Истина и красота. Всемирная история симметрии.

Стюарт Иэн

На протяжении многих веков симметрия оставалась ключевым понятием для художников, архитекторов и музыкантов, однако в XX веке ее глубинный смысл оценили также физики и математики. Именно симметрия сегодня лежит в основе таких фундаментальных физических и космологических теорий, как теория относительности, квантовая механика и теория струн. Начиная с древнего Вавилона и заканчивая самыми передовыми рубежами современной науки Иэн Стюарт, британский математик с мировым именем, прослеживает пути изучения симметрии и открытия ее основополагающих законов. Эксцентричный Джироламо Кардано — игрок и забияка эпохи Возрождения, первым решивший кубическое уравнение, гениальный невротик и революционер-неудачник Эварист Галуа, в одиночку создавший теорию групп, горький пьяница Уильям Гамильтон, нацарапавший свое величайшее открытие на каменной кладке моста, и, конечно же, великий Альберт Эйнштейн — судьбы этих неординарных людей и блестящих ученых служат тем эффектным фоном, на котором разворачивается один из самых захватывающих сюжетов в истории науки.

 

 

Предисловие

На календаре 13 мая 1832 года. В рассветной дымке два молодых француза стоят друг против друга с пистолетами в руках. Дуэль — из-за молодой женщины. Выстрел; один из юношей падает смертельно раненным на землю. Ему всего 21 год; перитонит убивает его через два дня, и его хоронят в общей могиле. Одна из наиболее важных идей в истории математики и науки едва не погибает вместе с ним.

Оставшийся в живых дуэлянт так и остался неизвестным; погибший же — Эварист Галуа, политический революционер, одержимый математикой. В полном собрании его работ едва наберется шестьдесят страниц, и тем не менее наследие Галуа произвело революцию в математике. Он изобрел язык, позволяющий описывать симметрии в математических структурах и выводить их следствия.

Сегодня этот язык, известный как «теория групп», используется во всей чистой и прикладной математике, причем отвечает за формирование закономерностей в физическом мире. Симметрия играет центральную роль на передовых рубежах физики, в квантовом мире сверхмалого и релятивистском мире сверхбольшого. Симметрия может даже проложить дорогу к долгожданной «Теории Всего» — математическому объединению двух ключевых направлений в современной физике. И все это началось с простого вопроса по алгебре — вопроса о решениях математических уравнений, то есть о нахождении «неизвестного» числа на основе нескольких математических подсказок.

Симметрия — это не число и не форма, но специальный вид преобразований, то есть некоторый способ «шевелить» объект. Если объект выглядит неизменным после преобразования, то данное преобразование представляет собой симметрию. Например, квадрат выглядит так же, как раньше, если его повернуть на прямой угол.

Эта идея — серьезно расширенная и усовершенствованная — лежит в основе того, как современная наука понимает вселенную и ее происхождение. Теория относительности Альберта Эйнштейна основана на принципе, согласно которому законы физики должны оставаться неизменными во всех точках пространства и с течением времени. Другими словами, законы должны быть симметричны относительно движений в пространстве и течения времени. Квантовая физика говорит нам, что все во вселенной состоит из набора очень маленьких «фундаментальных» частиц. Поведение этих частиц управляется математическими уравнениями — законами природы, и эти законы снова обладают симметриями. Частицу можно математически преобразовать в совсем другие частицы, и эти преобразования также оставляют законы физики неизменными.

Все эти концепции — как и самые последние, относящиеся к рубежам современной физики, — не были бы открыты без глубокого математического понимания симметрии. Такое понимание пришло из чистой математики; роль симметрии в физике проявилась позднее. Чрезвычайно полезные идеи могут возникать из чисто абстрактных рассуждений — нечто вроде того, что физик Юджин Вигнер назвал «непостижимой эффективностью математики в естественных науках». Когда дело касается математики, мы порой получаем на выходе больше, чем вкладывали изначально.

Начиная с писцов древнего Вавилона и заканчивая физиками двадцать первого столетия, «Почему в красоте правда» повествует, как математики наткнулись на концепцию симметрии и как казавшийся бесцельным поиск формул, которых, как выяснилось, вообще не существует, открыл новое окно во вселенную и произвел переворот в естественных науках и математике. Говоря более широко, история симметрии иллюстрирует, как культурное влияние и историческую непрерывность великих идей можно выпукло отразить на фоне как политических, так и научных сдвигов и переворотов.

Первая половина книги может на беглый взгляд показаться вовсе не имеющей отношения к симметрии и лишь вскользь относящейся к реальному физическому миру. Причина в том, что в качестве доминирующей идеи симметрия появилась не так, как можно было бы этого ожидать, — т.е. не через геометрию. Вместо этого глубинно прекрасная и жизненно необходимая концепция симметрии, которой сегодня пользуются математики и физики, пришла к нам из алгебры. Поэтому значительная часть данной книги описывает поиск решений алгебраических уравнений. Может показаться, что это сугубо технический момент, однако в действительности это поистине захватывающее приключение, многие из ключевых участников которого прожили необычные и драматические жизни. Математики — живые люди, пусть даже иногда они теряются за своими абстрактными размышлениями. Некоторые из них могут позволить логике слишком сильно вмешиваться в их жизнь, но мы снова и снова будем убеждаться, что нашим героям не чуждо ничто человеческое. Мы увидим, как они жили и умирали, прочтем об их любовных историях и дуэлях, жестоких спорах из-за приоритета, сексуальных скандалах, пьянстве и болезнях, а по ходу дела увидим, как пробивали себе дорогу их математические идеи, изменявшие мир.

Начиная с десятого столетия до Рождества Христова и вплоть до кульминации в начале XIX века, связанной с фигурой Галуа, повествование шаг за шагом поведет нас по пути завоевания уравнений — дороге, которая в конце концов зашла в тупик, когда математики попытались победить так называемую «квинтику» — уравнение, в которое входит пятая степень неизвестного. Перестали ли их методы работать из-за того, что в уравнении пятой степени крылись какие-то фундаментальные отличия? Или же можно было найти похожие, но более мощные методы, с помощью которых удалось бы получить формулы для его решения? Застряли ли математики из-за того, что встретили настоящую преграду, или им просто отказала сообразительность?

Важно понимать, что факт существования решений уравнений пятой степени был достоверно установлен. Вопрос состоял в том, всегда ли их можно представить алгебраической формулой. В 1821 году молодой норвежец Нильс Хенрик Абель доказал, что уравнение пятой степени нельзя решить алгебраическими средствами. Его доказательство, однако, было несколько таинственным и довольно непрямым. Он доказал, что никакого общего решения быть не может, но при этом оставалось непонятно почему.

Именно Галуа открыл, что невозможность решения уравнения пятой степени вытекает из симметрий этого уравнения. Если эти симметрии проходят, так сказать, тест Галуа (это означает, что они устроены некоторым очень специальным образом, который я не буду объяснять прямо сейчас), то уравнение можно решить с помощью алгебраической формулы. Если симметрии не проходят тест Галуа, то никакой такой формулы нет.

Общее уравнение пятой степени нельзя решить с помощью формулы, потому что у него неправильные симметрии.

Это эпического масштаба открытие составляет второй сюжет данной книги — сюжет группы, т.е. математического «исчисления симметрий». Галуа перенял древнюю математическую традицию — алгебру — и развил ее, создав новый инструмент для изучения симметрии.

Пусть пока что слова вроде «группы» останутся необъясненным специальным жаргоном. Когда значение таких слов станет важным для нашего рассказа, я приведу все необходимые пояснения. Но иногда нам будет требоваться всего лишь подходящий термин, чтобы иметь ориентиры в нашем рассказе. Если вы наткнетесь на что-то в этом роде — на то, что выглядит как профессиональный жаргон, но непосредственно не объясняется, — отнеситесь к этому просто как к указателю на нечто полезное, чей конкретный смысл пока не играет большой роли. Иногда это значение будет проясняться по мере дальнейшего чтения. «Группа» — как раз такой случай, но мы поймем, что это такое, не раньше, чем дойдем до середины книги.

Наш рассказ также затрагивает вопрос о любопытной значимости в математике некоторых конкретных чисел. Я говорю сейчас не о фундаментальных физических постоянных, а о математических постоянных, таких как π (греческая буква пи). Скорость света, например, могла бы в принципе иметь любое значение, но так случилось, что в нашей вселенной она составляет 300 000 метров в секунду. С другой стороны, число π имеет значение, немногим большее, чем 3,14159, и ничто в мире не может его изменить.

Неразрешимость уравнений пятой степени говорит нам, что, как и π, число 5 также довольно необычно. Это наименьшее число, для которого соответствующая группа симметрии не проходит тест Галуа. Другой занятный пример — это последовательность чисел 1, 2, 4, 8. Математики открыли серию расширений концепции обычных «вещественных» чисел — сначала строятся комплексные числа, а затем нечто, называемое кватернионами и, далее, октонионами. Они соответственно конструируются из двух экземпляров вещественных чисел, из четырех экземпляров и из восьми экземпляров. Кто же следующий? Естественная догадка — 16, но на самом деле дальнейших разумных расширений числовых систем нет. Это замечательный и глубокий факт. Он говорит нам, что число 8 — особенное, причем не в каком-нибудь поверхностном смысле, а в терминах глубинных структур самой математики.

Кроме чисел 5 и 8 в этой книге появятся некоторые другие, среди которых надо в первую очередь отметить 14, 52, 78, 133 и 248. Эти любопытные числа представляют собой размерности пяти «исключительных групп Ли», и их влияние пронизывает всю математику и значительную часть математической физики. Эти числа — главные действующие лица в математической драме, тогда как другие числа, с первого взгляда мало чем отличающиеся, — всего лишь статисты.

Математики открыли, насколько эти числа особенные, в конце девятнадцатого столетия, когда родилась современная абстрактная алгебра. Существенны не числа сами по себе, но роль, которую они играют в основаниях алгебры. С каждым из этих чисел связан математический объект, называемый группой Ли и обладающий уникальными и замечательными свойствами. Эти группы играют фундаментальную роль в современной физике, они связаны с глубокими структурами пространства, времени и материи.

Это и подводит нас к заключительному сюжету — фундаментальной физике. Физики давно задавались вопросом, почему пространство имеет три измерения, а время — одно; иными словами, почему мы живем в четырехмерном пространстве-времени? Теория суперструн — самая современная попытка объединить всю физику в единое целое, управляемое набором взаимосогласованных законов — привела физиков к вопросу, может ли пространство-время иметь дополнительные «скрытые» измерения. Идея может показаться бредовой, но у нее имеются неплохие исторические прецеденты. Из всех свойств теории суперструн присутствие дополнительных измерений вызывает, наверное, меньше всего возражений.

Куда больше вопросов вызывает другое свойство — вера в то, что формулировка новой теории пространства и времени зависит главным образом от той математики, на которой основаны теория относительности и квантовая теория — два столпа, на которых покоится современная физика. Объединение этих взаимно противоречащих теорий воспринимается как математическое упражнение, а не как процесс, требующий новых революционных экспериментов. Ожидается, что математическая красота сыграет роль необходимого предварительного условия для физической истины. Это допущение может таить в себе опасность. Важно не потерять из виду физический мир, так что, какая бы теория в конце концов ни родилась из современных построений и какой бы замечательной ни была ее математическая родословная, она не освобождается от проверки экспериментами и наблюдениями.

Как бы то ни было, на данный момент имеются веские причины придерживаться математического подхода. Одна такая причина состоит в том, что до тех пор, пока по-настоящему убедительная объединенная теория не сформулирована, никто не знает, какие эксперименты осуществлять. Другая причина в том, что математическая симметрия играет фундаментальную роль как в теории относительности, так и в квантовой теории — в двух областях, демонстрирующих значительный дефицит взаимно согласованных позиций, — так что особую ценность приобретают любые, пусть даже совсем небольшие области, в которых такой согласованности удается добиться. Возможные структуры пространства, времени и материи определяются своими симметриями, и некоторые из наиболее важных возможностей могут быть связаны с исключительными структурами в алгебре. Может быть, пространство-время обладает теми свойствами, которые мы наблюдаем, потому что математика допускает к участию в финальном туре только небольшое число специальных форм. Если так, то вполне разумно прислушиваться к тому, что говорит математика.

Почему вселенная выглядит столь математической? На этот вопрос предлагались разнообразные ответы, но ни один из них не кажется мне достаточно убедительным. Отношения симметрии между математическими идеями и физическим миром, равно как и симметрия между нашим чувством красоты и наиболее глубокими и важными математическими формами, представляют собой глубокую и, быть может, неразрешимую загадку. Никто из нас не знает, почему красота есть истина, а истина — красота. Все, что нам остается, — это созерцать бесконечное разнообразие их взаимоотношений.

 

Глава 1

Вавилонские писцы

Через земли, занимаемые сегодня Ираком, протекают две самые знаменитые в мире реки. Им обязаны своим существованием возникшие там замечательные цивилизации. Они берут исток в горах восточной Турции, пересекают сотни миль плодородных равнин и сливаются в единый поток, устье которого выходит в Персидский залив. С юго-запада эта область ограничена сухими пустынными землями Аравийского плато, а с северо-востока — негостеприимными грядами Анти-Тауруса и Загроса. Эти две реки — Тигр и Евфрат, протекающие сегодня практически тем же курсом, что и четыре тысячи лет назад, когда они пересекали древние земли Ассирии, Аккада и Шумера.

Археологам область между Тигром и Евфратом известна как Месопотамия, что по-гречески означает «междуречье». Про нее часто — и с полным правом — говорят как про колыбель цивилизации. Реки приносили воду на равнины, которые из-за этого становились плодородными. Обильная растительность привлекала стада овец и оленей, которые в свою очередь привлекали хищников, а среди них — первобытных охотников. Равнины Месопотамии были садами Эдема для охотников и собирателей, магнитом для кочевых племен.

Они в действительности оказались настолько плодородны, что образ жизни охотников и собирателей в конце концов уступил место гораздо более эффективной стратегии добывания пищи. Около 9000 года до Р.Х. холмы немного к северу от Плодородного Полумесяца стали свидетелями рождения революционной технологии — сельскохозяйственного производства. Почти немедленно за этим последовали два фундаментальных изменения в развитии человеческого общества: необходимость оставаться на одном и том же месте, чтобы ухаживать за посевами, и возможность прокормить значительное население. Сочетание этих факторов привело к созданию городов, и в Месопотамии археологи все еще находят останки некоторых древнейших в мире великих городов-государств: Ниневии, Нимруда, Ниппура, Урука, Лагаша, Эриду, Ура, а также превосходящего их всех Вавилона — города Висячих Садов и Вавилонской башни. Четыре тысячелетия назад сельскохозяйственная революция в этой части света с неизбежностью привела к возникновению организованного общества со всем набором сопутствующих ловушек — таких как правительство, бюрократия и армия. Между 2000 и 500 годами до Р.Х. на берегах Евфрата процветала цивилизация, которую нестрого именуют «вавилонской». Она берет свое название от главного города, но в широком смысле «вавилонская» культура включает также шумерскую и аккадскую. В действительности первое известное упоминание о Вавилоне найдено на глиняной табличке Саргона Аккадского, датируемой приблизительно 2250 годом до Р.Х., хотя корни вавилонян, весьма вероятно, восходят ко времени еще на две или три тысячи лет более раннему.

Нам очень мало известно об истоках «цивилизации» — слово это буквально означает организацию людей в устойчивые сообщества. Тем не менее похоже, что многими аспектами нашего сегодняшнего мира мы обязаны древним вавилонянам. В частности, они были специалистами в области астрономии, и есть свидетельства того, что именно к ним восходят двенадцать зодиакальных созвездий и деление окружности на 360 градусов, равно как и часа на шестьдесят минут, а минуты — на шестьдесят секунд. Подобные единицы измерения требовались вавилонянам для занятий астрономией, так что они поневоле стали специалистами и в освященной веками служанке астрономии — математике.

Подобно нам, они изучали математику в школе.

«Что у нас сегодня?» — спросил Набу, положив узелок с завтраком рядом со своим местом. Его мать всегда следила, чтобы на завтрак у него было достаточно хлеба и мяса (как правило, козлятины). Иногда для разнообразия она добавляла еще и сыр.

«Математика, — мрачно отозвался его друг Гамеш. — Жаль, что не право, — мне больше нравится право».

Набу, хорошо успевавший по математике, никогда не мог понять, почему его соученики считали этот предмет таким сложным: «Послушай, Гамеш, разве тебе не скучно переписывать и зазубривать все эти набившие оскомину юридические формулы?»

Гамеш, сильными сторонами которого были упорство и хорошая память, засмеялся: «Нет, это легко. Там не надо думать».

«Именно поэтому мне и скучно, — сказал его друг. — А вот математика — это…»

«Это ужас, — вступил в разговор Хумбаба, только что пришедший в Дом Табличек, как всегда, с опозданием. — Я хочу сказать, Набу, что мне с этим делать?» Он указал на свою глиняную табличку с домашним заданием: «Умножаем число само на себя и прибавляем это число, удвоенное. Получаем 24. Каково число?»

«Четыре», — ответил Набу. «Правда?» — спросил Гамеш. А Хумбаба сказал: «Сам знаю. Но как это получить?»

Набу скрупулезно растолковал приятелю процедуру, которую их учитель математики объяснял им на прошлой неделе: «Прибавь половину от 2 к 24, получишь 25. Извлеки квадратный корень, который равен 5…»

Сбитый столку Гамеш замахал руками: «Я никак не могу разобраться, что за штука эти квадратные корни, Набу».

«А! — сказал Набу. — Теперь понятно!» Оба его приятеля глядели на него как на сумасшедшего. «Твоя проблема не в решении уравнений, Гамеш. А в квадратных корнях!»

«И в том и в другом», — пробормотал Гамеш.

«Но сначала идут квадратные корни. Надо учить предмет шаг за шагом, как все время нам повторяет Отец-учитель в Доме Табличек».

«А еще он повторяет, чтобы мы не пачкали одежду, — запротестовал Хумбаба, — но мы же не обращаем на это внимания…»

«Это другое дело. Это…»

«Без толку! — завопил Гамеш. — Я никогда не стану писцом, и отец задаст мне такую трепку, что я не смогу сидеть, а мать будет, как всегда, жалобно смотреть на меня и говорить, чтобы я больше трудился и думал о семье. Но мне математика в голову не лезет! Вот законы я могу запомнить. Это весело! Смотри: „Если жена господина убьет своего мужа из-за другого мужчины, ее следует прямо на месте посадить на кол“. Вот это по мне. А всякие глупости типа квадратных корней — нет! — он остановился, чтобы глотнуть воздуха, и замахал руками, не в силах сдержать себя. — Уравнения, числа — нам-то что за дело?»

«От них есть польза, — возразил Хумбаба. — Помнишь все эти штуки про закон насчет отрезания ушей рабам?»

«Да, — сказал Гамеш, — наказание за нападение».

«Если выбьешь простолюдину глаз, — подсказал Хумбаба, — то ты должен заплатить ему…»

«Одну серебряную мину», — сказал Гамеш.

«А если сломаешь рабу кость?»

«Заплатишь его хозяину компенсацию в половину цены раба».

Хумбаба захлопнул ловушку: «Вот, а если раб стоит шестьдесят шекелей, то тебе надо знать, сколько будет половина от шестидесяти. Если хочешь стать законником, тебе нужна математика!»

«Ответ — тридцать», — немедленно выпалил Гамеш.

«Видишь! — закричал Набу. — Ты соображаешь в математике!»

«Ясное дело, для такого математика вовсе не требуется, — будущий юрист ударил ладонью по воздуху, пытаясь выразить глубину своих чувств. — Если дело касается реального мира, Набу, то да, я соображаю в математике. Но не тогда, когда речь идет о выдуманных задачках про квадратные корни».

«Квадратные корни нужны, чтобы измерять землю», — вставил Хумбаба.

«Да, но я учусь не для того, чтобы быть сборщиком налогов: мой отец хочет, чтобы я стал писцом, как и он сам, — заметил Гамеш. — Так что не понимаю, зачем мне учить всю эту математику».

«Затем, что она полезна», — повторил Хумбаба.

«Не думаю, что дело только в этом, — тихо сказал Набу. — По-моему, вся суть в истине и красоте — в том, чтобы получить ответ и знать, что он правильный». Но выражение лиц его друзей подсказывало, что убедить их не удалось.

«Для меня — это получить ответ и знать, что он неправильный», — вздохнул Гамеш.

«Математика важна, потому что это истина и красота, — настаивал Набу. — Квадратные корни — это основа для решения уравнений. Они, может быть, и не всюду используются, но это неважно. Они важны сами по себе».

Гамеш собрался уже добавить что-то малоуместное, но тут заметил, как в класс входит учитель. Пришлось скрыть свои слова притворным приступом кашля.

«Доброе утро, мальчики», — приветливо сказал учитель.

«Доброе утро, учитель».

«Покажите мне ваше домашнее задание».

Гамеш вздохнул. Хумбаба выглядел озабоченным. На лице Набу ничего не читалось. Так было лучше.

Возможно, самое удивительное в подслушанном разговоре — если забыть, что это чистейшей воды вымысел — состоит в том, что он происходил около 1100 года до Р.Х. в легендарном Вавилоне.

То есть, я хотел сказать, мог происходить. У нас нет исторических свидетельств о трех мальчиках по именам Набу, Гамеш и Хумбаба, не говоря уж о записи их разговора. Но человеческая природа тысячелетиями не менялась, так что фактологическая подоплека моей истории о трех школьниках прочна как скала.

Нам на удивление много известно о культуре жителей Вавилона из-за того, что свои записи они делали на влажной глине своеобразным клинообразным шрифтом — так называемой клинописью. Когда глина затвердевала под вавилонским солнцем, эти надписи становились практически неуничтожимыми. А если в здании, где хранились глиняные таблички, случался пожар, что, конечно, бывало, то жар превращал глину в керамику, которая могла сохраняться еще дольше.

И наконец, одеяло из песка пустыни помогало сохранять записи сколь угодно долго. Таким образом Вавилон и стал тем местом, с которого начинается письменная история. Там же берет свое начало и история понимания человечеством симметрии — и ее воплощения в систематическую и количественную теорию, «исчисление» симметрии, ни в чем не уступающее по своей мощи дифференциальному и интегральному исчислению, созданному Исааком Ньютоном и Готфридом Вильгельмом Лейбницем. Без сомнения, его истоки можно было бы проследить еще дальше вглубь веков, если бы у нас нашлась машина времени или хотя бы еще немного больше древних глиняных табличек. Но, как нам сообщает письменная история, именно вавилонские математики направили человечество на путь познания симметрии, что в свою очередь радикально повлияло на наше восприятие физического мира.

