Математики нечасто бывают всем довольны.

Каждая успешно решенная задача только ставит новые вопросы. Вскоре после смерти Абеля данное им доказательство того, что некоторые уравнения пятой степени неразрешимы в радикалах, начало получать признание. Но работа Абеля была только началом. Хотя ни одна из предыдущих попыток решить все уравнения пятой степени не увенчалась успехом, некоторые особенно умные математики смогли доказать, что определенные уравнения пятой степени можно, тем не менее, решить в радикалах. Не только те, для которых решение очевидно, типа x5 − 2 = 0, откуда x = 5√2, но и довольно неожиданные, например, x5 + 15x + 12 = 0, — хотя его решение слишком сложно, чтобы здесь его приводить.

Создалась непонятная ситуация. Если некоторые уравнения пятой степени разрешимы, а другие нет, что тогда отличает уравнения одного типа от другого? Ответ на этот вопрос изменил развитие математики и математической физики. Несмотря на то что ответ был получен более 170 лет тому назад, он продолжает приводить к новым важным открытиям. В ретроспективе выглядит просто потрясающим, насколько далеко простираются следствия ответа на невинный вопрос о внутреннем устройстве математики. Решение уравнений пятой степени не имело, по-видимому, никаких практических применений. Если некоторая задача в инженерных науках или астрономии требовала для своего решения уравнения пятой степени, всегда находились численные методы найти ответ с любым желаемым числом знаков после запятой. Разрешимость — или неразрешимость — уравнения пятой степени в радикалах была классическим примером «чистой» математики, примером вопроса, задаваемого по причинам, которые интересовали математиков, и только их одних.

Как же сильно можно ошибаться…

Абель обнаружил препятствие к решению определенных уравнений пятой степени в радикалах. Он смог доказать, что это препятствие на самом деле не позволяет таким решениям существовать по крайней мере для некоторых уравнений пятой степени. Следующий шаг вперед — ось, вокруг которой крутится весь наш рассказ, — выпал на долю того, кто тщательно смотрел дареному коню в зубы и задавал вопросы, от которых математики не могут удержаться всякий раз, когда некоторая важная задача оказывается решена: «Да, все это очень здорово, но почему оно на самом деле работает?»

Такой подход может показаться несколько негативистским, но мы снова и снова убеждаемся в его ценности. Стоящая за этим философия заключается в том, что большинство математических задач слишком сложны для решения. Так что, когда кому-то удается решить нечто, что ставило в тупик всех предшественников, недостаточно просто отпраздновать великое решение. Или автору просто повезло (математики не слишком верят в везение такого типа), или же решение оказалось возможным по некоторым специальным причинам. И если удается понять причину… что ж, множество других задач могут оказаться разрешимыми с применением подобных же методов.

Так что, в то время как Абель шлифовал ответ на конкретный вопрос «Каждое ли уравнение пятой степени разрешимо?» — ответ, суть которого сводится к ясному «нет», — еще более глубокий мыслитель боролся с гораздо более общей проблемой: какие уравнения вообще можно решить в радикалах, а какие нет? Справедливости ради скажем, что Абель начал думать в этом направлении и мог бы даже найти ответ, если бы туберкулез пощадил его.

Человеком, которому предстояло изменить ход развития математических наук, был Эварист Галуа, и история его жизни — одна из наиболее драматичных и даже наиболее трагичных в истории математики. К тому же его потрясающие открытия едва не пропали.

Если бы Галуа не появился на свет или если бы его работы все-таки пропали, кто-нибудь, без сомнения, в конце концов сделал бы те же самые открытия. Пути многих математиков пролегали через эту область науки, порой на расстоянии всего шага от открытия. В некоторой альтернативной вселенной некто, обладающий талантами и проницательностью Галуа (а быть может, некий Нильс Абель, сумевший еще несколько лет противостоять туберкулезу), в конце концов добрался бы до того же круга идей. Но в нашей вселенной это был Галуа.

Он родился 25 октября 1811 года в Бург-ля-Рен — в те дни это была деревушка неподалеку от Парижа. Сейчас это пригород в департаменте О-де-Сен, на пересечении автострады №20 и трассы D60. Трасса D60 — это авеню Галуа. В 1792 году деревню Бург-ля-Рен переименовали в Бург-л'Эгалите, в духе политических потрясений того времени и сопутствующей им идеологии: «Город Королевы» заменили на «Город Равенства». В 1812 году старое название вернули, но в воздухе еще чувствовалась революция.

Отец — Николя-Габриэль Галуа — был убежденным республиканцем и вождем деревенской либеральной партии Liberté в городе Égalité, — которая видела свою основную задачу в устранении монархии. Когда в ходе наспех состряпанного компромисса 1814 года на трон вернули короля Людовика XVIII, Николя-Габриэль занял кабинет мэра города, где, учитывая его политические наклонности, ему вряд ли было комфортно.

Мать — Аделаид-Мари, урожденная Демант. Ее отец был стряпчим, то есть помощником адвоката, осуществлявшим ряд законно-правовых действий, однако без права самостоятельно вести практику; в его задачи входило формулировать мнения по поводу судебных дел. Аделаид-Мари свободно читала по-латыни и передала сыну свое классическое образование.

В течение первых двенадцати лет Эварист оставался дома, а его образованием занималась мать. Когда ему было десять, он мог поступить в коллеж в Реймсе, но мать, по-видимому, считала, что ему еще рано покидать дом. Однако в октябре 1823 года он начал посещать Коллеж Людовика Великого, который представлял собой подготовительную школу. Вскоре после того, как Эварист туда поступил, учащиеся отказались петь в школьной часовне, и юный Галуа своими глазами увидел судьбу потенциальных революционеров: добрую сотню учеников немедленно исключили. К сожалению для математики, это не послужило ему уроком.

По итогам двух лет обучения он был награжден первой премией по латыни. Однако латынь вскоре стала наводить на него тоску. В результате в школе потребовали, чтобы для улучшения успеваемости он прошел курс еще раз, но это, разумеется, навело на него тоску еще большую, и ситуация изменилась от плохой к худшей. От быстрой дороги к забвению Галуа спасла математика — этот предмет был в достаточной степени интеллектуально насыщен, чтобы пробудить в нем интерес. Но не любая математика: Галуа обратился прямо к классике — Лежандровым «Элементам геометрии». Это можно до некоторой степени сравнить с тем, как если бы современный студент-физик для начала принялся за чтение технических статей Эйнштейна. Но в математике имеется некоторый пороговый эффект, интеллектуальный переломный момент. Если студент в состоянии прорваться через несколько первых препятствий, вникнуть в особенности обозначений в данном предмете и проникнуться той мыслью, что лучший способ продвижения вперед — это понимать идеи, а не просто зазубривать их, — он или она может весело двигаться с попутным ветром в сторону все более замысловатых и манящих идей, тогда как чуть более ограниченный студент застрянет на геометрии равнобедренных треугольников.

О том, много ли приходилось Галуа трудиться над освоением основополагающей работы Лежандра, можно спорить, но, во всяком случае, эта работа его не отпугнула. Он начал читать технические статьи Лагранжа и Абеля; неудивительно, что его последующие работы находились в этой области интересов, в частности, в теории уравнений. Уравнения, похоже, были единственной вещью, владевшей вниманием Галуа. Остальная его школьная деятельность страдала в той же степени, в какой развивалось его увлечение работами математиков первой величины.

