Истина и красота. Всемирная история симметрии. - Иэн Стюарт

В самом деле?

Кватернионы, быть может, развивались не вполне тем спором, какой предначертал Гамильтон, но их значимость растет с каждым годом. Они стали абсолютно фундаментальными для математики, и мы также увидим, что кватернионы и их обобщения играют фундаментальную роль и в физике. Одержимость Гамильтона открыла широкую дорогу современной алгебре и математической физике.

Никогда еще квазиисторик столь отчаянно не ошибался.

Гамильтон, возможно, преувеличивал практическую роль кватернионов и выжимал из них фокусы, к которым они в действительности были малопригодны, но его вера в их важность начинает получать серьезные подтверждения. Кватернионы возымели странную привычку возникать в таких местах, где их появление менее всего ожидается. Одна из причин состоит в их единственности. Их можно охарактеризовать несколькими разумными и относительно простыми свойствами — некоторой выборкой из «законов арифметики», опустив всего один важный закон, — и они составляют единственную математическую систему, обладающую этим списком свойств.

Это утверждение требует пояснений.

Единственная числовая система, с которой знакома большая часть населения нашей планеты, — это вещественные числа. Их можно складывать, вычитать, умножать и делить, причем результат всегда будет вещественным числом. Разумеется, деление на нуль не допускается, но помимо этого необходимого ограничения можно применять весь набор арифметических операций, никогда при этом не покидая систему вещественных чисел.

Математики называют такую систему полем. Имеется много других полей, таких как поле рациональных чисел и поле комплексных чисел, но поле вещественных чисел является специальным. Это единственное поле с еще двумя свойствами: оно упорядочено и полно.

«Упорядочение» означает, что числа выстраиваются в соответствии с линейным порядком. Вещественные числа расположены вдоль прямой линии — отрицательные слева, а положительные справа. Имеются и другие упорядоченные поля, например поле рациональных чисел, но в отличие от других упорядоченных полей вещественное поле является также полным. Это дополнительное свойство (полная формулировка которого носит довольно технический характер) ответственно за существование таких чисел, как √2 и π. По сути свойство полноты говорит нам, что бесконечные десятичные дроби имеют смысл.

Можно доказать, что вещественные числа составляют единственное полное упорядоченное поле. Этим и определяется их центральная роль в математике. Они дают единственный контекст, в котором можно выполнять арифметические операции, сравнение «больше чем», а также основные операции анализа.

Комплексные числа представляют собой расширение вещественных за счет включения чисел нового типа — квадратного корня из минус единицы. Но цена за возможность извлекать квадратные корни из отрицательных чисел состоит в потере упорядочения. Комплексные числа являются полной системой, но они заселяют плоскость, а не выстраиваются в единую упорядоченную последовательность.

Плоскость двумерна, а 2 — конечное целое число. Комплексные числа — это единственное поле, которое содержит вещественные числа и имеет конечную размерность (и которое при этом отлично от самих вещественных чисел, имеющих размерность единица). Это говорит о том, что и комплексные числа тоже единственны. Для многих важных целей комплексные числа оказываются единственным средством, которое позволяет добиться желаемого. Их единственность делает их незаменимыми.

Кватернионы возникают при попытке расширить комплексные числа за счет увеличения размерности (оставляя ее, тем не менее, конечной) с сохранением при этом максимально возможного числа законов алгебры. Законы, которые мы хотим оставить, — это обычные свойства сложения и вычитания, большая часть свойств умножения и возможность деления на все, кроме нуля. На этот раз жертву приходится приносить более серьезную; это-то и доставило Гамильтону столько терзаний. Надо выкинуть закон коммутативности умножения. Этот брутальный факт надо просто принять — и двигаться дальше. Когда вы к нему привыкнете, вы зададитесь вопросом, а почему вообще вы ожидали, что закон коммутативности будет выполнен во всех случаях, а одновременно начнете воспринимать тот факт, что он выполнен для комплексных чисел, как небольшое чудо.

Любая система с таким набором свойств, неважно, коммутативная или нет, называется алгеброй с делением.

Вещественные числа и комплексные числа — тоже алгебры с делением, потому что мы не настаиваем на отказе от коммутативности умножения, мы просто не требуем выполнения этого свойства. Каждое поле является алгеброй с делением. Но некоторые алгебры с делением не являются полями, и первыми из таких объектов были открыты кватернионы. В 1898 году Адольф Гурвиц доказал, что система кватернионов также единственна. Кватернионы являются единственной конечномерной алгеброй с делением, которая содержит вещественные числа и не совпадает с вещественными или комплексными числами.