Математика основывается на числах, но не ограничивается ими. Вавилоняне использовали эффективные обозначения, которые в отличие от нашей десятичной системы (основанной на степенях числа десять), были шестидесятиричными (основанными на степенях числа шестьдесят). Вавилоняне были осведомлены о прямоугольных треугольниках и знали нечто вроде того, что мы сейчас называем теоремой Пифагора, — хотя в отличие от их греческих последователей математики Вавилона, по-видимому, не заботились о подкреплении своих эмпирических открытий логическими доказательствами. Они использовали математику для высших целей — для астрономии, для сельскохозяйственных и религиозных нужд, а также для вполне прозаических задач торговли и сбора налогов. Такая двойственная роль математического знания — выявление порядка в окружающем мире и содействие делам человеческим — неразрывной золотой нитью проходит через всю историю математики.

Самое важное из достижений вавилонских математиков — это начало понимания того, как решать уравнения.

Уравнения — это способ, которым математики находят значение некоторой неизвестной величины, исходя из косвенных данных. «Вот список известных фактов о неизвестном числе; найдите это число». Уравнение, тем самым, есть нечто вроде головоломки, в фокусе которой — число. Нам не говорят, что это за число, а сообщают про него какие-то полезные сведения. Наша задача в том, чтобы решить головоломку, то есть найти неизвестное число. Подобное занятие может показаться несколько отдаленным от геометрической концепции симметрии, но в математике идеи, открытые в одном контексте, как правило, проливают свет и на целый ряд других контекстов. Именно наличие внутренних взаимосвязей придает математике такую интеллектуальную мощь. И именно поэтому числовая система, изобретенная для обслуживания торговых сделок, смогла заодно сообщить древним нечто полезное о движении планет и даже о так называемых неподвижных звездах.

Головоломка может оказаться легкой. «Удвоенное число равно шестидесяти; каково искомое число?» Не надо быть гением, чтобы понять, что неизвестное равно тридцати. Или немного посложнее: «Я умножил некое число на себя и прибавил 25; в результате получилось удесятеренное мое число. Каково оно?» Пробы и ошибки могут привести вас к ответу 5, но пробы и ошибки — это неэффективный метод решения головоломок или уравнений. Что, если в условии заменить 25, скажем, на 23? Или на 26? Вавилонские математики смотрели на метод проб и ошибок свысока, ибо владели секретом намного более глубоким и мощным. Им было известно правило — некоторая стандартная процедура — для решения таких уравнений. Судя по всему, они были первыми людьми, осознавшими, что такие методы существуют.

Связанная с Вавилоном таинственность отчасти проистекает из многочисленных ссылок на него, имеющихся в Библии. Всем известен рассказ о Данииле и пещере льва, место действия которого — Вавилон в правление царя Навуходоносора. Но в последующие времена Вавилон стал почти мифом — городом, давно исчезнувшим с лица земли, разрушенным без всякой надежды на восстановление, а может быть, городом, которого и вовсе никогда не было. Так, во всяком случае, казалось еще около двухсот лет назад.

На протяжении тысячелетий равнины нынешнего Ирака были усеяны странными курганами. Рыцари, возвращавшиеся из Крестовых походов, привозили с собой сувениры, которые они находили в руинах, — кирпичи, украшенные странными знаками, фрагменты не подлежащих расшифровке надписей. Курганы, без сомнения, были останками древних городов, но, кроме этого, почти ничего известно не было.

В 1811 году Клавдий Рич предпринял первое научное исследование древних курганов в Ираке. Он обследовал значительный участок в шестидесяти милях к югу от Багдада по берегу Евфрата и вскоре пришел к выводу, что именно там должны находиться останки древнего Вавилона. Он нанял рабочих для раскопок руин. Среди найденного были кирпичи, клинописные глиняные таблички, прекрасно сохранившиеся цилиндрические печати, позволявшие при прокатывании по мокрой глине создавать оттиски слов и изображений, а также предметы искусства, настолько величественные, что их автор, кем бы он ни был, по праву занял бы место в одном ряду с Леонардо да Винчи и Микеланджело.

Но еще более интересными оказались разбитые клинописные таблички, которыми были завалены места раскопок. Нам очень повезло, что те первые археологи оценили их потенциальную значимость и бережно их сохранили. Как только надписи удалось расшифровать, эти таблички превратились в кладезь информации о жизни и делах вавилонян.

Клинописные таблички и другие находки сообщают нам, что история древней Месопотамии была долгой и сложной, она охватывала много различных культур и государств. По отношению к ним ко всем привычно используется термин «вавилонский» — тот же, который применяется в отношении конкретной культуры, концентрировавшейся вокруг города Вавилон. Однако ядро месопотамской культуры постоянно смещалось, причем сам Вавилон временами возвышался, а временами приходил в упадок. Археологи разбивают вавилонскую историю на два основных периода. Старовавилонский период длился примерно от 2000 до 1600 года до Р.Х., а Нововавилонский период — с 625 по 539 год до Р.X. Интервал между ними занимают Древнеассирийский, Касситский, Среднеассирийский и Новоассирийский периоды — времена пришлых правителей в Вавилоне. Затем вавилонская математика продолжала развиваться в Сирии в продолжение периода, известного как эпоха Селевкидов, еще примерно в течение пяти веков или более.

Культура сама по себе оказалась намного более устойчивой, чем общества, бывшие ее носителями: она оставалась по большей части неизменной на протяжении примерно 1200 лет, хотя иногда ее на время прерывали периоды политических неурядиц. Так что отдельные аспекты вавилонской культуры, не сводящиеся к конкретным историческим событиям, вероятно, возникли задолго до самого раннего из известных нам письменных свидетельств. В частности, имеются указания, что некоторые математические методы, первые дошедшие до нас записи о которых датируются примерно 600 годом до Р.Х., в действительности существовали в намного более раннюю эпоху. По этой причине главное действующее лицо в данной главе — вымышленный писец, которому я дал имя Набу-Шамаш и с которым мы уже встречались в начальной школе, в краткой виньетке о трех школьных друзьях, — неизбежно должно было жить где-то около 1100 года до Р.Х.; родился он, таким образом, в царствование Навуходоносора I.

Все другие персонажи, которые нам встретятся по мере развития нашего рассказа, — реальные исторические фигуры, и их конкретные истории хорошо задокументированы. Но среди миллиона или около того глиняных табличек, которые сохранились со времен древнего Вавилона, не так много документальных свидетельств о каких-либо конкретных людях, за исключением властителей и военных вождей. Так что Набу-Шамашу поневоле придется быть собирательным образом, основанным на правдоподобных умозаключениях, которые в свою очередь основываются на том, что нам удалось узнать о повседневной жизни вавилонян. На его счету нет никаких новых изобретений, но благодаря ему мы получим представление обо всех тех аспектах вавилонского знания, которые существенны для истории симметрии. Имеются веские основания полагать, что все вавилонские писцы должны были получать хорошее образование, важную часть которого составляла математика.

Имя нашего вымышленного писца представляет собой комбинацию двух настоящих вавилонских имен — покровительствовавшего писцам бога Набу и бога Солнца Шамаша. В вавилонской культуре обыкновенных людей нередко называли именами богов, хотя, быть может, два таких имени и воспринимались бы как некоторый перебор. Но в силу причин нарративного характера нам приходится называть его как-то более определенно, чем просто «писец», сохраняя при этом дух того времени. Итак, когда Набу-Шамаш родился, в Вавилоне правил Навуходоносор I — наиболее значительный монарх Второй династии Исина. Это был не его знаменитый библейский тезка, которого обычно называют Навуходоносором II (тот был сыном Набопаласара и правил с 605 по 562 год до Р.Х.).

Правление Навуходоносора II было временем величайшего расцвета Вавилона, как в том, что касалось богатства города, так и в смысле его влияния в регионе. Вавилон процветал также и при власти его предшественника, носившего то же имя, при котором вавилонское владычество распространилось на Аккад и гористые области на севере. Однако в правление Аш-шур-реш-иши и его сына Тиглатпаласара I Аккад, по сути дела, вышел из-под вавилонского контроля, так что для укрепления безопасности были предприняты военные действия против племен, живших в горах и пустынях, что окружали его с трех сторон.

Таким образом, детство Набу-Шамаша пришлось на относительно спокойный период вавилонской истории, хотя к тому времени, как наш герой превратился в юношу, звезда Вавилона начала тускнеть, а жизнь постепенно становилась все менее предсказуемой.

Набу-Шамаш родился в типичной для «высших классов» семье в вавилонском Старом Городе, недалеко от канала Либил-Хигалла и вблизи от заслуженно прославленных ворот Иштар — церемониального входа в город, — украшенных цветными керамическими кирпичами замысловатых форм — там были быки, львы и даже драконы. Дорога, проходящая через ворота Иштар, поражала своей шириной, достигавшей 20 метров; она была вымощена плитками известняка, положенными на асфальтовое покрытие, которое в свою очередь покоилось на кирпичном основании. Называлась она «Да не получит враг победы» — довольно типичное название для вавилонских главных дорог — но широко известна была под именем Дороги Процессий, поскольку использовалась жрецами, проносившими через город бога Мардука, когда того требовал ритуал.

Семейный дом был построен из сделанного из земли обожженного кирпича, стены его достигали шести футов в толщину, чтобы не пропускать внутрь солнце. Во внешних стенах имелось несколько проемов — главным из которых был вход на первом этаже, — а сами стены поднимались на высоту трех этажей, причем для строительства верхнего этажа применялись более легкие материалы, главным образом дерево. Семья владела большим количеством рабов, которые занимались обычной домашней работой. Рабы жили рядом с кухней, справа от входа. Семья занимала комнаты слева: там были длинная гостиная, спальни и санузел. Во времена Набу-Шамаша ванных не существовало, хотя из других эпох до нас и дошло нечто подобное. Вместо этого рабы лили воду на голову и тело моющегося так, что получалось некоторое подобие современного душа. В центре располагался открытый дворик, а в глубине размещались кладовые.

Отец Набу-Шамаша был служащим при дворе не известного нам по имени царя, правившего перед Навуходоносором I. Обязанности его были главным образом бюрократическими: он отвечал за управление целой областью, обеспечивая поддержание там закона и порядка, должную ирригацию полей и полный сбор всех необходимых налогов. Отец Набу-Шамаша в свое время также учился на писца, потому что грамотность и владение счетом были основными требованиями, предъявляемыми к любому, кто находился на госслужбе в ее вавилонском варианте.

Согласно закону, приписываемому богу Энлилю, каждый мужчина должен продолжать род занятий своего отца, поэтому ожидалось, что Набу-Шамаш именно так и поступит. Однако профессия писца открывала и другие возможности для карьеры, в первую очередь — в качестве жреца, так что обучение в школе писцов позволяло в дальнейшем выбирать профессию.

Нам известно, из чего складывалось образование Набу-Шамаша, потому что примерно из того же периода до нас дошли многочисленные записи, сделанные по-шумерски учениками школы писцов. Из этих записей совершенно ясно, что Набу-Шамашу повезло с родителями, поскольку на поступление в такие школы могли рассчитывать только сыновья богатых людей. На самом деле качество вавилонского образования было столь высоким, что знатные иностранцы отправляли туда на обучение своих сыновей.

Школа называлась Домом Табличек, что, надо полагать, служило указанием на глиняные таблички, используемые для письма и арифметики. В ней был старший учитель, к которому обращались «Мастер» или «Отец-учитель». Имелся и классный надзиратель, основной задачей которого было следить за поведением учеников; были специальные учителя по шумерскому языку и математике. У старшего учителя имелись помощники, называемые «Братья Отца», в обязанности которых входило поддержание порядка. Как и все учащиеся, Набу-Шамаш жил дома и ходил в школу каждый день — примерно 24 дня в течение месяца из 30 дней. У него было три свободных дня для отдыха, а еще три набиралось за счет религиозных праздников.

Обучение Набу-Шамаша началось с овладения шумерским языком, в особенности его письменным вариантом. В наличии были словари и сборники упражнений по грамматике, а также длинные упражнения для переписывания — официальные фразы, технические термины, имена. Затем Набу-Шамаш перешел к изучению математики, и именно эти его занятия особенно важны для нашего рассказа.

Что именно изучал Набу-Шамаш? Для всех, кроме философов, логиков и зануд-математиков, число есть последовательность цифр, написанных одна за другой. Так, год, в который я пишу эту фразу, обозначается числом 2006, представляющим собой последовательность из четырех цифр. Но, как не преминут заметить педанты, эта последовательность цифр есть вовсе не число, а только его обозначение, и, кстати, обозначение довольно замысловатое. В нашей привычной десятичной системе используются всего десять цифр — символы от 0 до 9, — но они позволяют представить любое, сколь угодно большое число. Некоторое расширение этой системы позволяет также представлять очень малые числа; точнее говоря, она позволяет представлять численные измерения с очень высоким уровнем точности. Так, согласно самым точным на данный момент измерениям, скорость света приблизительно равна 1079 252 848,8 километра в час.

Эти обозначения нам так привычны, что мы забываем, как хитро они устроены — и как трудно в них разобраться, когда мы видим их первый раз. Ключевое свойство, на котором основано все остальное, состоит вот в чем: численное значение какого-либо символа, например 8, зависит от того, где он располагается по отношению к другим символам. Символ «8» не имеет постоянного значения, не зависящего от контекста. В числе, которое выражает скорость света, цифра 8 непосредственно перед десятичной запятой действительно означает «восемь». Но другая 8 в том же числе означает «восемьсот».

Было бы исключительно неприятно иметь систему письма, в которой значение буквы зависело бы от ее местоположения в слове. Представим себе, например, во что превратился бы процесс чтения, если бы две буквы «а» в слове «алфавит» имели бы полностью различные значения. Однако позиционная система для обозначения чисел настолько удобна и эффективна, что нам трудно себе представить, как можно пользоваться каким-либо другим способом.

Но не всегда дело обстояло таким образом. Нашим современным обозначениям не более 1500 лет, а в Европе их впервые ввели в употребление лишь немногим более 800 лет назад. Даже сегодня для одних и тех же десятичных цифр в различных культурах используются различные символы — достаточно взглянуть на любую египетскую денежную банкноту. Представители древних культур записывали числа множеством самых разнообразных и необычных способов. Вероятно, лучше всего нам известна римская система, в которой число 2006 имеет вид MMVI. В древней Греции то же число имело бы вид β ζ . Вместо наших 2, 20, 200 и 2000 римляне писали II, XX, CC и ММ, а греки — β, κ, σ и β .

Вавилоняне были самой ранней из известных нам культур, использовавших нечто родственное нашим позиционным обозначениям. Однако с одним важным отличием. В десятичной системе при каждом смещении цифры на одну позицию влево ее численное значение умножается на десять. Так, 20 есть 2, умноженное на десять, а 200 — 20, умноженное на десять. В вавилонской же системе каждое смещение влево приводило к умножению числа на шестьдесят. Так, 20 означало бы 2 умножить на 60 (120 в наших обозначениях), а 200 — 2 умножить на 60 умножить на 60 (7200 в наших обозначениях). Разумеется, они не использовали тот же символ «2»; число два они записывали, повторяя дважды тонкий вертикальный клинообразный символ, как показано на рисунке. Повторяя этот знак нужное число раз, они записывали числа от одного до девяти. Для чисел, превосходящих девять, они добавляли другой символ — повернутый клин, который обозначал число десять; повторяя этот символ соответствующее число раз, они записывали числа двадцать, тридцать, сорок и пятьдесят. Так, например, наше число 42 изображалось четырьмя повернутыми клиньями, за которыми шли два вертикальных клина.

Вавилонские числительные с основанием 60.

По причинам, о которых остается только догадываться, эта система прекращалась на 59. Вавилоняне не рисовали шесть повернутых клиньев, чтобы составить 60. Вместо этого они снова использовали вертикальный узкий клин, который ранее обозначал единицу, но теперь ему придавалось значение «один раз по шестьдесят». Два таких клина означали 120. Но они могли также обозначать и «два». Какое именно значение имелось в виду, требовалось понимать из контекста, а также из расположения символов друг относительно друга. Например, если имелось два вертикальных клина, потом пробел, а потом снова два вертикальных клина, то первая группа означала сто двадцать, а вторая — два, подобно тому как символы «2» в нашей записи 22 означают двадцать и два.

Этот метод распространялся и на значительно большие числа. Вертикальный клин мог означать 1, или 60, или 60×60 = 3600, или 60×60×60 = 216 000, и так далее. Три нижние группы на рисунке обозначают число 60×60 + 3×60 + 12, которое мы бы записали как 3792. Большая проблема здесь состоит в том, что обозначения допускают некоторые неоднозначности. Если перед вашими глазами одни только вертикальные клинья, то означают ли они 2, 60×2 или 60×60×2? Означает ли повернутый клин, за которым идут два вертикальных, 12×60 + 2, или 12×60×60 + 2, или даже 10×60×60 + 2×60? Ко времени Александра Македонского вавилоняне устранили эти неоднозначности за счет использования пары небольших диагональных клиньев для указания пустой позиции при записи числа; фактически они изобрели символ для нуля.

Почему вавилоняне использовали шестидесятиричную систему, а не привычную нам десятичную? На их выбор могло повлиять полезное свойство числа 60: у него много разных делителей. Оно нацело делится на числа 2, 3, 4, 5 и 6. Оно также делится на 10, 12, 15, 20 и 30. Это свойство оказывается довольно удобным, когда дело доходит до деления вещей, будь то зерно или земля, на нескольких людей.

Чашу весов вполне мог склонить вавилонский метод измерения времени. По-видимому, вавилонцы находили удобным делить год на 360 дней, несмотря на то что они были превосходными астрономами и знали, что число 365 выражает длину года точнее, a 3651/4 — еще точнее. Их слишком сильно завораживало арифметическое соотношение 360 = 6×60. В действительности в том, что касалось указания времени, вавилоняне забывали о правиле, что перенесение символов на одну позицию налево означает умножение на шестьдесят, а вместо этого умножали на шесть, так что выражение, которое должно было бы обозначать 3600, в действительности интерпретировалось как 360.

Привязка к числам 60 и 360 дошла до наших дней — это привычные нам 360 градусов в окружности (по одному градусу на один вавилонский день), а также 60 секунд в минуте и 60 минут в часе. Старые культурные условности обладают удивительной живучестью. Меня особенно умиляет, как в наш век потрясающей компьютерной графики создатели фильмов датируют свои произведения римскими числительными.

Все это, за исключением знака «нуль», Набу-Шамаш и должен был проходить на начальных этапах своего обучения. Ему предстояло научиться ловко и быстро наносить на сырую глину тысячи маленьких клинышков. И подобно тому, как современные школьники не без усилий осваивают переход от целых чисел к обычным и десятичным дробям, так и Набу-Шамаш должен был рано или поздно встретиться с вавилонским методом записи таких чисел, как одна вторая или одна треть, или более сложных долей единицы, жесткая необходимость в которых диктовалась реальностями астрономических наблюдений.

Чтобы по полдня не выписывать клинья, исследователи представляют вавилонскую систему счисления, используя смесь старых и новых обозначений. Вместо групп из клиньев записываются десятичные числа, разделенные запятыми. Так что последняя группа на рисунке запишется как 1,3,12. Такое соглашение экономит массу дорогостоящего типографского набора, а при этом удобно для чтения, так что мы будем поступать также.

Как же записал бы вавилонский писец число «одна вторая»?

В нашей арифметике эта задача решается двумя различными способами. Число или записывается как дробь 1/2, или же используется знаменитая десятичная запятая, с помощью которой число представляется как 0,5. Обозначения в виде обыкновенной дроби более интуитивны и исторически возникли раньше; десятичные же обозначения несколько сложнее охватить своим умом, однако они удобнее при вычислениях, поскольку представляют собой естественное расширение правила «позиция-значение», действующего для целых чисел. Символ 5 в числе 0,5 означает «5, деленное на 10», а в числе 0,05 — «5, деленное на 100». Перемещение символа на одну позицию влево умножает его на 10; перемещение на одну позицию вправо делит его на 10. Все очень внятно и логично.

В результате десятичная арифметика по сути такова же, как арифметика целых чисел, за исключением того факта, что нужно следить за положением десятичной запятой.

Вавилоняне использовали ту же идею, но с основанием 60. Дробь 1/2 надо было выразить как дробь 1/60, взятую некоторое число раз. Очевидно, правильное число — 30/60, так что они записывали число «одна вторая» как 0;30, где современные исследователи применяют точку с запятой для указания на «шестидесятиричную запятую», которая в клинописных обозначениях опять же представлялась пробелом. Вавилоняне могли выполнять довольно сложные вычисления: например, известное им значение квадратного корня из 2 составляло 1;24,51,10, что отличается от истинного значения менее чем на одну стотысячную. Они успешно использовали эту точность как в теоретической математике, так и в астрономии.

Самый восхитительный метод, который предстояло изучать Набу-Шамашу, коль скоро речь идет о нашей главной теме — симметрии, — это метод решения квадратных уравнений. Нам много всего известно о вавилонских методах решения уравнений. Из примерно миллиона известных вавилонских глиняных табличек около пятисот посвящены математике. В 1930 году востоковед Отто Нейгенбауэр понял, что запись на одной из этих табличек демонстрирует полное понимание того, что мы называем квадратными уравнениями. Это уравнения, которые содержат неизвестную величину и ее квадрат, перемешанные с различными конкретными числами. Без квадрата уравнение называлось бы «линейным», и такие уравнения решать проще всего. Уравнение, в которое входит куб неизвестного (т.е. неизвестное, умноженное на себя, а потом еще раз на себя), называется «кубическим». Вавилоняне, по-видимому, знали хитрый способ нахождения приближенных решений определенных типов кубических уравнений на основе численных таблиц. Однако все, в чем мы можем быть уверены, — это существование самих таблиц. Можно только предполагать, для чего они использовались, и наиболее вероятный кандидат — кубические уравнения. Но из табличек, которые изучал Нейгенбауэр, ясно следует, что квадратные уравнения писцы освоили полностью.

Типичное квадратное уравнение, которому около 4000 лет, формулируется так: «Найти сторону квадрата, если площадь минус сторона составляет 14,30». Сюда входит квадрат неизвестного (площадь квадрата), а также само неизвестное. Другими словами, в задаче требуется решить квадратное уравнение. На той же табличке довольно бесцеремонно приводится решение: «Возьми половину от 1, что есть 0;30. Умножь 0;30 на 0;30, что даст 0;15. Прибавь это к 14,30, и получишь 14,30;15. Это квадрат числа 29;30. Теперь прибавь 0;30 к 29;30. Результат равен 30 — стороне квадрата».

