весом около восьми фунтов, а ночью закрывал лицо черным шерстяным плащом и обувался в войлочные башмаки. Бывало, много дней подряд я с раннего утра и до вечера занимался военными упражнениями, после чего, весь еще обливаясь потом, играл на музыкальных инструментах и часто всю ночь до самого рассвета бродил по улицам»[8].

Такова была жизнь в Италии эпохи Возрождения около 1520 г. – по крайней мере, такой она была для Джироламо Кардано, описавшего свой образ жизни и многое другое в откровенной автобиографии «О моей жизни». Кардано – энциклопедист, особенно талантливый в области математики и медицины, – наслаждался (если можно так сказать) жизнью, достойной мыльных опер и бульварных газет. Он промотал фамильное состояние, пристрастился к азартным играм, разорился и угодил в богадельню. Заподозрив партнера в шулерстве, он полоснул того по лицу ножом. Он был обвинен в ереси и заключен в тюрьму; его сын был казнен за отравление жены. А еще Кардано вернул речь онемевшему епископу Сент-Эндрюсу, за что получил вознаграждение в 1400 золотых крон. Вернувшись в Италию с триумфом, он был принят в Коллегию врачей, которая прежде не один десяток лет отчаянно пыталась не допустить его в свои ряды.

И что самое важное, он был великолепным математиком и написал один из лучших учебников всех времен – «Великое искусство» (Ars Magna) с подзаголовком «Правила алгебры». В Ars Magna алгебра вступила в эпоху зрелости, обретя сразу и символьное выражение, и логику изложения. Кардано можно рассматривать как еще одного кандидата на титул «отца алгебры». Но в полном соответствии с характером этот статус он приобрел не без шулерства и скандала.

Кардано был незаконнорожденным. Его отец Фацио – стряпчий с мощным математическим талантом и бешеным темпераментом – жил в Павии и дружил с Леонардо да Винчи. Он всегда ходил в необычном лиловом плаще и черной ермолке; к 55 годам Фацио потерял все зубы. Мать Джироламо Кьяра (урожденная Микерия) – молодая вдова с тремя детьми – вышла замуж за его отца намного позже. Она была толстой, темпераментом не уступала Фацио и обижалась по малейшему поводу. Кроме того, была глубоко религиозна и весьма умна. Когда она была беременна Джироламо, в Милане появилась чума, поэтому Кьяра уехала в деревню, тогда как трое ее старших детей остались в городе и умерли от чумы. Ожидаемое рождение Кардано также не вызывало радости: «Как мне рассказывали, после нескольких не увенчавшихся успехом попыток применить некоторые абортивные средства я родился 24 сентября 1500 г.»[9].

Фацио, хотя и состоял стряпчим по роду занятий, был достаточно сведущ в математике, чтобы консультировать да Винчи в вопросах геометрии; кроме того, он преподавал геометрию в Университете Павии и в Школе Пьятти в Милане. Свои навыки в математике и астрологии он передал незаконнорожденному сыну: «В раннем детстве, когда мне было около девяти лет, мой отец обучал меня дома началам арифметики и некоторым тайным знаниям, неизвестно откуда почерпнутым им. Вскоре после того он начал учить меня и арабской астрологии… По наступлении двенадцатилетнего возраста он же заставил меня изучать первые шесть книг Евклида…»[10]

Джироламо был болезненным ребенком, и планы отца ввести его в семейное юридическое дело потерпели неудачу. Он поступил на медицинский факультет Университета Павии и блестяще его окончил; несмотря на то что резкость его натуры многих оскорбляла, Джироламо был избран ректором университета с перевесом в один голос. Успех ударил ему в голову. Именно в этот период он бродил ночами по городским улицам, вооруженный шпагой и музыкальными инструментами, и предавался азартным играм. Математическое понимание шансов на выигрыш давало ему заметное преимущество, и около 1564 г. Джироламо написал одну из первых книг о вероятностях, «Книгу об азартных играх», опубликованную только в 1663 г. Помогало и умение играть в шахматы – на деньги. Но, пустившись в разгул, он потерял и свою удачу, и наследство.

Тем не менее Джироламо упрямо гнул свою линию. Обладая теперь медицинским дипломом, он попытался вступить в Миланскую коллегию врачей – верный путь к выгодной профессии и благополучной жизни. На этот раз привычка откровенно высказывать свое мнение подвела его, и Кардано отказали в приеме, поэтому он стал врачом в деревне под Миланом. Средств, которые приносило это место, едва хватало на жизнь, и Джироламо женился на дочери капитана местной милиции Лючии Бандарини. Вновь отвергнутый колледжем, он вернулся к привычным занятиям – и опять промотал состояние. После того как Джироламо продал все свои пожитки, включая и драгоценности Лючии, оба они оказались в богадельне. «Я разорился! Я погиб!» – писал Джироламо. У них с Лючией родился ребенок, имевший от рождения несколько небольших дефектов, но не считавшийся по тем временам ущербным. К этому времени Фацио уже умер, и Джироламо был назначен его преемником; дела наконец-то пошли в гору. В 1539 г. даже Колледж врачей перестал противиться его вступлению. Кроме того, он придумал для себя новый способ заработка, опубликовав несколько математических книг. Одна из этих книг навсегда обеспечила ему место в рядах первопроходцев математики.

Большинство областей математики появились на свет в результате сложных и путаных исторических процессов, в которых невозможно обнаружить никакого определенного направления, – именно потому, что направление как таковое возникает тогда, когда фрагментарные идеи начинают связываться в единую логическую цепочку. Джунгли расширяются по мере того, как вы их исследуете. Не многие черты алгебры берут начало от древних греков, у которых не было эффективной нотации, то есть системы записи, даже для натуральных чисел. Придумав сокращенную форму записи для неизвестных величин, Диофант дал протоалгебре мощный толчок, но сам он был сосредоточен исключительно на решении уравнений в натуральных числах, что вело скорее к развитию теории чисел. Греческие и персидские геометры решали задачи, которые мы сегодня считаем алгебраическими, чисто геометрическими средствами. Аль-Хорезми формализовал алгебраические процессы, но не догадался ввести символьные обозначения.

Задолго до всего вышеописанного вавилоняне уже открыли первый по-настоящему важный метод алгебры – метод решения квадратных уравнений. Вопросы такого рода, как мы понимаем сегодня, открывают дорогу алгебре в той форме, какую она приобрела к XIX в., – а это основная часть того, что изучается в школьной математике. А именно определение значения (или короткого списка возможных значений) неизвестной величины из некоторого численного отношения между этой величиной и ее степенями – квадратом, кубом и т. д. То есть решение полиномиального уравнения.

Если максимальная степень неизвестного в уравнении равна двум, уравнение называется квадратным. Писцы-математики Древнего Вавилона знали, как решать подобные примеры, и учили этому школьников. В качестве доказательства у нас имеются глиняные таблички с загадочными клиновидными буквами. Самое сложное здесь – извлечь квадратный корень из нужной величины.

Сегодня, задним числом, следующий шаг представляется очевидным: кубические уравнения, в которых наряду с квадратом неизвестной величины и с ней самой фигурирует также ее куб. Одна вавилонская табличка вроде бы намекает на особый метод решения кубических уравнений, но это все, что мы знаем об открытиях вавилонян в данной области. Греческие и персидские геометрические методы с этим справлялись; самое подробное рассмотрение такой задачи принадлежит Омару Хайяму, знаменитому больше своими стихами, особенно четверостишиями рубаи. Чисто алгебраическое решение представлялось недостижимым.

Все изменилось в бурные дни Итальянского возрождения.

Около 1515 г. профессор из Болоньи Сципион дель Ферро открыл метод решения некоторых типов кубических уравнений. Классификация уравнений по типам возникла потому, что отрицательные числа тогда еще не признавались, так что уравнения должны были иметь с обеих сторон только положительные слагаемые. Дель Ферро оставил для своего зятя Аннибала дель Наве кое-какие записи, из которых явствует, что он умел решать уравнения вида «куб плюс неизвестное равно числу». По всей видимости, он умел решать и два других типа, которые вместе с первым по существу перекрывают после некоторой предварительной подготовки все возможные варианты. В его методе решения задействовались как квадратные, так и кубические корни.

Наряду с дель Наве метод решения для уравнений вышеупомянутого типа был известен ученику дель Ферро – Антонио Фиору. Независимо от других решение для этого же случая нашел и Никколо Фонтана (больше известный по политически некорректному нынче прозвищу Тарталья[11] – Заика). У Фиора, который намеревался начать собственное дело как преподаватель математики, возникла прекрасная идея: вызвать Тарталью на публичное состязание, где каждый должен будет решать математические задачи, предложенные соперником. Подобные интеллектуальные сражения были обычны в то время. Но прекрасная задумка вышла Фиору боком: Тарталья, испугавшись слухов о том, что решены уже три типа уравнений и Фиору известны методы их решения, напряг все силы и нашел решения как раз к назначенной дате состязания. Обнаружив по ходу дела, что Фиор умеет решать только один тип уравнений, Тарталья начал предлагать ему только те задачи, которые тот не умел решать, и в результате разбил соперника наголову.

Колоритная новость о разгроме разлетелась быстро и достигла ушей Кардано, который прилежно собирал материалы для своей книги Ars Magna. Он тогда отслеживал любые интересные новости о математике, которые могли бы улучшить будущую книгу, и сразу же понял, что наткнулся на золотую жилу. Более ранняя работа дель Ферро к тому моменту была уже почти забыта, так что Кардано навестил Тарталью, умоляя поделиться с ним секретом кубических уравнений. Тарталья не устоял перед его напором. По легенде, он взял с Кардано клятву хранить его решение в тайне, но, строго говоря, это представляется маловероятным, ведь Кардано собирался написать книгу по алгебре. Во всяком случае, когда книга вышла, в ней было и решение кубических уравнений, принадлежавшее Тарталье. Со ссылкой на его авторство, но это было слабым утешением для того, кого обошли в гонке. Разгневанный Тарталья ответил обидчику сочинением «Различные вопросы и изобретения» (Quesiti et invenzioni diverse), в которое включил все свои переговоры с Кардано. Он утверждал, что в 1539 г. Кардано торжественно поклялся «никогда не публиковать» его открытия. Теперь же клятва была нарушена.

Как легко можно предположить, подлинная история была, вероятно, куда более запутанной. Некоторое время спустя Лодовико Феррари, ставший позже учеником Кардано, заявил, что присутствовал на той памятной встрече и Кардано не давал согласия хранить метод Тартальи в секрете. С другой стороны, Феррари вряд ли можно считать беспристрастным наблюдателем. В ответ на заявление Тартальи о нарушенной клятве он выпустил так называемый cartello – вызов к Тарталье, приглашавший того к дебатам на любую избранную им тему. В августе 1548 г. в церкви, где должен был состояться диспут, собралась большая толпа зрителей. Сомневаюсь, что всех привлекла туда математика; сомневаюсь даже, что многие из зрителей в ней сколько-нибудь разбирались. Большинство привлекла туда жажда старого доброго зрелища, а то и скандала. Хотя никаких сведений о результате состязания до нас не дошло, Феррари вскоре был предложен пост наставника при сыне императора. Напротив, Тарталья никогда не говорил о своей победе; мало того, он потерял работу в Брешии и долго еще жаловался и ныл по поводу результата поединка. Так что мы можем сделать обоснованное предположение.

Ирония ситуации заключается в том, что весь этот спор не имел в общем-то никакого смысла. В ходе подготовки Ars Magna Кардано и Феррари видели болонские бумаги дель Ферро, содержавшие полученное им ранее решение кубических уравнений. Именно это решение, утверждали они, и является подлинным источником метода. Работу Тартальи Кардано упомянул только для того, чтобы объяснить, откуда он узнал о трудах дель Ферро. Вот и все.

Возможно, и так. Но тогда зачем Кардано умолял Тарталью раскрыть ему секрет решения, если уже знал его из более раннего источника? Может, и не умолял. В этом смысле у нас есть только слово самого Тартальи. С другой стороны, что-то же сдерживало Кардано некоторое время, поскольку само по себе решение кубических уравнений ему не было нужно. Феррари под руководством Кардано удалось пройти в этом вопросе на шаг дальше и решить уравнение четвертой степени (содержащее четвертую степень неизвестного, а также более низкие его степени). Но – и это принципиально – его решение работало через сведение всего к соответствующему кубическому уравнению. Так что Кардано не мог открыть миру метод решения уравнений четвертой степени, не рассказав заодно, как решать кубические уравнения.

Возможно, все обстояло именно так, как утверждали Кардано и Феррари. Победа Тартальи над Фиором привлекла внимание Кардано к кубическим уравнениям и дала понять, что решение таких уравнений существует. Затем активные поиски привели его к рукописи дель Ферро, в которой он нашел метод, нужный ему для книги. Вдохновленный открытием, Феррари одолел уравнения четвертой степени. Кардано поместил все это в свою книгу. Феррари, как его ученик, едва ли мог жаловаться на то, что его результаты были туда включены; судя по всему, он даже гордился этим. Из уважения к Тарталье Кардано сослался на него в книге и отдал ему должное за независимое открытие метода и привлечение к нему его, Кардано, внимания.

Книга «Великое искусство» важна еще по одной причине. Кардано применил свои алгебраические методы для нахождения двух чисел, сумма которых равна 10, а произведение 40, и получил ответ: Поскольку квадратные корни из отрицательных чисел не извлекаются, он заявил, что этот результат «столь же изящен, сколь бесполезен». Формула для кубических уравнений тоже может давать подобные промежуточные результаты, когда все три решения действительны, и в 1572 г. Рафаэль Бомбелли заметил, что если не обращать внимания на то, что могут означать подобные выражения, и просто просчитать все по формуле, то можно получить верные действительные решения. Со временем это направление мысли привело к созданию системы комплексных чисел, в которой –1 имеет квадратный корень. Без такого расширения системы действительных чисел сегодняшние математика, физика и инженерное дело были бы невозможны.

В 1540-е гг. Кардано вернулся к медицинской практике. Затем (как я уже говорил, его жизнь сплошная мыльная опера и бульварные газеты) разразилась трагедия. Его старший сын Джамбатиста в свое время тайно женился на Брандонии ди Серони – никчемной и бесстыдной, по мнению Кардано-старшего, женщине. Она публично заявляла, что вышла за Джамбатисту только по расчету и что не он отец ее троих детей. Он отравил жену и сразу же сознался в этом. Судья заявил, что единственный способ для Джамбатисты избежать смертной казни – это договориться с семейством ди Серони о материальной компенсации. Кардано-старший попытался это сделать, но запрошенная сумма оказалась настолько огромной, что он не смог заплатить; по приговору суда его сына пытали, затем отрубили ему левую руку и обезглавили.

Кардано – тертый калач, многое повидавший, – вынужден был переехать в другой город; он стал профессором медицины в Болонье. Из-за своего высокомерия Кардано рассорился с коллегами-медиками, и они попытались добиться его удаления из университета. Его младший сын Альдо стал игроком, залез в огромные долги, а затем проник в дом отца и украл у него деньги и драгоценности. Кардано счел себя обязанным сообщить о краже властям, в результате чего Альдо был изгнан из Болоньи. Тем не менее Кардано оставался оптимистом и писал, что, несмотря на эти трагические события, ему «досталось так много милостей, что, выпади они на долю другого человека, тот счел бы себя счастливым». Но у судьбы для Кардано были припасены уже новые катастрофы, и причиной их стали его занятия астрологией. В 1570 г. он составил гороскоп Иисуса Христа. Кроме того, он написал книгу, в которой хвалил Нерона, организовывавшего гонения на первых христиан. Такая комбинация привела к обвинению в ереси, что неудивительно. Кардано был заключен в тюрьму, затем освобожден, но при этом ему было запрещено занимать какой бы то ни было академический пост.

Он отправился в Рим, где, к своему немалому удивлению, встретил теплый прием. Папа Григорий XIII, судя по всему, даровал ему прощение – и пенсию. Кардано был принят в Римскую коллегию врачей и написал – хотя и не опубликовал – автобиографию. В конце концов она была напечатана более чем через 60 лет после его смерти. Согласно легенде, он умер от собственной руки, поскольку предсказал дату своей смерти и профессиональная гордость требовала, чтобы предсказание сбылось.

Мало кому из математиков удается сформулировать задачу, которая несколько столетий остается без решения и при этом оказывается чрезвычайно важной для областей математики, вообще не существовавших на момент ее постановки. Пьер Ферма (частица «де» была добавлена позже, когда он стал правительственным чиновником), возможно, самый известный член этого благородного собрания. Но он, строго говоря, не был математиком: Ферма получил юридическое образование и стал советником парламента в Тулузе. С другой стороны, было бы явной натяжкой назвать его математиком-любителем. Возможно, правильнее всего считать Ферма неоплачиваемым профессионалом, зарабатывавшим на жизнь юридической практикой.

Ферма почти не публиковался, возможно, потому, что нематематические обязанности практически не оставляли ему времени для подробной записи своих открытий. То, что о них известно, мы черпаем в основном из его писем к математикам и философам, таким как Пьер де Каркави, Рене Декарт, Марен Мерсенн и Блез Паскаль. Ферма знал, что такое доказательство; кстати сказать, единственное неверное утверждение в сохранившихся его бумагах (формула, которая, как он считал, всегда выдает простое число) сопровождается замечанием о том, что доказательства у него нет. Из его доказательств почти ничего не сохранилось; самое существенное из дошедшего до нас – доказательство того, что сумма двух квадратов не может быть четвертой степенью, выполненное новаторским методом, который он назвал «методом бесконечного спуска».

Ферма недаром заслужил математическую славу. Он многого добился в геометрии, разработал дифференциальные методы, ставшие предвестниками дифференциального исчисления, работал над теорией вероятностей и математикой в области физики света. Однако главным его достижением стала основополагающая работа по теории чисел. Именно в ней он изложил гипотезу, прославившую его, в том числе и среди обычной публики – отчасти благодаря документальному телефильму и книге-бестселлеру. А именно свою простую, но таинственную Великую или Последнюю (как она известна на Западе) теорему. «Последняя» – не потому, что он прохрипел ее на смертном одре, но потому, что последователи Ферма сумели в течение почти 100 лет после его кончины доказать (или опровергнуть в одном случае) все сформулированные им теоремы за одним-единственным исключением. Эта задачка последней держала оборону, ставя в тупик лучшие умы.

Среди ученых, интересовавшихся этой теоремой, был и Гаусс – один из лучших математиков в истории. Почти через 200 лет после того, как Ферма оставил на полях книги свое знаменитое замечание, Гаусс отмахнулся от Великой теоремы Ферма, объявив ее типичным представителем громадного множества утверждений о числах, которые легко угадать, но практически невозможно доказать или опровергнуть. Вообще-то во всем, что касалось математики, Гаусс обладал безупречным вкусом, эта же оценка оказалась примером редкой для него недооценки математического значения. В защиту Гаусса можно сказать, что первые три с четвертью столетия после того, как Ферма сформулировал теорему, большинство математиков придерживалось того же мнения. Ее важность выявилась лишь позже, когда были обнаружены тонкие связи этого утверждения с центральными областями математики.

Сегодня Бомон-де-Ломань – французская коммуна (административный район) в области Центральные Пиренеи на юге Франции. Этот городок был основан в 1276 г. как бастида – один из целой серии укрепленных средневековых городков в этом районе – и имел бурную историю. В период Столетней войны Бомон-де-Ломань был на время захвачен англичанами, а затем потерял 500 жителей в результате чумы. Этот католический город зажат с трех сторон протестантскими городами. Генрих III продал его будущему Генриху IV, который взял город в 1580 г.; в результате устроенной победителями резни в нем погибло около сотни жителей. Людовик XIII в начале XVII в. осадил Бомон-де-Ломань: город принял участие в бунте против короля, в результате чего в 1651 г. был подвергнут военной оккупации и обложен крупным штрафом. Затем в нем вновь разразилась чума.

Среди всех этих бурных событий незаметным прошло рождение самого знаменитого жителя этого города – Пьера Ферма, сына богатого торговца кожей Доминика и его жены Клэр (урожденной де Лонг), происходившей из семьи адвокатов. Есть некоторые сомнения относительно года его рождения (это может быть 1601 или 1607 г.), поскольку у него, возможно, был старший брат, тоже Пьер, который умер молодым. Его отец, помимо всего прочего, был вторым консулом Бомон-де-Ломани – можно сказать, что Ферма родился в весьма политизированной семье. Положение отца практически гарантирует, что Ферма вырос в родном городе, а если это так, то образование он должен был получить в местном францисканском монастыре. Поучившись некоторое время в Университете Тулузы, он отправился в Бордо, где и расцвели его математические способности. Для начала Ферма предложил не слишком уверенную реставрацию трактата On Plane Loci – утраченной работы греческого геометра Аполлония; затем, предвосхищая кое-какие ранние достижения в анализе, написал о поиске максимумов и минимумов. Его юридическая карьера с дипломом Университета Орлеана также была достаточно успешной. В 1631 г. он приобрел для себя пост советника при парламенте Тулузы, позволивший ему прибавить частицу «де» к фамилии. Ферма занимал эту должность в качестве юриста всю оставшуюся жизнь; жил при этом в Тулузе, но работал время от времени в Бомон-де-Ломани и Кастре. Первоначально он был прикреплен к нижней палате парламента, но в 1638 г. был переведен в верхнюю палату, а затем, в 1652 г., поднялся на самую вершину уголовного суда. Отчасти благодаря чуме, унесшей в 1650-е гг. многих старших чиновников, Пьер продолжал подъем по служебной лестнице. В 1653 г. промелькнуло сообщение о том, что Ферма умер от чумы, но (как и в случае Марка Твена) слухи эти оказались несколько преувеличенными. Судя по всему, Ферма, как говорится, откусывал больше, чем мог проглотить; интерес к математике сильно отвлекал его от юридических обязанностей. В одном из документов написано: «Он сильно занят, он не докладывает суду дела как следует и все время путается».

Его «Введение в изучение плоских и пространственных мест» 1629 г. стало новаторским; в нем впервые использовались координаты, позволившие связать геометрию и алгебру. Обычно эту идею приписывают Декарту и его эссе «Геометрия» 1637 г. (приложение к «Рассуждению о методе»), но на самом деле намеки на нее можно найти в гораздо более ранних произведениях, вплоть до древнегреческих. Смысл идеи заключается в использовании двух координатных осей для представления любой точки на плоскости посредством единственной пары чисел (x, y). Сегодня этот метод настолько привычен, что едва ли требует особого обсуждения.

В рассуждении «О касательных к кривым» 1679 г. Ферма находил касательные к различным кривым, то есть занимался геометрической версией дифференциального исчисления. Его метод нахождения максимума и минимума был еще одним предвестником математического анализа. В оптике он сформулировал принцип наименьшего времени: световой луч следует по тому пути, который минимизирует общее время движения. Это был один из первых шагов к вариационному исчислению – области анализа, которая занимается поиском кривых или поверхностей, минимизирующих или максимизирующих некоторую величину. К примеру, какая замкнутая поверхность фиксированного объема имеет наименьшую площадь поверхности? Ответ – сфера; именно поэтому мыльные пузыри имеют сферическую форму, ведь энергия поверхностного натяжения пропорциональна площади поверхности, а пузырь принимает форму, соответствующую минимальной энергии.

В аналогичном ключе Ферма полемизировал с Декартом по поводу закона преломления световых лучей. Декарт, раздраженный, вероятно, тем, что лавры за геометрические координаты достались оппоненту, хотя сам он считал координаты своим изобретением, отозвался критикой в адрес работы Ферма о максимумах, минимумах и касательных. Диспут получился настолько жарким, что в него в качестве арбитра оказался втянут инженер и геометр-новатор Жерар Дезарг. Когда он объявил, что прав Ферма, Декарт неохотно признал: «Если бы вы объяснили это таким образом с самого начала, я бы и возражать не стал».

Величайшее наследие Ферма относится к теории чисел. В его письмах можно найти множество вызовов для математиков. Среди них предложение доказать, что сумма двух полных кубов не может быть полным кубом; решить уравнение, получившее неудачное название «уравнение Пелля», nx² + 1 = y², где n – заданное натуральное число, а найти нужно натуральные числа x и y. Леонард Эйлер ошибочно приписал решение, найденное лордом Брукнером, Джону Пеллю. На самом же деле метод его решения содержится еще в трактате «Брахма-спхута-сиддханта» – «Усовершенствованное учение Брахмы» Брахмагупты, – относящемся к 628 г.

Одна из важнейших и красивейших теорем Ферма говорит о числах, которые можно выразить в виде суммы двух полных квадратов. Альберт Жерар впервые сформулировал утверждение по этой теме в работе, опубликованной посмертно в 1634 г. Ферма первым заявил, что нашел доказательство, написав об этом в письме к Мерсенну в 1640 г. Главное – решить эту задачу для простых чисел. Ответ зависит от типа простого числа в следующем смысле. Единственное четное простое число – 2. Нечетные числа представляют собой либо кратные 4 с добавлением единички, либо кратные 4 с добавлением 3 (то есть имеют вид 4k + 1 или 4k + 3). То же, разумеется, относится и к нечетным простым числам. Ферма доказал, что 2 и все простые числа вида 4k + 1 представляют собой суммы двух квадратов; с другой стороны, простые числа вида 4k + 3 не выражаются через сумму двух квадратов.

Если немного поэкспериментировать, об этом несложно догадаться. К примеру, 13 = 4 + 9 = 2² + 3², и 13 = 4 × 3 + 1. С другой стороны, 7 = 4 × 1 +3 и ясно, что сумма двух квадратов не может равняться 7. Однако доказать теорему Ферма о двух квадратах очень трудно. Простейшая часть – показать, что простые числа вида 4k + 3 не являются суммой двух квадратов; я покажу вам, как это сделать, в главе 10 при помощи фокуса, который Гаусс придумал для систематизации базового метода теории чисел. Показать, что простые числа вида 4k + 1 выражаются в виде суммы двух квадратов, намного сложнее. Доказательство Ферма до нас не дошло, но известны доказательства, сделанные с использованием доступных ему методов. Первое известное нам доказательство дал Эйлер; он объявил о нем в 1747 г., а опубликовал в двух статьях в 1752 и 1755 гг.

Общий вывод таков: натуральное число представляет собой сумму двух квадратов в том, и только том случае, если все простые множители вида 4k + 3 появляются в нем в четных степенях при разложении числа на простые множители. К примеру, 245 = 5 × 7². Множитель 7 имеет вид 4k + 3, но появляется при разложении дважды, то есть входит в число в четной степени; следовательно, 245 представляется в виде суммы двух квадратов. В самом деле, 245 = 14² + 7². Наоборот, 35 = 5 × 7, и множитель 7 появляется здесь лишь однажды, так что 35 не выражается в виде суммы двух квадратов. Этот результат может показаться случайной, ни с чем не связанной диковинкой, но именно от него взяли начало несколько линий исследований, приведшие в конечном итоге к созданию масштабной теории квадратичных форм Гаусса (глава 10). В наше время эту линию рассуждений провели намного дальше. Родственная теорема, доказанная Лагранжем, утверждает, что любое натуральное число представляет собой сумму четырех квадратов (квадрат 0 = 0² разрешен). Это утверждение тоже имеет важные и обширные следствия.

История Великой теоремы Ферма рассказана многократно и рассказывается по сей день, но я не стану извиняться за то, что расскажу ее еще раз. Это замечательная история. То, что слава Ферма зиждется на теореме, которую он почти наверняка не доказал, можно назвать иронией судьбы. Он заявил, что нашел доказательство, и сегодня мы знаем, что теорема действительно верна, но вердикт истории состоит в том, что методами, доступными ему в то время, доказать ее невозможно. Его утверждение о том, что доказательство найдено, существовало лишь в виде рукописного замечания на полях книги, которая к тому же не уцелела и до нас не дошла; вполне возможно, что оно было сделано преждевременно. В математических исследованиях нередко случается, что, проснувшись поутру, человек уверен, что доказал во сне что-то важное, но к полудню, когда автор находит ошибку, это доказательство испаряется.

Книга, о которой идет речь, – французский перевод «Арифметики» Диофанта, первой значительной работы по теории чисел, если не считать «Начал» Евклида, где изложены многие базовые свойства простых чисел и решены некоторые важные уравнения. В любом случае «Арифметика» – первый специализированный труд на эту тему. Не забывайте, что именно эта книга ввела в математику технический термин «диофантово уравнение» для обозначения полиномиального уравнения, которое следует решать в натуральных или рациональных числах. Диофант составил систематический каталог таких уравнений, и один из центральных образцов его коллекции – уравнение x² + y² = z² для пифагоровых троек, называемых так потому, что треугольник со сторонами x, y и z, по теореме Пифагора, будет прямоугольным. Простейшее решение этого уравнения в ненулевых целых числах – это 3² + 4² = 5², знаменитый треугольник со сторонами 3–4–5. Вообще, решений бесконечное множество: Евклид привел процедуру, позволяющую найти их все; Диофант включил этот метод в свою книгу.

У Ферма имелся экземпляр перевода «Арифметики» на латинский язык, сделанного Клодом Баше де Мезирьяком в 1621 г., и свои замечания к тексту он записывал на полях. По словам сына Ферма Самюэля, Великая теорема была сформулирована как замечание к Вопросу VIII Книги II у Диофанта. Мы знаем об этом потому, что Самюэль издал собственный вариант «Арифметики», включив туда и примечания отца. Даты, когда делались примечания, неизвестны, но известно, что Ферма начал изучать «Арифметику» около 1630 г. Часто приводится дата 1637 г., но это лишь интуитивная оценка. Предполагается, что именно после размышлений о потенциальных обобщениях Пифагоровых треугольников Ферма и написал свою знаменитую маргиналию:

То есть диофантово уравнение xⁿ + yⁿ = zⁿ не имеет целых решений, если n – целое число, большее или равное трем.

Имеются косвенные свидетельства того, что со временем Ферма отказался от мысли о том, что владеет доказательством. Он имел обыкновение включать свои теоремы в письма в качестве головоломок, которые другим математикам предлагалось решить (и по крайней мере один из них жаловался на чрезмерную сложность заданий). Однако ни в одном из сохранившихся его писем не упоминается эта теорема. Что еще более показательно, Ферма предложил в качестве задач своим корреспондентам два ее частных случая, с кубами и четвертыми степенями. Зачем бы он стал это делать, если бы мог доказать более общий вариант? Он наверняка мог доказать теорему для случая с кубами, и мы знаем, как он доказывал ее для четвертых степеней. Мало того, это доказательство – единственное во всех оставленных им работах и бумагах. В формулировке Ферма это утверждение выглядело так: «Площадь прямоугольного треугольника не может быть квадратом». Очевидно, по замыслу автора эта формулировка должна была вызывать в памяти Пифагоровы тройки. Из Евклидова алгоритма решения диофантовых уравнений легко следует, что эта задача эквивалентна нахождению двух квадратов, дающих в сумме четвертую степень. Если бы решение уравнения x⁴ + y⁴ = z⁴ с показателем степени 4 существовало, то и x⁴, и y⁴ были бы квадратами (x² и y² соответственно); тогда из утверждения Ферма следует, что такого решения не существует.

Его доказательство было изящно и сделано по тем временам радикально новым методом, который сам он назвал методом бесконечного спуска. Предположим, что решение существует; тогда, применив алгоритм Евклида и немного повозившись, можно прийти к выводу, что существует и еще одно, меньшее решение. Следовательно, говорит Ферма, можно построить бесконечную цепочку решений, которые с каждым шагом будут становиться все меньше и меньше. Поскольку любая нисходящая цепочка такого рода, составленная из положительных целых чисел, в конце концов должна будет закончиться, возникает логическое противоречие. Значит, гипотетическое решение, с предположения о существовании которого мы начали свои рассуждения, не может существовать в действительности.

Возможно, Ферма намеренно скрывал свои доказательства. Судя по всему, он любил пошутить и ему нравилось помучить собратьев-математиков, представляя им свои изыскания в виде загадок. Его замечание на полях не единственное, в котором объявлялся некий важный результат, а затем следовали извинения за отсутствие доказательств. Декарт считал Ферма фанфароном, а Валлис называл его не иначе как «этот проклятый француз». Как бы то ни было, его тактика – если так и было задумано – работала. После смерти Ферма – да и при его жизни тоже – великие математики считали своим долгом довести до ума и отшлифовать какую-нибудь из головоломок, которые Ферма оставил потомкам. Эйлер, к примеру, объявил, что нашел доказательство теоремы для третьих степеней (сумма двух кубов не может быть кубом) в 1753 г. в письме к своему другу Христиану Гольдбаху. Сегодня мы понимаем, что в его доказательстве имелся пробел, но заполнить его было относительно несложно, так что первое опубликованное доказательство этого случая обычно признают за Эйлером. Адриан-Мари Лежандр доказал Великую теорему для пятых степеней в 1825 г., а Петер Дирихле доказал ее для 14-х степеней в 1832 г. и попытался – неудачно – доказать для седьмых; этот результат, вероятно, можно было бы спасти, если бы автор нацелился на что-нибудь попроще. Габриель Ламе разобрался с седьмыми степенями в 1839 г., а в 1847 г. изложил основные идеи общего доказательства в Парижской академии наук. В его доказательстве был задействован аналог разложения на простые множители для особого типа комплексных чисел.

Сразу же после его выступления встал Жозеф Лиувиль, который указал на возможную ошибку в методе Ламе. Для обычных чисел разложение на простые множители всегда единственно: если оставить в стороне порядок записи множителей, то сделать это можно только одним способом. К примеру, число 60 раскладывается на простые множители как 2² × 3 × 5, и существенно этот набор изменить нельзя. Лиувиль опасался, что для предложенного Ламе класса комплексных чисел факторизация может оказаться не единственной. Со временем его опасения оправдались: впервые это свойство нарушается для 23-х степеней.

Эрнст Куммер сумел спасти эту идею, добавив в смесь новые ингредиенты, которые он назвал «идеальными числами». Эти штуки ведут себя как числа, но числами при этом не являются. При помощи идеальных чисел он доказал Великую теорему Ферма для многих степеней, включая все простые степени до 100, за исключением 37, 59 и 67. К 1993 г. было известно, что Великая теорема Ферма верна для всех степеней вплоть до 4 млн, но это все более отчаянное карабканье вверх не проливало никакого света на общий случай. Новые идеи начали появляться в 1955 г. в связи с работами Ютаки Таниямы, который занимался исследованиями в другой области теории чисел, никак на первый взгляд не связанной с нашей темой, – в области эллиптических кривых. (Название обманчиво, и эллипс тут ни при чем. Эллиптическая кривая – особый тип диофантова уравнения.) Танияма предположил очень интересную связь между этими кривыми и комплексным анализом – теорию модулярных функций. На протяжении многих лет почти никто не верил в его правоту, но постепенно накопилось достаточно свидетельств того, что гипотеза, получившая известность как гипотеза Симуры – Таниямы – Вейля, может оказаться верной.

В 1975 г. Ив Эллегуар обратил внимание на связь между Великой теоремой Ферма и эллиптическими кривыми и предположил, что любой контрпример к этой теореме означал бы существование эллиптической кривой с очень странными свойствами. В двух статьях, опубликованных в 1982 и 1986 гг., Герхард Фрей показал, что эта кривая должна быть настолько странной, что существовать не может в принципе. Из этого утверждения непосредственно следовала бы (от противного) Великая теорема Ферма, если бы Фрей не использовал в своем доказательстве гипотезу Симуры – Таниямы – Вейля, которая сама пока оставалась недоказанной. Однако все эти события убедили многих специалистов по теории чисел в том, что Эллегуар и Фрей стоят на верном пути. Жан-Пьер Серр предсказал, что Великая теорема Ферма будет доказана именно этим способом примерно за десятилетие до того, как это произошло в действительности.

Итоговый шаг сделал Эндрю Уайлс в 1993 г., объявив, что ему удалось доказать особый случай гипотезы Симуры – Таниямы – Вейля, достаточно сильный, чтобы завершить доказательство Великой теоремы Ферма. К несчастью, вскоре в его доказательстве выявился логический пробел, что часто служит прелюдией к полному коллапсу. Уайлсу повезло. Воспользовавшись помощью своего бывшего студента Ричарда Тейлора, он сумел в 1995 г. заполнить этот пробел. Доказательство стало полным.

До сих пор спорят, было ли у Ферма доказательство этой теоремы. Как я уже сказал, косвенные свидетельства уверенно говорят, что не было, поскольку в противном случае он наверняка предложил бы другим математикам найти его. Скорее всего, записывая это утверждение на полях книги, он считал, что имеет доказательство, но позже переменил свое мнение. В том маловероятном случае, если доказательство у него действительно было, оно не могло иметь ничего общего с доказательством Уайлса. Во времена Ферма попросту не было ни необходимых концепций, ни столь же необходимых абстрактных представлений. Это как ждать от Ньютона изобретения ядерного оружия. Тем не менее нельзя исключить, что Ферма нашел все же некий подход, который больше никто не заметил. Такие вещи случаются. Однако никто не сможет отыскать это доказательство, не обладая математическими талантами Пьера де Ферма, а это, поверьте, высокая планка.

В 1696 г. Королевский монетный двор, обеспечивавший чеканку английских денег, обрел нового директора, Исаака Ньютона. На эту должность его назначил Чарльз Монтегю, эрл Галифакса, бывший в то время канцлером казначейства – по существу, министром финансов. Ньютон должен был возглавить перечеканку всей монеты в королевстве. В то время британская денежная система была в отвратительном состоянии. По оценке Ньютона, около 20 % монет, находившихся в обращении, были либо поддельными, либо обрезанными (то есть по краям у них были срезаны кусочки золота или серебра, которые после переплавки продавались). В принципе, и подделка монет, и их обрезка считались актами государственной измены и по закону наказывались мучительной казнью, когда преступника сначала вешали, а затем, не дав ему умереть, вынимали из петли и четвертовали. На практике судили, а тем более наказывали за эти преступления чрезвычайно редко.

Как лукасовский профессор математики в Кембриджском университете новый директор монетного двора был ученым не от мира сего, посвятившим большую часть жизни сложным вопросам математики, физики и алхимии. Кроме того, он писал религиозные трактаты об интерпретации Библии и относил Сотворение мира к 4000 г. до н. э. Если говорить о государственной службе, то его послужной список был весьма пестрым. Он заседал в парламенте от Кембриджского университета в 1689–1690 гг., и в будущем ему предстояло заседать там еще в 1701–1702 гг., но утверждается, что единственным его вкладом в дебаты было замечание о том, что в палате холодно, и просьба закрыть окна. Поэтому нетрудно было предположить, что, получив эту должность от своего политического покровителя в качестве синекуры, Ньютон станет легкой мишенью для манипуляций.

Уже через несколько лет 28 осужденных фальшивомонетчиков могли засвидетельствовать, что дело обстоит совсем не так. То, как Ньютон занялся поиском доказательств, сделало бы честь Шерлоку Холмсу. Он маскировался под завсегдатая низкопробных таверн и пивных, где шпионил за посетителями и наблюдал за их криминальной деятельностью. Осознав, что одним из серьезнейших препятствий к успешному осуждению преступников является невразумительный характер британского законодательства, Ньютон обратился к древним обычаям страны и юридическим прецедентам. Система мировых судей всегда обладала в Англии значительным авторитетом; мировые судьи могли открывать дела, допрашивать свидетелей и, по существу, выступать в роли единоличного высшего судии. Поэтому Ньютон добился назначения себя мировым судьей во всех графствах окрест Лондона. За полтора года, начиная с лета 1698 г., он допросил более сотни свидетелей, подозреваемых и информаторов, обеспечив таким образом уже упоминавшиеся 28 обвинительных приговоров.

Кстати говоря, мы знаем это потому, что Ньютон оставил черновик письма, в котором об этом рассказывалось, в собственном экземпляре своих знаменитых «Начал», в которых он, по существу, заложил основы математической физики, сформулировав законы движения и закон всемирного тяготения, а также показав, как эти законы объясняют широкий спектр природных явлений.

Эта история наглядно иллюстрирует факт, что, когда Ньютон направлял усилия своего разума на какую-то проблему, он, как правило, добивался очень многого, хотя ни в алхимии, ни, вероятно, в библейских исследованиях ему не удалось добиться серьезных успехов. Тем не менее он стал главой монетного двора, президентом Королевского общества, а королева Анна в 1705 г. посвятила его в рыцари. Однако наибольший вклад в копилку человечества Ньютон внес в математике и физике. Он придумал дифференциальное исчисление и использовал его для записи фундаментальных законов природы, из которых вывел – как гласит подзаголовок третьей книги «Начал» – Систему мира. Устройство Вселенной.

Его собственное начало, однако, было куда более скромным.

Ньютон родился в 1642 г. на Рождество. По крайней мере так выглядела при жизни Ньютона дата его рождения. Но определялась она тогда по юлианскому календарю; когда же его сменил григорианский, известный своими «потерянными днями», официальной датой рождения Ньютона стало 4 января 1643 г. Ребенком он жил на ферме Вулсторп Мэнор в крохотной деревеньке Вулсторп-при-Колстерворте в графстве Линкольншир, неподалеку от Грэнтема.

Отец Ньютона, тоже Исаак, умер за два месяца до рождения сына. Ньютоны были солидным фермерским семейством; Исаак Ньютон-старший был довольно состоятелен, владел большой фермой, домом и многочисленным стадом. После его смерти управлять фермой стала мать Исаака-младшего Анна (урожденная Эйскоу). Когда Исааку было два года, она вышла замуж за Барнабаса Смита, пастора церкви в соседнем селении Норт-Уитем. Мальчик же остался в Вулсторпе на попечении бабушки Марджери Эйскоу. Его детство не было счастливым; отношения Исаака с дедом Джеймсом Эйскоу не складывались. Отношения с матерью и отчимом были еще хуже: на исповеди в возрасте 19 лет он упомянул о том, что «грозился своему отцу и матери Смитам сжечь их вместе с домом».

Отчим умер в 1653 г. Чуть позже Исаак начал учиться в Свободной грамматической школе в Грэнтеме, где он жил в семье Кларков. Уильям Кларк был аптекарем, а дом его стоял на Хай-Стрит возле гостиницы Джорджа. Благодаря своим странным изобретениям и механическим устройствам, которые он любил мастерить, Ньютон приобрел известность среди жителей городка. Карманные деньги он тратил на инструменты, а вместо игр мастерил из дерева всякие интересные штучки – не только кукольные домики для девочек, но и работающую модель ветряной мельницы, к примеру. Было у него и механическое устройство, вращаемое мышью. Исаак сделал маленькую тележку, в которой можно было сидеть и передвигаться, вращая ручку. А еще он подвесил к воздушному змею бумажный фонарик, чтобы удивлять соседей по ночам. По словам биографа Ньютона Уильяма Стакли, это «некоторое время замечательно пугало всех окрестных обитателей и давало немало пищи для разговоров деревенских жителей за кружкой эля в базарные дни».

За прошедшее время историки отыскали источник, из которого Ньютон черпал идеи большинства своих изобретений, – книга «Тайны природы и искусства» Джона Бейта. В одной из записных книжек Ньютона можно найти множество выписок из этой книги. Его изобретения хотя и не оригинальны, наглядно иллюстрируют интерес мальчика к науке и технике. Кроме того, его буквально завораживали солнечные часы. Так, часы на церкви в Колстерворте приписывают ему, причем построил он их будто бы в девятилетнем возрасте, и в доме Кларков таких часов стараниями Ньютона было множество. Он вбивал в стены деревянные штырьки, отмечавшие не только часы, но и получасовые и четвертьчасовые интервалы. Ньютон научился распознавать по ним значимые моменты, такие как солнцестояния и равноденствия, да так успешно, что родственники и соседи нередко заходили взглянуть на то, что они называли «часами Исаака». Он мог определить время по теням в комнате. Кроме того, живя, по существу, в лавке аптекаря, он активно интересовался составом лекарств; после столь раннего знакомства с химией обширные алхимические интересы, которые Ньютон питал на протяжении всей жизни, не вызывают удивления. На стенах своей комнаты он рисовал углем весьма убедительные изображения птиц, животных, корабли и даже портреты.

Ньютон, очевидно, был умным молодым человеком, но особых признаков математического таланта не демонстрировал, и школьные отзывы характеризуют его как бездельника и невнимательного ученика. В этот момент мать забрала его из школы; она намеревалась подготовить Исаака к управлению фермой – обычное по тем временам занятие для старшего сына, но он проявил к этому еще меньше интереса, чем к школьным занятиям. Брат – дядя Исаака – убедил Анну в том, что мальчику следовало бы продолжить обучение в университете, в Кембридже, поэтому Исаака вновь отослали в Грэнтем заканчивать школу.

В 1661 г. Ньютон поступил в Кембридже в Тринити-колледж, где планировал получить ученую степень юриста. Курс обучения основывался на философии Аристотеля, однако на третьем курсе ему разрешили читать труды Декарта, философа и ученого Пьера Гассенди, философа Томаса Хоббса и физика Роберта Бойля. Он изучил работы Галилея и познакомился с теорией Коперника, согласно которой Земля обращается вокруг Солнца. Он прочел «Оптику» Кеплера. Как Ньютон познакомился с серьезной продвинутой математикой, вопрос более туманный. Как писал Абрахам де Муавр, все началось с того, что Ньютон купил на ярмарке книгу по астрологии и не смог разобраться в математических выкладках. Он попытался вникнуть в тригонометрию – и обнаружил, что не знает основ геометрии; он пошел и купил издание Евклида в переводе Исаака Барроу. Содержание книги казалось Ньютону тривиальным, пока он не добрался до теоремы о площади параллелограмма, которая произвела на него сильное впечатление. После этого он проглотил сразу несколько серьезных математических книг: «Ключ к математике» Уильяма Отреда, «Геометрию» Декарта, работы Франсуа Виета, «Геометрию Рене Декарта» Франса ван Шутена и «Алгебру» Джона Валлиса. Валлис использовал для вычисления площади, ограниченной параболой и гиперболой, неделимые, то есть бесконечно малые, величины. Ньютон обдумал это и написал: «Так делает Валлис, но можно делать и так…» Он уже начинал предлагать собственные доказательства и идеи, вдохновленный великими математиками, но не порабощенный ими. Методы Валлиса были интересны, но ни в коем случае не священны. Ньютон мог сделать лучше.

В 1663 г. Барроу занял лукасовскую кафедру и стал членом Тринити-колледжа, где учился Ньютон, но нет никаких свидетельств того, что он отметил какие-то особые таланты в этом молодом студенте. Талант Ньютона расцвел в 1665 г., когда студентов университета разослали по домам в связи с эпидемией чумы. В тишине и покое линкольнширской деревни Ньютон, не отвлекаемый городской суетой, обратил все внимание на физику и математику. За 1665 и 1666 гг. он разработал свой Закон всемирного тяготения, объяснявший движение Луны и планет, вывел законы движения, которые описывали движущиеся тела, изобрел математический анализ и совершил несколько значительных открытий в оптике. Публиковать все это он не стал, а просто вернулся в Кембридж, чтобы получить степень магистра, и был избран членом Тринити-колледжа. В 1669 г., когда Барроу ушел в отставку, он был назначен лукасовским профессором математики, а в 1672 г. стал членом Королевского общества.

После 1690 г. Ньютон писал трактаты по интерпретации Библии и занимался алхимическими экспериментами. Он занимал важные административные посты и со временем стал директором Королевского монетного двора. В 1703 г. Ньютон был избран президентом Королевского общества, а в 1705 г., когда королева Анна посетила Тринити-колледж в Кембридже, возведен в рыцарское достоинство. До него единственным ученым, удостоившимся такой чести, был Фрэнсис Бэкон. Во время краха биржевого пузыря – Компании южных морей – Ньютон потерял свое состояние и переехал жить под Уинчестер к племяннице и ее мужу, а в 1727 г. в Лондоне умер во сне. Подозревали отравление ртутью, так как в волосах Ньютона были обнаружены следы этого металла. Это согласуется с алхимическими экспериментами ученого и, возможно, объясняет его эксцентричность в старости.

Одно из ранних открытий Ньютона показывает его как мастера координатной геометрии. К тому времени было уже известно, что конические сечения определяются квадратными уравнениями. Ньютон исследовал кривые, определяемые кубическими уравнениями. Он обнаружил среди них 72 разновидности (мы сегодня признаем 78) и объединил их в четыре различных типа. В 1717 г. Джеймс Стирлинг доказал, что каждая кубическая кривая принадлежит к одному из этих типов. Ньютон утверждал, что все четыре типа проективно эквивалентны, и доказательство этому было найдено в 1731 г. Во всех этих открытиях Ньютон намного опередил свое время, и широкий контекст алгебраической и проективной геометрии, в который они прекрасно вписываются, по-настоящему проявился лишь несколько столетий спустя.

Если верить апокрифическому, скорее всего, анекдоту, одно из практических изобретений Ньютона родилось в ходе его ранних работ в области оптики, около 1670 г. Каждый школьник знает, что стеклянная призма расщепляет белый солнечный свет на все цвета радуги. Это открытие принадлежит Ньютону, проводившему соответствующие эксперименты у себя на чердаке. Однако в этой истории есть один любопытный момент. У Ньютона была кошка, причем весьма упитанная, поскольку хозяин, погруженный в научные исследования, забывал следить за питанием кошки и откровенно ее перекармливал. У кошки была привычка открывать лапой дверь на чердак, чтобы посмотреть, чем занят Исаак; при этом солнечные лучи, проникавшие в дверь, мешали молодому ученому проводить оптические эксперименты. Так что Ньютон прорезал в двери отверстие для кошки и завесил его куском войлока (получается, что именно он первым придумал такое приспособление). Когда у кошки появились котята, он прорезал рядом с первым отверстием второе, поменьше. (Пожалуй, это была не такая уж абсурдная идея: может, котятам трудно было протискиваться под большим и тяжелым куском войлока.) Анекдот этот, насколько нам известно, исходит от какого-то «сельского пастора», и вся история, возможно, является просто фантазией про кошек. Но в 1827 г. Джон Райт, живший тогда в бывших комнатах Ньютона в Тринити-колледже, писал, что в двери когда-то действительно было два отверстия – одно побольше, другое поменьше, подходящие для кошки и котенка.

Однако величайшим вкладом Ньютона в математику являются математический анализ и «Математические начала натуральной философии». Его работа в области оптики стала серьезным шагом в физике, но не оказала особого влияния на математику, поэтому я не буду больше обсуждать эту тему. С точки зрения логики математический анализ идет впереди «Начал», но исторически то и другое тесно и хитро переплетено, а нежелание Ньютона публиковаться еще больше запутывает дело. Ньютон испытывал инстинктивную нелюбовь к критике, а простейший способ уклониться от нее – держать свои открытия при себе. Однако в данном случае конечным результатом стал куда более сильный вал критики и сильнейший публичный скандал, поскольку немецкий математик и философ Готфрид Лейбниц разрабатывал примерно в то же время очень похожие идеи, и со временем все это вылилось в ожесточенный спор о приоритете.

Истоки математического анализа можно увидеть еще в трактате Архимеда «О методе», в «Арифметике бесконечного» Валлиса и в работах Ферма (глава 6). Сам анализ делится на две различные, но связанные между собой области.

Дифференциальное исчисление – это метод нахождения скорости изменения некоторой величины, меняющейся со временем. К примеру, скорость – это скорость изменения положения объекта (на сколько километров изменится ваше положение по прошествии часа). Ускорение – это скорость изменения скорости (ускоряетесь вы или замедляетесь). Главный вопрос дифференциального исчисления – найти скорость изменения некоторой функции времени. Результат – функция времени, потому что скорость изменения величины тоже может быть различной в разные моменты времени.

Интегральное исчисление занимается площадями, объемами и тому подобными вещами. Его метод – разрезать объект на тончайшие ломтики, затем оценить площадь или объем каждого ломтика, не обращая внимания на возможные ошибки, которые незначимы из-за малой толщины ломтиков, сложить все вместе, а затем позволить ломтикам сделаться сколь угодно тонкими. Как обнаружили независимо друг от друга и Ньютон, и Лейбниц, интегрирование, по существу, – это процесс, обратный дифференцированию.

Оба процесса задействуют несколько сомнительную с философской точки зрения идею величин, которые можно сделать сколь угодно маленькими. Такие величины известны как бесконечно малые и требуют очень осторожного обращения. Никакое конкретное число не может быть «сколь угодно малым», поскольку это сделало бы его меньше самого себя. Однако число, которое изменяется, может стать настолько маленьким, насколько мы захотим. Но если нечто изменяется, то как это нечто может быть числом?

Предположим, нам точно известно, где находится автомобиль в любой момент времени, и мы хотим определить по этим данным его скорость. Если за период времени длительностью в один час он переместился на 60 км, то средняя скорость за этот период времени составит 60 км/ч. Но вполне может быть, что в какие-то промежутки времени автомобиль ехал быстрее, а в какие-то – медленнее. Уменьшив интервал времени до одной секунды, мы получим более точную оценку – среднюю скорость за 1 с. Но и за этот промежуток времени скорость автомобиля могла немного измениться. Мы можем аппроксимировать мгновенную скорость в любой заданный момент, определив, какое расстояние пройдет машина за очень короткий промежуток времени, и разделив это расстояние на величину промежутка. Однако, каким бы маленьким мы ни сделали этот интервал, результат будет только приблизительным. Но если мы попробуем проделать все это с использованием формулы для положения машины, то окажется, что если делать интервал времени все более близким к нулю, то средняя скорость на этом интервале будет подходить все ближе и ближе к некоторой конкретной величине. Эту величину мы и назовем мгновенной скоростью.

Обычный способ расчета требует делить расстояние на время, за которое это расстояние было пройдено. Критики, такие как епископ Джордж Беркли, не замедлили указать, что, когда промежуток времени становится нулевым, эта дробь приобретает вид 0/0, что лишено смысла. Беркли опубликовал свои критические замечания в 1734 г. в виде памфлета под названием «Аналитик, или Обращение к неверному математику», в котором он саркастически называл Ньютоновы флюксии (мгновенные скорости) «призраками ушедших величин».

И у Ньютона, и у Лейбница были ответы на подобные возражения. Ньютон использовал физический образ интервала, стремящегося (текущего) к нулю, но никогда этого нуля на самом деле не достигающего. Пройденное расстояние тоже стремится к нулю, и средняя скорость тоже к чему-то стремится. Главное тут, говорил Ньютон, – это то, к чему она стремится. Попадать туда вовсе не обязательно. Поэтому он назвал свой метод методом «флюксий» – вещей, которые текут. Лейбниц предпочитал считать временной интервал бесконечно малым; под этим он подразумевал не какую-то фиксированную ненулевую величину, которая может быть сколь угодно малой (что не имеет логического смысла), а изменяемую ненулевую величину, которая может становиться сколь угодно малой. Его точка зрения в основном совпадает с Ньютоновой. Собственно, если учесть некоторые тонкости терминологии, это та самая точка зрения, которую используем и мы сегодня, и называется она «взятие предела». Однако потребовалось не одно столетие, чтобы во всем разобраться. Это тонкий момент. Даже сегодня студентам-математикам требуется время, чтобы привыкнуть к этим понятиям.

Возможно, епископ Беркли был недоволен основаниями математического анализа, но математики всегда готовы игнорировать философов, особенно когда эти философы запрещают им пользоваться методом, который отлично работает. Нет, главным камнем преткновения в связи с математическим анализом был не вопрос допустимости его использования, а спор о приоритете – о том, кого считать автором этого метода.

Ньютон написал свой «Метод флюксий и бесконечные ряды» в 1671 г., но публиковать не стал. В конце концов это произведение увидело свет в 1736 г. в английском переводе с латинского оригинала, сделанном Джоном Колсоном. Лейбниц опубликовал описание своего метода дифференциального исчисления в 1684 г., а интегрального исчисления – в 1686 г. Ньютон опубликовал свои «Начала» в 1687 г. Более того, хотя многие из его результатов были получены методами математического анализа, представить их Ньютон предпочел в более традиционной геометрической форме с использованием принципа, который он называл «методом предельных отношений». Вот как Ньютон определял равенство флюксий:

Сегодняшняя формулировка понятия предела в математическом анализе эквивалентна этой формулировке, но теперь она выражена яснее. Критики Ньютона никогда не могли понять это определение.

