Книга: Истина и красота. Всемирная история симметрии.
Назад: Глава 5 Хитрый лис
Дальше: Глава 7 Революционер-неудачник
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 xn − 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 поменять два этажа местами, то получится другой ответ. Правая картинка показывает, что, когда перестановки перемножаются в противоположном порядке, результат есть bca×cba = bac.
Суть доказательства невозможности, которое предложил Руффини, состояла в выработке условий, которым должно удовлетворять всякое уравнение пятой степени, корни которого можно выразить в радикалах. Если общее уравнение пятой степени не удовлетворяет этим условиям, то, значит, у него нет корней такого типа, и, следовательно, его нельзя решить никаким естественным обобщением методов, применимых к кубике и квартике.
Следуя Лагранжу, Руффини плотно занялся симметричными функциями корней и их связью с перестановками. Уравнение пятой степени имеет пять корней, а на пяти символах имеется 120 перестановок. Руффини осознал, что эта система перестановок должна обладать некоторыми структурными свойствами, наследуемыми из всякой гипотетической формулы для решений квинтики. Если эти свойства отсутствуют, то такой формулы быть не может. Это несколько напоминает выслеживание тигра в джунглях, растущих в густой грязи. Если тигр там действительно есть, он должен оставить ясные следы. Нет следов — нет тигра.
Используя математические закономерности этого нового вида умножения, Руффини смог доказать — по крайней мере к своему собственному удовлетворению, — что структура умножения на 120 перестановках не согласуется с симметричными функциями, которые должны существовать, если уравнение можно решить в радикалах. И он реально добился чего-то важного. До того как Руффини начал исследовать уравнения пятой степени, почти каждый математик в мире был уверен, что это уравнение можно решить — единственный вопрос состоял в том, как именно. Исключение составлял лишь Гаусс, который как-то обронил намек, что, по его мнению, решения не существует, — но он также заметил, что это не очень интересный вопрос (один из тех редких случаев, когда интуиция его подвела).
После Руффини, как кажется, возникло общее ощущение, что уравнение пятой степени неразрешимо в радикалах. Лишь немногие полагали, что Руффини в самом деле это доказал, однако его работа определенно заставила многих усомниться в том, что дело может решиться в радикалах. Эта смена перспективы возымела и нежелательный побочный эффект: математики стали намного меньше интересоваться всей данной темой.
По злой иронии судьбы позднее оказалось, что работа Руффини содержала серьезный пробел, но в то время никто его не заметил. Скептицизм современников оказался в некотором роде оправданным. Но реально серьезным шагом вперед был сам метод: Руффини нашел правильную стратегию, он просто использовал не совсем правильную тактику. Данный предмет нуждался в стратеге, который был бы способен скрупулезно следить за мельчайшими тактическими моментами. И такой человек нашелся.
После многих лет усердного и смиренного служения Господу нашему в качестве пастора в одной из беднейших и наиболее удаленных областей в горах Норвегии Ханс Матиас Абель в 1784 году дождался вознаграждения. Он получил назначение в приход Йерстад, вблизи южного побережья Норвегии, недалеко от Осло-фьорда. Йерстад не был в полном смысле слова богатым приходом, но он был намного богаче тех мест, где Абель проповедовал раньше. Финансовое состояние его семьи разительно изменилось.
В духовном плане задача пастора Абеля оставалась той же: присматривать за паствой и прилагать все усилия, чтобы его подопечные были счастливы и добродетельны. Сам он происходил из обеспеченной семьи. Его прадед-датчанин был купцом, торговавшим весьма прибыльно — он осуществлял поставки для норвежской армии. Отец пастора, также купец, был альдерманом в городе Берген. Ханс был натурой гордой, но скромной, не слишком умным, но и определенно не дураком и был готов говорить начистоту, чего бы это ему ни стоило.