Что же тут делается? Запишем все эти действия в современных обозначениях.

Возьми половину от 1, что есть 0;30 1 / 2
Умножь 0;30 на 0;30, что есть 0;15 1 / 4
Прибавь это к 14,30, и получишь 14,30;15 870 1 / 4
Это квадрат числа 29;30 870 1 / 4 = (29 1 / 2 )×(29 1 / 2 )
Теперь прибавь 0;30 к 29;30 29 1 / 2 + 1 / 2
Результат равен 30, стороне квадрата 30

Самый сложный шаг — четвертый, где требуется найти число (равное 291/2), квадрат которого составляет 8701/4. Число 291/2 есть квадратный корень из 8701/4. Квадратные корни — основное средство для решения квадратных уравнений, а когда математики попытались применить подобные же методы к решению более сложных уравнений, и родилась современная алгебра.

Ниже мы интерпретируем эту задачу, используя современные алгебраические обозначения. Но важно понимать, что вавилоняне не использовали алгебраические формулы как таковые. Вместо этого под видом типичного примера они описывали конкретную процедуру, которая и приводила к ответу. Но ясно, что они осознавали, что в точности та же самая процедура сработает, если взять другие числа.

Коротко говоря, они умели решать квадратные уравнения, и именно их метод — хотя и не в том самом виде, как они его выражали — мы используем по сей день.

Как вавилоняне смогли открыть свой метод решения квадратных уравнений? Прямых свидетельств у нас нет, но кажется правдоподобным, что они натолкнулись на него, рассуждая геометрически. Возьмем более простую задачу, которая приводит к тому же рецепту. Предположим, что мы нашли табличку, на которой говорится: «Найти сторону квадрата, если площадь плюс две стороны равна 24». В более современных терминах — квадрат неизвестного плюс удвоенное неизвестное равно 24. Это можно представлять себе так, как показано на рисунке.

Геометрическое представление квадратного уравнения.

Здесь вертикальный размер квадрата и прямоугольника слева от знака равенства соответствует неизвестному, а малые квадраты имеют единичный размер. Если разбить высокий прямоугольник пополам и приклеить два полученных куска к квадрату, то получится фигура, имеющая вид квадрата с одним недостающим углом. Рисунок подсказывает, что надо «дополнить квадрат» путем прибавления к обеим частям уравнения недостающего угла.

Дополнение квадрата.

Теперь у нас имеется квадрат слева и 25 единичных квадратов справа. Соберем их в квадрат 5×5:

Теперь решение очевидно: неизвестное плюс один при возведении в квадрат дает квадрат числа пять. Извлекая квадратные корни, находим, что неизвестное плюс один равно пяти; не надо быть гением, чтобы найти неизвестное: оно равно четырем.

Такое геометрическое описание в точности соответствует вавилонскому методу решения квадратных уравнений. В более сложном примере из табличек используется в точности тот же рецепт. На табличке лишь приведен рецепт, но не сказано, откуда он взялся, однако геометрическая картина согласуется и с другими косвенными свидетельствами.

 

Глава 2

Имя на устах

Многие из величайших математиков древнего мира жили в египетском городе Александрия, расположенном между пятью крупными оазисами, выдающимися в пустыню к западу от Нила. Один из оазисов — Сива — был известен своими соляными озерами, которые наполняются за зиму и высыхают в летнюю жару. Соль проникла в почву и стала главным источником головной боли для археологов, поскольку она пропитывает древние камни, и остающийся на них соляной налет медленно разрушает остовы зданий.

Наиболее популярное туристическое место в Сиве — Агурми, в прошлом храм, посвященный богу Амону. Божественность Амона была столь велика, что основной его аспект представляет собой нечто абстрактное, но затем его стали отождествлять с более осязаемой сущностью — происхождением бога Ра, Солнцем. Построенный во времена 26-й династии храм Амона в Сиве был обителью знаменитого оракула, известного, в частности, в связи с двумя крупными историческими событиями.

Первое — это гибель армии Камбиса II, персидского царя, покорившего Египет. Передают, что в 523 году до Р.Х., намереваясь использовать оракула храма Амона для утверждения своего правления, Камбис отправил в Западную пустыню военный отряд. Армия дошла до оазиса Бахарийа, но погибла в песчаной буре по дороге к Сиве. Многие египтологи склонялись к мысли, что «потеря армии Камбиса» может оказаться мифом, но в 2000 году группа исследователей из Каирского университета Хелван, занимавшаяся поисками нефти, нашла в том районе куски ткани, металла и человеческие останки, которые могли быть останками погибшей армии.

Второе событие, произошедшее двумя столетиями позже, представляет собой исторический факт — это судьбоносный визит в Сиву Александра Македонского, имевшего перед собой в точности ту же цель, что и Камбис.

Александр был сыном царя Филиппа II Македонского. Дочь Филиппа Клеопатра вышла замуж за эпирского царя Александра, причем во время свадебной церемонии Филиппа убили. Убийцей мог быть любовник Филиппа Павсаний, огорченный тем, что царь никак не реагировал на жалобы, с которыми Павсаний к нему обращался. Убийство могло оказаться и результатом персидского заговора, инспирированного Дарием III. Если это так, то персы получили сполна, поскольку македонская армия немедленно провозгласила царем Александра, и 20-летний монарх совершил знаменитый поход, завоевав большую часть известного тогда мира. По пути, в 332 году до Р.Х., он без единой битвы покорил Египет.

Чтобы закрепить свою власть над Египтом, Александр провозгласил себя заодно и фараоном, а затем совершил паломничество в Сиву с целью задать оракулу вопрос, является ли спрашивающий богом. Он отправился к оракулу в одиночестве, а вернувшись, огласил его вердикт: да, оракул подтвердил, что он действительно бог. Этот ответ оракула стал основой его власти. Позднее распространились слухи, будто оракул сообщил ему, что он — сын Зевса.

Не вполне ясно, произвело ли на египтян впечатление это несколько легковесное свидетельство, или же, с учетом размеров армии, находившейся под командованием Александра, они сочли за лучшее со всем согласиться. Возможно, они уже пресытились владычеством персов и рассматривали Александра как меньшее из двух зол — именно по этой причине его уже встречали с распростертыми объятиями в бывшей столице Египта Мемфисе. Какая бы истина ни скрывалась за этой историей, египтяне начиная с того момента почитали Александра как своего властителя.

По пути к Сиве, очарованный той частью страны, что лежит между Средиземным морем и озером, приобретшем известность под именем Мареотиса, Александр решил построить там город. Планировал строительство города, скромно названного Александрией, греческий архитектор Динократ, руководствуясь при этом набросками, сделанными самим Александром. Датой основания города иногда считается 7 апреля 331 года до Р.Х.; некоторые оспаривают достоверность этой даты, но в любом случае она должна быть близка к 334 году до Р.Х. Александру не довелось увидеть своего творения — во второй раз он прибыл в эту страну, чтобы быть там похороненным.

Так, по крайней мере, утверждает освященная временем легенда, но истина, вероятно, более сложна. Теперь представляется, что значительная часть будущей Александрии уже существовала на момент прибытия туда Александра. Египтологи давно обнаружили, что многие надписи не слишком надежны. Великий храм в Карнаке, например, изобилует орнаментами, посвященными Рамсесу II. На самом же деле значительную его часть построил отец Рамсеса Сети I, и следы — порой весьма заметные — посвященных отцу надписей можно разглядеть под теми, которые были высечены в честь сына. Подобное посягательство являлось общим местом и даже не считалось проявлением непочтительности. Другое дело — обезобразить останки предшественника, скажем, стесать лицо у статуи фараона: такой поступок весьма определенно свидетельствовал о недостатке уважения, так как из-за потери идентичности предшественник мог лишиться законного места в загробной жизни.

Имя Александра было выбито повсюду, на каждом здании в древней Александрии. Его имя было, так сказать, выбито и на самом городе. Тогда как другие фараоны присваивали разрозненные здания или памятники, Александр присвоил целый город.

Александрия превратилась в один из главных морских портов; протоки Нила и канал связывали ее с Красным морем, а оттуда — с Индийским океаном и Дальним Востоком. Она стала центром знания, в ней размещалась знаменитая библиотека. И там родился один из наиболее влиятельных математиков в истории — геометр Эвклид.

Об Александре нам известно намного больше, чем об Эвклиде — и это при том, что о масштабе влияния каждого из них на нашу цивилизацию на протяжении веков еще можно поспорить, и пожалуй, влияние Эвклида окажется даже больше. Если в математике есть такая вещь, как имя, которое у всех на устах, то это имя Эвклид. О жизни Эвклида нам известно мало, зато о его работах — много. На протяжении нескольких столетий слова «математика» и «Эвклид» воспринимались в Западном мире практически как синонимы.

Почему Эвклид приобрел такую известность? Ведь были математики и более великие, и более значительные. Но в течение без малого двух тысяч лет имя Эвклида было известному каждому, кто изучал математику по всей Западной Европе и (в несколько меньшей степени) в арабском мире. Он был автором одного из самых знаменитых математических текстов в истории — «Начал геометрии» (обычно сокращаемых просто до «Начал»). После изобретения книгопечатания эта работа оказалась среди самых первых книг, появившихся в печатном виде. Она была опубликована в более чем тысяче различных изданий и в этом уступает одной только Библии.

О Эвклиде нам известно чуть больше, чем о Гомере. Он родился в Александрии около 325 года до Р.Х. и умер около 265 года до Р.Х.

Сказав это, я с неудовольствием чувствую, что мне тут же надо бы взять свои слова назад. Идея, согласно которой Эвклид действительно существовал и был единственным автором «Начал», — это только одна из трех теорий. Вторая состоит в том, что он существовал, но не писал «Начала» — по крайней мере не писал их сам. Он мог возглавлять группу математиков, создавших «Начала» коллективно. Суть третьей теории — более спорной, но все еще лежащей в рамках возможного — в том, что такая группа существовала, но сильно смахивала на группу математиков — по большей части французов и по большей части молодых, — писавших в середине двадцатого столетия под именем Николя Бурбаки. Так что «Эвклид» может оказаться коллективным псевдонимом. Тем не менее наиболее убедительная версия, похоже, состоит в том, что Эвклид все же существовал и что это был один человек, который сам и написал «Начала».

Это не означает, что Эвклид сам открыл все математическое содержание, которое вы найдете на страницах его книги. Он собрал воедино и упорядочил значительную часть древнегреческого математического знания. Он заимствовал у предшественников и сам оставил богатое наследие своим последователям, а кроме того, скрепил весь предмет печатью своего авторитета.

«Начала» обычно рассматривают как книгу по геометрии, но в ней также нашлось место теории чисел и некоторым зачаткам алгебры — однако все это изложено с геометрических позиций.

О жизни Эвклида мы знаем очень немного. Позднейшие комментаторы включили в свои работы обрывочные сведения о нем, ни одно из которых современные исследователи подтвердить не могут. Они сообщают, что Эвклид преподавал в Александрии, и отсюда обычно выводят, что в этом городе он и родился, но так ли это на самом деле, нам не известно. В 450 году, более чем через семь веков после смерти Эвклида, в пространном комментарии по поводу его математики философ Прокл писал:

Эвклид… собрал воедино Начала, наведя порядок во многих теоремах Эвдокса, доведя до совершенства многие из теорем Теэтета, а также довел до неоспоримых доказательств те вещи, которые были лишь нестрого доказаны его предшественниками. Этот муж жил во времена первого из Птолемеев; ибо Архимед, который жил недолгое время спустя после первого Птолемея, упоминает Эвклида, а кроме того, говорят, что Птолемей однажды спросил его, имеется ли более краткий путь к изучению геометрии, чем чтение «Начал», на что тот ответил, что царского пути к геометрии нет. Поэтому он моложе, чем окружение Платона, но старше, чем Эратосфен и Архимед; ибо последние были современниками, как в одном месте говорит об этом Эратосфен. В душе он был платоником, испытывал склонность к этой философии, а посему и заключил свои Начала построением так называемых Платоновых тел.

Внимательное изучение некоторых из тем в «Началах» не прямо, но убедительно свидетельствует, что Эвклид должен был в какой-то момент учиться в Платоновой Академии в Афинах. Только там, например, он мог узнать о геометрии Эвдокса и Теэтета. Что касается его характера, то все, что у нас есть, — это некоторые фрагменты из Паппа, который сообщает, что Эвклид был «мягок и любезен со всеми, кто мог хоть в малейшей степени способствовать развитию математики, внимательно следил, чтобы никого каким-либо образом не задеть, но при этом был настоящим ученым, не превозносящим самого себя». Дошло до нас и несколько анекдотов, один из которых передает Стробей. Один из учеников Эвклида спросил его, какова будет его выгода от изучения геометрии. Эвклид позвал раба со словами: «Дай этому человеку три обола, раз он хочет извлекать прибыль из учебы».

Отношение греков к математике сильно отличалось от того, которое господствовало среди вавилонян и египтян. В тех культурах математика рассматривалась в первую очередь в практическом плане — хотя «практическое» могло означать такую ориентацию тоннеля в пирамиде, чтобы душе-ка умершего фараона легче было отправиться напрямую к Осирису. Для некоторых же из греческих математиков числа были не инструментами, время от времени привлекавшимися для подкрепления мистических верований, а самой сутью этих верований.

Аристотель и Платон сообщают о культе, центральной фигурой которого был Пифагор и который расцвел около 550 года до Р.Х. Согласно верованиям адептов этого культа, математика, в особенности числа, есть основа всего творения. Пифагорейцы развили мистические взгляды на гармонию вселенной, основанные отчасти на том открытии, что гармония нот на струнном инструменте связана с простыми математическими закономерностями. Если струна звучит на определенной ноте, то струна вполовину короче звучит на октаву выше, что дает наиболее гармоничный из всех интервалов. Они исследовали различные числовые закономерности, в частности «многоугольные» числа, возникающие, когда объекты выстраиваются так, чтобы образовать многоугольники. Например, «треугольные числа» 1, 3, 6 и 10 возникают из треугольников, а «квадратные числа» 1, 4, 9 и 16 — из квадратов.

Треугольные и квадратные числа.

Пифагореизм включал в себя не лишенную определенных странностей нумерологию — например, число 2 рассматривалось как мужское, а 3 как женское, — но тот взгляд, что глубинная структура природы имеет математический характер, и сегодня лежит в основе большей части теоретического знания. Хотя поздняя греческая геометрия была менее мистической, греки в целом воспринимали математику как самоцель — скорее как ветвь философии, нежели как инструмент.

Есть причины полагать, однако, что этим не все сказано. Твердо установлено, что Архимед, который мог бы быть учеником Эвклида, использовал свои математические способности для создания мощных машин и военных механизмов. Сохранилось очень немного замысловатых греческих устройств, изобретательный замысел и точность исполнения которых указывают на поддерживаемую в полной мере традицию высокого мастерства — античный вариант «прикладной математики». Самый, возможно, известный пример — это механизм, найденный на морском дне вблизи островка Антикитера: по-видимому, он представляет собой устройство для расчета движения небесных тел, выполненное в виде шестеренок, сложным образом сцепленных друг с другом.

Эвклидовы «Начала», без сомнения, укладываются в это утонченное представление о греческой математике — потому, возможно, что это представление в значительной мере и основано на «Началах». Основной акцент в книге делается на логику доказательства, при этом нет ни намека на возможность их практического применения. Но самое важное для нашего рассказа свойство «Начал» не в том, что там говорится, а в том, чего там нет.

Эвклид осуществил два великих нововведения. Первое — это концепция доказательства. Эвклид отказывается принимать какое бы то ни было математическое утверждение как истинное, пока оно не установлено с помощью последовательности логических шагов, которые позволяют вывести данное утверждение из того, что уже известно. Второе нововведение — это осознание того факта, что процесс доказательства должен иметь начало и что эти исходные утверждения доказать нельзя. Таким образом, Эвклид формулирует пять фундаментальных предположений, на которых основываются все его дальнейшие построения. Четыре из них просты и непосредственны: две точки можно соединить прямой линией; любой конечный отрезок прямой можно продолжить; можно провести окружность с любым центром и любым радиусом; все прямые углы равны между собой.

Но пятый постулат — совсем другого рода. Он длинный и сложный, а утверждаемое в нем вовсе не столь самоочевидно. Его основное следствие состоит в существовании параллельных прямых — таких, которые никогда не пересекаются, но продолжаются без ограничения в одном и том же направлении, при этом всегда находясь на одном и том же расстоянии друг от друга, как два тротуара по сторонам бесконечно длинной, идеально прямой дороги. В действительности Эвклид формулирует требование, чтобы при пересечении двух линий третьей первые две пересекались с той стороны, где два образованных угла дают в сумме величину, меньшую двух прямых углов. Оказывается, что это предположение логически эквивалентно существованию в точности одной линии, параллельной заданной линии и проходящей через заданную точку вне этой линии.

Пятый постулат Эвклида.

В течение столетий пятый постулат рассматривался как позорное пятно — как нечто такое, что следует устранить путем вывода его из четырех других или же заменой его на нечто более простое и столь же самоочевидное, как и остальные постулаты. К девятнадцатому столетию математики поняли, что Эвклид был абсолютно прав, когда включил в свои предположения пятый постулат: им удалось доказать, что его нельзя вывести из остальных.

Для Эвклида логические доказательства составляли существенное свойство геометрии, и доказательство поныне остается фундаментом всей математики. Утверждение, у которого нет доказательства, воспринимается с подозрением вне зависимости от того, сколь много конкретных свидетельств говорит в его пользу и сколь важными могут оказаться его следствия. Физики, инженеры и астрономы, напротив, нередко относятся к доказательствам с пренебрежением — как к некоторому педантичному довеску, поскольку у них есть для него эффективная замена — наблюдение.

В качестве примера представим себе астронома, который пытается вычислить движение Луны. Он запишет математические уравнения, определяющие движение Луны, и тут же застрянет, поскольку не видно никакого способа решить эти уравнения точно. Тогда наш астроном может слегка схитрить, вводя в свои уравнения различные упрощающие приближения. Математика будет волновать вопрос, могут ли эти приближения серьезно повлиять на ответ, и он будет стремиться доказать, что с ними все в порядке. У астронома же есть иной способ проверить осмысленность своих действий. Он может посмотреть, действительно ли движение Луны таково, как следует из его вычислений. Если да, то этим одновременно обосновывается метод (поскольку получается правильный ответ) и проверяется теория (по той же причине). Замкнутого логического круга здесь нет, потому что если метод математически некорректен, то почти наверняка он не позволит правильно предсказать движение Луны.

Без доступа к роскоши наблюдений или экспериментов математикам приходится проверять свою работу, исходя из ее внутренней логики. Чем важнее следствия из некоторого утверждения, тем важнее убедиться, что это утверждение истинно. Так что доказательство становится даже еще важнее, когда всем хочется, чтобы данное утверждение было верным, или когда из его истинности будет вытекать огромный объем следствий.

Доказательства не могут висеть в воздухе, и их нельзя до бесконечности возводить к другим, логически им предшествующим. Где-то у них должно быть начало, и начало это по определению состоит из вещей, которые не доказываются и никогда не будут доказываться. Сегодня мы называем эти недоказываемые исходные предположения аксиомами. Для математической теории аксиомы представляют собой правила игры.

Всякий, кто возражает против аксиом, может при желании их изменить; однако результатом таких действий будет совсем другая история. Математика не утверждает, что некоторое утверждение истинно: она утверждает, что если принять ряд предположений, то данное утверждение должно быть их логическим следствием. Отсюда не следует, что аксиомы не подлежат изменениям. Математики могут обсуждать вопрос о том, предпочтительна ли данная система аксиом по сравнению с другими в отношении тех или иных целей, или же вопрос о том, представляет ли данная система какой-нибудь интерес сама по себе. Но эти дискуссии не касаются внутренней логики любой из выбранных систем аксиом и получаемых из них следствий. Они касаются лишь того, какие из этих систем заслуживают внимания, вызывают интерес или представляют собой хорошее развлечение.

Следствия из аксиом Эвклида — длинная, тщательно отобранная цепочка логических построений — простираются необычайно далеко. Например, он доказывает — применяя логику, которая в его дни считалась безукоризненной, — что, коль скоро вы принимаете его аксиомы, вы неизбежно должны заключить следующее.

• Квадрат гипотенузы прямоугольного треугольника равен сумме квадратов двух других его сторон.

• Существует бесконечно много простых чисел.

• Существуют иррациональные числа — такие, которые не выражаются в виде дроби. Примером является квадратный корень из двух.

• Имеется ровно пять правильных тел: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр.

• Любой угол можно точно разделить на две равные части, используя только циркуль и линейку.

• Можно построить правильные многоугольники с 3, 4, 5, 6 , 8, 10 и 12 сторонами, используя только циркуль и линейку.

Я выразил эти «теоремы», как называются любые обладающие доказательством математические утверждения, на современном языке. Язык Эвклида отличался довольно сильно: Эвклид не работал непосредственно с числами. Все, что мы интерпретируем как свойства чисел, формулируется у него в терминах длин, площадей и объемов.

Содержание «Начал» разбивается на две основные категории. Имеются теоремы, говорящие нам, что некое утверждение истинно. И имеются конструкции, говорящие нам, как что-либо можно сделать.

Типичная и заслуженно знаменитая теорема — это Предложение 47 Книги I «Начал», широко известное как теорема Пифагора. Она гласит, что самая длинная сторона в прямоугольном треугольнике находится в определенной связи с двумя другими. Но без дополнительных усилий или интерпретации она не дает метода для достижения какой-либо цели.

Теорема Пифагора.

Конструкция, существенная для нашего рассказа, содержится в Предложении 9 из Книги I, где Эвклид решает задачу «бисекции» (деления пополам) углов. Эвклидов метод деления угла пополам прост, но остроумен, с учетом ограниченных возможностей, доступных на той ранней стадии развития. Если задан угол (1), образованный двумя отрезками прямых, поместите циркуль в точку пересечения этих отрезков (2) и проведите окружность, которая пересечет отрезки в двух точках, по одной на каждом (черные точки). Теперь проведите (3) две окружности того же радиуса с центрами в полученных точках. Они пересекутся в двух точках (отмечена только одна из них), после чего через них проводится (4) искомая биссектриса (показана точками).

Как разделить угол пополам циркулем и линейкой.