В школе Галуа был неопрятным — привычка, от которой он так никогда и не избавился. Он ставил своих учителей в тупик, решая задачи в уме вместо того, чтобы «показать, как он это сделал». Это пристрастие учителей математики, которое и сегодня огорчает многих способных молодых людей. Представьте себе, что случилось бы с подающим надежды молодым футболистом, если бы всякий раз, как он забьет гол, тренер требовал от него точной записи всех тактических шагов, которые он предпринял, а без этого гол бы не засчитывался. Такой последовательности шагов нет. Игрок увидел свободное пространство и отправил мяч именно туда, куда, как подтвердит всякий знаток игры, его и следовало отправить.

Нечто подобное имеет место со способными молодыми математиками.

Честолюбие заставляло Галуа замахиваться на большие цели: он хотел продолжать образование в одном из наиболее престижных учреждений Франции — Политехнической Школе, гнездовье французской математики. Однако же он пренебрег советом своего учителя математики, который старался научить молодого человека работать систематически, объяснять промежуточные шаги и вообще давать возможность экзаменаторам следовать за поворотами своей мысли. Крайне недоподготовленный и пагубно самонадеянный Эварист попытался сдать вступительные экзамены и провалился.

Двадцать лет спустя влиятельный французский математик Орли Теркем, издававший престижный журнал, предложил объяснение провалу Галуа: «Кандидат с более высоким интеллектуальным уровнем теряется, когда видит, что его экзаменатор глупее него: „Раз они меня не понимают, значит, это я — варвар“.» Современный комментатор, лучше осведомленный о том, что требуется для успешного общения, не будет столь критичен и ограничится замечанием, что студент с более высоким интеллектуальным уровнем должен понять, с кем он имеет дело. Собственной бескомпромиссностью Галуа не способствовал своему успеху.

Таким образом, Галуа остался в Коллеже Людовика Великого, где удача неожиданно ему улыбнулась. Учитель по имени Луи-Поль Ришар разглядел способности молодого человека, и Галуа записался на курс продвинутой математики, который тот вел. Ришар составил мнение, что Галуа настолько способный, что его следует принять в Политехническую школу без экзаменов. Весьма вероятно, Ришар примерно представлял себе, что будет, если Галуа придется сдавать экзамены. Нет свидетельств, что Ришар когда-либо высказывал свою точку зрения в Политехнической школе. Если и да, то там на нее не обратили внимания.

К 1829 году Галуа опубликовал свою первую исследовательскую работу — достаточно компетентную, но скучноватую статью о непрерывных дробях. Куда большие цели он ставил перед собой в неопубликованной работе — внести фундаментальный вклад в теорию уравнений. Он оформил некоторые из своих результатов и отправил их во Французскую академию наук, чтобы там рассмотрели возможность их публикации в своем журнале. Тогда, как и сейчас, каждую посланную для публикации статью отправляли рецензенту — специалисту в соответствующей области, — и он высказывал рекомендации относительно новизны, значимости и целесообразности публикации работы. В данном случае рецензентом был Коши — в то время, вероятно, ведущий французский математик. Поскольку он сам имел публикации в области, близкой к теме статьи Галуа, его выбор в качестве рецензента представлялся естественным.

К сожалению, он был также чрезвычайно занят. Имеется широко распространенный миф, что Коши потерял рукопись Галуа; некоторые источники предполагают, что он выбросил ее в припадке уязвленного самолюбия. Истина представляется более прозаической. Имеется письмо, направленное Коши в Академию, датированное 18 января 1830 года, в котором он извиняется за непредставленный отзыв о работе «молодого Галоа», объясняет, что «страдал недомоганием и не выходил из дома», а также упоминает свой собственный мемуар.

Это письмо сообщает нам несколько вещей. Во-первых, Коши не выбросил рукопись Галуа — через шесть месяцев после того, как она была отправлена, она все еще оставалась у Коши. Во-вторых, Коши, по-видимому, прочитал рукопись и решил, что она достаточно важна для привлечения к ней внимания Академии.

Однако когда Коши появился на следующем собрании Академии, он представил одну только свою статью. Что же случилось с рукописью Галуа?

Французский историк Рене Татон привел аргументы в пользу того, что идеи Галуа произвели на Коши впечатление — быть может, даже чересчур сильное. Поэтому вместо того, чтобы огласить его работу в Академии, как исходно планировалось, он посоветовал Галуа написать более развернутое и, предположительно, существенно улучшенное изложение теории, чтобы подать его на соискание премии — гран-при по математике. Получение этой премии было высочайшим отличием. В поддержку этого утверждения нет документальных свидетельств, но известно, что в феврале 1830 года Галуа отправил такой мемуар на соискание гран-при.

Невозможно точно сказать, что было в этом документе, но в общих чертах о его содержании можно судить из сохранившихся заметок самого Галуа. Ясно, что история могла бы оказаться совсем другой, если бы далекоидущие следствия из этой работы были оценены в полной мере. Вместо этого рукопись просто исчезла.

Одно возможное объяснение появилось в 1831 году в The Globe — журнале, основанном Сен-Симоном и издаваемом его последователями, принадлежавшими к неохристианскому социалистическому движению. В The Globe рассказывалось о судебном заседании, на котором Галуа обвинялся в том, что публично угрожал жизни короля. Кроме того, там говорилось, что «этот мемуар… заслуживал премии, поскольку позволял разрешить некоторые сложности, с которыми не смог справиться Лагранж. Коши в максимально высокой степени отозвался об авторе по поводу данного предмета. И что же? Мемуар потерян, а присуждение премии прошло без участия молодого ученого».

Большая проблема здесь состоит в том, чтобы оценить фактологические основания данной статьи. Коши бежал из страны в сентябре 1830 года, спасаясь от излишнего внимания к себе со стороны революционеров-антиинтеллектуалов, так что статья не может быть основана на его словах. Дело выглядит так, будто источником статьи был сам Галуа. У него был близкий друг Огюст Шевалье, ранее приглашавший его вступить в коммуну, которую образовали последователи Сен-Симона. Весьма вероятно, что Шевалье был репортером — сам Галуа в тот момент был занят другим делом, а именно — его привлекли к суду, где ставкой была его жизнь, — а раз так, то история должна была исходить от Галуа. Или он целиком ее выдумал, или Коши еще до этого действительно хвалил его работу.

Вернемся в 1829 год. На математическом фронте Галуа испытывает растущее разочарование, поскольку от математического сообщества, по-видимому, не приходится ждать признания, к которому он так стремился. Тогда же начала рушиться и его частная жизнь.

Дела в деревне Бург-ля-Рен шли не лучшим образом. Мэр — Николя, отец нашего Галуа — оказался замешан в грязном политическом скандале, который привел в ярость деревенского священника. Священник предпринял намеренно немилосердный шаг — распространил злобные замечания о родственниках Николя и подделал на них его подпись. В отчаянии Николя покончил с собой, повесившись.

Эта трагедия разыгралась всего за несколько дней до вступительных экзаменов в Политехническую школу — последней возможности для Галуа туда поступить. Все прошло неудачно. По некоторым рассказам, Галуа бросил в лицо экзаменатору тряпку для стирания с доски — и даже если это в самом деле была тряпка, а не деревяшка, служащая той же цели, это вряд ли произвело на экзаменатора благоприятное впечатление. В 1899 году Ж. Бертран привел некоторые подробности, из которых следовало, что Галуа был не готов к вопросу, который ему задали, из-за чего просто потерял самообладание.

По той или иной причине Галуа провалился на вступительных экзаменах и попал в тяжелейшее положение. Поскольку он был абсолютно уверен, что поступит, — похоже, он и в самом деле был весьма заносчив — он не озаботился подготовиться к вступительным экзаменам в единственное альтернативное учебное заведение — Приготовительную школу. В наши дни это учреждение, переименованное в Нормальную школу («Эколь Нормаль»), считается более престижным, чем Политехническая школа, но тогда оно занимало непочетное второе место. Галуа в спешке зазубрил необходимый материал, триумфально прошел по математике и физике, путался на экзамене по литературе, но был в итоге принят. Он получил диплом как по естественным, так и по гуманитарным дисциплинам в конце 1829 года.