Чтобы помочь неимущим из своего прихода, он выращивал у себя в огороде новые виды растений: лен, из которого делали полотно, а также новый тип корнеплодов — земляные яблоки, иначе известные как картофель. Он писал стихи, не жалел времени на сбор сведений об истории края и жил в полном согласии со своей женой Элизабет. Дом его был известен тем, что там всегда хорошо кормили, а алкоголя не подавали никогда. Пьянство было одной из главных социальных проблем в Норвегии, и пастор твердо намеревался подавать своей пастве пример — впрочем, один раз он явился в церковь пьяным в стельку, дабы показать своим прихожанам, в какое унизительное состояние впадает пьяный человек. У него было двое детей — необычно мало для того времени: дочь Маргарета и сын Серен.
Маргарета ничем не выделялась, так и не вышла замуж и прожила большую часть жизни с родителями. Серен отличался от нее во всем: быстрый, обладавший острым и оригинальным умом, он тяготел к высшему обществу. Ему недоставало собранности и чувства долга, присущих его отцу, и он страдал от их отсутствия. Тем не менее в выборе профессии он пошел по стопам отца, став сначала викарием, а затем пастором; он женился на Анне-Мари Симонсен, которая была дочерью друга семьи, и отправился служить в Финней на юго-западном побережье. «Люди тут суеверны, но исполнены знания Библии, — писал он. — В поддержку каждого ошибочного мнения они приводят ссылку на неправильно истолкованный божественный авторитет». Тем не менее работа ему нравилась.
В 1801 году Серен писал другу: «Мои домашние радости недавно умножились: на третий день Рождества жена подарила мне здорового сына». То был Ханс Матиас. Его брат Нильс Хенрик появился на свет летом 1802 года. С первого своего дня Нильс страдал плохим здоровьем, и мать проводила много времени, ухаживая за ним.
Тем временем в Европе росло напряжение, и объединенное государство Норвегии и Дании оказалось зажатым между главными центрами военной силы — Англией и Францией. Наполеон желал поставить его под свои знамена, так что когда Британия заключила союз со Швецией, Норвегия-Дания внезапно стала противником Британии, немедленно предпринявшей вторжение. Через три дня Норвегия-Дания капитулировала, чтобы спасти Копенгаген от разрушения. Позднее, когда власть Наполеона стала ослабевать, его приближенный Жан-Батист Бернадотт стал королем Швеции. После того как Норвегию передали под власть Швеции, норвежский парламент — Стортинг — был вынужден признать Бернадотта своим монархом.
В 1815 году обоих мальчиков отправили в Кафедральную школу в Осло. Учитель математики по имени Петер Бадер принадлежал к тому типу учителей, которые стимулировали своих учеников посредством тяжелых физических наказаний. Тем не менее оба мальчика учились хорошо.
Затем, в 1818-м, Бадер так избил одного из своих учеников — сына депутата Стортинга, — что мальчик умер. Невероятно, но Бадера даже не отдали под суд, а просто заменили другим учителем математики по имени Бернт Холмбоэ, который до того был ассистентом у профессора прикладной математики Кристофера Ханстеена. Это событие ознаменовало решительный поворот в математической карьере Нильса, потому что Холмбоэ позволял своим ученикам разбираться с интересными задачами, выходящими за рамки обычной программы. Нильсу разрешили взять классические учебники, среди них — некоторые книги Эйлера. «С этих пор, — писал позднее Холмбоэ, [Нильс] Абель посвящал себя математике с максимальным рвением и желанием и добивался прогресса в своих занятиях со скоростью, изобличавшей гения». Вскоре после окончания школы Нильс убедил себя, что он решил уравнение пятой степени. Ни Холмбоэ, ни Ханстеен не смогли найти ошибки, так что они отправили его вычисления известному датскому математику Фердинанду Дегену на предмет возможной публикации работы Датской академией наук. Деген также не нашел ошибок в работе, но, обладая немалым опытом и зная, что всякое бывает, попросил Нильса подробнее провести вычисления в применении к некоторым конкретным примерам. Нильс быстро понял, что где-то закралась ошибка; он был расстроен, но испытывал облегчение от того, что ему не дали выставить себя на посмешище, опубликовав ошибочный результат.