Повторяя это построение, можно разделить угол на четыре равные части, на восемь, на шестнадцать — число частей удваивается на каждом шаге, так что мы получаем степени двойки: 2, 4, 8, 16, 32, 64 и так далее.

Как я уже говорил, в «Началах» основной аспект, имеющий отношение к нашему рассказу, состоит не в том, что там содержится, а в том, чего там нет. Эвклид не дал никаких методов для решения следующих задач.

• Деление угла точно на три равные части (трисекция угла).

• Построение правильного многоугольника с 7 сторонами.

• Построение отрезка, длина которого равна длине окружности заданного радиуса (выпрямление окружности).

• Построение квадрата, площадь которого равна площади круга заданного радиуса (квадратура круга).

• Построение куба, объем которого ровно вдвое больше объема заданного куба (удвоение куба).

Иногда говорится, что сами греки воспринимали эти упущения как недостатки в монументальном труде Эвклида и посвятили много сил их исправлению. Историки математики нашли очень мало свидетельств в поддержку этих утверждений. В действительности греки были в состоянии решить все перечисленные выше задачи, но для этого им приходилось использовать методы, находившиеся за пределами установленных Эвклидом рамок. Все эвклидовы построения выполнялись циркулем и линейкой без делений. Греческие геометры могли бы выполнить трисекцию угла, используя специальные кривые, называемые коническими сечениями; они могли бы квадрировать круг, используя другую специальную кривую, называемую квадратрисой. С другой стороны, они, кажется, не понимали, что если можно выполнить трисекцию угла, то можно построить и правильный семиугольник (да, я имею в виду именно семиугольник; девятиугольник построить несложно, а вот для семиугольника потребуется очень хитрое построение). На самом деле они, похоже, вообще не изучали следствий, вытекающих из трисекции угла. Душа их, по-видимому, не лежала к таким исследованиям.

Позднейшие математики воспринимали то, что было опущено у Эвклида, в ином свете. Вместо поисков новых средств для решения этих задач они озаботились вопросом о том, чего можно достичь, используя ограниченные средства, выбранные Эвклидом, — циркуль и линейку (причем без всякого жульничества с нанесенными на нее делениями: греки знали, что «прием вставки» со скользящей линейкой с делениями позволяет эффективно и точно разделить угол на три части; один такой метод был изобретен Архимедом). Нахождение того, что можно сделать, а чего нельзя, а также доказательство этого заняли долгое время. К концу 1800-х годов стало окончательно ясно, что ни одну из приведенных выше задач нельзя решить, используя только циркуль и линейку.

Трисекция угла Архимедом.

Это был замечательный шаг вперед. Вместо того чтобы доказывать, что какой-то конкретный метод позволяет решить конкретную задачу, математики научились доказывать противоположное, причем в очень сильной форме: никакой метод из такого-то класса не способен решить такую-то задачу. Математики начали постигать внутренние ограничения, присущие их предмету. Здесь особенно зачаровывает дополнительный штрих, состоящий в том, что, даже утверждая наличие подобных ограничений, математики смогли доказать, что это в самом деле настоящие ограничения.

В надежде избежать неправильного понимания я хочу отметить ряд важных аспектов задачи о трисекции угла.

Требуется точное построение. Это очень жесткое условие в рамках идеализированной греческой формулировки геометрии, где линии считаются бесконечно тонкими, а точки — имеющими нулевой размер. Требуется разделить угол на три совершенно равные части. Равные не с точностью во столько-то десятичных знаков, будь то сотня или миллиард, — построение должно иметь бесконечную точность. В том же духе, правда, нам разрешается с бесконечной точностью помещать циркуль в любую точку, которая нам задана или которая возникла в процессе построения; раствор циркуля можно с бесконечной точностью задавать равным расстоянию между любыми двумя такими точками; кроме того, можно проводить прямую линию, проходящую точно через любые две такие точки.

В нашей менее совершенной реальности все не так. Так бесполезна ли геометрия Эвклида в нашем реальном мире? Нет. Например, если вы действуете так, как предписывает Эвклид в Предложении 9, имея реальный циркуль и реальный лист бумаги, то вы получите очень неплохую биссектрису. До появления компьютерной графики чертежники именно так и делили на чертежах угол на две части. Идеализация — не недостаток; она представляет собой основную причину, по которой математика вообще работает. В рамках идеализированной модели можно рассуждать логически, потому что точно известны свойства всех участвующих в ней объектов. Реальный мир с его элементами хаоса не таков.

Однако и идеализация имеет свои пределы, из-за которых модель может иногда стать непригодной. Бесконечно тонкие линии, например, не очень хороши в качестве разметки на дорогах. Модель следует приспособить к соответствующему контексту. Модель Эвклида была приспособлена таким образом, чтобы облегчить вывод логических зависимостей между геометрическими утверждениями. В качестве бонуса она может быть полезна для понимания реального мира, хотя это ни в коей мере не занимало центрального места в рассуждениях Эвклида.

Следующее замечание связано с предыдущим, но идет в несколько ином направлении. Не составляет труда найти построения для приближенной трисекции углов. Если вам требуется точность в один процент или в одну тысячную процента, этого можно добиться. Когда ошибка составляет тысячную долю толщины линии, которую проводит ваш карандаш, она и в самом деле не слишком важна для технических чертежей. Математическая же задача ставится об идеальной трисекции. Можно ли произвольный угол точно разбить на три части? И ответ здесь — нет.

Иногда говорят, что «нельзя доказать отрицание». Математики знают, что такое утверждение — чушь. Более того, отрицание может обладать собственным очарованием, в особенности когда для доказательства невозможности чего-либо требуются новые методы. Такие методы часто оказываются более мощными и более интересными, чем положительные решения. Когда кто-то изобрел новый мощный метод, позволяющий характеризовать вещи, которые можно построить циркулем и линейкой, а также отделил их от тех, построить которые таким образом нельзя, возникает совершенно новый способ мышления. А за ним приходят новые идеи, новые задачи, новые решения — и новые математические теории и инструменты.

Нельзя использовать инструменты, которые нельзя построить. Вам не удастся позвонить другу по мобильному телефону, если мобильных телефонов не существует. Или съесть суфле из шпината, если никто не изобрел сельского хозяйства или не придумал, как пользоваться огнем. Так что создание инструментов может оказаться не менее важным, чем решение задач.

Возможность деления углов на равные части тесно связана кое с чем более милым — с построением правильных многоугольников.

Многоугольник — это замкнутая фигура, образованная отрезками прямых линий. Треугольники, квадраты, прямоугольники, ромбы типа такого — все они многоугольники. Окружность не есть многоугольник, потому что ее «сторона» представляет собой кривую, а не некоторое число отрезков. Многоугольник называется правильным, если все его стороны имеют одну и ту же длину, а каждая пара соседних сторон пересекается под одним и тем же углом. На рисунке приведены правильные многоугольники с числом сторон 3, 4, 5, 6, 7 и 8.

Правильные многоугольники.

Иногда пишут: 3-угольник, 4-угольник, 5-угольник, 6-угольник, 7-угольник и 8-угольник, — что выглядит не слишком красиво, но когда дело доходит до необходимости говорить о многоугольнике с 17 сторонами, такая запись, как «17-угольник», оказывается достаточно практичной. А что касается 65537-угольника (да, такие бывают!) — полагаю, вы уловили суть.

Эвклид и его предшественники должны были много размышлять над вопросом, какие из правильных многоугольников можно построить, поскольку Эвклид дает способы построения для многих из них. Вопрос этот оказался очень увлекательным и вовсе не простым. Греки знали, как построить правильные многоугольники со следующим числом сторон:

3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 20.

Нам теперь известно, что их нельзя построить, когда число сторон равно

7, 9, 11, 13, 14, 18, 19.

Как можно заметить, неучтенным в указанном интервале осталось только одно число — 17. История о 17-угольнике будет рассказана отдельно; она важна по причинам, выходящим за рамки чисто математических.

Когда речь идет о геометрии, нет никакой альтернативы рисованию на листе бумаги с использованием реального циркуля и настоящей линейки. Работа с ними позволяет ощутить единство всего этого предмета. Я хочу показать вам мою любимую конструкцию — построение правильного шестиугольника. Я почерпнул ее из книги, которую в конце 1950-х годов дал мне мой дядя, — книга называлась Man Must Measure («Человек должен измерять») и была совершенно замечательной.

Фиксируем раз и навсегда раствор циркуля, так что все наши окружности будут одного же размера. (1) Начертим окружность. (2) Выберем точку на ней и проведем окружность с центром в этой точке. Она пересекает исходную окружность в двух новых точках, (3) Проведем окружности с центрами в этих точках и получим два новых пересечения. (4) Проведем окружности с центрами в этих точках; обе они пройдут через одну и ту же новую точку пересечения. Полученные шесть точек можно теперь соединить в правильный шестиугольник. Из эстетических соображений приятно (но математически не обязательно) дополнить картину. (5) Проведем окружность с центром в шестой точке. Тогда шесть окружностей пересекутся в центре исходной, образуя нечто вроде цветка.

Как построить правильный шестиугольник.

Эвклид использовал очень похожий метод — более простой, хотя и не такой симпатичный — и доказал, что он работает. Его можно найти в Предложении 15 Книги IV.

 

Глава 3

Персидский поэт

Для большинства из нас имя Омара Хайяма неразрывно связано с его исполненными иронии четверостишиями «Рубай», а конкретнее — с их изящным переводом на английский, сделанным Эдвардом Фитцджеральдом. Однако историки математики полагают, что у Хайяма есть еще больше оснований для притязаний на славу. Он занимает видное место среди персидских и арабских математиков, подобравших брошенный греками факел и продолживших развитие новой математики после того, как знание в Западной Европе погрузилось в темные века, а ученые доказательству теорем предпочли теологические споры.

К числу великих достижений Хайяма относится решение кубических уравнений, выполненное в рамках почтенных методов греческой геометрии. Его методы по необходимости вышли за рамки циркуля и линейки, которыми молчаливо ограничивалась геометрия Эвклида, поскольку эти средства просто не пригодны для решения данной задачи — обстоятельство, о котором греки сильно подозревали, но не могли доказать из-за отсутствия необходимого подхода, лежащего в сфере алгебры, а не геометрии. Впрочем, методы Хайяма выходят за рамки циркуля и линейки не слишком сильно. Он использовал специальные кривые, называемые «коническими сечениями» — по той причине, что их можно построить, пересекая конус плоскостью.

Народная мудрость, касающаяся правил написания научно-популярной литературы, гласит: каждая формула уменьшает продажи книги вдвое. Если так, то это очень плохая новость, потому что понять основные мотивы в данной книге никак не получится, не взглянув на несколько уравнений. Следующая глава, например, посвящена открытиям, сделанным математиками эпохи Возрождения, — открытиям формул для решения любого кубического уравнения или уравнения четвертой степени. Я могу обойтись без формулы для решения уравнений четвертой степени, но вот взглянуть на формулу для кубического уравнения нам так или иначе придется. В противном случае мы вынуждены будем ограничиться словами типа «умножаем некоторые числа на некоторые другие числа и к этому прибавляем некоторые третьи числа, а потом извлекаем квадратный корень, затем прибавляем другое число и из того, что получилось, извлекаем кубический корень; далее делаем то же самое снова, но со слегка другими числами; в конце концов складываем два результата. А, забыл! — иногда еще надо будет делить».

Некоторые авторы бросили вызов этой народной мудрости и даже написали книги про уравнения. Видимо, они следуют известному совету из области шоу-бизнеса: «Если у вас деревянная нога, помашите ею». Так вот, в некотором смысле эта книга — об уравнениях; но подобно тому, как можно написать книгу о горах, не требуя при этом, чтобы читатели взбирались на гору, также можно написать книгу об уравнениях, не требуя, чтобы читатели их решали. Тем не менее читатели книги о горах вряд ли поймут ее, если никогда не видели гор, так что для нас и в самом деле будет полезным взглянуть на специально отобранные уравнения.

Основное соглашение, которое я предлагаю заключить, тенденциозно перекошено в пользу читателя: ключевым словом будет «показать». Я хочу, чтобы вы посмотрели на уравнения. Ничего делать с ними не требуется. По мере необходимости я буду разбирать уравнения на части и объяснять, какие их свойства существенны для нашего рассказа. Я никогда не буду просить вас решить уравнение или произвести с ним какие-либо вычисления. И я всерьез постараюсь избегать их появления — настолько, насколько это возможно.

На самом деле после знакомства с ними уравнения оказываются довольно дружелюбными созданиями — ясными, четкими, иногда даже прекрасными. Тайная истина об уравнениях состоит в том, что они представляют собой простой, ясный язык для описания целого ряда «рецептов» по вычислению разных вещей. Когда я буду в состоянии выразить такой рецепт словами или просто дать вам общее представление о том, что происходит, не вдаваясь в несущественные детали, я так и буду делать. В редких случаях, тем не менее, использование слов становится столь громоздким, что нам придется прибегнуть к символам и специальным обозначениям.

В этой книге имеются три важных типа обозначений, и два из них я упомяну прямо сейчас. Одно — это наш дружище x, то есть «неизвестное». Этот символ обозначает число, которое мы еще не знаем, но значение которого отчаянно пытаемся найти.

Обозначения второго типа — это числа, набранные более мелким шрифтом и слегка приподнятые над строкой — такие как 2, 3 или же 4. Они говорят, что некоторое другое число надо умножить само на себя указанное число раз. Так, 53 означает 5×5×5, что равно 125, а x2 означает x×x, где x — наш символ для неизвестного числа. Читаются они как «квадрат», «куб», «четвертая степень» и так далее, а все вместе они называются степенями соответствующего числа.

Не имею ни малейшего понятия почему. Просто надо же их как-то называть.

Или вавилонский метод решения квадратных уравнений достался древним грекам по наследству, или же они его открыли заново. Герон, живший в Александрии где-то между 100 годом до и 100 годом от Р.Х., обсуждал типичные задачи «вавилонского» стиля, используя греческую терминологию. Около 100 года Никомах — вероятно, аравитянин из Иудеи — написал книгу под названием Introductio Arithmetica, в которой он отошел от греческой традиции представлять числа геометрическими величинами типа отрезков и площадей. Для Никомаха числа были самостоятельными величинами, а не длинами отрезков. Никомах был пифагорейцем, и это видно из его работы: он имеет дело только с целыми числами и их отношениями и не использует символьных обозначений. Его книга стала стандартным учебником по арифметике на последующее тысячелетие.

Символьные обозначения вошли в алгебру в работах греческого математика Диофанта примерно около 500 года. Единственное, что мы знаем о Диофанте, — это возраст, в котором он умер, да и эти сведения дошли до нас способом, вызывающим сомнения в аутентичности. Греческий сборник задач по алгебре содержит одну следующего содержания: «Диофант провел шестую часть своей жизни мальчиком. Борода его стала расти спустя еще одну двенадцатую часть. Он женился одну седьмую спустя, а его сын родился через пять лет. Сын дожил до половины возраста своего отца, а отец умер через четыре года после сына. Сколько лет было Диофанту, когда он умер?»

Используя методы, подразумевавшиеся этим древним алгебраистом, или же способы более современные, можно вычислить, что ему должно было быть 84 года. Неплохой возраст, если, конечно, задача основана на реальных фактах, что, впрочем, не очевидно.

Это все, что мы знаем о его жизни. Но из позднейших списков и ссылок на них в других документах мы знаем довольно много о его книгах. Он написал одну книгу о многоугольных числах, и часть ее сохранилась. Она организована в эвклидовом стиле, теоремы доказываются на основе логических аргументов, и в целом математическое значение книги невелико. Намного важнее тринадцать книг написанной им Arithmetica. Шесть из них сохранились до наших дней благодаря сделанной в тринадцатом столетии греческой копии с более раннего экземпляра. Еще четыре могли всплыть благодаря рукописи, найденной в Иране, но не все исследователи сходятся в том, что она восходит к Диофанту.

Arithmetica представлена как ряд задач. В предисловии Диофант сообщает, что написал ее в качестве задачника для своих учеников. Он использовал специальный символ для неизвестного, а также отдельные символы для его квадрата и куба; кажется, что это сокращения слов dynamis (мощь, сила) и kybos (куб). Обозначения структурированы не очень хорошо. Сложение у Диофанта записывается просто как размещение символов друг за другом (мы теперь делаем так для умножения), но он использует специальный символ для вычитания. Есть и символ для равенства, хотя он и мог быть введен позднейшим переписчиком.

В основном Arithmetica посвящена решению уравнений. В первой из сохранившихся книг обсуждаются линейные уравнения; в остальных пяти рассматриваются различные виды квадратных уравнений, часто для нескольких неизвестных, а также некоторые специальные кубические уравнения. Характерная особенность состоит в том, что ответы всегда являются целыми или рациональными числами. Сегодня мы называем уравнение диофантовым, если его решения ограничены целыми или рациональными числами. Вот типичный пример из Arithmetica: «Найти такие три числа, что их сумма, а также сумма любых двух из них является полным квадратом». Попробуйте решить — это вовсе не просто. Ответ Диофанта: 41, 80 и 320. Сумма всех трех равна 441 = 212. Попарные суммы равны 41 + 80 = 121 = 112, 41 + 320 = 361 = 192 и 80 + 320 = 400 = 202. Неплохо придумано.

В современной теории чисел диофантовы уравнения занимают центральное место. Знаменитый пример — «последняя теорема» Ферма, которая утверждает, что два полных куба (или две степени с более высоким показателем) в сумме не могут дать ту же степень. С квадратами такое делается совсем просто и восходит к Пифагору, например, 32 + 42 = 52 или 52 + 122 = 132. Но с кубами, четвертыми степенями, пятыми или любыми высшими степенями такое сделать не удается. Примерно в 1650 году Пьер де Ферма небрежно набросал эту гипотезу (без доказательства — несмотря на фигурирующее в названии его имя, он этой теоремы не доказал) на полях своего личного экземпляра Arithmetica. Понадобилось почти 350 лет, пока Эндрю Уайлс — специалист по теории чисел, родившийся в Британии, а ныне живущий в Америке, — доказал, что Ферма был прав.

Историческая традиция в математике иногда оказывается очень долгой.

Алгебра реально появилась на математической сцене в 830 году, когда основное действие переместилось из греческого мира в арабский. В тот год астроном Мохаммед ибн Муса аль-Хваризми написал книгу, озаглавленную «Аль-Джабр в'аль Мукабала», что переводится примерно как «восстановление и упрощение». Слова эти относятся к стандартным способам обращаться с уравнениями для приведения их к виду, удобному для решения. Из «аль-джабр» происходит современное слово «алгебра». Первый латинский перевод двенадцатого столетия появился под заглавием Ludus Algebrae et Almucgrabalaeque.

Книга аль-Хваризми несет на себе следы влияния предшественников — вавилонян и греков, а также основывается на идеях, появившихся около 600 года у Брахмагупты в Индии. Там объясняется, как решать линейные и квадратные уравнения. Непосредственные последователи аль-Хваризми поняли, как решать и некоторые специальные виды кубических уравнений. К числу этих последователей принадлежали Сабит ибн Корра — врач, астроном и философ, который жил в Багдаде и был при этом язычником, — а также египтянин по имени аль-Хасан ибн аль-Хайсам, которого в позднейшей западной литературе, как правило, называют Альхазен. Но более всех знаменит Омар Хайям.

Полное имя Омара было Гияс аль-Дин Абу'ль-Фатх Омар ибн Ибрахим аль-Нишапури аль-Хайями. Слово «аль-Хайями» буквально переводится как «палаточник», что, по мнению ряда ученых, должно указывать на род занятий его отца Ибрахима. Омар родился в Персии в 1047 году и провел большую часть своей деятельной жизни в Нишапуре. Теперь этот город можно найти на карте рядом с городом Мешхед в провинции Хоросан на северо-востоке Ирана, вблизи границы с Туркменистаном.

Легенда гласит, что в молодости Омар ушел из дома изучать ислам и Коран под руководством прославленного религиозного деятеля Имама Моваффака, жившего в Нишапуре. Там он свел дружбу с двумя другими учениками — Хасаном Сабахом и Низамом аль-Мульком. Друзья поклялись, что если кто-то из них станет богатым и знаменитым — что вполне могло случиться с теми, кто обучался у Моваффака, — то он поделится своим богатством и властью с двумя другими.

Юноши закончили обучение. Год проходил за годом; соглашение оставалось в силе. Низам отправился в Кабул. Омар, не обладавший серьезными политическими амбициями, провел некоторое время в качестве палаточника (другое возможное объяснение его имени аль-Хайями). Страстью его стали науки и математика, и он отдавал им большую часть своего свободного времени. Затем вернулся Низам, который добился для себя должности в правительстве и стал управляющим делами султана Альп Арслана в его резиденции в Нишапуре.

Поскольку Низам достиг богатства и славы, Омар и Хасан напомнили ему о клятве. Низам испросил у султана дозволения помочь своим друзьям и, когда оно было получено, исполнил клятву. Хасан получил хорошо оплачиваемую работу в правительстве, но Омар пожелал просто продолжать свои научные занятия в Нишапуре, где он мог бы возносить молитвы за здоровье и благополучие Низама. Старый школьный друг организовал для Омара правительственное жалованье, дабы тот мог посвящать свое время занятиям. На том и порешили.

Хасан позднее попытался подсидеть вышестоящего чиновника и лишился своей синекуры, а Омар тихо и спокойно жил как прежде и даже получил назначение в комиссию по реформированию календаря. Персидский календарь основывался на движении Солнца, и наступление первого дня нового года нередко переносилось, что создавало большие неудобства. Работа очень подходила квалифицированному математику, и Омар применил свои математические и астрономические знания для вычисления наступления нового года в любой наперед заданный год.

Примерно в то же время он написал «Рубайят», или «Рубай», что довольно приблизительно переводится как «четверостишия». Это форма лирической поэзии. Рубай состоят из четырех строк, рифмующихся определенным образом — точнее говоря, одним из двух возможных способов. «Рубай» Омара Хайяма были собранием таких стихов. Один из них ясно указывает на его деятельность по реформированию календаря:

Дни — волны рек в минутном серебре, Песка пустыни в тающей игре. Живи Сегодня. А Вчера и Завтра Не так нужны в земном календаре.

Рубай Омара носили отчетливо нерелигиозный характер. Многие из них восхваляют вино и его действие на человека. Имеются и дерзкие и лукавые посвящения вину:

Дал Нишапур нам жизнь иль Вавилон, Льет кубок сладость или горек он? — По капле пей немую влагу Жизни! И жизнь по капле высохнет, как сон.