Ньютон использовал в «Началах» геометрию вместо математического анализа, чтобы избежать путаницы в вопросах о бесконечно малых, но, поступив так, он упустил прекрасную возможность представить дифференциальное и интегральное исчисление миру. Неформально британские математики были знакомы с этими идеями, но остальной мир их практически не замечал. Поэтому, когда Лейбниц первым опубликовал работу по математическому анализу, в Британии это вызвало возмущение. Инициатором его стал шотландский математик по имени Джон Кейл, опубликовавший в «Бумагах Королевского общества» статью, в которой обвинил Лейбница в плагиате. Лейбниц прочитал эту статью в 1711 г. и потребовал опровержения, но Кейл повысил ставку, заявив, что в свое время Лейбниц получил от Ньютона два письма с изложением основных идей дифференциального исчисления. Лейбниц обратился в Королевское общество с просьбой о посредничестве, в результате чего был образован специальный комитет. Дело закончилось в пользу Ньютона – но доклад Обществу по этому вопросу был написан самим Ньютоном, а Лейбницу никто даже не предложил изложить свою точку зрения. После этого к скандалу присоединились крупнейшие математики континентальной Европы, убежденные, что к Лейбницу отнеслись несправедливо. Лейбниц прекратил препирательства с Кейлом, заявив, что отказывается спорить с идиотом. Ситуация окончательно вышла из-под контроля.

Позже историки пришли к выводу, что партия эта завершилась вничью. Ньютон и Лейбниц разработали свои методы фактически независимо. В принципе, они оба имели некоторое представление о работе друг друга, но никто из них определенно не заимствовал чужие идеи. Уже лет 100, если не больше, математики, включая Ферма и Валлиса, вокруг них кругами ходили. К несчастью, в результате этого бессмысленного спора следующие лет 100 или около того британские математики попросту игнорировали все, что делали их континентальные коллеги, – и очень жаль, поскольку именно там в это время в основном развивалась математическая физика.

При создании «Начал» Ньютон пользовался более ранними работами других ученых, в первую очередь Кеплера (его фундаментальные законы планетарного движения позволили Ньютону сформулировать собственный закон гравитации) и Галилея, который экспериментально исследовал движение падающего тела и заметил элегантные закономерности в полученных числовых данных. Он опубликовал свои открытия в 1590 г. в трактате «О движении». Это побудило Ньютона сформулировать три общих закона движения. Первое издание «Начал» вышло из печати в 1687 г.; затем последовали дальнейшие издания, с дополнениями и исправлениями. В 1747 г. Алекси Клеро написал, что эта книга «ознаменовала собой эпоху великой революции в физике». В предисловии Ньютон так объяснил главную тему своей книги:

Это было дерзкое заявление, но, если посмотреть задним числом, его оптимизм был полностью оправдан. За следующее столетие первые озарения Ньютона выросли в новую научную область – математическую физику. Многие уравнения, полученные в этот период, используются до сих пор в приложении к теплу, свету, звуку, магнетизму, электричеству, гравитации, колебаниям, геофизическим явлениям и т. п. Мы вышли за пределы «классического» стиля в физике, познакомились с теорией относительности и квантовой теорией, но физика Ньютона поразительным образом сохраняет свою значимость и сегодня. А его идея описывать природу при помощи дифференциальных уравнений используется во всех областях науки, от астрономии до зоологии.

В первой книге «Начал» разбирается движение в отсутствие всякой сопротивляющейся среды – ни трения, ни сопротивления воздуха, ни гидродинамического сопротивления. Это простейший тип движения, описываемый самой красивой математикой. Начинается книга с объяснения метода предельных отношений, на котором зиждется все остальное. Как уже объяснялось, этот метод – не что иное, как математический анализ под маской геометрии. В самом начале устанавливается, что обратно-квадратичная зависимость силы притяжения эквивалентна Кеплеровым законам планетарного движения. На первый взгляд логическая эквивалентность Ньютонова закона трем законам Кеплера указывает на то, что Ньютон всего лишь переформулировал законы Кеплера и изложил их на языке сил. Но есть еще одна особенность – скорее предсказание, чем теорема. Ньютон, подобно Гуку до него, утверждает, что эти силы универсальны. Любое тело во Вселенной притягивает к себе любое другое тело. Это позволяет Ньютону сформулировать принципы, применимые ко всей Солнечной системе, и он подходит к задаче исследования системы из трех тел, движущихся под действием гравитационного притяжения.

Во второй книге разбирается движение в сопротивляющейся среде, включая и воздух. Рассматриваются гидростатика – равновесие плавающих тел – и сжимаемые жидкости. Исследование волн позволяет получить оценку скорости звука в воздухе – 1088 футов в секунду (331 м/с) – и закономерности ее изменения в зависимости от влажности. Современное значение этой скорости на уровне моря принимается равным 340 м/с. Завершается вторая книга критикой Декартовой теории образования Солнечной системы из вихрей.

Третья книга имеет подзаголовок «О системе мира»: в ней принципы, разработанные в первых двух книгах, применяются к Солнечной системе и астрономии. Приложения этих принципов поразительно подробны: неравномерности в движении Луны; движение спутников Юпитера, которых тогда было известно четыре; кометы; приливы; прецессия равноденствий; и особенно гелиоцентрическая теория, которую Ньютон сформулировал очень продуманно: «…общий центр тяжести Земли, Солнца и планет должен быть принят за центр мира… [и этот центр] или находится в покое, или же движется равномерно и прямолинейно»[14]. Оценивая отношение масс Солнца, Юпитера и Сатурна, он вычислил, что этот общий центр тяжести располагается очень близко к центру Солнца, при этом ошибка не превышает диаметр Солнца. Он был прав.

Обратно-квадратичный закон притяжения на самом деле первым заметил Ньютон. Кеплер ссылался на математическую зависимость такого типа в 1604 г., говоря о свете; он утверждал, что пучок световых лучей, расходящихся из одной точки, должен освещать сферу, площадь которой растет как квадрат ее радиуса. Если количество света сохраняется, яркость должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния. Он предложил аналогичный закон и для «тяготения», но под тяготением при этом он подразумевал гипотетическую силу, при помощи которой Солнце толкает планеты по орбитам; он был убежден, что сила эта обратно пропорциональна расстоянию. Измаил Буллиальд был с этим не согласен; он утверждал, что эта сила должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Гравитационное притяжение, его универсальность и закон обратно-квадратичной зависимости в 1670 г., можно сказать, носились в воздухе. Кроме того, обратно-квадратичная зависимость – очень естественное соотношение, по аналогии с геометрией световых лучей. В лекции перед Королевским обществом в 1666 г. Роберт Гук сказал:

В 1679 г. Гук написал личное письмо Ньютону[15], предложив в нем закон обратно-квадратичной зависимости для гравитации в этом смысле. Он был немало оскорблен, когда в точности такой закон появился на страницах «Начал», несмотря на то что Ньютон признал его авторство, наряду с Галлеем и Кристофером Реном. Можно посочувствовать Гуку, поскольку, несмотря ни на что, львиную долю славы получил, безусловно, сам Ньютон. Отчасти это произошло потому, что Ньютоновы «Начала» приобрели огромную популярность и влияние, но есть и другая причина. Ньютон не просто предложил такой закон. Он вывел его из законов Кеплера, подведя таким образом прочную научную базу. Гук был согласен, что только Ньютон произвел «демонстрацию кривых, при этом образующихся», то есть показал, что замкнутые орбиты являются эллиптическими. (Обратно-квадратичная зависимость допускает также параболические и гиперболические орбиты, но они не являются замкнутыми кривыми, и движение по ним не повторяется периодически.)

Сегодня мы склонны видеть в Ньютоне первого великого рационального мыслителя. Мы отмахиваемся от его сильной веры в Бога и активных занятий библеистикой, мы упрямо игнорируем обширные алхимические исследования ученого и довольно загадочные попытки перевести вещество из одной формы в другую. Большая часть трудов по алхимии была, вероятно, утрачена при пожаре в лаборатории, в результате которого 20 лет исследований вылетели в трубу. Причиной пожара, судя по всему, была его собака: говорят, что Ньютон ругал животное, приговаривая: «Ох Даймонд, Даймонд, не понимаешь ты, что натворил».

Как бы то ни было, при пожаре уцелело и до нас дошло достаточно бумаг, чтобы понять: Ньютон занимался поисками философского камня, который, по убеждению алхимиков, должен превращать свинец в золото. А также, возможно, эликсира жизни, который будто бы представляет собой ключ к бессмертию. Вот только один заголовок: «Николя Фламмель, его объяснение иероглифических фигур, помещенных им на арке кладбища Невинных в Париже. Вместе с тайной книгой Артефия и письмом Джона Понтана, включающими как теорию, так и практику Философского камня». И отрывок из этой книги:

Символы здесь имеют следующее значение: Для современного глаза все написанное выглядит мистической чепухой. Но Ньютон торил новые пути и понятия не имел, куда они могут привести. Данный конкретный путь оказался тупиковым. В заметках к лекции, которую он так и не прочел[16], экономист Джон Мэйнард Кейнс называет Ньютона «последним волшебником… последним чудо-ребенком, которому Волхвы могли бы принести искренние и уместные дары». Сегодня мы по большей части не обращаем на мистические интересы и занятия Ньютона никакого внимания и помним его только за научные и математические достижения. Но тем самым мы упускаем из виду многое из того, что двигало этим замечательным разумом. До Ньютона человеческие представления о природе были тесно переплетены со сверхъестественным. После Ньютона мы, уже осознанно, пришли к признанию того факта, что Вселенной управляют глубокие закономерности, которые можно выразить средствами математики. Ньютон и сам был переходной фигурой: одной ногой он стоял в одном мире, другой – в ином; он вел человечество от мистицизма к рациональности.

Сегодня Леонарда Эйлера можно, вероятно, считать самым значительным математиком, практически неизвестным широкой публике. Но при жизни его репутация была столь высока, что в 1760 г., во время Семилетней войны, когда русские войска разрушили ферму Эйлера в Шарлоттенбурге, генерал Иван Салтыков немедленно возместил ему ущерб. Российская императрица Елизавета добавила к этому еще 4000 рублей – громадную сумму по тем временам. И это был еще не конец истории. Эйлер был членом Санкт-Петербургской академии наук с 1726 г. и до тех пор, пока в 1741 г. он, обеспокоенный ухудшением политического состояния России, не уехал в Берлин. В 1766 г. он вернулся, выговорив жалование в 3000 рублей в год для себя, щедрую пенсию для своей супруги и обещание прибыльных должностей в будущем для сыновей.

Однако жизнь его ни в коем случае не была усыпана розами. В 1738 г. Эйлер ослеп на правый глаз и после этого всю жизнь страдал плохим зрением; позже на левом глазу у него развилась катаракта, и он почти полностью потерял зрение. Однако он был счастливым обладателем поразительной памяти; он мог продекламировать на память целиком поэму Вергилия «Энеида», в которой при желании для любой страницы называл первую и последнюю строки. Однажды, не в силах заснуть, Эйлер решил, что традиционный способ – считать овец – слишком тривиален, и коротал время за вычислением шестых степеней всех чисел до 100. Несколькими днями позже он все еще помнил их все. Его сыновья Иоганн и Кристоф часто выступали для отца в роли писцов; то же делали члены Академии Вольфганг Краффт и Андерс Лекселл. Помогал в этом также муж одной из внучек Эйлера Николай Фусс, который в 1776 г. стал его официальным помощником. Все эти люди имели хорошую математическую подготовку, и Эйлер обсуждал с ними свои идеи. Такая организация работы оказалась столь успешной, что и без того чудесная плодовитость Эйлера значительно повысилась после того, как он потерял зрение.

Буквально ничто не могло помешать работе Эйлера. В 1740-е гг. в Берлинской академии он брал на себя громадное количество административных дел, заведовал ботаническими садами и обсерваторией, нанимал работников, управлял финансами и разбирался с публикациями карт и календарей. Он выступал в роли консультанта при короле Пруссии Фридрихе Великом по вопросу усовершенствования канала Финлоу и гидравлической системы в королевском летнем дворце Сан-Суси. Королю работа Эйлера не понравилась. «Я хотел иметь большой фонтан в своем саду: Эйлер рассчитал силу колес, необходимых для подъема воды в резервуар, из которого она спускалась бы обратно по каналам и вырывалась в конечном итоге струей в Сан-Суси. Моя ветряная мельница была построена по всем правилам геометрии и не смогла поднять хотя бы глоток воды ближе чем на пятьдесят метров к резервуару. Суета сует! Суета геометрии!»[17]

Исторические документы показывают, что Фридрих винил в неудаче фонтанного проекта не того человека и не ту причину. Архитектор короля, занимавшийся строительством Сан-Суси, писал, что хотел устроить в саду множество фонтанов, включая один гигантский, который выбрасывал бы воду на высоту 30 м. Единственным источником воды могла служить река Хафель, протекавшая в полутора километрах. План Эйлера состоял в том, чтобы прорыть канал от реки к насосу, работавшему от ветряка. Это подняло бы воду в резервуар, создававший перепад высот около 50 м, и обеспечивало бы достаточное давление для работы большого фонтана. Строительство началось в 1748 г. и продолжалось без всяких проблем до тех пор, пока не были установлены трубы от насоса к резервуару. Трубы были сделаны из деревянных дощечек, удерживаемых вместе железными обручами, примерно как делают бочки. Как только строители начали прокачивать через трубы воду в резервуар, трубы лопнули. Пустотелые стволы деревьев тоже не выдержали. Получалось, что нужно использовать металлические трубы, но те, что имелись, были слишком тонкими, чтобы обеспечить достаточное поступление воды в резервуар. Попытки решить все же эту проблему продолжались до 1756 г., затем прекратились на время Семилетней войны и ненадолго возобновились после. Затем королю это надоело, и проект был оставлен. Архитектор обвинял в неудаче Фридриха, который частенько задумывал и даже начинал великолепные проекты, но не давал денег, достаточных для их реализации. В докладе архитектора перечислены все ответственные за неудачу. Эйлера в их числе нет.

На самом деле работа Эйлера над этим проектом подтолкнула его к созданию теории гидравлического течения в трубах и анализу того, как движение воды влияет на давление в трубе. В частности, Эйлер показал, что движение вызывает повышение давления, даже когда разницы в высоте нет. Традиционная гидростатика ничего об этом не говорит. Эйлер рассчитал увеличение давления, дал рекомендации по поводу насоса и труб и открытым текстом предупредил, что строители – халтурщики и проект неизбежно потерпит неудачу. Он писал:

Он настаивал, что использовать нужно свинцовые трубы, а не деревянные и что толщину свинцовых стенок следует определить на основании экспериментов. Его совет был проигнорирован.

Фридрих никогда не испытывал особого уважения к ученым-практикам, предпочитая им артистичных гениев вроде Вольтера. Он посмеялся над слепотой Эйлера и назвал его «математическим Циклопом». Когда Фридрих писал о фиаско с фонтанами в Сан-Суси, с той поры миновало уже 30 лет и давно покойный Эйлер показался монарху удобным козлом отпущения. Существующее до сих пор представление о том, что это был математик не от мира сего, обитатель башни из слоновой кости без всяких практических навыков, – полная чепуха. Он консультировал правительство по вопросам страхования, финансов, артиллерии и лотерей. Для своего времени Эйлер был математическим мастером на все руки. И параллельно выпускал в мир непрерывный поток остроумных оригинальных исследований и учебников, мгновенно приобретавших статус классических.

В день своей смерти он тоже работал. Утром, как обычно, Эйлер дал одному из своих внуков урок математики, провел кое-какие расчеты, связанные с воздушными шарами, мелом на двух маленьких досках и обсудил недавнее открытие планеты Уран с Лекселлом и Фуссом. Позже в тот же день у него случилось кровоизлияние в мозг; он сказал: «Я умираю» – и скончался шесть часов спустя. В «Надгробном слове по месье Эйлеру» Николя де Кондорсе написал: «Эйлер перестал жить и считать». Для него математика была столь же естественной, как дыхание.

Отец Эйлера Пауль прошел курс теологии в Базельском университете и стал протестантским священником. Его мать Маргарет (урожденная Брюкер) была дочерью протестантского священника. Но Пауль помимо теологии слушал лекции математика Якоба Бернулли, в доме которого жил студентом, и дружил с братом Якоба Иоганном, с которым вместе учился в университете. Бернулли – архетипический пример математически талантливой семьи; на протяжении четырех поколений почти все они начинали с более традиционных профессий, но в конечном итоге всю жизнь занимались математикой.

Эйлер стал студентом Базельского университета в возрасте 13 лет, в 1720 г. Отец хотел, чтобы сын стал пастором. К 1723 г. юноша подготовил магистерскую диссертацию, сравнив философские взгляды Ньютона и Декарта, но, хотя он был примерным христианином, теология его не привлекала, не привлекали и классические языки – иврит и греческий. Математика – совсем другое дело: Эйлер ее обожал. К тому же он знал, как с ее помощью построить профессиональную карьеру. В его неопубликованных автобиографических бумагах можно найти такой абзац:

Иоганн быстро обратил внимание на поразительный талант молодого человека, и Пауль разрешил своему сыну изменить специальность, чтобы изучать математику. Несомненно, давняя дружба его с Иоганном помогла подмазать, где надо, бюрократические колеса.

Первую свою работу Эйлер опубликовал в 1726 г., а в 1727 г. он подал статью на ежегодный большой приз Парижской академии, темой которого в тот раз был поиск оптимального расположения мачт на парусном корабле. Выиграл конкурс Пьер Бугер, признанный специалист в этой области, но Эйлер оказался вторым. Это достижение заметили в Санкт-Петербурге, и после смерти Николя Бернулли его место предложили Эйлеру. Он отправился в Россию в возрасте 19 лет; такое путешествие в те времена занимало семь недель: сначала надо было плыть по Рейну на судне, затем передвигаться в карете, после, на последнем отрезке пути, вновь пересесть на судно.

В 1727–1730 гг. он служил также лейтенантом медицинской службы на Российском военном флоте, но затем, получив звание полного профессора, оставил флот и вскоре стал постоянным членом Академии. В 1733 г. Даниэль Бернулли оставил свою кафедру в Санкт-Петербурге, чтобы вернуться в Базель, и Эйлер стал его преемником на посту профессора математики. Его финансовое положение упрочилось достаточно, чтобы позволить себе женитьбу, и он без особого промедления связал себя узами брака с Катариной Гзелл – дочерью художника местной гимназии. С течением времени пара произвела на свет 13 детей, из которых восемь умерло во младенчестве; Эйлер как-то заметил, что лучше всего ему работалось с маленьким ребенком на руках и в окружении играющих детей.

Всю жизнь Эйлер испытывал хронические проблемы со зрением, обострившиеся в 1735 г. после сильнейшей лихорадки, от которой он чуть не умер. Как уже отмечалось, он тогда практически ослеп на один глаз. Это почти не повлияло на его научную продуктивность – на это вообще ничто никогда не влияло. Он выиграл большой приз Парижской академии в 1738 и 1740 гг.; всего он выигрывал этот приз 12 раз. В 1741 г., когда российская политическая жизнь стала слишком уж бурной, он переехал в Берлин и стал наставником племянницы Фридриха Великого. За 25 лет в Берлине он выпустил в свет 380 работ. Он писал книги по математическому анализу, по артиллерии и баллистике, по вариационному и дифференциальному исчислению, о движении Луны, орбитах планет, кораблестроении и навигации, написал даже научно-популярные «Письма немецкой принцессе».

Когда в 1759 г. умер Пьер Луи Моро де Мопертюи, Эйлер стал президентом Берлинской академии во всем, кроме формального титула, от которого отказался. Четыре года спустя король Фридрих предложил пост президента Жану ле Рон д’Аламберу, к которому Эйлер не испытывал особой симпатии. Д’Аламбер решил, что не хочет переезжать в Берлин, но дело было сделано, и Эйлер подумал, что ему пора сменить обстановку. В данном случае сменил он ее на прежнюю, поскольку вернулся по предложению Екатерины Великой в Санкт-Петербург, где и кончил свои дни, безмерно обогатив математику.

Почти невозможно убедительно рассказать о блестящем таланте Эйлера или о разнообразии и оригинальности его открытий в чем-то меньшем по объему, чем книга. Даже в этом случае это было бы непросто. Но мы можем бросить хотя бы один короткий взгляд на его достижения и проникнуться его замечательными способностями. Я начну с теоретической математики, а затем перейду к прикладной, не обращая внимания на хронологию, но стараясь выдерживать некоторую последовательность в развитии идей.

Во-первых и в-главных, Эйлер обладал поразительным чутьем на формулы. В своем «Введении в анализ бесконечно малых» 1748 г. он исследовал соотношение между экспоненциальной и тригонометрическими функциями для комплексных чисел, дающее формулу

Отсюда, приняв θ = π радиан = 180°, можно вывести знаменитое уравнение

связывающее две загадочные константы e и π и мнимое число i. Здесь e = 2, 718… является основанием натурального логарифма, а i – символ, который Эйлер ввел для корня квадратного из –1; он тоже широко используется и сегодня. Теперь, когда мы лучше понимаем комплексный анализ, это соотношение не кажется чем-то удивительным, но во времена Эйлера оно казалось сногсшибательным. Тригонометрические функции опираются на геометрию окружностей и измерения треугольников; экспоненциальная функция берет начало в математике сложного процента и опирается на логарифм как расчетный инструмент. Почему такие далекие друг от друга вещи должны быть так тесно, можно сказать интимно, связаны?

Сверхъестественное мастерство Эйлера в работе с формулами привело к триумфу и принесло ему великую славу в возрасте 28 лет, когда он решил базельскую задачу. Математики тогда активно искали интересные формулы для сумм бесконечных рядов, простейшей из которых, возможно, является формула

Базельская задача состояла в том, чтобы найти сумму обратных квадратов:

Многие знаменитые математики безуспешно пытались найти ответ на этот вопрос: Лейбниц, Стирлинг, де Муавр и трое самых искусных Бернулли: Якоб, Иоганн и Даниэль. Эйлер превзошел всех, доказав (или, по крайней мере, проведя расчет, на это указывающий, – строгость доказательств не была его сильной стороной), что эта сумма точно равна

Более простая бесконечная сумма, «гармонический ряд» обратных целых чисел, выглядит так:

и расходится – его сумма бесконечна. Невозмутимый Эйлер нашел весьма точную приближенную формулу:

где γ, которую мы сегодня называем постоянной Эйлера, равна, до 16 знаков после запятой,

0, 577215664015328…

Эйлер сам вычислил ее значение с такой точностью. Вручную.

Теория чисел, естественно, привлекала внимание Эйлера. Он вдохновлялся в значительной мере примером Ферма, а дополнительную мотивацию давала его переписка с другом Гольдбахом, математиком-любителем. Решение базельской задачи привело его к замечательному соотношению между простыми числами и бесконечными рядами (глава 15). Он нашел доказательства нескольких фундаментальных теорем, сформулированных Ферма. Одной из них была так называемая Малая теорема Ферма, названная так, чтобы отличать ее от Великой теоремы Ферма. Эта теорема гласит, что если n – простое число и a не кратно n, то aⁿ – a делится на n. Каким бы безобидным ни казалось на первый взгляд это утверждение, сегодня оно является основой для некоторых нераскрываемых, как считается, шифров, широко используемых в интернете. Кроме того, он обобщил результат для составного n, введя тотиент (или функцию Эйлера) ϕ(n). Это число целых чисел между 1 и n, не имеющих с n общих простых делителей. Он предложил гипотезу о законе квадратичной взаимности, позже доказанную Гауссом (глава 10); описал все простые числа, представляющие собой сумму двух квадратов (2, все числа вида 4k + 1, но не числа вида 4k + 3), и улучшил теорему Лагранжа о том, что любое положительное целое число есть сумма четырех квадратов.

Учебники Эйлера по алгебре, математическому анализу, комплексному анализу и другим дисциплинам стандартизировали математическую запись и терминологию, значительная часть которой используется и сегодня (к примеру, π для числа «пи», e для основания натурального логарифма, i для корня квадратного из –1, Σ для суммы и f(x) для общего обозначения функции от x). Он даже свел воедино системы записи Ньютона и Лейбница по дифференциальному исчислению.

* * *

Мне нравится определять математика не как «человека, который занимается математикой», но как «человека, который видит возможность применить математику там, где никто другой ее не увидел бы». Эйлер редко упускал такую возможность. Вот два примера, которые дали начальный толчок развитию новой области, известной сегодня как комбинаторика, или дискретная математика; область эта занимается счетом и упорядочиванием конечных объектов.

Первым из них в 1735 г. стала загадка, связанная с городом Кёнигсберг в Пруссии (ныне Калининград в России). В этом городе, расположенном на реке Прегель, имеется два острова, связанных друг с другом и с берегами реки семью мостами. Загадка состояла в том, чтобы найти такой маршрут через город, который прошел бы по каждому мосту ровно один раз. Начало и конец маршрута могли находиться в разных местах. Эйлер доказал, что такого маршрута не существует, а для этого рассмотрел более общий вопрос с любым расположением островов и мостов. Он доказал, что требуемый маршрут существует в том, и только том случае, когда не более чем два острова связаны с внешним миром нечетным количеством мостов. Сегодня мы интерпретируем эту теорему как одну из первых теорем теории графов – науки о сетях из точек, соединенных линиями. Доказательство Эйлера было алгебраическим и использовало символьное представление маршрута, где острова и мосты обозначались буквами. Несложно доказать, что сформулированное Эйлером условие необходимо для существования требуемого маршрута; труднее доказать, что этого достаточно для его существования.

Второй комбинаторной задачей, которую Эйлер поставил в 1782 г., была загадка 36 офицеров. Имеется шесть полков, в каждом из которых есть шесть офицеров шести разных званий. Можно ли построить полки квадратом 6 × 6 так, чтобы ни в одном ряду и ни в одной колонне не оказалось двух офицеров одного полка или одного звания? Эйлер предполагал, что это невозможно, но этому результату пришлось дожидаться доказательства Гастона Тарри до 1901 г. В основе решения здесь лежит латинский квадрат, в котором n экземпляров n символов необходимо разместить в квадрате n × n так, чтобы каждый символ в каждой строке и в каждом столбце встречался ровно один раз. Требуется, чтобы 36 офицеров образовали два «ортогональных» латинских квадрата – один для полка, другой для ранга, так, чтобы все возможные пары были в них включены. Латинские квадраты применяются, в частности, при разработке статистических тестов, а их широкие обобщения, известные как блочные планы, фигурируют в нескольких областях математики. Одна из вариаций на тему такого квадрата – головоломка судоку.

* * *

Перечисленные мной результаты едва-едва затрагивают громадный объем всего того, что сделал Эйлер в теоретической математике, но не менее плодовит он был также в прикладной математике и в математической физике.

В своей «Механике» 1736 г. он систематизировал и существенно продвинул искусство расчета движения материальной точки. Самым серьезным новшеством было использование вместо геометрии математического анализа, позволившего унифицировать работу с совершенно разными задачами. За этим последовала книга о кораблестроении, которая начиналась с гидростатики и вводила, кроме того, дифференциальные уравнения для движения твердого недеформируемого тела. Эту тему он развил в 1765 г. в «Теории движении твердых тел», где определил систему координат, известную нынче как Эйлеровы углы; он связал ее с тремя осями инерции тела и моментами его инерции относительно этих осей. Оси инерции – это определенные линии, представляющие особые компоненты вращения тела; соответствующий момент определяет количество вращения относительно выбранной оси. В частности, Эйлер решил свои уравнения для Эйлерова волчка – тела с двумя равноправными осями инерции.

В механике жидкостей Эйлер установил фундаментальные уравнения, ныне известные как уравнения Эйлера, которые не потеряли своего значения до сих пор, несмотря на то что в них не учитывается вязкость. Он изучал теорию потенциала с приложениями в области гравитации, электричества, магнетизма и упругости. Его работа со светом способствовала успеху волновой теории, преобладавшей в физике вплоть до появления в 1900 г. квантовой механики. Некоторые его результаты в небесной механике астроном Тобиас Майер использовал при расчете таблиц движения Луны. В 1740 г. Эйлер написал «Метод нахождения кривых линий» (полное название работы намного длиннее приведенного здесь), где положил начало вариационному исчислению. Его задача – поиск кривых и поверхностей, минимизирующих (или максимизирующих) некоторую связанную с ними величину, такую как длина или площадь. Все его книги понятны, элегантны и прекрасно организованы.

Другие труды Эйлера затрагивают такие темы, как музыка, картография и логика – почти не существует областей математики, которые не привлекли бы внимания Эйлера. Лаплас замечательно сформулировал роль Эйлера: «Читайте Эйлера, читайте Эйлера, он наш общий учитель».

На дворе год 1796-й, 30 марта. Молодой Карл Фридрих Гаусс уже некоторое время пытается решить, что ему изучать: языки или математику. Он только что совершил весьма значительный прорыв, открыв при помощи алгебраических методов геометрическую конструкцию, остававшуюся незамеченной более 2000 лет, со времен Евклида. Теперь он может при помощи только традиционных геометрических инструментов – линейки и циркуля – построить правильный семнадцатиугольник. То есть многоугольник с семнадцатью сторонами, все стороны и все внутренние углы которого равны. Не приближенно построить – это просто, – а точно. Мало кому выпадает возможность открыть нечто такое, о чем никто даже не подозревал на протяжении двух тысячелетий; еще меньше людей реализуют эту возможность. Более того, несмотря на несколько заумную природу, математика этого открытия совершенно оригинальна и очень красива, хотя само по себе оно не имеет практического значения.

Тон здесь задают Евклидовы «Начала». В них приведены методы построения равностороннего треугольника, квадрата, правильных пятиугольника и шестиугольника: правильных многоугольников с тремя, четырьмя, пятью и шестью сторонами. Как насчет семиугольника? Никак. Разумеется, восьмиугольник – это несложно: чертим квадрат, вписанный в окружность, и делим его стороны пополам; затем проводим через середины сторон радиусы окружности и получаем на окружности четыре новых угла. Если у вас есть метод построения какого-то (любого) правильного многоугольника, то этот фокус позволит вам построить многоугольник с удвоенным числом сторон. Девять? Нет, Евклид об этом молчит. Десять – опять просто: удвоим пять. Одиннадцать – ничего. Двенадцать – дважды шесть, все понятно. Тринадцать, четырнадцать – ничего. Пятнадцать можно получить, совместив методы построения трех- и пятисторонних многоугольников. Шестнадцать – удваиваем восемь.

Если говорить о Евклиде, то этим все и заканчивается. Три, четыре, пять, пятнадцать и все кратные этим числам на степени двойки. Семнадцать? Безумие. Тем более если учесть, что метод Гаусса определенно указывает, что правильный многоугольник в семь, девять, одиннадцать, тринадцать и четырнадцать сторон невозможно построить при помощи линейки и циркуля. Но, безумие или нет, такой метод существует. Существует даже простая причина тому (хотя почему этот факт является причиной, понять далеко не просто). Семнадцать – простое число, которое при вычитании единицы дает шестнадцать, то есть степень двойки.

В этой формуле, осознает Гаусс, скрыт ключ к методам построения правильных многоугольников при помощи линейки и циркуля. В маленькой записной книжечке он делает запись: Principia quibus innititur sectio circuli, ac divisibilitus eiusdem geometrica in septemdecim partes etc. Приблизительно это означает: «Окружность можно разделить на семнадцать [равных] частей». Это первая запись в той книжечке. Позже к ней добавилось 145 других открытий, причем каждому из них посвящена краткая, часто непонятная непосвященному, запись.

Так языки? Или математика?

Победитель очевиден.

Гаусс родился в бедной семье. Его отец Герхард работал в Брауншвейге садовником, а позже – смотрителем каналов и каменщиком. Мать Гаусса Доротея (урожденная Бенце) была настолько неграмотной, что не записала даже даты рождения сына. Однако она вовсе не была глупа и помнила, что сын ее вошел в этот мир в среду, за восемь дней до праздника Вознесения. Что характерно, Гаусс позже воспользовался этой ограниченной информацией, чтобы определить точный день.

Недюжинный ум мальчика проявился очень быстро. Когда ему было три года, отец однажды раздавал при нем плату работникам. Внезапно маленький Карл подал голос: «Нет, папа, это неправильно, должно быть…» Пересчет показал, что малыш был прав. Осознав потенциальные способности сына, родители Гаусса предприняли серьезные усилия, чтобы помочь ему развить их. Когда Гауссу было восемь лет, учитель Бюттнер в школе задал классу арифметическую задачу. Часто говорят, что он велел детям сложить все числа от 1 до 100, но это, вероятно, упрощение. Реальная задача, скорее всего, была сложнее, но в конечном итоге требовала именно этого: сложить большое количество чисел, разделенных равными интервалами. С точки зрения учителя, у такого примера есть важное и очевидное достоинство: существует хитрый способ упростить расчет. Не раскрывайте секрета вашим ничего не подозревающим ученикам – и вы надолго, может быть на несколько часов, загрузите их объемными вычислениями, в которых они почти наверняка где-нибудь да ошибутся. Но один восьмилетка посидел за партой несколько секунд, нацарапал на своей грифельной доске одно-единственное число, а затем решительно прошагал к столу учителя и положил перед ним доску лицом вниз. «Ligget se[18]», – проговорил он своим деревенским говорком: «Вот он лежит». Никакого неуважения в этом не было, так в те времена было принято сдавать свой ответ. Другие ученики усердно считали, горка грифельных досок перед учителем медленно росла, а Бюттнер наблюдал за Гауссом, который спокойно сидел за своей партой. Когда же доски были проверены, оказалось, что из всех ответов верен только ответ Гаусса.

Но предположим, что задача действительно была 1 + 2 + 3 + … + 99 + 100. Какой хитрый прием можно здесь использовать? Ну, для начала нужно обладать достаточным воображением, чтобы понять, что такой прием существует. Затем его нужно найти. Этот же прием работает и для более сложных примеров такого рода. Считается, что Гаусс мысленно сгруппировал числа по парам: одно из начала списка, другое из конца. Тогда

и дальше закономерность сохраняется (поскольку в начале списка числа увеличиваются каждый раз на единицу, а в конце при обратном порядке на столько же уменьшаются, компенсируя прибавление) до последней суммы

Таких пар 50, каждая дает в сумме 101, так что суммарный итог составит 50 × 101 = 5050.

Ligget se.

Бюттнер понял, что судьба столкнула его с настоящим гением, и дал Гауссу лучший арифметический текст, какой только смог купить. Мальчик прочел его как роман – и освоил так же быстро. «Он мне не под силу. Я не могу больше ничему его научить», – сказал Бюттнер. Но он мог все же помочь своему протеже-вундеркинду. В 1788 г. Гаусс при помощи Бюттнера и его помощника Мартина Бартельса начал учиться в гимназии, где и приобрел вкус к лингвистике, изучив верхненемецкий и латынь.

Бартельс, знавший в Брауншвейге кое-кого из видных людей, рассказал им о талантах Гаусса. Рассказ о необыкновенном юноше дошел и до ушей герцога Карла-Вильгельма-Фердинанда Брауншвейг-Вольфенбюттельского, и в 1791 г., в возрасте 14 лет, Гаусс был удостоен личной герцогской аудиенции. Он был стеснителен и скромен – и невероятно умен. Герцог, в равной степени очарованный и впечатленный, пообещал выделить деньги на образование мальчика. В 1792 г. Гаусс на деньги герцога поступил в колледж Collegium Carolinum. В колледже его интерес к языкам, особенно классическим, значительно окреп. Герхард заявил, что подобные знания бесполезны в жизни и нечего тратить время на их приобретение, но вмешалась Доротея. Их сын должен получить наилучшее возможное образование, а оно включает в себя и греческий, и латынь. И точка.

Некоторое время Гаусс всерьез интересовался сразу двумя областями – математикой и языками. Он самостоятельно открыл (без доказательств) пять или шесть важных математических теорем, в том числе закон квадратичной взаимности в теории чисел, о котором я расскажу позже, и высказал гипотезу о простых числах, согласно которой количество простых чисел, меньших x, приблизительно равно x/log x. Эту гипотезу независимо друг от друга доказали в 1896 г. Жак Адамар и Шарль де ла Валле-Пуссен. В 1795 г. Гаусс оставил Брауншвейг, чтобы начать учебу в Университете Гёттингена. Его профессор Авраам Кестнер в основном писал учебники и энциклопедии и не занимался исследовательской работой. Гаусс был о нем невысокого мнения и не скрывал этого. Он уже уверенно двигался в направлении карьеры лингвиста, когда боги математики весьма наглядно пришли ему на помощь с семнадцатиугольником.

Чтобы понять, насколько радикальным было открытие Гаусса, нам нужно вернуться на две с лишним тысячи лет назад, в Древнюю Грецию. Евклид в «Началах» систематизировал и привел к единому виду теоремы великих греческих геометров. Он был ярым поборником логики и утверждал, что все должно быть доказано. Ну, почти все. С чего-то нужно начинать, и начинают обычно с предположений, которые не доказываются. Такие предположения Евклид подразделил на три типа: определения, общепринятые положения и постулаты. Мы сегодня называем утверждения двух последних типов аксиомами.

На базе таких предположений Евклид проработал значительную часть греческой геометрии, шаг за шагом. На наш современный взгляд, кое-каких допущений у него все же недоставало – довольно тонких допущений, таких как «если прямая проходит через некую точку внутри окружности, то эта прямая, если ее продолжить достаточно, должна с этой окружностью пересечься». Но если оставить мелочные придирки, Евклид проделал замечательную работу, выведя далеко идущие следствия из простых принципов.

Вершиной «Начал» стало доказательство того, что существует ровно пять правильных многогранников – объемных фигур, гранями которых являются правильные многоугольники, одинаково организованные в каждой вершине. Перечислим эти пять фигур: тетраэдр с четырьмя гранями – равносторонними треугольниками; куб с шестью квадратными гранями; октаэдр с восемью гранями – равносторонними треугольниками; додекаэдр – двенадцатигранник с правильными пятиугольниками в качестве граней; и икосаэдр с двадцатью гранями – равносторонними треугольниками. Отметим, что если вы являетесь Евклидом и настаиваете на логических доказательствах, то вы не сможете построить трехмерную геометрию додекаэдра, если предварительно не разобрались в двумерной геометрии правильного пятиугольника. В конце концов, додекаэдр построен из двенадцати правильных пятиугольников. Так что прежде, чем приступать к настоящему делу – к правильным многогранникам, вам придется разобраться с правильными пятиугольниками и многими другими премудростями.

Среди базовых допущений Евклида имеется невысказанное, но безусловное ограничение на способы построения геометрических фигур. Все делается при помощи только прямых линий и окружностей. По существу, при построении разрешается пользоваться только линейкой и циркулем. Геометрия Евклида представляет собой математическую идеализацию, в которой прямые линии всегда бесконечно тонки и идеально прямы, а окружности бесконечно тонки и идеально круглы. Так что про Евклидовы построения никак не скажешь, что они сойдут, мол, для сельской местности; они точны, то есть достаточно хороши даже для проверки бесконечно педантичным сверхразумом с бесконечно мощным микроскопом.

Подход Гаусса к правильным многоугольникам основан на открытии Декарта, которое гласит, что геометрия и алгебра – две стороны одной монеты, связанные между собой координатами на плоскости. Прямая линия представляется уравнением, которому должны соответствовать координаты каждой ее точки. То же можно сказать об окружностях, только уравнение там получается посложнее. Если две прямые или окружности пересекаются, то точки их пересечения должны удовлетворять обоим уравнениям. Если вы пытаетесь найти эти точки путем решения пары уравнений, то для двух прямых все получится достаточно просто. Если прямая пересекается с окружностью или если пересекаются две окружности, то вам придется решить квадратное уравнение. Для этого существует формула, и ее ключевое действие – извлечение квадратного корня. Остальное сводится к простой арифметике: сложить, вычесть, умножить, разделить.

Процесс геометрического построения при помощи линейки и циркуля сводится, с точки зрения алгебраиста, к формированию последовательности квадратных корней. Если воспользоваться кое-какими специфическими приемами, станет ясно, что это то же самое, что решить уравнение, «степень» которого – наибольшая степень неизвестного в нем – равна 2, 4, 8, 16, то есть представляет собой степень двойки. Не каждое такое уравнение сводится к совокупности квадратных уравнений, но ключ здесь – степень двойки. Какая именно степень, определяет, сколько квадратных уравнений вам потребуется объединить в цепочку.

Правильные многоугольники превращаются в очень простые уравнения, если воспользоваться комплексными числами, в которых из –1 можно извлечь квадратный корень. Вот, к примеру, уравнение для вершин правильного пятиугольника:

Согласитесь, очень простое и элегантное уравнение. Если исключить очевидное действительное решение x = 1, то остальные удовлетворяют уравнению

По-прежнему красивое уравнение и, главное, четвертой степени, а 4 – степень двойки. Нечто аналогичное происходит и с уравнением семнадцатиугольника, но здесь в уравнениях складываются степени неизвестного вплоть до шестнадцатой, а 16 – тоже степень двойки.

С другой стороны, правильный семиугольник имеет аналогичное уравнение степени 6, которая не является степенью двойки. Так что вы определенно не можете построить правильный семиугольник при помощи линейки и циркуля[19]. Поскольку Евклид строит пятиугольник, его уравнение тоже должно сводиться к серии квадратных уравнений. Применив алгебру, несложно выяснить, как именно. Вооруженный этой идеей, Гаусс обнаружил, что уравнение семнадцатиугольника тоже сводится к серии квадратных уравнений. Во-первых, 16 = 2⁴, то есть степень двойки, что необходимо для разложения в систему квадратных уравнений, хотя не всегда достаточно. Во-вторых, 17 – простое число, что позволило Гауссу найти эту систему.

Любой знающий математик мог проследить за рассуждениями Гаусса после того, как тот показал верный путь, но никто другой даже не заподозрил, что Евклид в свое время назвал не все правильные многоугольники, которые можно построить.

Неплохо для девятнадцатилетнего юноши.

Благодаря финансовой помощи герцога Гаусс продолжал двигаться вперед семимильными шагами, особенно в теории чисел. С детства он умел молниеносно считать и мог мгновенно проделывать в уме сложные арифметические расчеты. В докомпьютерную эпоху такая способность была очень полезна. Она помогала ему быстро продвигаться вперед в теории чисел, и репутация молодого Гаусса заметно подросла, когда он написал один из самых известных исследовательских текстов в истории математики – «Арифметические исследования» (Disquisitiones Arithmeticae). Эта книга сделала для теории чисел то, что Евклид двумя тысячелетиями раньше сделал для геометрии. Благодаря субсидии, которую выделил пунктуальный герцог, книга вышла в 1801 г.; автор в ответ посвятил книгу спонсору.

Один из основных методов, используемых в книге, представляет собой типичный пример способности Гаусса синтезировать из массы неорганизованных и сложных результатов простые понятия. Сегодня мы называем этот метод модульной арифметикой. Многие ключевые результаты в теории чисел зиждутся на двух простых вопросах:

При каких условиях одно заданное число делится на другое?

Если не делится, то как связаны эти два числа?

Проведенное Ферма различие между 4k + 1 и 4k + 3 относится к этому же типу. Здесь речь идет о том, что произойдет, если разделить некое число на 4. Иногда оно делится нацело. Числа

кратны четырем. Остальные четные числа

не кратны. Мало того, каждое из них при делении на 4 дает остаток 2; то есть они представляют собой сумму числа, кратного 4, и «остатка» 2. Аналогично нечетные числа дают в остатке либо 1:

либо 3:

До того как Гаусс взял это дело в свои руки, обычно говорили, что эти последовательности содержат числа вида 4k, 4k + 1, 4k + 2 и 4k + 3, если расставить их в порядке возрастания остатков. Гаусс сказал иначе: это группы чисел, сравнимых с 0, 1, 2, 3 (или конгруэнтных 0, 1, 2, 3 соответственно) по модулю 4. Или, если вспомнить освященную временем латынь, modulo 4.

До сих пор все это только терминология, но главное здесь – структура. Если вы складываете два числа или перемножаете их и спрашиваете, с которым из чисел 0, 1, 2, 3 сравним (все по модулю 4) результат, то оказывается, ответ на этот вопрос зависит только от того, с какими из чисел сравнимы первоначально взятые вами числа. К примеру:

– если вы складываете числа, сравнимые с 2 и 3, то результат всегда сравним с 1;

– если вы перемножаете числа, сравнимые с 2 и 3, то результат всегда сравним с 2.

Посмотрим на примере. Число 14 сравнимо (по-прежнему все происходит по модулю 4) с 2, а число 23 – с 3. Их сумма равна 37 и должна быть сравнима с 1. Так и есть: 37 = 4 × 9 + 1. Произведение этих чисел равно 322 = 4 × 80 + 2.

Возможно, это звучит немного глуповато, но такая система позволяет нам отвечать на вопросы о делимости на 4 при помощи всего лишь этих четырех «классов сравнимости». Применим эту идею к простым числам, представляющим собой сумму двух полных квадратов. Любое целое число сравнимо (по модулю 4) с 0, 1, 2 или 3. Следовательно, их квадраты сравнимы с квадратами этих четырех чисел, то есть с 0, 1, 4 или 9, а те, в свою очередь, сравнимы с 0, 1, 0, 1 соответственно. Перед вами очень быстрый и очень простой способ доказать, что любой квадрат имеет вид 4k или 4k + 1, в старой терминологии. Но это еще не все. Суммы двух квадратов, следовательно, сравнимы либо с 0 + 0, 0 + 1, либо с 1 + 1; то есть с 0, 1 или 2. Здесь обращает на себя внимание отсутствие 3. Мы доказали, что сумма двух квадратов не может быть сравнима с 3 по модулю 4. Мы видим, что таким образом утверждение, которое на первый взгляд кажется довольно хитрым и неочевидным, и в модульной арифметике становится тривиальным.

Если бы этот метод был ограничен сравнимостью по модулю 4, в нем, конечно, не было бы особого смысла, но 4 можно заменить на любое другое число. Если вы, к примеру, выберете число 7, то каждое число будет сравнимо по модулю 7 с каким-нибудь числом из точно известного набора: 0, 1, 2, 3, 4, 5 или 6. Здесь опять же можно предсказать класс сравнимости суммы или произведения чисел по их собственным классам сравнимости. Так что можно производить арифметические действия (а следовательно, и алгебраические) с использованием классов сравнимости вместо чисел.

В руках Гаусса эта идея стала краеугольным камнем далеко идущих теорем о числах. В частности, она привела его к одному из самых впечатляющих открытий, сделанному в возрасте 18 лет. Задолго до Гаусса Ферма, Эйлер и Лагранж обращали внимание на эту закономерность, но никто из них не привел доказательство. Гаусс доказательство вывел и опубликовал в 1796 г., когда ему было 19 лет; всего он нашел шесть доказательств. Для себя он называл эту теорему Theorema Aureum, то есть Золотая теорема. Ее официальное название, гораздо более неуклюжее и менее подходящее для новостных заголовков, – Квадратичный закон взаимности. Это инструмент, помогающий ответить на один базовый вопрос: как выглядят полные квадраты для заданного модуля? К примеру, мы видели, что любой квадрат (modulo 4) равен либо 0, либо 1. Эти числа называют квадратичными вычетами (modulo 4). Остальные два класса, 2 и 3, – квадратичные невычеты. Если вместо 4 мы возьмем 7, то квадратичными вычетами (modulo 7) окажутся

(квадраты 0, 1, 3, 2 в этом порядке), а квадратичными невычетами –

В целом, если в качестве модуля используется нечетное простое p, вычетами является чуть больше половины классов сравнимости, а чуть меньше половины классов являются невычетами. Однако в том, какие числа попадают в вычеты, а какие – в невычеты, нет никакой очевидной закономерности.

Предположим, что p и q – нечетные простые числа. Можно задать два вопроса:

Является ли p квадратичным вычетом по модулю q?

Является ли q квадратичным вычетом по модулю p?

Неясно, должны ли эти вопросы быть хоть как-то связаны между собой, но Золотая теорема Гаусса утверждает, что оба они имеют один и тот же ответ, если только оба числа p и q не имеют вида 4k + 3; если имеют, то ответы противоположны: один – да, другой – нет. Теорема ничего не говорит о том, каким именно должен быть ответ; речь идет только о связи между ними. Но даже в этом случае, при некоторых дополнительных усилиях, Золотая теорема приводит к эффективному методу определения, является ли заданное число квадратичным вычетом по модулю другого заданного числа или нет. Однако если число является квадратичным вычетом по модулю другого числа, то этот метод не подскажет вам, какой именно квадрат нужно использовать. Даже такой базовый вопрос, как этот, скрывает в себе глубокие тайны.

Сердце «Арифметических исследований» – тщательно проработанная теория арифметических свойств квадратичных форм – всевозможных хитроумных вариаций на тему «суммы двух квадратов», – которая с тех пор успела развиться в несколько обширных и сложных теорий, тесно связанных со многими другими областями математики. На случай, если все это представляется вам ужасно заумным, поясню, что квадратичные вычеты играют важную роль, к примеру, в обеспечении хорошей акустики в концертных залах. Они говорят нам, какую форму следует придать отражателям и поглощателям звука на стенах. А квадратичные формы лежат в основе всей современной математики, как теоретической, так и прикладной.

Произведения Гаусса немногословны, элегантны и выразительны. «Если вы построили чудесное здание, строительных лесов на нем уже не должно быть видно», – писал он. Это справедливо, если вы хотите, чтобы люди полюбовались вашим зданием, но если вы готовите архитекторов и строителей, то вам обязательно нужно показать им леса и подробно познакомить с их устройством. То же можно сказать и о подготовке следующего поколения математиков. Карл Якоби жаловался, что Гаусс «как лис, заметающий свои следы на песке собственным хвостом». И Гаусс был не одинок в такой практике. Мы видели, что Архимеду, чтобы приведенные им в трактате «О шаре и цилиндре» доказательства работали, нужно было знать площадь поверхности и объем шара, но в этом трактате он не стал их раскрывать и оставил при себе. Справедливости ради заметим, что он раскрыл лежащие в их основе рассуждения в трактате «О методе». Ньютон при получении многих результатов, изложенных в его «Началах», пользовался методами дифференциального исчисления, а при представлении их замаскировал под чистую геометрию. Требования объема при журнальных публикациях, давление привычки и традиции до сих пор делают значительную часть публикуемых математических исследований менее вразумительными, чем нужно. Я не убежден, что такое отношение полезно для профессии, но изменить его очень трудно; кроме того, существуют и аргументы в его пользу. В частности, трудно следить за ходом мысли, которая то и дело отклоняется от верного пути в сторону и попадает в тупик; в этом случае можно лишь вернуться на верную дорогу по своим же следам.

Академическая репутация Гаусса была высока до небес, и у него не было причин предполагать, что герцог в какой-то момент в будущем прекратит его финансировать, но постоянный оплачиваемый пост тем не менее еще более упрочил бы его положение. Чтобы получить такой пост, полезно было заработать еще и публичную репутацию. Возможность представилась в 1801 г. В первый день нового года астроном Джузеппе Пиацци произвел настоящую сенсацию, открыв «новую планету». Мы сегодня считаем этот объект карликовой планетой, но большую часть времени, миновавшего со времени открытия, он был астероидом. Но, каков бы ни был его статус, называется он Церерой. Астероиды – это сравнительно небольшие тела, орбиты которых располагаются (в основном) между орбитами Марса и Юпитера. На этом расстоянии от Солнца на основании эмпирической закономерности в размерах планетарных орбит (закона Тициуса – Боде) было предсказано существование планеты. Орбиты всех известных на тот момент планет вполне укладывались в этот закон, за исключением того, что между Марсом и Юпитером наблюдался большой промежуток, в котором как раз и могла таиться незамеченная планета.

К июню венгерский знакомец Гаусса, астроном и барон Франц Ксавер фон Цах, опубликовал результаты наблюдений Цереры. Однако Пиацци в начале года сумел пронаблюдать новооткрытое небесное тело лишь на небольшом участке его орбиты. Когда объект исчез из виду, скрывшись в сиянии Солнца, астрономы встревожились, что не смогут отыскать его вновь. Гаусс придумал новый метод получения точной орбиты на основании небольшого числа наблюдений, и Цах опубликовал предсказание Гаусса вместе с несколькими другими предсказаниями; каждый автор предсказывал что-то свое, совпадений не было. В декабре Цах обнаружил потерянную Цереру почти точно в той точке, где, по предсказанию Гаусса, она должна была находиться. Это достижение окончательно закрепило репутацию Гаусса как математического маэстро, и вознаграждением для него стало назначение в 1807 г. на пост директора Гёттингенской обсерватории.

К тому моменту Гаусс был женат на Иоганне Остгоф, но в 1809 г. она умерла, дав жизнь их второму сыну, который тоже вскоре умер. Гаусс был подавлен этой семейной трагедией, но продолжал заниматься своей математикой. Может быть, математика позволяла ему отвлечься и тем самым помогала справиться с горем. Он расширил свое исследование, связанное с орбитой Цереры, и создал на его основе общую теорию небесной механики: движения звезд, планет и их спутников. В 1809 г. он опубликовал «Теорию движения небесных тел, обращающихся вокруг Солнца по коническим сечениям». Менее чем через год после смерти Иоганны Гаусс вновь женился – на ее близкой подруге Вильгельмине Минне Вальдек.

К этому моменту Гаусс уже прочно утвердился в роли лидера немецкой – а значит, и мировой – математики. Его мнение ценилось и всюду встречало уважение; нескольких слов похвалы или критики из его уст было достаточно, чтобы кардинальным образом повлиять на чью-нибудь карьеру. В целом он не злоупотреблял своим влиянием и много делал для поощрения молодых математиков, однако его взгляды были очень консервативными. Гаусс сознательно избегал любых вопросов, которые могли вызвать споры и противоречия; он прорабатывал их для собственного удовольствия, но не публиковал. Иногда такое сочетание приводило к несправедливости. Самый вопиющий пример такого рода связан с неевклидовой геометрией, но эту историю я отложу до следующей главы.

Гаусс оставил после себя широкий спектр работ в самых разных областях математики. Он дал первое строгое доказательство Основной теоремы алгебры о том, что любое полиномиальное уравнение имеет решения в комплексных числах. Он дал строгое определение комплексных чисел как пар действительных чисел, с которыми можно проводить определенные операции. Он доказал фундаментальную теорему комплексного анализа, известную как теорема Коши, потому что Огюстен-Луи Коши не только доказал ее независимо, но и опубликовал доказательство. В действительном анализе можно проинтегрировать некоторую функцию на определенном интервале и получить при этом площадь под соответствующей кривой. В комплексном анализе функцию можно проинтегрировать вдоль некоторой кривой на комплексной плоскости; называется такой интеграл интегралом по контуру. Гаусс и Коши доказали, что если начальные и конечные точки двух контуров совпадают, то значение интеграла по тому и другому контуру зависит только от этих точек, при условии что функция не принимает бесконечных значений ни в какой точке внутри замкнутой кривой, полученной в результате объединения двух контуров. Этот простой результат имеет глубокие следствия для соотношения между комплексной функцией и ее сингулярностями – точками, в которых она принимает бесконечные значения.

Гаусс сделал первые шаги к топологии и ввел понятие коэффициента зацепления – топологического свойства, которое часто можно использовать для доказательства того, что две сцепленные кривые невозможно расцепить при помощи непрерывной деформации. Эту концепцию позже обобщил для более высоких размерностей Пуанкаре (глава 18). Кроме того, это был первый шаг к созданию теории топологии узлов – темы, о которой Гаусс тоже размышлял и которая сегодня имеет свои приложения в квантовой теории поля и строении ДНК-молекулы.