Честолюбие Серена в соединении с отсутствием здравого смысла привело к неприятным последствиям. Он выступил с заявлением, в котором обвинял двух членов Стортинга в несправедливом заключении в тюрьму управляющего металлургическим заводом, принадлежавшим одному из них. В результате таких нападок на их репутацию поднялся шум. Вскоре выяснилось, что управляющий не вызывал доверия, но Серен отказался извиняться. Впав в депрессию, несчастный запил и в конце концов допился до смерти. На похоронах вдова Серена Анна-Мари напилась до такого состояния, что затащила в постель своего любимого слугу. На следующее утро, когда к ней с визитом пришли официальные посетители, она принимала их в постели, лежа рядом со своим любовником. «Бедные мальчика мне их жаль», — писала их тетка.
В 1821 году Нильс закончил Кафедральную школу и отправился сдавать вступительные экзамен в университет Христиании (ныне Осло). Он получил максимальные оценки по арифметике и геометрии, а также хорошие оценки по остальной математике, но по всем другим предметам выступил ужасно. Он был теперь отчаянно беден, поэтому подал прошение о предоставлении ему бесплатного жилья и дров для отопления. Он также пытался получить субсидию, покрывающую расходы на проживание, и некоторые из профессоров, распознав его необычные способности, собрали деньги ему на стипендию. Получив такую поддержку, Нильс посвятил себя математике и решению уравнения пятой степени, на этот раз серьезно намереваясь обратить в успех свою неудачную первую попытку.
В 1823 году Нильс работал над эллиптическими интегралами — областью анализа, которой предстояло стать самым долговечным памятником своему создателю, превосходящим по важности даже его работы по уравнениям пятой степени. Он пытался также доказать Последнюю теорему Ферма, но не смог найти ни доказательства, ни опровержения, хотя ему удалось показать, что пример, опровергающий утверждение теоремы, может появиться только в области поистине гигантских чисел.
Летом того года он отправился на бал, познакомился там с молодой женщиной и пригласил ее на танец. После нескольких неудачных попыток начать оба они разразились смехом — ни один из них не имел ни малейшего представления о том, как танцуют. Женщину звали Кристин Кемп, но все называли ее Крелли; она была дочерью военного интенданта. Как и у Нильса, у нее не было денег, и на жизнь она зарабатывала частными уроками по всем предметам — от рукоделия до естественных наук. «Она некрасива, у нее рыжие волосы и веснушки, но она чудесная девушка», — писал Нильс. Они полюбили друг друга.
Эти события стимулировали занятия Нильса математикой. Ближе к концу 1823 года он доказал невозможность решения уравнения пятой степени — причем в отличие от прошедшего чуть мимо цели выстрела Руффини он не промахнулся. Доказательство, стратегия которого была схожа с использованной Руффини, но тактика совершеннее, не содержало пробелов. Исходно Нильс не знал о работе Руффини. Впоследствии он наверняка должен был с ней познакомиться, поскольку упоминает о ее неполноте. Но даже Нильс не смог точно указать то место, где в доказательстве Руффини таилась дыра, — и это несмотря на то, что его метод оказался ровно тем, что требовалось для заделки этой дыры.
Нильс и Крелли отпраздновали помолвку. Чтобы жениться на своей возлюбленной, Нильсу надо было получить работу, а это означало, что требовалось признание его талантов со стороны ведущих европейских математиков. Опубликовать свою теорию было бы недостаточно: медведя следовало ловить в его берлоге. А для этого требовалась некоторая сумма денег на путешествия.
После длительных переговоров университет Христиании согласился предоставить Нильсу достаточно средств, чтобы он смог отправиться с научным визитом в Париж, где ему предстояло встретиться с ведущими математиками мирового уровня. Готовясь к поездке, он решил, что ему понадобятся печатные экземпляры его лучшей работы. Он полагал, что доказательство невозможности решения уравнения пятой степени произведет впечатление на французских коллег. Но, к сожалению, все его работы были изданы по-норвежски, в малоизвестном журнале. Поэтому он решил, что необходимо частным образом издать свою работу по теории уравнений в переводе на французский. Заглавие ее звучало как «Мемуар по алгебраическим уравнениям, в котором доказана невозможность решения общего уравнения пятой степени». Чтобы сэкономить на расходах по изданию, Нильс оставил лишь выжимку из самого существенного в своем методе, так что печатный вариант уложился всего лишь в шесть страниц. Это было куда меньше пятисот, написанных Руффини, но в математике бывают случаи, когда краткость скорее затемняет идеи. Целый ряд логических деталей — которые в этой области играли определяющую роль — пришлось оставить за бортом. Работа представляла собой набросок, а не доказательство.