Некоторые другие стихи высмеивают религиозные верования. Интересно, что думал султан о человеке, которому он выплачивал неплохое жалованье, и какие мысли приходили в голову имаму по поводу плодов приобретенного у него образования?..

Тем временем впавший в немилость Хасан, которому пришлось уехать из Нишапура, связался с шайкой бандитов и, пользуясь преимуществом своего образования, сделался их главарем. В 1090 году эти бандиты под предводительством Хасана захватили замок Аламут в горах Эльбурз, что прямо к югу от Каспийского моря. Они терроризировали всю область, и Хасан приобрел недобрую славу как Старец Горы. Его приспешники, известные как ассасины, или гашишины (из-за их пристрастия к гашишу — сильному наркотику, получаемому из конопли), построили шесть горных укреплений, из которых они совершали вылазки с целью убийства видных религиозных и политических деятелей. От этого их прозвища и происходит слово «assassin», то есть убийца. Таким образом, Хасан и сам смог стать богатым и знаменитым, как и подобало ученику Моваффака, хотя на тот момент он не был расположен делиться достигнутым со старыми друзьями.

Пока Омар занимался вычислением астрономических таблиц и методами решения кубических уравнений, Низам продолжал свою политическую карьеру, пока, по злой иронии изощренной судьбы, его не убили бандиты Хасана. Омар дожил до 76 лет и умер, как передают, в 1123 году. Хасан умер на следующий год в возрасте 84 лет. Ассасины продолжали сеять политическое опустошение, пока их не сокрушили монголы, в 1256 году захватившие Аламут.

Вернемся к математике Омара. Около 350 года до Р.Х. греческий математик Менехм открыл специальные кривые, известные как конические сечения, которые, как полагают исследователи, он использовал для решения задачи об удвоении куба. Архимед развил теорию этих кривых, а Аполлоний Пергский систематизировал и обобщил эту тему в своей книге «Конические сечения». Что особенно интересовало Омара Хайяма — это открытие греками того факта, что конические сечения можно применить к решению определенных кубических уравнений.

Конические сечения называются так потому, что их можно получить, пересекая конус плоскостью. Точнее говоря — двойной конус, похожий на два рожка мороженого, соединенных своими острыми концами. Одинарный конус образован набором отрезков прямых линий, которые все пересекаются в одной точке и проходят через определенную окружность — «основание» конуса. Но в греческой геометрии прямолинейный отрезок всегда можно продолжить неограниченно далеко, и в результате получается двойной конус.

Три основных типа конических сечений — это эллипс, парабола и гипербола. Эллипс представляет собой замкнутую овальную кривую, которая возникает, когда секущая плоскость проходит только через одну половину двойного конуса. (Окружность является частным случаем эллипса и получается, когда секущая плоскость в точности перпендикулярна оси конуса.) Гипербола состоит из двух симметрично расположенных незамкнутых кривых, которые в принципе уходят на бесконечность; она возникает, когда секущая плоскость проходит через обе половины двойного конуса. Парабола является переходной формой — это одна незамкнутая кривая, получающаяся, когда секущая плоскость параллельна какой-либо из прямых, лежащих на поверхности конуса.

На большом расстоянии от вершины конуса кривые, составляющие гиперболу, проходят все ближе и ближе к двум прямым линиям, которые параллельны тем прямым, где конус пересекла бы параллельная плоскость, проходящая через вершину. Эти прямые называются асимптотами.

Конические сечения.

Греческие геометры широко изучали конические сечения, и в этом и состоит их основной вклад в прогресс за рамками тех идей, что были зафиксированы Эвклидом. Эти кривые жизненно важны и в современной математике, но по причинам, сильно отличным от тех, что двигали греками. С алгебраической точки зрения они представляют собой следующие по степени простоты кривые после прямых линий. Они важны и в прикладной науке. Орбиты планет в Солнечной системе являются эллипсами, как это заключил Кеплер на основе наблюдений Тихо Браге за Марсом. Эллиптичность орбит послужила одним из соображений, которые привели Ньютона к формулировке его знаменитого «закона обратных квадратов» для гравитации. Это в свою очередь позволило понять, что целый ряд аспектов нашей вселенной ясно проявляет математические закономерности. Это радикально отразилось на астрономии, поскольку движения планет стали поддаваться вычислениям.

Большинство сохранившихся математических работ Омара посвящены теории уравнений. Он рассматривал решения двух типов. Первые, в духе Диофанта, он называл алгебраическими решениями в целых числах; пожалуй, больше подошло бы прилагательное «арифметические». Решения второго вида он называл геометрическими, под чем он понимал, что решение можно построить геометрическими средствами в терминах конкретных длин, площадей или объемов.

Свободно пользуясь коническими сечениями, Омар разработал геометрические решения для всех кубических уравнений и разъяснил их в своей книге «Алгебра», законченной в 1079 году. Поскольку отрицательные числа в то время еще не получили права на существование, уравнения приходилось каждый раз устраивать таким образом, чтобы все слагаемые оказывались положительными.

Это правило привело к возникновению огромного числа различных случаев, которые в наши дни все рассматриваются как по сути дела единственный случай, если не считать знаков при числах. Омар различает четырнадцать различных типов кубических уравнений в зависимости от того, какие слагаемые появляются в каждой части уравнения. Его классификация кубических уравнений такова:

куб = квадрат + сторона + число,

куб = квадрат + число,

куб = сторона + число,

куб = число,

куб + квадрат = сторона + число,

куб + квадрат = число,

куб + сторона = квадрат + число,

куб + сторона = число,

куб + число = квадрат + сторона,

куб + число = квадрат,

куб + число = сторона,

куб + квадрат + сторона = число,

куб + квадрат + число = сторона,

куб + сторона + число = квадрат.

Каждое из указанных слагаемых должно иметь положительный численный коэффициент.

Вы, возможно, недоумеваете, почему в списке нет случаев типа

куб + квадрат = сторона.

Причина в том, что в этих случаях можно разделить обе части уравнения на неизвестное, в результате чего уравнение сведется к квадратному.

Омар изобрел свои решения не полностью самостоятельно, а основываясь на предшествующих греческих методах решения различных типов кубических уравнений с использованием конических сечений. Он систематически развил эти идеи и решил такими методами все четырнадцать типов кубических уравнений. Предшествующие математики, как он заметил, нашли решения в ряде случаев, но все их методы были очень специальными и каждый случай требовал отдельного построения; до Омара никто не изучал весь охват возможных случаев, не говоря уж о том, чтобы дать их решения. «Я же, напротив, никогда не ослабевал в своем желании сделать известными, притом со всей точностью, все возможные случаи и в каждом из них провести различие между возможным и невозможным». Под «невозможным» он понимал отсутствие положительного решения. Чтобы получить представление о его работе, приведем его решение случая «куб, некоторые стороны и некоторые числа равны некоторым квадратам», что мы бы записали как

x 3 + bx + c = ax 2 .

(Поскольку нас не заботит положительность или отрицательность, мы бы, скорее всего, перенесли член из правой части в левую с изменением знака; получив таким образом уравнение x3 − ax2 + bx + c = 0.)

Омар снабжает своих читателей инструкциями, состоящими в следующей последовательности шагов. (1) Проводим три отрезка с длинами c/b, √b и a так, чтобы образовался прямой угол. (2) Проводим полуокружность, диаметр которой — горизонтальный отрезок. Продолжаем вертикальные прямые до пересечения с ней. Если жирный вертикальный отрезок имеет длину d, добиваемся, чтобы отрезок жирной горизонтальной прямой имел длину cd/√b. (3) Проводим гиперболу (сплошная линия), асимптоты которой (те специальные прямые, к которым приближается гипербола) — серые прямые, проходящие через только что построенную точку. (4) Находим, где гипербола пересекает полуокружность. Тогда длины двух жирных отрезков, обозначенные как x, дают два (положительных) решения кубического уравнения.

Данное Омаром Хайямом решение кубического уравнения.

Подробности, как всегда, не так важны, как общий стиль. Выполняем ряд эвклидовых построений циркулем и линейкой, потом прибегаем к помощи гиперболы, потом еще немного эвклидовых построений — и готово.

Омар дает аналогичные конструкции для решения каждого из своих четырнадцати случаев и доказывает, что решения верны. В его анализе есть несколько дыр: при некоторых значениях коэффициентов a, b и c требуемые в его построении точки не существуют. В приведенном выше построении, например, гипербола может вообще не пересекать полуокружность. Но если отбросить эти придирки, он выполнил впечатляющую и очень систематическую работу.

Некоторые из образов в поэзии Омара являются математическими и, как представляется, содержат аллюзии на его собственные работы, в тоне возражений самому себе, который проходит через все его творчество:

Умом ощупал я все мирозданья звенья, Постиг высокие людской души паренья, И, несмотря на то, уверенно скажу: Нет состояния блаженней опьяненья.

Одно особенно впечатляющее четверостишие звучит так:

Кто мы? Куклы на нитках, а кукольщик наш — небосвод. Он в большом балагане своем представленье ведет. Он сейчас на ковре бытия нас попрыгать заставит, А потом в свой сундук одного за другим уберет.

Это напоминает знаменитую платоновскую аллегорию теней на стене пещеры и подходит равным образом для описания и символьных вычислений в алгебре, и человеческой натуры. Омар был талантливым летописцем и того и другого.

 

Глава 4

Ученый игрок

«Клянусь святым Евангелием Господа нашего и как истинный человек чести не только никогда не публиковать ваши открытия, если вы мне доверите их, но да будет моя вера истинного христианина вам порукой, что я зашифрую их так, чтобы после моей смерти никто не смог их понять». Этот торжественный обет был, как говорят, дан в 1539 году.

Италия эпохи Возрождения была колыбелью нового, и математика не составляла исключения. В иконоборческом духе того времени математики Ренессанса задались целью преодолеть ограничения древней математики. Один из них разрешил загадку кубического уравнения и теперь обвинял другого в воровстве своего секрета.

Гневающегося математика звали Никколо Фонтана по прозвищу Тарталья — Заика. В воровстве интеллектуальной собственности обвинялся математик, врач, неисправимый плут и закоренелый азартный игрок по имени Джироламо Кардано, также известный как Жером Кардан. Около 1520 года Джироламо, как истинный блудный сын, успешно растратил наследство, оставленное ему отцом. Разорившись, он обратился к азартным играм как к источнику дохода, найдя эффективное примененное своих математических способностей для оценки шансов на выигрыш. Он водился с сомнительной компанией; как-то раз, заподозрив другого игрока в нечестной игре, он полоснул его ножом по лицу.

То были суровые времена, и Джироламо был суровым человеком. А кроме того — на редкость оригинальным мыслителем и автором одного из наиболее знаменитых и влиятельных текстов по алгебре во всей истории.

О Джироламо нам известно много, потому что в 1575 году он сам рассказал нам о себе в «Книге моей жизни». Начинается она так:

Эту Книгу Моей Жизни я намереваюсь написать, следуя примеру Антонина Философа [12] , прославленного как мудрейший и достойнейший из людей, хорошо понимая, что ни одно деяние смертных не совершенно, а еще менее того — свободно от злословия; однако сознавая при этом и то, что из всего, что человеку дано достичь, ничто другое не доставляет больше радости и не ценится сильнее, чем познание истины.

Ни единого слова, спешу заверить, не было добавлено в угоду тщеславию, и ни единого для пустого приукрашивания; вместо того, насколько возможно, здесь собрано только пережитое, события, о которых мои ученики… были осведомлены или в коих они принимали участие. Эти краткие эпизоды моей истории в свою очередь записаны были мною в повествовательной форме, дабы стать частью этой книги.

Как и многие математики того времени, Джироламо занимался астрологией, так что он отмечает астрологические обстоятельства, сопутствовавшие его рождению:

Хотя, как я слышал, напрасно пытались применить различные абортивные средства, я нормально родился в 24-й день сентября года 1500, когда первый час ночи истек уже более чем наполовину, но менее чем на две трети… Марс угрожал обоим главным светилам из-за неблагоприятного их расположения и потому, что он был в четвертном аспекте с Луною…

Я легко мог родиться уродом, если бы не тот факт, что положение предыдущего соединения приходилось на 29° в Деве, где господствует Меркурий. И так как его положение не совпадало ни с местом Луны, ни с местом асцендента и он не находился в аспекте с предпоследним делением Девы, я непременно должен был бы родиться уродом, и даже легко могло случиться, что я выйду из утробы разорванным, чего едва и не произошло.

Так был я рожден, или, скорее, исторгнут мощными силами из чрева матери; я был почти мертв. Волосы мои были темны и завиты. Меня вернули к жизни ванной из теплого вина, которая могла бы оказаться гибельной для любого другого ребенка. Моя мать провела в тяготах три полных дня, и однако же я выжил [13] .

Одна глава в «Книге моей жизни» перечисляет написанные Джироламо книги, и первой в списке идет «Великое искусство» — один из трех упоминаемых им «трактатов по математике». Он также писал об астрономии, физике, вопросах морали, драгоценных камнях, воде, медицине, предсказаниях и теологии.

Однако для нашего рассказа важно только «Великое искусство». Подзаголовок этой книги — «Правила алгебры» — объясняет почему. В этой книге Джироламо не только собрал методы решения квадратных уравнений, известные вавилонянам, но и открыл новые решения кубических уравнений и уравнений четвертой степени. В отличие от решений Хайяма, которые опирались на геометрию конических сечений, решения в «Великом искусстве» были чисто алгебраическими.

Я уже упоминал о двух типах математических обозначений, которые оба видны в таких выражениях, как x3 для куба неизвестного. Обозначение первого типа состоит в использовании букв (в нашем случае — x) для чисел — или неизвестных, или известных, но произвольных. Обозначение второго типа — это использование приподнятых над строкой чисел для указания степени, так что верхняя 3 в данном случае обозначает куб числа x, то есть x×x×x. Теперь мы подошли к обозначениям третьего типа — последним из тех, что нам понадобятся.

Обозначение третьего типа очень милое и выглядит так: √. Этот символ означает квадратный корень. Например, √9 — квадратный корень из девяти — обозначает число, которое, будучи умножено на само себя, дает 9. Поскольку 3×3 = 9, мы видим, что √9 = 3. Однако не всегда все обстоит так просто. Наиболее печально известный квадратный корень, который, согласно не слишком правдоподобной легенде, оказался причиной того, что математика, привлекшего к нему внимание, — Гиппаса из Метапонта — выбросили с корабля за борт, — это квадратный корень из двух: √2. Его точное выражение в виде десятичной дроби требует неограниченного продолжения. Начинается оно так:

1,4142135623730950488…,

но не может на этом прекратиться, поскольку квадрат приведенного числа на самом деле равен

1,99999999999999999999522356663907438144,

что, очевидно, есть не вполне то же самое, что 2.

На этот раз известно, откуда взялось такое обозначение. Это искаженная буква «r», обозначающая «radix» — латинское слово «корень». Математики понимают его таким образом и читают выражение √2 как «корень из двух».

Кубические корни, корни четвертой, пятой и так далее степеней обозначаются помещением маленького приподнятого числа перед знаком «корень» — таким образом: 3√, 4√, 5√.

Кубический корень из данного числа — это такое число, куб которого дает исходное, и аналогично для других корней. Таким образом, кубический корень из 8 есть 2, поскольку 23 = 8. Кубический же корень из 2 можно выразить в виде десятичной дроби только приближенно. Он начинается таким образом:

1,2599210498948731648…

и продолжается, если вы запасетесь достаточным терпением, бесконечно.

Именно это число появляется в античной задаче об удвоении куба.

Примерно к 400 г. греческая математика утратила свое место на переднем крае этой науки.

Место действия переместилось на Восток — в Аравию, Индию и Китай. Европа погрузилась в «темные века», и хотя они были не такими уж темными, какими их нередко изображают, но все же темными в достаточной мере. Распространение христианства возымело тот плачевный побочный эффект, что знание и ученость сконцентрировались в церквях и монастырях. Многие монахи переписывали работы великих математиков, таких как Эвклид, но лишь очень немногие из них понимали, что они переписывают. Древние греки были в состоянии с двух сторон прорыть туннель через гору так, чтобы обеспечить встречу посередине; способ же, которым ранние англосаксы проводили землемерные работы, состоял в том, чтобы разложить в поле план в масштабе 1:1. Даже понятие изображения, сделанного в определенном масштабе, было утеряно. Если бы англосаксы пожелали создать точное изображение Англии, им пришлось бы сделать его размером с Англию. Их карты обычного размера были крайне неточными.

К концу пятнадцатого столетия фокус математической активности снова сдвинулся в сторону Европы. На Среднем и Дальнем Востоке подошел к концу заряд креативности, а Европа включила второе дыхание, освобождаясь от объятий Римской церкви и ее страха перед всем новым. По иронии судьбы новым центром интеллектуальной активности становится Италия — по мере того как Рим ослаблял хватку в своем собственном тылу.

Это тектоническое изменение в европейской науке и математике началось с публикации в 1202 году книги под названием Liber Abbaci, написанной Леонардо Пизанским, который много позднее получил прозвище Фибоначчи, сына Боначчио, под которым теперь и известен, несмотря на то что имя это придумали в девятнадцатом столетии. Отец Леонардо — Гильельмо — служил на таможне в Буджии (ныне в Алжире) и в своей работе неминуемо сталкивался с людьми самых разных культур. Он обучил своего сына новомодным знакам для чисел, изобретенным индусами и арабами, — предшественникам наших десятичных обозначений от 0 до 9. Леонардо позднее писал, что «мне так нравилось обучение, что я продолжал изучать математику во время поездок по работе в Египет, Сирию, Грецию, Сицилию и Прованс и получал особое удовольствие от дебатов с учеными из тех мест». На первый взгляд заглавие книги Леонардо говорит о том, что это книга — об абаке, т.е. механическом вычислительном приспособлении, состоящем из бусинок, скользящих по проволочкам, или же из галечных камешков, передвигаемых в песчаном желобе. Но как латинское слово calculus, относящееся к этой гальке, позднее приобрело другое, более техническое значение, так и слово abbaco — рамка для счета — стало обозначать искусство вычисления. Liber Abbaci была первым арифметическим текстом, в котором индоарабские символика и методы были принесены в Европу. Значительная часть книги отведена новым применениям арифметики к практическим предметам, подобным обмену валют.

Одна задача — об идеализированной модели роста популяции кроликов — привела к замечательной числовой последовательности 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55 и так далее, где каждое следующее число, начиная с 2, равно сумме двух предыдущих. Эта «последовательность Фибоначчи» более всего прославила Леонардо — не применительно к размножению кроликов, где следствия из нее нулевые, а за то, что она представляет собой замечательный пример математической закономерности и играет ключевую роль в теории иррациональных чисел. Леонардо и представить себе не мог, что этот маленький jeu d'esprit затмит в глазах потомков все остальное, что он сделал в своей жизни.

Леонардо написал еще несколько книг, и его Practica Qeometriae, появившаяся в 1220 году, содержала значительную часть «Начал» Эвклида, а также кое-что из греческой тригонометрии.

В Книге X «Начал» Эвклида обсуждаются иррациональные числа, построенные как вложенные друг в друга квадратные корни, типа . Леонардо доказал, что эти иррациональные числа не подходят для решения кубических уравнений. Отсюда не следует, что корни кубического уравнения нельзя построить при помощи циркуля и линейки, поскольку другие комбинации квадратных корней могут в принципе приводить к решению. Но это был намек на то, что, если пользоваться лишь предлагаемыми Эвклидом инструментами, кубическое уравнение может оказаться неразрешимым.

В 1494 году Лука Пачоли свел вместе значительную часть существовавшего тогда математического знания в книге по арифметике, геометрии и пропорции. Она также включала индо-арабские числа, коммерческую арифметику, выжимки из Эвклида и тригонометрию Птолемея. Сквозной темой был элемент замысла в природе, воплощенный в пропорциях — пропорциях человеческого тела, перспективы в живописи, теории цвета.

Пачоли продолжил традицию «риторической» алгебры, используя слова, а не символы. Неизвестное было «штукой» — итальянское слово cosa, и в течение определенного периода практикующие алгебраисты были известны под именем cossist'ов. Он также использовал ряд стандартных сокращений, продолжая (но не сумев улучшить) подход, впервые намеченный Диофантом. Моррис Клайн в своем монументальном «Математическом мышлении от Античности до современности» констатирует: «Серьезное замечание по поводу математического развития арифметики и алгебры между 1200 и 1500 годами состоит в том, что книга Пачоли едва ли содержит что-либо, выходящее за рамки Liber Abbaci Леонардо Пизанского. В действительности арифметика и алгебра… основывались на книге Леонардо». В конце своей книги Пачоли замечает, что относительно решения кубического уравнения понимания ничуть не больше, чем относительно квадратуры круга. Но такому положению дел скоро предстояло измениться.

Первое по-настоящему существенное продвижение произошло в городе Болонья примерно в конце первой трети шестнадцатого столетия. Внимания на это событие поначалу не обратили.

Джироламо Кардано был побочным сыном миланского юриста Фацио Кардано и молодой вдовы по имени Кьяра Микериа, у которой было еще трое детей от первого брака. Он родился в 1501 году в Павии — городе, входившем в герцогство Миланское. Когда к Милану подобралась чума, беременную Кьяру убедили уехать в деревню, где и родился Джироламо. Все трое ее старших детей, оставшиеся в городе, умерли от чумы.

Согласно автобиографии Джироламо, «отец мой носил багряную накидку — одеяние, нетипичное для нашего сообщества; его никогда не видели без маленькой черной шапочки… К пятидесяти пяти годам он лишился всех зубов. Он был хорошо знаком с работами Эвклида; надо сказать, что плечи его были сгорблены от усердных занятий… Мать мою легко было вывести из себя; она была скора на память и сообразительность и была тучной и набожной женщиной. Скоропалительность отличала обоих моих родителей».

Хотя Фацио и был юристом по профессии, он был достаточно искушен в математике, чтобы консультировать по геометрии Леонардо да Винчи. Он преподавал геометрию в университете в Павии и в благотворительном учреждении Пьятти в Милане. И еще он учил математике и астрологии своего незаконного сына Джироламо:

В раннем детстве отец обучил меня основам арифметики, и примерно тогда же он приобщил меня к таинствам; откуда он приобрел эти познания, мне неизвестно. Вскоре он обучил меня началам арабской астрологии… А когда мне исполнилось двенадцать, он преподал мне первые шесть книг Эвклида.

У ребенка наблюдались проблемы со здоровьем; попытка вовлечь его в семейное дело успеха не принесла. Джироламо сумел убедить находившегося в сомнениях отца позволить ему изучать медицину в университете Павии, но отец предпочитал право.