Как директор Гёттингенской обсерватории Гаусс вынужден был посвящать много времени строительству новой обсерватории, которое завершилось в 1816 г. Не пренебрегал он и математикой: публиковал работы по бесконечным рядам и гипергеометрической функции, статью по численному анализу, кое-какие статистические идеи и работу «Теория притяжения однородного эллипсоида» о гравитационном притяжении сплошного однородного эллипсоида – лучшей аппроксимации для формы планеты, чем шар. В 1818 г. ему было поручено провести геодезическую съемку Ганновера, доработав при этом существующие методики съемки. К 1820-м гг. Гаусс заинтересовался измерением формы Земли. Ранее он доказал теорему, которую назвал Theorema Egregium (Замечательная теорема). Она характеризует форму поверхности независимо от окружающего ее пространства. За эту теорему и за проведенную геодезическую съемку в 1822 г. он был удостоен Копенгагенской премии.

В это время в семейной жизни Гаусса начался сложный период. Его мать постоянно болела, и он перевез ее к себе и поселил в своем доме. Ему предлагали пост в Берлине, и жена хотела, чтобы он согласился на этот пост, но Гаусс не хотел покидать Гёттинген. Затем, в 1831 г., его жена умерла. Побороть горе ему помог приезд физика Вильгельма Вебера. Гаусс был знаком с Вебером уже несколько лет, и они вместе работали над исследованием магнитного поля Земли. Гаусс написал на эту тему три значительные работы, изложил в них фундаментальные результаты в физике магнетизма и определил при помощи своей теории местоположение Южного магнитного полюса. Вместе с Вебером он открыл то, что мы сегодня называем законами Кирхгофа для электрических цепей. Они также построили один из первых работающих электрических телеграфов, способный посылать сообщения более чем на километр.

Когда Вебер покинул Гёттинген, математическая продуктивность Гаусса пошла на спад. Он перенес свою деятельность в финансовый сектор, организовав Вдовий фонд Гёттингенского университета. Опыт, полученный в этом деле, он употребил с пользой – и сделал себе состояние, вкладывая деньги в облигации различных компаний. Тем не менее он продолжал консультировать двух докторантов, Моритца Кантора и Ричарда Дедекинда. Последний позже описал ту спокойную и четкую манеру, в которой Гаусс вел исследовательские дискуссии; сначала участники вместе вырабатывали базовые принципы, затем он формулировал их и записывал на небольшой доске своим элегантным почерком.

Умер Гаусс очень спокойно, во сне, в 1855 г.

На протяжении двух с лишним тысяч лет «Начала» Евклида считались совершенным образцом логически выстроенного научного трактата. Начав с нескольких простых допущений, каждое из которых было сформулировано явно, Евклид постепенно, шаг за шагом, выстроил всю сложную конструкцию геометрии. Он начал с геометрии плоскости, а затем перешел к трехмерной геометрии. Логика Евклида была настолько убедительной, что его геометрия рассматривалась не просто как удобное идеализированное математическое представление видимой структуры физического пространства, но как реальное его описание. За исключением сферической геометрии – геометрии сферической поверхности, которая широко используется в навигации как хорошая аппроксимация формы Земли, – среди математиков и других ученых царило мнение о том, что Евклидова геометрия – единственная возможная геометрия и потому именно она определяет структуру физического пространства. Сферическая геометрия – это не другой тип геометрии; это та же самая геометрия, ограниченная пределами сферы, погруженной в Евклидово пространство. Точно так же, как плоская геометрия – это геометрия плоскости в Евклидовом пространстве.

Вся геометрия Евклидова, другой не бывает.

Одним из первых заподозрил, что это чепуха, именно Гаусс, но он, как обычно, не спешил публиковать результаты, считая, что такая публикация разворошит муравейник. Наиболее вероятной реакцией на подобное заявление стали бы непонимающие взгляды и обвинения – и хорошо если в невежестве, а не в безумии. И вообще, осмотрительный первопроходец выбирает те районы джунглей, где никто не будет выкрикивать ему вслед оскорбления с верхушек деревьев.

Николай Иванович Лобачевский оказался более храбрым – а может быть, более безрассудным или более наивным, – чем Гаусс. Вероятно, и то, и другое, и третье. Разработав геометрию, альтернативную Евклидовой, столь же логичную, как и ее знаменитая предшественница, со своей замечательной внутренней красотой, он понял ее значимость и изложил свои мысли в книге «Геометрия», работа над которой была завершена в 1823 г. В 1826 г. он обратился в физико-математическое отделение Казанского университета с просьбой разрешить ему прочитать лекцию по этой теме, и в конечном итоге статья увидела свет в малоизвестном журнале «Казанский вестник». Он также представил статью в престижную Санкт-Петербургскую академию наук, но Михаил Остроградский, специалист по прикладной математике, отверг ее. В 1855 г. Лобачевский, ослепший к тому времени, продиктовал новый текст по неевклидовой геометрии, озаглавленный «Пангеометрия». Сама же «Геометрия» в первоначальном виде была издана в 1909 г., через много лет после смерти ученого.

Замечательные открытия Лобачевского, наряду с открытиями еще более несправедливо отвергнутого математика Яноша Бойяи, сегодня признаны началом гигантской революции в представлениях человечества о геометрии и природе физического пространства. Но такова вечная судьба первопроходцев – не встречать понимания и подвергаться гонениям. Идеи, которые должны были бы, в принципе, привлекать всеобщее внимание своей оригинальностью, обычно сразу же объявляют чепухой, а их создатели нигде не встречают понимания. У них гораздо больше шансов встретить враждебность – вспомните хотя бы теорию эволюции и изменения климата. Мне иногда кажется, что род человеческий недостоин своих великих мыслителей. Когда они пытаются показать нам звезды, предрассудки и недостаток воображения тянут нас всех назад, в грязь.

В данном случае человечество было едино в своем убеждении: геометрия должна быть Евклидовой. Философы, такие как Иммануил Кант, добирались до невероятных глубин интеллекта, чтобы объяснить, почему это неизбежно. Это убеждение было основано на давней традиции, подкрепленной трудами многих поколений школьников, принужденных осваивать мудреные аргументы Евклида; эти уроки всегда служили своеобразной проверкой памяти. Люди по природе своей склонны ценить знания, которые достаются большим трудом: если геометрия Евклида не есть геометрия реального пространства, то все эти усилия, получается, были потрачены напрасно. Другой причиной была соблазнительная мысль, которую с тех пор окрестили «аргументом к невероятности». Ну конечно, единственно возможная геометрия – Евклидова. Какая же еще?

На риторические вопросы иногда даются риторические ответы, и этот конкретный вопрос, воспринятый всерьез, завел математиков в глухие интеллектуальные дебри. Первоначальной мотивацией служила одна из особенностей трактата «Начала» Евклида, в котором обнаружился недочет. Не ошибка, а всего лишь нечто, казавшееся недостаточно элегантным и в каком-то смысле лишним. Евклид организовал свое изложение геометрии последовательно, в логическом порядке, а начал с простых допущений, которые были сформулированы явно и не доказывались. Все остальное затем выводилось логически из этих допущений, шаг за шагом. По большей части допущения эти были просты и разумны: «все прямые углы равны между собой»[20], к примеру. Но одно из них было настолько сложным, что выделялось в общем ряду, как белая ворона в стае.

Это утверждение известно как аксиома (или постулат) о параллельных, потому что на самом деле речь здесь идет о параллельных прямых. Если две прямые линии параллельны, они никогда не пересекаются. В данном случае аксиома о параллельных гласит, что сумма внутренних углов в этом случае должна быть равна в точности удвоенному прямому углу – 180°. И наоборот, углы будут именно такими, если прямые параллельны.

Понятие о параллельных прямых фундаментально и очевидно: достаточно взглянуть на линованную бумагу. Представляется самоочевидным, что такие прямые существуют и они, разумеется, никогда не встретятся, потому что расстояние между ними всюду одинаково и, соответственно, не может стать нулевым. Евклид наверняка создал проблему на пустом месте, ведь все так очевидно! Возникло общее ощущение, что должна существовать возможность доказать аксиому о параллельных, используя остальные Евклидовы допущения. Мало того, некоторые (таких людей было несколько) были убеждены, что сделали это, но ни одно из подобных доказательств не выдержало проверки: независимые математики всегда обнаруживали в них ошибку или незамеченное спорное допущение.

Одну из первых попыток разрешить этот вопрос предпринял в XI в. Омар Хайям. Я упоминал его работу, связанную с кубическими уравнениями, но это был ни в коем случае не единственный его взнос в математическую копилку. Его «Комментарии к трудностям во введениях книги Евклида» построены на более ранней попытке Хасана ибн аль-Хайсама (в латинизированном варианте Альхазен) доказать аксиому о параллельных. Хайям логически отверг доказательство Ибн аль-Хайсама, как и другие «доказательства», и заменил их рассуждениями, в которых свел аксиому о параллельных к более интуитивно понятному утверждению.

Один из ключевых чертежей Хайяма точно отражает суть проблемы. Его можно рассматривать как попытку построения прямоугольника – совершенно честную, можно сказать, попытку. Проводим прямую линию и строим под прямым углом к ней два отрезка прямых равной длины. Наконец, соединяем вторые концы этих отрезков, чтобы получить четвертую сторону прямоугольника. Готово!

Или нет? Откуда мы можем знать, что получившаяся в результате фигура – прямоугольник? В прямоугольнике все углы прямые, а противоположные стороны равны. На рисунке Хайяма мы видим, что два угла заведомо прямые и одна пара сторон одинакова. А что с остальными?

Да, согласен, все выглядит так, будто мы нарисовали прямоугольник, но это потому, что мы невольно пользуемся геометрией Евклида как мысленным ориентиром. И действительно, в Евклидовой геометрии мы можем доказать, что CD = AB и углы C и D тоже прямые. Однако этот вывод требует применения… той самой аксиомы о параллельных. Это едва ли можно считать удивительным, поскольку мы ожидаем, что CD будет параллельно AB. Если вы хотите доказать аксиому о параллельных на основании прочих аксиом Евклида, вам придется доказать, что Хайям нарисовал прямоугольник, не прибегая к аксиоме о параллельных. Более того, как понял Хайям, если вам удастся это доказать, дело будет сделано. Сама аксиома о параллельных напрямую из этого следует. Пытаясь избежать ловушки, связанной с попыткой доказать аксиому о параллельных, Хайям заменил ее на более простое предположение: «Две сходящиеся прямые пересекаются; невозможно, чтобы две сходящиеся прямые расходились в том же направлении, в каком они сходятся». И он вполне отчетливо понимал, что это действительно допущение.

Джованни Саккери развил чертежи Хайяма – а может быть, пришел к тем же результатам независимо, – но сделал при этом шаг назад, попытавшись с их помощью доказать аксиому о параллельных. Его «Евклид, очищенный от всех пятен» вышел в 1733 г. Он разбил свое доказательство на три возможных варианта, в зависимости от того, является ли угол C на рисунке прямым, острым (то есть меньшим, чем прямой) или тупым (большим, чем прямой). Саккери доказал, что, каким бы ни был тип угла C на одном таком чертеже, ровно таким же он будет и на любом другом чертеже подобного рода. Углы, о которых идет речь, все будут либо прямыми, либо острыми, либо тупыми. Таким образом, существует всего три общих случая, а не три случая для каждого прямоугольника в отдельности. Это большой шаг вперед.

Стратегия доказательства Саккери состояла в том, чтобы рассмотреть альтернативные варианты острых и тупых углов с целью отвергнуть их, распознав какое-либо противоречие. Сначала он предложил считать угол тупым. Это привело к результатам, которые он счел несовместимыми с другими аксиомами Евклида, – и отбросил этот вариант. Чтобы избавиться от варианта с острым углом, ему потребовалось намного больше времени, но в конечном итоге он вывел теоремы, противоречившие, по его мнению, остальным аксиомам. На самом деле это не так: если они чему-то и противоречат, то Евклидовой геометрии, аксиоме о параллельных и прочему. Так что Саккери думал, что доказал аксиому о параллельных, а мы сегодня считаем его работу большим шагом к логически непротиворечивым неевклидовым геометриям.

* * *

Отец Лобачевского, Иван, был мелким чиновником в учреждении, занимавшемся геодезической съемкой. Его мать Прасковья, как и отец, была родом из Польши. Отец Николая умер, когда мальчику было семь лет, и мать с детьми переехала в Казань. После окончания школы Николай в 1807 г. поступил в Казанский университет. Начал он с изучения медицины, но вскоре переключился на математику и физику. Среди его профессоров был друг Гаусса и бывший школьный учитель Бартельс.

В 1811 г. Лобачевский получил степень магистра математики и физики; он стал преподавателем, затем экстраординарным профессором, а к 1822 г. и полным профессором. Университетом в тот момент руководили консерваторы и ретрограды, опасавшиеся всего нового, особенно в естественных науках и философии. Они считали то и другое своего рода опасными следствиями Французской революции и угрозой православию – господствующей религии в России того времени. В результате академическая жизнь застопорилась, лучшие преподаватели (среди них и Бартельс) уехали, многих уволили; научные стандарты заметно снизились. Это было не лучшее место для человека, которому предстояло разрушить косную традицию в геометрии, насчитывавшую не одну тысячу лет; к тому же откровенность и независимость отнюдь не облегчали Лобачевскому жизнь. Тем не менее он продолжал математические исследования, и читаемые им курсы были образцом ясности и логичности изложения.

Административная карьера Лобачевского началась со вступления в университетскую комиссию по содержанию зданий и развивалась вполне успешно. Он приобретал новое оборудование для физической лаборатории и книги для библиотеки; руководил обсерваторией, был деканом физико-математического факультета с 1820 по 1825 г., заведовал библиотекой с 1825 по 1835 г. Его разногласия с властями сгладились, когда на престол взошел Николай I, который спокойнее относился к политике и управлению. Царь снял попечителя (формального главу) университета Михаила Магницкого с должности. Пришедший ему на смену Михаил Мусин-Пушкин стал надежным союзником Лобачевского, и в 1827 г. тот был назначен ректором университета. Назначение оказалось очень успешным; Лобачевский проработал на этом посту 13 лет, и за это время университет обзавелся новыми зданиями – библиотекой, а также корпусом для занятий астрономией, медициной и физикой. Он поощрял исследования в области изящных искусств и физики, увеличивал число студентов. Благодаря его быстрым и решительным действиям удалось минимизировать ущерб от эпидемии холеры в 1830 г. и пожара в 1842 г.; царь прислал Лобачевскому благодарственное письмо. Все это время он не переставал читать лекции по математическому анализу и физике, а также публичные лекции на разные темы.

В 1832 г., в возрасте 40 лет, Лобачевский женился на состоятельной девушке много младше себя – Варваре Алексеевне Моисеевой. За этот период он опубликовал две работы по неевклидовой геометрии: статью о «воображаемой геометрии» в 1837 г. и конспективное изложение теории на немецком языке, которое вышло в 1840 г. и произвело большое впечатление на Гаусса. У Лобачевских было 18 детей, из которых выжили семеро. Семья владела роскошным домом и вела активную социальную жизнь. В результате к моменту отставки Николай остался практически без денег, да и брак расстроился. Его здоровье ухудшилось, и в 1846 г. университет избавился от Лобачевского, назвав это событие «отставкой». Вскоре после этого умер его старший сын, а сам он начал терять зрение; постепенно он совсем ослеп и потерял способность ходить. Лобачевский умер в 1856 г. в бедности; он так и не узнал, что кто-нибудь когда-нибудь обратит внимание на открытую им неевклидову геометрию.

* * *

В этом большом прорыве в равной степени участвовал еще один математик – Янош Бойяи. Его идеи вышли в печатном виде в 1832 г. как приложение к «Эссе для любознательных юношей с рассказом об элементах математики» его отца Фаркаша Бойяи (свои статьи, издававшиеся на немецком языке, он подписывал «Вольфганг Бойяи»); называлось оно «Приложение, содержащее науку о пространстве, абсолютно истинную, не зависящую от истинности или ложности XI аксиомы Евклида (что a priori никогда решено быть не может)». Как правило, львиную долю заслуг в превращении неевклидовой геометрии в значительную область математики приписывают Бойяи и Лобачевскому, но предыстория вопроса включает еще четырех ученых, которые либо отказывались публиковать свои идеи, либо публиковали их, но не встречали понимания.

Фердинанд Швейкарт исследовал «астральную геометрию», развивая случай с острыми углами из работы Саккери. Он отослал рукопись Гауссу, но так и не опубликовал ее. Он посоветовал своему племяннику Францу Тауринусу продолжить эту работу, и в 1825 г. Тауринус опубликовал «Теорию параллельных прямых». В его «Первых элементах геометрии» 1826 г. утверждается, что случай тупых углов тоже приводит к разумной неевклидовой «логарифмически-сферической» геометрии. Работа не привлекла никакого внимания, и автор в отчаянии сжег оставшиеся экземпляры. Один из учеников Гаусса Фридрих Вахтер тоже писал про аксиому о параллельных – и тоже не был замечен.

Чтобы дополнительно запутать всю эту историю, Гаусс первым, еще в 1800 г., понял, что проблема аксиомы о параллельных связана не с реальным пространством, а с внутренней логикой Евклидовой геометрии. Линии, начерченные по линейке на листе бумаги, не в состоянии прояснить ответ. Может быть, если бы вы взяли достаточно большой лист бумаги, они встретились бы через миллион километров. А может быть, если вы построите множество точек, равноудаленных от какой-то определенной прямой, то результирующая линия окажется не прямой. Разбираясь с этой возможностью, Гаусс, вполне может быть, надеялся, подобно Саккери, получить в конечном итоге противоречие. Вместо этого он получил растущее число элегантных, убедительных, взаимно непротиворечивых теорем и к 1817 г. был убежден в возможности логически непротиворечивых геометрий, отличных от Евклидовой. Но он ничего не публиковал на эту тему, заметив в одном письме 1829 г., что «может пройти очень долгое время, прежде чем я опубликую свои исследования по этому вопросу: мало того, этого может и не произойти при моей жизни, ибо я опасаюсь “криков невежд”».

Вольфганг Бойяи, будучи старым другом Гаусса, написал великому математику с просьбой прокомментировать (положительно, как он надеялся) эпохальное исследование сына. Ответ Гаусса разрушил его надежды:

Похвалить [работу Яноша] значило бы похвалить самого себя. В самом деле, все содержание его работы, путь, выбранный вашим сыном, результаты, к которым он пришел, совпадают почти полностью с размышлениями, занимавшими отчасти мой разум последние 30 или 35 лет. Поэтому я в нерешительности. Если говорить о моей собственной работе, из которой я до настоящего момента мало что предал бумаге, то моим намерением было не разрешить ее публикацию при моей жизни… Поэтому для меня приятным сюрпризом стало то, что я избавлен от этой проблемы, и я очень рад, что именно сын моего старого друга делает этот шаг, обгоняя меня, столь замечательным образом.

Все очень хорошо, но совершенно несправедливо, ведь Гаусс ничего по этому вопросу не публиковал. Конечно, отозваться с похвалой о радикальных идеях Яноша значило бы навлечь на свою голову «крики невежд». Похвалить в частном порядке, приватно, значило уклониться от ответа – и Бойяи-старший, и Гаусс это прекрасно понимали.

Лобачевский не знал, что по крайней мере два математика – Гаусс и Бойяи – уже занимались этой проблемой. Аксиома о параллельных подразумевает существование единственной прямой, параллельной к заданной и проходящей через заданную точку, и для начала он рассмотрел возможность того, что это утверждение ошибочно. Лобачевский заменил его утверждением о существовании множества таких прямых, чья «параллельность» означала, что прямые «не пересекаются, как бы далеко их ни продолжили». Он подробно проработал следствия из такого допущения. Он не доказал, что его геометрическая система логически непротиворечива, но не сумел и привести рассуждения к какому-нибудь противоречию; более того, убедился, что никакого противоречия здесь возникнуть не может. Мы сегодня называем его систему гиперболической геометрией, и она соответствует случаю острых углов Саккери. Тупые углы приводят к эллиптической геометрии, очень похожей на сферическую. Бойяи исследовал оба случая, тогда как Лобачевский ограничился только гиперболическим вариантом.

* * *

Потребовалось немало времени, чтобы математики осознали правомерность неевклидовой геометрии и постигли ее значение. Процесс признания начался с выхода из печати французского перевода работы Лобачевского, сделанного Жюлем Оуэлем в 1866 г., через 10 лет после смерти автора. В глаза пытливому читателю бросалась одна важная вещь: отсутствие доказательства того, что отрицание аксиомы о параллельных никогда не приведет к противоречию. Понимание пришло несколько позже: на самом деле существует три непротиворечивые геометрии, удовлетворяющие всем остальным аксиомам Евклида. Во-первых, это сама Евклидова геометрия; во-вторых, это эллиптическая геометрия, где параллельные прямые попросту не существуют; и в-третьих, это гиперболическая геометрия, где параллельные прямые существуют, но не единственны.

Доказательство непротиворечивости оказалось проще, чем можно было ожидать. Неевклидова геометрия может быть реализована как естественная геометрия поверхности постоянной кривизны: положительной для эллиптической геометрии, отрицательной – для гиперболической. Евклидова геометрия представляет собой переходный случай нулевой кривизны. Здесь «прямая» интерпретируется в «геодезическом» смысле, как кратчайшее расстояние между двумя точками. В такой интерпретации все аксиомы Евклида, кроме аксиомы о параллельных, могут быть доказаны при помощи Евклидовой геометрии. Если бы в эллиптической или гиперболической геометрии имелась хоть одна логическая нестыковка, ее можно было бы непосредственно перевести в соответствующую логическую нестыковку в Евклидовой геометрии поверхностей. Но если Евклидова геометрия непротиворечива, то непротиворечивы и эллиптическая, и гиперболическая геометрии.

В 1868 г. Эудженио Бельтрами предложил конкретную модель гиперболической геометрии: внутренняя геометрия поверхности, известной как псевдосфера и имеющей постоянную отрицательную кривизну. Он интерпретировал этот результат как наглядное подтверждение того, что на самом деле гиперболическая геометрия не есть нечто новое; это просто Евклидова геометрия, приспособленная к соответствующей поверхности. При этом он упустил из виду более глубокий логический вывод: эта модель доказывает непротиворечивость гиперболической геометрии, так что аксиома о параллельных не может быть выведена из других аксиом Евклида. Оуэль понял это в 1870 г., когда перевел статью Бельтрами на французский.

Подобрать модель для эллиптической геометрии было проще. По существу, это геометрия больших окружностей на сфере, с одной оговоркой. Большие окружности пересекаются в двух диаметрально противоположных точках, а не в одной точке, и потому не удовлетворяют остальным аксиомам Евклида. Чтобы исправить ситуацию, достаточно переопределить «точку» как «пару диаметрально противоположных точек» и рассматривать большую окружность как пару диаметрально противоположных полуокружностей. Это пространство – формально сфера с попарно отождествленными противоположными точками – обладает постоянной положительной кривизной, унаследованной от сферы.

Тем временем неевклидова геометрия начала потихоньку появляться и в других областях математики, в первую очередь в комплексном анализе, где она связана с преобразованием Мёбиуса, отображающим окружности (и прямые) на окружности (и прямые). Вейерштрасс прочел лекцию на эту тему в 1870 г. Клейн, двигавшийся в том же направлении, уловил суть и обсудил эту идею с Софусом Ли. В 1872 г. он составил важный документ – Эрлангенскую программу, в которой определил геометрию как науку об инвариантах групп преобразований. Такой подход объединил почти все варианты, на которые успела разделиться к тому времени геометрия; основным исключением из этого перечня стала Риманова геометрия для поверхностей непостоянной кривизны, где подходящих групп преобразований просто нет. Пуанкаре зашел еще дальше, предложив, в частности, собственную модель гиперболической геометрии. Пространство в ней представляет собой внутренность круга, а «прямые» линии – дуги окружностей, подходящих к границе круга под прямыми углами.

Позже гиперболическая геометрия стала одним из стимулов к появлению Римановой теории искривленных пространств любой размерности (многообразий), на которой построена теория гравитации Эйнштейна (глава 15). В число ее приложений в современной математике входят комплексный анализ, специальная теория относительности, комбинаторная теория групп и гипотеза (теперь уже теорема) о геометризации Тёрстона в топологии трехмерных многообразий (глава 25).

4 июня 1832 г. французская газета Le Precursor сообщила о сенсационном, хотя и ни в коем случае не уникальном в своем роде, событии:

Ночь перед дуэлью Галуа посвятил краткому изложению на бумаге своих математических исследований, основная часть которых была сосредоточена на использовании особых наборов перестановок, которые он называл «группами», для определения того, может ли некоторое алгебраическое уравнение быть решено в формульном виде. Он описал также связь этой идеи с особыми функциями, известными как эллиптические интегралы. Из результатов его работы прямо следует, что не существует алгебраической формулы для решения обобщенного уравнения пятой степени – вопрос, ставивший математиков в тупик не одно столетие, прежде чем Паоло Руффини опубликовал почти полное, но ужасно длинное доказательство, а Нильс Хенрик Абель получил доказательство попроще.

До сего дня существует несколько мифов об Эваристе Галуа, несмотря на все попытки историков разобраться в его биографии и установить истинный ход событий. Документальные свидетельства обрывочны и иногда противоречивы. К примеру, кто был его противником на дуэли? На газетную статью полагаться не стоит – начать с того, что журналисты даже возраст погибшего называют неправильно, – и многое остается неясным. А вот значимость математики Галуа никаких сомнений не вызывает. Понятие группы перестановок стало одним из первых существенных шагов к теории групп, а она, в свою очередь, оказалась ключом к глубокой математике симметрии; даже в наше время в этой области ведутся серьезные исследования. Группы сегодня играют центральную роль во многих областях математики, не обойтись без них и в математической физике. Они имеют важные приложения в области формирования структур во многих областях физической и биологической науки.

Отец Эвариста Николя-Габриэль, убежденный республиканец, стал мэром Бур-ля-Рена в 1814 г., после того как Людовик XVIII вновь стал королем. Его мать Аделаида-Мари (урожденная Демант) была хорошо образованной дочерью юридического консультанта. Она изучала религию и классические языки и до 12 лет сама обучала Эвариста дома. Мальчику легко давалась латынь, он заскучал – и нашел утешение в математике. Эварист читал продвинутые работы: «Начала геометрии» Лежандра и оригинальные труды Абеля и Лагранжа о решении полиномиальных уравнений «в радикалах». Этот термин относится к алгебраическим формулам, выражающим решения уравнений через коэффициенты с использованием базовых арифметических операций и извлечения корней второй, третьей и более высоких степеней. Вавилоняне в свое время решали в радикалах квадратные уравнения, а алгебраисты Возрождения делали то же самое с уравнениями третьей и четвертой степеней. Теперь же становилось очевидно, что эти методы выдохлись. Абель в 1824 г. доказал, что обобщенное уравнение пятой степени не может быть решено в радикалах, а в 1826 г. опубликовал развернутое доказательство.

Вопреки совету своего преподавателя математики, Галуа решил сдавать вступительные экзамены в престижную Политехническую школу (École Polytechnique) на год раньше, не потрудившись к ним подготовиться. Неудивительно, что он провалился. В 1829 г. он направил работу по теории уравнений в Парижскую академию, но рукопись затерялась. Галуа воспринял это как намеренное подавление его гения, хотя на самом деле это могло быть всего лишь результатом чьей-то небрежности. Вообще, год тогда выдался очень неудачный. Отец Галуа покончил с собой в результате политического конфликта с деревенским священником, который подделал подпись Николя на каких-то страшных документах. Вскоре после этого Галуа предпринял вторую и последнюю попытку поступить в Политехническую школу – и вновь потерпел неудачу. Вместо этого он поступил в менее престижную Подготовительную школу (École Preparatoire), которая позже была переименована в Нормальную, или Педагогическую, школу (École Normal). Он показывал хорошие успехи в физике и математике, но не в литературе, и окончил Школу в 1829 г. и по естественным наукам, и по словесности. Через несколько месяцев он подал новый вариант работы по уравнениям на конкурс Академии. Фурье, бывший тогда секретарем Академии, взял его рукопись домой, но умер, не успев дать на нее отзыв. Рукопись вновь куда-то делась – и Галуа вновь увидел в этом заговор с целью лишить его заслуженного вознаграждения. Такая позиция прекрасно уживалась с республиканскими взглядами молодого человека и дополнительно укрепляла его решимость участвовать по мере сил в разжигании революции.

Свою возможность принять реальное участие в деле революции Галуа упустил. В 1824 г. Людовика XVIII на престоле сменил Карл X, но к 1830 г. и этот король оказался под угрозой отречения. Чтобы избежать этого, он ввел цензуру прессы, но вызвал своими действиями только народный бунт. После трех дней хаоса был согласован компромиссный кандидат на престол – и королем стал Луи-Филипп, герцог Орлеанский. Но директор Нормальной школы запер на это время своих студентов в стенах школы и никуда их не выпускал. Галуа, как революционеру в душе, это не понравилось, и он написал в школьную газету письмо с яростными личными нападками на директора. Галуа подписал письмо, но редактор напечатал его без подписи, и директор, воспользовавшись этим предлогом, исключил Галуа за написание анонимного письма. Так что молодой человек поступил в артиллерийскую часть Национальной гвардии – милиции, где было полно республиканцев. Вскоре после этого король распустил Национальную гвардию как угрожающую безопасности.

В январе 1831 г. Галуа направил в Академию третью рукопись по теории уравнений. После двух месяцев молчания он написал президенту Академии; в письме он спрашивал, чем вызвана задержка, но ответа вновь не получил. Молодой человек пришел в болезненно возбужденное, едва ли не параноидальное душевное состояние. Софи Жермен, блестящая женщина-математик, писала о Галуа Гийому Либри: «Говорят, что он совершенно сойдет с ума, и я боюсь, что это правда». В апреле того же года состоялся суд, на котором судили 19 членов распущенной артиллерийской части Национальной гвардии за попытку свержения правительства; присяжные, однако, всех оправдали. На шумном банкете, где примерно две сотни республиканцев собрались, чтобы отметить оправдательный приговор, Галуа поднял бокал и кинжал. На следующий день он был арестован за угрозы королю. Он признался в своих действиях, но сообщил суду, что предложенный им тост звучал так: «Это для Луи-Филиппа, если он станет предателем». Доброжелательно настроенные присяжные оправдали юношу.

В июле Академия дала наконец заключение по представленной Галуа работе: «Мы сделали все от нас зависящее, чтобы понять доказательство г-на Галуа. Его рассуждения не обладают ни достаточной ясностью, ни достаточной полнотой для того, чтобы мы могли судить об их точности». Кроме того, рецензенты высказали и вполне разумную с точки зрения математики критику. Они ожидали увидеть изложение каких-то условий, которым должны соответствовать коэффициенты уравнения и по которым можно определить, решаемо ли это уравнение в радикалах. Галуа действительно доказал элегантное условие, но в нем были задействованы сами решения. А именно: каждое решение должно выражаться как рациональная функция двух других решений. Нам сегодня понятно, что простого критерия, основанного на коэффициентах, просто не существует, но тогда этого никто не знал.

Галуа вышел из себя. В День взятия Бастилии он вместе со своим другом Эрнестом Дюшатле был в первых рядах республиканской демонстрации; он вышел на демонстрацию вооруженным и в форме артиллериста Нацгвардии. То и другое было противозаконно. Оба товарища-революционера были арестованы и посажены в тюрьму в Сент-Пелажи ждать суда. Четыре месяца спустя Галуа был осужден и приговорен к шести месяцам тюрьмы. В заключении он занимался математикой, а когда в 1832 г. вспыхнула эпидемия холеры, молодого человека отправили в больницу, а затем выпустили под честное слово.

Получив свободу, он без памяти влюбился в молодую женщину, которую обозначил в своих записях только как «Стефани Д.»; остальная часть имени старательно замалевана. «Как могу я утешиться, когда всего за один месяц я исчерпал величайший источник счастья, какой только может быть у мужчины?» – писал Галуа другому своему другу, Огюсту Шевалье. Фрагменты письма означенной дамы он перенес и в свои записи. Один из них гласил: «Месье, будьте уверены, больше ничего не было бы. Ваши предположения неверны, а сожаления безосновательны». Иногда историки изображают Стефани этакой роковой женщиной и намекают, что «дело чести», давшее врагам Галуа повод вызвать его на дуэль, было сфабриковано. Однако в 1968 г. Карлос Инфантоцци заново исследовал оригинальную рукопись и сообщил, что пассией Галуа была Стефания-Фелиция Потерэн дю Мотель – дочь врача, снимавшего меблированные комнаты в том же доме, что и Галуа. Предложенное им прочтение вызывает некоторые сомнения, но выглядит довольно убедительно.

В полицейском отчете о дуэли сказано, что это был частный спор по поводу молодой дамы между Галуа и другим революционером. Накануне дуэли Галуа писал:

Его представление о даме было, естественно, предвзятым, но, если бы все это было подстроено его врагами, он вряд ли стал бы просить за них в своей записке.

Кто же был противником Галуа? Сведения об этом путаны и обрывочны. Александр Дюма в своих мемуарах говорит, что это был собрат-республиканец по имени Пешо д’Эрбенвиль. Что вновь возвращает нас к заметке в Le Precursor и загадочному убийце, обозначенному в ней «L. D.» Буква «D» могла бы, в принципе, относиться к д’Эрбенвилю, но даже если так, тогда «L» – еще одна ошибка в и без того неточной статье. Тони Ротман довольно убедительно доказывает, что «D» означает Дюшатле, хотя «L» при этом вызывает вопросы. Почему нет, известно немало случаев, когда дружба распадалась из-за женщины. Дрались на пистолетах – на 25 шагах, согласно результатам вскрытия, или в формате «русской рулетки», если верить заметке в Le Precursor. Косвенные данные подтверждают скорее второй вариант, поскольку Галуа был поражен в живот, что не так просто сделать с 25 шагов, но, если стрелять практически в упор, попадание гарантировано. Галуа умер на следующий день от перитонита, отказавшись от общения со священником, и был похоронен в общем рве на кладбище Монпарнас.

Накануне дуэли Галуа подытожил свои открытия в письме к Шевалье. Там он коротко рассказывает, как при помощи групп можно узнать, решаемо ли данное полиномиальное уравнение в радикалах, и касается других открытий – эллиптических функций, интегрирования алгебраических функций; есть там и непонятные намеки, о смысле которых мы можем только догадываться. Письмо заканчивается так:

К счастью для математики, такие люди нашлись. Первым из тех, кто по достоинству оценил достижения Галуа, был Жозеф-Луи Лиувиль. В 1843 г. Лиувиль выступил ровно перед теми же людьми, которые умудрились потерять или отвергнуть три рукопись Галуа. «Я надеюсь заинтересовать Академию, – начал он, – объявлением о том, что среди бумаг Эвариста Галуа я обнаружил решение, столь же точное, сколь и глубокое, следующей красивой задачи: существует ли решение [некоторого уравнения] в радикалах». Вскоре Якоби тоже прочел бумаги Галуа и, как Галуа и надеялся, понял их важность. К 1856 г. теорию Галуа преподавали на аспирантском уровне и во Франции, и в Германии. А в 1909 г. Жюль Таннери, директор Нормальной школы, открыл памятник Галуа в его родном городе Бур-ля-Рене; при этом он поблагодарил мэра города за «возможность принести извинения гению Галуа от имени школы, куда он поступил без всякой охоты, где не встретил понимания и откуда был изгнан, но для которой стал в конечном итоге одним из самых ярких имен».

Итак, что же сделал Галуа для математики?

Его идеи не были абсолютно неслыханными; это вообще редко случается в математике. Как правило, математики строят свои теории на базе подсказок, намеков и предположений предшественников. Удобной отправной точкой здесь может стать Ars Magna Кардано, где были предложены решения для алгебраических уравнений третьей и четвертой степени. Сегодня мы записываем эти решения в виде формул и выражаем через коэффициенты. Ключевая особенность этих формул состоит в том, что решение в них выстраивается с использованием стандартных операций алгебры – сложения, вычитания, умножения и деления, а также квадратных и кубических корней. Естественно предположить, что решение уравнения пятой степени тоже можно выразить такой формулой, в которой, скорее всего, будут присутствовать также корни пятой степени. (Корень четвертой степени – это квадратный корень из квадратного корня, так что сам по себе он избыточен.) Многие математики (в том числе любители) искали эту неуловимую формулу. Чем выше степень, тем сложнее становятся формулы, так что можно было ожидать, что формула для уравнения пятой степени будет особенно замысловатой. Но время шло, а отыскать эту формулу никто не мог. Постепенно до ученых начало доходить, что у длинной череды неудач может быть вполне объективная причина: это была попытка отыскать в темной комнате черную кошку, которой там нет, то есть найти то, чего на свете в принципе не существует.

Сказанное не означает, что уравнение не имеет решений. Любое уравнение пятой степени имеет по крайней мере одно действительное решение – и всегда имеет ровно пять решений, если разрешить комплексные числа и правильно учесть кратные решения. Но эти решения невозможно заключить в алгебраическую формулу, в которой не используется ничего более сложного, чем радикалы.

Первое серьезное свидетельство в пользу того, что дело может обстоять именно так, появилось в 1770-е гг., когда Лагранж написал длинный трактат об алгебраических уравнениях. Вместо того чтобы просто отметить, что традиционные решения верны, он задался вопросом о том, почему эти решения вообще существуют. Какие особенности уравнения делают его разрешимым в радикалах? Он унифицировал классические методы решения для второй, третьей и четвертой степеней, соотнеся их с особыми выражениями в формулах решения, которые при перестановке решений ведут себя довольно интересно. В качестве тривиального примера заметим, что сумма решений будет одинаковой, в каком бы порядке мы их ни записали. Как и произведение. Алгебраисты-классики доказали, что любое полностью симметричное выражение, подобное этим, всегда может быть выражено через коэффициенты уравнения, без всякого использования радикалов.

Более интересным примером для кубического уравнения с решениями a₁, a₂, a₃ является выражение

Если мы переставим решения циклически, так что a₁ → a₂, a₂ → a₃, a₃ → a₁, значение этого выражения не изменится. Однако, если мы поменяем два из них местами, так что a₁ → a₂, a₂ → a₁, a₃ → a₃, выражение поменяет знак. То есть как бы домножится на –1, а в остальном останется неизменным. Следовательно, его квадрат полностью симметричен и должен выражаться некоторым образом через коэффициенты. Это помогает объяснить, почему в формулу Кардано для решения кубических уравнений входят квадратные корни. Другое частично симметричное выражение объясняет присутствие там кубических корней.

Развивая эту идею, Лагранж нашел общий метод решения уравнений квадратных, кубических и четвертой степени с использованием перестановочных свойств конкретных выражений в решениях. Он показал также, что этот метод не работает для уравнений пятой степени. Он приводит не к более простому уравнению, а, наоборот, к более сложному, лишь усугубляя проблему. Это не означает, что такое уравнение невозможно решить никаким иным способом, но это уже явный намек на потенциальные проблемы.

В 1799 г. Паоло Руффини, поняв намек, опубликовал двухтомную «Общую теорию уравнений». «Алгебраическое решение обобщенных уравнений степени выше четвертой, – писал он, – всегда невозможно. Вот очень важная теорема, которую, мне кажется, я в состоянии доказать (если не ошибаюсь)». В качестве источника вдохновения он сослался на исследование Лагранжа. К несчастью для Руффини, перспектива продираться через 500-страничный том, наполненный сложной алгеброй, только для того, чтобы получить в конечном итоге отрицательный результат, никому не улыбалась, и на его работу не обратили практически никакого внимания. Ведущие алгебраисты начали уже примиряться с вероятным отсутствием решения, и это, вероятно, тоже не способствовало повышенному интересу. Да и слухи о том, что в книге есть ошибки, гасили всякое желание с ней знакомиться. Руффини попробовал еще раз, с доработанным доказательством, более простым, как ему казалось, для понимания. В 1821 г. Коши все же написал автору, что его книга «всегда казалась мне достойной внимания математиков и, насколько я могу судить, полностью доказывает невозможность решения алгебраических уравнений степени выше четвертой».

Возможно, похвала Коши несколько исправила репутацию Руффини, но ему не пришлось долго этому радоваться; он умер меньше чем через год. После его смерти математики пришли к общему мнению о том, что уравнение пятой степени невозможно решить в радикалах, но статус доказательства Руффини долго еще оставался неясным. Лишь много лет спустя в нем была обнаружена небольшая ошибка. Пробел можно было залатать, еще удлинив тем самым книгу Руффини, но к тому момент Абель уже нашел гораздо более короткое и простое доказательство. Мало того, оказалось, что один из его результатов вполне в состоянии дополнить доказательство Руффини. Абель умер молодым, вероятно от туберкулеза. Такое впечатление, что уравнение пятой степени было чем-то вроде отравленной чаши для всех, кто занимался поисками его решения.

И Руффини, и Абель взяли на вооружение ключевую идею Лагранжа: важно, какие выражения сохраняют инвариантность при определенных перестановках корней. Главный вклад Галуа заключался в создании общей теории, основанной на перестановках и применимой к любым полиномиальным уравнениям. Он не просто доказал, что какие-то конкретные уравнения нерешаемы в радикалах; он задался вопросом, какие из них решаемы. Его ответ состоял в том, что набор перестановок, сохраняющих все алгебраические соотношения между корнями, – он назвал это группой уравнения – должен иметь конкретную, довольно формальную, но четко определенную структуру. Детали этой структуры объясняют, какие именно радикалы появятся в решении, если решение в радикалах существует в принципе. Отсутствие такой структуры означает, что решения в радикалах просто нет.

Задействованная здесь структура весьма сложна, хотя и естественна с точки зрения теории групп. Уравнение решаемо в радикалах в том, и только том случае, если его группа Галуа имеет серию особых подгрупп (именуемых «нормальными»), такую, что конечная подгруппа содержит всего одну перестановку и число перестановок в каждой последующей подгруппе равно числу перестановок в предыдущей, деленному на некоторое простое число. Идея доказательства состоит в том, что нужны только простые радикалы – к примеру, корень шестой степени есть квадратный корень из кубического корня, при этом числа 2 и 3 – простые, – и каждый такой радикал снижает размер соответствующей группы делением числа ее членов на соответствующее простое число.

Группа Галуа для обобщенного уравнения четвертой степени, к примеру, содержит все 24 возможные перестановки решений. Эта группа имеет нисходящую цепочку нормальных подгрупп с размерами

и

Следовательно, уравнение четвертого порядка решить можно, и в формуле для решения мы ожидаем встретить квадратные (следует из двоек) и кубические (следует из троек) корни, но ничего больше.

Группы для квадратных и кубических уравнений меньше по размеру и опять же имеют нисходящие цепочки нормальных подгрупп, размеры которых изменяются делением на простые числа. А что с уравнением пятой степени? У него пять решений, что дает нам 120 перестановок. Единственная цепочка нормальных подгрупп имеет размеры

Поскольку 60/1 = 60 – не простое число, решений в радикалах у такого уравнения быть не может.

На самом деле Галуа не стал записывать доказательства того, что уравнение пятой степени не может быть решено в радикалах. Это уже доказал Абель, и Галуа знал об этом. Вместо этого он разработал обобщенную теорему, характеризующую все уравнения простых степеней, которые могут быть решены в радикалах. Показать, что обобщенное уравнение пятой степени не входит в число этих уравнений, – пустяк для Галуа настолько тривиальный, что он об этом даже не упоминает.

Значение Галуа для математики определяется не столько теоремами, сколько его методом. Его группа перестановок – сегодня мы называем ее группой Галуа – состоит из всех перестановок корней, сохраняющих алгебраические отношения между ними. В более общем плане, если задан некоторый математический объект, мы можем рассматривать все преобразования – может быть, перестановки, может быть, нечто более геометрическое, к примеру жесткое перемещение, – которые сохраняют его структуру. И совокупность таких преобразований называется группой симметрии объекта. Понятие «группа» здесь определяется одним конкретным свойством групп перестановок Галуа, которое он подчеркивал, но не развил в более общую концепцию. Суть в том, что последовательность двух любых симметричных преобразований всегда дает симметричное преобразование.

В качестве простого геометрического примера возьмем квадрат на плоскости и будем преобразовывать его при помощи различных жестких перемещений. Вы можете сдвигать этот квадрат, вращать его, можете даже перевернуть. При каких движениях из этого набора квадрат остается совершенно неизменным с виду? Сдвиг не годится; центр квадрата при этом перемещается в другое место. Вращать можно, но только на один или несколько прямых углов. Любой другой угол приведет к наклону квадрата, которого прежде не было. Наконец, квадрат можно перевернуть относительно любой из четырех осей: двух диагоналей и прямых, проходящих через центры противоположных сторон. Добавив еще тривиальное преобразование типа «ничего не трогать», получим ровно восемь симметрий.

Проделайте эту же процедуру с правильным пятиугольником – и получите 10 симметрий; для правильного шестиугольника их будет 12 и т. д. Круг имеет бесконечное множество симметрий: поворот на любой угол и переворот относительно любого диаметра. У разных фигур может быть разное число симметрий. Мало того, в игру вступают и более тонкие свойства, чем просто число симметрий, – следует учитывать не только то, сколько имеется симметрий, но и то, как они сочетаются.

Симметрия пронизывает собой все без исключения области математики, от алгебры до теории вероятностей, и занимает центральное положение в математике и теоретической физике. При знакомстве с любым математическим объектом вопрос «Какими симметриями он обладает?» сразу приходит на ум, и ответ на него часто несет в себе массу информации. В физике специальная теория относительности Эйнштейна занимается в основном тем, как ведут себя физические величины под действием преобразований определенной группы симметрий физических законов, известной как группа Лоренца и основанной на философском представлении о том, что законы природы не должны зависеть от того, где и когда их наблюдают. Сегодня все элементарные частицы квантовой механики – электроны, нейтрино, бозоны, глюоны, кварки – классифицируются и объясняются в рамках одной-единственной группы симметрий.

Галуа сделал принципиально важный шаг на пути, который позволил в конечном итоге формализовать симметрию как инвариант группы преобразований. Этот шаг привел к абстрактному определению группы – ключевого понятия в современном подходе в алгебре. Анри Пуанкаре однажды даже сказал, что группы – это и есть, по сути, «вся математика». Конечно, это преувеличение, но преувеличение простительное.

Эта семья не была счастливой.

Поэт лорд Джордж Гордон Байрон был убежден, что вскоре станет гордым отцом «великолепного мальчика», и был горько разочарован, когда его жена Анна Изабелла (урожденная Милбэнк; обычно ее звали Анабеллой) подарила ему девочку. Назвали ее Августа Ада – в честь сводной сестры Байрона Августы (Огасты) Ли. Байрон всегда называл ее Адой.

Через месяц супруги расстались, а еще через четыре месяца Байрон навсегда покинул берега Англии. Леди Байрон получила право опеки над дочерью и отказалась от дальнейших контактов с лордом Байроном, но Ада глядела на вещи шире; когда подросла, девочка стала интересоваться местонахождением и деятельностью отца. Он путешествовал по Европе, провел семь лет в Италии и умер, когда Аде было восемь лет, от болезни, подхваченной во время сражений против Оттоманской империи в ходе войны за независимость Греции. Много позже она попросила: когда умрет, похоронить ее рядом с отцом, и эта просьба, как и полагается, была выполнена.

Анабелла считала Байрона безумцем – его скандальное поведение отчасти оправдывало такую точку зрения. Косвенным образом это способствовало появлению у Ады интереса к математике. Анабелла сама обладала математическим талантом и активно интересовалась этой наукой. Способности Байрона, безусловно, лежали совсем в другой области. В одном из писем жене в 1812 г. он писал:

Таким образом, изучение математики было в глазах Анабеллы идеальным способом отдалить ребенка от отца. Более того, она верила, что математика тренирует и дисциплинирует ум. К занятиям математикой она добавила музыку, призванную обеспечить юным леди необходимые социальные навыки. Судя по всему, Анабелла, потратив немало усилий на организацию обучения дочери, сама почти не уделяла ей внимания; общалась девочка в основном с бабушкой и няней. В 1816 г. Байрон написал, что пора бы, наверное, Аде «познакомиться еще с одной родственницей», а именно с собственной матерью.

Ада испытала на себе все достоинства и недостатки воспитания, принятого в высших классах английского общества; учили ее последовательно несколько частных наставников. Некая мисс Ламонт заинтересовала девочку географией, которую определенно ставила выше арифметики, так что Анабелле пришлось настоять на замене одного из уроков географии на дополнительную арифметику, а вскоре попросту избавиться от мисс Ламонт. Членов семьи беспокоило, что девочка подвергается излишнему давлению, что она получает слишком много наказаний и слишком мало поощрений. К обучению Ады привлекли преподавателя, учившего в свое время математике саму Анабеллу, – Уильяма Френда, но он был уже стар и давно не следил за положением дел в своей науке. В 1829 г. в доме появился новый учитель – доктор Уильям Кинг, но его математические способности были невелики. Настоящие математики знают, что их предмет – не развлечение для зрителей; нужно заниматься математикой, чтобы по достоинству ее оценивать. Кинг же предпочитал читать о математике. Чтобы обуздать обнаружившуюся у Ады «склонность к спорам», была приглашена Арабелла Лоуренс. Тем временем Ада начала болеть; в частности, она тяжело переболела корью, что надолго задержало ее развитие.

В 1833 г. Ада была представлена ко двору, как приличествовало любой девушке ее возраста и положения. Но через несколько месяцев в ее жизни произошло куда более значительное событие. На одном из приемов она познакомилась с незаурядным, но очень необычным математиком – Чарльзом Бэббиджем. С этим случайным событием математическая карьера юной дебютантки сделала гигантский шаг вперед.

Возможно, эта встреча была менее случайной, чем может показаться из моих слов, поскольку в Англии высшее общество вращалось в тех же кругах, что и видные деятели науки, искусства и коммерции. Все ведущие светила в этих областях были знакомы друг с другом, обедали вместе небольшими компаниями и проявляли интерес к деятельности друг друга. Ада быстро познакомилась с корифеями своего времени – физиками Чарльзом Уитстоном, Дэвидом Брюстером и Майклом Фарадеем, писателем Чарльзом Диккенсом.

Две недели спустя после встречи с Бэббиджем Ада – вместе с матерью, выступавшей одновременно в роли дуэньи и заинтересованного лица, – посетила ученого в его мастерской. Главным объектом их внимания было фантастическое сложное устройство: Разностная машина. Делом жизни Бэббиджа была разработка и, как он надеялся, сооружение мощных машин для выполнения математических вычислений. Впервые Бэббидж задумался о создании такой машины в 1812 г., когда размышлял над недостатками логарифмических таблиц. В опубликованных таблицах, несмотря на то что они широко использовались во всех науках, а в навигации были просто незаменимы, было полно ошибок, обусловленных человеческим фактором (ошибки допускались либо при ручных вычислениях, либо при ручном же наборе результатов в типографии). Французы в свое время пытались улучшить точность таблиц, разбивая необходимые вычисления на простые шаги, в которых требовалось лишь складывать и вычитать, и поручая их специальным «вычислителям», которых учили производить эти операции быстро и безошибочно; кроме того, они несколько раз проверяли результаты. Бэббидж понял, что такой подход идеален для реализации при помощи машины, которая, при правильном проектировании, должна была получиться дешевле, надежнее и быстрее вычислителей-людей.

Его первую попытку двигаться в этом направлении – Разностную машину – правильнее всего рассматривать как механический предвестник знакомого всем калькулятора; он мог выполнять основные действия арифметики. Его главной задачей было вычисление полиномиальных функций, таких как квадраты и кубы, или более сложные формы, методами исчисления конечных разностей.

Основная идея проста. Закономерности в этих функциях проявляются, если рассматривать разности между последовательными величинами. К примеру, начнем с кубов:

0 1 8 27 64 125 216.

Разности между последовательными числами выглядят так:

1 7 19 37 61 91.

Возьмем разности еще раз:

6 12 18 24 30.

И еще:

6 6 6 6.

После этого простая закономерность становится очевидной. (Она очевидна, строго говоря, уже на предыдущем шаге; и на предпредыдущем, хотя и в меньшей степени.) Эта закономерность по-настоящему важна, поскольку дает возможность просчитать весь процесс в обратном порядке. Итоговая серия шестерок позволяет восстановить последовательность непосредственно перед ней; суммирование получившихся чисел дает предыдущую последовательность; наконец, суммирование этой последовательности дает кубы. Аналогичный метод работает для любой полиномиальной функции. Нужно только уметь складывать. В умножении, которое представляется более сложным, необходимости нет.

Идею привлечения к вычислениям механических помощников трудно назвать новой. В истории математики наблюдается давняя традиция привлечения к процессу счета подобных помощников, начиная со счета на пальцах и заканчивая компьютером. Но план Бэббиджа отличался необычной амбициозностью. Обнародовал он эту идею в работе, представленной в Королевском астрономическом обществе в 1822 г., а годом позже получил от британского правительства 1700 фунтов на пилотный проект. К 1842 г. инвестиции правительства выросли до 17 000 фунтов (в сегодняшних деньгах это примерно три четверти миллиона фунтов – $1 млн), при том что реальной работающей машины так и не появилось. Ада и ее мать в 1833 г. видели прототип – небольшую часть проекта. Что еще хуже (с точки зрения правительства), Бэббидж после почти 20 лет работы предложил еще более амбициозный проект – Аналитическую машину, настоящий программируемый компьютер, построенный из хитроумно устроенных штырьков, рычажков, пружинок и храповичков. Эта машина положила начало целому жанру научной фантастики – так называемому стимпанку, где действуют механические версии всего на свете, от компьютеров до мобильных телефонов и интернета. Как ни печально, и Разностная, и Аналитическая машины навсегда остались научной фантастикой. Однако уже в наше время Разностная машина была построена в Лондонском музее науки; руководил проектом Дорон Суэйд. Машина, построенная по второму проекту Бэббиджа, работает; ее можно сегодня осмотреть в музее. Другая машина, построенная по первому проекту Бэббиджа, находится в Музее истории компьютера в Калифорнии. Построить Аналитическую машину никто пока не пытался.

* * *

В 1834 г. Ада встретилась с одной из великих женщин-математиков Мэри Сомервиль, близким другом Бэббиджа. Вдвоем они провели немало часов за разговорами о математике; Мэри одалживала Аде учебники и предлагала задачи для решения. Говорили они и о Бэббидже с его Разностной машиной. Две женщины подружились и вместе ходили не только на научные демонстрации, но и, к примеру, на концерты.

В 1835 г. Ада вышла замуж за Уильяма Кинга-Ноэля, ставшего через три года первым графом Лавлейсом. У супругов родилось трое детей, после чего Ада вернулась к своей первой любви – математике, которой и стала заниматься под руководством известного математика, логика и оригинала Огастеса де Моргана, основателя Лондонского математического общества и грозы математических фриков. В 1843 г. она начала тесно сотрудничать с Бэббиджем; их сотрудничество выросло из репортажа о лекции про Аналитическую машину, прочитанной Бэббиджем в Турине в 1840 г. Луиджи Менабреа сделал на лекции записи и собрал их для публикации. Ада перевела их с итальянского, и Бэббидж предложил ей написать к заметкам собственный комментарий. Она согласилась с энтузиазмом, и очень скоро ее комментарий превзошел саму лекцию.

Результат этих трудов был опубликован в серии «Научные мемуары», которую издавал Ричард Тейлор. На последней стадии подготовки книги к печати Бэббидж вдруг передумал: он решил, что комментарий Ады настолько хорош, что лучше было бы ей издать его отдельно в виде книги. Леди Кинг весьма аристократично возмутилась: большая часть уже сделанной работы пропадет, печатник будет недоволен нарушением контракта – нет, это нелепая идея. Бэббидж тут же сдал назад; она, конечно, заранее понимала, что он отступит. Чтобы смягчить удар, Ада предложила и дальше писать о его работе – при условии, что подобных конфликтов больше не будет. Она намекнула также, что сможет, наверное, помочь с получением финансирования для постройки Аналитической машины, если Бэббидж соберет группу практичных друзей, которые могли бы следить за проектом и контролировать его ход. Мать Ады всегда жаловалась на болезни и плохое самочувствие; предлагая это, Ада, возможно, имела в виду свое возможное наследство. Если так, ее ждало разочарование, ибо в конечном итоге мать пережила ее на восемь лет.

