Знание-сила, 1999 №01

Мы мало знаем о нем, но ясно: он был совсем не похож на Пифагора. Тот чувствовал себя царем в геометрии и даже за ее пределами – будь то в музыке, астрономии или политике. Первая арифметическая связь между длинами сторон благозвучной арфы; первая модель Вселенной из концентрических сфер, несущих планеты и звезды, с Землею в центре; наконец, первая республика ученых в италийском городе Кротоне – таковы личные достижения Пифагора. Что мог противопоставить таким успехам Диофант – скромный научный сотрудник великого Музея, давно переставшего быть гордостью городской толпы?

Только одно: лучшее понимание древнего мира чисел, законы которого едва успели ощутить Пифагор, Евклид и Архимед. Заметим, что Диофант еще не владел позиционной системой записи больших чисел; но он знал, что такое отрицательные числа и, наверное, провел немало часов, размышляя о том, почему произведение двух отрицательных чисел положительно. Мир целых чисел впервые открылся Диофанту как особая вселенная, отличная от мира звезд, отрезков или многогранников. Главное занятие ученых в этом мире – решение уравнений; настоящий мастер находит все возможные решения и доказывает, что других решений нет. Так поступил Диофант с квадратным уравнением Пифагора, а потом задумался: имеет ли хоть одно решение сходное кубическое уравнение X 3 + Y 3 = Z 3 ?

Найти такое решение Диофанту не удалось; его попытка доказать, что решений нет, тоже не увенчалась успехом. Поэтому, оформляя итоги своих трудов в книге «Арифметика» (это был первый в мире учебник теории чисел), Диофант подробно разобрал уравнение Пифагора, но ни словом не заикнулся о возможных обобщениях этого уравнения. А мог бы: ведь именно Диофант впервые предложил обозначения для степеней целых чисел! Но увы: понятие «задачник» было чуждо эллинской науке и педагогике, а публиковать перечни нерешенных задач считалось неприличным занятием (только Сократ поступал иначе). Не можешь решить проблему – молчи! Диофант умолк, и это молчание затянулось на четырнадцать веков – вплоть до наступления Нового времени, когда возродился интерес к процессу человеческого мышления.

Кто только и о чем не фантазировал на рубеже XVI – XVII веков! Неутомимый вычислитель Кеплер пытался угадать связь между расстояниями от Солнца до планет. Пифагору это не удалось. Кеплер добился успеха после того, как научился интегрировать многочлены и другие несложные функции. Напротив, фантазер Декарт не любил длинных расчетов, но именно он первый представил все точки плоскости или пространства, как наборы чисел. Эта дерзкая модель сводит любую геометрическую задачу о фигурах к некой алгебраической задаче об уравнениях – и наоборот. Например, целые решения уравнения Пифагора соответствуют целым точкам на поверхности конуса. Поверхность, соответствующая кубическому уравнению X³ + Y³ = Z³ , выглядит сложнее; ее геометрические свойства ничего не подсказали Пьеру Ферма, и тому пришлось прокладывать новые пути сквозь дебри целых чисел.

В 1636 году в руки молодого юриста из Тулузы попала книга Диофанта, только что переведенная на латынь с греческого оригинала, случайно уцелевшего в каком- то византийском архиве и привезенного в Италию кем-то из беглецов-ромеев в пору турецкого разорения. Читая изящное рассуждение об уравнении Пифагора, Ферма задумался: можно ли найти такое его решение, которое состоит из трех чисел- квадратов? Малых чисел такого сорта нет: это легко проверить перебором. А как насчет больших решений? Не имея компьютера, Ферма не мог поставить численный эксперимент. Но он заметил, что по каждому «большому» решению уравнения X 4 + Y 4 =Z 4 можно построить меньшее его решение. Значит, сумма четвертых степеней двух целых чисел никогда не равна той же степени третьего числа! А как насчет суммы двух кубов?

Вдохновленный успехом для степени 4, Ферма попытался модифицировать «метод спуска» для степени 3 – и это ему удалось. Оказалось, что невозможно составить два малых куба из тех единичных кубиков, на которые рассыпался большой куб с целой длиной ребра. Торжествующий Ферма сделал краткую запись на полях книги Диофанта и послал в Париж письмо с подробным сообщением о своем открытии. Но ответа он не получил – хотя обычно столичные математики быстро реагировапи на очередной успех их одинокого коллеги-соперника в Тулузе. В чем тут дело?

Очень просто: к середине XVII века арифметика вышла из моды. Большие успехи итальянских алгебраистов XVI века (когда были решены уравнения-многочлены степеней 3 и 4) не стали началом общенаучной революции, ибо они не позволили решить новые яркие задачи в сопредельных областях науки. Вот если бы Кеплеру удалось угадать орбиты планет с помощью чистой арифметики… Но увы – для этого потребовался математический анализ. Значит, его и надо развивать – вплоть до полного торжества математических методов в естествознании! Но анализ вырастает из геометрии; арифметика же остается полем забав для досужих юристов и прочих любителей вечной науки о числах и фигурах.

Итак, арифметические успехи Ферма оказались несвоевременны и остались неоцененными. Он не был этим огорчен: для славы математика довольно впервые открывшихся ему фактов дифференциального исчисления, аналитической геометрии и теории вероятностей. Все эти открытия Ферма сразу вошли в золотой фонд новой европейской науки, меж тем как теория чисел отошла на задний план еще на сто лет – пока ее не возродил Эйлер.

Этот «король математиков» XVIII века был чемпионом во всех применениях анализа, но не пренебрегал и арифметикой, поскольку новые методы анализа приводили к неожиданным фактам о числах. Кто бы мог подумать, что бесконечная сумма обратных квадратов (1 + 1/4 + 1/9 + 1/16+…) равна π²/6? Кто из эллинов мог предвидеть, что похожие ряды позволят доказать иррациональность числа я?

Такие успехи заставили Эйлера внимательно перечитать сохранившиеся рукописи Ферма (благо, сын великого француза успел их издать). Правда, доказательство «большой теоремы» для степени 3 не сохранилось; но Эйлер легко восстановил его по одному лишь указанию на «метод спуска», и сразу постарался перенести этот метод на следующую простую степень – 5.

Не тут-то было! В рассуждениях Эйлера появились комплексные числа, которые Ферма ухитрился не заметить (таков обычный удел первооткрывателей). Но разложение целых комплексных чисел на множители – дело тонкое. Даже Эйлер не разобрался в нем до конца и отложил «проблему Ферма» в сторону, торопясь завершить свой главный труд – учебник «Основы анализа», который должен был помочь каждому талантливому юноше встать вровень с Лейбницем и Эйлером. Издание учебника завершилось в Петербурге в 1770 году. Но к теореме Ферма Эйлер уже не возвращался, будучи уверен: все, чего коснулись его руки и разум, не будет забыто новой ученой молодежью.