В 1494 году Карл VIII Французский вторгся в Италию, и последовавшая война продолжалась, утихая и вновь разгораясь, пятьдесят лет. Обострение военных действий привело к закрытию университета в Павии, и Джироламо перебрался в Падую, чтобы продолжать занятия. Судя по всему, он был одним из лучших студентов, и когда Фацио умер, Джироламо начал кампанию с целью стать ректором университета. Хотя многие не любили его за склонность высказываться без обиняков, он был избран с перевесом в один голос.

Тогда-то он и растратил по мелочам полученное им наследство и обратился к азартным играм, которые превратились в пагубную привычку на всю оставшуюся часть его неспокойной жизни. И не только это:

В очень ранний период моей жизни я начал серьезно посвящать себя занятиям фехтованием всякого рода и путем упорных упражнений достиг некоторых успехов даже среди наиболее дерзких… По ночам, даже в нарушение распоряжений герцога, я вооружался и отправлялся рыскать по городу, в котором жил… Лицо мое скрывал капюшон из черной шерсти, а еще я надевал туфли из овчины… Я часто бродил всю ночь, пока не брезжил рассвет, с меня же капал пот от напряжения, с которым я исполнял серенады на своих музыкальных инструментах.

Даже подумать страшно.

В 1525 году, после присуждения ему медицинской степени, Джироламо попытался вступить в Коллегию врачей в Милане, но его не приняли — формально из-за незаконного происхождения, но на самом деле главным образом из-за печальной известности, которую он приобрел в качестве человека, лишенного такта. Так что вместо того, чтобы стать членом престижной коллегии, Джироламо устроился врачом в соседнюю деревушку Сакко. Это обеспечивало ему небольшой доход, но дело шло вяло. Он женился на Лучии Бандарини — дочери капитана милиции — и перебрался ближе к Милану в надежде увеличить свой доход, чтобы содержать семью, однако Коллегия снова его отвергла. Не в силах следовать по пути законной карьеры врача, он обратился к азартным играм, но даже его математические познания не помогли восстановить свое состояние:

Вероятно, ни в каком отношении не достоин я похвалы; ибо насколько сильно меня привлекали излишества шахматной доски и игорного стола, настолько же я знаю, что в глазах людей я заслуживаю самого сурового порицания. Я играл и в то и в другое многие годы — в шахматы более сорока лет, а в кости — около двадцати пяти; и не только каждый год, но — сознаюсь со стыдом — каждый день, теряя при этом все — мысль, состояние и время.

Семейство поселилось в бедном доме. Мебель и драгоценности Лучии давно уже были заложены. «Я вступил на путь долгой и почетной карьеры. Но долой почести и приобретения вместе с пустым тщеславием и неумеренными наслаждениями! Мне конец! Я погиб!»

На свет появился их первый ребенок.

После двух выкидышей и рождения двух мертвых младенцев мужского пола, доношенных лишь до четырех месяцев, так что я… временами уже подозревал какое-то зловредное влияние, моя жена разродилась первым сыном… Он был глух на правое ухо… Два пальца на левой ноге у него… соединялись перепонкой. Сзади он был слегка горбат, но не до степени уродства. Мальчик мирно жил до своего двадцатитрехлетия. После того он влюбился… и женился на женщине без приданого Брандонии ди Серони.

В тот момент покойный уже отец Джироламо пришел ему на выручку, пусть и не совсем прямым образом. Кафедра, которую некогда занимал Фацио в университете, оставалась вакантной, и Джироламо ее получил. Кроме того, он немного врачевал на стороне, несмотря на отсутствие официального разрешения. Несколько чудесных исцелений — судя по всему, счастливых случайностей, если учесть состояние медицины в то время, — создали ему репутацию. Даже некоторые из членов коллегии обращались к нему по поводу случаев из своей практики, и в течение некоторого времени казалось, что для него наконец откроются двери этой уважаемой организации. Но снова, в который раз, склонность Джироламо высказывать вслух то, что у него на уме, свела все на нет; он опубликовал ядовитые нападки на компетенцию и характер членов коллегии. Джироламо осознавал, что ему недостает деликатности, но, судя по всему, не считал это недостатком: «При чтении лекций и в публичных спорах я был намного более искренним и аккуратным, чем в выказывании осмотрительности». В 1537 году это отсутствие осмотрительности привело к тому, что его прошение было снова отклонено.

Однако в конце концов его репутация укрепилась настолько, что у Коллегии просто не осталось выбора, и по прошествии двух лет он стал ее членом. Жизнь стала налаживаться — особенно после опубликования двух книг о математике. Карьера Джироламо развивалась сразу на нескольких фронтах.

Примерно в то же время Тарталья добился значительного успеха — ему удалось решить широкий класс кубических уравнений. Неохотно поддавшись на уговоры, он рассказал Кардано о своем эпическом открытии. Не приходится удивляться, что, получив шесть лет спустя экземпляр текста Кардано по алгебре под названием «Великое искусство, или О правилах алгебры» и найдя там полное изложение своего секрета, Тарталья был разъярен.

Кардано не приписывал себе его авторство, поскольку сослался на Тарталью: «В наши дни Шипионе-дель Ферро из Болоньи решил случай куба и первой степени, равных постоянной, — очень изящное и достойное восхищения достижение… Состязаясь с ним, мой друг Никколо Тарталья из Брешии… решил тот же случай, когда участвовал в поединке с его [дель Ферро] учеником Антонио Марио Фиором, и, подвигнутый к тому многократными мольбами, передал решение мне».

Тем не менее Тарталья был страшно раздосадован тем, что его бесценный секрет разглашен по всему свету, а еще более его уязвлял тот факт, что многие люди будут помнить автора книги, а не истинного открывателя этого секрета.

Так, по крайней мере, видел события Тарталья, и этот взгляд практически целиком лег в основу всех известных свидетельств. Как указывает Ричард Уитмер в своем переводе «Великого искусства», «Мы почти полностью зависим от печатного изложения позиции Тартальи, которую ни при каком усилии воображения нельзя считать объективной». Один из слуг Кардано по имени Лодовико Феррари позднее утверждал, что присутствовал на встрече, и говорил, что там не было решено держать метод в тайне. Феррари позднее стал учеником Кардано и решил — или помог решить — уравнение четвертой степени, так что и его нельзя рассматривать как свидетеля более объективного, чем Тарталья.

Положение бедного Тартальи усугублялось тем, что дело было не просто в отказе признать его авторство. В Европе эпохи Возрождения математические секреты могли стоить немалых денег. Для этого не обязательно было играть в азартные игры — способ, который предпочитал Кардано, — а можно было участвовать в публичных состязаниях.

Часто говорят, что математика — это не спорт, где есть зрители, но в 1500-х годах дело обстояло по-другому. Математики вполне могли обеспечивать себе дополнительный заработок, вызывая друг друга на публичные поединки, в которых каждый предлагал своему оппоненту ряд задач и победителем объявлялся тот, кто получит наибольшее число правильных ответов. Эти представления захватывали меньше, чем кулачный бой или фехтовальные поединки, но зрители могли биться об заклад по поводу того, кто выиграет, даже если сами они не имели ни малейшего представления о том, что для этого требуется. Кроме призовых денег победители привлекали к себе и учеников, готовых платить за обучение, так что публичные состязания были прибыльны вдвойне.

Тарталья был не первым, кто нашел алгебраическое решение кубического уравнения.

Болонский профессор Шипионе дель Ферро открыл свое решение некоторых типов кубических уравнений где-то около 1515 года. Он умер в 1526-м, после чего и его бумаги, и его профессорскую должность унаследовал зять Аннибале дель Наве. В этом можно быть уверенным, поскольку около 1970 года благодаря усилиям Э. Бартолотти сами бумаги обнаружились в библиотеке Болонского университета. Согласно Бартолотти, дель Ферро, скорее всего, знал, как решать три типа кубических уравнений, но передал метод решения только одного из них: куб плюс вещь равно числу.

Знание об этом решении сохранил ученик дель Наве и дель Ферро по имени Антонио Марио Фиор. И именно Фиор, выбравший своей целью зарабатывать на жизнь преподаванием математики, выступил с эффектным маркетинговым ходом. В 1535 году он вызвал Тарталью на публичный поединок по решению кубических уравнений.

Ходили слухи, что метод решения кубических уравнений найден, а ничто не воодушевляет математика сильнее, чем знание, что задача имеет решение. Риск зря потратить время на неразрешимую задачу исключен; основная опасность состоит лишь в том, что можно оказаться недостаточно умным, чтобы найти ответ, факт существования которого не подлежит сомнению. Все, что требуется, — это значительная доля уверенности в себе (которой у математиков обычно в достатке — даже если она оказывается самонадеянностью).

Тарталья заново открыл метод дель Ферро, но он подозревал, что Фиору известно, как решать другие типы кубических уравнений и за счет этого он получит преимущество. Тарталья не скрывал, сколь беспокоила его такая перспектива, и в конце концов, незадолго до состязания, сумел решить остальные случаи.

Теперь преимущество было у Тартальи, и он не мешкая стер в порошок несчастного Фиора.

Информация об этом поражении стала распространяться; Кардано услышал о нем в Милане. В то время он работал над своей книгой по алгебре. Как и всякий настоящий автор, Кардано вознамерился включить в книгу самые последние открытия — без них его труд устареет еще до публикации. Поэтому Кардано обратился к Тарталье, надеясь ласковым обхождением и лестью выманить у него секрет и включить его в «Великое искусство». Тарталья отказался, говоря, что сам имеет планы написать книгу.

В конце концов, однако, настойчивость Кардано была вознаграждена, и Тарталья открыл ему секрет. Действительно ли он заставил Кардано поклясться, что тот будет хранить тайну, зная, что книга, которую тот пишет, уже почти готова? Или же он поддался на вкрадчивые уговоры со стороны Кардано, а потом жалел об этом? Нет сомнения, что он был предельно зол, когда «Великое искусство» увидело свет. В течение года после этого он опубликовал книгу «Проблемы и различные изобретения», в которой обрушился на Кардано в более чем определенных выражениях. Он включил туда всю переписку между ними, утверждая, что она воспроизведена точно.

В 1547 году Феррари пришел на помощь своему патрону, послав Тарталье картель — вызов на ученый диспут на любую тему по выбору противника. Он даже предложил награду в 200 скудо для победителя. И выразился предельно ясно: «Я сделал это, дабы стало известно, что ты написал вещи, которые ложно и недостойно клевещут… на синьора Джироламо, по сравнению с которым ты вообще не заслуживаешь упоминания».

Феррари отправил экземпляры картеля многочисленным итальянским ученым и общественным лицам. Через девять дней Тарталья ответил, представив свое изложение фактов, после чего эти два математика обменялись двенадцатью картелями за полтора года. Диспут, как представляется, должен был проходить по стандартным правилам настоящей дуэли. За Тартальей, который был оскорбленной стороной, оставался выбор оружия, т.е. темы дебатов. Но он стремился вызвать не своего обидчика Феррари, а самого Кардано.

Феррари сохранял хладнокровие и заявлял, что в любом случае начать надо с того, что решил кубическое уравнение не Тарталья, а дель Ферро. Коль скоро дель Ферро не проявлял никакой озабоченности по поводу неоправданных утверждений Тартальи об авторстве, что же тогда мешало Тарталье вести себя аналогичным образом? Это был сильный ход, и Тарталье, возможно, пришлось это признать, потому что он подумывал отказаться от участия в состязании. Однако он не стал этого делать, по всей вероятности, из-за отцов своего родного города Брешиа. Тарталья добивался там кафедры, и его местные покровители могли пожелать посмотреть, как он себя покажет.

Как бы то ни было, Тарталья согласился на участие в дебатах, которые состоялись в августе 1548 года перед большим скоплением народа в Миланской церкви. Не сохранилось никаких отчетов о происшедшем, за исключением нескольких указаний у Тартальи, который пишет, что встреча прервалась, когда приближался решающий раунд. Это может служить намеком на то, что диспут оказался не слишком захватывающим. Кажется, однако, что Феррари умело одержал победу, потому что после этого ему предложили несколько заманчивых должностей, из которых он выбрал пост руководителя налогового управления при правителе Милана и вскоре стал очень богат. Тарталья, напротив, никогда не утверждал, что выиграл дебаты, не получил работу в Брешии, и на его долю достались лишь горькие упреки и обвинения.

Тарталья не мог знать, что Кардано и Феррари заранее продумали совершенно иную линию защиты, для чего отправились в Болонью и изучили там бумаги дель Ферро. Там содержалось первое настоящее решение кубического уравнения, и в последующие годы оба они утверждали, что источником материала, включенного в «Великое искусство», послужил не секрет, доверенный Кардано Тартальей, а исходные записи дель Ферро. Ссылка на Тарталью включалась только для пояснения того, как именно сам Кардано узнал о работе дель Ферро.

У этой истории имеется и последний поворот сюжета. Вскоре после выхода второго издания «Великого искусства», в 1570 году, инквизиция заключила Кардано в тюрьму. Причина ареста могла быть связана с обстоятельством, ранее казавшимся совершенно невинным, — не с содержанием книги, а с ее посвящением. Кардано в свое время решил посвятить ее относительно малоизвестному интеллектуалу Андреасу Осиандеру — второстепенному деятелю Реформации, на которого, однако, пало сильное подозрение в авторстве анонимного предисловия к книге «О вращении небесных сфер» Николая Коперника — первой книге, где говорилось, что планеты движутся не вокруг Земли, а вокруг Солнца. Церковь считала эти взгляды еретическими и в 1600 году сожгла Джордано Бруно за то, что тот продолжал их отстаивать, подвесив его раздетого догола и с кляпом во рту вниз головой на столбе на рыночной площади в Риме. В 1616 году, а потом еще раз, в 1633-м, по сходным причинам она доставила немало неприятностей Галилею, однако на сей раз инквизиция удовлетворилась помещением ученого под домашний арест.

Чтобы оценить, чего же достигли Джироламо и его соотечественники, нам надо вернуться к вавилонским табличкам, которые объясняют, как решать квадратные уравнения. Если следовать их предписанию, но выразить все шаги вычисления в современных обозначениях, мы увидим, что вавилонский писец на самом деле сообщал нам, что решение квадратного уравнения x2 − ax = b есть

Эта формула эквивалентна той, которую наизусть знает каждый школьник и которая в наши дни присутствует во всех справочниках.

Решение кубического уравнения, данное во времена Возрождения, выглядит похоже, но посложнее. В современных обозначениях оно имеет следующий вид. Пусть x3 + ax = b. Тогда

Коль скоро речь зашла о формулах, то эта среди них — относительно простая (поверьте!), однако для того, чтобы стало возможным записать ее в таком виде, потребовалось развитие большого числа алгебраических идей. Это заведомо самая сложная формула из тех, что нам встретятся в этой книге, и в ней использованы все три типа обозначений, которые я ввел: буквы, приподнятые числа и знак, причем корни здесь как квадратные, так и кубические. Понимания этой формулы от вас не требуется и определенно не требуется производить с ней никаких вычислений. Но важно понять ее общее устройство. Начнем с некоторой терминологии, которая будет нам полезна по мере продвижения вперед.

Алгебраическое выражение вида 2x4 − 7x3 − 4x2 + 9 называется полиномиальным выражением или, иначе говоря, многочленом. Такие выражения образованы путем сложения друг с другом различных степеней неизвестного. Числа 2, −7, −4 и 9, на которые умножаются эти степени, называются коэффициентами. Старшая степень, в которой неизвестное входит в многочлен, называется степенью этого многочлена, так что приведенный выше многочлен имеет степень 4. Имеются специальные названия для многочленов младших степеней (от 1 до 3 включительно): линейный, квадратичный и кубический. Решения соответствующего уравнения 2x4 − 7x3 − 4x2 + 9 = 0 называются корнями многочлена.

Теперь можно разобрать формулу Кардано на части. Она построена из коэффициентов a и b с использованием сложения, вычитания, умножения и деления (но только на определенные целые числа — 2, 4 и 27). Эзотерические аспекты двояки. Имеется квадратный корень — в действительности один и тот же квадратный корень встречается дважды, но один раз он прибавляется, а другой раз вычитается. Наконец, имеются два кубических корня, причем это кубические корни из величин, в которые входят квадратные корни. Так что помимо безобидных алгебраических операций (под которыми я понимаю те, что попросту перемешивают члены) «скелет» решения можно выразить так: «Берем квадратный корень, затем кубический корень; делаем это еще раз; складываем результаты».

Это все, что нам понадобится. Но без этого, я полагаю, нам не обойтись.

Чего математикам эпохи Возрождения сначала никак не удавалось ухватить, пока последующие поколения этого не поняли, так это того факта, что данная формула есть не просто решение одного типа кубических уравнений. Это — полное решение всех типов кубических уравнений, с точностью до простых алгебраических преобразований. Для начала, если кубический член есть, скажем, 5x3, а не x3, то можно просто разделить все уравнение на 5; с этим-то математики эпохи Возрождения неплохо разобрались. Более тонкая идея, которая потребовала тихой революции во взглядах на числа, состоит в том, что если разрешить коэффициентам а и b быть при необходимости отрицательными, то можно избежать бесплодных разграничений между различными случаями. Наконец, имеется чисто алгебраический фокус: если в уравнение входит квадрат неизвестного, от него всегда можно избавиться — надо заменить x на x плюс специальным образом подобранная постоянная, и если все сделать правильно, то слагаемое с квадратом замечательным образом исчезает. Здесь опять же будет легче, если перестать беспокоиться о том, являются ли числа положительными или отрицательными. Наконец, математики Возрождения тревожились по поводу слагаемых, которые полностью отсутствовали в уравнении, в то время как, на наш современный взгляд, средство от их тревоги очевидно: такие слагаемые не столько отсутствуют, сколько имеют перед собой коэффициент, равный нулю. Тогда одна и та же формула применима во всех случаях.

Задача решена?

Не совсем. Я вас обманул.

Обман вот где: я сказал, что формула Кардано решает все кубики (то есть кубические уравнения). В некотором смысле это утверждение неверно, и этот факт оказался важным. С другой стороны, обман был не очень серьезным, поскольку все зависит от того, что понимать под словом «решает».

Сам Кардано заметил эту сложность — и этот факт красноречиво свидетельствует о его внимании к мелочам. Кубическое уравнение, как правило, имеет или три решения (меньше, если исключить отрицательные числа), или одно. Кардано заметил, что когда имеются три решения — скажем, 1, 2 и 3, — то их никаким разумным образом не удается получить из формулы для решений. Вместо этого появляются квадратные корни из отрицательных чисел.

А именно, Кардано заметил, что кубическое уравнение x3 = 15x + 4 имеет очевидное решение x = 4. Но, применив формулу Тартальи, он получил «ответ»

казавшийся бессмысленным.

Немногие среди европейских математиков тех дней были настолько отчаянными, чтобы согласиться принять отрицательные числа. Их коллеги на Востоке пришли к пониманию отрицательных величин намного раньше. В Индии последователи джайнизма развили зачатки понятия отрицательных величин уже в 400 году, а в 1200-м в китайской системе «счетных палочек» использовались красные палочки для положительных чисел и черные для отрицательных — хотя и только в определенном, ограниченном контексте.

Если уже отрицательные числа вызывали затруднение, то квадратные корни из них представляли собой затруднение куда большее. Сложность состоит в том, что квадрат как положительного, так и отрицательного числа всегда положителен — я не буду объяснять почему, но это единственный способ заставить все законы алгебры работать непротиворечивым образом. Так что, даже если вы не против использования отрицательных чисел, вам вроде бы придется признать, что разумным способом изрекать квадратные корни из них нельзя. А поэтому всякое алгебраическое выражение, содержащее квадратный корень из отрицательной величины, должно быть бессмыслицей.

И тем не менее формула Тартальи привела Кардано именно к таким выражениям. В особенности тревожил его тот факт, что в случаях, когда было известно решение, полученное каким-то другим способом, формула как будто отказывалась его воспроизводить.

В 1539 году обеспокоенный Кардано решил обсудить вопрос с Тартальей: «Я обратился с вопросом о решении различных проблем, на которые вы не дали мне ответа; одна из них — задача о кубе, равном неизвестному плюс число. Я, без сомнения, уловил правило, но когда куб одной трети коэффициента при неизвестном превосходит квадрат половины числа, тогда, как кажется, я не могу с помощью этого правила удовлетворить мое уравнение».

Здесь Кардано в точности описывает условие, когда квадратный корень оказывается корнем из отрицательного числа. Ясно, что он превосходно ухватил всю суть вопроса и обнаружил подводный камень. Менее ясно, достиг ли Тарталья того же уровня понимания своей собственной формулы, потому что ответ его сводился к следующему: «Вы не владеете настоящим способом решения задач этого типа…. Ваши методы целиком неправильны». Возможно, Тарталья намеренно отказывал Кардано в помощи. А может быть, он просто не понимал, о чем тот говорит. Как бы то ни было, Кардано смог разглядеть трудный вопрос, которому предстояло занимать умы математиков всего мира в течение последующих 250 лет.

Даже во времена Возрождения проскальзывали намеки, что здесь происходит нечто важное. Тот же вопрос возник в другой задаче, обсуждавшейся в «Великом искусстве», — найти два числа, сумма которых равна 10, а произведение равно 40. Получалось «решение» 5 + √−15 и 5 − √−15. Кардано заметил, что если не обращать внимания на вопрос о том, что же означает квадратный корень из минус пятнадцати, а просто делать вид, что перед нами обычный квадратный корень, то удается проверить, что эти «числа» действительно удовлетворяют требуемому уравнению. При их сложении друг с другом квадратные корни сокращаются, а две остающиеся пятерки складываются в число 10, как того и требовало условие задачи. При умножении же получается 25 − (√−15)2, что равно 25 + 15, т.е. 40. Кардано не знал, как понять эти странные вычисления. «Таковы, — писал он, — пути арифметической изысканности, приводящей в конце концов к вещам столь же изощренным, сколь и бесполезным».

В своей «Алгебре» 1572 года Рафаэле Бомбелли — сын болонского торговца шерстью — заметил, что подобные же вычисления, в которых с «мнимыми» корнями обращаются так, как если бы они были настоящими числами, позволяют преобразовать таинственную формулу для решения озадачившего Кардано кубического уравнения в правильный ответ x = 4. Книгу он написал, чтобы занять свободное время, образовавшееся у него, пока он руководил осушением болот для Апостольской палаты — папского юридического и финансового ведомства. Бомбелли заметил, что

(2 + √−1) 3  = 2 + √−121

и

(2 − √−1) 3  = 2 − √−121,

так что сумма двух странных кубических корней принимает вид

(2 + √−1) + (2 − √−1),

что равно 4. Бессмысленный корень каким-то образом оказался осмысленным и привел к правильному ответу. Бомбелли, возможно, был первым математиком, кто понял, что можно выполнять алгебраические действия с квадратными корнями из отрицательных чисел и получать при этом осмысленные ответы. Это недвусмысленно намекало, что таким числам можно дать разумную интерпретацию, но у Бомбелли не было указаний на то, какую именно.