Комментарий Ады – главный документ, на котором зиждется ее научная репутация. В нем не только объясняется принцип действия устройства, но и вносятся два существенных новшества в то, что мы сегодня рассматриваем как развитие компьютера.

Во-первых, Ада проиллюстрировала гибкость будущей машины. Если Разностная машина представляла собой калькулятор, то Аналитическая была уже настоящим компьютером, способным исполнять программы, при помощи которых можно было посчитать что угодно и, более того, выполнить любой заданный алгоритм. Сама идея принадлежала Бэббиджу, но Ада предложила серию иллюстративных примеров, показывавших, как можно настроить машину на выполнение конкретных вычислений. Самым амбициозным из примеров было получение так называемых чисел Бернулли. Эти числа названы так в честь Якоба Бернулли, который написал о них в своем трактате «Искусство предположений» (Ars Conjectandi, 1713 г.) – одной из первых книг по комбинаторике и теории вероятностей. Японский математик Секи Кова открыл их раньше, но его результаты были опубликованы лишь после его смерти. Эти числа возникают при разложении в ряд тригонометрической функции тангенса и встречаются также в некоторых других математических контекстах. Все они представляют собой рациональные числа (дроби), и каждое второе число Бернулли, начиная с третьего, равно нулю; помимо этого, в них не наблюдается никаких очевидных закономерностей. Вот первые несколько чисел:

Несмотря на отсутствие простых закономерностей, числа Бернулли можно получить последовательно при помощи простой формулы. Эта формула и была реализована в программе. Я вернусь к болезненному вопросу о роли Ады в этом деле чуть позже.

Второе предложенное ею новшество было менее конкретным, чем написание программ, но гораздо более масштабным. Ада поняла, что программируемая машина способна производить далеко не только расчеты. Вдохновил ее на эту мысль жаккардовый ткацкий станок – необычайно гибкая машина, на которой можно ткать полотно с богатыми и сложными ткаными узорами. Добиться этого позволяло использование длинной цепочки карточек с проделанными в них отверстиями, которые управляли механическими устройствами и в нужный момент вводили в работу нити разных цветов или иначе воздействовали на рисунок. Она писала:

Отличительная характеристика Аналитической машины и то, что позволяет наделить механизм столь обширными способностями, которые по справедливости сделают эту машину исполнительной правой рукой абстрактной алгебры, – это использование в ней принципа, придуманного Жаккардом для управления при помощи дырчатых карточек сложнейшими рисунками при изготовлении узорчатых тканей. Именно в этом заключается различие между двумя машинами. В Разностной машине ничего подобного нет. Можно с полным основанием сказать, что Аналитическая машина ткет алгебраические узоры точно так же, как Жаккардов ткацкий станок создает вытканные на полотне цветы и листья.

Далее эта аналогия развивается. Аналитическая машина, пишет Ада,

могла бы работать и с другими вещами помимо чисел, если бы нашлись такие объекты, фундаментальные отношения между которыми выражаются отношениями абстрактной науки операций и которые можно было бы адаптировать к действию операционной системы записи и механизма машины… Предполагая, к примеру, что фундаментальные отношения звуков разной высоты в науке о гармонии и музыкальной композиции позволяли бы такое выражение и адаптацию, эта машина могла бы складывать тщательно проработанные и техничные музыкальные произведения любой степени сложности и продолжительности.

Здесь воображение позволило Аде выйти далеко за пределы фантазии ее современников. Общим направлением технического развития Викторианской эпохи было изобретение машин и приспособлений для всего подряд. Гаджет для чистки картофеля, еще один для нарезки вареных яиц ломтиками, еще один для отработки навыков верховой езды без лошади… Но теперь, поняла она, одна-единственная гибкая машина могла бы выполнить практически любое задание. Для этого нужна лишь правильная серия команд – программа.

По этой причине Аду часто рассматривают как первого в истории программиста. Возможно, она действительно первой опубликовала примеры подобных программ, хотя всегда можно вспомнить и предшественников, в том числе вышеупомянутого Жаккарда. Но больше споров вызывает другое: в какой степени программы, помещенные в комментарий, принадлежат ей, а не Бэббиджу. Энтони Хайман в биографической книге «Чарльз Бэббидж, пионер компьютера» указывает на то, что подобными вещами до Ады должны были заниматься по крайней мере человека три-четыре: сам Бэббидж, несколько его ассистентов и, возможно, сын Гершель. Более того, самый внушительный пример, программа для вычисления чисел Бернулли, был написан Бэббиджем, «чтобы облегчить Аде работу». Хайман заключает, что «нет ни малейших указаний на то, что Ада когда-либо пыталась что-нибудь самостоятельно сделать в математике». Тем не менее он пишет, что «Ада сыграла важную роль как интерпретатор Бэббиджа. В этой роли ее достижения замечательны».

Сказанному мы должны, пожалуй, противопоставить слова самого Бэббиджа:

Мы обсудили с ней различные иллюстрации, которые можно было бы ввести: несколько штук предложил я, но выбор был всецело за ней. Как и алгебраическая проработка различных задач, за исключением, правда, задачи, связанной с числами Бернулли, которую я предложил решить сам, чтобы облегчить работу леди Лавлейс. Эту задачу она вернула мне на доработку, так как обнаружила серьезную ошибку, сделанную мной в процессе ее решения.

Заметки графини Лавлейс по объему превышают первоначальную записку примерно втрое. Автор полностью вникла почти во все весьма сложные и абстрактные вопросы, связанные с темой.

Эти две записки, взятые вместе, дают всем тем, кто способен понять приведенные рассуждения, полное представление: вот все разработки и аналитические операции, которые в настоящее время могут исполняться механическим устройством.

* * *

Дальнейшее движение Ады после достижения этой научной вершины шло в основном по нисходящей. Она так и осталась, по существу, ребенком-сорвиголовой, была упряма и импульсивна. Романы с друзьями-джентльменами, следовавшие один за другим, как правило, удавалось замять, а по указанию мужа было уничтожено не меньше 100 компрометирующих писем за ее подписью. Вкус к вину в какой-то момент вышел из-под контроля; баловалась она и опиумом. Ада стала завзятым игроком и оставила по смерти долги на сумму 2000 фунтов. Не исключено даже, что к игре она пристрастилась в опрометчивой попытке добыть денег для Аналитической машины.

Ада никогда не отличалась крепким здоровьем, и теперь ее состояние ухудшилось. Она умерла от рака в возрасте 37 лет. Сознание ее до конца оставалось ясным, а ум – острым. Она интуитивно ухватила общую картину, но ей оставалось еще полностью овладеть подробностями и деталями. В 1843 г. Бэббидж так подвел итог ее короткой жизни: «Забудьте этот мир и все его проблемы; забудьте, если сможете, его многочисленных шарлатанов; короче говоря, забудьте все, кроме Чародейки чисел». До конца жизни ничто не заставило его изменить это мнение об Аде, графине Лавлейс.

Когда Джорджу Булю было 16 лет, он решил стать англиканским священником, но тут рухнул обувной бизнес его отца, и юноше поневоле пришлось взять на себя роль кормильца семьи. Карьера в церкви уже не рассматривалась, поскольку английское духовенство не отличалось высокими доходами. К тому же юноша испытывал все большую неуверенность в отношении доктрины Святой Троицы и склонялся скорее к более буквально понимаемому монотеизму унитариев – секты, воззрения которой характеризовались «верой не более чем в одного Бога». Поэтому Джордж никак не мог, не пойдя против совести, принять «Тридцать девять статей» – свод догматов англиканской церкви.

Самым – а может, и единственным – подходящим занятием, с учетом его воспитания и способностей, было учительство, и в 1831 г. Буль получил место младшего учителя в школе мистера Хейгэма в Донкастере, примерно в 65 км от его родного города Линкольна. В середине XIX в. 65 км были приличным расстоянием, и молодой человек очень скучал по дому; в одном из писем он мечтательно замечает, что никто в Донкастере не печет таких вкусных пирогов с крыжовником, как его мать. Конечно, это могло быть всего лишь попыткой сделать ей комплимент, но Буль большую часть жизни не уставал жаловаться на свою долю. Его склонность к унитаризму, в сочетании с привычкой решать математические задачи в часовне по воскресеньям, вызвала гнев родителей его учеников, стойких методистов. Они пожаловались директору школы, а их сыновья начали молиться за душу Буля на молитвенных собраниях. Хейгэм, хотя в роли учителя Буль его полностью устраивал, вынужден был уволить его и заменить на приверженца уэслианской церкви.

Несмотря на пироги с крыжовником и разборки сектантов, Буль все глубже погружался в математику, осваивая ее совершенно самостоятельно, без помощи наставника. Поначалу он пользовался публичной библиотекой, в которой было на удивление много учебников достаточно высокого уровня, но библиотека вскоре была расформирована, и Булю пришлось покупать учебники за деньги. Оказалось, что максимальную пользу при минимальных вложениях обеспечивают именно математические учебники, и он приобрел «Дифференциальное и интегральное исчисление» Сильвестра Лакруа. Кто-то из коллег-учителей писал, что в течение часа, отведенного на обучение письму, в котором Буль не принимал участия, «мистер Буль глубоко счастлив; этот час, по крайней мере, он может без помех изучать старину Лакруа».

Позже Буль убедился, что сделал ошибку, купив такой устаревший текст, как учебник Лакруа, но самостоятельное изучение внушило молодому человеку прочную уверенность в собственных силах. Результатом этих занятий стала яркая мимолетная идея, посетившая его в начале 1833 г., когда Буль пересекал пешком поле какого-то фермера. Идея состояла в возможности записи логики в символьном виде. Реализовал он эту идею только через много лет; первая его статья на эту тему вышла в 1847 г. и называлась «Математический анализ логики, или Эссе на тему исчисления дедуктивных рассуждений». Огастес де Морган, с которым Буль вел активную переписку, посоветовал ему подготовить более объемную и продуманную книгу. Его интересы в значительной мере перекрывались с интересами Буля. Буль последовал совету, и в 1854 г. из печати вышел капитальный труд «Исследование законов мышления, на которых основаны математические теории логики и вероятностей». В этой работе Буль, по существу, создал математическую логику и основал то, что со временем стало теоретической базой информатики.

Отец Буля Джон происходил из старой линкольнширской семьи фермеров и торговцев, «лучших кровельщиков и самых читающих людей» в крохотной деревеньке Броксхолм. Он стал сапожником и уехал в Лондон, надеясь сделать состояние. Работая в одиночестве в темном подвале, он отгонял от себя депрессию изучением французского языка, физики и математики, особенно конструкции оптических инструментов. Джон познакомился с камеристкой Мэри Джойс, женился на ней, и через полгода молодые переехали в Линкольн, где открыли сапожную мастерскую. Оба хотели ребенка, но прошло 10 лет, прежде чем у них родился первенец; мальчика назвали Джорджем. Вскоре за ним последовали девочка и еще два мальчика.

Джону гораздо больше нравилось делать телескопы, чем тачать обувь, так что дела в его мастерской шли ни шатко ни валко, и Булям приходилось, чтобы свести концы с концами, сдавать комнаты постояльцам. Джордж вырос в интеллектуальной атмосфере и обладал пытливым умом. Отец научил его английскому языку и математике. Сын обожал математику и к 11 годам умудрился осилить шеститомник по геометрии (его отец сделал об этом в книге запись карандашом). Буль много читал, обладал почти фотографической памятью и способен был мгновенно вспомнить любой нужный ему факт.

В 16 лет Буль стал учителем в школе Хейгэма. Позже, сменив еще две учительские должности, он в возрасте 19 лет основал собственную школу в Линкольне; затем взял на себя руководство Академией Холла в Ваддингтоне. Его семья присоединилась к нему, чтобы помогать в управлении школой. Буль никогда не терял интереса к высшей математике, читал Лапласа и Лагранжа. Он открыл в Линкольне школу с пансионом и начал публиковать свои исследования в недавно основанном Cambridge Mathematical Journal.

В 1842 г. Буль начал переписку (которая продолжалась до конца его жизни) с близким ему по духу де Морганом. В 1844 г. он получил медаль Королевского общества, а в 1849 г. благодаря своей растущей репутации был назначен первым профессором математики в Королевском колледже Корка (Ирландия). Там в 1850 г. он встретил свою будущую жену Мэри Эверест (племянницу Джорджа Эвереста, осуществившего первую серьезную геодезическую съемку Индии, в результате чего в его честь была названа высочайшая гора Земли). Они поженились в 1855 г. и родили пятерых замечательных дочерей: Мэри вышла замуж за математика и писателя Чарльза Говарда Хинтона, блестящего негодяя; Маргарет – за художника Эдварда Ингрэма Тейлора; Алисия под влиянием Хинтона провела серьезное исследование четырехмерных правильных многогранников; Люси стала первой в Англии женщиной – профессором химии; наконец, Этель вышла замуж за польского ученого и революционера Вильфреда Войнича и написала роман «Овод».

Среди ранних работ Буля есть одно простое открытие, приведшее в конечном итоге к созданию теории инвариантов – области алгебры, оказавшейся внезапно на самом острие науки. При исследовании алгебраических уравнений формулу иногда можно упростить, если заменить переменные в ней подходящими выражениями с новым набором переменных. Решаем это упрощенное уравнение, находим значения новых переменных, затем отступаем назад и находим значения первоначальных. Именно так решали уравнения в Вавилоне и в Европе эпохи Возрождения.

Особенно существенный класс изменений переменных наблюдается в тех случаях, когда новые переменные представляют собой линейные комбинации старых – выражения вроде 2x – 3y, не включающие в себя более высоких степеней или произведений старых переменных x и y. Таким способом можно упростить, к примеру, обобщенную квадратичную форму

с двумя переменными. Важной величиной в теории таких форм играет так называемый дискриминант b² – 4ac. Буль открыл, что после линейного изменения переменных дискриминант новой квадратичной формы равен дискриминанту оригинала, умноженному на коэффициент, определяемый только методом изменения переменных.

Такое на первый взгляд совпадение имеет геометрическое объяснение. Это действительно совпадение в том смысле, что два свойства, обычно отдельные, совпадают. Если приравнять квадратичную форму к нулю, ее решения определят две (возможно комплексные) кривые… если только дискриминант не равен нулю; в этом случае мы получаем одну и ту же кривую дважды. При этом квадратичная форма представляет собой квадрат (px + qy)² некоторой линейной формы. Изменение координат – это геометрическое искажение, преобразующее первоначальные кривые в соответствующие кривые для новых переменных. Если две кривые совпадали для первоначальных переменных, они совпадут и для новых. Так что дискриминанты должны быть связаны таким образом, что, если один из них обращается в нуль, то же самое делает и второй. Инвариантность – формальное название для такого соотношения.

Наблюдение Буля, связанное с дискриминантом, казалось всего лишь забавным фактом, до тех пор пока несколько математиков, самыми известными среди которых были Артур Кэли и Джеймс Джозеф Силвестр, не обобщили его для форм более высокого порядка с двумя или большим числом переменных. Эти выражения тоже имеют инварианты, влияющие также на значимые геометрические свойства связанной с ними гиперповерхности, определяемой приравниванием этой формы нулю. Из этого выросла целая отрасль, где математики зарабатывают себе рыцарские шпоры, вычисляя инварианты все более сложных выражений. Позже Гильберт (глава 19) доказал две фундаментальные теоремы, которые закрыли эту тему практически целиком, до тех пор пока она не ожила в более общей форме. Она и сегодня представляет интерес и имеет важные применения в физике, а новую жизнь ей придало развитие компьютерной алгебры.

Исследование, которое сделало Буля широко известным среди математиков и специалистов по информатике – и вообще в любом доме, где пользуются Гуглом, поскольку это вариант Булева поиска, – все больше занимало его мысли. Буль всегда видел в математических понятиях внутреннюю простоту. Ему нравилось формулировать общие принципы, выражать их в символьной форме – и дальше за него думали символы. В «Законах мышления» эта программа была реализована для правил формальной логики. Главной идеей произведения была интерпретация этих правил как алгебраических операций с символами, представляющими некие утверждения. Поскольку логика – не арифметика, некоторые из обычных алгебраических правил в ней могут оказаться неприменимы; с другой стороны, в ней могут возникнуть новые законы, не применимые к арифметике. Результат, известный как Булева алгебра, позволяет доказывать логические утверждения посредством алгебраических вычислений.

Книга начинается с предисловия, которое выдержано в уважительном тоне и обозначает место предлагаемой дискуссии в контексте существующей философии. Затем Буль переходит к существу дела – к математике – и для начала предлагает обсудить использование символов. Он поясняет, что речь идет о символах (он называет их «знаками»), представляющих логические утверждения, и особенно сосредоточивается на общих законах, которым они подчиняются. Он говорит, что будет обозначать класс, или набор, объектов, к которым применимо определенное общее имя, одной буквой, к примеру x. Если общее имя – «овца», то x – это класс всех овец. Класс может описываться прилагательным, к примеру «белый»; в этом случае мы получаем класс y всех белых объектов. Тогда произведение xy обозначает класс всех объектов, обладающих обоими свойствами, то есть класс всех белых овец. Поскольку этот класс не зависит от порядка, в котором называются определяющие его качества, то xy = yx. Аналогично если z – некоторый третий класс (в примере Буля x = реки, y = устья, z = судоходные), то (xy) z = x (yz). Это коммутативный (переместительный) и ассоциативный (сочетательный) законы стандартной алгебры в интерпретации, приспособленной к новому контексту.

Он отмечает один закон, который принципиально важен для всего этого дела, но не выполняется в обычной алгебре. Класс xx есть класс всех объектов, обладающих свойством, определяющим x, и свойством, определяющим x, так что он должен совпадать с x. Следовательно, xx = x. Так, класс объектов, которые суть овцы и еще раз суть овцы, – это просто класс всех овец. Этот закон можно записать также как x² = x, и он представляет собой первый пункт, в котором законы Булевой алгебры отличаются от законов мышления обычной алгебры.

Далее Буль переходит к знакам, «посредством которых мы собираем части в единое целое или делим целое на части». Положим, к примеру, что x есть класс всех мужчин, а y – класс всех женщин. Тогда класс всех взрослых людей – мужчин и женщин – обозначается x + y. Здесь опять же действует коммутативный закон, который Буль формулирует явно, и ассоциативный закон, подпадающий под обобщающее заявление о том, что «законы идентичны» с законами алгебры. Поскольку, к примеру, класс европейских мужчин или женщин – это то же самое, что класс европейских мужчин или европейских женщин, дистрибутивный закон z (x + y) = zx + zy тоже выполняется, если z – класс всех европейцев.

Вычитание может быть использовано для исключения части объектов из класса. Если x представляет мужчин, а y – азиатов, то x – y представляет всех мужчин, которые не являются азиатами, и z (x – y) = zx – zy.

Возможно, самой поразительной особенностью этих формулировок является то, что речь идет вроде бы вовсе не о логике. Речь идет о теории множеств. Вместо того чтобы манипулировать логическими утверждениями, Буль работает с соответствующими им классами, охватывающими те объекты, для которых эти утверждения верны. Математики давно распознали двойственность этих концепций: каждый класс соответствует утверждению «принадлежит к классу»; каждое утверждение соответствует «классу объектов, для которых это утверждение верно». Это соответствие переводит свойства классов в свойства связанных с ними утверждений и наоборот.

Буль вводит эту идею посредством третьего класса символов, «при помощи которых выражаются отношения и при помощи которых мы формируем высказывания». К примеру, представим звезды как x, солнца[22] как y и планеты как z. Тогда утверждение «звезды – это солнца и планеты» можно будет записать как x = y + z. Так что высказывания – это равенства между выражениями с участием классов. Несложно сделать вывод, что «звезды, которые не планеты, являются солнцами»; то есть x – z = y. «Это, – говорит нам Буль, – соответствует алгебраическому правилу транспозиции» (переноса). Аль-Хорезми узнал бы в этом правиле аль-мукабалу (см. главу 3).

Вывод из всего этого состоит в том, что алгебра классов подчиняется тем же законам, что и обычная алгебра чисел, и еще странному новому закону x² = x. В этот момент Буля осеняет очень умная мысль. Единственными числами, подчиняющимися этому закону, являются 0 = 0² и 1 = 1². Он пишет:

Это загадочное заявление можно интерпретировать как относящееся к функциям f(z, y, z, …), определенным на некотором списке символов, принимающих только значения 0 (ложь) и 1 (истина). Мы сегодня называем их Булевыми функциями. Упоминания заслуживает одна связанная с ними приятная теорема. Если f(x) – функция одного логического аргумента, то Буль доказывает, что

Более общее уравнение того же типа верно для любого числа аргументов, что приводит к систематическим методам обращения с логическими высказываниями.

Вооружившись этим принципом и другими общими результатами, Буль прорабатывает многочисленные примеры и показывает, как его рассуждения применимы к темам, которые заинтересовали бы читателей того времени. Среди этих тем и «Проявление бытия Бога и его атрибутов» (Demonstration of the being and attributes of God) Сэмюела Кларка – книга, состоящая из серии теорем, доказанных с использованием наблюдаемых фактов и различных «гипотетических принципов, значимость и универсальность которых полагается принимать a priori», и «Этика» Бенедикта Спинозы. При этом целью Буля было показать в точности, какие допущения использованы в выводах, сделанных этими авторами. В этом, возможно, проявились и квазиунитарианские воззрения самого Буля.

Прежде всякий анализ логики должен был быть словесным, с небольшим количеством символьных обозначений, просто для памяти. Аристотель разбирал силлогизмы – рассуждения примерно следующего содержания:

с вариантами использования слов «все» и «некоторые». Средневековые ученые подразделяли силлогизмы на 24 типа; каждый из этих типов имел мнемоническое название. К примеру, Bocardo относится к силлогизмам вида:

Здесь на формат силлогизма «bOcArdO» указывают гласные; O = «некоторые», A = «все». По такому же принципу названы и другие типы силлогизмов. Но никакой системы записи нотации для логики до Буля никто не предлагал. Обратите внимание: если заменить «некоторые» на «все», получив при этом:

новый силлогизм получится неверным. С другой стороны:

вполне корректное с точки зрения логики рассуждение, хотя в реальности второе из входящих в него утверждений неверно. Мало того, по случайному стечению обстоятельств заключительное утверждение верно – разве что найдется где-нибудь особая порода свиней.

Чтобы объяснить, как его символьные обозначения относятся к классической логике, Буль заново интерпретирует Аристотеля, показывая, корректность или некорректность каждого типа силлогизмов может быть доказана в символьном виде. К примеру, пусть

Тогда последний из приведенных выше силлогизмов переводится на Булев символьный язык в виде p = pm и m = mc, следовательно, p = pm = p (mc) = (pm) c = pc.

В оставшейся части книги прорабатываются аналогичные методы расчета вероятностей, и завершается книга общими рассуждениями о «природе науки и устройстве интеллекта».

В Корке Буль не был особенно счастлив. В 1850 г., после возвращения с каникул, прекрасно проведенных в Йоркшире, он попросил де Моргана: «Если услышите о каком-нибудь месте в Англии, которое могло бы мне подойти, дайте мне знать, – и заметил: – Я больше не чувствую, что мог бы сделать это место своим домом». Одним из источников раздражения было авторитарное и религиозно-консервативное руководство университета, которое обрушивалось на каждого, кто высказывал несогласие. Совсем недавно профессор современных языков Раймонд де Верикур был уволен за антикатолические замечания, допущенные в написанной им книге. Совет университета под руководством президента университета Роберта Кейна действовал так поспешно, что нарушил устав этого учебного заведения и жалоба де Верикура вернула ему место. Буль сочувствовал де Верикуру, но не лез на рожон. В 1856 г. очередные бесцеремонные действия Кейна, направленные против дяди его жены Джона Райалла, заставили Буля написать ядовитое письмо в местную газету Cork Daily Reporter. Кейн прислал в редакцию длинный ответ, в котором пытался оправдать себя, и Буль отозвался новым письмом. В конце концов правительство начало официальное расследование, обвинило Кейна в том, что тот проводит в колледже недостаточно времени, и сделало выговор обоим участникам дискуссии за то, что они вынесли свои разногласия на публику. Кейн перевез свою семью в Корк, и все успокоилось, хотя с тех пор они с Булем проявляли по отношению друг к другу холодную вежливость.

В 1854 г. Буль всерьез обдумывал возможность занять один из освободившихся постов в Мельбурне (Австралия), но в конце 1855 г. совершенно отказался от этой идеи, когда Мэри Эверест приняла его предложение. Були сняли большой дом с видом на море, неподалеку от недавно открытой железнодорожной линии, чтобы Джорджу было удобнее ездить на работу, хотя однажды он все же попросил колледж перевести часы на 15 минут назад, чтобы дать возможность ему и студентам пользоваться более поздним поездом. Колледж отказал Булю в этой просьбе. Его эксцентричность проявлялась не только в этом: однажды он прибыл на лекцию, раздумывая о какой-то задаче, и ходил туда-обратно по аудитории, продолжая размышлять о ней; студенты сидели рядами на скамьях и чувствовали себя не в силах прервать размышления преподавателя. Проведя таким образом час, он ушел – и пожаловался жене, что «сегодня произошла необычайнейшая вещь. Никто из студентов не явился на мою лекцию».

В конце 1864 г. Булю довелось пройти пешком от дома до колледжа – примерно 4–5 км – в сильный ливень. В результате он свалился с сильной простудой, которая затем распространилась и на легкие. Мэри Буль, которая была поклонницей гомеопатии, пригласила к мужу гомеопата. Лечение не помогло, и Буль умер от плевропневмонии. Этель Войнич, его младшая дочь, писала:

По иронии судьбы сам Буль считал гомеопатию неэффективной. В 1860 г. де Морган написал, что, по его мнению, гомеопатия излечила его от плеврита. Буль ответил скептически:

Открытая Булевой алгеброй область математической логики сегодня известна нам как исчисление высказываний. Она восходит к V в. до н. э., когда Евклид Мегарский (не путайте с геометром Евклидом Александрийским) основал то, что позже стало стоической школой логики. Ключевой особенностью стоической логики является использование условных рассуждений вида «если A, то B». Диофант и Филон из Мегары разошлись во мнениях по фундаментальному вопросу, который до сих пор продолжает смущать студентов-математиков. А именно: при заданных истинности или ложности A и B когда утверждение «если A, то B» истинно? Обратите внимание: речь идет не об истинности A или B самих по себе, но об истинности следования A из B. По мнению Филона, утверждение ложно, если A истинно, а B ложно, а в остальных случаях утверждение истинно. В частности, оно истинно всегда, когда A ложно. Ответ Диодора был иным: A в любом случае не может вести к ложному заключению. По существу, это сводится к «и A, и B истинны».

Сегодняшние специалисты по математической логике согласны с Филоном. Контринтуитивный случай, конечно, возникает, когда A ложно. Если B тоже ложно, то представляется разумным считать, что утверждение «если A, то B» верно. В частности, «если A, то A» кажется разумным утверждением, каким бы ни было значение истинности A. Если B истинно или его текущий статус неизвестен, может показаться неразумным его следование из ложного утверждения. К примеру, утверждение

считается истинным – вне зависимости от того, верна Великая теорема Ферма на самом деле или нет. (Это не дает нам простого доказательства Великой теоремы Ферма, потому что для того, чтобы считать это доказательством, вам придется сперва доказать, что 2 + 2 = 5, что невозможно, если математика непротиворечива. Именно поэтому предложенная Филоном договоренность не приносит вреда.) Чтобы проиллюстрировать рассуждения, стоящие за этой договоренностью, рассмотрим два следующих вывода:

Оба высказывания логически оправданы рассуждениями, приведенными в скобках. Первое из них принимает вид

а второе принимает вид:

Таким образом, верные рассуждения, начатые с ложной посылки, могут привести как к ложному, так и к истинному утверждению.

Другой подход, позволяющий получить тот же результат, состоит в том, чтобы задать вопрос: что нужно, чтобы опровергнуть высказывание «если A, то B»? То есть доказать его ложность. К примеру, чтобы опровергнуть высказывание

мы должны продемонстрировать крылатую нелетающую свинью. Так что «если A, то B» ложно, если A истинно, а B ложно, а во всех остальных случаях оно истинно, поскольку мы не можем доказать обратного.

Это рассуждение – не доказательство. Это объяснение договоренности, которая используется в логике предикатов. В модальной логике с условными высказываниями обращаются иначе. К примеру, утверждение о крылатых свиньях считалось бы верным при условии, что крылья пригодны для полета. А вот аналогичное высказывание

считалось бы ложным, поскольку – даже гипотетически – обладание крыльями никак не способствует игре в покер. Напротив, последнее высказывание в логике предикатов рассматривается как истинное, поскольку крыльев у свиней нет. Покер тут вообще ни при чем. Этот пример иллюстрирует некоторые трудности, с которыми столкнулись Буль и другие первые логики, и предупреждает: не стоит считать, что сегодняшние договоренности – обязательно последнее слово науки.

Использование Булевой алгебры, или исчисления высказываний, в расчетах объясняется представлением числовых и других данных в двоичной системе, то есть с использованием только двух цифр: 0 и 1. В простейших случаях это соответствует состояниям «нет электрического напряжения» и «есть электрическое напряжение» (на заданном уровне, скажем, 5 В). В сегодняшних компьютерах все данные, включая программы, кодируются в двоичной системе. Эти данные обрабатываются электронными схемами, которые, помимо прочего, производят операции исчисления высказываний – по существу, Булевой алгебры. Каждая такая операция соответствует своеобразному «вентилю», и когда электрический сигнал или сигналы проходят через этот вентиль, то выходной сигнал, определяемый входным или входными сигналами, зависит от «зашитой» в этом вентиле логической операции.

Первым эту идею выдвинул гуру теории информации Клод Шеннон. Действия с цифровыми данными, производимые компьютерами, могут быть реализованы на подходящих электронных схемах, собранных из логических вентилей. Так что Булева алгебра – естественный математический язык компьютеров. Первые инженеры-электронщики реализовывали эти операции на релейных, а затем на ламповых схемах. С изобретением транзистора радиолампы сменились твердотельными (полупроводниковыми) схемами; сегодня мы пользуемся сложным набором невероятно крохотных схем на основе кремниевых кристаллов.

Проведенная Булем формализация логики в символьном виде открыла нам новый мир, проложила путь цифровой эре, плодами которой мы сейчас наслаждаемся. И часто клянем их, поскольку еще не овладели до конца своими новыми технологиями, хотя и передаем им постепенно все больший контроль над самыми разными составляющими нашей жизни.

Бернхард Риман впервые проявил мощный математический талант, техническое мастерство и оригинальность в возрасте 20 лет. Мориц Штерн, один из его наставников, позже сказал, что «он уже тогда пел, как канарейка». Другой его наставник, Гаусс, впечатлился не так сильно, но и курсы, которые он вел, были элементарными и не давали студенту возможности проявить свои подлинные способности. Вскоре даже Гаусс понял, что Риман необычайно талантлив, и согласился консультировать его по докторской диссертации. Тема диссертации – комплексный анализ – была близка сердцу Гаусса. Он с похвалой отозвался о работе как о «великолепной, плодотворной, оригинальной» и организовал для Римана место преподавателя начального уровня в Гёттингенском университете.

В Германии следующим шагом после защиты степени доктора философии являлась так называемая хабилитация – получение более высокой ученой степени, требующее глубоких исследований; она открывала путь к настоящей академической карьере, давая обладателю право стать приват-доцентом, то есть читать лекции и получать жалованье. Риман провел два с половиной года за весьма плодотворными исследованиями теории рядов Фурье (глава 9). Исследование было проведено качественно, но сам он начал подозревать, что взвалил на себя непосильную ношу.

Проблема не была связана с работой над рядами Фурье. Эта работа была сделана, и Риман был уверен в ее качестве и точности. Нет, проблему представлял последний шаг получения степени доктора хабилис. Кандидат должен был прочесть публичную лекцию. В свое время он предложил три темы: две по математической физике электричества – предмет, который он тоже изучал под руководством Вильгельма Вебера, а в третьей Риман замахнулся на основания геометрии, где у него были кое-какие интересные, но незаконченные идеи. Выбрать из этих трех тем должен был Гаусс, который в то время работал с Вебером и глубоко интересовался электричеством. Однако Риман упустил из виду, что Гаусс столь же глубоко интересовался и геометрией и не прочь был услышать то, что Риман думает по этому поводу.

Так что теперь Риман из кожи вон лез, пытаясь развить свои достаточно неопределенные идеи относительно геометрии в нечто, что могло бы произвести настоящее впечатление на величайшего математика своего времени, причем в области, о которой этот великий человек размышлял значительную часть своей жизни. Начальной точкой размышлений Римана был результат, которым Гаусс особенно гордился, – его Theorema Egregium (см. главу 10). Эта теорема определяет форму поверхности без отсылки к какому бы то ни было окружающему пространству, и ее появление ознаменовало рождение дифференциальной геометрии. Она подвела Гаусса к изучению геодезических кривых, кратчайших путей между точками – и кривизны, количественно отражающей, насколько та или иная поверхность искривлена в сравнении с обычной Евклидовой плоскостью.

Риман планировал обобщить всю теорию Гаусса в радикально новом направлении – для пространств произвольной размерности. Математики и физики тогда только начинали осознавать мощь и ясность геометрической мысли в «пространствах» с бо́льшим числом измерений, чем обычные два или три. В основании этой альтернативной точки зрения лежало нечто понятное – математика уравнений со многими переменными. Переменные играют роль координат, так что чем больше переменных, тем выше размерность этого понятийного пространства.

Попытки разработать новые представления о многомерных пространствах привели Римана на грань нервного срыва. Ситуацию осложняло еще и то, что одновременно он помогал Веберу разбираться с электричеством. К счастью, взаимовлияние электрических и магнитных сил привело Римана к новой концепции «силы», основанной на геометрии: то же самое озарение несколько десятилетий спустя привело Эйнштейна к специальной теории относительности. Силы можно заменить кривизной пространства. Вот он – новый взгляд, необходимый Риману для подготовки лекции.

В лихорадочной спешке молодой человек перебирал фундаментальные положения современной дифференциальной геометрии, начиная с концепции многомерного многообразия и понятия расстояния, определяемого метрикой. Это формула расстояния между любыми двумя точками, расположенными очень близко друг к другу. Он определил более сложные величины, известные сегодня как тензоры, привел общую формулу для кривизны, представленной как особый вид тензора, и записал дифференциальные уравнения, определяющие кратчайшее расстояние между точками. Кроме того, он пошел еще дальше, черпая, вероятно, вдохновение из общения с Вебером, и порассуждал о возможных взаимосвязях дифференциальной геометрии с физическим миром.

Лекцию Римана ждал триумф, хотя Гаусс был единственным из присутствующих, кто, пожалуй, мог до конца понять сказанное. Оригинальность Римана произвела на Гаусса большое впечатление, и он сказал Веберу, что удивлен глубиной исследования. Рискованный выбор темы, сделанный под влиянием момента, оправдался в полной мере.

В дальнейшем озарения Римана развили Эудженио Бельтрами, Элвин Бруно Кристоффель и итальянская школа под руководством Грегорио Риччи и Туллио Леви-Чивита. Позже их работа очень пригодилась Эйнштейну при создании общей теории относительности. Если Эйнштейна интересовали очень большие пространства, то взгляд Римана в физике был сосредоточен на очень маленьком. Однако и то и другое восходит к Римановой лекции.

Семья Римана была бедной. Его отец Фридрих – лютеранский пастор и ветеран Наполеоновских войн; мать Шарлотта (урожденная Эбелль) умерла, когда Риман был еще ребенком. Кроме Бернхарда в семье были еще сын и четверо дочерей. До 10 лет мальчика обучал отец, а в 1840 г., когда Риман начал посещать местную школу в Ганновере, он поступил сразу в третий класс. Бернхард был очень стеснителен, но его математическая одаренность сразу бросалась в глаза. Директор школы разрешил Риману читать книги по математике из его личного собрания. Получив от него 900-страничный том Лежандра по теории чисел, Риман проглотил книгу за неделю.

В 1846 г. молодой человек отправился в Гёттингенский университет, где поначалу планировал изучать теологию. Гаусс, однако, распознал в нем математический талант и посоветовал сменить специализацию; Риман (с одобрения родителей) так и поступил. Со временем Гёттинген стал одним из лучших мест в мире для изучения математики, но в те дни, несмотря на присутствие Гаусса, математику там преподавали совершенно обыкновенно. Так что Риман перебрался в Берлин, где работал под руководством геометра Якоба Штайнера, алгебраиста и специалиста по теории чисел Дирихле и специалиста по теории чисел и комплексному анализу Готтхольда Эйзенштейна. Он изучал комплексный анализ и эллиптические функции.

Коши распространил дифференциальное и интегральное исчисление с действительных чисел на комплексные. Комплексный анализ появился на свет, когда возражения Беркли против флюксий Ньютона в конце концов получили достойный ответ от Карла Вейерштрасса, сформулировавшего строгое определение «предельного перехода». Одной из горячих тем в комплексном анализе середины XIX в. было исследование эллиптических функций, которые, помимо прочего, определяют длину дуги эллипса. Эти функции представляют собой глубокое обобщение тригонометрических функций. Фурье использовал одно базовое свойство тригонометрических функций – они являются периодическими и принимают те же значения при добавлении к аргументу функции 2π. Эллиптические функции имеют два независимых комплексных периода и повторяют те же значения на решетке из параллелограммов на комплексной плоскости. Они демонстрируют красивую связь между комплексным анализом и группами симметрии (переносами решетки). Эта идея используется в доказательстве Великой теоремы Ферма, данном Уайлсом. Кроме того, эллиптические функции появляются в механике, к примеру в выводе точной формулы для периода колебаний маятника. Более простая формула, которую выводят в школьном курсе физики, является аппроксимацией колебаний маятника для очень маленького угла.

Риману нравился подход Дирихле к математике, очень напоминавший его собственный. Вместо систематического логического развития оба предпочитали начинать с интуитивного понимания проблемы в целом; затем разбирались в центральных концепциях и взаимоотношениях и лишь затем заполняли логические пробелы. Тот и другой всеми силами старались избежать объемных вычислений. Многие самые успешные математики сегодняшнего дня поступают так же. Доказательства жизненно важны для математики, и логика их должна быть безупречной, но доказательства часто приходят после общего понимания. Слишком строгий подход или слишком ранние попытки доказательства могут задушить хорошую идею. Риман практиковал такой подход на протяжении всей своей научной карьеры. У этого метода было одно большое преимущество: общую линию рассуждений в нем можно проследить, не тратя многие недели на проверку сложных расчетов. Его недостатком, по крайней мере с точки зрения некоторых, является необходимость мыслить концептуально, а не просто пробиваться через череду расчетов.

Для получения степени доктора философии Риман переписал книгу по комплексному анализу с введением в нее топологических методов. Сделал он это из-за особенности, с которой приходится сражаться каждому студенту: склонность комплексных функций к неоднозначности. В действительном анализе тоже есть намеки на это явление. К примеру, каждое ненулевое положительное действительное число имеет два квадратных корня: один положительный, другой отрицательный. Эту возможность следует иметь в виду при решении алгебраических уравнений, но справиться с этим несложно – достаточно разбить функцию с квадратным корнем на две отдельные части: с положительным квадратным корнем и с отрицательным квадратным корнем.

Та же неоднозначность свойственна и квадратному корню комплексного числа, но здесь уже недостаточно разделить его на две отдельные функции. Понятия «положительный» и «отрицательный» не имеют ясного – и полезного – значения в случае комплексных чисел, так что естественного способа разделить две эти величины просто не существует. Но есть и более глубокий момент. В случае действительных чисел, если мы будем изменять положительное число непрерывно, то его положительный квадратный корень тоже будет меняться непрерывно, как и его отрицательный квадратный корень. Более того, два этих корня всегда будут различны. Но в комплексном случае непрерывное изменение исходного числа может превратить один из его квадратных корней в другой, не прекращая при этом непрерывно их сдвигать.

Традиционный способ разобраться с этим состоял в том, чтобы разрешить функции с разрывами, но тогда вам придется все время проверять, не приближаетесь ли вы к разрыву. У Римана была идея получше: модифицировать обычную комплексную плоскость так, чтобы сделать квадратный корень однозначной функцией. Делается это таким образом: две одинаковые плоскости помещаются одна над другой и прорезаются вдоль положительной части действительной оси; затем обе щели соединяются так, чтобы верхняя плоскость переходила в нижнюю при пересечении прорези. Теперь, если интерпретировать квадратный корень с использованием этой «Римановой поверхности», он станет однозначным. Это радикальный подход. Идея в том, чтобы прекратить беспокоиться насчет того, с каким из множества возможных значений вы в данный момент имеете дело, и позволить геометрии Римановой поверхности обо всем позаботиться. И это новшество не было единственным в докторской диссертации Римана. Еще он предложил использовать для доказательства существования определенных функций идею из математической физики – принцип Дирихле. Этот принцип гласит, что функция, минимизирующая энергию, представляет собой решение уравнения в частных производных – уравнения Пуассона, – которому подчиняются гравитационные и электрические поля. Гаусс и Коши уже открыли на тот момент, что это самое уравнение возникает естественным образом в комплексном анализе в связи с дифференциальным исчислением.

Риман погрузился в академическую жизнь. Природная стеснительность сделала для него чтение лекций настоящим испытанием, но со временем он приспособился и научился находить общий язык с аудиторией. В 1857 г. он был назначен полным профессором и в том же году опубликовал еще одну крупную работу по теории абелевых интегралов – широкого обобщения эллиптических функций, обеспечившего плодородную почву для его топологических методов. Вейерштрасс тогда тоже представил статью по этой теме в Берлинскую академию, но теперь, когда вышла статья Римана, Вейерштрасс был настолько ошеломлен ее новизной и глубиной, что отозвал свою статью и никогда больше ничего не публиковал в этой области. Имейте в виду, это не помешало ему указать на трудноуловимую ошибку в использовании Риманом принципа Дирихле. Дело в том, что Риман активно использовал в своей работе функцию, которая минимизировала некоторую связанную с ней величину. Это вело к важным результатам, но Риман не привел строгого доказательства того, что такая функция в принципе существует. (Из физических соображений он был убежден, что она должна существовать, но подобные рассуждения не обладают достаточной строгостью и могут привести к ошибке.) На этом этапе математики разделились на тех, кто жаждал логической строгости и потому считал это упущение серьезным, и тех, кого убедили физические аналогии и кого больше интересовало уточнение результатов. Риман, пребывавший, естественно, во втором лагере, сказал, что даже если в его логике и есть какой-то недочет, то принцип Дирихле для него был всего лишь самым удобным способом посмотреть, что происходит, и заявленные результаты в целом верны.

В каком-то смысле это был довольно обычный спор между поборниками теоретической математики и сторонниками математической физики; та же драма регулярно разыгрывается и сегодня, будь то в связи с дельта-функцией Дирака или диаграммами Фейнмана. Обе стороны были правы в соответствии со своими собственными стандартами. Мало смысла сдерживать прогресс в физике только потому, что какая-то правдоподобная и эффективная методика не может быть обоснована с полной логической строгостью. Но верно и то, что отсутствие такого обоснования – потенциальная бомба для математиков, намекающая, что в наших представлениях по этому вопросу чего-то не хватает. Ученик Вейерштрасса Герман Шварц удовлетворил математиков, отыскав другое доказательство Римановых результатов, но физики по-прежнему предпочитали нечто более интуитивное. Со временем Гильберт разобрался с проблемой существования, доказав новый вариант принципа Дирихле, одновременно строгий и подходящий для методов Римана. А пока физики продвигались вперед, чего не смогли бы сделать, если бы слишком внимательно прислушивались к возражениям математиков. Кстати говоря, попытки математиков обосновать интуитивные результаты Римана дали массу весьма значительных результатов и концепций, которые не были бы открыты, если бы математики в этом вопросе солидаризовались с физиками. Все оказались в выигрыше.

Работа, связанная с многообразием и кривизной, помогла Гауссу сразу же получить представление об уровне таланта и мастерства Римана, но остальное математическое сообщество разобралось в ситуации лишь после того, как он опубликовал свое исследование по абелевым интегралам. Кюммер, Карл Борхардт и Вейерштрасс озвучили свое понимание, выдвинув в 1859 г. Римана на выборах в Берлинскую академию. Одним из заданий, которые ставились перед новыми членами Академии, было представление отчета о своей текущей работе, и Риман не ударил в грязь лицом. Он вновь сменил курс, и представленный им отчет был озаглавлен «О числе простых чисел, не превышающих заданной величины». В этой работе он предложил гипотезу, теперь носящую его имя, – гипотезу Римана, в комплексном анализе, связанную со статистическим распределением простых чисел. В настоящее время это самая знаменитая нерешенная задача во всей математике.

Простые числа занимают в математике центральное место, но во многих отношениях они просто выводят из себя. Они обладают невероятно важными свойствами, но демонстрируют замечательное отсутствие закономерностей. Глядя на список простых чисел, выстроенных последовательно, трудно предсказать следующее простое число (исключая то, что все простые после 2 нечетные и не должны делиться на маленькие простые числа, такие как 3, 5, 7). Простые числа определены однозначно и единственным образом, но в некоторых отношениях представляются случайными. Статистические закономерности среди них, однако, имеются. Около 1793 г. Гаусс заметил эмпирически, что число простых чисел, не превосходящих произвольное заданное число x, примерно равно x/log x. Он не смог этого доказать, но гипотеза получила известность как теорема о простых числах, поскольку в те дни слово «теорема» было стандартным обозначением для недоказанных утверждений. Вспомните хотя бы Великую теорему Ферма. Когда доказательство наконец появилось, то пришло оно с совершенно неожиданного направления. Простые числа – это дискретные объекты, возникающие в теории чисел. На противоположном конце математического спектра при этом находится комплексный анализ, который имеет дело с непрерывными объектами и пользуется совершенно иными (геометрическими, аналитическими, топологическими) методами. Казалось маловероятным, что между ними может быть какая-то связь, но связь, как оказалось, имеется, и после ее выявления математика изменилась навсегда.

Открытие связующего звена между ними восходит еще к Эйлеру, который в 1837 г., включив, видимо, режим сверхчувственного восприятия формул, заметил, что для любого числа s сумма бесконечного ряда

равна произведению, по всем простым p, суммы ряда

Доказать это несложно; по существу, достаточно перевести принцип единственности разложения на простые множители на язык степенных рядов. Эйлер рассматривал этот ряд для действительных чисел s, а по большей части даже для целых s. Но он имеет смысл и в том случае, когда s – комплексное число, при соблюдении некоторых технических условий, связанных со сходимостью, и применении фокуса, позволяющего расширить диапазон чисел, для которых все это определено. В новом контексте это называется дзета-функцией и записывается как ζ (z). Когда мощь комплексного анализа начала проявлять себя, было естественно исследовать ряды такого рода при помощи новых инструментов в надежде, что удастся, может быть, обнаружить доказательство теоремы о распределении простых чисел. Риман, большой специалист по комплексному анализу, просто не мог пройти мимо такой возможности.

Перспективность этого подхода впервые проявилась в 1848 г., когда Пафнутий Чебышев, воспользовавшись дзета-функцией (которая тогда еще так не называлась), сумел существенно продвинуться к доказательству теоремы о распределении простых чисел. Риман прояснил роль этой функции в краткой, но проницательной статье 1859 г. Он показал, что статистические свойства простых чисел тесно связаны с нулями дзета-функции, то есть с решениями уравнения ζ(z) = 0. Кульминацией статьи стала формула, в которой точное число простых чисел, не превосходящих заданной величины x, приравнивалось к сумме значений бесконечного ряда, взятых в нулях дзета-функции. И практически в качестве случайного отступления Риман предположил, что все нули дзета-функции, помимо очевидных – отрицательных целых чисел, лежат на критической линии z = ½ + it.

Это предположение, окажись оно верным, имело бы множество значительных следствий. В частности, из него следует, что различные приближенные формулы с участием простых чисел на самом деле более точны, чем можно доказать в настоящее время. Вообще, диапазон тем, на которые повлияло бы доказательство гипотезы Римана, необъятен. Однако пока для этой гипотезы нет ни доказательства, ни опровержения. Есть кое-какие «экспериментальные» данные: в 1914 г. Годфри Харолд Харди доказал, что на критической линии действительно лежит бесконечное число нулей. В 2001–2005 гг. программа Себастьяна Веденивски ZetaGrid подтвердила, что первые 100 млрд нулей лежат на критической линии. Однако в этой области теории чисел подобный результат не может быть до конца убедительным, поскольку многие правдоподобные, но неверные гипотезы впервые нарушаются очень-очень далеко, на невообразимо гигантских числах. Гипотеза Римана – часть Задачи № 8 в знаменитом Гильбертовом списке 23 великих нерешенных математических задач (глава 19); она же является одной из так называемых Задач тысячелетия, отобранных Институтом Клэя в 2000 г.; объявлено, что за верное решение любой из этих задач будет выплачена премия в один миллион долларов. Вообще, гипотеза Римана – сильный претендент на звание крупнейшей нерешенной задачи во всей математике.

Риман доказал свою точную формулу для числа простых чисел при помощи, помимо прочего, анализа Фурье. Эту формулу можно рассматривать как свидетельство того, что преобразование Фурье переводит множество нулей дзета-функции в множество простых степеней и некоторое количество элементарных множителей. То есть нули дзета-функции управляют нерегулярностями простых чисел. Маркуса дю Сотоя назвать свою книгу «Музыка простых чисел» вдохновила поразительная аналогия. Анализ Фурье помогает разложить сложную звуковую волну на базовые синусоидальные компоненты. Аналогично великолепная симфония простых чисел раскладывается на отдельные «ноты», исполняемые последовательно каждым нулем дзета-функции. Громкость каждой ноты определяется величиной действительной части соответствующего нуля. Таким образом, гипотеза Римана говорит нам, что все нули звучат одинаково громко.

Озарения Римана, позволившие ему глубоко заглянуть в царство дзета-функции, дают ему право именоваться музыкантом простых чисел.

Понятие бесконечности, того, что может продолжаться вечно, без остановки, завораживала человека испокон веков. Философы, разумеется, повеселились в этой теме вволю. На протяжении последних нескольких столетий математики, в частности, широко использовали бесконечность; точнее говоря, они использовали множество различных интерпретаций бесконечности во множестве различных контекстов. Бесконечность – это не просто очень большое число. Строго говоря, это вообще не число, потому что бесконечность больше любого конкретного числа. Если бы бесконечность была числом, это означало бы, что она должна быть больше самой себя. Аристотель рассматривал бесконечность как процесс, продолжающийся неопределенно долго: до какого бы числа вы ни добрались, вы всегда сможете найти большее число. Философы называют это потенциальной бесконечностью.

Некоторые индийские религии, и среди них джайнизм, буквально очарованы большими числами. Согласно джайнскому математическому тексту «Сурья-праджняпти», некий индийский математик-визионер заявил около 400 г. до н. э., что существует множество размеров бесконечности. Звучит как мистическая чепуха, не правда ли? Если бесконечность – это самое большое, что только может существовать, то как одна бесконечность может быть больше другой? Но ближе к концу XIX в. немецкий математик Георг Кантор разработал Mengenlehre – теорию множеств – и воспользовался ею, чтобы объявить: бесконечность может быть актуальной, а не просто Аристотелевым процессом потенциальности, и вследствие этого одни бесконечности могут быть больше, чем другие.

В то время многие математики также посчитали эту идею мистической чепухой. Кантору пришлось вести бесконечные баталии с критиками, многие из которых использовали язык, который в сегодняшнем мире, вероятно, стал бы поводом для судебных исков. Он страдал от депрессии, которая еще больше усиливалась, вероятно, от тех издевок, которым он постоянно подвергался. Сегодня, однако, большинство математиков считают, что Кантор был прав. В самом деле, различие между самой маленькой бесконечностью и любой бесконечностью побольше является фундаментальным во многих областях прикладной математики, в первую очередь в теории вероятностей. А теория множеств стала логическим основанием для математики в целом. Гильберт, один из крупнейших математиков среди тех, кто рано понял обоснованность идей Кантора, сказал: «Никто не сможет изгнать нас из рая, созданного Кантором».

Мать Кантора, Мария Анна (урожденная Бём), была талантливым музыкантом, а его дед Франц Бём служил солистом Русского императорского оркестра. Георг вырос в музыкальной семье и стал неплохим скрипачом. Его отец, тоже Георг, занимался оптовой торговлей в Санкт-Петербурге, а позже участвовал в работе городской биржи. Его мать была католичкой, но отец – протестантом, и Георг тоже был воспитан в этой вере. Гувернер начал водить его в начальную школу, но холодные петербуржские зимы плохо сказывались на здоровье отца, и в 1856 г. семья переехала в Германию, в Висбаден, а позже во Франкфурт. Хотя всю оставшуюся жизнь Кантор провел в Германии, ближе к концу он писал, что «никогда не чувствовал себя непринужденно» там и тосковал по России своего детства.

Кантор учился в реальном училище в Дармштадте и жил там же в пансионе. В 1860 г. он окончил училище; его характеризовали как очень способного учащегося, подчеркивая успехи юноши в математике, особенно в тригонометрии. Отец хотел, чтобы Кантор стал инженером, и поэтому отправил его в Высшую коммерческую школу в том же Дармштадте. Но Георг-младший хотел изучать математику и донимал отца, пока тот не сдался. В 1862 г. Георг начал изучать математику в Политехническом институте в Цюрихе. В 1863 г., когда отец умер и оставил ему значительное наследство, Георг перевелся в Берлинский университет. Там он посещал лекции Кронекера, Кюммера и Вейерштрасса. После лета 1866 г., проведенного в Гёттингене, в 1867 г. он представил диссертацию «О неопределенных уравнениях второй степени» – тема из теории чисел.

После этого он начал работать учителем в школе для девочек, но работу над хабилитацией не оставил. После получения места в Университете Галле Георг представил диссертацию по теории чисел и получил степень доктора хабилис. Эдуард Хайне, видный математик в Галле, предложил Кантору сменить поле исследований и заняться знаменитой нерешенной задачей о рядах Фурье: доказать, что представление функции в этом виде единственно. Решить задачу пытались Дирихле, Рудольф Липшиц, Риман и сам Хайне, но никому из них это не удалось. Кантор решил задачу меньше чем за год. Он продолжал работать над тригонометрическими рядами еще некоторое время, и исследования привели его в области, которые мы сегодня рассматриваем как прототип теории множеств. Причина в том, что многие свойства рядов Фурье зависят от особенностей представляемой функции, например структуры множества точек, в которых эта функция имеет разрывы. Кантор не смог добиться прогресса в этих областях, не столкнувшись со сложными вопросами о бесконечных множествах действительных чисел.

Исследования в области оснований математики были на подъеме, и после столетий отношения к действительным числам как к бесконечным десятичным дробям математики начинали задумываться о том, что это все означает. К примеру, невозможно записать бесконечное десятичное представление числа π. Мы можем лишь установить правила, по которым его нужно искать. В 1872 г. в одной из статей о тригонометрических рядах Кантор ввел новый метод определения действительного числа как предела сходящейся последовательности рациональных чисел. В том же году Дедекинд опубликовал знаменитую статью, в которой определил действительное число в терминах «сечения», разделяющего рациональные числа на два непересекающихся подмножества, таких, что все элементы одного подмножества меньше любого из элементов другого подмножества. В ней он цитировал статью Кантора. Оба этих подхода – сходящаяся последовательность рациональных чисел и сечение Дедекинда – стандартны в базовых курсах математики и при построении множества действительных чисел из рациональных.

К 1873 г. Кантор углубился в исследования, результаты которых показали его как значительную фигуру в области теории множеств и трансфинитных (его собственный термин для бесконечных) чисел. Теория множеств с тех пор стала существенной частью любого математического курса, поскольку предоставляет удобный и гибкий язык для описания предмета. Если не углубляться в формальности, множество – это любой набор объектов: числа, треугольники, Римановы поверхности, перестановки и вообще что угодно. Множества можно комбинировать разными способами. К примеру, объединение двух множеств – это то, что получится, если соединить эти два множества в одно, а их пересечение – все то, что они имеют общего. Используя множества, мы можем определить такие базовые концепции, как функции и отношения. Мы можем построить такие системы чисел, как целые, рациональные, действительные и комплексные числа, из более простых составляющих, если привлечем к делу пустое множество, которое вообще не имеет элементов.