Как я уже упоминал, в феврале 1830 года Галуа отправил мемуар по теории уравнений в Академию, на соискание гран-при. Ученый секретарь Жозеф Фурье отнес его домой, чтобы там просмотреть. Злой рок, постоянно тяготевший над карьерой Галуа, нанес новый удар: Фурье скоропостижно скончался, оставив мемуар непрочитанным. Хуже того, среди его бумаг рукопись найти не удалось. Однако оставались три других члена комитета по присуждению премии: Лежандр, Сильвестр-Франсуа Лакруа и Луи Пуансо. Быть может, его потерял один из них.

Нетрудно представить, как взбешен был Галуа. Он пришел к убеждению, что все происходившее было заговором посредственных умов с целью задушить усилия гения; он быстро нашел козла отпущения в лице деспотического режима Бурбонов. И загорелся идеей сыграть свою роль в его устранении.

За шесть лет до того, в 1824 году, король Карл X взошел на французский трон в качестве наследника Людовика XVIII, однако оказался крайне непопулярен. На выборах 1827 года либеральная оппозиция получила очень неплохие результаты, а в 1830-м вообще завоевала большинство. Карл, перед которым встала неминуемая перспектива вынужденного отречения, попытался организовать переворот; 25 июля он издал указ, приостанавливающий свободу прессы. Однако он неверно оценил настроение народа, который тут же поднял восстание. Через три дня был достигнут компромисс: короля Карла заменили на герцога Орлеанского Луи-Филиппа.

Студенты Политехнической школы — университета, куда Галуа ранее надеялся поступить, — сыграли значительную роль в этих событиях, устраивая демонстрации на парижских улицах. А где же был архиантимонархист Галуа в это судьбоносное время? Отлученный от событий, он сидел вместе с друзьями-студентами взаперти в Приготовительной школе. Директор Гиньо выбрал заведомо наиболее безопасный способ действий.

Отказ в причитавшемся ему по праву месте в истории привела Галуа в такую ярость, что он опубиковал в Gazette des Écoles статейку, состоящую из злобных нападок на Гиньо:

Письмо, которое г-н Гиньо поместил вчера в лицее по поводу одной из статей вашей газеты, показалось мне совершенно недопустимым. Я думаю, что вы с готовностью воспользуетесь любым средством разоблачить этого человека.

Вот факты, которые могут засвидетельствовать сорок шесть студентов.

Утром 28 июля, после того как некоторые студенты Нормальной школы выразили желание принять участие в сражениях, г-н Гиньо дважды заявил, что он готов вызвать полицию, чтобы восстановить в Школе порядок. Полицию — 28 июля!

В тот же самый день г-н Гиньо сказал нам со своим обычным педантизмом: «С обеих сторон убито порядочно храбрецов, Будь я военным, я не знал бы, на что решиться. Что принести в жертву — свободу или законный порядок?»

Вот человек, который на следующий день украсил свою шляпу трехцветной кокардой! Вот наши либеральные доктринеры!

Редактор опубликовал это письмо, но не стал указывать фамилию автора. Однако директор все равно не мешкая исключил Галуа, сочтя его автором этого письма.

В качестве ответного действия Галуа вступил в Артиллерию Национальной гвардии — полувоенную организацию, служившую рассадником республиканских идей. 21 декабря 1830 года это подразделение — весьма вероятно, при личном участии Галуа — было размещено в окрестностях Лувра. В тот момент четверо бывших министров были отданы под суд, и общественность была настроена мрачно, требуя их казни; народ был готов к восстанию, если этого не произойдет. Но прямо перед оглашением приговора Артиллерию Национальной гвардии удалили и заменили на регулярную Национальную гвардию, усиленную солдатами, сохранявшими верность королю. Был оглашен приговор, по которому министры получили тюремное заключение, восстание так и не перешло во что-то существенное, а через десять дней Луи-Филипп распустил Артиллерию Национальной гвардии как представляющую угрозу для безопасности. Галуа-революционеру сопутствовал ничуть не больший успех, чем Галуа-математику.

И тут на первый план вышли практические, по сравнению с политикой, вопросы: надо было как-то зарабатывать себе на жизнь. Галуа устроился частным преподавателем математики, и на его курс продвинутой алгебры записались сорок учеников. Известно, что Галуа не отличался способностью к хорошему письменному изложению своих мыслей, и разумно предположить, что его педагогическая деятельность была немногим лучше. Не исключено, что его занятия включали и политические комментарии; и почти наверняка они были слишком сложными для простых смертных. Во всяком случае, ряды его учеников редели.

Галуа все еще не отказался от карьеры математика и отправил в Академию уже третий вариант своей работы, озаглавленный «Об условиях разрешимости уравнений в радикалах». После того как Коши исчез из Парижа, рецензентами были назначены Симеон Пуассон и Лакруа. По прошествии двух месяцев, не дождавшись ответа, Галуа написал письмо, в котором поинтересовался, что происходит. Ему опять никто не ответил.

К весне 1831 года Галуа повел себя еще более безрассудно. 18 апреля математик Софи Жермен, которая произвела огромное впечатление на Гаусса еще на заре своей научной карьеры в 1804 году, написала Гийому Либри о Галуа: «Говорят, он окончательно сойдет с ума, и я боюсь, что это правда». Галуа, для которого психологическая устойчивость никогда не была сильной стороной, теперь балансировал на грани настоящей паранойи.

В тот месяц из-за событий в Лувре власти арестовали девятнадцать членов Артиллерии и отдали их под суд за подстрекательство, но присяжные их оправдали. 9 мая члены Артиллерийской части устроили празднество, в ходе которого около двух сотен республиканцев собрались на банкет в ресторане «Ванданж де Бургонь». Каждый из них желал видеть Луи-Филиппа низложенным. Присутствовавший там романист Александр Дюма писал: «Во всем Париже трудно было бы найти две сотни людей, настроенных по отношению к правительству более враждебно, чем те, что к пяти часам пополудни собрались в длинном зале на втором этаже над садами». События все больше напоминали восстание. Видели, как Галуа держал в одной руке стакан, а в другой нож. Участники банкета истолковали этот жест как угрозу королю, от всего сердца его одобрили и отправились танцевать на улицах Парижа.

На следующее утро Галуа арестовали в доме его матери (из этого следует, что на банкете был полицейский шпион) по обвинению в подстрекательстве к покушению на жизнь короля. На этот раз, как кажется, он проявил некоторую политическую мудрость, поскольку на суде он признавал все, но только с одной поправкой: он утверждал, что предлагал произнести тост за Луи-Филиппа, а ножом размахивал со словами: «Если он окажется изменником». Его очень огорчало, что эти ключевые слова потонули в реве толпы.

Однако Галуа ясно дал понять, что он и в самом деле полагал, будто Луи-Филипп предаст французский народ. Когда обвинитель спросил, что заставляло обвиняемого думать о возможности нарушения законности со стороны короля, Галуа отвечал: «Он скоро станет изменником — если еще им не стал». Под дальнейшим давлением он раскрыл истинное значение своих слов: «Действия правительства позволяют предположить, что Луи-Филипп в один прекрасный день окажется способным на измену, даже если до сих пор он этого не совершил». Несмотря на это, присяжные его оправдали. Возможно, они чувствовали примерно то же, что и он.