Математической вершиной книги Кардано была не кубика, а квартика. Его ученик Феррари сумел перенести методы Тартальи и дель Ферро на уравнения, содержащие четвертую степень неизвестного. Формула Феррари включает только квадратные и кубические корни — корни четвертой степени не нужны, поскольку такой корень есть просто квадратный корень квадратного корня.

«Великое искусство» не содержит решения квинтики — уравнения, в котором неизвестное появляется в пятой степени. Но ведь по мере возрастания степени уравнения метод его решения в свою очередь усложнялся, так что мало кто сомневался, что, применив достаточную изобретательность, можно будет решить и уравнение пятой степени — скорее всего, потребуется использовать корни пятой степени, так что соответствующая формула окажется весьма громоздкой.

Кардано не стал тратить время на поиски такого решения. После 1539 года он вернулся к другим своим многочисленным занятиям, в особенности к медицине. В это время его семейная жизнь начала рушиться самым ужасающим образом: «Мой [младший] сын между днем своей женитьбы и днем своего рокового конца был арестован по обвинению в попытке отравления собственной жены, пока она еще оправлялась после родов. В 17-й день февраля он был задержан, а пятьдесят три дня спустя, 13 апреля, обезглавлен в тюрьме». Кардано пытался примириться с этой трагедией, но беда не приходит одна. «Наш дом — мой дом — на протяжении нескольких дней стал свидетелем трех похорон: моего сына, маленькой внучки Диареджины и кормилицы; мой новорожденный внук также был недалек от смерти». При всем этом в силу своей природы Кардано был неисправимым оптимистом: «Тем не менее во мне еще так много благодати, что, если бы она принадлежала кому-то другому, тот бы считал себя счастливчиком».

 

Глава 5

Хитрый лис

Какую дорогу избрать? Какой предмет изучать? Ему нравились оба, но пришло время выбирать — ужасная дилемма. На дворе был 1796 год, а блестящий 19-летний юноша стоял перед решением, которому предстояло определить его дальнейшую жизнь. Настал момент определиться насчет жизненного пути. Карл Фридрих Гаусс происходил из обыкновенной семьи, но знал, что ему уготовано величие. Его способности были очевидны для всех, включая герцога Брауншвейгского — суверена той области, где Гаусс родился и где жила его семья. Проблема состояла в том, что способностей у него было слишком много, и сейчас предстояло выбрать между двумя пристрастиями — математикой и филологией.

Однако 30 марта все решилось помимо его воли, само собой, как результат любопытного, замечательного и совершенно беспрецедентного открытия. В тот день Гаусс нашел эвклидово построение правильного многоугольника с семнадцатью сторонами.

Это может звучать как нечто понятное лишь посвященным, но у Эвклида не было и намека на это построение. Несложно найти способы построения правильных многоугольников с тремя, четырьмя, пятью или шестью сторонами. Можно соединить конструкции для треугольника и пятиугольника и получить таким образом многоугольник с пятнадцатью сторонами, можно удваивать число сторон, что даст восемь, десять, двенадцать, шестнадцать, двадцать…

Но семнадцать сторон не лезли ни в какие ворота. Однако же построение его было верным, и Гаусс абсолютно точно знал почему. Все сводилось к двум очевидным свойствам числа 17. Это число простое: оно делится нацело только само на себя и на 1. Кроме того, оно на единицу превосходит степень двойки: 17 = 16 + 1 = 24 + 1.

Если бы вы были гением, как Гаусс, вам было бы понятно, почему из этих двух непритязательных утверждений следует, что существует построение правильного семнадцатиугольника с помощью циркуля и линейки. Если бы вы были любым другим из великих математиков, живших между 500 годом до Р.Х. и 1796 годом, вы бы даже не заподозрили наличия здесь связи. Мы знаем об этом потому, что они действительно ничего такого не заподозрили.

Если Гаусс и нуждался в каком-либо подтверждении своего математического таланта, то он определенно такое подтверждение получил. И решил стать математиком.

Семья Гауссов перебралась в Брауншвейг в 1740 году, когда дед Карла устроился там садовником. Один из трех его сыновей, Гебхард Дитрих Гаусс, также стал садовником, время от времени подрабатывая то тут, то там — например, на кладке кирпича или прокладке каналов; иногда он выполнял работу «фонтанных дел мастера», а также помогал купцам и был казначеем небольшой похоронной кассы. Все более прибыльные профессии конвоировались гильдиями, и чужакам — даже чужакам во втором поколении — доступа туда не было. Гебхард женился во второй раз в 1776 году на Доротее Бенце — дочери каменщика, работавшей прислугой. Их сын Иоганн Фридерих Карл (сам себя всегда называвший Карлом Фридрихом) родился в 1777 году.

Гебхард был честным, упрямым, грубоватым человеком и не отличался особым умом. Доротея обладала острым умом и сильным характером — качества, которые оказались Карлу как нельзя более кстати. Когда мальчику исполнилось два года, его мать уже понимала, что у нее на руках необыкновенно одаренный ребенок, и она всей душой желала дать ему образование, которое позволило бы развить его способности. Гебхард же предпочел бы, чтобы Карл стал каменщиком. Лишь благодаря матери Карл смог исполнить предсказание своего друга — геометра Вольфганга Бойяи. Когда сыну Доротеи было 19, Бойяи сказал, что Карл станет величайшим математиком в Европе. Она растрогалась до слез.

Сын не забыл преданности матери: последние двадцать лет своей жизни она жила у него; ее зрение постепенно ухудшалось, и в конце концов она полностью ослепла. Великий математик решил, что будет сам о ней заботиться, и ухаживал за матерью до самой ее смерти в 1839 году.

Гаусс рано проявил свои способности. В трехлетнем возрасте он наблюдал, как отец, бравший в то время подряды на выполнение работ бригадой подсобных рабочих, раздавал еженедельный заработок. Заметив ошибку в расчетах, мальчик указал на нее изумленному отцу. Никто до этого не обучал его числам. Он выучил их сам.

Несколько лет спустя школьный учитель Й.Г. Бюттнер, желая немного передохнуть, задал классу, где учился Гаусс, задачу в надежде, что она займет их на несколько часов. Задача известна нам не вполне точно, но это было что-то вроде «сложить все числа от 1 до 100». Скорее всего, числа были не такие круглые, но в них содержалась скрытая закономерность: они образовывали арифметическую прогрессию, что означает, что разность между любыми двумя соседними числами была одинакова. Имеется простой, но не сразу очевидный способ сложения чисел из арифметической прогрессии, но в классе этого не проходили, так что ученикам предстоял долгий труд по сложению чисел одного за другим.

Этого, по крайней мере, ожидал Бюттнер. Он велел тем, кто выполнит задание, сразу же положить свою аспидную доску с ответом к нему на стол. Пока его одноклассники выписывали нечто вроде

1 + 2 = 3

3 + 3 = 6,

6 + 4 = 10

с неизбежной ошибкой

10 + 5 = 14

и при этом не знали, где найти место на доске для следующего действия, Гаусс, подумав лишь мгновение, написал на своей доске мелом одно число, подошел к учителю и положил доску ему на стол ответом вниз.

«Он там», — сказал он и вернулся на свое место.

В конце урока, когда учитель собрал все доски, правильный ответ был лишь на одной — на Гауссовой.

Опять же, мы не знаем наверняка, как рассуждал Гаусс, но можно предложить правдоподобную реконструкцию. Скорее всего, Гауссу уже доводилось размышлять о суммах подобного рода, и он углядел полезный прием. (Если нет, значит, он сумел добрести его прямо на месте.) Простой способ получить ответ состоит в том, чтобы сгруппировать числа в пары: 1 и 100, 2 и 59, 3 и 98 и так далее до пары, состоящей из 50 и 51. Каждое число от 1 до 100 встречается в некоторой паре ровно один раз, поэтому сумма всех этих чисел равна сумме всех пар. Но в каждой паре сумма равна 101. А всего пар 50. Так что ответ — 50×101 = 5050. Это (или что-то эквивалентное) Гаусс и написал на своей доске.

Смысл этой истории не в том, что Гаусс был необычно силен в арифметике, хотя так оно и было — позднее, занимаясь астрономией, он запросто выполнял громоздкие вычисления со многими десятичными знаками, работая со скоростью тех умственно неполноценных людей, единственная способность которых состоит в навыке необычайно быстрого счета. Но вычислениями с быстротой молнии его способности не ограничивались. Чем он обладал в избытке, так это даром видеть в математических задачах скрытые закономерности и использовать их для нахождения решения.

Бюттнер был настолько потрясен тем, что Гаусс так легко справился с задачей, что, к чести его будь сказано, снабдил мальчика лучшей книгой по арифметике, которую можно было купить. Через неделю Гаусс уже превзошел своего учителя.

Так случилось, что у Бюттнера был 17-летний помощник Иоганн Бартельс, в официальные обязанности которого входило чинить перья для письма и помогать мальчикам ими пользоваться. Неофициально же Бартельс был влюблен в математику. Он привязался к яркому десятилетнему ученику, и они стали друзьями на всю жизнь. Подбадривая друг друга, они стали заниматься математикой вместе.

Бартельс был на дружеской ноге с некоторыми влиятельными фигурами в Брауншвейге, благодаря чему там вскоре узнали, что у них в глуши живет безвестный гений, семья которого прозябает на грани нищеты. Один из этих господ, советник и профессор Э.А.В. Циммерман, в 1791 году представил Гаусса герцогу Брауншвейгскому Карлу-Вильгельму Фердинанду. Герцог был очарован и впечатлен настолько, что взял на себя оплату образования Гаусса (он время от времени делал такое для способных детей бедняков).

Математика была не единственным талантом мальчика. К 15 годам он достиг значительных успехов в древних языках, которые изучал в местной гимназии; обучение там также оплачивал герцог. (В старой немецкой образовательной системе гимназия была чем-то вроде школы для подготовки к поступлению в университет. Слово переводится примерно как «старшая школа», но учиться там можно было только за плату.) Многие из лучших работ Гаусса были позднее написаны на латыни. В 1792 году он поступил в Карлово училище в Брауншвейге, и снова обучение оплачивал герцог.

К 17 годам он уже доказал замечательную теорему в теории чисел, известную как квадратичный закон взаимности. В ней утверждается фундаментальная, но достаточно неординарная закономерность в свойствах делимости полных квадратов. На эту закономерность обратил внимание еще Леонард Эйлер, но Гаусс об этом не знал и сам открыл все заново. Лишь очень немногие вообще задумывались о том, чтобы поставить этот вопрос. Юноша, кроме того, глубоко размышлял о теории уравнений. На самом деле эти размышления и привели его к построению правильного 17-угольника и тем самым направили на путь, ведущий к математическому бессмертию.

Между 1795 и 1798 годами Гаусс учился, чтобы получить диплом в Геттингенском университете, причем за обучение снова платил герцог Фердинанд. У Гаусса было немного друзей, но те дружеские отношения, которые он завязал, были глубокими и долгими. В Геттингене же Гаусс встретил Бойяи — опытного геометра в эвклидовых традициях.

Математические идеи приходили к Гауссу столь быстро и в таком изобилии, что иногда, казалось, полностью поглощали его. Когда в голове у него возникала новая идея, он мог внезапно уставиться в пространство, бросив при этом все, чем занимался до этого. Он сформулировал некоторые теоремы, которые были бы справедливы, «если бы истинной была не эвклидова, а другая геометрия». На переднем плане его размышлений было его главное сочинение — Disquisitiones Arithmeticae — и к 1798 году эта книга была в основном закончена. Однако Гаусс хотел удостовериться, что отдал должное своим предшественникам в вопросах приоритета, для чего отправился в университет Хельмштедта, где была прекрасная математическая библиотека, которую курировал Иоганн Пфафф — самый известный из немецких математиков.

В 1801 году, после огорчительной задержки в типографии, Disquisitiones Arithmeticae наконец вышла с изобильным и, без сомнения, искренним посвящением герцогу Фердинанду. Щедрость герцога не иссякла, даже когда Карл закончил университет. Фердинанд оплатил расходы, необходимые для издания с соблюдением всех необходимых требований диссертации Гаусса, представленной им в университете Хельмштедта. А когда Карл обеспокоился своим материальным положением после окончания университета, герцог определил ему пособие, позволявшее продолжать исследования, не слишком заботясь о деньгах.

Заслуживает упоминания и такая сторона Disquisitiones Arithmeticae, как ее бескомпромиссный стиль. Доказательства написаны очень тщательно и логически безупречно, однако изложение не делает читателю никаких поблажек и не дает подсказок насчет интуитивных соображений, стоящих за той или иной теоремой. Позднее Гаусс оправдывал такую позицию (которой он придерживался на протяжении всей своей карьеры) тем, что «когда строительство прекрасного здания закончено, окружавших его лесов больше не должно быть видно». Это прекрасно, если цель состоит исключительно в том, чтобы люди любовались зданием. Но не так уж прекрасно, если есть желание научить их строить самостоятельно. Карл Густав Якоб Якоби, работы которого по комплексному анализу основаны на идеях Гаусса, сказал о своем прославленном предшественнике, что «он как лис, который хвостом заметает свои следы на песке».

Приблизительно в то время математики постепенно подходили к осознанию того факта, что, хотя комплексные числа кажутся искусственным образованием, а их интерпретация туманна, использование их намного упрощает алгебру, позволяя решать уравнения единообразным способом. Изящество и простота — пробный камень математики, и новаторские концепции, сколь бы странными они сначала ни казались, имеют тенденцию в конце концов брать верх, если они способствуют сохранению изящества и простоты предмета.

Если работать только с традиционными «вещественными» числами, то уравнения ведут себя раздражающе беспорядочным образом. Уравнение x2 − 2 = 0 имеет два решения — плюс или минус квадратный корень из двух, — но очень похожее уравнение x2 + 1 = 0 вообще не имеет решений. Однако это уравнение имеет два решения в комплексных числах: i и −i. Символ i для обозначения √−1 был введен Эйлером в 1777 году, но появился в печати лишь в 1794-м. Теорию, выраженную лишь в терминах «вещественных» уравнений, загромождают исключения и необходимость педантичного разграничения различных случаев. Аналогичная теория комплексных уравнений оставляет в стороне все эти сложности за счет того, что с самого начала предлагается купить оптом одно-единственное усложнение — позволить комплексным числам появляться наравне с вещественными.

К 1750 году идеи, вызванные к жизни итальянскими математиками эпохи Возрождения, достигли зрелости и замкнутости. Предложенные методы решения кубики и квартики воспринимались как естественные обобщения вавилонского решения квадратных уравнений. В достаточных подробностях была разработана связь между радикалами и комплексными числами, причем было осознано, что в этом расширении обычной числовой системы у числа имеется не один кубический корень, а три; не один корень четвертой степени, а четыре; не один корень пятой степени, а пять. Ключом к пониманию того, откуда берутся эти новые корни, стало прекрасное свойство «корней из единицы», то есть корней n-й степени из числа 1. Эти корни образуют вершины правильного n-угольника в комплексной плоскости, одна вершина которого лежит в точке 1. Остальные корни из единицы располагаются на равных расстояниях вдоль окружности единичного радиуса с центром в точке 0. На рисунке показано расположение корней пятой степени из единицы.

В более общем виде, если дан любой конкретный корень пятой степени из некоторого числа, то можно получить еще четыре, умножая его на q, q2, q3 и q4. Эти числа также располагаются по окружности с центром в 0. Например, корни пятой степени из 2 показаны на рисунке справа.

Слева: корни пятой степени из единицы в комплексной плоскости.

Справа: корни пятой степени из двух.

Все это очень мило, но здесь же содержится намек на нечто гораздо более глубокое. Корни пятой степени из 2 можно рассматривать как решения уравнения x5 = 2. Это уравнение пятой степени, и у него пять комплексных решений, причем только одно из них вещественно. Аналогичным образом уравнение x4 = 2 имеет четыре решения (все корни четвертой степени из 2), уравнение на корни 17-й степени из 2 имеет 17 решений и так далее. Не обязательно быть гением, чтобы подметить правило: число решений равно степени уравнения.

То же самое, как представлялось, выполняется не только для уравнений на корни п-й степени, но и вообще для любого алгебраического уравнения. Математики пребывали в убеждении, что в области комплексных чисел каждое уравнение имеет ровно столько решений, какова степень уравнения. (Технически это утверждение верно, только когда решения подсчитываются с учетом их «кратностей». Если это соглашение не использовать, то число решений равно степени уравнения или меньше ее.) Эйлер доказал это свойство для уравнений степеней 2, 3 и 4 и утверждал, что аналогичные методы будут работать и в общем случае. Его идеи выглядели правдоподобно, но заполнение пробелов в намеченной им схеме доказательства оказалось практически невозможным, и даже сегодня требуются серьезные усилия, чтобы довести метод Эйлера до логического конца. Тем не менее математики предполагали, что если они решают уравнение некоторой степени, то следует ожидать появления в точности стольких корней, какова эта степень.

По мере того как Гаусс развивал свои идеи в теории чисел и анализе, его все менее и менее удовлетворяло то, что никто не доказал это предположение. Характерно, что в конце концов он сам предложил доказательство. Оно было сложным и на удивление непрямым: любой квалифицированный математик мог убедиться в его верности, но никто не мог сообразить, как же Гаусс до него додумался. Математический лис мстительно вилял хвостом.

В переводе с латыни заглавие диссертации Гаусса звучало как «Новое доказательство, что каждую рациональную целую функцию одного переменного можно разложить на вещественные множители первой или второй степени». Если пробиться через профессиональные термины, принятые в то время, то заглавие утверждает, что каждый многочлен (с вещественными коэффициентами) равен произведению выражений, представляющих собой линейные или квадратичные многочлены.

Гаусс использовал слово «вещественные», чтобы ясно показать: он работает в рамках традиционной числовой системы, в которой отрицательные величины не имеют квадратных корней. В наши дни мы бы выразили теорему Гаусса в логически равносильном, но более простом виде: каждый вещественный многочлен степени n имеет n вещественных или комплексных корней. Но Гаусс тщательно подбирал выражения таким образом, чтобы его работа не опиралась на все еще несколько сбивающую с толку систему комплексных чисел. Комплексные корни вещественного многочлена всегда можно собрать в пары, что приводит к вещественным квадратичным множителям, а линейные множители отвечают вещественным корням. Сформулировав заглавие в терминах множителей этих двух типов («множители первой или второй степени»), Гаусс обошел стороной спорный вопрос о комплексных числах.

Одно слово в заглавии не оправданно: «новое» предполагает, что имеются «старые» доказательства. Гаусс дал первое строгое доказательство этой фундаментальной теоремы в алгебре. Но чтобы не обижать прославленных предшественников, утверждавших, что у них имелись доказательства — которые все оказались ошибочными, — Гаусс представил свое выдающееся достижение как всего лишь самое свежее доказательство, опирающееся на новые (то есть правильные) методы.

Эта теорема получила известность как Основная Теорема Алгебры. Гаусс считал ее настолько важной, что дал в общей сложности четыре доказательства, причем последнее — когда ему было 70 лет. Лично он не испытывал никаких колебаний или сомнений по поводу комплексных чисел: они играли значительную роль в его мыслительном процессе, и впоследствии он сформировал собственное объяснение их смысла. Однако он старался избегать разногласий. С годами он стал замалчивать многие из своих оригинальных идей — неэвклидову геометрию, комплексный анализ и строгий подход к комплексным числам, — потому что не хотел вызывать то, что он называл «плачем беотийцев».

Гаусс не ограничивался чистой математикой. В начале 1801 года итальянский священник и астроном Джузеппе Пьяцци открыл новую планету или то, что ему представлялось планетой, — тусклое пятно света в телескопе, от ночи к ночи менявшее свое положение на фоне звезд, что было верным признаком принадлежности тела к Солнечной системе. Планете должным образом дали имя Церера, но на самом деле это оказался астероид — первый открытый астероид в истории. Не успел Пьяцци обнаружить новый мир, как тут же потерял его в блеске Солнца. Он сумел сделать так мало наблюдений, что астрономы не могли вычислить орбиту нового тела и беспокоились, что не найдут его, когда оно снова выйдет из-за Солнца.

Это была задача, достойная Гаусса, и он охотно за нее взялся. Он изобрел улучшенные способы определения орбит исходя из малого числа наблюдений и предсказал, где должна появиться Церера. Когда так и произошло, молва о Гауссе распространилась повсеместно. Путешественник и естествоиспытатель Александр фон Гумбольдт попросил Пьера-Симона де Лапласа — специалиста по небесной механике — назвать величайшего математика в Германии и получил ответ: «Пфафф». Когда недоумевающий Гумбольдт спросил: «А Гаусс?» — Лаплас ответил: «Гаусс — величайший математик в мире».

К сожалению, новоявленное светило отвлекло его от чистой математики на длинные вычисления для расчета орбиты, что можно было считать растратой его неординарных способностей. Не в том дело, что небесная механика не важна, — просто эту работу могли бы проделать и другие, менее талантливые математики. С другой стороны, из-за этого его дальнейшая жизнь полностью устроилась. Гаусс уже некоторое время искал постоянное место работы, которое оставляло бы возможность для общественного служения, с тем чтобы отдать должное своему покровителю — герцогу. Его работа о Церере привела к тому, что он стал директором Геттингенской обсерватории, и этот пост он занимал всю свою научную жизнь.

В 1805 году он женился на Иоанне Остхофф. В письме к Бойяи он так описывал свою новую жену: «Прекрасное лицо Мадонны, зерцало мира и здоровья, нежные, несколько мечтательные глаза, безупречная фигура — это одна сторона; яркий ум и развитая речь — это другая; но мягкая, безмятежная и целомудренная душа ангела, не причиняющая зла ни одному созданию, — это лучшее». Иоанна родила ему двоих детей, но в 1809 году умерла при родах, и убитый горем Гаусс «закрыл ее ангельские глаза, в которых я видел свой рай последние пять лет». Он начал страдать от одиночества, впал в депрессию, и жизнь уже никогда не была для него прежней. Он нашел новую жену — лучшую подругу Иоанны Минну Вальдек, но брак был не самым счастливым, несмотря на рождение еще троих детей. Гаусс постоянно спорил с сыновьями, а дочерям указывал, что им следует делать, и молодым людям настолько надоело это терпеть, что они уехали из Европы в Соединенные Штаты, где в дальнейшем преуспели.