Нильс открыл ее словами «Математики в целом занимались задачей нахождения общего метода для решения алгебраических уравнений, и некоторые из них предпринимали попытки доказать, невозможность такого решения. Поэтому я смею надеяться, что математики благосклонно встретят эту статью, которая ставит своей целью заполнить пробел, существующий в теории уравнений». Надежда оказалась бесплодной. Хотя ему удалось посетить некоторых математиков в Париже и заручиться их согласием взглянуть на его статью, аргументация в ней была настолько сжатой, что большинство, вероятно, нашли ее непригодной для понимания. Гаусс не выбросил свой экземпляр, но так и не прочел его — когда статью нашли после его смерти, страницы в ней оставались неразрезанными.
Позднее, быть может осознав свою ошибку, Абель опубликовал два развернутых варианта своего доказательства, приведя в них больше подробностей. Узнав к этому времени о работах Руффини, он писал: «Первая попытка доказательства невозможности алгебраического решения общего уравнения была предложена математиком Руффини; но его мемуар настолько труден для понимания, что судить о верности его аргументами нелегко. Мне представляется, что его рассуждения не всегда удовлетворительны». Но, как и все остальные, он не указал, почему именно.
Руффини и Абель излагали ход своей мысли на формальном математическом языке своего времени, который не очень хорошо подходил для требовавшегося им стиля мышления. Математика имела тогда дело главным образом с конкретными, частными идеями, тогда как ключ к теории уравнений состоит в переводе рассуждений в более общие термины — те, которые относятся к структурам и процессам, а не к отдельным вещам. Таким образом, их идеи были сложны для современников по той причине, что выходили за рамки математического языка. Но даже для современных математиков использование терминологии того периода затруднило бы понимание.
К счастью, основные моменты их анализа можно ухватить, используя архитектурную метафору. Один из способов представить себе почти-доказательство Руффини, как и полное доказательство Абеля, состоит в том, чтобы представить себе строительство башни.
В этой башне по одной комнате на этаже, причем лестница связывает ее с комнатой этажом выше. В каждой комнате имеется большой мешок. Если открыть мешок, оттуда разлетаются миллионы алгебраических формул, заполняя весь этаж. На первый взгляд у этих формул нет никакой специальной структуры, и кажется, что их случайным образом понадергали из разных алгебраических текстов. Некоторые формулы короткие, некоторые длинные; некоторые простые, некоторые исключительно сложные. При более тщательном рассмотрении, однако, у них обнаруживаются родственные черты. Формулы в каждом мешке имеют массу общих свойств. У формул из мешка этажом выше другие общие свойства. Чем выше по башне мы поднимаемся, тем более сложными становятся формулы в мешках.
Мешок на первом этаже содержит все формулы, которые можно построить, взяв коэффициенты уравнения и складывая их друг с другом, вычитая, умножая, деля — снова и снова, сколько угодно раз. В мире алгебраических формул, коль скоро вы задались коэффициентами, все эти «безобидные» комбинации прилагаются, можно сказать, практически бесплатно.
Чтобы забраться по лестнице на этаж выше, надо взять какую-нибудь формулу из мешка и использовать ее для построения радикала. Это может быть квадратный корень, кубический корень, корень пятой степени — какой угодно. Но формулу, корень которой берется, необходимо вынимать из того мешка. Всегда оказывается возможным взять корень p-й степени, где p — простое число, потому что более сложные корни можно построить из простых, и это простое наблюдение оказывается на удивление полезным.