15 июня Галуа вышел на свободу. Три недели спустя Академия прислала отзыв о его мемуаре. Пуассон нашел его «не подлежащим пониманию». В отзыве говорилось:

Мы сделали все от нас зависящее, чтобы понять доказательство г-на Галуа. Его рассуждения не обладают ни достаточной ясностью, ни достаточной полнотой для того, чтобы мы могли судить об их точности, поэтому мы воздержимся от их оценки в данном отзыве. Автор заявляет, что предложение, составляющее конкретный предмет данного мемуара, представляет собой часть общей теории, обладающей многочисленными применениями. Вероятно, окажется, что различные части теории взаимно проясняют друг друга и их легче понять все вместе, нежели по отдельности. Поэтому мы склонны предложить автору опубликовать свою работу целиком, что позволило бы составить определенное мнение. Но с учетом того состояния, в котором находится представленная им в Академию часть, мы не можем дать ему одобрительную оценку.

Самым печальным в этом отзыве было, скорее всего, то обстоятельство, что он вполне отвечал истинному положению вещей. Как отмечал рецензент,

[мемуар] не содержит обещанного в заглавии условия разрешимости уравнений в радикалах; действительно, полагая истинным высказанное г-ном Галуа предложение, из него нельзя вывести никакого хорошего способа решить вопрос о том, разрешимо ли данное уравнение простой степени в радикалах, поскольку сначала надо было бы проверить, является ли данное уравнение неприводимым, а затем — выражается ли любой из его корней через два других в виде рациональной дроби.

Последняя фраза отсылает к прекрасному критерию разрешимости уравнений простой степени в радикалах, который был кульминацией мемуара Галуа. Действительно, неясно, как этот критерий можно применить к любому конкретному уравнению, поскольку прежде, чем его применять, надо знать корни. Но если отсутствует формула, то в каком смысле можно «знать» корни? Как говорит Тиньоль, «теория Галуа не соответствовала тому, чего от нее ожидали; она была слишком новаторской, чтобы ее сразу признали». Рецензенты желали иметь некоторые условия на коэффициенты, которые отвечали бы за разрешимость; Галуа же дал им условие на корни. Требования рецензентов были непомерно высоки. Никакого простого критерия, основанного на коэффициентах, никогда не было найдено, и появление такого критерия исключительно маловероятно. Но от этих соображений, сделанных задним числом, самому Галуа не легче.

В День взятия Бастилии, 14 июля, Галуа шел со своим другом Эрнестом Дюшатле во главе республиканской демонстрации. Галуа был одет в форму распущенной Артиллерии и имел при себе нож, несколько пистолетов и заряженную винтовку. Ношение этой формы было незаконным, как и ношение оружия. На Новом Мосту обоих друзей арестовали; Галуа было предъявлено обвинение в незаконном ношении формы — наименьшее из всех возможных. Их отправили в тюрьму Сент-Пелажи, где им предстояло ожидать суда.

Находясь в тюрьме, Дюшатле нарисовал на стене своей камеры картинку, изображавшую голову короля (что подтверждалось надписью), лежащую рядом с гильотиной. Это, надо полагать, не сильно способствовало облегчению их участи.

Первым судили Дюшатле, а потом настал черед Галуа. 23 октября его судили и приговорили; апелляцию отклонили 3 декабря. К этому моменту он уже провел в тюрьме более четырех месяцев. По приговору же ему предстояло отбыть еще шесть. Некоторое время он занимался математикой, а затем, во время эпидемии холеры 1832 года, его перевели в больницу и позднее освободили условно-досрочно. Вместе со свалившейся на него свободой он испытал и свое первое — и единственное — любовное приключение, объектом которого была некая Стефани Д., как можно заключить из его собственных неразборчивых записей на полях.

Начиная с этого момента интерпретация скудных исторических данных содержит в себе значительную долю догадок. В течение некоторого времени никто не знал ни фамилии Стефани, ни каких-либо других сведений о ней. Эта тайна внесла свой вклад в создание романтического образа. Галуа написал ее полное имя на одной из своих рукописей, но позднее замазал его таким образом, чтобы ничего нельзя было разобрать. После смерти Галуа историк Карлос Инфантоцци, очень тщательно изучивший рукопись, установил, что даму звали Стефани-Фелиси Потрен дю Мотель. Ее отец Жан-Луи Огюст Потрен дю Мотель был практикующим врачом в местечке Сье Фолтрие, где Галуа провел последние месяцы жизни.

Нам неизвестно, что Жан-Луи думал об их отношениях, но кажется маловероятным, чтобы он одобрил тот факт, что нищий, неустроенный и болезненно впечатлительный молодой человек с экстремистскими политическими взглядами и криминальным прошлым принялся ухаживать за его дочерью.

Мы кое-что знаем о том, что думала по этому поводу сама Стефани, однако это известно только из отдельных фраз, по всей видимости, выписанных Галуа из ее писем. Немалая тайна окружает этот эпизод, сильно повлиявший на последующие события. По-видимому, Галуа был отвергнут и воспринял это очень болезненно, но подробности восстановить не удается. Был ли роман целиком плодом его воображения — любовная лихорадка, никогда не пользовавшаяся взаимностью? Или же поначалу Стефани поощряла его ухаживания, а после испугалась? Те самые черты, которые отвращали от Галуа ее отца, могли оказаться притягательными для дочери.

Как бы то ни было, со стороны самого Галуа отношения заведомо были серьезными. В мае он писал своему близкому другу Шевалье: «Как мне утешить себя, когда всего за один месяц я исчерпал до дна источник самого сладостного блаженства, отпущенного человеку?» На оборотной стороне одной из своих статей он фрагментарно скопировал два письма от Стефани. Одно из них начинается так: «Прошу вас, пожалуйста, разорвем наши отношения…» Отсюда следует, что имелось нечто, подлежащее разрыву. Но далее письмо продолжается так: «…и не думайте о вещах, которых не было и которых не могло быть», что создает прямо противоположное впечатление. Другое письмо содержит следующие фразы: «Я последовала вашему совету и обдумала случившееся… В любом случае, милостивый государь, будьте уверены в том, что ничего большего быть не могло. Ваши предположения ошибочны, а сожаления необоснованны».

Вообразил ли он себе все от начала до конца и его чувства никогда не пользовались взаимностью или же он исходно получил некое поощрение, вслед за чем был отвергнут, — в любом случае похоже, что Галуа стал жертвой наихудшего варианта неразделенной любви. Или все на самом деле обстояло еще хуже? Вскоре после разрыва со Стефани — или того, что Галуа интерпретировал как разрыв, — некто вызвал его на дуэль. Предлог состоял в том, что этот человек возражал против ухаживаний Галуа за некоей молодой дамой, однако подробности снова скрыты от нас завесой тайны.

Стандартный вариант истории — это политические интриги. Такие писатели, как Эрик Темпл Белл и Луи Коллрос, сообщают нам, что политические противники Галуа сочли, что его любовная лихорадка по отношению к мадмуазель дю Мотель есть прекрасный повод устранить своего врага, спровоцировав «дело чести». Еще одно, довольно дикое, предположение состоит в том, что Галуа пал жертвой полицейского шпиона.

Эти теории выглядят маловероятными. Дюма в своих «Мемуарах» утверждает, что убил Галуа некий Пеше д'Эрбенвиль, соратник по республиканскому делу, которого Дюма описывает как «очаровательного молодого человека, который занимается главным образом изготовлением хлопушек из шелковой бумаги и украшает их розовыми ленточками». То была ранняя версия хлопушек, которые в наши дни в ходу на Рождество. Д'Эрбенвиль был вроде как героем для простонародья, поскольку входил в число девятнадцати республиканцев, оправданных по обвинению в заговоре с целью свержения правительства. Без сомнения, он не был полицейским шпионом, потому что имена всех таких шпионов назвал в 1848 году Марк Коссидьер, возглавлявший в то время полицию.