Трансфинитные числа – это способ расширить понятие «сколько элементов» на бесконечные множества. Кантор натолкнулся на эту идею в 1873 г., когда доказал, что рациональные числа счетны; то есть их можно поставить в однозначное соответствие с натуральными числами 1, 2, 3,… (Я объясню стоящие за этим идеи и терминологию чуть позже.) Если бы на свете существовал только один размер бесконечности, этот результат был бы очевиден, но он вскоре обнаружил доказательство того, что действительные числа несчетны. Об этом он опубликовал статью в 1874 г. – год, очень важный для Кантора в личном плане, поскольку именно тогда он женился на Вали Гутман; в этом браке у них родилось шестеро детей.

В поисках бесконечности еще большей, чем бесконечность действительных чисел, Кантор подумал о множестве всех точек в единичном квадрате. Ведь должен же квадрат с его двумя измерениями иметь больше точек, чем действительная прямая? Кантор высказал свое мнение в письме к Дедекинду:

Вскоре, однако, он обнаружил, что ответ вовсе не так очевиден, как ему казалось. («Доказательство кажется ненужным» для математика – как красная тряпка для быка, и он должен был бы понимать, чем это чревато.) В 1877 г. Кантор доказал, что на самом деле такое соответствие существует. «Я вижу это и не верю своим глазам!» – писал он. Но, когда он представил статью об этом в престижный «Журнал чистой и прикладной математики» (Journal für die reine und angewandte Mathematik), Леопольда Кронекера – блестящего, но ультраконсервативного математика и корифея того времени – его доводы не убедили, и лишь благодаря вмешательству Дедекинда статья была принята и опубликована. Кантор, в какой-то мере оправданно, никогда больше не подавал статьи в этот журнал. Вместо этого в период между 1879 и 1884 гг. он, вероятно под влиянием Феликса Клейна, отправлял основную массу своих работ по теории множеств и трансфинитным числам в журнал «Математические анналы» (Mathematische Annalen).

Прежде чем продолжить рассказ о Канторе, нам необходимо понять революционную природу его идей, а также разобраться, в первом приближении, что они собой представляют. Боюсь, что, изложив их в терминологии того времени, я только запутал бы вас, поэтому воспользуюсь послезнанием и перескажу несколько основных его идей современным языком.

В трактате «Беседы, касающиеся двух новых отраслей науки» Галилей поднял фундаментальный вопрос – несколько парадоксально – о бесконечности. Книга написана в форме беседы между Сальвиати, Симплицио и Сагредо. Сальвиати всегда побеждает в споре, Симплицио не имеет никаких шансов на победу, а задача Сагредо – поддерживать беседу. Сальвиати замечает, что можно соотнести счетные (натуральные) числа с квадратами так, чтобы каждое число соответствовало единственному квадрату, а каждый квадрат – единственному числу. Для этого достаточно поставить в соответствие каждому числу его квадрат:

В случае конечных чисел если два множества объектов могут быть соотнесены между собой таким образом, то в каждом из них должно содержаться одно и то же число элементов. Если у каждого из сидящих за столом есть свои нож и вилка, причем только один нож и одна вилка, то число вилок равно числу ножей и то и другое равно числу людей за столом. Таким образом, несмотря на то, что квадраты разделены значительными расстояниями и образуют довольно «разреженное» подмножество всех чисел, представляется, что квадратов существует ровно столько же, сколько и чисел. Сальвиати заключает: «Мы можем сделать вывод, что совокупность всех чисел бесконечна и атрибуты “равно”, “больше” и “меньше” не применимы к бесконечным, но только к конечным величинам».

Кантор понял, что на самом деле ситуация здесь не настолько печальна. Он использовал такого рода сопоставление (которое он называл взаимно однозначным соответствием), чтобы определить характеристику «равное число элементов» для множеств, будь они конечными или бесконечными. Это можно сделать – что само по себе достаточно интересно, – даже не зная, сколько в этих множествах на самом деле элементов. Мы сами только что проделали это с ножами и вилками. Так что с логической точки зрения «равное число элементов» предшествует просто «числу элементов». В этом нет ничего удивительного: так, мы можем увидеть, что два человека одинаковы по росту, даже если не знаем, какого они конкретно роста.

Чтобы ввести конкретные числа, достаточно выделить некое стандартное множество и сказать, что любое другое множество, элементы которого могут быть поставлены во взаимно-однозначное соответствие с элементами стандартного множества, имеют с ним одинаковую мощность. Очевидный выбор стандартного образца для бесконечного множества – множество натуральных чисел, определяющее трансфинитное кардинальное множество, мощность которого Кантор назвал «алеф-нуль». Здесь алеф – первая буква еврейского алфавита, а нуль – это нуль. В символьном виде это можно записать как ℵ₀. По определению, любое множество, взаимно однозначно соответствующее множеству натуральных чисел, имеет мощность ℵ₀. Сальвиати доказал, что множество квадратов тоже имеет мощность ℵ₀.

Это утверждение кажется парадоксальным – ведь существуют, очевидно, и числа, не являющиеся квадратами; мало того, «большинство» чисел не является квадратами. Мы можем разрешить этот парадокс, условившись о том, что удаление некоторого числа элементов из бесконечного множества не уменьшает его мощности. Там, где речь идет о мощности множеств, целое не обязано быть больше своей части. Однако нам нет нужды следовать за Сальвиати и отвергать саму идею сравнения: мы получим разумные результаты, если будем считать, что целое больше или равно части. В конце концов, весь смысл бесконечности как понятия состоит в том, что она не всегда ведет себя как конечные числа. Главный вопрос здесь – как далеко мы можем зайти и какие проблемы сможем решить.

Следующим крупным открытием Кантора стало то, что множество рациональных чисел (для простоты ограничимся только положительными) тоже имеет мощность ℵ₀. Их можно поставить во взаимно однозначное соответствие с натуральными числами так:

Чтобы получить верхнюю строку, мы упорядочиваем рациональные числа не в числовой последовательности, а иначе. Определим сложность рационального числа как сумму его числителя и знаменателя. Будем рассматривать только те рациональные числа, у которых числитель и знаменатель не имеют общих множителей, чтобы не включить одно и то же число дважды. К примеру, 2/3 и 4/6 – это одно и то же рациональное число; возьмем из них только первое. Для начала разделим рациональные числа на классы в порядке возрастания сложности. Каждый такой класс конечен. Затем упорядочим, в пределах каждого класса, дроби по возрастанию числителя. Таким образом, класс сложности 5 упорядочится так:

1/4 2/3 3/2 4/1.

Легко доказать, что любое положительное рациональное число будет включено в один из классов один, и только один раз. Натуральным числом, которое будет поставлено ему в соответствие, станет номер этого числа в окончательном упорядоченном списке.

* * *

До настоящего момента нам могло казаться, что ℵ₀ – это всего лишь хитроумный символ для обозначения бесконечности и что все бесконечности одинаковы. Однако следующее открытие взрывает такое предположение. Множество действительных чисел невозможно поставить во взаимно однозначное соответствие со множеством натуральных чисел.

Первое доказательство Кантора 1874 г. было нацелено на одну из проблем теории чисел – существование трансцендентных чисел. Алгебраическое число – это число, удовлетворяющее некоторому полиномиальному уравнению с целыми коэффициентами; к примеру, это число являющееся решением уравнения x²–2 = 0. Если число не является алгебраическим, его называют трансцендентным. К примеру, не известно было никакого подобного уравнения, которому удовлетворяли бы числа e и π, и предполагалось, что они трансцендентны; эта гипотеза оказалась верной. Лиувиль доказал существование трансцендентного числа в 1844 г., но пример, который он при этом использовал, был совершенно искусственным. Кантор доказал, что «большинство» действительных чисел трансцендентны; для этого он показал, что множество алгебраических чисел имеет мощность ℵ₀, но мощность множества действительных чисел больше, чем ℵ₀. В его доказательстве принимается допущение о том, что множество действительных чисел счетно и возможно построение последовательности вложенных интервалов, исключающих каждое действительное число по очереди. Пересечение этих интервалов (можно доказать, что оно не пустое) должно содержать некоторое действительное число, но, каким бы это число ни было, мы его уже исключили.

В 1891 г. он нашел более простое доказательство – знаменитый диагональный метод. Предположим (чтобы затем прийти к противоречию), что действительные числа (для простоты – между 0 и 1) счетны. Тогда можно поставить им во взаимнооднозначное соответствие счетные, то есть натуральные, числа. В десятичной нотации любое соответствие такого рода принимает вид

1 0, a₁a₂a₃a₄…

2 0, b₁b₂b₃b₄…

3 0, c₁c₂c₃c₄…

4 0, d₁d₂d₃d₄…

… …

Согласно нашему предположению, любое действительное число найдется где-то в этом списке. А теперь мы построим такое число, которого в этом списке нет. Определим последовательные десятичные знаки, x₁, x₂, x₃… действительного числа x следующим образом:

Если a₁ = 0, пусть x₁ = 1, в противном случае пусть x₁ = 0.

Если b₂ = 0, пусть x₂ = 1, в противном случае пусть x₂ = 0.

Если c₃ = 0, пусть x₃ = 1, в противном случае пусть x₃ = 0.

Если d₄ = 0, пусть x₄ = 1, в противном случае пусть x₄ = 0.

Будем продолжать этот процесс до бесконечности, приравнивая x_n либо к 0, либо к 1, так что x_n всегда отличается от n-го десятичного знака действительного числа, соответствующего n.

По построению x отличается от любого числа в нашем списке. От первого числа оно отличается в первом знаке, от второго – во втором; в общем, это число отличается от n-го числа в n-м десятичном знаке, а значит, отличается от n-го числа, каким бы оно ни было. Однако мы предполагали, что список существует и что любое действительное число в нем имеется. Это противоречие; получается, что такого списка не существует, следовательно, множество действительных чисел несчетно.

Аналогично строится и другое открытие Кантора, в которое он сам поверил с трудом: что плоскость имеет ту же мощность, что и действительная прямая. Точка на плоскости имеет координаты (x, y), где x и y – действительные числа. Ограничимся, для простоты, единичным квадратом; тогда x и y в десятичной записи выглядят так:

x = 0, x₁ x₂ x₃ x₄…

y = 0, y₁ y₂ y₃ y₄…

Поставим этой паре в соответствие точку на прямой, в координатах которой десятичные знаки x и y стоят попеременно, вот так:

0, x₁ y₁ x₂ y₂ x₃ y₃…

Поскольку мы можем, глядя на это число, восстановить x и y, отобрав только последовательные цифры на четных или нечетных позициях, такой метод позволяет нам получить взаимно однозначное соответствие между единичным квадратом и единичным отрезком действительной прямой. Несложно расширить этот вывод на всю плоскость и всю числовую прямую. (Необходимо позаботиться о некоторых формальностях, которые я опустил, чтобы разобраться с неоднозначностью десятичного представления числа.)

Был один вопрос, который Кантор никак не мог разрешить ни так, ни этак. Существует ли трансфинитное множество, мощность которого лежала бы строго между ℵ₀ и мощностью множества действительных чисел? Кантор считал, что нет; он не смог отыскать такое множество, хотя пробовал на эту роль немало правдоподобных кандидатов. Это предположение получило известность как гипотеза о континууме, или континуум-гипотеза. За дальнейшим ее развитием мы проследим в главе 22.

* * *

На протяжении десяти лет после 1874 г. Кантор все свои усилия сосредоточил на теории множеств; он открыл значение взаимно однозначных соответствий в основании числовой системы и расширил принципы счета на трансфинитные числа. Его работа была настолько оригинальна, что многие современники Кантора были не в состоянии принять ее или поверить в ее значимость. Его математическую карьеру подпортил Кронекер, которому революционные идеи Кантора показались негодными с философской точки зрения. «Целые числа создал Господь Бог, все остальное – дело рук человеческих», – говорил Кронекер.

Кантор, можно сказать, подставился в философском плане, когда недвусмысленно заявил, что теория множеств имеет дело с актуальной бесконечностью, а не с потенциальной бесконечностью Аристотеля. Это некоторое преувеличение, поскольку актуальна эта бесконечность только в концептуальном смысле. В математике, как правило, можно перейти от описания, в котором речь идет, казалось бы, об актуальной бесконечности, к другому описанию, в котором бесконечность уже выглядит чисто потенциальной. Однако переход этот часто кажется надуманным: Кантор был прав, когда говорил, что естественный способ думать о его работе – это рассматривать бесконечность как единое целое, а не как процесс, который хотя и конечен на любом этапе, может продолжаться бесконечно. Непримиримым противником такой позиции был философ Людвиг Витгенштейн. Особенно резко он высказывался о диагональном методе и даже после смерти Кантора продолжал жаловаться на «пагубные подходы теории множеств». Но основная причина, по которой он продолжал громогласно жаловаться, состояла в том, что математики все больше и больше вставали на сторону Кантора и никто из них не обращал внимания на Витгенштейна. Это, наверно, было особенно обидно, потому что самого Витгенштейна очень интересовала философия математики, но, с другой стороны, математики не слишком любят философов, которые упорно твердят, что они, математики, все делают неправильно. Теория множеств работала, а математики в большинстве своем весьма прагматичны, даже в фундаментальных вопросах.

Кантор был религиозен и стремился примирить математику со своей верой. Природа бесконечного в те времена все еще была очень прочно увязана с религией, поскольку христианский Бог считался бесконечным и утверждалось, что Он есть единственная и неповторимая реальная бесконечность. Замечание Кронекера о целых числах вовсе не было метафорой. И тут появляется Кантор и заявляет, что в математике тоже есть актуальные бесконечности… Ну вы можете представить себе, что после этого должно было произойти. Однако Кантор дал достойный ответ, заявив: «Трансфинитная разновидность ровно в той же мере соответствует намерениям Создателя… как и конечные числа». Это был умный довод, поскольку отрицать его означало бы утверждать, что Бог имеет какие-то ограничения, что уже смахивало на ересь. Кантор даже написал об этом папе Льву XIII и направил ему несколько математических статей. Бог знает, что папа об этом подумал.

* * *

Математики понимали, что делает Кантор. Гильберт признавал значимость его работы и хвалил ее. Но с возрастом Кантор почувствовал, что теория множеств не произвела того эффекта, на который он надеялся. В 1899 г. у него случился приступ депрессии. Он вскоре оправился, но потерял веру в себя. Он написал Йосте Миттаг-Леффлеру: «Не знаю, когда я вернусь к продолжению научной работы. В настоящее время я абсолютно ничего не могу с ней делать». Пытаясь бороться с депрессией, он отправился на отдых в горы Гарц и попытался примириться со своим академическим противником Кронекером. Кронекер отреагировал на это положительно, но отношения между ними так и остались натянутыми.

Математика держала Кантора в напряжении: он страдал, что не может доказать свою континуум-гипотезу. В какой-то момент он думал, что сумел ее опровергнуть, но быстро нашел ошибку в рассуждениях; затем ему показалось, что он сумел-таки доказать ее, но и в этом доказательстве обнаружилась ошибка. В этот момент Миттаг-Леффлер попросил Кантора отозвать статью из журнала Acta Mathematica, хотя дело уже дошло до верстки, – и не потому, что статья была неверна, а потому, что она «опередила время лет на сто». Кантор отреагировал на это с юмором, но внутренне был очень обижен. Он перестал писать Миттаг-Леффлеру, перестал интересоваться его журналом – и вообще практически оставил теорию множеств.

Его депрессия проявлялась, как правило, двояким образом. С одной стороны, он начинал усиленно интересоваться философскими следствиями из теории множеств. Другим ее проявлением была убежденность Кантора в том, что все работы Шекспира на самом деле были написаны Фрэнсисом Бэконом. Эта навязчивая идея заставила его серьезно изучить литературу Елизаветинского времени, и к 1896 г. он начал публиковать брошюры о своей любимой теории. Затем за короткий промежуток времени умерли мать Кантора, его младший брат и младший сын. В нем все сильнее проявлялись признаки душевного расстройства, и в 1911 г., когда Университет Св. Андрея в Шотландии пригласил Кантора в качестве почетного гостя на празднование 500-летия университета, он большую часть времени посвятил рассуждениям о Бэконе и Шекспире. Депрессия стала его постоянным спутником. Некоторое время в связи с этим он провел в лечебнице, и в 1918 г. умер в санатории от сердечного приступа.

* * *

Ирония судьбы заключается в том, что Миттаг-Леффлер был, по существу, прав, когда говорил Кантору, что тот на столетие опередил свое время, хотя, возможно, прав не в том смысле, который сам имел в виду. Несмотря на то что идеи Кантора постепенно завоевывали признание, самого значительного влияния теории множеств на математику пришлось ждать до 1950-х или 1960-х гг., когда наблюдался расцвет абстрактного подхода к математике, продвигавшегося группой ученых, называвших себя Никола Бурбаки. Влияние Бурбаки на математическое образование с тех пор (к счастью) спало, но убеждение входивших в группу математиков в том, что математические понятия должны определяться точно и как можно более обобщенно, держится до сих пор. А базисом для точности и общности является позиция, которую обеспечивают любимые множества Георга Кантора. Сегодня любая область математики, хоть теоретической, хоть прикладной, прочно опирается на формальные положения теории множеств. Не только философски, но и практически. Без языка множеств математики сегодня не смогли бы даже обозначить, о чем, собственно, идет речь.

Так что вот приговор потомков: да, к теории множеств и трансфинитным числам действительно есть философские вопросы, но они ничем не лучше и не хуже аналогичных философских вопросов к целым числам, которые так любил Кронекер. Они тоже дело рук человеческих, а дело рук человеческих редко бывает лишено недостатков. По иронии судьбы мы сегодня определяем целые числа при помощи… теории множеств. И рассматриваем Кантора как одного из истинных чудаков и оригиналов математики. Если бы он не придумал теорию множеств, со временем это сделал бы кто-то другой, но прошел бы, вполне возможно, не один десяток лет, прежде чем нашелся бы еще один человек с таким же редким сочетанием мощи, глубины и интуиции.

С раннего детства маленькая Софа, как любя звали ее в семье, испытывала страстное желание понять все то, что привлекало ее внимание. Интерес к математике пробудился у нее в 11 лет; примечательно, что поводом к этому стали обои на стенах ее детской. Отец Софьи Василий Корвин-Круковский был генерал-лейтенантом артиллерии в Российской императорской армии, а мать Елизавета (урожденная Шуберт) происходила из семьи, занимавшей весьма высокое положение среди российской аристократии. Семья Корвин-Круковских владела поместьем Палабино под Санкт-Петербургом. При переезде в Палабино в доме был произведен ремонт, но на детскую обоев не хватило, и взамен были использованы листы какого-то старого учебника; им оказался курс лекций по дифференциальному и интегральному исчислению профессора Остроградского. В автобиографических «Воспоминаниях детства» Софья вспоминала, как часами разглядывала стены, пытаясь разгадать смысл покрывавших их загадочных символов. Она быстро запомнила формулы, да и текст тоже, но позже признавалась, что «в самый момент прочтения он и остался для меня непонятным»[23].

Надо сказать, что у девочки к тому моменту уже имелся опыт подобного самообразования. В то время не принято было учить грамоте маленьких детей, но Софа отчаянно хотела научиться читать. В шесть лет она самостоятельно заучивала буквы по газетам, а затем приставала к кому-нибудь из взрослых с просьбой сказать, что эта буква значит. Своим новым умением малышка похвасталась перед отцом, и тот, хотя сперва и отнесся к словам девочки с недоверием – подумал, что она просто заучила на память несколько предложений, – вскоре убедился в том, что дочь говорит правду. Он очень гордился ее умом и инициативой.

Когда обои в спальне Софьи пробудили в ней ни на чем, казалось бы, не основанный интерес к математике, ее прогрессивная для того времени семья не стала отговаривать девочку и тем более запрещать ей что-то, хотя многие в их социальном кругу ни при каких обстоятельствах не сочли бы математику занятием, приличествующим девице из хорошей семьи. Обстоятельства сложились так, что у Софьи была возможность удовлетворить свою страсть. Математика была одним из любимых предметов ее отца, а Софа – любимой дочерью. Дед Софы по матери Федор Федорович Шуберт был военным топографом, а его отец Федор Иванович Шуберт – ведущим астрономом и членом Академии наук. Так что математика была у Софьи в крови (если воспользоваться тогдашним представлением о наследственности). Более того, ее семья давно уже вращалась в среде математиков, и это, вполне возможно, оказало куда более серьезное влияние.

Решив начать с основ, генерал в первую очередь позаботился о том, чтобы наставники Софьи учили ее арифметике. Но, когда он спросил у дочери, нравятся ли ей уроки, первая реакция девочки была весьма прохладной: это же не дифференциальное исчисление. Ее отношение изменилось, когда она наконец поняла, что без основ ей никогда не постичь тех завораживающих уравнений на обоях. Так и вышло: Софья не только овладела дифференциальным и интегральным исчислением, но и добралась до переднего края математических исследований, делая при этом открытия, поражавшие ведущих математиков того времени. Она занималась дифференциальными уравнениями в частных производных, механикой и преломлением света в кристаллах. У нее вышло всего десять математических публикаций, причем одна из этих десяти – перевод на шведский язык, но все ее публикации были выдающегося качества. В них были проницательность, оригинальность и техническое мастерство. Видный американский математик Марк Кац говорил о Софье как о «первой гранд-даме математики». Многие считают ее величайшей женщиной-ученым своего времени и убеждены, что только Марии Кюри через несколько десятилетий удалось затмить ее в этом качестве.

Софья родилась в Москве в 1850 г. У нее была старшая сестра Анна (в семье ее звали Анютой), которую она обожала; позже в семье появился еще младший брат Федор. Дядя Софьи Петр Васильевич Круковский интересовался математикой и часто говорил о ней с девочкой – задолго до того, как она стала понимать, о чем он говорит.

В 1853 г., когда Софье было три года, Россия оказалась втянута в Крымскую войну. Формально причиной конфликта были права христианских меньшинств в Святой земле, но Франция и Великобритания были полны решимости не дать России взять под свой контроль земли слабеющей Османской империи. К 1856 г., после осады Севастополя, альянс Франции, Великобритании, Сардинии и турок нанес России поражение. Такое унижение стало поводом для массового общественного недовольства в России. Крестьяне и либералы восставали против жестокой государственной системы, в которой они чем дальше, тем больше видели лишь коррупцию и некомпетентность. Правительство отвечало цензурой и репрессиями царской тайной полиции. Многие аристократы в России владели обширными сельскими поместьями, но редко бывали там, предпочитая Санкт-Петербург, где бурлила политическая жизнь и светские развлечения. Теперь же благоразумие требовало, чтобы даже люди с либеральными наклонностями больше времени проводили в деревне и больше внимания обращали на жалобы и обиды своих работников. Так что в 1858 г. генерал Корвин-Круковский сообщил жене, что долг требует переехать в имение.

Поначалу Софью и ее старшую сестру Анюту не загружали учебой; они гуляли, исследовали местность и частенько попадали в различные неприятные истории. Но, после того как они умудрились попробовать какие-то несъедобные ягоды и несколько дней провалялись больные, отец нанял им наставника-поляка Йозефа Малевича и строгую английскую гувернантку Маргариту Смит, которую девочки сразу же невзлюбили. Малевич дал Софье основы образования, приличествующего молодой женщине, включая арифметику, а дядя Петр познакомил ее с кое-какими тайнами более продвинутой математики: он говорил с ней о таких вещах, как квадратура круга (построение квадрата той же площади, что у заданного круга; на самом деле это невозможно сделать при помощи традиционных геометрических инструментов, линейки и циркуля) и асимптоты (прямые, к которым кривая может подойти бесконечно близко, но так никогда и не достигнет). Эти концепции будили воображение девочки.

Со временем мисс Смит уволилась, и в семье Корвин-Круковских воцарился мир. В 1864 г. Анюта направила два рассказа Федору и Михаилу Достоевским; рассказы были напечатаны в их журнале «Эпоха». Анюта начала тайную переписку с Федором; отец сначала возражал, но потом смягчился, и Федор Достоевский стал вхож в семью. Софья погрузилась в водоворот светской жизни, где можно было встретить и других известных людей. Какое-то время она даже испытывала к Достоевскому девическую влюбленность, и, когда Федор сделал предложение Анюте, Софья пришла в ярость – тем более что сестра ему отказала.

Примерно в это же время Софья погрузилась и в математические загадки обоев своей детской спальни – и одна из нитей ее будущей жизни определилась. Сосед Корвин-Круковских Николай Тыртов, профессор физики в Военно-морской академии Санкт-Петербурга, принес ей свой учебник по вводному курсу физики. Не владея тригонометрией, Софья сражалась с непонятными формулами, пока не нашла интуитивно более понятную геометрическую аппроксимацию – по существу, все тот же классический вариант с хордой окружности. Такая демонстрация способностей произвела на Тыртова большое впечатление, и он попытался убедить генерала, чтобы тот позволил дочери изучать высшую математику.

В то время в России женщинам не разрешалось учиться в университетах, но, имея письменное согласие отца или мужа, они могли учиться за границей. Поэтому Софья заключила «фиктивный брак» с Владимиром Ковалевским – молодым студентом-палеонтологом. Такой фокус – брак по договоренности без реальных близких отношений – был довольно распространен в то время среди образованных русских женщин как способ добиться некоторой свободы. К досаде Софьи, отец предложил отложить свадьбу. С типичным для нее упрямством девушка дождалась, когда в доме соберутся к обеду известные гости, и потихоньку улизнула, оставив записку; в ней говорилось, что она отправилась одна к Владимиру на квартиру и останется там, пока они не получат разрешения на брак. Чтобы избежать светского скандала, отец на все согласился и, как положено, представил дочь и жениха гостям. Софья планировала выйти замуж, затем бросить Владимира и жить собственной жизнью, но Владимир без памяти влюбился в свою будущую жену (и в ее социальный круг) и вовсе не хотел расставаться с ней. Они поженились в 1868 г., когда Софье было 18 лет; с этого момента она стала Софьей Ковалевской.

По политическим взглядам Ковалевская, как многие русские в то время, была нигилисткой, то есть отвергала любые условности, не имевшие рационального объяснения; многие нигилисты считали, что к числу таких условностей относятся правительство и закон. Владимир Ленин, цитируя критика-радикала Дмитрия Писарева, отразил настроение эпохи – крайнюю форму социал-дарвинизма, которую недовольные бросали в лицо богатым и облеченным властью, нередко обосновывавшим свои привилегии примерно так же: «Ломай, бей все, бей и разрушай! Что сломается, то все хлам, не имеющий права на жизнь, что уцелеет, то благо»[24]. Вскоре после того, как новобрачные прибыли в Санкт-Петербург, их квартира стала настоящим клубом для единомышленников-нигилистов.

В 1869 г. Ковалевские уехали из России – сначала в Вену. Издательский бизнес Владимира рухнул, и он спасался от кредиторов; кроме того, оба жаждали более интеллектуальной атмосферы. Владимир хотел изучать геологию и палеонтологию. Ковалевская – к собственному удивлению – получила разрешение посещать в университете лекции по физике, однако получить математическое образование здесь возможности не было, поэтому супруги переехали в Гейдельберг. Поначалу руководство университета дало Софье от ворот поворот – решив, судя по всему, что она вдова, и смутившись, когда выяснилось, что она замужем, – но в конце концов удалось договориться, что Софья сможет посещать лекции, если профессор не будет против. Вскоре она уже проводила по 20 часов в неделю на лекциях, которые читали такие математики, как Лео Кёнигсбергер и Поль Дюбуа-Реймон, специалист по химической физике Густав Кирхгоф и физиолог Герман Гельмгольц.

Она также донимала химика и женоненавистника Вильгельма Бунзена просьбами разрешить ей и ее подруге Юлии Лермонтовой работать в его лаборатории, куда, как он когда-то поклялся, не должна была ступить нога ни одной женщины, тем более русской. «А теперь эта женщина заставила меня взять свои слова обратно», – жаловался он Вейерштрассу и в отместку распускал о Софье скандальные слухи. Его коллеги, напротив, с энтузиазмом встретили талантливую студентку, а газеты время от времени печатали о ней статьи. Ковалевская, не позволив обрушившемуся на нее вниманию вскружить ей голову, сосредоточилась на занятиях.

Ковалевские съездили в Англию, Францию, Германию и Италию. Владимир лично познакомился с Чарльзом Дарвином и Томасом Гексли, с которым заочно был знаком раньше. Софья, воспользовавшись своими связями, сумела встретиться с романисткой Джордж Элиот. В дневнике за 5 октября 1869 г. Элиот записала: «В воскресенье нас навещала интересная русская пара – месье и мадам Ковалевские: она очень хорошенькая, с приятным сдержанным голосом и речью, изучает математику… в Гейдельберге; он, любезный и умный, изучает, судя по всему, практические науки – особенно геологию». Философ и социал-дарвинист Герберт Спенсер, также присутствовавший в собрании, грубо заявил об интеллектуальной ущербности женщин. Ковалевская спорила с ним три часа, и Элиот отметила, что она «защищала наше общее дело достойно и храбро».

В 1870 г. Ковалевская переехала в Берлин, надеясь учиться там у Вейерштрасса. Услышав, что он отрицательно относится к образованию для женщин, она надела на встречу с ним шляпку, которая приличествовала бы скорее пожилой женщине и в значительной степени скрывала лицо. Вейерштрасс был удивлен, когда Софья попросила разрешения учиться у него, но ответил вежливо и предложил ей несколько задач, которые она должна была решить и принести ему. Ковалевская вернулась через неделю; все задачи были решены, причем часто оригинальными методами. Вейерштрасс позже сказал, что у нее был «дар интуитивного гения». Сенат университета отказал Ковалевской в возможности учиться официально, поэтому Вейерштрасс предложил ей заниматься частным образом. Между ними началась переписка, которая затем не прерывалась до смерти Ковалевской.

Анюта к тому времени жила в Париже с молодым марксистом Виктором Жакларом. В 1871 г. Национальная гвардия провозгласила Парижскую коммуну – радикальное социалистическое правительство, которое ненадолго взяло на себя управление городом. Ленин позже сказал, что это была первая попытка пролетарской революции разбить буржуазную государственную машину. Но государственная машина не хотела, чтобы ее разбивали. Софья услышала, что Жаклара могут арестовать за его политическую деятельность, и Ковалевские направились в Париж. Когда Версальское правительство начало обстреливать Коммуну из пушек, Софья и Анюта ухаживали за ранеными. Затем Ковалевские вернулись в Берлин, но, когда Париж пал и Жаклар был арестован, они вернулись, чтобы помочь Анюте и вывезти ее благополучно в Лондон, где ей помогал также Карл Маркс. Генерал Корвин-Круковский с женой отправился в Париж, чтобы содействовать освобождению Жаклара. Они не смогли добиться официального его освобождения, но из случайного разговора узнали, что Жаклара переводят в другую тюрьму. Когда заключенных вели сквозь толпу, какая-то женщина схватила Жаклара за руку, вытащила из колонны и увела прочь. Некоторые считают, что это была Анюта (хотя она в то время уже была в Лондоне), другие – что Ковалевская, третьи – что сестра Жаклара; кое-кто думает, что это был загримированный Владимир. Жаклар бежал; Владимир дал ему свой паспорт, по которому тот и уехал в Швейцарию. С той поры, занимаясь своей любимой математикой, Ковалевская не пренебрегала и участием в политических и социальных движениях.

Вернувшись в Берлин, она с энтузиазмом погрузилась в исследования. Работа шла хорошо, а вот с браком возникли проблемы. Супруги постоянно ссорились, Владимир начал хмуро поговаривать о разводе. К 1874 г. Ковалевская написала по результатам своих исследований три статьи, каждая из которых вполне могла бы принести автору заслуженную докторскую степень. Особенно важной была первая из них: Шарль Эрмит назвал ее «первым значительным результатом в общей теории дифференциальных уравнений в частных производных». Во второй статье речь шла о динамике колец Сатурна, а третья была чисто технической и посвящена упрощению интегралов.

Дифференциальное уравнение в частных производных устанавливает связь между скоростями изменения некоторой величины и несколькими различными переменными. К примеру, уравнение теплопроводности Фурье устанавливает связь между изменениями температуры в пространственных координатах – вдоль стержня – и тем, как ее величина в каждой конкретной точке изменяется во времени. Прием, примененный Фурье для решения этого уравнения при помощи тригонометрического ряда, основан на одном специфическом свойстве: его уравнение линейно, поэтому решения можно складывать друг с другом, получая при этом новые решения. В работе 1875 г. Ковалевская доказывает существование решений для нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных при выполнении некоторых технических условий. Эта работа расширила результат Коши 1842 г., и теперь объединенная версия того и другого называется теоремой Коши – Ковалевской.

Статья, посвященная кольцам Сатурна, была написана Ковалевской в период ее работы с Вейерштрассом, но тема его не интересовала, и все исследования она проводила самостоятельно. Софья изучала динамику вращающихся колец жидкости, которые, по предположению Лапласа, могли служить моделью колец Сатурна. Проанализировав стабильность колец в этой модели, она показала, что они не могут быть эллиптическими, как полагал Лаплас, а должны иметь яйцеобразную форму, то есть быть широкими с одного конца и более узкими с другого. Эта работа интересна примененными методами и была бы еще интереснее, если бы содержала все необходимые доказательства, но вскоре стало известно, что кольца Сатурна состоят из бесчисленных дискретных частиц, так что жидкая модель, лежавшая в основе исследования, потеряла актуальность и стала сомнительной. Сама Ковалевская писала: «Благодаря исследованиям Максвелла приемлемость представлений Лапласа о структуре колец Сатурна стала вызывать сомнения».

Теперь пришел черед вечной проблемы академической политики. Для получения докторской степени статьи следовало представить в университет – и это должно было быть одно из тех редких заведений, которые готовы присвоить женщине степень доктора наук. Вейерштрасс обратился в Гёттингенский университет, который иногда давал докторскую степень иностранцам без обычной процедуры формальной защиты диссертации: в противном случае она должна была бы проходить на немецком языке. Ковалевская получила степень доктора философии по математике summa cum laude (с отличием), став первой женщиной после Марии Аньези в Италии эпохи Возрождения, получившей докторскую степень по математике, и одной из очень немногих женщин, сумевших получить степень доктора хоть каких-нибудь наук.

Так Ковалевская стала полноправным математиком.

В 1874 г. Ковалевские вернулись в Россию – сначала в фамильное имение в Полибино, а оттуда в Санкт-Петербург в поисках работы, связанной с наукой или преподаванием. Никакой работы им найти не удалось. Немецкий диплом Ковалевской ничего здесь не стоил: для работы требовался российский, однако она как женщина не имела права держать соответствующий экзамен. Отчаявшись найти работу, Ковалевские, чтобы свести концы с концами, попытались начать собственное дело; быстро выяснилось, что это было катастрофическое решение. В 1875 г. умер отец Софьи; полученного наследства в 30 000 рублей хватило бы супругам на скромную жизнь, если бы они разумно ими пользовались. Вместо этого они вложили деньги в проект с недвижимостью. Первоначально казалось, что проект будет успешным, и Ковалевские переехали в новый дом с садом, огородом и коровой. (Собственная корова в богатых семьях среднего класса в России была обычным делом.) У них родилась дочь, тоже Софья. Владимир вложил крупные деньги в издание радикальной газеты – и в конечном итоге потерял 20 000 рублей, когда газета закрылась. Еще через несколько месяцев рухнул и проект с недвижимостью. Оказалось, что Владимир покупал землю под сомнительные будущие доходы, и, когда кредиторы потребовали возврата долга, его империя недвижимости оказалась всего лишь фантазией.

В 1878 г. Ковалевская возобновила контакт с Вейерштрассом и воспользовалась его советом – исследовать преломление света в кристалле. В 1879 г. на 6-м конгрессе естествоиспытателей она прочла лекцию о своих давних исследованиях, посвященных абелевым интегралам. В 1881 г. они с дочерью вновь приехали в Берлин, где Вейерштрасс к этому времени подыскал им квартиру. С финансами у Владимира становилось все хуже и хуже, в счет долга было продано даже имущество супругов. В 1883 г., страдая от резких перепадов настроения и оказавшись перед лицом вероятного судебного преследования за роль, которую сыграл в финансовом мошенничестве, Ковалевский покончил с собой, выпив бутылку хлороформа. Софья, узнав об этом, испытала острое чувство вины; пять дней она ничего не ела, а затем упала в обморок. После того как врач силой накормил ее, Софья пришла в себя и постепенно с головой погрузилась в работу, завершив свою теорию преломления света в кристалле. Она вернулась в Москву, чтобы привести в порядок дела Владимира, и представила свое исследование о преломлении света на 7-м конгрессе естествоиспытателей.

Смерть мужа устранила основное препятствие, стоявшее между Ковалевской и каким-либо академическим постом, на котором предпочитали видеть вдову, а не независимую (то есть состоятельную) или замужнюю женщину. Ковалевская была знакома с ведущим шведским математиком Йостой Миттаг-Леффлером через его сестру Анну-Карлотту Эдгрен-Леффлер – революционерку, актрису, писательницу и драматурга. Их дружба продолжалась вплоть до смерти Ковалевской. Миттаг-Леффлер, впечатленный исследованием Софьи на тему абелевых интегралов, выговорил для нее место в Стокгольмском университете – место временное и с определенными условиями, но тем не менее настоящий академический пост. Ковалевская стала единственной женщиной в Европе, занимающей такое положение. В Стокгольм она приехала в самом конце 1883 г. Она знала, что работа будет нелегкой и ей придется постоянно сражаться с предрассудками, но одна из прогрессивных газет назвала ее «принцессой науки», и это внушало оптимизм. Хотя она все же заметила, что жалованье могло быть и получше.

В Стокгольме расцвели и литературные способности Софьи Ковалевской. В соавторстве с Эдгрен-Леффлер она написала две пьесы: «Борьба за счастье» и «Как могло быть». Кроме того, она занялась крупной классической задачей механики: вращением твердого тела относительно фиксированной точки. Здесь она сделала совершенно неожиданное открытие – обнаружила новый тип решения, известный сегодня как волчок Ковалевской. Череда хитроумных академо-политических переговоров и взаимных уступок превратила ее неоплачиваемую позицию в должность экстраординарного профессора, которую через пять лет можно было перевести в категорию постоянных. Теперь ей хватало на жизнь – едва-едва, и она начала потихоньку выплачивать долги мужа. Ковалевская стала своеобразной местной знаменитостью, что побудило Берлинский университет разрешить ей посещать лекции в любом прусском университете. Софья вновь отправилась в Россию, затем в Берлин, затем вернулась в Швецию. Помимо прочего она (опять же, первой из женщин) вошла в редакционный совет журнала Acta Mathematica.

События развивались своим чередом; Эрмит убедил совет конкурса при Парижской академии выставить на конкурс задачу, которая прекрасно укладывалась в область ее интересов, и мало кто из причастных сомневался, что Ковалевская выиграет. В 1888 г. ее действительно признали победительницей за работу о вращении твердого тела. По мере того как росла репутация Софьи Ковалевской как крупного математика-исследователя, старые барьеры начинали рушиться. В 1889 г. она была назначена ординарным профессором Стокгольмского университета, а это уже хорошо оплачиваемый пожизненный пост. Она стала первой женщиной в университете Северной Европы, получившей такой пост. После многочисленных выступлений в ее защиту Ковалевская была избрана в Российскую академию наук. Чтобы ее можно было избрать, профильному комитету пришлось сначала проголосовать за изменение правил и разрешить прием в Академию женщин; через три дня после этого избрали Ковалевскую.

Софья Ковалевская написала несколько нематематических работ, включая «Русское детство», пьесы, написанные совместно с Анной-Карлоттой, и отчасти автобиографический роман «Нигилистка» (1890 г.). Она умерла от гриппа в 1891 г.

Неожиданное открытие Ковалевской – новое решение задачи о вращении твердого тела – стало серьезным вкладом в механику, науку о том, как частицы и тела ведут себя под действием сил. Типичные примеры изучаемых процессов – качание маятника, вращение волчка и орбитальное движение какой-нибудь планеты вокруг Солнца. Как мы видели в главе 7, механика взяла настоящий старт в 1687 г., когда Ньютон опубликовал свои законы движения. Второй закон Ньютона особенно важен, потому что говорит нам, как тело движется под влиянием известных сил: масса, умноженная на ускорение, равна силе. Этот закон косвенным образом определяет положение тела через скорость изменения скорости изменения положения; возникает дифференциальное уравнение «второго порядка».

Если нам повезет, мы сможем решить это уравнение, получив формулу для положения тела в любой заданный момент времени. Если так, наше уравнение интегрируемо. Многие ранние работы в механике сводятся, по существу, к поиску систем, которые моделируются интегрируемыми уравнениями. Но даже для очень простых систем это может оказаться трудной задачей. Маятник – одна из простейших механических систем, существующих на свете, и он действительно оказывается интегрируемым; но даже в этой простейшей системе точная формула решения задействует эллиптические функции.

Для начала скажем, что интегрируемые случаи были открыты методом проб и ошибок. По мере того как математики набирались опыта, они начинали выявлять кое-какие общие принципы. Самые известные из них – законы сохранения, в которых обозначены сохраняющиеся величины, то есть величины, которые не меняются в процессе движения. Самая знакомая из этих величин – энергия. При отсутствии трения полная энергия механической системы остается постоянной. Еще сохраняются импульс и момент импульса. Если сохраняющихся величин достаточно, ими можно воспользоваться, чтобы вывести решение, – и тогда система интегрируема. Исторически сложилось, что интегрируемые случаи движения твердого тела называют «волчками».

До Ковалевской было известно два интегрируемых волчка. Один из них – волчок Эйлера, твердое тело, не подверженное действию внешних закручивающих сил (моментов кручения). Второй – волчок Лагранжа, вращающийся вокруг своей оси на плоской горизонтальной поверхности с вертикально действующей силой тяжести. Лагранж открыл, что эта система интегрируема, если волчок обладает симметрией вращения. Ключевой аспект в обоих случаях – моменты инерции волчка; это говорит о том, какой момент кручения (закручивающая сила) необходим для того, чтобы увеличить угловую скорость вращения волчка вокруг заданной оси на заданную величину. У любого твердого тела имеется три особых момента инерции, которые считают определяющими. Во времена Софьи Ковалевской каждый математик, разбирающийся в механике, знал о волчках Эйлера и Лагранжа. Он знал также – или думал, что знает, – что эти волчки – единственные интегрируемые случаи, больше таких нет. Так что открытие третьего типа волчка, сделанное Ковалевской, стало для всех шоком. Более того, этот случай не полагался на симметрию – а математики уже поняли и начинали привыкать к тому, что симметрия помогает решать уравнения. Вместо этого в новом решении использовались загадочные свойства волчка, у которого один определяющий момент инерции вдвое меньше двух других. Мы теперь точно знаем, что больше интегрируемых случаев не существует.

Системы, которые не являются интегрируемыми, могут быть исследованы другими способами, к примеру при помощи численных приближений. Часто при этом системы демонстрируют детерминистический хаос: нерегулярное поведение, возникающее в результате действия неслучайных законов. Но даже сегодня физики, инженеры и математики испытывают большой интерес к интегрируемым системам: они легче для понимания и представляют собой редкие островки регулярности в океане хаоса. Исключительная природа таких случаев делает их особыми – и потому достойными подробного изучения. Волчок Ковалевской стал классикой математической физики.

Архимеда идеи осеняли в ванне. Анри Пуанкаре они осеняли при входе в омнибус.

Пуанкаре был одним из самых изобретательных и оригинальных математиков своего времени. Кроме того, он написал несколько бестселлеров – научно-популярных книг на основе лекций, прочитанных в Парижском психологическом обществе. Пуанкаре интересовался процессом мышления у математиков и придавал особое значение подсознанию. В книге «Наука и метод» (Science and Method) он приводит пример из собственного опыта:

Затем он описывает в некоторых подробностях собственный опыт, указывая с самого начала, что слушателям (или читателям) не обязательно понимать, что означают технические термины в его рассказе. Можно просто считать их заместителями неких продвинутых математических понятий.

Рассказ продолжают еще два случая внезапного озарения.

Размышляя задним числом над этим и другими открытиями, Пуанкаре выделяет три фазы математического открытия: подготовка, инкубационный период и просветление. То есть: проведи сознательную работу, чтобы погрузиться в задачу, дойти до предела и остановись; подожди, пока подсознание все это переработает; а потом у тебя в голове вспыхнет маленькая лампочка и наступит момент озарения.

Анализ Пуанкаре, содержащийся в его лекциях, статьях и книгах, до сих пор остается одним из лучших источников информации о работе великого математического ума.

Анри Пуанкаре родился в Нанси (Франция). Его отец Леон был профессором медицины в Университете Нанси, мать звали Эжени (урожденная Лануа). Его двоюродный брат Раймон Пуанкаре стал премьер-министром, а во время Первой мировой войны был президентом Французской Республики. В раннем возрасте Анри переболел дифтерией, и, пока не поправился, его дома обучала мать. Затем он отправился в лицей, где провел 11 лет. Анри был первым по всем без исключения предметам, а в математике – просто неподражаем. Учитель называл его «монстром математики», и национальные конкурсы Анри тоже выигрывал. У мальчика была великолепная память; он мог представить себе любую сложную трехмерную фигуру, что компенсировало ему в какой-то степени зрение – настолько слабое, что во время урока он едва видел классную доску, не говоря уже о том, что было на ней написано.

В 1870 г., когда Франко-прусская война была в самом разгаре, юный Пуанкаре служил вместе с отцом в медицинской части. В 1871 г. закончилась война, в 1873 г. Анри поступил в Париже в Политехническую школу, которую окончил в 1875 г. Затем он был принят в Горную школу (École des Mines), где изучал горное дело и вновь математику. В 1879 г. он получил диплом горного инженера. Тот год был богат событиями. Пуанкаре стал горным инспектором Горного корпуса по области Везуль; он, в частности, проводил официальное расследование несчастного случая в Маньи, когда погибло 18 шахтеров. Кроме того, Пуанкаре продолжал под руководством Эрмита работать над докторской диссертацией; он занимался уравнениями в конечных разностях – аналогом дифференциальных уравнений, в которых время изменяется не непрерывно, а дискретными шагами. Он распознал потенциал уравнений, описывающих движение многих тел под действием гравитации, к примеру Солнечной системы, и предвидел будущее развитие в этой области; важность этих исследований многократно возросла, когда компьютеры стали достаточно мощными, чтобы взять на себя громадное число необходимых расчетов.

После получения докторской степени Пуанкаре получил место младшего преподавателя математики в Университете Кана, где встретил свою будущую жену Луизу Пулен д’Андеси. Они поженились в 1881 г. и родили четверых детей – трех девочек и мальчика. К 1881 г. Пуанкаре успел получить куда более престижную работу в Университете Парижа, где за короткое время вырос в одного из ведущих математиков своего времени. Пуанкаре обладал прекрасной интуицией, и лучшие идеи, как правило, приходили к нему в те моменты, когда он думал о чем-то другом, – вспомните хотя бы историю с омнибусом. Он написал несколько научно-популярных бестселлеров: «Наука и гипотеза» (1901 г.), «Ценность науки» (1905 г.), «Наука и метод» (1908 г.). Безусловно, Пуанкаре стоял выше большинства других математиков того времени во многих областях, включая теорию комплексных функций, дифференциальные уравнения, неевклидову геометрию, топологию – которую он, по существу, основал, – и в применении математики в таких разных областях, как электричество, упругость, оптика, термодинамика, теория относительности, квантовая теория, небесная механика и космология.

Топология, если вы помните, – это «геометрия резинового листа». Евклидова геометрия строится вокруг свойств, которые сохраняются при жестких перемещениях, таких как длины, углы и площади. Топология отбрасывает все это и ищет свойства, которые, напротив, сохраняются при непрерывных преобразованиях, таких как сгибание, растягивание, сжатие и закручивание. К таким свойствам относятся связность (один кусок или два), наличие узлов и число отверстий (одно или больше). Предмет изучения здесь может показаться туманным, но свойства непрерывности фундаментальны – возможно, даже более фундаментальны, чем свойства симметрии. В XX в. топология наряду с алгеброй и анализом стала одним из трех китов теоретической математики.

В том, что так произошло, большая заслуга Пуанкаре, который перешел от резиновых листов к, если так можно выразиться, резиновым пространствам. Метафора листа – двумерная концепция. Если игнорировать все окружающее пространство – как видел его Гаусс, – то для определения точки на листе или, более формально, на поверхности, достаточно двух чисел. Классические топологи, и среди них ученик Гаусса Иоганн Листинг, сумели достаточно подробно разобраться в топологии поверхностей. В частности, они их проклассифицировали, то есть расписали все возможные формы поверхностей, воспользовавшись для этого хитроумным методом конструирования поверхности из плоского многоугольника (и его внутренней части).

Простой и очень важный пример поверхности – тор. В трехмерном пространстве тор имеет форму бублика с непременным отверстием посередине. Математический тор определяется как поверхность этого бублика – никакого теста внутри, одна только граница с окружающим воздухом. Концептуально эту фигуру можно определить без всякого теста и воздуха. Достаточно взять квадрат и добавить к нему правила, по которым соответствующие точки на противоположных сторонах квадрата тождественны. Если бы вы согнули квадрат и реально склеили противоположные его стороны, вы действительно получили бы поверхность тора. Но можно исследовать все и на плоском квадрате – конечно, если не забывать о правилах. Многие компьютерные игры «загибают» прямоугольный экран, графически используя правила склеивания, так что инопланетные монстры, уходящие за левый край экрана, тут же вновь появляются справа. Никто в здравом уме не будет физически сгибать экран, чтобы получить этот эффект. Этот объект известен в математике под названием, которое явственно отдает оксюмороном, – «плоский тор». Плоский он потому, что его локальная геометрия совпадает с локальной геометрией плоского квадрата. А тор – потому, что его глобальная топология представляет собой топологию… тора.

Иоганн Листинг и другие топологи показали, что любая замкнутая поверхность конечных размеров может быть получена концептуальным склеиванием сторон подходящего многоугольника. Обычно такой многоугольник имеет больше четырех сторон, а правила склеивания могут быть довольно сложными. Исходя из этого, можно доказать, что любая ориентируемая – то есть имеющая две различные стороны, в отличие от знаменитой ленты Мёбиуса, – поверхность представляет собой k-тор, или тор k-го рода. Это поверхность, подобная тору, но с k отверстиями, где k = 0, 1, 2, 3, … Если k = 0, мы получаем сферу, если k = 1, получаем обычный тор, если k ≥ 2, получаем нечто более сложное. Аналогичная классификация существует и для неориентируемых поверхностей, но мы не будем вдаваться в подробности.

Пуанкаре хотел обобщить топологию и распространить ее на пространства размерностей больших, чем два, и очевидным первым шагом в этом направлении был переход к трем измерениям. Здесь принципиальное значение имеет Гауссов объективный взгляд на геометрию; дело в том, что мало смысла в попытках встроить сложное топологическое пространство в обычное трехмерное Евклидово пространство. Это как встраивать тор в плоскость, причем без фокуса с отождествлением сторон. Не получится.

Чтобы понять, что интересные трехмерные топологические пространства – трехмерные многообразия – возможны, мы обобщим прием, которым пользовался еще Листинг. К примеру, чтобы получить плоский трехмерный тор, берут объемный куб (чтобы получить что-то трехмерное, требуется внутренность куба, а не только шесть его квадратных граней) и концептуально склеивают попарно (отождествляют) противоположные грани. Теперь объемный инопланетянин может выйти через одну грань и тут же вновь появиться с противоположной стороны, как если бы эти две грани были двумя сторонами некоего портала в стиле «Звездных врат» и инопланетянин просто проходил бы сквозь этот портал.

В обобщенном смысле мы можем взять многогранник и склеить его грани в соответствии с некоторым набором правил. Этот рецепт позволяет получить множество трехмерных многообразий различных топологий, но таким способом уже невозможно получить их все. (Неочевидно, но это правда.) Мало того, классифицировать топологические типы многообразий с тремя и более измерениями принципиально невозможно; фигур с разной топологией существует слишком много. Но, приложив достаточные усилия, можно выделить кое-какие общие закономерности. В этой связи Пуанкаре принадлежит фундаментальный вопрос, известный как гипотеза Пуанкаре, которую на самом деле, как мы вскоре увидим, лучше было бы назвать ошибкой Пуанкаре, но будем милосердны. В 1904 г. Пуанкаре обнаружил, что некий факт, который он все время неявно полагал очевидным, не был даже верным, и задался вопросом, нельзя ли исправить ситуацию, начав с более сильной гипотезы. Сам он не смог в этом разобраться, лишь заметил, что «этот вопрос увел бы нас слишком далеко в сторону», и оставил головоломку будущим поколениям.

Чтобы понять гипотезу, о которой идет речь, мы для начала рассмотрим аналогичный вопрос в более простом контексте поверхностей: как отличить сферу от всех остальных k-торов? Пуанкаре заметил, что для этого достаточно обратить внимание на одно простое топологическое свойство. Если нарисовать петлю – замкнутую кривую – на сфере, то ее можно непрерывно деформировать, все время оставаясь на сфере, до тех пор, пока она не сожмется в точку. Поскольку в сфере нет отверстий, которые могли бы этому помешать, можно просто сжимать петлю все плотнее и плотнее. Однако на торе k-го рода с одним или несколькими отверстиями (k > 0) петлю, проходящую через отверстие, не удастся сжать в точку. Она в любом случае останется продетой в отверстие.

На языке математики утверждение «любая петля деформируется в точку» обозначается термином «гомотопическая сфера». Мы только что набросали кратко доказательство того, что, если речь идет о поверхностях, любая гомотопическая сфера топологически эквивалентна настоящей сфере. Это позволяет характеризовать сферу при помощи простого топологического свойства. Гипотетический муравей, живущий на поверхности, мог бы, в принципе, разобраться, является ли эта поверхность сферой; для этого ему надо было бы раскладывать всюду веревочные петли и стягивать их в точку. Пуанкаре предположил, что нечто подобное характеризует и трехмерную сферу, или 3-сферу, которая представляет собой трехмерное многообразие, аналогичное сферической поверхности. Это не просто заполненный шар. У шара есть граница, у 3-сферы ее нет. Можно представить себе 3-сферу как шар, поверхность которого стянута в одну точку, – в точности так же, как тонкий диск топологически превращается в сферу, если стянуть все граничные точки в одну. Представьте себе мешок со шнурком вокруг горловины. Когда вы затягиваете шнурок, граница стягивается в точку и мешок приобретает топологию сферы.

А теперь проделаем то же самое, но в условиях, когда у нас есть возможность поиграть еще с одним измерением.

Гипотеза возникла потому, что Пуанкаре в то время размышлял еще об одном топологическом свойстве, которое называется гомологией… Интуитивно это свойство менее понятно, чем стягивающиеся петли, но близко с ними связано. В определенном смысле петли, продернутые через различные отверстия k-тора, представляют независимые способы не быть сводимыми в точку. Гомология выражает эту же идею без привязки к отверстиям, которые представляют собой всего лишь визуально понятную нам интерпретацию результата. Понятие отверстия несколько обманчиво, поскольку отверстие не есть часть поверхности: это место, где данная поверхность отсутствует. В двух измерениях, благодаря теореме о классификации, сферу можно охарактеризовать по ее гомологическим свойствам (отсутствие отверстий).

В одной из ранних работ Пуанкаре принял допущение о том, что это же утверждение верно и для трех измерений. Это показалось ему настолько очевидным, что он даже не потрудился это доказать. Но затем он открыл пространство, обладающее той же гомологией, что и 3-сфера, но топологически от нее отличное. Чтобы получить такое пространство, склейте попарно противоположные грани сплошного додекаэдра, – примерно так получается плоский трехмерный тор из сплошного куба. Чтобы доказать, что это «додекаэдрическое пространство» топологически не эквивалентно трехмерной сфере, Пуанкаре и придумал гомотопию – то, что происходит с петлей при деформировании. В отличие от 3-сферы, его додекаэдрическое пространство содержит петли, которые невозможно непрерывными деформированиями свести в точку. Затем он задался вопросом: не является ли это дополнительное свойство характеристикой 3-сферы? На самом деле это был вопрос, даже не гипотеза, поскольку Пуанкаре не высказал по ее поводу собственного мнения. Однако ясно: он полагал, что ответ должен быть «да», так что, называя этот вопрос гипотезой, мы не проявляем особой несправедливости по отношению к автору.