Итак, вы выбрали какой-то корень; теперь, поднявшись на второй этаж, вы находите второй мешок, содержимое которого исходно совпадает с содержимым мешка на первом этаже. Но вы открываете мешок и швыряете в него новый радикал.
Формулы размножаются. Когда Ной причалил свой ковчег к горе Арарат, он повелел всем созданиям плодиться и размножаться. Формулы в мешке делают даже нечто большее: они не только множатся, но и складываются, вычитаются и делятся. Через несколько секунд лихорадочной активности из мешка на втором этаже начинают вылезать всевозможные «безобидные» комбинации, построенные из коэффициентов уравнения и нашего нового радикала. По сравнению с мешком на первом этаже здесь имеется много новых формул — но все они похожи друг на друга, поскольку каждая включает в качестве новой компоненты наш радикал.
Будем действовать точно так же, чтобы подняться на третий этаж. Снова выбираем некоторую формулу из нового мешка — строго одну — и строим новый радикал, извлекая корень некоторой (простой) степени из этой формулы. Тащим новый радикал по лестнице на третий этаж, засовываем его в мешок и ждем, пока формулы исполнят свои брачные игры.
И так далее. Каждый новый этаж означает новый радикал, и в новом мешке появляются новые формулы. На каждом шаге все эти формулы строятся из коэффициентов, к которым добавлен какой-либо радикал из числа тех, что были построены ранее.
Наконец мы на верхнем этаже башни. Миссия выполнена, исходное уравнение решено в радикалах — при условии, что, ощупав мешок на чердаке, мы найдем там по крайней мере один из корней нашего уравнения.
Подобных башен может быть много, в зависимости от выбираемых на каждом шаге формул и радикалов. Большинство обманывают наши ожидания и там не найти и намека на искомый корень. Но если миссия выполнима, если некоторая формула, построенная из последовательных радикалов, дает решение, то на чердаке в соответствующей башне действительно найдется корень. Ибо формула в точности говорит нам, как получить этот корень, последовательно добавляя радикалы. Другими словами, она сообщает нам, как именно построить башню.
В терминах таких башен можно интерпретировать классические решения уравнений третьей и четвертой степеней и даже вавилонское решение квадратных уравнений. Начнем с кубического уравнения, поскольку оно уже достаточно сложно, чтобы быть репрезентативным, но еще достаточно просто, чтобы оставаться наглядным.
В башне Кардано только три этажа.
Мешок на первом этаже содержит коэффициенты и все их комбинации.
Лестница, ведущая на второй этаж, требует извлечения квадратного корня. Весьма конкретного квадратного корня из вполне определенной формулы из первого мешка. Мешок на втором этаже содержит все комбинации этого квадратного корня и коэффициентов.
Лестница на третий этаж — на чердак — требует кубического корня, причем снова вполне конкретного. Это кубический корень из определенной формулы, включающей коэффициенты и тот квадратный корень, который уже использовался, чтобы подняться на один этаж. Содержит ли мешок на чердаке какой-либо корень нашего кубического уравнения? Да, и доказательство состоит в формуле Кардано. Подъем на башню увенчался успехом.
Башня Феррари выше — в ней пять этажей.
На первом этаже, как всегда, в мешке содержатся просто комбинации, составленные из коэффициентов. Подъем на второй этаж осуществляется с помощью образования безобидных комбинаций и последующего извлечения подходящего квадратного корня. На третий этаж ведут взятие безобидных комбинаций и, далее, извлечение подходящего кубического корня. На четвертый — составление безобидных комбинаций и, далее, извлечение подходящего квадратного корня.
Решение квадрики, кубики и квартики.
Наконец мы добираемся до пятого этажа — чердака, — составляя безобидные комбинации и беря затем подходящий квадратный корень.
И вот — мешок на чердаке действительно содержит то, что мы искали, — некий корень уравнения четвертой степени. Формула Феррари снабжает нас инструкциями по построению именно нужной башни.