Из полицейского отчета о дуэли можно заключить, что второй участник был одним из товарищей Галуа по революционному делу и что дуэль представляла собой именно то, что и должна была представлять. Эта теория существенно подкрепляется собственными словами Галуа:

Я прошу моих друзей-патриотов не упрекать меня за то, что я отдаю жизнь не на благо своей страны. Я умираю жертвой подлой кокетки. Мою жизнь гасит жалкая сплетня. О! Почему приходится умирать из-за такого пустяка, умирать ради того, что так презираешь! <…> Не вините тех, кто убил меня. Они были честны.

Или он не знал, что пал жертвой политического заговора, или же такого заговора не было.

Кажется, что Стефани и в самом деле была по крайней мере косвенной причиной дуэли. Перед тем как отправиться на поединок, Галуа оставил что-то вроде прощальных записей у себя на столе. В них содержатся слова «Une femme» — «женщина», причем второе слово вымарано. Но истинная причина остается такой же туманной, как и многое другое в этой истории.

Математическая же история намного яснее. 29 мая, накануне дуэли, Галуа описал свои открытия в письме Огюсту Шевалье. Шевалье в конце концов опубликовал это письмо в Revue Encyclopedique. В этой работе намечена связь между группами и полиномиальными уравнениями, формулируется необходимое и достаточное условие разрешимости уравнения в радикалах.

Галуа, кроме того, упоминает свои идеи об эллиптических функциях и об интегрировании алгебраических функций, а также некоторые другие вещи, слишком загадочные, чтобы в них можно было разобраться. Нацарапанное на полях замечание «У меня нет времени» породили другой миф: что Галуа провел ночь перед дуэлью, неистово записывая свои математические открытия. Но рядом с этой фразой стоит: «Замечание автора», что противоречит такой картине; более того, письмо было объяснительной запиской по поводу отвергнутой третьей статьи Галуа, с замечанием на полях, сделанным Пуассоном.

Дуэль происходила на пистолетах. В отчете о вскрытии говорится, что стрелялись с 25 шагов, но истинная картина могла быть даже страшнее. Статья в номере Le Precursor от 4 июня 1832 года сообщала:

Париж, 1 июня. Вчера злосчастная дуэль отняла у науки юношу, подававшего самые блестящие надежды. Увы, его преждевременная известность связана только с политикой. Молодой Эварист Галуа… дрался на дуэли с одним из своих юных друзей. Оба молодых человека — члены Общества друзей народа, и оба фигурировали в одном и том же политическом процессе. Есть сведения, что дуэль была вызвана какой-то любовной историей. Противники избрали в качестве оружия пистолеты. Когда-то они были друзьями, поэтому сочли недостойным целиться друг в друга и решили положиться на судьбу. Стреляли в упор, но из двух пистолетов заряжен был только один. Пуля ранила Галуа навылет. Его перенесли в больницу Кошен, где он умер два часа спустя. Галуа исполнилось двадцать два года, его противнику L.D. — чуть меньше.

Могло ли «L.D.» означать Пеше д'Эрбенвиля? Возможно. Буква D приемлема ввиду тогдашнего разнобоя с написанием; a L могла быть ошибкой. Статья не слишком надежна в том, что касается подробностей, — в ней неправильно указаны дата дуэли, а также день смерти Галуа и его возраст. Так что инициал тоже вполне мог оказаться ошибочным.

У космолога и писателя Тони Ротмана есть более убедительная версия. Лицо, которое более всего подходит под данное описание, — это не д'Эрбенвиль, а Дюшатле, некогда арестованный вместе с Галуа на Новом Мосту. Биографы Галуа Робер Бурнь и Жан-Пьер Азра сообщают, что Дюшатле был наречен именем Эрнест, но это может оказаться неверным — или, опять же, инициал L ошибочен. Вот что пишет Ротман: «Мы приходим к очень согласованной и правдоподобной картине, когда два старых друга влюбляются в одну и ту же девушку и решают прояснить ситуацию с помощью такого чудовищного варианта русской рулетки».

Эта теория согласуется еще и с ужасающим финальным поворотом сюжета. Галуа получил рану в живот, что в то время почти наверняка означало летальный исход. Такая рана не удивительна, если противники стрелялись с расстояния в несколько метров; если же дрались на 25 шагах, то перед нами еще один пример злой судьбы, преследовавшей Галуа.

Скончался он в больнице Кошен не через два часа, как утверждал Le Precursor, а на следующий день, 31 мая. Причиной смерти был перитонит; умирающий отказался от услуг священника. 2 июня 1832 года Галуа был похоронен в общей могиле на Монпарнасском кладбище.

Его письмо к Шевалье заканчивалось такими словами:

Попросите Якоби или Гаусса публично высказать свое мнение — не о верности, а о важности этих теорем. Я надеюсь, что со временем появятся люди, которые захотят, к большой пользе для себя, расхлебать всю эту кашу.

Но что же на самом деле сделал Галуа? В чем состояла эта «каша», о которой он говорит в своем последнем письме?

Ответ на этот вопрос занимает центральное место во всем нашем рассказе, и его нелегко выразить в паре предложений. Галуа познакомил математику с новой точкой зрения, он изменил ее содержание и сделал необходимый, но непривычный шаг в сторону абстракции. В руках Галуа математика перестала быть наукой о числах и формах — арифметикой, геометрией и набором связанных с ними идей, таких как алгебра и тригонометрия. Она стала наукой о структурах. То, что было исследованием вещей, стало исследованием процессов!

Не следует приписывать всю заслугу в этой трансформации одному лишь Галуа. Он оказался на гребне волны, которую привели в движение Лагранж, Коши, Руффини и Абель. Но он двигался на ней с таким мастерством, что сделал ее своей собственной; он был первым, кто всерьез осознал — математические вопросы порой легче всего понять, если перенести их в область более абстрактных рассуждений.

Потребовалось некоторое время, чтобы красота и значение результатов Галуа пробили себе дорогу к широкому математическому сознанию. На самом деле их едва не потеряли. Спас их Жозеф Лиувилль, сын капитана Наполеоновской армии, ставший профессором в Коллеж де Франс. Лиувилль выступал перед французской Академией — собранием, которое затеряло или отвергло три мемуара Галуа — летом 1843 года.

«Я надеюсь заинтересовать Академию, — начал он, — рассказом о том, что среди бумаг Эвариста Галуа я обнаружил решение, точность которого не уступает его глубине, такой замечательной задачи: узнать, существует или не существует решение в радикалах…»

Если бы Лиувилль не взял на себя долгий труд разбираться в бумагах неудачливого революционера, нередко неаккуратных и путаных рукописях, и не потратил бы значительное время и немалые усилия на угадывание того, что хотел сказать автор, эти рукописи, скорее всего, исчезли бы вместе с мусором, а теории групп пришлось бы ждать, пока те же идеи откроют заново. Так что математика в большом долгу перед Лиувиллем.

Понимание предложенных Галуа методов росло, рождалась новая мощная математическая концепция — концепция группы. Целая ветвь математики — исчисление симметрий, называемое теорией групп — появилась на свет и с тех пор проникла в каждый уголок математики.

Галуа работал с группами перестановок. Перестановка — это способ переупорядочить список объектов. В его случае объектами были корни алгебраического уравнения. Простейший из содержательных примеров дается кубическим уравнением общего вида, у которого имеются три корня a, b и с. Напомним, что есть шесть способов переставить эти символы и что — следуя Лагранжу и Руффини — можно перемножать любые две перестановки, выполняя их последовательно. Мы видели, например, что cba×bca = acb. Действуя подобным же образом, можно построить «таблицу умножения» для шести перестановок. Чтобы было яснее видно, что происходит, припишем каждой перестановке имя, например, положим I = abc, R = acb, Q = bac, V = bca, U = cab и P = cba. Тогда таблица умножения будет выглядеть следующим образом.