Гипотеза Пуанкаре оказалась твердым орешком. Очень твердым. Если вы тополог и привычны к соответствующей терминологии и мышлению, вопрос покажется вам простым. Он должен иметь естественный ответ и простое доказательство. Однако, судя по всему, это не так. Но идеи, которые натолкнули на него Пуанкаре, вызвали взрывной рост исследований топологических пространств и их свойств, таких как гомология и гомотопия, которые, если вам повезет, вы сможете различить. Гипотеза Пуанкаре была в конечном итоге доказана в 2002 г.; Григорий Перельман сделал это при помощи новых методов, на которые его отчасти вдохновила общая теория относительности.

* * *

Для Пуанкаре топология была не просто интеллектуальной игрой. Он применял ее в физике. Традиционный метод анализа динамической системы состоит в том, чтобы записать ее дифференциальное уравнение, а затем решить его. К несчастью, этот метод редко дает точный ответ, так что математики столетиями использовали приближенные методы. До тех пор пока не появились доступные и эффективные компьютеры, аппроксимации принимали вид бесконечного ряда, из которых использовались только первые несколько членов; компьютеры сделали численные методы аппроксимации вполне практичными и применимыми. В 1881 г. Пуанкаре разработал совершенно новый способ подхода к дифференциальным уравнениям и изложил его в «Записке о кривых, определенных дифференциальным уравнением». Этой статьей он заложил фундамент качественной теории дифференциальных уравнений, которая пытается вывести свойства решений дифференциального уравнения, не записывая для этого ни формул, ни рядов и не вычисляя их численно. Вместо этого теория использует общие топологические свойства фазового портрета – множества всех решений, рассматриваемого как единый геометрический объект.

Решение дифференциального уравнения описывает то, как его переменные меняются с течением времени. Решение можно визуализировать, если построить график, использовав эти переменные как координаты. С течением времени координаты меняются, так что определяемая ими точка движется вдоль кривой – траектории решения. Возможные сочетания переменных определяют многомерное пространство – по одному измерению на каждую переменную, – которое называют фазовым пространством, или пространством состояния. Если решения существуют при любых начальных условиях, как обычно и бывает, каждая точка в фазовом пространстве ложится на ту или иную траекторию. Таким образом, фазовое пространство разбивается на семейство кривых – фазовый портрет. Кривые эти ложатся рядом друг с другом как гладко расчесанные длинные волосы, за исключением окрестностей установившегося состояния уравнения, где решение остается все время постоянным, и волоски сжимаются в точку. Установившиеся состояния найти нетрудно; они обеспечивают фазовому портрету начало «скелета»: диаграмму его основных отличительных признаков.

Если исходить из этого описания, то для того, чтобы нарисовать фазовый портрет, нам нужно знать решения – или, по крайней мере, их численные приближения. Пуанкаре открыл, что некоторые свойства решений можно определить топологически. К примеру, если у системы есть периодическое решение – такое решение, которое снова и снова повторяет одну и ту же последовательную цепочку состояний, – то траектория представляет собой замкнутую петлю и решение просто ходит по ней кругами, как белка в колесе. Топологически любую петлю можно превратить в окружность, так что задача упрощается и сводится к топологическим свойствам окружностей. Присутствие петли иногда можно распознать, рассмотрев сечение Пуанкаре. Это поверхность, рассекающая поперек пучок траекторий. Взяв любую точку этого сечения, мы следуем по ее траектории до того момента, когда (если это произойдет) она вновь дойдет до этого сечения. Таким образом мы получим отображение поверхности на саму себя – отображение Пуанкаре, или отображение «первого возврата». Если сечение рассекает периодическую траекторию, то она, обойдя круг, возвращается в ту же точку, а соответствующая точка на отображении Пуанкаре остается на месте.

Предположим, в частности, что сечение представляет собой диск, шар или аналогичную фигуру с бо́льшим числом измерений и что мы можем показать, что образ сечения, полученный в результате преобразования Пуанкаре, укладывается внутрь того же сечения. Тогда мы можем воспользоваться топологической теоремой, известной как теорема Брауэра о неподвижной точке, и заключить, что какая-то неподвижная точка в этой системе должна существовать; это будет означать, что дифференциальное уравнение имеет периодическое решение, проходящее через данное сечение. Пуанкаре предложил целый ряд подобных методик и сформулировал общую гипотезу о долговременном поведении траекторий (решений) для дифференциальных уравнений с двумя переменными. А именно: траектория может сойтись к точке, к замкнутой петле или к гетероклинному циклу – петле, образованной траекториями, которые соединяют между собой конечное число неподвижных точек. Эту гипотезу доказал в 1901 г. Ивар Бендиксон, и результат теперь известен как теорема Пуанкаре – Бендиксона.

* * *

Вывод Пуанкаре о том, что топологические методы позволяют сделать глубокие выводы о решениях дифференциальных уравнений даже в тех случаях, когда формул для этих решений не существует, составляет основу сегодняшнего подхода к нелинейной динамике, которая находит применение едва ли не во всех областях естественных наук. Этот вывод привел Пуанкаре к еще одному эпическому открытию: он открыл хаос, ставший одним из крупнейших триумфов топологической динамики. Контекстом для этого открытия было движение нескольких тел под действием Ньютоновой гравитации – иначе говоря, задача многих тел.

Иоганн Кеплер из наблюдений Марса заключил, что орбита одиночной планеты, обращающейся вокруг Солнца, представляет собой эллипс. Ньютон объяснил этот геометрический факт в рамках своего Закона всемирного тяготения: любые два тела во Вселенной притягивают друг друга с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. В принципе, Ньютонов закон предсказывает движение любого числа взаимно притягивающихся тел, таких как планеты Солнечной системы. К несчастью, Закон всемирного тяготения не предсказывает движение тел непосредственно: он позволяет записать дифференциальное уравнение, решение которого дает положение тел в любой момент времени. Ньютон обнаружил, что для двух тел это уравнение решаемо, и результатом решения является Кеплеров эллипс. Но для трех и более тел никаких аккуратных решений подобного рода не просматривалось, и математикам, работавшим в области небесной механики, приходилось прибегать к особым приемам и приближениям.

В 1889 г. исполнилось 60 лет Оскару II, королю Швеции и Норвегии, которые в то время составляли единое государство. В честь юбилея король объявил приз за решение задачи многих тел; тему королю предложил Миттаг-Леффлер. Ответ следовало дать не в виде простой формулы, которой почти наверняка не существовало, но в виде сходящегося бесконечного ряда. Тогда, чтобы решить задачу со сколь угодно высокой точностью, достаточно было бы всего лишь вычислить нужное число членов ряда.

Пуанкаре решил поучаствовать в конкурсе – и выиграл приз, несмотря на то что его записка не решала задачу целиком. Он рассматривал только три тела и при этом считал, что два из них имеют равную массу и обращаются друг вокруг друга в диаметрально противоположных точках окружности, а третье имеет настолько малую массу, что не оказывает никакого действия на два более массивных тела. Его результаты доказывали, что в определенных обстоятельствах решений требуемого типа не существует. Система может иногда вести себя весьма необычным, неправильным образом, и ее геометрия выглядит так, будто кто-то случайно уронил на землю слабо смотанный моток веревки. Пуанкаре описал свое главное геометрическое открытие – как две значимые кривые, определяющие динамику системы, пересекаются одна с другой:

Когда пытаешься изобразить фигуру, которую образуют эти две кривые и бесконечность их пересечений, каждое из которых соответствует дважды асимптотическому решению, эти пересечения образуют своего рода сеть, паутину или бесконечно плотную решетку… Поражает сложность этой фигуры, которую я даже не пытаюсь нарисовать.

Мы сегодня понимаем, что Пуанкаре обнаружил первый важный пример динамического хаоса: существование у детерминистических уравнений решений настолько нерегулярных, что некоторые их аспекты кажутся попросту случайными. Но в то время этот результат – хотя и любопытный – многим представлялся тупиковым.

До недавнего времени то, что я изложил выше, представляло собой официальную историю. Но в 1990-е гг. Институт Миттаг-Леффлера в Швеции посетила историк математики Джун Бэрроу-Грин. Она обнаружила там печатный экземпляр другой версии записки Пуанкаре – и в ней ничего не говорилось о возможном существовании нерегулярных орбит. Оказалось, что на конкурс Пуанкаре подал именно этот вариант записки, но уже после объявления победителя заметил в своей работе какую-то ошибку. Почти весь тираж уже изданной записки был уничтожен, а взамен за счет Пуанкаре был быстро напечатан исправленный вариант. Однако один экземпляр оригинальной записки сохранился в архиве института.

* * *

Возможно, Пуанкаре производит впечатление типичного непрактичного ученого, но на самом деле он до конца жизни сохранил связь с горным делом и в 1881–1885 гг. руководил строительством северной железной дороги в качестве инженера Министерства общественных работ. В 1893 г. его назначили главным инженером Горного корпуса, а в 1910 г. он был повышен до должности генерального инспектора. В Университете Парижа Пуанкаре возглавлял кафедры по многим предметам: механике, математической физике, теории вероятностей и астрономии. В Академию наук он был избран в возрасте всего 32 лет, в 1887 г., за два года до конкурса, объявленного королем Оскаром; в 1906 г. стал президентом Академии. В 1893 г. Пуанкаре работал в Бюро долгот, которое пыталось установить по всему миру единую систему времени и предложило для этого разделить мир на часовые пояса.

Пуанкаре едва не опередил Эйнштейна в разработке специальной теории относительности; он еще в 1905 г. показал, что уравнения Максвелла для электромагнетизма инварианты относительно того, что мы сегодня называем группой преобразований Лоренца, а это подразумевает, что скорость света в движущейся системе отсчета должна быть постоянна. Возможно, главным, что Пуанкаре пропустил, а Эйнштейн заметил, был тот факт, что в физике именно так и обстоит дело. Кроме того, Пуанкаре предложил понятие гравитационной волны, распространяющейся со скоростью света, в плоском пространстве-времени специальной теории относительности. Эксперимент LIGO зарегистрировал такие волны в 2016 г., но к тому моменту наука необратимо сместилась к искривленным вариантам пространства-времени, с которыми имеет дело общая теория относительности.

Пуанкаре умер от эмболии после онкологической операции в 1912 г. и был похоронен в фамильном склепе на кладбище Монпарнас. Его математическая репутация продолжала расти, по мере того как другие ученые развивали предложенные им идеи. Сегодня Пуанкаре считается в математике одним из великих зачинателей – и одним из последних математиков-универсалов, которому удалось охватить своей деятельностью почти весь математический ландшафт своего времени. Его математическое наследие живо и активно до сих пор.

В Германии любой профессор, достигший возраста 68 лет, должен был уйти в отставку. Когда в 1930 г. этот рубеж проходил Давид Гильберт, официальное завершение выдающейся ученой карьеры было отмечено множеством публичных мероприятий. Сам он прочел лекцию, посвященную первому своему крупному результату: существование конечного базиса для инвариантов. Автомобилисты ездили по улице, только что получившей название Гильбертштрассе. Когда его жена заметила по этому поводу: «Какая прекрасная мысль!», Гильберт ответил: «Мысль так себе – но исполнение прекрасное».

Самым приятным подарком для Гильберта стало звание почетного гражданина Кёнигсберга – города, неподалеку от которого он родился. Об этой чести должны были объявить на заседании Общества немецких ученых и врачей, и Гильберту следовало произнести по этому поводу благодарственную речь. Он решил, что речь по этому случаю должна быть понятна всем, а поскольку в Кёнигсберге к тому же родился Иммануил Кант, то некоторый философский оттенок в ней тоже будет уместен. Кроме того, речь должна подводить итог работе всей его жизни. В качестве темы Гильберт избрал «Естественнонаучное знание и логику». Гильберт имел богатейший опыт подобных выступлений, он нередко участвовал в организованной университетом серии публичных лекций для всех желающих, которые читались по утрам в субботу. Теория относительности, бесконечность, общие принципы математики… он старался сделать эти темы доступными для всех, кого это интересовало. Теперь же он сосредоточил усилия на подготовке лекции, которая должна была затмить собой все, что было прежде.

«Приблизиться к пониманию природы и жизни – благороднейшая наша задача», – начал он. Далее он сравнил два способа познания окружающего мира – мысль и наблюдение – и перечислил факторы их сходства и различия. Оба способа прочно связывают между собой законы природы; законы эти следует выводить из наблюдений и развивать при помощи чистой логики. Такой взгляд понравился бы Канту – и в этом заключалась своеобразная ирония, поскольку Гильберт не был особым поклонником Канта. Однако случай для того, чтобы заявлять об этом, был неподходящий, так что по этому конкретному вопросу разногласий не возникло. Однако Гильберт не смог удержаться хотя бы от одного критического замечания: он предположил, что Кант переоценил важность априорного знания, то есть знания, не получаемого посредством опыта. Хороший пример – геометрия: не было никаких оснований считать, что пространство вокруг нас обязательно Евклидово, как утверждал Кант. Однако стоит отбросить антропоморфный шлак, и останутся подлинно априорные концепции – а именно общие положения математики. «Вся наша нынешняя культура в той мере, в какой она связана с интеллектуальным познанием и завоеванием природы, зиждется на математике!» – с пафосом произнес Гильберт. А закончил он выступление словами в защиту теоретической математики, которую часто критикуют за отсутствие практической значимости: «Чистая теория чисел – это та часть математики, для которой до сих пор [курсив авт.] не обнаружено ни одного практического приложения… Слава человеческого духа – единственная цель всей науки!»

Эта лекция оказалось столь успешной, что Гильберта уговорили повторить ее для местной радиостанции; запись сохранилась. В выступлении он подчеркивает, что задачи, решение которых ранее представлялось невозможным – к примеру, выяснение химического состава звезды, – сдаются перед новыми способами мышления. «Не существует такой вещи, как нерешаемая задача», – сказал он. А последние слова его речи звучали так: «Мы должны это знать. Мы будем это знать». Затем, ровно в тот момент, когда техник выключил запись, Гильберт рассмеялся.

В то время Гильберт был глубоко погружен в масштабную программу, суть которой состояла в том, чтобы подвести под все здание математики логический фундамент, – и эти слова свидетельствовали о его неколебимой уверенности, что данная программа будет успешно выполнена. Многое было уже сделано, но нужно было разобраться в нескольких упрямых моментах. Когда же эти вопросы были бы наконец окончательно заполированы, в распоряжении Гильберта оказался бы не просто логический базис для всей математики в целом – он смог бы доказать, что его аксиомы логически непротиворечивы.

Получилось, однако, не так, как он надеялся.

Гильберт происходил из семьи юристов. Его дед был судьей и тайным советником, его отец Отто – судьей графства. Его мать Мария (урожденная Эрдтманн) была дочерью кёнигсбергского торговца. Она питала страстный интерес к философии, астрономии и простым числам, и похоже, что ее энтузиазм передался и сыну. Когда Давиду было шесть лет, у него появилась сестра Эльзи. В школу Давид пошел в восемь лет, а до этого мать учила его дома. Школа обучала по классической программе, в ней почти не учили математике и совсем не учили физике и другим естественным наукам. Зубрежка была в порядке вещей, и везде, где требовалось заучивать наизусть неструктурированные списки фактов, Гильберт показывал слабые результаты. Сам о себе он пишет, что был «туп и глуп». Лишь один предмет выступал из общего ряда. В школьном отчете сказано: «К математике он всегда выказывал очень живой интерес и проницательный ум: он замечательным образом овладел всем преподаваемым в школе материалом и умел применять его с уверенностью и изобретательностью».

В 1880 г. Гильберт начал обучение в Университете Кёнигсберга со специализацией в математике. Он проходил курсы также в Гейдельберге у Лазаря Фукса; вернувшись в Кёнигсберг, учился у Генриха Вебера, Фердинанда фон Линдемана и Адольфа Гурвица. Гильберт близко подружился с Гурвицем и с одним из товарищей-студентов Германом Минковским. С Минковским он переписывался до конца жизни. Научным руководителем Гильберта стал Линдеман, который вскоре прославился доказательством того, что число π не удовлетворяет никакому алгебраическому уравнению с целыми коэффициентами. Он предложил Гильберту поработать над теорией инвариантов, то есть двинуться по дороге, которую проложил Буль и расширили Кэли, Силвестр и Пауль Гордан. Все они использовали вычислительные методы, и ловкость Гильберта в этих ужасных расчетах производила сильное впечатление на его друга Минковского, который писал: «Я наслаждался всеми теми процессами, через которые приходилось проходить несчастным инвариантам». В 1885 г. Гильберт получил свою докторскую степень, прочитав публичную лекцию по физике и философии.

В то время ведущим авторитетом в теории инвариантов был Гордан, а главный нерешенный вопрос состоял в том, чтобы доказать, для любого числа переменных и любой степени уравнения, существование конечного базиса. То есть конечного числа инвариантов, таких, что все остальные инварианты представляют собой их линейную комбинацию. Запишите базис – и по существу вы получите все возможные инварианты. Для квадратного уравнения с двумя переменными базис состоит из одного-единственного инварианта, и это дискриминант. Конечность базиса была доказана во многих случаях, и всегда при этом вычислялись все инварианты, а затем из них извлекался базис. Этим методом Гордан в свое время доказал наиболее общую известную теорему такого рода.

Все изменилось – вся теория инвариантов буквально встала с ног на голову – в 1888 г., когда Гильберт опубликовал короткую статью, в которой доказывал, что конечный базис всегда существует, вообще не вычисляя никаких инвариантов. Фактически он доказал, что любой подходящий набор алгебраических выражений всегда имеет конечный базис – и неважно, состоит он из инвариантов или нет. Гордан, надо сказать, не ожидал подобного ответа, и, когда Гильберт представил свою работу в Mathematische Annalen, Гордан ее отверг. «Это не математика, – сказал он. – Это теология». Гильберт пожаловался на отказ редактору Клейну и не захотел что-либо менять в статье – разве что возникнут какие-то «конкретные и неоспоримые возражения против моих рассуждений». Клейн согласился опубликовать статью в первоначальном виде. Подозреваю, что он понял доказательство лучше, чем Гордан, который оказался не в своей тарелке, когда способность к вычислениям вдруг сменилась понятийным мышлением.

Несколькими годами позже Гильберт расширил свои результаты и представил в журнал новую статью. Клейн принял ее, охарактеризовав как «важнейшую работу по общей алгебре, которую Annalen когда-либо публиковали». Что же касается Гильберта, то он теперь сделал все, что намеревался сделать в этой области. «Я определенно оставлю область инвариантов», – написал он Минковскому. И оставил.

Доведя до совершенства теорию инвариантов – эта область исследований, по существу, заглохла после того, как с ней поработал Гильберт, и оживилась лишь много лет спустя в еще более общем контексте, причем тогда возродился интерес одновременно и к вычислениям, и к понятиям, – Гильберт нашел для себя новую область приложения сил. В 1893 г. он начал новый проект – «Отчет о числах» (Zahlbericht). Дело в том, что Немецкое математическое общество предложило ему исследовать крупную область теории чисел – ту область, где рассматриваются алгебраические числа, то есть комплексные числа, удовлетворяющие полиномиальному уравнению с рациональными (или, что эквивалентно, целыми) коэффициентами. Примером алгебраического числа может служить удовлетворяющий уравнению x²–2 = 0; еще один пример – мнимое число i, удовлетворяющее уравнению x² + 1 = 0. Как отмечено в главе 16, комплексные числа, которые не являются алгебраическими, называют трансцендентными; примеры таких чисел включают числа π и e, хотя это свойство трудно доказать, и долгое время вопрос оставался открытым. Трансцендентность e доказал Шарль Эрмит в 1873 г., а с трансцендентностью π разобрался Линдеман в 1882 г.

Основную роль алгебраические числа играют в теории чисел. Эйлер неявно использовал некоторые их свойства, к примеру при доказательстве Великой теоремы Ферма для кубов, но систематическое их изучение начал Гаусс. Пытаясь обобщить свой закон квадратичной взаимности на степени выше двойки, он открыл красивое расширение его на четвертые степени, основанное на алгебраических числах вида a + ib, где a и b – целые. Эта система «Гауссовых целых чисел» обладает многими особыми свойствами, в частности, имеет собственный аналог простых чисел и к нему собственную теорему о единственности разложения. Кроме того, Гаусс использовал алгебраические числа, имеющие отношение к корням единицы, при построении правильного семнадцатиугольника.

В главе 6, в связи с Великой теоремой Ферма, мы говорили о том, как использовал алгебраические числа Куммер и какое он предложил понятие идеальных чисел. Дедекинд упростил эту идею, переформулировав ее в терминах особых множеств алгебраических чисел, которые он назвал идеалами. После Куммера теория алгебраических чисел рванула вперед с помощью и при содействии теории уравнений Галуа и так же активно развивающейся абстрактной алгебры (глава 20). Фразу «алгебраическая теория чисел» можно интерпретировать двояко: это может быть и алгебраический подход к теории чисел, и теория алгебраических чисел. Теперь же оба значения сходились к одному и тому же, и именно в этом Немецкое математическое общество просило Гильберта разобраться. Он, что характерно, пошел намного дальше. Он задался вопросом, которым испокон веков задаются математики, столкнувшиеся с большим массивом интересных, но неорганизованных результатов: «Да, конечно, но о чем это на самом деле?» Поиск ответов на этот вопрос позволил ему сформулировать и доказать множество новых теорем.

Все время работы над «Отчетом о числах» Гильберт вел обширную переписку на эту тему с Минковским – иногда даже слишком обширную, так что временами Гильберт чувствовал настоящее отчаяние; ему начинало казаться, что работа никогда не будет закончена в виде, который удовлетворил бы его взыскательного друга. Однако в конечном итоге отчет был опубликован. В нем были сформулированы и доказаны общие аналоги квадратичной взаимности, образовавшие основу того, что мы сегодня называем теорией полей классов – это до сих пор активно развивающаяся, хотя и весьма сложная технически понятийная основа для теории алгебраических чисел. В предисловии к «Отчетам» говорится:

Возможно, сегодня мы не станем заходить так далеко, но в то время такое заявление было вполне оправданным.

Гильберт, как правило, работал 5–10 лет в одной области, решал в ней крупные задачи, доводил все до совершенства, а затем уходил на новые «угодья», иногда совершенно забывая, что когда-то изучал эту тему. Однажды он заметил, что занимается математикой потому, что в ней, если что-то забудешь, всегда можно вывести это заново. Математик до мозга костей, теперь он «покончил» с алгебраической теорией чисел. И двинулся дальше. Его студенты, которых он из года в год бомбардировал лекциями об алгебраических числах, были поражены, когда выяснилось, что в следующем году темой лекций Гильберта будут начала геометрии. Гильберт возвращался к Евклиду.

Как всегда, у Гильберта были на то свои резоны, и опять же ключевой вопрос можно было сформулировать так: «Да, конечно, но о чем это на самом деле?» На этот вопрос Евклид дал бы ответ «о пространстве»; именно поэтому он все свои теоремы иллюстрировал геометрическими чертежами. Гильберта, однако, гораздо больше интересовала логическая структура аксиом геометрии и как из них проистекают теоремы, часто далеко не очевидные. Его также не устраивал у Евклида список аксиом, поскольку использование чертежей привело Евклида к некоторым допущениям, которые он не сформулировал явно.

Простой пример – утверждение «прямая, проходящая через точку, которая лежит внутри окружности, обязательно с этой окружностью пересекается». На чертеже это выглядит очевидно, но такое утверждение не является логическим следствием Евклидовых аксиом. Гильберт понял, что аксиомы Евклида неполны, и решил исправить оплошность. Евклид определял точку как «то, что не имеет частей», а прямую – как линию, которая «лежит равномерно по отношению к точкам на ней». Гильберт считал эти утверждения лишенными смысла. Главное, заявлял он, – это как ведут себя эти понятия, а не какой-то мысленный образ того, что они собой представляют. «Следует добиться того, чтобы с равным успехом можно было говорить вместо точек, прямых и плоскостей о столах, стульях и пивных кружках», – говорил Гильберт коллегам. В частности, рисунки были вне игры.

Разумеется, этот проект Гильберта был тесно связан с более глубоким вопросом, который к тому моменту уже был понятен ученым, – вопросу неевклидовых геометрий и аксиомы о параллельных (глава 11). Гильберт пытался установить базовые принципы аксиоматического рассмотрения математических тем. Среди этих тем были непротиворечивость (отсутствие логических противоречий) и независимость (чтобы никакая аксиома не была следствием из других аксиом). Также весьма желательны были полнота (не упустить ничего важного) и простота (по возможности). Евклидова геометрия была пробным камнем. С непротиворечивостью все было просто: Евклидову геометрию можно смоделировать при помощи алгебры, применяя ее к координатам (x, y) на плоскости. То есть можно начать с обычных чисел и построить на их основе математическую систему, которая будет подчиняться всем Евклидовым аксиомам. Из этого следует, что эти аксиомы не могут противоречить друг другу, поскольку тогда доказательство от противного покажет нам, что построенной модели не существует. У этого рассуждения, однако, имеется один потенциальный недостаток, и Гильберт с самого начала понимал это. При этом предполагалось, что стандартная числовая система непротиворечива сама по себе; что арифметика состоятельна – именно это математики имеют в виду, когда говорят «существует». Каким бы очевидным это ни казалось, никто и никогда в реальности этого не доказывал. Позже Гильберт попытался устранить этот пробел, но сам об этом пожалел.

Результатом этой работы стала лаконичная и элегантная книга «Основания геометрии», опубликованная в 1899 г. В ней Евклидова геометрия выводилась из 21 явно сформулированной аксиомы. Три года спустя Элиаким Мур и Роберт Мур (не родственники) доказали, что одну из этих аксиом можно вывести из остальных, так что на самом деле достаточно 20 аксиом. Гильберт начал с шести простейших понятий: это объекты «точка», «прямая», «плоскость» и отношения «между», «лежит на» и «конгруэнтный». Восемь аксиом разбирают отношения инцидентности между точками и прямыми, такие как «любые две различные точки лежат на одной прямой». Четыре аксиомы (которые Евклид, пользуясь чертежами, принял по умолчанию, без явной формулировки) говорят о порядке точек на прямой. Еще шесть разбирают вопросы конгруэнтности (отрезков прямых и треугольников; слово «конгруэнтный» по существу означает «такой же по форме и размеру»). Далее идет Евклидова аксиома о параллельных, в необходимости включения которой уже не сомневался ни один компетентный математик. Наконец, были еще две тонкие аксиомы о непрерывности, согласно которым точки на прямой соответствуют действительным числам (а не, скажем, рациональным, ведь тогда прямые, очевидно пересекающиеся на чертеже, могут позабыть сделать это в рациональной точке).

Главную ценность книга Гильберта представляла не как учебник – Евклид к тому времени успел основательно выйти из моды, – а как стимул, вызвавший лихорадочную активность в деле исследования логического фундамента математики. Американские математики, в частности, были особенно заметны на переднем плане этой волны, из которой чуть позже родился своеобразный логико-математический гибрид – метаматематика. В каком-то смысле это математика в приложении к самой себе – или, точнее говоря, к собственной логической структуре. Математическое доказательство может рассматриваться не просто как процесс, раскрывающий новые математические закономерности, но как самостоятельный математический объект. В самом деле, именно этот аспект – глубокая самоотносимость – инициировал процесс разрушения Гильбертовой мечты. В ноябре того же года, можно сказать, рванула настоящая бомба – вышла статья молодого логика по имени Курт Гёдель (глава 22). В ней содержались доказательства двух ошеломляющих теорем. Во-первых, если математика непротиворечива, то доказать это невозможно. Во-вторых, в математике существуют утверждения, которые невозможно ни доказать, ни опровергнуть. Математика изначально неполна, ее логическая непротиворечивость не может быть установлена, а некоторые задачи по-настоящему невозможно решить.

Говорят, Гильберт был «очень сердит», когда впервые узнал о работе Гёделя.

Рассказ о влиянии Гильберта на науку не может быть полным без упоминания о Гильбертовых проблемах – списке из 23 крупных открытых вопросов и областей математики, представленном им на Втором Международном конгрессе математиков в Париже в 1900 г. Этот перечень подготовил почву для значительной доли математических исследований XX в. Среди названных Гильбертом задач – доказательство непротиворечивости математики, довольно неопределенный запрос на аксиоматический разбор физики, вопросы о трансцендентных числах, гипотеза Римана, самый общий закон взаимности для любого числового поля, алгоритм проверки существования решений диофантовых уравнений и разные технические вопросы геометрии, алгебры и математического анализа. Десять из 23 вопросов полностью решены, три остаются нерешенными, несколько вопросов сформулированы слишком расплывчато, чтобы можно было понять хотя бы, как должно выглядеть их решение, и два вопроса не имеют решения в принципе.

Конечно, математика после Гильберта состояла не только из тех, кто пытался решить его 23 проблемы, но следует признать, что следующие полвека такие люди оказывали существенное, и в основном положительное, влияние на развитие математики. Для человека, который хотел бы выдвинуться и произвести впечатление на коллег-математиков, решение одной из Гильбертовых проблем было одним из лучших способов сделать это.

С возрастом интерес Гильберта к математической физике заметно усилился, как часто бывает у математиков: многие начинают свою карьеру с теоретической математики и с течением времени постепенно дрейфуют к лагерю прикладников. К 1909 г. он работал над интегральными уравнениями, в результате чего возникло понятие Гильбертова пространства – одно из фундаментальных понятий квантовой механики. Кроме того, в статье 1915 г., опубликованной за пять дней до выступления Эйнштейна, он вплотную подошел к открытию Эйнштейновых уравнений общей теории относительности и заявил вариационный принцип, из которого, собственно, и следует уравнение Эйнштейна. Однако само уравнение он не записал.

Обычно Гильберт был доброжелателен в общении и не жалел похвалы за хорошо сделанное дело; однако он мог быть безжалостен, когда кто-то высказывал бессмысленные банальности или пытался лгать ему. На семинарах, если студенту не давался какой-то момент, который, как казалось самому Гильберту, не должен был вызывать затруднений, он говорил: «Но это же совсем просто!» – и находчивый студент, не задерживаясь, переходил к следующему вопросу. В 1920-е гг. Гильберт организовал Математический клуб, который собирался еженедельно и был открыт для всех. В его клубе выступали многие известные математики, которым Гильберт советовал представлять слушателям «только самые изюминки». Если выступающий углублялся в сложные расчеты, Гильберт обычно прерывал его словами: «Мы здесь не затем, чтобы проверять все эти значки».

Со временем, однако, он стал менее терпимым. Александр Островский рассказывал, что однажды, когда кто-то из гостей прочел прекрасную лекцию о действительно важном и красивом исследовании, Гильберт кисло задал ему всего один вопрос: «Ну и зачем все это?» Когда блестящий американец Норберт Винер, пустивший в оборот термин «кибернетика», выступал в клубе, после лекции все, как было принято, отправились ужинать. Гильберт начал рассказывать о прежних гостях клуба и сказал, что качество выступлений раз от разу снижается. В наше время, сказал он, люди по-настоящему обдумывали и содержание лекции, и представление ее, но нынче молодые люди, как правило, выступают слабо. «В последнее время особенно, – сказал он. – Но сегодня был исключительный случай…»

Винер приготовился выслушать комплимент.

«Сегодняшняя лекция была хуже, чем когда-либо!»

В 1933 г. нацисты избавились от евреев в гёттингенском академическом сообществе; все они были уволены. Одним из этих ученых был Герман Вейль, один из крупных физиков-математиков, ставший преемником Гильберта после его отставки в 1930 г. Среди них были также Эмми Нётер (глава 20), специалист по теории чисел Эдмунд Ландау и Пауль Бернайс, соавтор Гильберта по математической логике. К 1943 г. буквально все сотрудники факультета математики были заменены людьми, более приемлемыми для нацистской администрации, и факультет являл собой лишь бледную тень прежнего великолепия. В том году Гильберт умер.

Он видел приближение беды. Несколькими годами ранее министр образования Бернхард Руст спросил Гильберта, не пострадал ли Гёттингенский институт математики от изгнания евреев. Вопрос был глупый – ведь до этого большинство в институте составляли евреи и немцы, женатые на еврейках. Гильберт ответил прямо и откровенно:

– Пострадал? Его больше нет, разве не так?

В 1913 г. Эмми Нётер, весьма известная женщина-математик, читала в Вене курс лекций и заехала к Францу Мертенсу – математику, работавшему во многих областях, но известному в основном по вкладу в теорию чисел. Позже один из внуков Мертенса записал свои воспоминания об этом визите:

Два года спустя эта «невзрачная личность» совершила одно из величайших открытий в математической физике: обнаружила фундаментальную связь между симметрией и законами сохранения. Начиная с этого момента симметрии в законах природы определена центральная роль в физике. Сегодня именно на них построена «стандартная модель» элементарных частиц в квантовой теории, которую практически невозможно описать, не прибегая к симметрии.

Нётер была ведущей фигурой в развитии абстрактной алгебры, в которой вычисления со множеством различных типов чисел и формул организованы в терминах алгебраических законов, которым эти системы подчиняются. Возможно, именно «странная фигура», запомнившаяся внуку Мертенса, более чем кто-либо другой из математиков ответственна за переход, который отмечает собой границу между неоклассическим периодом XIX в. и начала XX в., когда особый упор делался на специальные структуры и формулы, и современным периодом, начавшимся около 1920 г. и продолжающимся до сих пор, с его упором на общность, абстрактность и концептуальную мысль. Именно ею вдохновлялось позднейшее Бурбакистское движение, родившееся в результате совместных усилий группы молодых, в основном французских, математиков, намеревавшихся обобщить математику и придать ей точность. Возможно, слишком обобщить, по крайней мере с точки зрения некоторых, но так уж сложилось.

Эмми Нётер родилась в еврейской семье в аварском городке Эрланген. Ее отец Макс был видным математиком и работал в области алгебраической геометрии и теории алгебраических функций. Он был очень талантлив, но, в отличие от великих математиков своей эпохи, ограничивался узкой специализацией. Семья была довольно состоятельной, поскольку владела процветающей компанией по оптовой продаже скобяных товаров. Воспитание в такой атмосфере, несомненно, сильно повлияло на отношение Эмми к жизни и к математике. Первоначально она планировала стать учительницей и даже получила необходимую квалификацию, чтобы преподавать французский и английский языки. Но – и, возможно, это не так уж удивительно – она была заражена бациллой математики и пошла учиться в Университет Эрлангена, где преподавал ее отец.

Двумя годами ранее университетский сенат объявил, что совместное обучение мужчин и женщин «разрушило бы академический порядок», и среди 986 студентов университета присутствовало всего две девушки. Эмми разрешили посещать занятия, но не принимать в них полноценного участия, к тому же она должна была получать у каждого профессора индивидуальное разрешение на посещение его лекций. Однако в 1904 г. порядок изменился, и женщины получили право учиться в университете на равных с мужчинами. Нётер в том же 1904 г., перебравшись в родные пенаты Гаусса – Гёттингенский университет, начала готовить докторскую диссертацию по теории инвариантов под руководством знаменитого Гордана. Вычисления, приведенные в ее диссертации, были необычайно сложными и увенчивались списком из 331 «коварианта» для форм четвертой степени с тремя переменными. Сам Гордан, обычно неутомимый, за 40 лет до этого спасовал перед таким громадным объемом вычислений. Методы Нётер были довольно традиционными, она почти или даже совсем не использовала предложенных Гильбертом новшеств. В 1907 г. Нётер получила степень доктора философии summa cum laude[27].

Будь Нётер мужчиной, она естественным образом перешла бы в этот момент на следующую ступень академической карьеры – получила постоянный академический пост. Но путь хабилитации женщинам был закрыт, и Нётер пришлось на протяжении семи лет работать в Эрлангене бесплатно. При этом она помогала отцу, ставшему к тому времени инвалидом, и продолжала собственные исследования. Значительное влияние, привлекшее внимание Нётер к более абстрактным методам, оказала серия дискуссий с Эрнстом Фишером, который обсуждал с ней новые методы Гильберта и посоветовал пользоваться ими. Нётер последовала совету – с впечатляющим успехом, – и последствия этого заметны во всей ее дальнейшей карьере.

Математика в то время все же начинала открываться для женщин, и Нётер приняли в несколько крупных математических обществ, что стало поводом для визита в Вену – и воспоминаний внука Мертенса. В Эрлангене она руководила двумя аспирантами, хотя формально руководителем их подготовки значился ее отец. Затем Гильберт и Клейн пригласили ее в Гёттинген, давно ставший признанным мировым центром математических исследований. Шел 1915 г., и Гильберт, впечатленный теорией относительности Эйнштейна, все больше внимания уделял математической физике. Теория относительности зиждется на математических инвариантах, хотя и в более аналитическом контексте, чем те алгебраические инварианты, которые прежде изучали Гордан, Гильберт и Нётер. Речь идет о дифференциальных инвариантах, включающих в себя и те, что успели к тому моменту стать фундаментальными физическими понятиями, такие как кривизна пространства.

Гильберту нужен был специалист по инвариантам, и Нётер идеально подходила под его требования. За короткое время она решила две ключевые задачи. Во-первых, нашла метод нахождения всех дифференциальных ковариант для векторных и тензорных полей на Римановом многообразии – по существу, выяснила, какие еще величины ведут себя как Риманов тензор кривизны. Выяснить это было необходимо, поскольку Эйнштейнов подход к физике основывался на принципе «относительности», по которому законы, выраженные в любой системе отсчета, движущейся с постоянной скоростью, должны быть одинаковы для любого наблюдателя. Следовательно, законы эти должны быть инвариантны относительно группы преобразований, определяемых движущимися системами отсчета. Естественной группой симметрии для специальной теории относительности является группа Лоренца, определяемая преобразованиями, в которых пространство и время смешиваются, зато скорость света остается постоянной, придавая теории относительности ее неповторимый аромат. Нётер доказала, что каждое «инфинитезимальное преобразование» из группы Лоренца порождает соответствующую теорему о сохранении.

Мы можем оценить идеи Нётер в более знакомом контексте Ньютоновой механики, где они также применимы и позволяют многое понять. Классическая механика может похвастать несколькими законами сохранения, самым известным из которых является закон сохранения энергии. Механическая система – это любое множество тел, которые движутся с течением времени в соответствии с Ньютоновыми законами движения. В таких системах существует понятие энергии, которое принимает несколько различных форм: кинетическая энергия, связанная с движением; потенциальная энергия, возникающая в результате взаимодействия с гравитационным полем; энергия упругости, содержащаяся, к примеру, в сжатой пружине, и другие. Закон сохранения энергии гласит, что при отсутствии трения в системе, как бы она ни двигалась (если движение происходит в соответствии с законами движения Ньютона), полная энергия остается неизменной – сохраняется. Если трение присутствует, то кинетическая энергия переходит в энергию другого вида – в тепло, и опять же полная энергия сохраняется. Тепло – это в действительности кинетическая энергия колеблющихся молекул вещества, но в математической физике оно моделируется иначе, через энергию твердых тел, стержней и пружин, так что ее интерпретация отличается от интерпретации остальных упомянутых типов энергии. Среди других законов сохранения в классической механике – закон сохранения импульса (масса, умноженная на скорость) и момента импульса (мера вращения, формальное определение которой нам здесь не нужно).

Благодаря Галуа (глава 12) и его последователям понятие симметрии удалось отождествить с инвариантностью относительно групп преобразований – наборов операций, которые могут производиться над некоторой математической структурой, оставляя эту структуру практически неизменной. Уравнение обладает симметрией, если некоторое такое преобразование, приложенное к одному из решений этого уравнения, всегда выдает другое его решение. Законы физики, выраженные в виде математических уравнений, обладают множеством симметрий. Ньютоновы законы движения, к примеру, обладают симметриями Евклидовой группы, в которую входят все жесткие перемещения пространства. Кроме того, они симметричны относительно переноса времени – измерения времени от другого начального момента, а в некоторых случаях и относительно отражения времени – изменения направления течения времени на обратное.

Результатом озарения Нётер стало выявление связи между некоторыми типами симметрии и законами сохранения. Она доказала, что каждая непрерывная симметрия – то есть принадлежащая к семейству симметрий, соответствующих непрерывно меняющимся действительным числам, – порождает какую-нибудь сохраняемую величину.

Позвольте мне расшифровать сказанное, поскольку в таком виде все это выглядит довольно загадочно. Некоторые типы симметрии естественным образом присутствуют в составе непрерывных семейств. Вращение плоскости, к примеру, соответствует углу поворота, который может быть равен любому действительному числу. Вместе эти повороты образуют группу, элементы которой соответствуют действительным числам. Стоит отметить еще один технический момент: действительные числа, которые отличаются друг от друга на полный круг (360° или 2π радиан), определяют один и тот же поворот. Все эти «однопараметрические группы» похожи либо на действительные числа, либо на углы. Перенос пространства в заданном направлении, который можно получить посредством жесткого сдвига на любое расстояние в нужном направлении, тоже представляет собой непрерывную симметрию. Другие симметрии могут быть изолированными и не входить в подобное семейство. Пример – зеркальное отражение. Невозможно выполнить половину или, скажем, десятую часть отражения, следовательно, отражение не является частью какой бы то ни было однопараметрической группы жестких перемещений. Инфинитезимальные преобразования, которые исследовала Нётер в своей докторской диссертации, – еще один способ рассмотрения однопараметрических групп. В их основе лежит концепция группы Ли и связанная с ней алгебра Ли, названные в честь норвежского математика Софуса Ли.

В Ньютоновой механике сохраняемой величиной, соответствующей однопараметрической группе временно́го сдвига, оказывается энергия. Этот факт выявляет замечательную связь между энергией и временем, которая проявляется также в принципе неопределенности в квантовой механике, что позволяет квантовой системе заимствовать энергию (которая при этом временно не сохраняется), при условии что она вернет эту энергию обратно, прежде чем природа заметит непорядок (стоит подождать долю секунды – и энергия вновь сохраняется). Сохраняемой величиной, соответствующей однопараметрической группе пространственных переносов, оказывается импульс в соответствующем направлении, а группе вращений – момент импульса. Короче говоря, все фундаментальные сохраняемые величины Ньютоновой механики исходят из непрерывных симметрий Ньютоновых законов движения – однопараметрических подгрупп Евклидовой группы. Этот же принцип выполняется для теории относительности и, до некоторой степени, для квантовой механики.

Неплохо для математика – женщины, которую считали не способной читать лекции и которая лишь недавно начала работать над этой задачей.

На основании успехов Нётер Гильберт и Клейн попытались убедить университет изменить свое отношение к женщинам-преподавателям. В игру вступили как академическая политика, так и прочно въевшийся мужской шовинизм; в общем, профессура факультета философии была категорически против. Если женщина может пройти хабилитацию и брать деньги за лекции, что помешает ей стать профессором и членом университетского сената? Боже сохрани! Первая мировая война была в полном разгаре, и это давало им дополнительный аргумент: «Что подумают наши солдаты, когда вернутся в университет и обнаружат, что им предлагается учиться у женщины?»

Ответ Гильберта был резок и язвителен: «Господа, я не понимаю, почему пол кандидата может быть аргументом против ее принятия на должность приват-доцента. В конце концов, сенат – не баня». Но даже это не сдвинуло философов с занятых позиций ни на миллиметр. Гильберт, как всегда изобретательный и дерзкий, все же нашел решение. В уведомлении на зимний семестр 1916–1917 гг. читаем:

Четыре года Нётер читала лекции под именем Гильберта, пока университет наконец не сдался. Хабилитация была одобрена в 1919 г., что позволило ей получить должность приват-доцента. Вплоть до 1933 г. Нётер оставалась ведущим сотрудником факультета.

Мы можем представить себе способности Нётер как лектора на основании фокуса, который однажды предприняли ее отчаявшиеся студенты. Обычно к ней на лекции являлось 5–10 студентов, но однажды она с удивлением застала в аудитории не меньше сотни молодых людей. «Должно быть, вы ошиблись аудиторией», – предположила она, но молодые люди настаивали, что пришли послушать именно ее. Пришлось ей читать лекцию в таком необычно большом собрании.

Когда Нётер закончила, один из постоянных слушателей ее лекций передал ей записку. «Гости поняли лекцию так же хорошо, как любой из постоянных посетителей».

Проблема с ее лекциями заключалась в том, что, в отличие от большинства математиков, Нётер обладала формульным мышлением. Для нее символы и были понятиями. Чтобы понимать ее лекции, нужно было мыслить так же. А это трудно.

Несмотря на это, именно Нётер с ее упором на формальные структуры суждено было проложить путь к значительной части современной математики. Иногда что-то приходится делать стиснув зубы.

Благополучно пройдя хабилитацию, Нётер быстро сменила поле деятельности и начала с того, чем закончил Дедекинд, когда заменил туманное понятие идеального числа, введенное Кюммером, на концептуально более простое, но и более абстрактное понятие идеала. Контекст для такого подхода сам по себе был абстрактным: теория колец – алгебраических систем, в которых сложение, вычитание и умножение определены и удовлетворяют обычным правилам, за возможным исключением коммутативного закона умножения xy = yx. Кольца образуют целые и действительные числа, а также полиномы от одной или нескольких переменных.

Мы можем получить некоторое представление об этих системах на примере обычных целых чисел. Традиционный способ думать о простых числах и делимости состоит в том, чтобы работать с конкретными целыми числами, такими как 2, или 3, или 6. Мы видим, что 6 = 2 × 3, так что 6 – не простое число; с другой стороны, для 2 или 3 такое разложение на меньшие числа невозможно, так что эти числа – простые. Но, как понял еще Дедекинд, существует и другой способ в этом убедиться. Рассмотрим множества, образованные всеми числами, кратными 6, 2 и 3, которые я обозначу следующим образом:

Фигурные скобки здесь обозначают множества, и мы разрешаем отрицательные кратные числа. Обратите внимание: каждый элемент [6] является элементом [2]. Это очевидно: любое число, кратное 6, автоматически кратно и 2, поскольку 6 кратно 2. Аналогично каждый элемент [6] является также элементом [3]. Иными словами, делители заданного числа (в данном случае 6) можно найти, если проверить, какие множества такого рода содержат все кратные 6.

С другой стороны, некоторые числа, содержащиеся в [3], не входят в [2] и наоборот. Следовательно, 2 не делится на 3, а 3 не делится на 2.

В общем, если немного повозиться с этим, всю теорию простых чисел и делимости можно переформулировать в терминах множеств чисел, кратных данному. Эти множества и есть примеры идеалов, которые определяются двумя основными свойствами: сумма и разность чисел в идеале тоже входит в этот идеал, и произведение любого числа в идеале на любое число кольца тоже входит в идеал.

Нётер переформулировала Гильбертовы теоремы об инвариантах в терминах идеалов, а затем обобщила его результаты в совершенно новом направлении. Теорема Гильберта о конечном базисе для инвариантов сводится к доказательству того, что соответствующий идеал является конечно порожденным, то есть он состоит из всех сочетаний конечного числа многочленов (базиса). Нётер заново интерпретировала этот аргумент как утверждение о том, что любая цепочка возрастающих идеалов должна прекратиться после конечного числа шагов. То есть каждый идеал в кольце многочленов является конечно порожденным. Она опубликовала эту идею в 1921 г. в масштабной статье «Теория идеалов в кольцах». Эта статья дала толчок развитию общей теории коммутативных колец. Нётер стала настоящим экспертом по извлечению важных теорем из условия обрыва цепей, а кольцо, удовлетворяющее этому «условию обрыва возрастающей цепи», называют Нётеровым. Такой концептуальный подход к инвариантам был совершенно не похож на бесконечные расчеты в ее диссертации, которые она теперь пренебрежительно называла Formelgestrüpp – формульными джунглями.

Сегодня каждый студент-математик осваивает абстрактный аксиоматический подход к алгебре в процессе обучения. Важнейшим здесь является понятие группы, лишенное уже каких бы то ни было ассоциаций с перестановками или решениями алгебраических уравнений. В самом деле, абстрактная группа вовсе не обязана даже состоять из преобразований. Она определяется как произвольная система элементов, которые можно перемножать, получая при этом другой элемент этой же системы, в соответствии с коротким списком простых условий: это ассоциативный закон, существование в группе «единичного элемента», при умножении которого на любой другой элемент получается тот же элемент, и существование для каждого элемента системы «обратного» элемента, который при перемножении с данным дает единичный элемент. То есть существует элемент, который ничего не делает, каждому элементу соответствует другой элемент, который обращает вспять все, что делает первый, и если вы перемножаете три элемента подряд, то не имеет значения, какую пару вы перемножаете первой.

Чуть более сложные структуры вводят в действие полный спектр арифметических операций. Я уже упоминал кольцо. Существует также поле, в котором помимо всего прочего возможно деление. Строгое развитие такого абстрактного взгляда представляет сложности, и к нему приложили руку многие видные математики. Часто неясно, кто и что сделал первым. К тому моменту, когда разобрались со строгими определениями, большинство математиков уже довольно четко понимали, что происходит. Но, если разобраться, всем этим подходом мы обязаны Нётер, которая всегда подчеркивала необходимость аксиоматического подхода ко всем математическим структурам.

В 1924 г. в ее круг вошел голландский математик Бартель Ван дер Варден, который стал главным распространителем ее подхода, кратко изложенного в его книге «Современная алгебра» 1931 г. К 1932 г., когда Нётер выступила на пленарном заседании Международного конгресса математиков, ее алгебраические достижения были признаны во всем мире. Она была спокойна, скромна и великодушна. Позже в некрологе Ван дер Варден так подвел итог ее деятельности:

Нётер думала не только об алгебре. Она привнесла свое видение и в топологию. Для ранних топологов топологический инвариант представлял собой комбинаторный объект, такой как множество независимых циклов – замкнутых петель с определенными свойствами. Пуанкаре, введя понятие «гомотопия», начал процесс добавления туда дополнительной структуры. Когда Нётер выяснила, чем занимаются топологи, она сразу же обратила внимание на то, что они упустили из виду фундаментальную абстрактную алгебраическую структуру. Циклы – это не просто такие штуки, которые можно пересчитать: если подойти к вопросу аккуратно, их можно превратить в группу. Комбинаторная топология стала алгебраической топологией. Точка зрения Нётер немедленно приобрела сторонников, наиболее активными среди которых были Хайнц Хопф и Павел Александров. Аналогичные идеи независимо посетили Леопольда Виториса и Вальтера Майера в Австрии в 1926–1928 гг., в результате чего они определили гомологическую группу – базовый инвариант топологического пространства. Алгебра приняла эстафету у комбинаторики, вскрыв куда более богатую структуру, чем те, что могли бы использовать топологи.

В 1929 г. Нётер посетила МГУ, где она работала с Александровым и преподавала абстрактную алгебру и алгебраическую геометрию. Хотя она никогда и не проявляла политической активности, частным образом высказывалась в поддержку русской революции, поскольку та открывала огромные возможности в физике и математике. Это не слишком нравилось властям, и, когда студенты пожаловались на присутствие рядом еврейки, симпатизирующей марксистам, Нётер попросту выставили из университетской квартиры.

В 1933 г., когда нацисты уволили из университета всех преподавателей-евреев, Нётер поначалу попыталась устроиться в Москве, но потом воспользовалась помощью фонда Рокфеллера и переехала в США в Брин-Морский университет. Кроме того, она читала лекции в Институте высших исследований в Принстоне, но жаловалась, что даже в Америке чувствует себя некомфортно в «мужском университете, где ничто женское не принимается».

Несмотря на это, ей нравилось в Америке, но прожила она там недолго. Нётер умерла в 1935 г. от осложнений после онкологической операции. Альберт Эйнштейн написал в письме в The New York Times:

И не только: она вступила в борьбу с мужчинами на их собственном поле – и выиграла.

Шел январь 1913 г. Турция уже воевала на Балканах, а Европа все глубже и глубже втягивалась в конфликт. Годфри Харольд Харди, профессор математики в Кембриджском университете, презирал войну; и он очень гордился тем, что область его профессиональной деятельности – теоретическая математика – не имеет военного применения.

Падал мокрый снег, и студенты в мантиях бегом преодолевали слякоть, целиком покрывшую Большой двор Тринити-колледжа. В комнатах Харди, однако, в камине весело горел огонь, не пускавший внутрь холод. На столе хозяина ждала утренняя почта. Он глянул на конверты. Один из них сразу привлек внимание Харди необычными почтовыми марками. Индия. Отправлено из Мадраса 16 января 1913 г. Харди не спеша разрезал конверт из плотной бумаги, изрядно помятый за время долгого путешествия, и вытащил из него пачку каких-то бумаг. Сопроводительное письмо, написанное незнакомым почерком, начиналось так:

«О господи, еще один безумец. Думает, вероятно, что нашел квадратуру круга». Харди едва не выбросил письмо в корзинку для бумаг, но, когда он собирал бумаги со стола, на глаза ему попался листок с математическими символами. Занятные формулы. Некоторые из них он узнал. Другие выглядели… необычно.

Если автор письма и вправду безумец, он может, по крайней мере, оказаться безумцем интересным. Харди читал дальше:

«Ну надо же! Он заново открыл теорему о простых числах».

«Да, это вам не типичный безумец, – рассуждал Харди. Типичный безумец выражался бы более агрессивно и высокомерно». Отложив письмо в сторону, он взял остальные листки и начал читать. Полчаса спустя он откинулся в кресле с непонятным выражением на лице. Как странно. Харди был заинтригован. Но ему пора было читать студентам лекцию по анализу, так что он переоделся в мантию со следами мела, вышел из комнаты и запер за собой дверь.

В тот же вечер за профессорско-преподавательским столом он рассказал о странном письме всем членам колледжа, кто готов был его слушать, в том числе Джону Литтлвуду, коллеге и участнику многих совместных исследований. Литтлвуд согласился потратить час своего времени и помочь другу разобраться в ситуации с автором необычного письма. Шахматная комната была свободна, и джентльмены устроились там. Входя, Харди вынул из кармана тонкую стопку исписанных листов. «Этот человек, – объявил он всем присутствующим, – либо безумец, либо гений».

Час спустя Харди и Литтлвуд вышли с вердиктом.

Гений.

Надеюсь, вы простите мне несколько вольную интерпретацию этих событий. Я позволил себе изложить мысли Харди, хотя не мог, разумеется, знать наверняка, что он тогда думал; однако из сохранившихся документов становится ясно, что в его сознании происходили процессы, очень похожие на то, что описал я, да и общий ход событий соответствует документальным свидетельствам.

Автор приведенного письма Сриниваса Рамануджан родился в 1887 г. в семье браминов. Его отец К. Сриниваса Айенгар служил в лавке, торговавшей традиционной индийской одеждой – сари, а мать Комалатаммаль была дочерью судебного пристава. Родился он в доме бабушки в Эроде – городе южной провинции Тамил-Наду в Индии, а вырос в Кумбаконаме, где работал отец. Но женщины тогда традиционно проводили много времени не только с мужем, но и с родителями, поэтому мать Рамануджана часто и подолгу жила вместе с сыном у своего отца недалеко от Мадраса, примерно в 400 км от Кумбаконама. Семья была бедной и ютилась в крохотном домике. В целом детство Рамануджана можно назвать счастливым, хотя мальчик рос очень упрямым. Первые три года жизни он практически не разговаривал, и мать боялась, что ребенок немой. В пять лет он заявил, что ему не нравится учитель и поэтому в школу он ходить не будет. Вообще, он предпочитал все обдумывать самостоятельно и любил задавать неудобные вопросы, к примеру: «На каком расстоянии друг от друга находятся облака?»