Вскоре после начала своего директорства в Геттингене Гаусс вернулся к старой идее — возможности нового типа геометрии, которая удовлетворяла бы всем эвклидовым аксиомам, кроме аксиомы о параллельных прямых. В конце концов он пришел к убеждению, что логически непротиворечивые неэвклидовы геометрии возможны, но так и не опубликовал свои результаты из опасений, что их сочтут слишком радикальными. Янош Бойяи — сын его старого друга Вольфганга — позднее сделал аналогичные открытия, но Гаусс не счел возможным похвалить его работу, потому что сам предвосхитил многое из сделанного им. Еще некоторое время спустя, когда Николай Иванович Лобачевский независимо переоткрыл неэвклидову геометрию, Гаусс сделал его членом-корреспондентом Геттингенской Академии, но опять не высказал никакого публичного одобрения.

Годы спустя, по мере того как математики более подробно изучили эти новые геометрии, их стали интерпретировать как геометрии «геодезических» — кратчайших — путей на искривленных поверхностях. Если поверхность имеет постоянную положительную кривизну, как сфера, то геометрия называется эллиптической. Если кривизна постоянна и отрицательна (поверхность в каждой своей точке по форме напоминает седло), то это гиперболическая геометрия. Эвклидова геометрия соответствует нулевой кривизне — плоскому пространству. Эти геометрии можно охарактеризовать их метрикой — формулой для расстояния между двумя точками.

Эти идеи могли привести Гаусса к более общему исследованию искривленных поверхностей. Он вывел прекрасную формулу для величины кривизны и доказал, что она дает один и тот же результат в любой системе координат. В такой формулировке кривизна не обязательно должна быть постоянной: она может изменяться от точки к точке.

В зрелом возрасте Гаусс обратился к практическим применениям — вещь, нередкая среди математиков. Он консультировал несколько землемерных проектов, самым большим из которых была триангуляция области Ганновера. Он активно участвовал в полевых работах, а потом анализировал данные. Для облегчения этих работ он изобрел гелиотроп — прибор для обмена сигналами в отраженном свете. Но когда его стало подводить сердце, он прекратил занятия геодезией и решил провести оставшиеся годы в Геттингене.

В тот несчастливый для Гаусса период молодой норвежец по имени Абель написал ему о невозможности решения уравнения пятой степени в радикалах, но не получил ответа. Вероятно, Гаусс был слишком подавлен даже для того, чтобы взглянуть на статью.

Около 1833 года Гаусс заинтересовался магнетизмом и электричеством. Совместно с физиком Вильгельмом Вебером он работал над книгой, озаглавленной «Общая теория земного магнетизма», которая вышла в 1839 году. Они также изобрели телеграф, связавший Гауссову обсерваторию с физической лабораторией, где работал Вебер, но провода непрерывно рвались, и другие изобретатели предложили более практичный проект. Вебера выгнали из Геттингена вместе с шестью другими учеными из-за их отказа принести присягу новому королю Ганновера Эрнсту Августу. Гаусса это сильно расстроило, но его политический консерватизм и нежелание «поднимать волну» не позволили ему выступить с каким-либо публичным протестом, хотя в кулуарах он и пытался поддержать Вебера.

В 1845 году Гаусс написал докладную записку по поводу пенсионного фонда для вдов геттингенских профессоров, в котором проанализировал возможное влияние резкого увеличения числа членов фонда. Он вкладывал деньги в правительственные фонды и железнодорожные акции и составил порядочное состояние.

После 1850 года, страдая от проблем с сердцем, Гаусс сократил объем работы. Для нашего рассказа наиболее важным событием этого времени была Habilitation, диссертация его ученика Георга Бернхарда Римана. (В немецкой академической системе эта диссертация — вторая степень после кандидатской.) Риман обобщил работу Гаусса о поверхностях в многомерных пространствах, которые он назвал многообразиями. В частности, он расширил концепцию метрики и нашел формулу для кривизны многообразия. По существу, он создал теорию искривленных многомерных пространств. Позднее эта идея оказалась основополагающей для работ Эйнштейна по гравитации.

Гаусс, за которым теперь постоянно присматривал врач, посетил публичную лекцию Римана по этому вопросу и был глубоко впечатлен. По мере того как его здоровье ухудшалось, он проводил все больше времени в постели, но продолжал писать письма, читать и управлять своим капиталом. В начале 1855 года Гаусс мирно скончался во сне. Это был величайший в мире математический ум из всех известных.

 

Глава 6

Расстроенный врач и больной гений

Первый значительный шаг вперед после «Великого искусства» Кардано был сделан примерно в середине восемнадцатого столетия. Хотя математики Возрождения научились решать уравнения третьей и четвертой степеней, их методы, по существу, сводились к ряду трюков. Каждый такой трюк успешно работал, но, как представлялось, скорее из-за серии совпадений, нежели по какой-либо систематической причине. Изучить и окончательно обосновать эту причину около 1770 года удалось двум математикам — Жозефу-Луи Лагранжу, уроженцу Италии, всегда считавшему себя французом, и Александру-Теофилу Вандермонду — французу вне всякого сомнения.

Вандермонд родился в Париже в 1735 году. Отец хотел, чтобы он стал музыкантом, и Вандермонд достиг совершенства в игре на скрипке и ступил на путь музыкальной карьеры, но в 1770 году заинтересовался математикой. Его первая математическая публикация была посвящена симметричным функциям корней многочлена — алгебраическим формулам типа суммы всех корней, которые не меняются, если корни поменять местами. Наиболее оригинальной частью его работы было доказательство, что уравнение x n  − 1 = 0, связанное с правильным п-угольником, можно решить в радикалах, если n меньше или равно 10. (На самом деле оно разрешимо в радикалах для любого n.) Великий французский аналитик Огюстен-Луи Коши позднее ссылался на Вандермонда как на первого, кто осознал, что к задаче решения уравнений в радикалах можно применить симметрические функции.

В руках Лагранжа эта идея стала отправной точкой для атаки на все алгебраические уравнения.

Лагранж родился в итальянском городе Турине и был наречен Джузеппе Лодовико Лагранджиа. Семья имела французские корни: прадед сначала был капитаном французской кавалерии, а потом переехал в Италию и поступил на службу к герцогу Савойскому. Еще в ранней молодости Джузеппе начал писать свою фамилию как «Лагранж», в качестве имени при этом используя Лодовико или Луиджи. Его отец был казначеем в Министерстве общественных работ и укреплений в Турине; мать Тереса Гроссо была дочерью врача. Лагранж был первым из их одиннадцати детей, лишь двоим из которых довелось дожить до зрелых лет.

Семья относилась к высшим слоям итальянского общества, однако в результате некоторых неудачных вложений Лагранжи оказались практически разорены. Было решено, что молодой Лагранж будет изучать право, и он поступил в Туринский университет. Ему нравились право и классические предметы, а математические занятия, на которых в основном преподавалась эвклидова геометрия, наводили на юношу тоску. Однако попавшаяся ему как-то раз книга по алгебраическим методам в оптике, написанная английским астрономом Эдмондом Галлеем, самым решительным образом переменила его мнение о математике. Лагранж направился по пути, который и стал определяющим в его ранних исследованиях, — применение математики к механике и в особенности к небесной механике.

Он женился на своей кузине Виттории Конти. «Моя жена, приходящаяся мне кузиной (и даже жившая в течение долгого времени в нашем семействе), — прекрасная хозяйка и совершенно не требовательна», — писал он своему другу, также математику, Жану ле Рон д'Аламберу. Он также доверительно сообщал ему, что вообще не собирается иметь детей — так оно и вышло.

Лагранж занял должность в Берлине, написал много научных статей и несколько раз становился обладателем ежегодной премии Французской академии: в 1772 году он получил награду вместе с Эйлером, в 1774-м был удостоен ее за работу по динамике Луны, а в 1780-м — за работу о влиянии планет на орбиты комет. Другим его пристрастием была теория чисел. В 1770 году он доказал теорему, представляющую собой классику жанра, — теорему о четырех квадратах, согласно которой всякое положительное целое число представимо в виде суммы четырех квадратов. Например, 7 = 22 + 12 + 12 + 12, 8 = 22 + 22 + 02 + 02 и так далее.

Он стал членом Французской академии наук и перебрался в Париж, где и провел всю оставшуюся жизнь. Он полагал, что разумно подчиняться законам страны проживания даже в случае личного с ними несогласия, — точка зрения, которая, возможно, помогла ему избежать участи многих других интеллектуалов во время Французской революции. В 1788 году Лагранж опубликовал свой шедевр — «Аналитическую механику», где переосмыслил механику как ветвь анализа. Он гордился тем, что в его объемистой книге вообще нет рисунков; в его глазах это делало изложение логически более строгим.

В 1792 году Лагранж женился второй раз, на дочери астронома Рене-Франсуазе-Аделаиде ле Моннье. В августе 1793 года, во время Террора, Академию закрыли; единственной ее частью, не прекратившей функционировать, была Комиссия мер и весов. От работы были отстранены многие ведущие ученые — химик Антуан Лавуазье, физик Шарль Огюстен Кулон, а также Пьер Симон Лаплас. Лагранж стал новым председателем Комиссии мер и весов.

К этому моменту у него стали возникать проблемы из-за его итальянского происхождения. Революционное правительство провело закон, требовавший ареста каждого иностранца, родившегося во враждебной стране. Лавуазье, тогда еще сохранявший свое влияние, добился, чтобы Лагранжа исключили из списков тех, кто подпадал под действие нового закона. Вскоре революционный трибунал приговорил Лавуазье к смерти, и на следующий же день его гильотинировали. Лагранж заметил, что «только мгновение потребовалось, чтобы пала его голова, но сотни лет не хватит, чтобы появилась другая такая».

При Наполеоне Лагранж получил целый ряд почестей: он стал кавалером Ордена почетного легиона, в годы Империи, в 1808 году, ему был пожалован титул графа, а в 1813-м он стал кавалером Большого Креста Императорского Ордена Содружества. Через неделю после получения Большого Креста он скончался.

В 1770 году — в год открытия теоремы о четырех квадратах — Лагранж взялся за написание обширного трактата по теории уравнений, говоря при этом: «В данном мемуаре я предполагаю исследовать различные методы, найденные к настоящему моменту для алгебраического решения уравнений, свести их к общим принципам и объяснить a priori, почему эти методы приводят к успеху в степени три и четыре, но непригодны для старших степеней». Как выразился Жан-Пьер Тиньоль в своей книге «Теория Галуа алгебраических уравнений», Лагранж «явным образом намеревался определить не только как, но и почему эти методы работают».

Лагранж добился гораздо более глубокого понимания методов эпохи Возрождения, чем сами их изобретатели; он даже доказал, что найденную им общую схему, объяснявшую их успехи, нельзя распространить на степени пять и выше. Тем не менее он не смог сделать следующего шага — выяснить, возможно ли какое-нибудь решение в этих случаях. Вместо этого он сообщает нам, что его результаты «окажутся полезными для тех, кто захочет заняться решением уравнений высших степеней, поскольку снабдят их различными взглядами на этот вопрос и, главное, предохранят от большого числа ложных шагов и попыток».

Лагранж обратил внимание, что все специальные приемы, которые использовали Кардано, Тарталья и другие, основывались на одном методе. Вместо того чтобы непосредственно искать корни заданных уравнений, они пытались свести задачу к решению некоторого вспомогательного уравнения, корни которого связаны с исходными, однако отличаются от них.

Вспомогательное уравнение в случае кубического уравнения было более простым — квадратным. Эту «разрешающую квадрику» можно было решить вавилонскими методами; решение же кубического уравнения затем восстанавливалось путем извлечения кубического корня. Именно такова структура формулы Кардано. Для уравнения четвертой степени вспомогательное уравнение тоже было более простым — кубическим. Эту «разрешающую кубику» можно было решить методом Кардано; решение же уравнения четвертой степени затем восстанавливалось извлечением корня четвертой степени — другими словами, кратным извлечением квадратного корня. Именно такова структура формулы Феррари.

Можно представить себе растущее воодушевление Лагранжа. Если подобная закономерность сохранится, то уравнение пятой степени будет иметь «разрешающую квадрику», которую можно будет решить методом Феррари, а затем извлечь корень пятой степени. И процесс может продолжиться: уравнение шестой степени будет иметь разрешающую квинтику, которую можно будет решить с помощью того, что получит известность как метод Лагранжа. Он сможет решить уравнения любой степени.

Суровая реальность вернула его на землю. Разрешающее уравнение для уравнения пятой степени оказалось не квартикой, а уравнением более высокой степени — шестой. Тот самый метод, который позволил упростить кубику и квартику, привел к усложнению квинтики.

Достичь прогресса в математике посредством замены сложной задачи на еще более сложную невозможно. Объединенный метод Лагранжа отказал на уравнении пятой степени. Тем не менее Лагранж не доказал, что уравнение пятой степени неразрешимо, так как могли существовать и какие-то другие методы.

В самом деле, почему бы и нет?

Для Лагранжа это был риторический вопрос. Однако один из его последователей отнесся к этому вопросу серьезно и ответил на него.

Его звали Паоло Руффини, и когда я говорю, что он «ответил» на риторический вопрос Лагранжа, я слегка лукавлю. Он полагал, что ответил, и его современники не обнаружили в его ответе ничего неверного — отчасти потому, что никогда не воспринимали его работы настолько серьезно, чтобы в самом деле подвергнуть их всесторонней проверке. Руффини прожил свою жизнь в убеждении, что доказал неразрешимость уравнения пятой степени в радикалах. Только после его смерти оказалось, что в его доказательстве имеется значительный пробел. Его легко было просмотреть среди многих и многих страниц запутанных вычислений; проблема состояла в некотором «очевидном» допущении — таком, что он даже не заметил, что это предположение делалось.

Как знает из собственного горького опыта каждый профессиональный математик, очень трудно заметить, что вы делаете неявное предположение, — трудно в первую очередь потому, что оно делается неявно.

Руффини родился в 1765 году в семье врача. В 1783-м он поступил в университет Модены, где изучал медицину, философию, литературу и математику. Геометрии он учился у Луиджи Фантини, а анализу — у Паоло Кассиани. Когда Кассиани переехал, чтобы занять при семействе Эсте должность управляющего их обширными владениями, Руффини — в тот момент еще студент — взял на себя курс анализа, который читал Кассиани. В 1788 году он получил степень по философии, медицине и хирургии, а степень по математике — в 1789-м. Вскоре после этого он сменил на профессорской должности Фантини, зрение которого быстро ухудшалось.

Ход его научных занятий был прерван течением мировых событий. Разбив в 1796 году войска Австрии и Сардинии, Наполеон Бонапарт обратил свой взгляд на Турин и захватил Милан. Вскоре он оккупировал Модену, и Руффини пришлось принять участие в политической деятельности. Вначале он собирался вернуться в университет в 1798 году, но по религиозным соображениям отказался приносить присягу республике. Воспоследовавшая незанятость оставила ему больше времени на исследования, и он целиком сосредоточился на все еще не урегулированном вопросе об уравнениях пятой степени.

Руффини убедил себя, что есть веская причина, по которой никому не удавалось найти решение: решения попросту не существует. А именно — нет формулы, включающей в себя только радикалы (а не что-то более эзотерическое), которая давала бы решение общего уравнения пятой степени. В своей двухтомной «Общей теории уравнений», опубликованной в 1799 году, он утверждал, что умеет это доказывать, заявляя, будто «алгебраическое решение общих уравнений степени большей четырех невозможно. Перед вами очень важная теорема, которую, как я полагаю, я, судя по всему, в состоянии доказать. Представить ее доказательство — главная цель публикации данного тома. Основы моего доказательства заложил своими высокими рассуждениями бессмертный Лагранж». Доказательство заняло более 500 страниц, в основном заполненных непривычной математикой. Другие математики нашли его несколько устрашающим. Даже в наши дни никто не горит желанием продираться через длинные технические доказательства, если только на то нет особых причин. Если бы Руффини сообщил, что нашел решение уравнения пятой степени, то его коллеги наверняка не поленились бы разобраться в его работе. Но можно понять их нежелание тратить сотни часов на то, чтобы вникнуть в отрицательный результат.

Особенно если учесть, что результат мог быть и неверным. Мало что раздражает так сильно, как нахождение ошибки на 499-й странице в 500-страничной книге по математике.

В 1801 году Руффини послал экземпляр Лагранжу, а по прошествии нескольких месяцев молчания — еще один экземпляр с припиской: «Если я допустил ошибку в каком-либо доказательстве, или если я утверждал что-то, что я считал новым, но оно в действительности таковым не является, или, наконец, если я написал бесполезную книгу, я умоляю вас откровенно высказаться по этому поводу». По-прежнему никакого ответа. Еще одна попытка в 1802 году. Ничего.

Несколько лет, прошедших без признания, Руффини воспринял как должное. Однако затем вместо ожидаемой славы стали распространяться неясные слухи, намекавшие, что в его «доказательстве» были ошибки. Поскольку же никто не объявил, в чем эти ошибки могли состоять, Руффини не имел шанса оправдаться. В конце концов он пришел к выводу — без сомнения, верному, — что доказательство было слишком сложным, и задался целью найти вариант попроще. Это ему удалось в 1803 году, когда он писал: «В настоящем мемуаре я попытаюсь доказать то же предложение, используя, как я надеюсь, менее трудную для понимания аргументацию, сохраняя при этом полную строгость». Новое доказательство было воспринято не лучше. Мир не был готов ни к прозрениям Руффини, ни к последующим доказательствам, опубликованным им в 1808 и 1813 годах. Однако он не оставлял усилий добиться от математического сообщества признания своей работы. Когда Жан Деламбр, предсказавший положение на небе планеты Уран, писал отчет о развитии математики за период начиная с 1789 года, он включил туда фразу «Руффини заявляет о доказательстве того, что решение уравнения пятой степени невозможно». Руффини незамедлительно ответил: «Я не только заявил о доказательстве, но и в самом деле это доказал».

Справедливости ради надо сказать, что небольшому числу математиков доказательство Руффини нравилось. Среди них был Коши, славившийся тем, что редко воздавал кому-либо по заслугам, если только эти заслуги не были его собственными. В 1821 году он писал Руффини: «Ваш мемуар по общему решению уравнений является работой, которая всегда представлялась мне заслуживающей внимания математиков и которая, по моему суждению, полностью доказывает невозможность решения алгебраических уравнений степени выше четвертой». Но похвала эта появилась уже слишком поздно.

Около 1800 года Руффини продолжал преподавать прикладную математику в городском военном училище. Он не оставлял и медицинской практики, причем среди его пациентов были люди от самых бедных до самых богатых. В 1814 году, после падения Наполеона, он стал ректором университета Модены. Политическая ситуация оставалась крайне сложной, и, несмотря на его высочайшую квалификацию и огромное уважение, которым он пользовался, а также репутацию безупречно честного человека, ему было весьма непросто оставаться на посту ректора.

В университете Модены Руффини одновременно заведовал кафедрами прикладной математики, практической медицины и клинической медицины. В 1817 году разразилась эпидемия тифа, и Руффини продолжал лечить своих пациентов, пока сам не заразился. Он выжил, но его здоровье было подорвано, и в 1819 году он оставил кафедру клинической медицины. Однако он никогда не прекращал научной работы и в 1820 году опубликовал статью о тифе, основанную на его собственном опыте и как врача, и как пациента. Он умер в 1822 году, всего около года спустя после того, как Коши письменно высоко отозвался о его работе по уравнениям пятой степени.

Одна из причин, по которой на работу Руффини смотрели несколько косо, могла состоять в ее новизне.

Как и Лагранж, он основывал свои исследования на концепции перестановки. Перестановка — это способ переупорядочить некоторый упорядоченный список. Самый расхожий пример перестановки — это перетасовка колоды карт. Цель в этом случае обычно состоит в достижении некоторого случайного, т.е. непредсказуемого, порядка. Число различных перестановок в колоде карт поистине огромно, так что вероятность предсказать появление того или иного порядка исчезающе мала.

В теории уравнений перестановки возникают потому, что корни данного многочлена можно рассматривать как список. Некоторые весьма фундаментальные свойства уравнений непосредственно связаны с эффектом перетасовки этого списка. Интуиция подсказывает, что уравнение «не знает», в каком порядке мы выписываем его корни, так что перестановка корней не должна приводить ни к каким серьезным различиям. В частности, коэффициенты уравнения должны быть полностью симметричными выражениями от корней — выражениями, которые не меняются, когда корни переставляют.

Однако, как ранее заметил и должным образом оценил Лагранж, определенные выражения от корней могут оказаться симметричными по отношению к некоторым, но не ко всем перестановкам. Эти «частично симметричные» выражения тесно связаны со всякой формулой для решения уравнения. Это свойство перестановок было известно коллегам Руффини. Гораздо менее известным было то, как систематически использовал Руффини другую идею Лагранжа — что можно «перемножить» две перестановки таким образом, что получится новая перестановка; для этого две данные перестановки надо выполнить одну за другой.

Рассмотрим три символа a, b и c. На них имеется шесть перестановок: abc, acb, bac, bca, cab и cba. Возьмем одну из них, скажем, cba. На первый взгляд это просто упорядоченный список из трех символов. Однако его можно также воспринимать как правило переупорядочения исходного списка abc. В данном случае правило выражается как «обращение порядка». И это правило можно применять не только к данному, но и вообще к любому списку. Применив его, скажем, к bca, получим acb. Так что можно придать смысл умножению cba×bca = acb.

Эту идею, занимающую центральное место в нашем рассказе, можно, наверное, выразить яснее, если нарисовать некоторые диаграммы. Приведем две диаграммы для перестановок, которые переупорядочивают abc в cba и в bca, как показано на рисунке.

Две перестановки символов a, b, c .

Можно скомбинировать два переупорядочения в одно, разместив эти картинки одну над другой. Существуют два способа это сделать, показанные на рисунке.

Умножение перестановок. Результат зависит от того, какая перестановка берется первой.

Теперь результат «умножения» двух перестановок виден просто из нижней строки, которая в данном случае (левый рисунок!) есть acb. Приняв это определение «умножения» (которое не совпадает с обычным правилом умножения чисел), можно придать смысл утверждению cba×bca = acb. Соглашение состоит в том, что первая перестановка в произведении располагается в нашей двухэтажной конструкции снизу. Это существенно, поскольку если поменят