Элемент этой таблицы, стоящий в строке X и столбце Y, представляет собой произведение XY, получаемое по правилу «сначала Y, потом X».

Галуа понял, что некое очень простое и очевидное свойство этой таблицы оказывается исключительно важным. Произведение любых двух перестановок само является перестановкой; во всей таблице содержатся только символы I, U, V, P, Q, R. Некоторые меньшие наборы, состоящие из перестановок, обладают тем же «групповым свойством» — произведение любых двух перестановок из набора также представляет собой перестановку из этого набора. Галуа назвал такой набор перестановок группой.

Например, набор [I, U, V] дает меньшую таблицу — таблицу умножения для подгруппы из трех перестановок.

Здесь возникают только те же три символа. В такой ситуации, когда одна группа является частью другой, она называется подгруппой.

Другие подгруппы — а именно [I, P], [I, Q] и [I, R] — содержат только по две перестановки. Имеется также подгруппа [I], состоящая только из I. Можно доказать, что эти шесть подгрупп исчерпывают список подгрупп в группе всех перестановок на шести символах.

Итак, говорит нам (хотя и на несколько ином языке) Галуа, если взять некоторое кубическое уравнение, можно задаться вопросом о его симметриях — тех перестановках, которые сохраняют все алгебраические соотношения между корнями. Предположим, например, что между корнями a и b имеется алгебраическое соотношение a + b2 = 5. Является ли перестановка R симметрией? Ну, если следовать данному выше определению, то R оставляет a на месте, но меняет местами b и c, так что должно быть выполнено еще и условие a + c2 = 5. Если оно не выполняется, то R определенно не является симметрией. Если же выполняется, то надо проверить все остальные алгебраические соотношения между корнями, которые могут иметь место, и если R пройдет все эти проверки, то, значит, R — симметрия.

Нахождение того, какие именно перестановки являются симметриями данного уравнения, представляет собой технически сложное упражнение. Но есть что-то, в чем можно быть уверенным вообще без всяких вычислений: набор всех симметрий любого заданного уравнения должен быть подгруппой в группе всех перестановок корней.

Почему? Предположим, например, что и P, и R сохраняют все алгебраические соотношения между корнями. Если взять некоторое соотношение и применить R, то получится верное соотношение. Если далее применить P, то снова получится верное соотношение. Но применение R, а затем P — это то же самое, что применение PR. Следовательно, PR является симметрией. Другими словами, набор симметрий обладает групповым свойством.

Этот простой факт лежит в основе всего сделанного Галуа. Он говорит нам, что с любым алгебраическим уравнением связана некая группа — его группа симметрии; сейчас она называется группой Галуа в честь своего изобретателя. Причем группа Галуа любого уравнения всегда является подгруппой в группе всех перестановок его корней.

Из этого ключевого усмотрения вырастает естественная стратегия атаки. Узнаем, какие подгруппы возникают в каких обстоятельствах. В частности, если уравнение можно решить в радикалах, то группа Галуа этого уравнения должна отражать этот факт в своей внутренней структуре. Далее, задавшись любым уравнением, находим его группу Галуа и проверяем, действительно ли она обладает требуемой структурой. Таким образом мы получаем ответ на вопрос о разрешимости в радикалах.

А далее Галуа переформулировал всю задачу с совершенно иной точки зрения. Вместо построения башни с лестницами он вырастил некое дерево.

Не то чтобы он сам называл свой метод «деревом» — так же как не упоминал Абель о «башне» Кардано, однако идею Галуа можно, тем не менее, изобразить как процесс, который снова и снова ответвляется от центрального ствола. Ствол — это группа Галуа данного уравнения. Ветви, веточки и листья — различные подгруппы.

Подгруппы возникают естественным образом, как только мы задумаемся о том, как изменяются симметрии уравнений, когда мы начинаем брать радикалы. Как изменяется группа? Галуа показал, что если извлекается корень p-й степени, то группа симметрии должна разбиться на p различных блоков одинакового размера. (Здесь, как заметил Абель, всегда можно предполагать, что число p простое.) Так, например, некая группа из 15 перестановок может разбиться на 5 групп из 3 элементов каждая или на три группы из 5 каждая. Существенно важно, что блоки должны удовлетворять некоторым очень строгим условиям; в частности, один из них должен сам по себе образовывать подгруппу некоторого специального вида, известного под именем «нормальной подгруппы индекса p». Можно представлять себе, что ствол дерева разбился на p меньших веток, одна из которых соответствует нормальной подгруппе.

Нормальные подгруппы в группе всех шести перестановок на трех символах таковы: вся группа [I, U, V, P, Q, R], подгруппа [I, U, V] (таблицы умножения которых мы только что видели) и подгруппа из одной-единственной перестановки, т.е. [I]. Три другие подгруппы, содержащие каждая по две перестановки, не являются нормальными.

Пусть, например, мы желаем решить общее уравнение пятой степени. Имеется пять корней, так что наши перестановки будут перестановками на пяти символах. Таких перестановок ровно 120. Коэффициенты уравнения, будучи полностью симметричными, обладают группой, состоящей из всех 120 перестановок. Эту группу мы будем представлять себе как ствол дерева. Каждый отдельный корень обладает группой, которая содержит лишь одну перестановку — тривиальную. Так что у дерева 120 листьев. Наша цель состоит в том, чтобы соединить ствол с листьями, добавляя ветви и веточки, структура которых отражала бы свойства симметрии различных величин, возникающих, если начать возиться с формулой для корней, которые, по нашему предположению, выражаются в радикалах.

Пусть для удобства рассуждений первый шаг в формуле состоит в извлечении корня пятой степени. Тогда группа из 120 перестановок должна разбиться на 5 кусков, в каждом из которых содержится по 24 перестановки. Так что у дерева вырастут пять ветвей. Технически это ветвление должно соответствовать нормальной подгруппе индекса 5.

Однако Галуа смог доказать — просто изучая перестановки, — что такой нормальной подгруппы не существует.

Ладно, может быть, следует начать, скажем, с корня седьмой степени. Тогда 120 перестановок должны разбиться на семь блоков одного и того же размера — что невозможно, поскольку 120 не делится на 7. Значит, корня седьмой степени нет. На самом деле нет никаких корней простой степени, за исключением 2, 3 и 5, потому что именно таковы простые делители числа 120. А мы как раз исключили 5.

Что же тогда, начнем с кубического корня? К сожалению, не получится: группа из 120 перестановок не имеет нормальной подгруппы индекса 3.

Все, что осталось, — квадратный корень. Имеется ли в группе из 120 перестановок нормальная подгруппа индекса 2? Имеется, причем ровно одна. Она содержит 60 перестановок и называется знакопеременной группой. Так что, используя теорию групп Галуа, мы установили, что любая формула для решения общего уравнения пятой степени должна начинаться с квадратного корня, что приводит к знакопеременной группе. При первом ветвлении ствола появляются всего две ветви.

Но всего имеется 120 листьев, так что дерево должно и дальше как-то ветвиться. Как оно это делает? Простые делители числа 60 — это те же 2, 3 и 5. Так что каждая новая ветвь должна делиться на две, три или пять веточек. Другими словами, нам надо добавить или еще один квадратный корень, или кубический корень, или корень пятой степени. Более того, это можно сделать, если, и только если, знакопеременная группа содержит нормальную подгруппу индекса 2, 3 или 5.