Математические таланты Рамануджана проявились очень рано, и к 11 годам он во многом превзошел двух студентов колледжа, снимавших комнату в их доме. Он научился решать кубические уравнения и мог назвать числа π и e с достаточно большим числом знаков. Еще через год он одолжил у студентов продвинутый учебник и полностью, без особых усилий, освоил весь материал. В 13 лет он освоил «Тригонометрию» Сидни Лоуни, включавшую в том числе разложение в бесконечный ряд синусов и косинусов; в этот момент он уже занимался и собственными исследованиями. В школе математические способности приносили Рамануджану много призов, и в 1904 г. преподаватель сказал, что мальчик заслуживает оценки выше максимально возможной.

Когда Рамануджану было 15 лет, произошло событие, которому суждено было изменить его жизнь, хотя в тот момент оно показалось обыденным. Он взял почитать в Государственной университетской библиотеке «Сборник элементарных результатов чистой и прикладной математики» Джорджа Карра – книгу, мягко говоря, специфическую. На тысяче с лишним ее страниц размещено около 5000 теорем – без единого доказательства. При отборе теорем Карр ориентировался на задачи, которые сам он ставил перед студентами в процессе обучения. Рамануджан тоже поставил перед собой задачу: обосновать все формулы в книге. Ему никто не помогал, и других книг у него тоже не было. По существу, он начал исследовательский проект на 5000 отдельных тем. Денег на бумагу у него не было, поэтому он проводил расчеты на грифельной доске, а результаты кратко записывал в блокноты, которые хранил потом до конца жизни.

В 1908 г. мать Рамануджана решила подобрать сыну, которому как раз исполнилось 20, жену. Выбор остановился на Янаки – дочери одного из ее родичей, живших примерно в 100 км от Кумбаконама. Янаки на тот момент было 9 лет. В обществе договорных браков и девочек-невест разница в возрасте не была серьезным препятствием. Рамануджан был – судя по всему – совершенно обычным молодым человеком; мало того, вполне можно было бы назвать его ленивым неудачником без работы, без денег и перспектив. Но Янаки была одной из пяти дочерей в семье, потерявшей бо́льшую часть своего имущества, и ее родители должны были радоваться хотя бы тому, что человек, ставший мужем их дочери, будет добр к ней. Комалатаммаль такая партия тоже устраивала, и обычно в семейных делах это означало, что вопрос решен. Однако на этот раз глава семьи вышел из себя. Его сын может рассчитывать на лучшую партию! Двумя годами раньше он чуть не женился, и лишь несчастливая случайность – у невесты умер кто-то из родных – помешала этому браку. Больше всего отца обидело то, что жена собиралась решить такой серьезный вопрос, не спросив у него совета. Во всяком случае, он отказался приехать на свадьбу сына и оскорбил тем самым семью невесты.

Наступил день свадьбы, а ни жениха, ни его родственников нигде не было видно. Отец невесты Рангасвами объявил при всех собравшихся, что, если Рамануджан не появится в ближайшее же время, он, не сходя с места, выдаст Янаки замуж за кого-нибудь другого. Но вот, через несколько часов, показался свадебный поезд из Кумбаконама. Рамануджан с матерью (без отца) прибыли в деревню на повозке, запряженной волами. Комалатаммаль быстро разобралась с угрозами Рангасвами, указав тому – опять же прилюдно, – что бедный отец пяти дочерей, отказав реальному жениху, может попросту остаться ни с чем.

После традиционных пяти или шести дней празднования Янаки стала женой Рамануджана. Близости между супругами не предполагалось до физиологического созревания девочки-жены, но жизнь обоих резко изменилась. Рамануджан начал искать работу. Он попытался наставлять студентов в математике, но не нашел желающих. Заболев – возможно, после перенесенной операции, – он приехал в конной повозке к дому друга, некоего Р. Радхакришны Айера, который отвел его к врачу, а затем посадил в поезд на Кумбаконам. Уезжая, Рамануджан сказал ему: «Если я умру, передай это, пожалуйста, профессору Сингаравелу Мудалиару или британскому профессору Эдварду Россу». И он вложил в руки изумленного друга два пухлых блокнота, плотно исписанных математическими формулами.

Эти блокноты были не только наследством Рамануджана, но и средством поиска работы, доказывавшим, что он не просто никудышный лентяй. Зажав под мышкой свое математическое портфолио, юноша начал ходить по влиятельным людям и демонстрировать свои достижения. Роберт Канигель в книге «Человек, который познал бесконечность» (The Man Who Knew Infinity) пишет: «Через полтора года после женитьбы Рамануджан стал коммивояжером, предлагавшим всем свой товар. Товаром был он сам». Продать такой товар было непросто. В то время в Индии лучшим способом найти место были правильные связи, но у Рамануджана их не было. Все, чем он обладал, были пресловутые блокноты… и еще одно важное качество. Он всегда был доброжелателен и всем нравился. Мог рассказать что-то интересное, мог пошутить.

Со временем его настойчивость и незатейливое обаяние принесли плоды. В 1912 г. профессор математики по имени П. В. Сешу Айяр направил его к Р. Рамачандре Рао – чиновнику, занимавшему должность районного налогового инспектора в Неллоре. Рао так вспоминал разговор с Рамануджаном:

Рао устроил Рамануджана на работу в таможенное управление Мадрасского порта с жалованьем 30 рупий в месяц. Эта работа оставляла молодому человеку достаточно свободного времени на продолжение исследований. Еще одним бонусом было то, что он мог брать для своих математических записей использованную оберточную бумагу.

Именно в этот момент, по настоянию этих же людей, Рамануджан написал свое робкое письмо Харди. Харди немедленно прислал ободряющий ответ. Рамануджан просил прислать ему «благожелательное письмо», которое могло бы помочь ему в получении стипендии. Но Харди пошел намного дальше. Он уже написал в Лондон секретарю по делам индийских студентов с просьбой найти способ дать Рамануджану возможность получить образование в Кембридже. Однако к тому времени выяснилось, что сам Рамануджан не хочет покидать Индию. В дело вступила своеобразная Кембриджская сеть. В то время Мадрас посетил еще один математик из Тринити-колледжа Гилберт Уокер; он написал письмо в Университет Мадраса, который по его просьбе предоставил Рамануджану особую стипендию. Наконец-то он мог посвятить все свое время математике.

Харди продолжал уговаривать Рамануджана приехать в Англию. Тот начал колебаться; главным препятствием стала его мать. Затем в одно прекрасное утро, к изумлению всей семьи, она объявила, что богиня Намагири, явившаяся ей во сне, приказала отпустить сына и позволить ему следовать своему жизненному призванию. Рамануджан получил грант, который должен был покрыть его расходы на дорогу и проживание, и отплыл в Англию; к апрелю 1914 г. он был уже в Тринити-колледже. Там он, должно быть, постоянно ощущал себя не на своем месте, но упорно работал и опубликовал множество исследовательских статей, включая и несколько важных работ, проведенных совместно с Харди.

Рамануджан был брамином, то есть принадлежал к индусской касте, членам которой запрещено наносить вред живым существам. Хотя у его английских друзей сложилось впечатление, что главной его религиозной мотивацией была не вера как таковая, а скорее социальные традиции, он тем не менее соблюдал все надлежащие ритуалы – насколько это было возможно в воюющей Англии. Будучи вегетарианцем, он не доверял университетским поварам и считал, что те недостаточно тщательно исключают из пищи мясные продукты, поэтому научился готовить сам, естественно, в традиционном индийском стиле. По отзывам друзей, он стал великолепным поваром.

Около 1916 г. друг Рамануджана Ганеш Чандра Чаттерджи, стипендиат правительства Индии, собрался жениться, в связи с чем Рамануджан пригласил его с будущей невестой на обед. Как договаривались, Чаттерджи, его невеста и сопровождающая ее женщина появились у него на квартире, и Рамануджан подал гостям суп. Тарелки быстро опустели, и он предложил добавки; все трое согласились. После этого он предложил еще. Чаттерджи согласился, а дамы отказались.

Вскоре после этого Рамануджан куда-то пропал.

Гости ждали его возвращения, но прошел час, а его все не было. Чаттерджи спустился вниз и нашел консьержа. Да, он видел, как мистер Рамануджан подозвал такси и куда-то уехал. Чаттерджи вернулся в комнату, и трое гостей продолжали ждать хозяина до 10 часов вечера, когда, по правилам университета, вынуждены были удалиться. Хозяин так и не появился. Еще четыре дня от него не было ни слуху ни духу… Что произошло? Чаттерджи очень тревожился.

На пятый день пришла телеграмма из Оксфорда: не может ли Чаттерджи выслать Рамануджану телеграфом £5? (В те дни это была немалая сумма, в сегодняшних деньгах соответствует нескольким сотням фунтов.) Деньги были высланы, Чаттерджи ждал, и через надлежащее время Рамануджан появился. На вопрос о том, что же тогда произошло, он объяснил: «Я почувствовал себя обиженным и оскорбленным, оттого что дамы отказались от приготовленной мной пищи».

Это происшествие, очевидно, стало внешним проявлением внутреннего смятения. Рамануджан был на грани срыва. Он так и не смог по-настоящему адаптироваться к жизни в Англии. Его здоровье, которое никогда не отличалось крепостью, ухудшалось, и скоро он оказался в больнице. Харди навестил его там, и этот визит привел к появлению еще одной истории о Рамануджане, в которой тоже фигурирует такси. Это стало для него своего рода клише, но история все же заслуживает внимания.

Харди однажды написал, что каждое положительное целое число было личным другом Рамануджана, и проиллюстрировал это анекдотом о посещении Рамануджана в больнице. «Я приехал к нему в такси номер 1729 и заметил в разговоре, что это число показалось мне каким-то скучным и что, как я надеялся, это не дурная примета. “Нет, – ответил Рамунаджан, – это очень интересное число; это самое маленькое число, которое можно выразить как сумму двух кубов двумя разными способами”».

Если точнее,

и это действительно самое маленькое число, обладающее таким свойством.

История колоритная, но я не могу отделаться от ощущения, что со стороны Харди это был подготовленный экспромт; Харди просто пытался подбодрить больного друга, поманив его интересной задачей. Конечно, большинство людей не заметили бы эту особенность числа 1729, но Рамануджан, несомненно, должен был сразу распознать ее. И правда, многие математики, особенно те из них, кто интересуется теорией чисел – и Харди среди них, – должны были знать об этом. Почти невозможно себе представить, чтобы математик, посмотрев на число 1729, не подумал о числе 1728, которое представляет собой 12 в кубе. Трудно также не заметить, что 1000 – это 10 в кубе, а 729 – 9 в кубе.

Как бы то ни было, рассказ Харди привел к появлению в теории чисел не слишком крупной, но интересной концепции: числа такси; n-е число такси есть наименьшее число, которое можно выразить как сумму двух положительных кубов n различными способами. Вот следующие два числа такси:

Чисел такси существует бесконечно много, но известны лишь первые шесть из них.

К 1917 г. Рамануджан вернулся в свои комнаты, одержимый математикой до такой степени, что ничто другое для него уже не имело значения. Он часто работал день и ночь, а затем падал в изнеможении и спал часов 20 подряд. Это не приносило пользы его здоровью, а война вызывала дефицит фруктов и овощей, которыми он питался. К весне Рамануджана поразила какая-то нераспознанная, но, вероятно, неизлечимая болезнь. Его положили в маленькую частную больницу для пациентов из Тринити-колледжа. На протяжении двух следующих лет он консультировался у восьми, если не больше, врачей и побывал по крайней мере в пяти больницах и санаториях. Врачи подозревали язву желудка, затем рак, затем заражение крови; но в конечном итоге решили, что это, скорее всего, туберкулез, и лечили Рамануджана в основном именно от этой болезни.

Рамануджану наконец-то – слишком поздно – досталось академическое признание. Он стал первым индийцем, которого избрали членом Королевского общества, и Тринити-колледж тоже избрал его своим членом. Это придало Рамануджану новые силы, и он вновь взялся за математику. Но здоровье не улучшалось, и были подозрения, что виной тому – климат Англии. В апреле 1919 г. Рамануджан вернулся в Индию. Долгое путешествие не прошло для него даром, и к моменту прибытия в Мадрас здоровье его вновь ухудшилось. В 1920 г. Рамануджан умер в Мадрасе, оставив вдову. Детей у них не было.

С математикой Рамануджана можно познакомиться по четырем основным источникам: это опубликованные статьи, три переплетенных блокнота, квартальные отчеты Мадрасскому университету и неопубликованные рукописи. Четвертый «утерянный» блокнот – связка разрозненных листков – вновь обнаружил в 1976 г. Джордж Эндрюс, но некоторые рукописи до сих пор не найдены. «Записные книжки Рамануджана» в трех томах, включающие доказательства всех его формул, вышли под редакцией Брюса Берндта.

У Рамануджана была необычная биография и не было формального математического образования. Вряд ли стоит удивляться тому, что его математика весьма специфична. Самой сильной стороной его таланта была немодная область математики – производство остроумных и замысловатых формул. Рамануджан был преимущественно человеком формулы, и в этом ему не было равных, за исключением нескольких старых мастеров, таких как Эйлер или Якоби. «В каждой из формул Рамануджана всегда кроется больше, чем видно на первый взгляд», – писал Харди. Большая часть его результатов имеет отношение к бесконечным рядам, интегралам и цепным дробям. В качестве примера цепной дроби можно привести выражение

которое было написано на последней странице его письма в составе по-настоящему жуткой, но правильной формулы. Некоторые из своих формул Рамануджан применял в теории чисел, где его особо интересовала аналитическая теория чисел, которая ищет простые приближения для таких величин, как число простых чисел до заданного предела – теорема о простых Гаусса (глава 10) – или среднее число делителей у заданного числа.

Его публикации во время пребывания в Кембридже готовились под влиянием общения с Харди и были написаны в традиционном стиле, со строгими доказательствами. Результаты, записанные в его блокнотах, выглядят совершенно иначе. Поскольку он был самоучкой, представления о доказательстве у него были совсем не строгие. Для Рамануджана было достаточно, если при помощи численных данных пополам с формальными рассуждениями он мог получить правдоподобный вывод – и при этом интуиция говорила ему, что ответ верен. Как правило, его результаты были верны, но в доказательствах часто имелись пробелы. Иногда эти пробелы мог заполнить любой компетентный математик, а иногда для этого требовались нестандартные аргументы. В редких случаях в его результатах обнаруживалась ошибка. Берндт утверждает, что, если бы Рамануджан «мыслил как хорошо подготовленный математик, он не стал бы записывать многие из тех формул, которые он, по собственному мнению, доказал» и математика от этого серьезно пострадала бы.

Хорошим примером может служить результат, который Рамануджан называл своей «мастер-формулой»[28]. Его доказательство включает в себя разложения в ряд, смену порядка суммирования и интегрирования и другие аналогичные приемы. Поскольку он использует при этом бесконечные процессы, каждый его шаг сопряжен с опасностью. Величайшие аналитики почти весь XIX век разбирались, когда подобные процедуры допустимы. Условия, которые, по Рамануджану, делают его формулу верной, чрезвычайно недостаточны. Тем не менее почти все результаты, которые он выводит из своей мастер-формулы, верны.

* * *

Часть самых поразительных работ Рамануджана относится к теории разбиений – одного из разделов теории чисел. Взяв некоторое натуральное число, мы спрашиваем, сколькими способами его можно разбить на слагаемые, то есть записать в виде суммы меньших натуральных чисел. К примеру, число 5 можно разбить на слагаемые семью разными способами:

5 4 + 1 3 + 2 3 + 1 + 1 2 + 2 + 1 2 + 1 + 1 + 1 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Следовательно, число разбиений числа 5 составляет p(5) = 7. Величина p(n) стремительно растет с ростом n. К примеру, p(50) = 204 226, а p(200) равно внушительному 3 972 999 029 388. Простой формулы для p(n) не существует. Однако можно поискать приближенную формулу, задающую общий порядок величины p(n). Это задача аналитической теории чисел, причем одна из наиболее неподатливых. В 1918 г. Харди и Рамануджан преодолели технические трудности и вывели-таки приближенную формулу – довольно сложный ряд, включающий в себя комплексные корни 24-й степени из единицы. Затем они обнаружили, что при n = 200 одно только первое слагаемое дает первые 6 значащих цифр точного значения. Добавив к нему еще всего лишь 7 слагаемых, они получили число 3 972 999 029 388,004, целая часть которого равна точной величине. Они заметили, что этот результат «позволяет однозначно предположить, что можно получить формулу для p (n), которая не только будет выявлять его порядок величины и структуру, но и может быть использована для вычисления его точной величины для любого n», после чего доказали именно это. Должно быть, это один из редчайших случаев, когда поиск приближенной формулы в результате привел к точной формуле.

Кроме того, Рамануджан нашел в разбиениях кое-какие замечательные закономерности. В 1919 г. он доказал, что p(5k + 4) всегда делится на 5, а p(7k + 5) всегда делится на 7. В 1920 г. он заявил еще несколько аналогичных результатов: к примеру, p(11k + 6) всегда делится на 11; p(25k + 24) делится на 25; p(49k + 19), p(49k + 33), p(49k + 40) и p(49k + 47) делятся на 49; p(121k + 116) делится на 121. Обратите внимание: 25 = 5², 49 = 7², а 121 = 11². Рамануджан говорил, что, насколько он может судить, такие формулы существуют только для делителей вида 5^a7^b11^c, но это оказалось неверным. Артур Аткин обнаружил, что p (17303k + 237) делится на 13, а в 2000 г. Кен Оно доказал, что соответствия такого рода существуют для всех простых модулей. Еще через год он и Скотт Алгрен доказали, что они существуют для всех модулей, не кратных 6.

* * *

Некоторые теоремы Рамануджана остаются недоказанными и по сей день. Одна из них, «сдавшаяся» около 40 лет назад, особенно значительна. В статье 1916 г. Рамануджан исследовал функцию τ (n), определенную как коэффициент при x^n–1 в разложении

[(1 – x) (1 – x²) (1 – x³)…]²⁴.

Таким образом, τ(1) = 1, τ(2) = –24, τ(3) = 252 и т. д. Эта формула исходит из глубокой и красивой работы XIX в. по эллиптическим функциям. Рамануджану τ(n) нужна была для решения задачи о степенях делителей n, и ему необходимо было знать, насколько она велика. Он доказал, что ее величина не превосходит n⁷, но предположил, что этот результат можно улучшить до n^11/2. В качестве гипотезы он предложил две формулы:

τ(mn) = τ(m) τ(n),

если m и n не имеют общих делителей;

τ(pⁿ⁺¹) = τ(p) τ(pⁿ) – p¹¹τ (p^n–1) для всех простых p.

С этими формулами несложно вычислить τ(n) для любого n. Луи Морделл доказал их в 1919 г., но гипотеза Рамануджана о порядке величины τ(n) пока сопротивляется всем усилиям.

В 1947 г. Андре Вейль, пересматривая старые результаты Гаусса, понял, что их можно применить к целым решениям различных уравнений. Следуя интуиции и воспользовавшись забавными аналогиями с топологией, он сформулировал серию технически довольно сложных результатов – гипотезы Вейля. Эти гипотезы заняли центральное место в алгебраической геометрии. В 1974 г. Пьер Делинь доказал их, а годом позже он и Ясутака Ихара вывели из них гипотезу Рамануджана. Тот факт, что для обоснования его невинной на первый взгляд гипотезы потребовался такой крупный и новаторский прорыв, указывает на масштаб и глубину интуиции Рамануджана.

Среди самых загадочных изобретений Рамануджана – «ложные тета-функции», которые он описал в последнем письме к Харди в 1920 г.; подробности были позже найдены в его потерянном блокноте. Якоби ввел тета-функции как альтернативный подход к эллиптическим функциям. Они представляют собой бесконечные ряды, которые преобразуются очень простым способом, если к переменной добавляются подходящие константы, а эллиптические функции можно строить путем деления одной тета-функции на другую. Рамануджан определил несколько аналогичных рядов и заявил большое число формул с их использованием. В то время вся идея представлялась всего лишь упражнением в обращении со сложными рядами, не связанным ни с чем больше в математике. Сегодня мы понимаем, что дело обстоит совсем не так. Эти ряды имеют важные связи с теорией модулярных форм, которые возникают в теории чисел и также связаны с эллиптическими функциями.

Аналогичная, но самостоятельная концепция – тета-функция Рамануджана – недавно оказалась полезной в теории струн – самой популярной попытке физиков объединить теорию относительности и квантовую механику.

* * *

Поскольку Рамануджан работал в такой необычной манере и получал верные результаты нестрогими методами, иногда возникают предположения, что мыслительные процессы Рамануджана были особыми или необычными. По рассказам, Рамануджан и сам говорил, что богиня Намагири являлась к нему во сне и сообщала формулы. Однако он вполне мог говорить так, просто чтобы избежать неловких обсуждений. По словам его жены С. Янаки Аммал Рамануджан, у него «никогда не было времени пойти в храм, потому что он был постоянно одержим математикой». Харди писал, что, по его мнению, «все математики мыслят, по существу, одинаково и Рамануджан не был исключением». При этом, правда, он добавлял: «Он сочетал в себе мощь обобщения, чувство формы и способность к быстрой модификации гипотез, которые зачастую просто поражали».

Рамануджан не был величайшим математиком своего времени, не был и самым плодовитым; но его репутация зиждется не только на его замечательной судьбе и трогательной истории «бедный мальчик выходит в люди». Идеи Рамануджана были достаточно влиятельными при его жизни, а теперь, с годами, они лишь набирают влияние. Брюс Берндт считает, что Рамануджан не только не был старомодным, но, напротив, обогнал свое время. Иногда проще доказать одну из замечательных формул Рамануджана, чем разобраться, каким образом он в принципе мог до нее додуматься. А многие из глубочайших идей Рамануджана только сейчас начинают получать достойную оценку. Я оставляю последнее слово Харди:

Один дар, которым обладает его математика, отрицать невозможно: это глубокая и несокрушимая оригинальность. Вероятно, он был бы более великим математиком, если бы его поймали и немного приручили в юности; он открыл бы больше нового, и это новое было бы, несомненно, более значительным. С другой стороны, он был бы меньше Рамануджаном и больше европейским профессором, и потерь здесь, возможно, было бы больше, чем приобретений.

Стереотипный образ математика – помимо того что все они пожилые мужчины – обязательно предусматривает их странность. Определенно, это люди не от мира сего. Как минимум они эксцентричны. А иногда и просто безумны.

Мы уже видели, что большинство математиков не укладывается в этот образ; правда, в основном это все же мужчины, но ситуация резко изменилась за последние несколько десятилетий. Согласен, к завершению карьеры математики, как правило, действительно становятся пожилыми, но кто из нас не стареет? Единственный способ избежать этого – умереть молодым, как Галуа. Известность и ответственность, как правило, появляются с возрастом, так что нет ничего удивительного в том, что среди лидеров этой науки преобладают именно пожилые.

Математик, с головой погруженный в исследования, может легко показаться человеком не от мира сего, но, как настойчиво уверяет один мой коллега-биолог, математики вовсе не рассеянны: они просто сосредоточены на чем-то. Если человек хочет решить сложную математическую задачу, он должен сосредоточиться. У некоторых математиков (математика ни в коем случае не единственная профессия, для которой это характерно) отвлеченность от сиюминутного мира переходит в эксцентричность. Возможно, самым очевидным примером чудака-математика может служить Пал Эрдёш, который никогда не занимал никакой академической должности и не имел собственного дома. Он путешествовал от одного коллеги к другому, проводя где ночь на диване в гостиной, а где и несколько месяцев в свободной комнате. При этом он написал невероятное количество (1500) исследовательских статей и сотрудничал с поразительным числом (500) разных математиков.

Что до безумия: некоторые математики на определенном этапе жизни страдают душевными болезнями. Кантор страдал сильными приступами депрессии. Джон Нэш, прототип героя книги и фильма «Игры разума», получил в 1994 г. Нобелевскую премию по экономике (или, точнее, премию памяти Альфреда Нобеля, которую в большинстве случаев приравнивают к любой из оригинальных Нобелевских премий). Тем не менее он много лет страдал заболеванием, которое диагностировали как параноидную шизофрению, и проходил лечение электрошоком. Но усилием воли он сумел излечиться – он признавал в себе психотические проявления и отказывался им поддаваться.

Курт Гёдель, безусловно, был эксцентричен, а временами даже выходил за рамки простой эксцентричности. Избранная им область математической логики на тот момент была не особенно популярна среди математиков, так что в этом отношении он был, пожалуй, еще более не от мира сего, чем большинство его коллег. Зато, словно в компенсацию, его открытия в этой области произвели настоящую революцию в наших представлениях об основах логики и математики и об их взаимодействии. Он был блестяще оригинален и потрясающе глубок.

Интерес к логике зародился у Гёделя в 1933 г., когда в Германии пришел к власти Адольф Гитлер. Этот интерес получил дополнительный толчок на семинарах, которые проводил Мориц Шлик – философ, основавший логический позитивизм и Венский кружок. В 1936 г. Шлика убил один из его бывших студентов, Иоганн Нельбёк. К тому моменту многие члены Венского кружка уже бежали из Германии, опасаясь антисемитского преследования, однако Шлик, живший в Австрии, продолжал работать в Венском университете. Он шел читать лекцию и поднимался по лестнице, когда Нельбёк выстрелил в него из пистолета. Нельбёк сознался в убийстве, но использовал публичные судебные слушания как платформу, с которой мог провозглашать свои политические убеждения. Он утверждал, что недостаток сдерживающих моральных факторов возник у него под влиянием философской позиции Шлика, которая была враждебна метафизике. Правда, многие подозревали, что подлинной причиной убийства была страстная влюбленность Нельбёка в студентку Сильвию Боровицку. Эта безответная страсть заставила беднягу решить, что Шлик является его соперником в борьбе за расположение девушки. Нельбёка приговорили к 10 годам тюрьмы, но его дело стало еще одним поленом на костре растущей антисемитской истерии в Вене, хотя Шлик, вообще говоря, не был евреем. Однако в псевдоправде нет ничего нового. Хуже того, после аннексии Австрии Германией Нельбёк был освобожден после всего лишь двух лет заключения.

Убийство наставника произвело на Гёделя ужасное впечатление. У него развились признаки паранойи – хотя здесь, пожалуй, уместна была бы старая шутка: «Если у меня паранойя, это не значит, что за мной не охотятся». Гёдель тоже не был евреем, но среди его друзей евреев было много. Жизнь под властью нацистов делала паранойю крайним проявлением душевного здоровья. Однако у Гёделя развилась серьезная фобия: он боялся, что его хотят отравить, так что ему пришлось несколько месяцев лечиться. Этот страх вернулся и преследовал Гёделя в последние годы его жизни, когда у него вновь появились симптомы душевной болезни и паранойи. Он отказывался есть любую пищу, кроме той, что приготовила его жена. В 1977 г. она перенесла два удара и вынуждена была надолго лечь в больницу, так что не могла для него готовить. Он перестал есть и довел себя до голодной смерти. Страшный и бессмысленный конец для одного из величайших мыслителей XX столетия.

Отец Гёделя Рудольф был управляющим текстильной фабрикой в австро-венгерском Брюнне (ныне это город Брно в Чешской Республике). С раннего детства и до достаточно зрелого возраста Курт был очень близок с матерью Марианной (урожденной Хандшух). Рудольф был протестантом, Марианна – католичкой; Курт был воспитан в протестантской вере. Он считал себя глубоко верующим человеком, но верил в личного Бога, вне рамок традиционной религии. Он писал, что «религии по большей части дурны, но религия – нет». Он регулярно читал Библию, но не бывал в церкви. Позже в его неопубликованных бумагах была обнаружена попытка математического доказательства Бытия Божия при помощи модальной логики. В детстве у него было семейное прозвище г-н Почему (Herr Warum), о причинах появления которого вы можете догадаться сами. В семь или восемь лет он перенес приступ ревматической лихорадки и, хотя полностью оправился, всю жизнь был уверен, что болезнь разрушающе подействовала на его сердце. Здоровье часто подводило его и оставалось достаточно хрупким до конца его жизни.

С 1916 г. Гёдель учился в Немецкой государственной гимназии, где получал высокие оценки по всем предметам, особенно по математике, языкам и религии. После распада Австро-Венгерской империи в конце Первой мировой войны он автоматически стал гражданином Чехословакии. В 1923 г. Гёдель поступил в Венский университет и поначалу не мог решить, изучать ему математику или физику. Книга Бертрана Рассела «Введение в математическую философию» побудила его остановиться на математике, а основным научным интересом стала математическая логика. Ключевой момент в его карьере наступил в 1928 г., когда он попал в Болонье на лекцию Давида Гильберта на 1-м Международном конгрессе математиков, проводившемся после окончания Первой мировой войны. Гильберт тогда рассказал о своих взглядах на аксиоматические системы, особенно на их непротиворечивость и полноту. В 1928 г. Гёдель прочел «Принципы математической логики» Гильберта и Вильгельма Аккермана, где излагалась техническая основа Гильбертовой программы разрешения этих вопросов. В 1929 г. он выбрал тему для своей докторской диссертации, которую готовил под руководством Ханса Хана. Он доказал то, что мы сегодня называем теоремой Гёделя о полноте: что исчисление предикатов (глава 14) является полным. То есть любая верная теорема может быть доказана, любая неверная теорема – опровергнута, и никаких других вариантов не существует. Однако исчисление предикатов – очень ограниченная область и не годится в качестве фундамента для всей математики. Программа Гильберта была сформулирована в рамках гораздо более богатой аксиоматической системы.

В том же году Гёдель стал гражданином Австрии. (В 1938 г., когда Германия аннексировала Австрию, его гражданство автоматически сменилось на германское.) В 1930 г. он получил степень доктора. В 1931 г. – разрушил программу Гильберта, опубликовав статью «О формально неразрешимых утверждениях Principia Mathematica и аналогичных систем», где доказывалось, что ни одна система аксиом, достаточно богатая, чтобы формализовать математику, не может быть логически полной, а непротиворечивость такой системы доказать невозможно. (О Principia Mathematica я расскажу вам чуть позже.) В 1932 г. он прошел хабилитацию, а в 1933 г. стал приват-доцентом Венского университета. Мучительные события, описанные выше, произошли именно в этот период его жизни. Чтобы отдохнуть от нацистской Австрии, он посетил Соединенные Штаты, где встретился и подружился с Эйнштейном.

В 1938 г. Гёдель женился на Адель Нимбурски (урожденной Поркерт), с которой познакомился в ночном клубе Der Nachtfalter в Вене одиннадцатью годами ранее. Она была на шесть лет старше и уже успела побывать замужем, к тому же его родители были против, но он поступил по-своему. Когда в 1939 г. началась Вторая мировая война, Гёдель испугался, что его могут призвать в германскую армию. По идее, слабое здоровье должно было ему помочь, но прежде его уже принимали за еврея, так кто даст гарантию, что в следующий раз его не примут за здорового человека? Он ухитрился получить американскую визу и вместе с женой отправился в США через Россию и Японию. Они благополучно прибыли туда в 1940 г. В том же году Гёдель доказал, что гипотеза о континууме Кантора вполне согласуется с обычными теоретико-множественными аксиомами для математики. Он получил работу в Институте высших исследований в Принстоне – сначала в качестве ординарного исследователя, затем на постоянной должности, а после, с 1953 г., профессора. Хотя в 1946 г. он прекратил публиковаться, исследования не оставил.

В 1948 г. Гёдель получил американское гражданство. Судя по всему, он был уверен, что обнаружил в конституции США логическую нестыковку, и пытался объяснить свою находку судье, который очень разумно не клюнул на эту наживку. Близкая дружба с Эйнштейном побудила его поработать над теорией относительности. В частности, он нашел пространство-время, в котором имеется замкнутая времениподобная кривая – математический эвфемизм для машины времени. Если нечто движется по такой кривой в пространстве и времени, его будущее плавно переходит в его прошлое. Это как находиться в Лондоне в 1900 г., затем переместиться на 20 лет в будущее – и обнаружить, что ты вновь в Лондоне в 1900 г. Позже замкнутые времениподобные кривые стали горячей темой не столько потому, что могли потенциально привести к созданию машины времени, но и потому, что помогли пролить свет на ограничения общей теории относительности и намекнули на возможную необходимость в новых законах физики.

В последние годы жизни здоровье Гёделя, никогда не отличавшееся крепостью, ухудшилось. Его брат Рудольф сообщал, что он

Что произошло далее, вам уже известно. В свидетельстве о смерти причиной смерти названо «недоедание и истощение, вызванное расстройством личности». Истощение возникает в результате недостатка пищи. Он весил тогда всего 30 кг.

С древнейших времен математика считалась ярким примером того, что просто верно – абсолютная истина, без всяких «если» или «но». Два плюс два будет четыре: берите, что дают, и не жалуйтесь. Единственным конкурентом математики в притязаниях на абсолютную истину была религия (конфессия и секта на выбор верующего, разумеется), но даже здесь у математики имелось тайное преимущество. Религии, как сказал Терри Пратчетт, истинны «на заданную величину истинности». Математика могла доказать свою истинность.

Когда философы, логики и математики, интересы которых влекли их в этом направлении, начали глубже задумываться о том, что подразумевает такой тип абсолютной истины, они поняли, что он до некоторой степени иллюзорен. Два плюс два равно четырем для натуральных чисел, но что, собственно, представляет собой число? Ну и заодно, что такое «плюс» и «равно»? Математики ответили на этот вопрос тем, что определили континуум действительных чисел, но Кронекер считал их уже «делом рук человеческих», считая, что только целые числа даны человеку Богом. Трудно понять, как произвольное создание человеческого разума может представлять абсолютную истину. В лучшем случае это результат договоренности людей.

Представление о том, что математика состоит из непреложных истин, было оставлено в пользу концепции, по которой они представляют собой выводы из явных допущений, сделанные по некоторой определенной системе логики. В этом случае честность требует последовать примеру Евклида и сформулировать эти допущения и логические правила в виде системы явных аксиом. Это метаматематика – применение математических принципов к внутренней логической структуре самой математики. Бертран Рассел и Альфред Норт Уайтхед в своей книге 1910–1913 гг. Principia Mathematica – название представляло собой вполне сознательную отсылку к Ньютону – первыми проложили этот путь, и после нескольких сотен страниц сумели-таки определить число «один». После этого темп подрос и более продвинутые математические концепции появлялись все быстрее и быстрее, пока, наконец, не стало очевидно, что все остальное можно получить аналогичным образом; после этого авторы сдались. От одной из технических особенностей – теории «типов», введенной для того, чтобы избежать некоторых парадоксов, – позже пришлось отказаться в пользу других структур аксиом для теории множеств, самыми популярными из которых являются системы Эрнста Цермело и Абрахама Френкеля.

Именно на этом фоне Гильберт попытался завершить логический круг, доказав, что подобная аксиоматическая система логически непротиворечива (никакое доказательство не приводит к противоречию) и полна (любое осмысленное утверждение можно либо доказать, либо опровергнуть). Первый момент принципиально важен, поскольку в системе, которая не является непротиворечивой, утверждение «два плюс два равно пяти» можно доказать. В самом деле, любое утверждение может быть доказано. Второй шаг отождествляет понятия «верный» и «можно доказать» и «ложный» и «нельзя доказать». Гильберт сосредоточился на аксиоматической системе для арифметики, поскольку в Principia Mathematica все в математике выводилось из нее. Продолжив мысль Кронекера, после того как Бог дал нам целые числа, в остальном человек может разобраться сам. В программе Гильберта была прописана серия шагов, которая, по его мнению, должна была привести к цели, и основывалась она на логической сложности задействованных утверждений; ему даже удалось разобраться в некоторых не слишком сложных случаях. Все это выглядело перспективно.

Я подозреваю, что Гёдель углядел в этом мероприятии что-то сомнительное с философской точки зрения. По существу, от аксиоматической системы математической логики требовалось продемонстрировать свою собственную непротиворечивость. «Непротиворечивы ли вы?» – «Разумеется, да!» Пауза. «Ну да, ну да… Почему я должен вам верить?» Как бы то ни было, скепсис, из какого бы источника он ни проистекал, заставил его доказать два потрясающих результата, названные его именем: теорему о неполноте и теорему о непротиворечивости.

Вторая из них опирается на первую. Имея в виду, что противоречивая логическая система способна доказать что угодно, можно сделать вывод, что она, вероятно, способна доказать и утверждение «эта система непротиворечива». (Разумеется, она может с тем же успехом доказать утверждение «эта система противоречива», но забудем об этом.) Итак, какую гарантию истинности может предложить подобное доказательство? Никакой. Именно это интуитивное понимание отражено в ответе «ну да, ну да…». У программы Гильберта может быть единственный способ избежать этой ловушки: возможно, утверждение «эта система непротиворечива» не имеет смысла в пределах формальной аксиоматической системы. Безусловно, это утверждение не слишком похоже на арифметику.

Ответом Гёделя было превратить его в арифметику. Любая формальная математическая система построена из символов, и доказательство (или предполагаемое доказательство) некоторого утверждения представляет собой всего лишь строку символов. Символам могут быть присвоены кодовые номера, и строке символов тоже может быть присвоен уникальный численный код. Предложенный Гёделем способ нумерации состоит в том, чтобы превратить строку кодовых чисел abcdef… в единственное число, определяемое перемножением степеней простых чисел:

Чтобы расшифровать это число и превратить его обратно в строку, нужно воспользоваться единственностью разложения на простые множители.

Существуют и другие способы зашифровать символьную строку превращением ее в число: данный способ математически элегантен и притом совершенно непрактичен. Но Гёделю достаточно было того, что он существует.

В виде чисел он предлагал кодировать не только утверждения, но и доказательства, которые представляют собой некоторую последовательность утверждений. Логические правила вывода каждого утверждения из предыдущих накладывают ограничения на то, какие из этих чисел могут соответствовать логически верному доказательству. Так что утверждение «P есть верное доказательство утверждения S» само может рассматриваться как утверждение в арифметике: «Если расшифровать P в последовательность чисел, то последним из них будет число, соответствующее S». Гёделева система нумерации позволяет нам перейти от метаматематического утверждения о существовании некоторого доказательства к арифметическому утверждению о соответствующих числах.

Гёдель хотел проделать этот фокус с фразой «это утверждение ложно». Он не мог сделать это напрямую, поскольку это не арифметическое утверждение. Но его можно сделать арифметическим при помощи Гёделевых чисел, и тогда оно по существу превращается в утверждение «эта теорема не имеет доказательства». Есть еще кое-какие технические фокусы, которые придают всему этому смысл, но описанное выше – самая суть. Предположим, что Гильберт прав и аксиоматическая система арифметики полна. Тогда утверждение «эта теорема не имеет доказательства» либо имеет доказательство, либо нет. В том и другом случае у нас проблемы. Если у него есть доказательство, получаем противоречие. Если доказательства нет, утверждение ложно (мы ведь считаем, что Гильберт прав, помните?), так что доказательство все-таки имеется – еще одно противоречие. Значит, утверждение наше противоречит само себе… а в арифметике имеется теорема, которую невозможно ни доказать, ни опровергнуть.

Гёдель быстро превратил этот результат в свою теорему о непротиворечивости: если некоторое аксиоматическое описание арифметики непротиворечиво, то доказать его непротиворечивость невозможно. Это тот самый момент «ну да, ну да…» во всей его формальной красе: если бы в один прекрасный момент кто-нибудь нашел вдруг доказательство того, что арифметика непротиворечива, то мы могли бы сразу же сделать вывод о том, что на самом деле это не так.

Некоторое время Гильберт и его последователи надеялись, что теоремы Гёделя всего лишь указывают на техническую неполноценность конкретной аксиоматической системы, введенной в Principia Mathematica. Может быть, этой ловушки сможет избежать какая-нибудь альтернативная система. Но вскоре стало ясно, что та же цепочка рассуждений применима в любой аксиоматической системе, достаточно богатой, чтобы формализовать арифметику. Арифметика изначально неполна. И если она логически непротиворечива, в чем убеждено большинство математиков и что все мы принимаем за рабочую гипотезу, то доказать это невозможно. Одним ударом Гёдель умудрился целиком изменить философские взгляды человечества на математику. Ее истины не могут быть абсолютными, потому что существуют утверждения, истинность или ложность которых лежит вообще вне логической системы.

Мы в общем случае считаем, что неразрешенная гипотеза, как гипотеза Римана, к примеру, является либо верной, либо ошибочной, то есть у нее либо имеется доказательство, либо нет. После Гёделя мы вынуждены добавлять к этому третий вариант. Может быть, не существует ни логической цепочки, которая вела бы от аксиом теории множеств к гипотезе Римана, ни логической цепочки, которая вела бы от аксиом теории множеств к отрицанию гипотезы Римана. Если так, то для этой гипотезы не существует ни доказательства, ни опровержения. Большинство математиков готовы держать пари за то, что гипотеза Римана разрешима. Более того, большинство считает, что она верна и что в один прекрасный день доказательство этого будет найдено. Но если нет, то наверняка будет найден контрпример – нуль, лежащий вне критической линии. Смысл в том, что мы этого не знаем. Мы полагаем, что «разумные» теоремы могут быть либо доказаны, либо опровергнуты, а неразрешимые теоремы кажутся нам слегка надуманными и искусственными. Однако в следующей главе мы увидим, как разумный естественный вопрос в области теоретической информатики оказывается неразрешимым.

Классическая логика с ее четким разграничением истинного и ложного, без промежуточных вариантов, всегда двузначна. Открытие Гёделя позволяет предположить, что для математики лучше подошла бы трехзначная логика: истинно, ложно или неразрешимо.

По словам коллеги Тьюринга по Блетчли-парку Джека Гуда, Алан страдал сенной лихорадкой. Он ездил в контору на велосипеде, и каждый июнь вынужден был надевать респиратор, чтобы защититься от пыльцы. С велосипедом у него тоже что-то было не в порядке, и время от времени цепь слетала. Поэтому Тьюринг всегда возил с собой банку масла и тряпку, чтобы привести себя в порядок после очередной починки.

Со временем, устав от бесконечного надевания цепи, он решил подойти к проблеме рационально. Он начал подсчитывать, сколько раз успевают провернуться педали велосипеда от одной поломки до следующей. Это число оказалось замечательно стабильным. Сравнив его с числом звеньев в цепи и числом спиц в колесе велосипеда, он пришел к выводу: цепь слетает всякий раз, когда цепь и колесо находятся в некоторой определенной конфигурации. После этого он постоянно вел подсчет оборотов, чтобы заранее знать, когда цепь соберется слететь в очередной раз; тогда он предпринимал некий маневр, который позволял ему удержать цепь на месте. Ему больше не нужно было возить с собой масло и тряпку. Со временем он выяснил и подлинную причину: такой эффект давала слегка погнутая спица в сочетании с поврежденным звеном цепи.

Это был триумф рациональности, но любой другой на месте Тьюринга просто отдал бы велосипед в мастерскую, где мастер быстро обнаружил бы неисправность. С другой стороны, тем, что он этого не сделал, Тьюринг сэкономил на ремонте – и сделал так, что никто, кроме него самого, не мог ездить на его велосипеде. Как и во многих других случаях, у него были свои соображения; просто они не походили на соображения всех остальных.

Отец Алана Тьюринга Юлиус работал в Индийской гражданской службе. Его мать Этель (урожденная Стоуни) была дочерью главного инженера Мадрасских железных дорог. Супруги хотели, чтобы их дети воспитывались в Англии, поэтому переехали в Лондон. Алан был младшим из двух сыновей. В шесть лет он поступил в школу в прибрежном городке Сент-Леонард, где директор сразу же обратила внимание на необычайно умного мальчика.

В 13 лет Алан поступил в Шерборнскую школу – независимую «публичную» школу, как замысловато именуются в Англии частные платные школы, в которых обучаются преимущественно дети из богатых семей. Как в большинстве подобных школ, упор в ней делался на классические дисциплины. У Тьюринга был плохой почерк, он не отличался хорошей грамотностью, да и в любимом своем предмете – математике – предпочитал собственные ответы тем, что требовали учителя. То ли несмотря на это, то ли благодаря этому он выигрывал все математические конкурсы. Кроме того, ему нравилась химия, но и здесь он предпочитал искать собственный путь. Его классная руководительница писала: «Если ему суждено заниматься исключительно наукой, он напрасно теряет время в частной школе».

Чистая правда.

Школа была не в курсе, что в свободное время Тьюринг читает статьи Эйнштейна о теории относительности и книгу Артура Эддингтона о квантовой теории «Природа физического мира». В 1928 г. Алан сдружился с Кристофером Моркомом, который учился на класс старше и разделял его интерес к науке. Однако не прошло и двух лет, как Морком умер. Тьюринг был безутешен, но продолжал упрямо учиться – и выиграл возможность изучать математику в Кембриджском Королевском колледже. Там Алан продолжал читать учебники, намного опережавшие учебный план – или вообще не входившие в него. В 1934 г. он закончил колледж.

Тьюринг был неисправимо неряшлив. Даже если он надевал костюм, то костюм этот редко был отглажен. Говорят, что иногда он подвязывал брюки галстуком или просто бечевкой. Его смех звучал громко и неприятно. У него был дефект речи, не то чтобы заикание, а внезапные паузы в речи, когда он некоторое время мог тянуть «э-э-э-э-э…», подыскивая подходящее слово. Он не слишком придирчиво относился к бритью, и к концу дня у него на лице обычно видна была легкая щетина. Тьюринга часто изображают нервным, социально не адаптированным чудиком, но на самом деле он был довольно популярен и легко осваивался в любой компании. Его очевидная эксцентричность происходила в основном от оригинальности не того, о чем он думал, а того, как он думал. Работая над задачей, Тьюринг находил такие ее аспекты, о существовании которых никто даже не подозревал.

Через год после выпуска Тьюринг учился в аспирантуре по основаниям математики у Макса Ньюмана; именно там он узнал о программе Гильберта и о ее разрушении Гёделем. Тьюринг понял, что Гёделева теорема о неразрешимости на самом деле говорит об алгоритмах. Вопрос разрешим, если существует алгоритм получения ответа на него. Разрешимость конкретной задачи можно доказать, отыскав такой алгоритм. Понятие неразрешимости глубже, и работать с ним сложнее: необходимо доказать, что таких алгоритмов не существует. Бесполезно и пытаться, если у вас нет точного определения алгоритма. Гёдель, по существу, разобрался с этим вопросом, рассматривая алгоритм как доказательство в рамках аксиоматической системы. Тьюринг же начал размышлять о том, как формализовать алгоритмы в целом.

В 1935 г. он стал членом Королевского колледжа за независимое открытие центральной предельной теоремы в теории вероятностей, которая обеспечивает некоторое логическое обоснование широкому использованию «колоколообразной кривой», или нормального распределения, в статистическом анализе. Однако в 1936 г., с публикацией основополагающей статьи «О вычислимых числах применительно к Entscheidungsproblem» (проблеме разрешимости), на передний план вышли его мысли о теоремах Гёделя. В этой статье Тьюринг доказал теорему о неразрешимости для формальной модели вычислений, которую сегодня называют машиной Тьюринга. Он доказал, что ни один алгоритм не может решить заранее, остановится ли расчет с получением ответа. Его доказательство проще, чем Гёделево, хотя оба они требуют предварительных ухищрений для организации контекста.

Хотя мы говорим о машине Тьюринга, название это относится к абстрактной математической модели, представляющей идеализированную машину. Тьюринг называл ее а-машиной, где «а» означает «автоматическая». Машину эту можно представить в виде ленты, разделенной на последовательные ячейки, которые могут либо быть пустыми, либо содержать какой-нибудь символ. Лента – это память машины, она ничем не ограничена, но конечна. Если вы подошли к концу, добавьте еще несколько клеток. Некая головка, размещенная над начальной ячейкой, считывает находящийся в ней символ. Затем она сверяется с таблицей, в которой размещены правила перехода (программа, заданная пользователем), записывает в клетку какой-нибудь символ (заменяя им то, что было там до этого) и сдвигает ленту на одну ячейку вперед. Затем, в зависимости от таблицы и символа, машина либо останавливается, либо выполняет инструкции, которые таблица предписывает для символа в ячейке, на которую она передвинулась.

Вариантов существует множество, но все они эквивалентны между собой в том смысле, что могут вычислять одно и то же. Мало того, эта рудиментарная машина способна, в принципе, вычислять все то же, что и цифровой компьютер, сколь угодно быстрый и продвинутый. К примеру, машина Тьюринга, использующая символы 0–9 и, возможно, еще несколько символов, может быть запрограммирована на вычисление числа π до любого заданного числа десятичных знаков, причем машина запишет их в последовательные ячейки ленты и после этого остановится. Такой уровень общности может показаться удивительным для столь простого устройства, но все тонкости вычислений изначально зашиты в таблице с правилами перехода, которые могут быть очень сложными, – в точности как все действия компьютера зашиты в программном обеспечении, которое на нем работает. Однако простота машины Тьюринга, помимо всего прочего, делает ее очень медленной в том смысле, что даже простое вычисление требует гигантского числа шагов. Она совершенно непрактична, но из-за простоты отлично подходит для разбора теоретических вопросов об ограничениях, связанных с вычислениями.

Первая важная теорема Тьюринга доказывает существование универсальной машины Тьюринга, при помощи которой можно смоделировать любую конкретную машину. Программа конкретной машины зашифрована на ленте универсальной машины еще до начала вычислений. Правила перехода сообщают универсальной машине, как следует переводить эти символы в инструкции и исполнять их. Архитектура универсальной машины – важный шаг по направлению к реальному компьютеру, где программа размещается в памяти. Мы не строим для каждой задачи новый компьютер с жестко, на уровне «железа», заданной программой – ну разве что для каких-то совершенно особых задач.

Вторая его важная теорема – вариация на тему теорем Гёделя; она доказывает, что задача останова для машины Тьюринга неразрешима. В этой задаче требуется найти алгоритм, который мог бы решить, получив на вход программу для машины Тьюринга, остановится ли машина когда-нибудь, получив ответ, или будет работать до бесконечности. Предложенное Тьюрингом доказательство, что такого алгоритма не существует – то есть что задача останова неразрешима, – предполагает его существование, а затем применяет результирующую машину к ее собственной программе. Однако она при этом хитроумно преобразуется таким образом, что модель останавливается в том, и только том случае, если первоначальная машина этого не делает. Это приводит к противоречию: если модель останавливается, то она не останавливается; если она этого не делает, то она это делает. Мы видели, что доказательство Гёделя в конечном итоге кодирует утверждение вида «это утверждение ложно». Доказательство Тьюринга проще и больше напоминает карточку, на двух сторонах которой написано:

Каждое утверждение за два шага приводит к отрицанию самого себя.

Тьюринг представил свою статью в журнал Proceedings of the London Mathematical Society, не зная, что несколькими неделями раньше американский специалист по математической логике Алонзо Чёрч опубликовал статью «Нерешаемая задача в элементарной теории чисел» в American Journal of Mathematics. В ней он предложил еще одну альтернативу Гёделеву доказательству неразрешимости арифметики. Доказательство Чёрча было чрезвычайно сложным, но он опубликовал его первым. Ньюман убедил журнал все же опубликовать статью Тьюринга, поскольку его доказательство было намного проще – и концептуально, и структурно. Тьюринг переработал статью, включив в нее ссылку на статью Чёрча, и в 1937 г. она вышла. У этой истории счастливый конец, поскольку после этого Тьюринг отправился в Принстон готовить докторскую диссертацию под руководством Чёрча. Его диссертация была опубликована в 1939 г. и называлась «Логические системы, основанные на ординалах».

Не слишком удачный 1939 г. был отмечен началом Второй мировой войны. Понимая, насколько велика вероятность войны, и прекрасно зная, какую серьезную роль в современной войне играет криптография, глава Секретной разведывательной службы (Secret Intelligence Service, SIS, или MI6) приобрел поместье, которое как нельзя лучше подходило для организации шифровальной школы. Блетчли-парк представлял собой особняк, выстроенный в странной смеси архитектурных стилей, на территории в 235 га. Дом был предназначен под снос, на его месте планировалось построить жилой район. Он стоит до сих пор, вместе с хозяйственными постройками и времянками военных лет; сегодня Блетчли-парк – туристический объект с тематической экспозицией, посвященной работе военных дешифровщиков.

Алистер Деннисон – руководитель Правительственной школы кодов и шифров (Government Code and Cypher School, GC&CS) – перевез своих ведущих криптоаналитиков – специалистов по вскрытию шифров – в Блетчли-парк. Среди них были шахматисты, кроссвордисты и лингвисты; один из криптоаналитиков был специалистом по египетским папирусам. Когда возникла необходимость расширить число специалистов, Деннисон начал искать «людей профессорского типа». Войска Оси все чаще использовали для шифрования сообщений специальные машины, основанные на сложных системах вращающихся шестеренок и ежедневной смене шифров путем изменения конфигурации специальных соединительных проводов. Поэтому ясно было, что без специальных знаний тоже не обойтись, а это означало, что нужны математики. В команду их вошло несколько, в том числе Ньюман и Тьюринг. Все работали в строжайшей тайне, включая технический персонал и управленцев. На пике активности, в начале 1945 г., в Блетчли-парке насчитывалось до 10 000 сотрудников.

Державы «оси» в основном пользовались машиной «Энигма» и машиной, реализующей шифр Лоренца. Обе системы шифрования считались невзламываемыми, но в математике алгоритма шифрования было несколько слабых мест. Они усугублялись, когда пользователи нарушали правила, для того чтобы упростить себе работу: к примеру, использовали одни и те же установки на протяжении нескольких дней, отправляли одно и то же сообщение дважды или начинали сообщения стандартными словами и фразами. Тьюринг был ключевой фигурой в группе, которая пыталась взломать шифр «Энигмы»; руководил этой группой Дилли Нокс из GC&CS. В 1939 г. поляки сумели раздобыть машину «Энигма»; они сообщили британцам, как она работает – как в ней соединяются роторы. Кроме того, польские криптоаналитики разработали методы взлома шифра «Энигмы», основанные на привычке немцев ставить перед кодовым сообщением короткий кусок текста, позволяющий оператору проверить машину. К примеру, сообщение, которое представляло собой продолжение предыдущего сообщения, нередко начиналось с FORT (Fortsetzung, «продолжение»); следом ставилось время отправления первого сообщения, причем это время повторялось дважды и завершалось буквой Y. Польские криптоаналитики изобрели машину, которая позволяла ускорить анализ, и назвали ее bomba.

Тьюринг и Нокс поняли, что немцы, скорее всего, устранят этот недочет, и занялись поисками более устойчивых методов дешифровки; они решили, что им тоже нужна машина, и заранее назвали ее bombe. Тьюринг составил спецификации «бомбы», в которой реализовывалась бы та же общая методика дешифрования на основе понятной части текста. Эту методику можно пробовать в тех случаях, когда о смысле некоторой части шифрованного сообщения можно догадаться – к примеру, это может быть сегмент FORT. Типичными ключами такого рода криптоаналитикам служили немецкие фразы со смыслом «ничего нового» и «прогноз погоды [время]». Как ни поразительно, начальник службы снабжения фельдмаршала Эдвина Роммеля начинал каждое послание своему начальнику идентичным формальным вступлением.

Проект машины, разработанный Тьюрингом, в «железе» реализовал инженер по имени Харольд Кин, работавший в компании British Tabulating Machine Company (что-то вроде британской IBM). Задачей машины было быстро-быстро перебирать варианты, чтобы методом проб и ошибок определить некоторые базовые установки «Энигмы», которые (как правило) менялись ежедневно. Машина проверяла все возможные варианты по очереди в поисках противоречия. Если таковое обнаруживалось, машина переходила к следующему варианту, перебирая все 17 576 комбинаций одну за другой, пока не находила что-нибудь правдоподобное. В этот момент она останавливалась, и установки можно было считать. Тьюринг улучшил процесс перебора, введя в него некоторый статистический анализ. Кроме того, он разобрался с более сложной версией «Энигмы», которую использовали в германском военном флоте. В 1942 г. он был прикомандирован к миссии Британского объединенного командования в Вашингтоне, где должен был инструктировать американцев по своим машинам и их использованию. Его методика позволила снизить число необходимых машин с 336 до 96, ускорив, соответственно, их производство.