Здесь просматривается любопытная закономерность. Размерности вещественных чисел, комплексных чисел и кватернионов равны 1, 2 и 4. Это подозрительно похоже на начало последовательности степеней двойки. Естественным продолжением были бы 8, 16, 32 и т.д.

Имеются ли интересные алгебраические системы в этих размерностях?

И да и нет. Но нам придется немного подождать, чтобы узнать почему, поскольку история симметрии вступает здесь в новую фазу: связь с дифференциальными уравнениями, представляющими собой наиболее широко используемую модель физического мира, и язык, на котором сформулировано большинство физических законов природы.

И снова наиболее глубокие аспекты теории сводятся к симметрии, правда, с новым поворотом сюжета. Теперь группы симметрии будут не конечными, а «непрерывными». Математике предстояло обогатиться одной из наиболее влиятельных программ исследований из всех когда-либо предпринятых.

Глава 10

Несостоявшийся солдат и хилый книжный червь

Мариус Софус Ли занялся наукой только потому, что из-за плохого зрения был не годен ни к одной из военных профессий. Когда в 1865 году Софус (имя, под которым он обрел известность) закончил университет Христиании, он имел в своем багаже несколько математических курсов, включая и курс по теории Галуа, читавшийся норвежским математиком Людвигом Силовом, однако Софус не выказывал каких-либо особых способностей в этом предмете. В течение некоторого времени он колебался, осознавая свое стремление к академической карьере, но колеблясь, к какой из областей науки себя применить — к ботанике, зоологии, или, быть может, астрономии.

Записи в университетской библиотеке показывают, что он начал брать все больше и больше книг по математике. А в 1867 году посреди ночи его посетило видение дела всей его жизни. Друг Софуса Эрнст Мотцфелд был немало удивлен, когда посреди ночи его разбудил возбужденный Ли, кричавший: «Я понял! Это совсем просто!» А понял он, как по-новому смотреть на геометрию.

Ли взялся за изучение работ великих геометров, таких как немец Юлиус Плюккер и француз Жан-Виктор Понселе. От Плюккера он перенял идею геометрий, основанных не на хорошо всем знакомых точках, как у Эвклида, а на других объектах — линиях, плоскостях, окружностях. В 1869 году он на собственные средства опубликовал статью, кратко излагающую его основную идею. Подобно своим предшественникам Галуа и Абелю, он обнаружил, что его идеи слишком революционны для старой гвардии, так что обычные журналы не желали публиковать его исследования. Но Эрнст отказал своему другу в праве на уныние и поощрял его продолжать работы по геометрии. В конце концов одна из статей Ли была опубликована в престижном журнале и получила благосклонный прием.

Это принесло Ли стипендию. Теперь у него были деньги, чтобы путешествовать, посещать ведущих математиков и обсуждать с ними свои идеи. Он отправился туда, где взращивался весь цвет прусской и немецкой математики, — в Геттинген и Берлин, где беседовал с алгебраистами Леопольдом Кронеккером и Эрнстом Куммером и аналитиком Карлом Вейерштрассом. На него произвел большое впечатление подход Куммера к математике и несколько меньшее — подход Вейерштрасса.

Наиболее важная встреча, однако, состоялась в Берлине — с Феликсом Клейном, который, так случилось, учился ранее у Плюккера, которым Ли глубоко восхищался и которому стремился подражать. У Ли и Клейна было очень схожее математическое образование, но совершенно разные вкусы. Клейн, по существу, алгебраист с геометрическим уклоном, обожал работать над специальными проблемами, обладающими внутренней красотой; Ли же был аналитиком, которому импонировал широкий охват общих теорий. По иронии судьбы именно общие теории Ли дали математике некоторые из наиболее важных специальных структур, которые и были, и до сих пор остался изумительно красивыми, необычайно глубокими и по большей части алгебраическими. Открытие этих структур могло бы вообще не состояться, если бы не стремление Ли к общности. Если вы пытаетесь понять все возможные математические объекты некоторого типа и если вам это удалось, то вы неизбежно найдете среди них много объектов с необычными свойствами.