Но содержит ли она такую нормальную подгруппу? Вопрос этот — целиком вопрос о перестановках на пяти символах. Исследуя такие перестановки, Галуа смог доказать, что в знакопеременной группе вообще нет нормальных подгрупп (за исключением всей группы и тривиальной подгруппы [I]). Это «простая» группа, одна из тех основных компонент, из которых можно построить все группы.

Не нашлось достаточного количества нормальных подгрупп, чтобы соединить ствол со всеми листьями при помощи ветвлений на простое число веток на каждом шаге. Так что процесс решения уравнения пятой степени в радикалах натыкается на внезапную остановку после того первого шага, заключающегося в добавлении квадратного корня. Идти больше некуда. Нет дерева, по которому можно было бы добраться от ствола до листьев, а потому нет формулы для корней в терминах радикалов.

Доказательство Галуа неразрешимости уравнения пятой степени.

Та же идея работает для уравнений степени 6, 7, 8, 9 — любой степени, старшей 5. Теперь неизбежно возникает вопрос, а почему же уравнения второй, третьей и четвертой степени, тем не менее, разрешимы? Чем выделены степени 2, 3 и 4? В действительности теория групп точно говорит нам, как решить уравнения второй, третьей и четвертой степени. Я оставлю в стороне технические подробности, а вместо этого просто покажу как выглядят деревья. Они в точности соответствуют классическим формулам.

Использование групп для решения уравнений второй, третьей и четвертой степеней.

Теперь мы начинаем видеть красоту идеи Галуа. Из нее следует не только доказательство неразрешимости общего уравнения пятой степени в радикалах, но и объяснение, почему общие уравнения второй, третьей и четвертой степени все же имеют решения в радикалах; более того, примерно видно то, и как эти решения устроены. Если поработать еще немного, можно извлечь и точный вид этих решений. Наконец, подход Галуа позволяет отличить те уравнения пятой степени, которые нельзя решить, от тех, которые можно, и говорит нам, как решить эти последние.

Группа Галуа всякого уравнения сообщает нам все, что мы можем пожелать узнать о его решениях. Так почему же Пуассон, Коши, Лакруа и все остальные специалисты не запрыгали от радости, увидев, что же сделал Галуа?

Группа Галуа хранит ужасную тайну.

Тайна эта такого рода. Самый простой способ получить группу какого-либо уравнения состоит в использовании свойств его корней. Но, разумеется, все дело как раз в том, что мы, как правило, не знаем, каковы эти корни. Не будем забывать, что цель состоит в решении уравнения, то есть в нахождении его корней.

Предположим, что кто-то подарит нам конкретное уравнение пятой степени, скажем

x 5  − 6 x  + 3 = 0

или

x 5  + 15 x  + 12 = 0

и попросит использовать методы Галуа, чтобы определить, можно ли решить его в радикалах. Вполне законный вопрос.

Страшная правда состоит в том, что с использованием методов, доступных Галуа, нет никакого способа на него ответить. Можно утверждать, что скорее всего соответствующая группа содержит все 120 перестановок — и если это так, то тогда решить уравнение нельзя. Но мы не знаем наверняка, действительно ли появляются все 120 перестановок. Быть может, пять корней удовлетворяют некоторому специальному условию. Откуда нам знать?

Сколь бы красивой ни была теория Галуа, ей присущи жесткие ограничения. Она имеет дело не с коэффициентами, а с корнями. Другими словами — не с тем, что известно, а с тем, что неизвестно.

Сегодня можно зайти на подходящий математический веб-сайт, ввести туда свое уравнение, и сайт вычислит для вас его группу Галуа. Сегодня известно, что первое из приведенных выше уравнений не разрешимо в радикалах, а второе разрешимо. Я хочу подчеркнуть здесь не то, что мы используем компьютер, а тот факт, что кто-то выяснил, какие шаги надо предпринять для решения задачи. Главнейшее после Галуа продвижение в этой области состояло в разработке способов вычисления группы Галуа любого заданного уравнения.

У самого Галуа таких методов не было. Предстояло пройти целому столетию, чтобы рутинные вычисления групп Галуа стали возможны. Отсутствие же таких методов частично оправдывает реакцию Коши и Пуассона. Они могли сетовать, причем с полным основанием, что идеи Галуа не позволяли решить проблему о разрешимости в радикалах любого данного уравнения.

Чего они не смогли увидеть, так это того факта, что метод Галуа на самом деле решал чуть другую задачу: определить, какие свойства корней делают уравнение разрешимым. Эта задача получила изящный и глубокий ответ. Что же касается задачи, решение которой они хотели бы получить от Галуа… ну, в ней нет причин ожидать четкого ответа. Просто не существует ясного способа классифицировать разрешимые уравнения в терминах легковычисляемых свойств их коэффициентов.

До сих пор интерпретация групп как симметрий несколько отдавала метафорой. Теперь нам надо сделать ее более буквальной, и этот шаг потребует более геометрической точки зрения. Последователи Галуа быстро осознали, что соотношение между группой и симметрией намного легче понять в геометрическом контексте. На самом деле именно так этот предмет обычно и объясняют в учебных курсах.

Чтобы получить некоторое представление об этом соотношении, кратко осмотрим мою любимую группу — группу симметрий равностороннего треугольника. И зададимся наконец самым фундаментальным вопросом: что же, строго говоря, есть симметрия?

До Галуа все ответы на этот вопрос были довольно расплывчаты и включали в себя размахивание руками и апелляцию к таким свойствам, как изящество пропорции. С концепциями такого типа настоящей математики не построишь. После Галуа спустя недолгий период времени, на протяжении которого математический мир разбирался с общими идеями, стоящими за их очень конкретным применением, — возник простой и двусмысленный ответ. Во-первых, слово «симметрия» надо понимать как «некая симметрия», «одна из симметрий». Объекты не обладают одной-единственной симметрией; они часто имеют много различных симметрий.

Но что же тогда такое эти симметрии? Симметрия некоторого математического объекта — это преобразование, которое сохраняет структуру объекта. Через секунду я разверну это определение в нечто большее, но прежде всего надо заметить, что симметрия представляет собой скорее процесс, нежели объект. Симметрии Галуа являются перестановками (корней уравнения), а перестановка — это некий способ переупорядочить вещи. Строго говоря, это не само переупорядочивание, а правило, которое надо применить, чтобы добиться этого переупорядочения. Не блюдо, а рецепт.

Подобное различие может показаться мелочным занудством, но именно оно лежит в основе всего предприятия.

В определении симметрии имеются три ключевых слова: «преобразование», «структура» и «сохраняет». Позвольте объяснить их, используя пример равностороннего треугольника. У такого треугольника по определению все три стороны имеют одинаковую длину, а все три угла — одну и ту же величину, а именно 60°. Из-за этих свойств трудно отличить одну сторону от другой; фразы типа «самая длинная сторона» здесь ничего не значат. Углы также неразличимы. Как мы сейчас увидим, невозможность отличить одну сторону от другой или один угол от другого является следствием симметрий равностороннего треугольника. В действительности этим его симметрии и определяются.

Рассмотрим эти три слова по очереди.

Преобразование. Нам разрешается кое-что делать с нашим треугольником. В принципе имеется масса вещей, которые с ним можно проделать: согнуть его, повернуть на некоторые угол, смять его, растянуть, как если бы он был сделан из резины, покрасить в розовый цвет. Наш выбор, однако, более узок и ограничен вторым из наших слов.

Структура. Структура нашего треугольника состоит из математических свойств, которые полагаются существенными. Структура треугольника включает такие вещи, как «у него три стороны», «стороны — прямые линии», «одна сторона имеет длину 7,32 дюйма», «он располагается на плоскости вот в этом месте» и так далее. (В других областях математики существенные свойства могут оказаться другими. В топологии, например, существенно только то, что треугольник образует один замкнутый путь, а наличие трех углов и прямолинейность сторон не имеют значения.)

