Йэн Стюарт - Укрощение бесконечности. История математики от первых чисел до теории хаоса [litres]

Чтобы получить додекаэдрическое пространство Пуанкаре, нужно склеить противоположные грани додекаэдра с разворотом, чтобы они совпали

Если пространство конечно, должна быть возможность наблюдать одну и ту же звезду в разных направлениях, хотя в некоторых направлениях она может показаться более далекой, чем в других, и, кроме того, доступный для наблюдений сектор Вселенной может оказаться слишком мал для этого. Если конечное пространство имеет гиперболическую геометрию, это множит местонахождение одних и тех же звезд в разных направлениях, создавая в небесах систему гигантских окружностей, причем геометрия последних будет определять, какое именно гиперболическое пространство мы наблюдаем. Но окружности могут оказаться где угодно среди миллиардов звезд, видимых наблюдателю, т. е. попытки разглядывать их, основанные на статистической корреляции между кажущимися позициями звезд, будут безрезультатными.

В 2003 г. данные, полученные с космического аппарата НАСА Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, позволили команде Жана-Пьера Люмине предположить, что пространство конечно, но имеет положительную кривизну. Они обнаружили, что додекаэдрическое пространство Пуанкаре – полученное путем отождествления противоположных граней искривленного додекаэдра – лучше всего согласуется с наблюдениями. Это предположение дошло до широкой публики как утверждение о том, что Вселенная имеет форму футбольного мяча. Однако это предположение не подтверждено, и мы по-прежнему не знаем, какова истинная форма Вселенной. Но по крайней мере у нас уже есть гораздо более полное представление о том, что нужно сделать, чтобы решить эту загадку.

Вопрос перестал быть риторическим с тех пор, как начали появляться логически обоснованные альтернативы геометрии Евклида. Да, потребовалось немалое время, чтобы убедиться в их логической состоятельности – по крайней мере, не менее логической, чем евклидова геометрия, – и еще большее, чтобы осознать, что наше физическое пространство может оказаться вовсе не евклидовым. Как всегда, отрицательную роль сыграла узость взглядов: мы упорно пытаемся распространить ограниченное понимание нашего крошечного уголка на Вселенную в целом. Привычка пользоваться моделью Евклида делает нас предвзятыми, возможно потому, что в жестких рамках нашего опыта эта модель кажется самой простой и превосходно удовлетворяет наши запросы.

Благодаря отдельным ученым, наделенным богатым воображением и неординарным мышлением, часто подвергавшимся гонениям со стороны менее талантливых собратьев, наконец-то мы пришли к пониманию – по крайней мере, математики и физики, – что существует много альтернатив евклидовой геометрии и что природа физического пространства – предмет наблюдений, а не только мышления. Мы уже четко проводим границу между математическими моделями реальности и реальностью как таковой. Если уж на то пошло, многие математические построения вообще не имеют очевидного отношения к реальности – но это нисколько не умаляет их пользы.

Около 1850 математиковподготовили самые значительные перемены в истории науки, хотя это не всегда было очевидно их современникам. Вплоть до 1800 г. главными объектами математических исследований были понятия вполне конкретные: числа, треугольники, сферы. Алгебра предложила формулы для описания операций с числами, но сами по себе формулы воспринимались как символические описания неких процессов, а не просто объектов. Но к 1900 г. формулы и их преобразования стали восприниматься как объекты, а не процессы, и предметом алгебры стали более абстрактные и обобщенные понятия. Она стала почти всеобъемлющей. Даже такие основные законы, как коммутативный закон умножения ab = ba, заняли важное место во многих областях математики.

Эти перемены стали возможны во многом благодаря тому, что математики открыли теорию групп – раздел алгебры, который возник из безуспешных попыток решать алгебраические уравнения, особенно четвертой или пятой степени. Но только через 50 лет после своего открытия теория групп была оценена как верный подход для изучения концепции симметрии . По мере того как новый метод занимал место в общественном сознании, становилось ясно, что симметрия – глубокая и важная идея, со множеством приложений как к физическим, так и к биологическим исследованиям. Сегодня теория групп стала незаменимым инструментом в любой области математики и науки в целом, а ее связь с симметрий подчеркивается в большинстве предисловий научных трудов. Но потребовалось не одно десятилетие, чтобы эта точка зрения восторжествовала. Примерно в 1900 г. Анри Пуанкаре сказал, что теория групп представляет собой всю математику, самую ее суть. Несколько преувеличенное, но верное утверждение.

Поворотным пунктом в теории групп стала работа молодого француза Эвариста Галуа. Ей предшествовала долгая и запутанная предыстория: идеи Галуа появились не на пустом месте. Затем последовала не менее запутанная и даже в чем-то не очень чистая постистория, когда математики принялись экспериментировать с новой концепцией, пытаясь выяснить, что в ней важно, а что нет. Однако именно Галуа четче всех представлял необходимость понятия групп в математике, описал ряд самых фундаментальных их характеристик и продемонстрировал их ценность для основ математики. Не особо удивляет то, что его работа осталась незамеченной при жизни ученого. Возможно, она казалась чересчур оригинальной, но в этом, по правде говоря, отчасти может быть повинна репутация Галуа как ярого революционера. Он был трагической фигурой, жившей во времена множества личных трагедий, и его судьба выглядит одной из самых драматичных и, пожалуй, романтичных по сравнению с прочими выдающимися математиками.

История теории групп уходит корнями в древние таблички вавилонян с решениями квадратных уравнений. Методы вавилонян преследуют прежде всего практические цели. Это была вычислительная методика, и, судя по всему, никто из древних особо не задавался глубокими вопросами, когда ею пользовался. Если вы умеете извлекать квадратные корни и владеете основами арифметики, то сумеете решить и квадратные уравнения.

Было найдено несколько свидетельств на глиняных табличках, что вавилоняне также подступались к решению кубических уравнений и даже уравнений четвертой степени. Греки, а вслед за ними и арабы открыли геометрические способы решения кубических уравнений с помощью конических сечений. (Мы сейчас знаем, что традиционные евклидовы линии и окружности не могут точно решить эту проблему. Здесь необходимо нечто более изощренное; так случилось, что эту работу взяли на себя конические сечения.) Одной из самых заметных фигур в этой области был персидский мыслитель Омар Хайям. Он решил все возможные виды кубических уравнений с помощью целой системы геометрических методов. Однако, как мы видели, алгебраическое решение уравнений третьей и четвертой степени появилось в эпоху Возрождения в работах дель Ферро, Тартальи, Фиоре, Кардано и его ученика Феррари.