Возможность читать зашифрованную переписку «оси» поставила перед командованием союзников стратегическую проблему: если бы враг догадался, что союзники в состоянии это делать, режим секретности был бы усилен, а процедуры ужесточены. Так что, даже когда союзники знали о вражеских намерениях, любые действия, направленные на их пресечение, поневоле должны были быть непрямыми и предприниматься не слишком часто. Тем не менее способность читать шифрованные сообщения врага, используемая хитро и с бесконечными дезинформирующими предосторожностями, помогла союзникам выиграть немало крупных сражений, в первую очередь Битву за Атлантику. Усилия Тьюринга и его коллег помогли сократить длительность войны, вероятно, года на четыре.

После окончания войны выяснилось, что германские криптоаналитики сознавали, что код «Энигмы» может, в принципе, быть взломан. Они просто не верили, что кто-то сможет потратить на это те безумные усилия, которые необходимы для получения результата.

Криптографическая работа велась интенсивно и последовательно, но жизнь в Блетчли-парке имела и свои светлые моменты. Тьюринг отдыхал за шахматами и спортивными занятиями, общался с коллегами в то ограниченное время, которое отводилось для этого. В 1941 г. он крепко сдружился с Джоан Кларк – блестящей женщиной-математиком, оставившей ради работы в Блетчли-парке подготовку к экзаменам на степень бакалавра математики в Кембридже. Они вместе ходили в кино и вообще наслаждались обществом друг друга. Отношения становились все ближе, и в конце концов Тьюринг сделал Джоан предложение. Та немедленно согласилась.

Надо сказать, что Тьюринг не скрыл от невесты своих гомосексуальных наклонностей, но это ее не смутило, возможно, потому, что у них было достаточно общих интересов – шахматы, математика, криптография… Мало кто из мужчин в те годы захотел бы взять в жены математического вундеркинда, но для Тьюринга это не было проблемой. Как не была проблемой и его гомосексуальность, по крайней мере вначале. В то время респектабельность для многих людей была важнее сексуальной ориентации, а главной задачей жены, по мнению общества, было вести дом. Однако Тьюринг создал у Джоан впечатление, что его гомосексуальность всего лишь склонность, а не реальная сексуальная практика. Молодые люди познакомили друг друга с родителями (никаких проблем при этом не возникло), и Тьюринг купил для Джоан обручальное кольцо. Джоан не носила кольцо на работу, и среди коллег только Шон Уайли официально знал, что они помолвлены; остальные, правда, тоже что-то подозревали.

Но время шло, и Тьюринг начал сомневаться. Молодые люди провели недельный отпуск, путешествуя по Северному Уэльсу то пешком, то на велосипедах, но отдых обернулся проблемами с бронированием отелей, к тому же Тьюринг забыл оформить временные продуктовые карточки, чтобы можно было покупать еду. Вскоре после возвращения он решил, что брак этот не принесет пользы никому из них, и помолвка была расторгнута. Он сумел сделать это так, чтобы не дать Джоан почувствовать себя отвергнутой; они даже продолжали работать вместе, хотя и не так часто, как прежде.

Тьюринг был хорошим атлетом и прекрасно бегал на длинные дистанции, где характерный для него недостаток скорости более чем компенсировался необычайной выносливостью. Как член Королевского колледжа, он часто пробегал кольцевой маршрут длиной 50 км от Кембриджа до Эли и обратно, а во время войны бегал из Лондона в Блетчли-парк или наоборот на встречи. В 1946 г. журнал Athletics назвал его победителем трехмильной гонки Уолтонского атлетического клуба; три мили (4,82 км) он пробежал за 15 минут 37,8 секунд – хорошее время. Он занимался и кроссовым бегом, и в следующем году пришел третьим в Кенте, в 20-мильном (32,18 км) дорожном забеге с результатом 2 часа 6 минут и 18 секунд – на 4 минуты больше, чем у победителя; затем он пришел пятым в марафонской гонке Атлетической любительской ассоциации Англии и Уэльса (AAA) с результатом 2 часа 46 минут и 3 секунды. Секретарь клуба записал: «Мы его скорее слышали, чем видели. Во время бега он издавал жуткие хрюкающие звуки, но, прежде чем мы успели ему что-то сказать, он промчался мимо нас как пуля». В 1948 г., когда Британия была хозяйкой Олимпийских игр, Тьюринг пришел пятым на отборочных состязаниях в британскую команду марафонцев. Время золотого медалиста Олимпиады было всего на 11 минут меньше личного рекорда Тьюринга.

После войны Тьюринг перебрался в Лондон, где занимался разработкой одного из первых компьютеров ACE (Automatic Computing Engine) в Национальной физической лаборатории. В начале 1946 г. он представил проект компьютера с хранимой в памяти программой – намного совершенней, чем представленный чуть раньше американским математиком Джоном фон Нейманом проект EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Реализация проекта ACE застопорилась из-за официального режима секретности, связанного с Блетчли-парком, поэтому Тьюринг вернулся на год в Кембридж и написал неопубликованную статью о машинном интеллекте – по следующей своей крупной теме. В 1948 г. он стал заместителем директора Лаборатории вычислительных машин в Университете Манчестера и занял должность, примерно соответствующую должности доцента. В 1950 г. он написал «Вычислительные машины и разум», где предложил ставший знаменитым тест Тьюринга для определения разумности машины; если коротко, для этого вы должны иметь возможность долго беседовать с машиной на любую тему по вашему желанию и при этом не понять, что общаетесь не с человеком (если, конечно, вы не видите собеседника). Этот тест, хотя и не лишенный противоречий, был первой серьезной попыткой продумать данный вопрос. Кроме того, Тьюринг начал работу над шахматной программой для гипотетической машины. Он пытался запускать ее на Ferranti Mark 1, но память этого компьютера была слишком мала, так что он имитировал работу программы вручную. Машина проигрывала. Но всего лишь 46 лет спустя компьютер Deep Blue фирмы IBM победил шахматного гроссмейстера Гарри Каспарова, а еще через год доработанная программа выиграла у него же матч со счетом 3½:2½. Тьюринг всего лишь обогнал свое время.

В период с 1952 по 1954 г. он обратился к математической биологии, в первую очередь к морфогенезу – формированию формы и закономерностей в строении растений и животных. Он изучал филлотаксис – замечательную склонность растений следовать в своем строении числам Фибоначчи 2, 3, 5, 8, 13 и т. д., где каждое следующее число является суммой двух предыдущих. Самым существенным его достижением в этой области стали дифференциальные уравнения, моделирующие формирование этой закономерности. Построено здесь все на идее о том, что химические вещества, условно названные морфогенами, закладывают в зародыше некую шифрованную «предструктуру», которая служит шаблоном для распределения красящего пигмента, появляющегося по ходу развития существа. Предструктура создается сочетанием химических реакций и процессов диффузии, при которых молекулы распространяются от клетки к клетке. Математика таких систем показывает, что они могут образовывать паттерны посредством механизма, известного как нарушение симметрии и вступающего в дело в том случае, если однородное состояние (все химические концентрации везде одинаковы) становится нестабильным. Тьюринг так объяснил этот эффект: «Если стержень подвешен в точке, которая располагается чуть выше его центра тяжести, он находится в состоянии устойчивого равновесия. Однако если мышь взбирается по стержню наверх, то в какой-то момент равновесие становится неустойчивым и стержень начинает раскачиваться». Раскачивающийся стержень находится в менее симметричном состоянии, чем стержень, висящий вертикально.

Однако биологи предпочли другой подход к вопросу роста и формирования зародыша, известный как позиционная информация. Здесь тело животного рассматривается как своего рода карта, а его ДНК работает как инструкция по изготовлению. Клетки развивающегося организма смотрят на карту и выясняют, где находятся, а затем смотрят в инструкцию и выясняют, что они должны делать в данной локации. Координаты на карте определяются по химическим градиентам: к примеру, концентрация некоего химического вещества может быть высокой в задней части животного и постепенно спадать по направлению к его передней части. «Измерив» эту концентрацию, клетка может определить, где находится. В поддержку теории позиционной информации выступают данные экспериментов с трансплантацией, в которых ткань растущего зародыша перемещается в другое место. К примеру, зародыш мыши начинает формировать своеобразную полосатую структуру, которая со временем превращается в пальцы на ее лапках. Пересадка части этой ткани позволяет лучше разобраться в химических сигналах, которые она получает от окружающих клеток. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с теорией позиционной информации и большинством специалистов интерпретируются как ее подтверждение.

Однако в декабре 2012 г. команда исследователей под руководством Рушикеша Шета провела серию более сложных экспериментов. Они показали, что на число пальцев, развивающихся на лапке мыши, влияет конкретный набор генов. Если действие этих генов снижается, у мыши вырастает больше пальцев, чем обычно, – как у человека иногда развивается шесть или семь пальцев вместо пяти. Результаты этих экспериментов не согласуются с теорией позиционной информации и химических градиентов, но вполне ложатся в теорию Тьюринга с его химическими реакциями и диффузией. В том же году группа под руководством Джереми Грина показала, что структура гребней во рту мыши контролируется процессом Тьюринга. Задействованные в этом процессе морфогены – Фактор роста фибробластов и Звуковой ёж, получивший название потому, что лабораторные плодовые мушки, у которых отсутствует мушиная версия этого морфогена, имеют на своих телах лишние щетинки.

Тьюринг был геем, а в 1952 г., когда он завязал отношения с 19-летним безработным по имени Арнольд Мюррей, активная гомосексуальность была вне закона. Кто-то из знакомых Мюррея ограбил дом Тьюринга, и в результате полицейского расследования вскрылась гомосексуальная связь между ними. Тьюринга и Мюррея обвинили в грубом нарушении общественных приличий. По совету адвоката Тьюринг признал свою вину, в результате чего Мюррей был условно освобожден от ответственности. Тьюрингу был предложен выбор между тюрьмой и испытательным сроком в сочетании с гормональной терапией синтетическим эстрогеном. Племянник Тьюринга юрист Дермот Тьюринг в книге «Проф: Алан Тьюринг расшифрован» утверждает, что приговор был «вынесен с процедурными нарушениями, частично незаконен и неэффективен». В частности, с другими нарушителями того же закона, оказавшимися под судом в одно время с Тьюрингом, обошлись более мягко, а человек, связь с которым, собственно, и вменялась в вину Тьюрингу, фактически вообще ушел от наказания. Тьюринг выбрал испытательный срок и гормональную терапию, пророчески сказав при этом: «Несомненно, я выйду из всего этого другим человеком, но кем именно, я пока не выяснил». Он оказался прав. Он стал импотентом, и у него выросла грудь.

Судя по всему, суровость приговора объясняется паникой, царившей тогда в официальных кругах. Не так давно выяснилось, что Гай Берджесс и Дональд Маклин были агентами КГБ, и это открытие резко обострило страхи, связанные с тем, что агенты Советов могут вербовать гомосексуалистов, угрожая им разоблачением. Управление правительственной связи (Government Communications Headquarters, GCHQ), образованное из GC&CS, поспешило лишить Тьюринга допуска к секретным материалам, а Соединенные Штаты отказали ему во въезде. В результате Алан Тьюринг – человек, математический гений которого помог завершить Вторую мировую войну раньше, и не на один год (за это он был награжден орденом Британской империи и заслуживал рыцарского звания), – стал персоной нон грата по обе стороны Атлантики.

В июне 1954 г. экономка Тьюринга обнаружила его мертвым. При вскрытии выяснилось, что причиной смерти стало отравление цианидом. Рядом лежало недоеденное яблоко, и следствие решило, что оно и было источником цианида, хотя – как ни странно – экспертиза не проводилась. Вердикт коронера гласил: самоубийство. Судя по всему, другая возможность даже не рассматривалась – а она была. Тьюринг мог вдохнуть пары цианида, образовавшиеся в ходе гальванического эксперимента, который он проводил в свободной комнате. Он обычно съедал яблоко перед сном и нередко оставлял его недоеденным. Никаких признаков депрессии из-за гормонального лечения у него не было, к тому же он только что составил список дел, которые ему нужно будет сделать в офисе после праздников. Так что его смерть вполне могла быть случайной.

В 2009 г., после кампании в интернете, премьер-министр Гордон Браун принес публичные извинения за «ужасающее» обращение с Тьюрингом. Продолжение кампании привело к тому, что в 2013 г. королева Елизавета II посмертно его помиловала. В 2016 г. британское правительство объявило, что все гомо- и бисексуальные мужчины, осужденные по отмененным статьям за сексуальные преступления, будут помилованы во исполнение парламентского акта, неофициально известного как «Закон Тьюринга». Однако некоторые из протестующих продолжают настаивать на извинениях, а не на помиловании, на том основании, что помилование подразумевает совершенное преступление.

Из-за потрясений, вызванных Второй мировой войной, вступительные экзамены в два известнейших образовательных учреждения Парижа – Высшую нормальную школу и Политехническую школу – были отложены на полгода. Экзамены продолжались месяц и были чрезвычайно сложными, но молодой Бенуа Мандельброт справился с ними. Один из преподавателей вскоре обнаружил, что из всех кандидатов лишь один сумел ответить на особенно сложный математический вопрос. Он сразу предположил, что это был Мандельброт, и, спросив у него, убедился в своей правоте. Преподаватель признался, что ему самому задача оказалась не по зубам из-за «поистине ужасного тройного интеграла», на котором был основан расчет.

Мандельброт рассмеялся. «Это очень просто». Он объяснил, что на самом деле тот интеграл представлял собой слегка замаскированный объем шара. Если воспользоваться подходящей системой отсчета, все очевидно. А формулу для объема шара знают все. Вот и вся задача. Стоит понять, в чем фокус… Мандельброт, очевидно, был прав. Шокированный преподаватель ушел, бормоча себе под нос: «Ну конечно же, все очевидно». Почему он сам этого не заметил?

Потому что мыслил символьно, а не геометрически.

Мандельброт был прирожденным геометром и обладал мощной зрительной интуицией. После трудного детства (как еврей в оккупированной Франции он подвергался постоянной опасности быть арестованным нацистами и имел все шансы закончить жизнь в лагере смерти) Мандельброт сделал необычную, но весьма и весьма творческую математическую карьеру, основную часть которой он работал научным сотрудником лаборатории IBM им. Томаса Уотсона в Йорктаун-Хайтс (штат Нью-Йорк). Там он написал серию статей на самые разные темы, от частотности слов в языках до уровней паводков на реках. Затем, в приступе вдохновения, объединил массу этих разнообразных и забавных исследований в единую геометрическую концепцию – концепцию фрактала.

Традиционные в математике фигуры, такие как шар, конус или цилиндр, имеют очень простую форму. Чем ближе вы их разглядываете, тем более гладкими и плоскими они кажутся. Общий вид исчезает, а то, что остается, больше всего похоже на абсолютно однообразную равнину. Фракталы выглядят иначе, они имеют детальную структуру на любом масштабе увеличения. Он бесконечно извилист. «Облака не шары, – писал Мандельброт, – горы не конусы, береговая линия не состоит из окружностей, а кора не гладкая, да и молния движется не по прямой». Фракталы отражают те аспекты реальности, которые остаются за рамками традиционных структур математической физики. Их появление привело к фундаментальным изменениям в том, как ученые моделируют реальный мир, с конкретными приложениями в физике, астрономии, биологии, геологии, лингвистике, глобальных финансах и многих других областях. Кроме того, у фракталов имеются глубокие чисто математические особенности и прочные связи с хаотической динамикой.

Фракталы – одна из нескольких областей математики, которые, не будучи совсем уж новыми, начали бурно развиваться во второй половине XX в. и изменили взаимоотношения между математикой и ее приложениями, предложив новые методы и подходы. Корни фрактальной геометрии восходят к поиску логической строгости в математическом анализе; поиск этот привел около 1900 г. к открытию разнообразных «патологических кривых», основным назначением которых было показать, что наивные интуитивные аргументы могут быть обманчивыми. К примеру, Гильберт определил кривую, которая проходит через все без исключения точки внутри квадрата – проходит не просто вблизи от них, но строго через каждую точку. Эта кривая называется заполняющей, по очевидным причинам, и предупреждает нас об осторожности при работе с понятием измерения. Непрерывное преобразование способно увеличить размерность пространства, в данном случае с 1 до 2. Другие примеры – «снежинка» Хельге фон Коха, которая имеет бесконечную длину, но при этом ограничивает собой конечную площадь, и ковер Вацлава Серпинского – кривая, пересекающая саму себя в каждой точке.

Однако эти ранние работы остались почти незамеченными за пределами специальных сообществ и рассматривались в основном как диковинки. Чтобы некоторая предметная область «родилась», кто-то должен собрать отдельные кусочки вместе, осознать их фундаментальное единство, сформулировать требуемые понятия с достаточным обобщением – а затем выйти и «продать» свои идеи миру. У Мандельброта, которого ни в коем случае нельзя назвать математиком в традиционном смысле, хватило проницательности и упорства сделать именно это.

Бенуа родился в литовской семье ученых-евреев в Варшаве в период между двумя мировыми войнами. Его мать Белла (урожденная Лурье) была стоматологом. Отец Карл Мандельброт, не имевший формального образования, шил и продавал одежду, но в основном родственники с его стороны семьи на протяжении нескольких поколений были учеными, так что Бенуа воспитывался в академической традиции. У Карла был младший брат Шолем, позже ставший видным математиком. Мать, потерявшая в результате эпидемии одного ребенка, несколько лет не отдавала Бенуа в школу, чтобы уберечь от инфекции. Его учил дома дядя Лотерман, но учителем он был неважным. Бенуа научился играть в шахматы, он слушал много классической музыки и всевозможных историй, но больше почти ничем не занимался. Он не выучил ни алфавит, ни таблицу умножения. При этом, однако, развил в себе способность к визуальному мышлению. И в шахматах его ходы диктовались скорее рисунком игры – расположением фигур на доске, нежели какой-то стратегией. Бенуа обожал географические карты – это пристрастие он унаследовал, вероятно, от отца, заядлого коллекционера карт. Картами были увешаны все стены в его доме. Кроме того, он читал все, что только попадало ему в руки.

В 1936 г. Мандельброты покинули Польшу и стали экономическими и политическими эмигрантами. Мать больше не могла работать в медицине, бизнес отца рухнул. Семья переехала в Париж, где жила сестра отца. Позже Мандельброт расплатился с ними: он спас им жизнь и помог справиться с депрессией.

Шолем Мандельброт тем временем продвигался все выше в математическом мире, и, когда Бенуа было пять лет, его дядя стал профессором Университета Клермон-Феррана. Еще через восемь лет он занял должность профессора математики в Коллеж-де-Франс в Париже. Впечатленный его успехом, Мандельброт и сам начал подумывать о карьере математика, хотя его отец неодобрительно относился к столь непрактичному занятию в качестве профессии.

Когда Мандельброт был подростком, дядя Шолем взялся за его образование. Бенуа поступил в парижский лицей Ролан. Но оккупированная Франция представляла собой не слишком удачное место (и время) жительства для еврея, и детство Бенуа было отмечено бедностью и постоянной угрозой насилия и смерти. В 1940 г. семья вновь бежала, на этот раз в крохотный городок Тюль на юге Франции, где у его дяди был загородный дом. Затем нацисты оккупировали и южную Францию, и следующие полтора года Мандельброт провел в бегах. Он описывал этот период своей жизни следующим невыразительным образом:

Барби был гауптштурмфюрером СС, вызывавших ужас, и членом небезызвестного гестапо (тайной полиции). Его прозвали «лионским мясником» за то, что он лично пытал французских пленных. После войны Барби бежал в Боливию, но в 1983 г. был выдан во Францию и посажен в тюрьму за преступления против человечности.

В 1944 г. в Лионе Мандельброт, изучая математику, обнаружил, что обладает высококлассной зрительной интуицией. Когда преподаватель ставил перед студентами какую-нибудь сложную задачу в символьной форме – к примеру, давал уравнение, – Мандельброт сразу же преобразовывал его в геометрическую форму, которая помогала найти более простое решение. Его приняли в Высшую нормальную школу в Париже, где он должен был изучать математику. Однако принятый там математический стиль был очень близок тому, чем занималась школа Бурбаки, – этот абстрактный и обобщенный стиль был сосредоточен на теоретической математике. Его дядя придерживался аналогичной математической философии и даже входил поначалу в группу Бурбаки – до того как она начала систематический пересмотр математики по строгим абстрактным канонам. Такой формальный стиль математического мышления, без картинок и конкретных приложений, не привлекал Мандельброта. После нескольких дней в Нормальной школе он решил, что попал не туда, и ушел. Вместо этого он поступил в более практически ориентированную Политехническую школу (вступительные экзамены туда он уже сдал, параллельно с экзаменами в Нормальную школу). Здесь у него было гораздо больше свободы для изучения различных дисциплин.

Дядя продолжал подталкивать Бенуа к более абстрактной математике; он предложил ему выбрать для диссертации на докторскую степень тему, связанную с опубликованной в 1917 г. работой Гастона Жюлиа по комплексным функциям. Это предложение Бенуа не понравилось. Позже, принимая премию Вольфа, Мандельброт писал:

Однажды Мандельброт, все еще искавший тему, попросил у Шолема что-нибудь, что можно почитать в метро. Дядя вспомнил какую-то статью, только что выброшенную в мусорную корзинку, и выудил ее оттуда, сказав: «Это безумие, но ты любишь безумные штучки». Статья представляла собой обзор книги лингвиста Георга Ципфа о некотором статистическом свойстве, общем для всех языков. Никто, кажется, не понимал, о чем она, но Мандельброт мгновенно решил, что должен объяснить это свойство, которое сегодня называется законом Ципфа. И кое-что ему действительно удалось сделать, как мы скоро увидим.

С 1945 по 1947 г. Мандельброт учился под руководством Поля Леви и Гастона Жюлиа в Политехнической школе, а затем поехал в Калифорнийский технологический институт и получил магистерскую степень по аэронавтике. После этого он вернулся во Францию и в 1952 г. получил докторскую степень. Кроме того, Мандельброт работал в Национальном центре научных исследований. Он провел год в Институте высших исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси) под эгидой Джона фон Неймана. В 1955 г. Мандельброт женился на Альетте Каган и переехал в Женеву. После нескольких посещений США в 1958 г. Мандельброты переехали туда на постоянное жительство, и Бенуа стал работать исследователем в IBM в Йорктаун-Хайтс. Он работал в этой компании 35 лет, став сначала членом, а потом и почетным членом IBM. Мандельброт получил множество наград, включая орден Почетного легиона (1989 г.), премию Вольфа (1993 г.) и премию Японии (2003 г.). Среди его книг – «Фракталы: Форма, случай и измерение» (Fractals: Form, Chance, and Dimension, 1977) и «Фрактальная геометрия природы» (The Fractal Geometry of Nature, 1982).

Бенуа Мандельброт умер от рака в 2010 г.

Работа над законом Ципфа стала образцом для всей дальнейшей деятельности Мандельброта, которая долгое время казалась серией никак на первый взгляд не связанных между собой исследований странных статистических закономерностей; казалось, он порхал, как бабочка, перелетая с одного фантастического цветка на другой. И только когда он попал в IBM, все это начало сливаться воедино и обретать смысл.

Закон Ципфа привел его к простой, но полезной (и недооцененной) идее в статистике – идее степенной зависимости. В американском английском тремя самыми употребляемыми словами являются:

Закон Ципфа гласит, что частота употребления n-го слова (в ряду, упорядоченном по частоте употребления) равна частоте первого слова в этом ряду, деленной на n. Здесь 7/2 = 3,5 и 7/3 = 2,3. Последнее значение ниже наблюдаемого, но это нестрогий закон, он всего лишь позволяет количественно оценить общую тенденцию. Здесь частота n-го слова в рейтинге пропорциональна 1/n, что можно записать как n^–1. Другие примеры демонстрируют аналогичные закономерности, но со степенью, не равной –1. К примеру, в 1913 г. Феликс Ауэрбах заметил, что распределение городов по размеру следует аналогичному закону, но со степенью n^–1,07. В общем случае, если n-я в рейтинге величина встречается с частотой, пропорциональной n^c, для некоторой постоянной c, то мы говорим о законе c-й степени.

Классическая статистика обращает мало внимания на распределения, подчиняющиеся степенному закону, и сосредоточивается в основном на нормальном распределении (знаменитой колоколовидной кривой); причин тому немало, и некоторые из них вполне резонны. Но природа зачастую пользуется не нормальным, а степенным распределением. Законы вроде закона Ципфа применимы к населению городов, числу зрителей у тех или иных наборов телепрограмм и даже к заработкам людей. Причины этого до сих пор не до конца ясны, но Мандельброт в своей диссертации сделал первые шаги к пониманию, а Вэньтянь Ли предложил статистическое объяснение: в языке, где каждая буква алфавита (плюс пробел для разделения слов) встречается в тексте с одинаковой частотой, распределение слов по частоте встречаемости подчиняется некоторому приближению к закону Ципфа. Витольд Белевич доказал, что этот принцип выполняется для множества различных статистических распределений. Собственное объяснение Ципфа состояло в том, что языки развиваются со временем так, чтобы обеспечить оптимальное понимание при минимальных усилиях (говорения и слушания), и степень –1 появляется именно поэтому.

Мандельброт публиковал статьи о распределении богатства, фондовом рынке, термодинамике, психолингвистике, длине береговых линий, турбулентности жидкости, популяционной демографии, структуре Вселенной, площади островов, статистике речных сетей, фильтровании, полимерах, броуновском движении, геофизике, случайном звуке и по другим разрозненным темам. Все это выглядело немного бессвязным. Но в 1975 г. все соединилось в одной вспышке озарения: в основе почти всех его работ лежала одна общая тема. И тема эта была геометрической.

Геометрия природных процессов не часто следует стандартным математическим моделям, в ней редко встречаются шары, конусы, цилиндры и другие гладкие поверхности. Горы изобилуют трещинами, уступами и имеют неправильную форму. Облака пушисты, в них есть вспучивания и волокнистые структуры. Деревья последовательно ветвятся, переходя от ствола к сучьям и веткам. Ветви кустов часто выглядят как множество маленьких веточек, связанных вместе противолежащими парами. Сажа под микроскопом выглядит как множество крохотных частиц с промежутками между ними. Они очень далеки от гладкой округлости шара. Природа избегает прямых линий и не слишком увлекается положениями из Евклида и текстов по математическому анализу. Мандельброт пустил в обращение название для подобных структур: фракталы. Он энергично и с большим энтузиазмом продвигал использование фракталов в науке, при моделировании многих нерегулярных природных структур.

Ключевое слово здесь «моделирование». Возможно, Земля представляется нам примерно шарообразной – эллипсоидной, если вы хотите более точного описания, – и такое представление немало помогло физикам и астрономам разобраться в таких вещах, как приливы и наклонение земной оси, но математические объекты – это лишь модели, а не сама реальность. Они отражают некоторые черты природного мира в идеализированном виде – достаточно простом, чтобы человеческий мозг способен был его анализировать. Но поверхность Земли далека от идеала: карта – не реальная местность и не должна ею быть. Карту Австралии можно сложить и положить в карман, откуда при необходимости всегда можно извлечь, но с самой Австралией невозможно проделать подобный трюк. Карта должна быть гораздо компактней территории, которую она изображает, но при этом давать об этой территории полезную информацию. Математическая сфера всегда идеально гладкая, сколько ее ни увеличивай, но реальность на атомном уровне рассыпается на квантовые частицы. Однако это не относится к гравитационному полю планеты, поэтому в данном контексте это можно и нужно игнорировать. Воду можно с успехом моделировать как бесконечно делимую среду, хотя настоящая вода становится дискретной, когда вы переходите на молекулярный уровень.

То же с фракталами. Математический фрактал не просто случайная фигура. Он имеет детальную структуру на всех масштабах увеличения. Часто – одинаковую структуру на всех масштабах. Такие формы называют самоподобными. Во фрактальной модели куста каждая ветвь состоит из меньших ветвей, которые, в свою очередь, состоят из еще более мелких ветвей, и этот процесс не имеет конца. В настоящих кустах он останавливается в лучшем случае через четыре-пять шагов. Тем не менее фрактал, как модель, лучше, чем, скажем, треугольник. Точно так же, как эллипсоид в качестве модели Земли может быть лучше, чем шар.

Мандельброт прекрасно сознавал, какую видную роль в предыстории фракталов сыграли польские математики и тот весьма абстрактный подход к анализу, геометрии и топологии, развиваемый и продвигаемый небольшим кружком математиков, многие из которых регулярно встречались в Шотландском кафе во Львове. В этот кружок входили основатель функционального анализа Стефан Банах и Станислав Улам, принимавший активное участие в Манхэттенском проекте создания атомной бомбы и предложивший, собственно, основную идею водородной бомбы. Их единомышленником являлся и Вацлав Серпинский из Варшавского университета, придумавший фигуру, которая была «одновременно канторианской и жорданианской и каждая точка которой была точкой ветвления». То есть непрерывную кривую, которая пересекает саму себя в каждой точке.

Позже Мандельброт в шутку назвал эту фигуру прокладкой из-за сходства с дырчатой прокладкой, которая устанавливается в автомобиле между головкой блока цилиндров и двигателем[31]. Вспомним, что ковер Серпинского – представитель небольшой группы примеров, возникших в начале XX в. и известных как патологические кривые, хотя в природе, да и в математике они вовсе не патологичны – просто математикам того времени казались очень уж странными. Структуры, подобные ковру Серпинского, можно обнаружить на раковинах морских моллюсков. Так или иначе эту фигуру можно построить при помощи пошаговой процедуры на основе равностороннего треугольника. Для этого следует разделить его на четыре конгруэнтных равносторонних треугольника вполовину меньшего размера. Затем центральный треугольник – перевернутый – следует вырезать. После этого повторяем весь процесс в отношении каждого из трех оставшихся треугольников, и так до бесконечности. Ковер – это то, что получится, когда мы вырежем все перевернутые треугольники, но не их границы.

В настоящее время они считаются ранними фракталами. Мандельброт вдохновлялся ими:

Мой дядя уехал во Францию в возрасте лет примерно двадцати, этим беглецом двигала идея не политическая и не экономическая, а чисто интеллектуальная. Его отталкивала «польская математика», которую тогда Вацлав Серпинский (1882–1969) строил как воинствующе абстрактную область. По глубокой иронии, чьим работам суждено было стать для меня изобильными охотничьими угодьями, когда много позже я искал инструменты для построения фрактальной геометрии? Серпинского! Убегая от идеологии [Серпинского], мой дядя присоединился к наследникам Пуанкаре, правившим в Париже в 1920-е гг. Мои родители были не идеологическими, но экономическими и политическими беженцами; то, что они поехали к моему дяде в Париж, спасло всем нам жизнь. Я никогда не встречался с Серпинским, но его (невольное) влияние на мою семью невозможно ни с чем сравнить[32].

Немногие математики-теоретики, которые интересовались такими понятиями, обнаружили, что степень шероховатости фрактала можно охарактеризовать числом; они назвали это число «размерностью» фрактала, поскольку оно согласуется с обычной размерностью для стандартных геометрических фигур вроде прямой, заполненного квадрата или куба, размерности которых составляют 1, 2 и 3 соответственно. Однако размерность фрактала не обязательно должна выражаться целым числом, так что интерпретация размерности как «числа независимых направлений» уже неприменима. Теперь важно, как фигура ведет себя при увеличении.

Если сделать отрезок прямой вдвое больше, его длина увеличится в 2 раза. Удвоение квадрата увеличит его площадь в 4 раза, а удвоение куба увеличит его объем в 8 раз. Эти числа – 2¹, 2² и 2³, то есть 2 в степени, соответствующей размерности фигуры. Если «ковер» увеличить вдвое, его можно разделить на три копии оригинала. Так что 2 в степени, равной размерности фигуры, должно равняться 3. Следовательно, размерность составляет ln 3/ln 2, то есть приблизительно 1,585. Более общее определение, не ограниченное самоподобными фракталами, называется размерностью Хаусдорфа – Бесиковича, а более практичный вариант – размерностью Минковского (рассчитывается путем подсчета клеток на чертеже). Размерность фрактала полезна в приложениях и представляет собой один из способов проверить фрактальную модель экспериментально. Таким образом, к примеру, удалось показать, что облака хорошо моделируются фракталами, причем размерность фотоизображения (с проекцией на плоскость проще работать, на ней проще проводить измерения) составляет примерно 1,35.

* * *

Вот еще пример иронии судьбы, который прекрасно иллюстрирует опасность поспешных и категоричных оценок в математике. В 1980 г. Мандельброт, занимаясь поисками новых приложений фрактальной геометрии, вновь взглянул на статью Жюлиа 1917 г. – ту самую, которую в свое время рекомендовал ему дядя и которую он отверг как слишком абстрактную. В ней Жюлиа и еще один математик, Пьер Фату, анализировали странное поведение комплексных функций в итерационном процессе. То есть берем некоторое число, применяем к нему функцию, получаем следующее число, применяем к нему функцию, получаем третье число и так далее, до бесконечности. Авторы сосредоточились на простейшем нетривиальном случае квадратных функций вида f(z) = z² + c для комплексной постоянной c. Поведение данной схемы зависит от c сложным образом[33]. Жюлиа и Фату доказали несколько глубоких и трудных теорем о данном конкретном итерационном процессе, но все в символьном виде. Мандельброт же заинтересовался тем, как выглядит эта функция графически.

Расчеты оказались слишком длинными и сложными, чтобы проводить их вручную, вероятно, именно поэтому Жюлиа и Фату в свое время не исследовали геометрию процесса. Но теперь компьютеры уже начинали обретать реальную мощь, к тому же Мандельброт работал не где-нибудь, а в IBM. Так что он написал соответствующую программу для компьютера и распечатал картинку. Она получилась грязной (у принтера заканчивались чернила) и грубой, но принесла удивительное открытие. Сложная динамика Жюлиа и Фату управляется одним-единственным геометрическим объектом, и этот объект – или, точнее, его граница – является фракталом. Размерность границы равна 2, так что этот фрактал «почти заполняющий». Мы сегодня называем его множеством Мандельброта – это название предложил Адриан Дуади. Как всегда, выяснилось, что открывали его (или проходили совсем рядом) не раз; в частности, Роберт Брукс и Питер Мателски нарисовали это же множество в 1978 г. Множество Мандельброта дает сложный и красивый компьютерный рисунок и одновременно является объектом интенсивных математических исследований, принесших их авторам по крайней мере две Филдсовские медали.

Так что та самая абстрактная статья, посвященная теоретической математике, которую Мандельброт первоначально отверг, содержала, как оказалось, идею, ставшую центральной для теории фракталов – а ведь Мандельброт увлекся этой темой именно потому, что она была далека от абстракции и тесно связана с природой. Математика едина, в ней все переплетено, а абстрактное и конкретное тесно связано тонкими нитями логики. Ни одна из этих философий не может взять верх, а крупнейшие прорывы часто являются результатом использования того и другого одновременно.

Математики ничто так не любят, как поговорить с другими математиками: об их работе, в надежде уловить какую-нибудь новую идею, которая поможет разобраться с собственной текущей задачей; о новом тайском ресторанчике, который открылся на краю кампуса; о семье и общих друзьях. Как правило, они делают это, сидя небольшими группами за столиками и попивая кофе. Как однажды сказал Альфред Реньи, «математик – это машина по переработке кофе в теоремы». У него получился каламбур, поскольку слово Satz по-немецки означает и «теорема», и «(кофейная) гуща».

Такие неформальные дискуссии часто возникают и в более формальном контексте – на семинарах (это формальные лекции для специалистов), коллоквиумах (менее формальные лекции, предназначенные официально для профессионалов или студентов, в том числе работающих в других областях, хотя иногда различить их нелегко), мастерских (небольших специализированных конференциях), «песочницах» (они еще меньше и еще менее формальны) или конференциях (крупных и, возможно, более широких по охвату мероприятиях). В декабре 1971 г. Университет Калифорнии в Беркли принимал у себя семинар по динамическим системам. Системы эти тогда привлекли горячий интерес, поскольку Стивен Смейл и Владимир Арнольд с коллегами и студентами в Беркли и Москве продолжили исследования с того места, где их оставил Пуанкаре после открытия хаоса; исследователи разрабатывали новые топологические методы, позволявшие разобраться с нерешаемыми на первый взгляд старыми задачами. Динамическая система – это все, что развивается во времени по конкретным неслучайным правилам. Правилами для непрерывной динамической системы служат дифференциальные уравнения, определяющие состояние системы на крохотное мгновение вперед в зависимости от ее текущего состояния. Существует аналогичное понятие дискретной динамической системы, в которой время тикает дискретными мгновениями, 1, 2, 3, … Докладчик представил новое решение задачи, которое сводилось к тому, чтобы рассматривать лишь конечное число точек на плоскости. Он объяснил ключевой прием: как сдвинуть любое заданное число точек в новое положение, не слишком далекое от исходного, так, чтобы они не разошлись слишком далеко ни на каком этапе движения. (При этом следует выполнить еще кое-какие условия.) Эту теорему несложно было доказать для пространств трех и более измерений, но теперь, как утверждалось, было найдено доказательство для двух измерений, которое до этого искали долго и безуспешно. Из этого следовало множество интересных результатов в динамике.

В задних рядах сидел скромный молодой человек, недавний студент, похожий на хиппи, с густой бородой и длинными волосами. Он встал и довольно робко сказал: ему не кажется, что представленное доказательство неверно. Подойдя к доске, он нарисовал две картинки, на каждой из которых показал семь точек на плоскости, и начал применять методы, описанные в лекции, стремясь передвинуть точки из первой конфигурации в положение второй. Он нарисовал траектории, по которым точки должны были при этом двигаться, и они начали мешать друг другу, заставляя следующую траекторию удлиняться, чтобы обойти препятствие, и тем самым создавать еще более протяженное препятствие. По мере того как траектории на доске отрастали вновь и вновь, как головы мифической гидры, участникам становилось ясно, что студент прав. Присутствовавший в зале Деннис Салливан писал: «Я никогда не видел, чтобы такое понимание и такое творческое построение контраргумента достигались так быстро. Это лишь усилило мое изумление перед явной сложностью появившейся перед нами геометрии».

Этим студентом был Уильям Тёрстон – Билл для друзей и коллег. О нем ходят десятки похожих историй. У него было природное чутье на геометрию, особенно когда она становилась по-настоящему сложной. Развивающаяся в то время геометрия многих измерений – четырех, пяти, шести, да любого их количества, – давала широкий простор для проявления его поразительной способности переводить формальные задачи в зрительную форму и затем решать их. Он умел видеть за внешней сложностью простые фундаментальные принципы и раскрывать их. Он стал одним из ведущих топологов своего поколения и решил множество задач; кроме того, он предложил несколько собственных ключевых гипотез, устоявших даже перед его чудесным талантом. Билл Тёрстон – поистине значимая фигура современной теоретической математики, которая может служить достойным представителем этого экзотического вида.

По иронии судьбы у Тёрстона было плохое зрение. У него было врожденное косоглазие, и он не мог сфокусировать оба глаза на одном и том же близком объекте. Это мешало ему воспринимать глубину, так что он с трудом представлял форму трехмерной фигуры по ее двумерному изображению. Его мать Маргарет (урожденная Мартт) была искусной швеей и умела создавать узоры настолько сложные, что ни Тёрстон, ни его отец Пол не могли в них разобраться. Пол работал инженером-физиком в Bell Labs и любил создавать всевозможные гаджеты собственными руками. А однажды даже в собственных руках: он показал маленькому Биллу, как вскипятить воду голыми руками. (Воспользуйтесь вакуумным насосом, чтобы понизить температуру кипения воды и сделать ее чуть выше комнатной; затем суньте руки в воду, чтобы ее согреть.) Пытаясь побороть косоглазие Билла, Маргарет, когда Биллу было два года, часами рассматривала вместе с ним книги, полные цветных орнаментов. Вероятно, и любовь Тёрстона к узорам, и его мастерство уходят корнями в те ранние годы.

В раннем возрасте Билл Тёрстон получил необычное образование. Нью-Колледж во Флориде принимал небольшое число учащихся, отобранных за выдающиеся способности, и почти никак не ограничивал ни их занятия, ни даже место жительства. Иногда Тёрстон по несколько дней жил в палатке в лесу; иногда, обманув охранника, ночевал в здании школы. Через полтора года школа едва не закрылась, когда половина ее учителей одновременно решила уволиться. Его дни в Университете в Беркли текли несколько более организованно, но время тогда само по себе было бурным: студенты активно протестовали против войны во Вьетнаме. Тёрстон стал членом комитета, который пытался убедить математиков не принимать финансирование от военных. К тому моменту он был женат на Рэчел Файндли, у них родился первенец. Ребенок, как говорила Рэчел, был рожден отчасти для того, чтобы Тёрстона не призвали в армию. Роды начались в день, когда Тёрстон должен был защищать диссертацию на докторскую степень, и его выступление получилось несколько сумбурным – однако, как всегда, оригинальным. Темой его диссертации стали некоторые особые задачи по популярной на тот момент теме расслоений, при которых многомерное пространство (или многообразие) разбивается на плотно прилегающие друг к другу «листы», как книга разделяется на листы, но с меньшей регулярностью их расположения. Эта тема связана с топологическим подходом к динамическим системам. В диссертации содержится несколько важных результатов, но она так и не была опубликована. Расслоения стали для Тёрстона первой серьезной темой исследования, и он продолжил работу над ними в Институте высших исследований в Принстоне в 1972–1973 гг. и в Массачусетском технологическом в 1973–1974 гг. Мало того, он решил так много фундаментальных задач этой области, что в конечном итоге, с точки зрения других математиков, он, по существу, закрыл тему.

В 1974 г. Тёрстон стал профессором Принстонского университета (не путать с Институтом высших исследований, в котором не учат студентов). Несколько лет спустя фокус его исследований переместился в одну из самых сложных областей топологии – к исследованию трехмерных многообразий. Эти пространства аналогичны поверхностям, но имеют одно дополнительное измерение. Их исследование начал более 100 лет назад Пуанкаре (глава 18), но, пока в дело не вступил Тёрстон, они ставили всех в тупик. Топология многообразий высоких размерностей достаточно любопытна. Простейшие размерности – один (это тривиально) и два (это поверхности, и решается все классически). Следующими по простоте оказались размерности пять и выше – в основном потому, что в пространствах высоких размерностей хватает простора для сложных маневров. Но даже в этом случае задачи сложны. Еще сложнее четырехмерные многообразия, а самые сложные – трехмерные многообразия; места в них достаточно для громадной сложности, но не хватает для упрощения сколько-нибудь простым и понятным способом.

Стандартный способ построения n-мерного многообразия – взять небольшие кусочки n-мерного пространства и сформулировать правила, по которым их надлежит склеивать. Концептуально, а не на самом деле. В главе 18 мы видели, как работает этот подход для поверхностей и трехмерных многообразий. Мы также встречали уже фундаментальный вопрос топологии трехмерных многообразий – гипотезу Пуанкаре. В ней трехмерная сфера характеризуется при помощи простого топологического свойства: любые петли на ней без помех сжимаются в точку. Стандартный способ подвести слушателей к подобному вопросу состоит в том, чтобы обобщить его на аналоги с бо́льшим числом измерений. Иногда более общий вопрос оказывается и более простым; тогда вы заодно получаете и решение частного случая, с которого все началось. Первоначально прогресс выглядел обнадеживающе. В 1961 г. Стивен Смейл доказал гипотезу Пуанкаре для всех размерностей, больших или равных 7. Затем Джон Столлингс разобрался с размерностью 6, а Кристофер Зееман – с размерностью 5. Их методы не сработали для размерностей 3 и 4, и топологи начали задумываться: не может ли оказаться, что эти размерности ведут себя иначе? Затем, в 1982 г., Майкл Фридман нашел чрезвычайно сложное доказательство четырехмерной гипотезы Пуанкаре с использованием радикально иных методов. На этом этапе гипотеза Пуанкаре оказалась доказана для всех размерностей, за исключением лишь одной, к которой изначально относился заданный Пуанкаре вопрос. Но методы топологов не пролили никакого света на этот последний оставшийся случай.

И тут на сцене появляется Тёрстон и переворачивает ситуацию с ног на голову.

Топология – это геометрия резинового листа, и вопрос Пуанкаре был топологическим. Естественно, все пытались искать ответ на него топологическими методами. Тёрстон же выбросил пресловутый резиновый лист и подумал: а не геометрической ли на самом деле является эта задача? Он не решил ее, но через несколько лет его идеи вдохновили молодого российского математика Григория Перельмана на ее решение.

Вспомним (глава 11), что существует три вида геометрии: Евклидова, эллиптическая и гиперболическая. Это геометрии пространств с нулевой, постоянной положительной и постоянной отрицательной кривизной соответственно. Тёрстон начал с любопытного факта, который кажется почти случайным. Он заново вспомнил классификацию поверхностей – сфера, тор, 2-тор, 3-тор и т. д., как в главе 18, – и задался вопросом: какие типы геометрии здесь встречаются? Сфера имеет постоянную положительную кривизну, так что ее естественная геометрия – эллиптическая. Одна из реализаций тора – плоский тор – представляет собой квадрат, противоположные стороны которого отождествляются. Квадрат – плоский объект на плоскости, так что его естественная геометрия – Евклидова, а правила склеивания придают плоскому тору тот же самый тип геометрии, каким обладает квадрат. Наконец, хотя это и не так очевидно, естественной геометрией любого тора с двумя или более отверстиями является гиперболическая геометрия. Как-то так получается, что гибкая топология поверхностей сводится к жесткой геометрии – и при этом возникает все три возможных варианта.

Разумеется, поверхности – особый случай, но Тёрстон заинтересовался: не происходит ли чего-то подобного и с трехмерными многообразиями? Поразительная геометрическая интуиция помогла ему быстро понять, что ситуация не может быть настолько простой. Некоторые трехмерные многообразия, такие как плоский тор, являются Евклидовыми. Другие, такие как 3-сфера, – эллиптическими. Есть и гиперболические. Но большинство трехмерных многообразий не относится ни к первым, ни ко вторым, ни к третьим. Тёрстон, не утратив присутствия духа, попытался разобраться почему и обнаружил две причины. Во-первых, для трехмерных многообразий существует восемь разумных геометрий. Одна из них, к примеру, аналогична цилиндру: плоская в одних направлениях и положительно искривленная в других. Второе препятствие более серьезно: многие 3-многообразия до сих пор не изучены. Однако работающий метод, по всей видимости, представлял собой своего рода эффект мозаики. Любое 3-многообразие, судя по всему, строится из кусочков, каждый из которых характеризуется естественной геометрией одного из уже упомянутых восьми возможных типов. Более того, кусочки должны быть не какими попало: их можно выбрать так, чтобы они стыковались между собой строго определенным образом. Эти идеи заставили Тёрстона в 1982 г. озвучить свою гипотезу геометризации: любое трехмерное пространство может быть разрезано единственным, по существу, образом на куски, каждый из которых обладает естественной геометрической структурой, задаваемой одной из восьми его геометрий. Гипотеза Пуанкаре для 3-многообразий – простое следствие из этой гипотезы. Но дальше дело застопорилось. Математический институт Клэя назвал гипотезу Пуанкаре одной из задач, за решение которых была объявлена Премия тысячелетия: за ее доказательство полагался приз в $1 млн.

В 2002 г. Перельман разместил на сайте под названием arXiv препринт статьи, посвященной теме, известной как поток Риччи. Эта концепция связана с общей теорией относительности, в которой тяготение представляет собой результат кривизны пространства-времени. Ранее Ричард Хэмилтон уже высказывал мысль о том, что поток Риччи потенциально может дать простое доказательство гипотезы Пуанкаре. Идея состояла в том, чтобы начать с гипотетического трехмерного многообразия, такого, что любая замкнутая кривая в нем сжимается в точку. Такое многообразие можно интерпретировать как искривленное трехмерное пространство в Евклидовом смысле – впервые эта идея была высказана в хабилитационной диссертации Римана (глава 15).

А теперь самое хитрое: попытайтесь перераспределить кривизну так, чтобы сделать ее более равномерной.

Представьте, что вы пытаетесь погладить рубашку. Если вы не позаботитесь о том, чтобы поровнее разложить ее на гладильной доске, на рубашке возникнет множество неровностей и складок. Это области высокой кривизны. В остальных местах ткань рубашки лежит на плоскости ровно, то есть кривизна нулевая. Вы можете попытаться разгладить неровности утюгом, но ткань плохо сжимается и растягивается, так что неровности будут либо сдвигаться на другое место, либо заглаживаться, образуя морщины. Более простой и эффективный метод, не позволяющий неровностям сдвигаться или появляться вновь, состоит в том, чтобы взять рубашку за края и растянуть. Тогда естественная упругость ткани разгладит неровности. Поток Риччи делает нечто подобное для 3-многообразия. Он перераспределяет кривизну из областей, где она высока, в области с более низкой кривизной, как будто пространство пытается сгладить и выровнять свою кривизну. Если все работает как надо, кривизна продолжает перетекать с места на место, пока не станет одинаковой всюду. Возможно, результат окажется плоским, возможно, нет, но так или иначе его кривизна в любой точке должна быть одинаковой.

Гамильтон показал, что эта идея работает в двух измерениях: бугристая поверхность, на которой любая замкнутая кривая сжимается в точку, может быть разглажена при помощи своего потока Риччи до состояния, когда она будет обладать постоянной положительной кривизной – то есть превратится в сферу. Но в трех измерениях существуют препятствия, и поток может застрять там, где кусочки многообразия сходятся и образуют морщины. Перельман нашел способ обойти эту проблему – для этого он предлагал, по существу, отрезать проблемный кусок рубашки, отгладить его отдельно, а затем пришить обратно. В упомянутой статье и последовавшем дополнении утверждалось, что этот метод доказывает и гипотезу Пуанкаре, и гипотезу Тёрстона о геометризации.

Как правило, заявления о найденном решении какой-то известной крупной задачи математическое сообщество поначалу встречает скептически. Большинству математиков случалось находить собственные многообещающие доказательства для какой-то сложной интересующей их задачи – только для того, чтобы обнаружить в нем небольшую незамеченную ошибку. Но в данном случае с самого начала было общее ощущение того, что Перельману, возможно, действительно удалось это сделать. Предложенный им метод доказательства гипотезы Пуанкаре выглядел правдоподобно; гипотеза о геометризации казалась, пожалуй, более проблемной. Однако общего мнения недостаточно: доказательство должно быть проверено. К тому же текст на сайте arXiv – а ничего другого и не было – оставлял множество пробелов, которые читатели должны были заполнять сами; подразумевалось, что эти шаги очевидны. На самом же деле на заполнение этих пробелов и проверку логики доказательства ушло несколько лет.

Перельман необычайно талантлив, и то, что казалось очевидным ему, было далеко не очевидным для математиков, которые пытались проверить его доказательство. Справедливости ради заметим, что они размышляли об этой задаче не так, как он, и далеко не так долго, как он, что ставило их в заведомо невыгодное положение. Кроме того, сам Перельман вел затворнический образ жизни; поскольку время шло, а никто не спешил объявить его работу прорывом и эпохальным событием – каким она в действительности и являлась, – он испытывал досаду и разочарование. К тому моменту, когда его доказательство было принято, он полностью оставил математику[34]. Перельман отказался от приза в миллион долларов, который был ему предложен, несмотря на то что условий конкурса не выполнил – его доказательство не было опубликовано в уважаемом журнале. Он отказался также от Филдсовской медали, которую обычно считают математическим эквивалентом Нобелевской премии, хотя сумма денежного вознаграждения при ней намного меньше. Через некоторое время Институт Клэя организовал на эти деньги краткосрочную стипендию для выдающихся молодых математиков в Институте Анри Пуанкаре в Париже.

Сегодня многие математики пользуются компьютерами не только для переписки по электронной почте и путешествий по сети, даже не только для больших численных вычислений, но как инструментом, который помогает им исследовать различные задачи почти экспериментальным методом. В самом деле, время от времени появляются доказательства, полученные при помощи компьютеров, часто в связи с важными задачами, не поддавшимися пока традиционным методам атаки при помощи ручки, бумаги и человеческого разума. Столь спокойное отношение к компьютерам стало распространенным относительно недавно; дело не в том, что математики все такие ретрограды и сопротивляются внедрению новых технологий, но прежде возможности компьютеров были слишком ограниченными как по скорости, так и по объему памяти. Серьезная математическая задача может оказаться неподъемной даже для самого быстрого суперкомпьютера; в одном недавнем исследовании результат компьютерного расчета, если бы его полностью распечатали, оказался бы размером с Манхэттен.

Возродив трехмерную гиперболическую геометрию, Тёрстон одним из первых воспользовался компьютером на переднем крае геометрии. В конце 1980-х гг. Национальный фонд развития науки выделил средства на новый Центр геометрии в Миннесотском университете, где проводились исследовательские встречи и публичные информационные мероприятия. Кроме того, Центр продвигал использование компьютерной графики, и два его видео получили значительную известность. Они и сейчас доступны в сети, хотя сам Центр прекратил существование. В первом из них[35] – «Не узел» (Not Knot) – зритель пролетает рядом с различными трехмерными гиперболическими многообразиями, открытыми Тёрстоном. Сложная и захватывающая графика фильма оказалась настолько психоделической, что группа Greatful Dead использовала ее на своих концертах. Второе видео[36] – «Наизнанку» (Outside In) – представляет собой анимацию замечательной теоремы, которую еще студентом в 1957 г. открыл Смейл. Речь в ней идет о том, что можно вывернуть сферу наизнанку.

Представьте себе сферу, внешняя сторона которой покрашена в золотистый цвет, а внутренняя – в пурпурный. Конечно, ее можно вывернуть наизнанку, сделав отверстие и протолкнув в него всю сферу, но это не есть топологическое преобразование. Этот фокус невозможно проделать с реальной сферой, такой как воздушный шарик (хотя доказательство этого не полностью очевидно), но математически мы можем разрешить преобразование, при котором сфера проходит сквозь саму себя, что невозможно проделать с шариком. Итак, мы можем попробовать толкать сферу с противоположных сторон, в результате чего через золотистую поверхность проступят два пурпурных пузыря, но при этом посередине между ними останется все сильнее сжимающееся трубчатое золотистое кольцо. Когда это кольцо сожмется в окружность, поверхность перестанет быть гладкой. Теорема Смейла гласит, что этого можно избежать: существует преобразование, такое, что на всех его этапах сфера гладко встроена в пространство, хотя, возможно, и прорезает саму себя. Долгое время эта теорема оставалась всего лишь доказательством существования: никто не знал, как на самом деле это можно сделать. Затем некоторые топологи разработали несколько различных методов; причем один из ученых, Бернар Морен, ослеп в возрасте шести лет. Самый элегантный и симметричный метод принадлежит Тёрстону, и этот метод – настоящая звезда видеосюжета «Наизнанку».

Тёрстон повлиял на восприятие математики обществом и другими способами. Он писал о том, каково на самом деле быть математиком и что он думает об исследовательских задачах; он пытался дать обычным людям возможность увидеть жизнь математика изнутри. Когда дизайнер модной одежды Дай Фудзивара услышал о восьми геометриях, он связался с Тёрстоном, и их общение привело к рождению широкого спектра образцов женской моды.

Вклад Тёрстона во многие области геометрии, от топологии до динамики, обширен. Его деятельность отличалась замечательным свойством визуализировать сложные математические понятия. Когда у него спрашивали доказательство, Тёрстон обычно рисовал картинку. Зачастую его рисунки раскрывали скрытые связи, не замеченные другими исследователями. Еще одной характерной чертой Тёрстона было его отношение к доказательствам: он часто оставлял детали за скобками, поскольку они представлялись ему очевидными. Когда кто-то просил его объяснить непонятое доказательство, он нередко тут же, на месте, придумывал новое и говорил: «Возможно, это вам больше понравится». Для Тёрстона вся математика была единым взаимосвязанным целым, и он знал ее, как другие знают собственный огород.

Тёрстон умер в 2012 г. после операции по удалению меланомы, в результате которой он потерял правый глаз. Во время лечения он продолжал исследования и доказывал новые фундаментальные результаты в дискретной динамике рациональных отображений на комплексной плоскости. Он ездил на математические конференции и старался пробудить в молодых людях интерес к своему любимому предмету. Несмотря ни на какие препятствия, он никогда не сдавался.