Сохраняет. Структура преобразованного объекта должна соответствовать структуре исходного. Преобразованный треугольник должен также иметь три стороны — так что сминание его исключается. Стороны должны оставаться прямыми, так что складывать нельзя. Одна сторона должна по-прежнему иметь длину 7,32 дюйма, так что растягивать треугольник тоже запрещено. Положение должно быть тем же самым, так что сдвиг на десять футов в сторону не дозволяется.

Цвет явным образом не упоминается в качестве структуры, так что окрашивание треугольника не имеет значения. Не то чтобы оно было под запретом — просто оно не составляет различия для геометрических целей.

Поворот треугольника на некоторый угол, однако, действительно сохраняет по крайней мере кое-что из структуры. Если вырезать равносторонний треугольник из картона, положить его на стол, а затем поворачивать, то он по-прежнему будет выглядеть как треугольник. У него будут три стороны, причем прямые, а их длины не изменятся. Однако положение треугольника на плоскости может оказаться иным, в зависимости от угла, на который его повернули.

Если я поверну треугольник, например, на прямой угол, то результат будет отличаться от первоначального. Стороны будут смотреть в других направлениях. Если вы закроете глаза, пока я буду его поворачивать, то, открыв их, сможете определить, что треугольник был повернут.

Поворот на прямой угол не является симметрией равностороннего треугольника.

Но если я поверну треугольник на 120°, вы не заметите никакой разницы между «было» и «стало». Чтобы показать, что я имею в виду, я тайно помечу углы кружками различного типа, так что мы сможем следить за тем, что куда отправляется. Эти кружки — только для нашей ориентации, они не составляют часть структуры, которая должна быть сохранена. Если вы закрываете глаза на кружки, если наш треугольник настолько лишен свойств, насколько это полагается всякому добропорядочному эвклидову объекту, то повернутый треугольник выглядит в точности как исходный.

Поворот на 120° является симметрией равностороннего треугольника.

Другими словами, поворот на 120° есть симметрия равностороннего треугольника. Преобразование (поворот) сохраняет структуру (форму и расположение).

Оказывается, что у равностороннего треугольника имеется ровно шесть различных симметрий. Вторая — это поворот на 240°. Еще три — отражения, под действием которых один из углов треугольника остается на месте, а два других меняются местами. А в чем состоит шестая симметрия? В неделании ничего: оставьте треугольник в покое. Это тривиально, однако же удовлетворяет условиям, требуемым от симметрии. На самом деле это преобразование удовлетворяет определению симметрии вне зависимости от того, какой объект рассматривается и какое свойство должно сохраняться. Если ничего не делать, то ничего и не меняется.

Эта тривиальная симметрия называется тождественной. Она может показаться не очень важной, но если от нее отказаться, то вся математика пойдет вкривь и вкось. Происходящее будет похоже на выполнение сложения чисел в отсутствие нуля или умножения в отсутствие единицы. Если же мы включаем тождественное преобразование, то все хорошо.

Шесть симметрий равностороннего треугольника.

Для равностороннего треугольника можно представлять себе единичный элемент как вращение на 0°. На рисунке изображены результаты применения шести симметрий к нашему равностороннему треугольнику. Это в точности шесть различных способов, которыми вырезанный из картона и вынутый из плоскости треугольник можно наложить на его исходное положение. Пунктирные линии показывают, где надо расположить зеркало, чтобы получить требуемое отражение.

Теперь я собираюсь убедить вас в том, что симметрии — это часть алгебры. Для этого я сделаю то же, что сделал бы любой алгебраист: выражу все в символах. Обозначим шесть симметрий буквами I, U, V, P, Q, R согласно приведенному выше рисунку. Единичный элемент — это I; два другие вращения суть U и V, а три отражения — P, Q и R. Те же самые символы я использовал выше для перестановок корней кубического уравнения. Для этого есть причина, которая, более того, скоро станет явной.

Галуа по максимуму использовал «групповое свойство» своих перестановок. Если применить любые две из них по очереди, то получится какая-то другая. Отсюда следует мощный намек на то, что нам следует делать с нашими шестью симметриями. Мы попарно «перемножим» их и посмотрим, что получится. Напомним соглашение: если X и Y — два преобразования симметрии, то произведение XY — это то, что получается, когда сначала применяется Y, а потом X.

Пусть, например, мы желаем узнать, что такое VU. Это означает, что сначала к треугольнику применяется U, а потом V. И вот U осуществляет вращение на 120°, а V затем вращает получающийся треугольник на 240°. Тем самым VU осуществляет вращение на 120° + 240° = 360°.

Ой, мы забыли включить это вращение.

Нет, не забыли! Если повернуть треугольник на 360°, то все вернется в точности туда, где было. А в теории групп важен конечный результат, а не путь, которым к нему пришли. На языке симметрий две симметрии считаются одинаковыми, если они приводят к одному и тому же конечному состоянию объекта. Поскольку VU дает тот же эффект, что тождественное преобразование, мы заключаем, что VU = I.

В качестве второго примера рассмотрим, что делает UQ. Преобразования выполняются следующим образом:

Как симметрии равностороннего треугольника соответствуют перестановкам.

Мы видим, чему равен результат перемножения симметрий: он равен P. Значит, UQ = P.

Из наших шести симметрий можно можно образовать тридцать шесть произведений, а вычисления можно свести в таблицу умножения. Получается в точности та же , которая у нас была для шести перестановок корней кубического уравнения.

Обнаруженное совпадение дает пример одного из наиболее мощных методов во всей теории групп. Его истоки — в работах французского математика Камиля Жордана, до известной степени превратившего теорию групп из метода анализа решений уравнений в радикалах в самостоятельный предмет.

Около 1870 года Жордан привлек внимание к тому, что сейчас называют теорией представлений. Для Галуа группы были составлены из перестановок — способов перетасовки символов. Жордан начал задумываться о способах перетасовки более сложных пространств. Среди наиболее фундаментальных пространств в математике имеются многомерные пространства, а их самое важное свойство состоит в существовании прямых линий. Естественный способ преобразования такого пространства состоит в том, чтобы прямые линии оставались прямыми. Никаких изгибов, никаких скручиваний. Имеется много преобразований такого рода — вращения, отражения, изменения масштаба. Все они называются линейными преобразованиями.

Английский юрист и математик Артур Кэли открыл, что любое линейное преобразование можно связать с матрицей — квадратной таблицей из чисел. Любое линейное преобразование трехмерного, например, пространства можно задать, записав таблицу размером 3 на 3 из вещественных чисел. Так что преобразования можно свести к алгебраическим вычислениям.

Теория представлений позволяет начать с группы, которая не состоит из линейных преобразований, и заменить ее некоторой группой, состоящей из линейных преобразований. Преимущество конвертации группы в группу матриц состоит в том, что матричная алгебра является очень глубокой и мощной, и Жордан был первым, кто это увидел.

Взглянем на симметрии треугольника с Жордановой точки зрения. Вместо размещения разных кружков по углам треугольника я расставлю там символы a, b, c, соответствующие корням общего кубического уравнения. Тогда становится очевидным, что каждая симметрия треугольника также переставляет эти символы. Например, вращение U отправляет abc в cab.

Шесть симметрий треугольника естественно соответствуют шести перестановкам корней a, b, c. Более того, произведение двух симметрий соответствует произведению соответствующих перестановок. Но вращения и отражения в плоскости являются линейными преобразованиями — они сохраняют прямые линии. Так что мы по-другому интерпретировали группу перестановок — представили ее — как группу линейных преобразований, или, что то же самое, как некую группу матриц. Этой идее предстояло привести к глубоким следствиям как в математике так и в физике.