Вавилонская башня, которая решает уравнение второй степени, также подходит под эту метафору. Но она оказывается укороченной башней всего с двумя этажами. Мешок на первом этаже содержит просто комбинации коэффициентов. Единственный, тщательно выбранный квадратный корень ведет на один этаж выше — уже на чердак. Внутри этого мешка имеется корень квадратного уравнения — в действительности оба его корня. Об этом нам говорит вавилонская процедура решения квадратных уравнений — формула, которой нас учили в школе.
А что же насчет уравнения пятой степени?
Предположим, что формула для решения квинтики в радикалах на самом деле существует. Мы не знаем, как она выглядит, но тем не менее можем многое о ней сказать. В частности, она должна соответствовать некоторой башне. Назовем эту гипотетическую башню башней Абеля.
Зададимся вопросом, как забраться вверх по башне; математика говорит нам, что имеется только один способ подняться на второй этаж. Надо взять один определенный квадратный корень, другого пути наверх нет.
Впрочем, не совсем так. Мы могли бы брать всевозможные другие корни и построить огромную, высоченную башню. Но чтобы на чердаке такой башни находился корень, необходимо, чтобы некоторый этаж соответствовал тому самому определенному квадратному корню, который я имею в виду. И ни один из предыдущих этажей не поможет нам добраться до чердака; строительство будет лишь пустой тратой времени и денег. Так что любой вменяемый строитель обязательно начнет именно с этого квадратного корня.
Что требуется, чтобы подняться по лестнице на третий этаж?
На третий этаж лестницы нет. Можно забраться на второй этаж, но там мы и застрянем. И если нельзя подняться на третий этаж нашей воображаемой башни, то заведомо нельзя добраться до чердака и найти там в мешке корень.
Почему уравнение пятой степени неразрешимо.
Одним словом, башни Абеля не существует. Все попытки прекращаются, когда мы упираемся в бетонный потолок на втором этаже; или, возможно, имеется некоторая более сложно организованная структура с множеством никому не нужных этажей, где мы в конце концов упираемся в бетон точно таким же образом и по той же самой причине. Это и доказал Руффини, если не считать одного технического пробела. Грубо говоря, он не сумел доказать, что если на чердаке живут безобидные комбинации радикалов, то и сами радикалы живут там же.
Доказательство Руффини и башня Абеля имеют выраженное сходство. Но, используя башни, Абель улучшил тактику Руффини и закрыл остававшуюся там дыру. Вместе они доказали, что нет никакой радикальной башни, позволяющей добраться от коэффициентов уравнения пятой степени к его корням. В переводе с архитектурного это значит, что нет формулы для корня уравнения пятой степени, сложность которой ограничивается радикалами. Решить уравнение пятой степени в радикалах невозможно, подобно тому как невозможно забраться на Луну, по очереди вставая друг другу на плечи.
Рождество 1828 года Абель планировал провести у своих старых друзей Катарины и Нильса Трешов во Фроланде. Он собирался навестить Крелли, жившую неподалеку. Абель не очень хорошо себя чувствовал, и его врач был против этой поездки. В письме к жене Кристофера Ханстеена Иоанне Катарина писала: «Если бы вы были в городе, он, пожалуй, согласился бы остаться. Но он старался скрыть, насколько серьезно он на самом деле болен». В середине декабря Абель направился во Фроланд, экипировавшись так, чтобы противостоять зимней стуже. Он прибыл туда 19 декабря, закутанный во всю наличествовавшую у него одежду, включая носки, которые он натянул на руки. Несмотря на приступы кашля и озноба, в математическом плане он мощно продвигался вперед; в доме Трешов ему нравилось работать в гостиной в окружении их детей. Он любил их общество.
Абель не оставлял попыток найти постоянное место работы. Даже его временная должность в Христиании была под вопросом. После Рождества он сосредоточил усилия на том, чтобы получить работу в Берлине. Посредством закулисной дипломатии его друг Август Крелле сумел убедить Отдел образования создать Математический институт и надеялся устроить дело таким образом, чтобы Абель стал там одним из профессоров. Он получил поддержку от такого научного светила, как Александр фон Гумбольдт, а также рекомендацию от Гаусса и еще одну от Адриена-Мари Лежандра, видного члена Французской академии. Крелле убеждал министра образования, что Абель будет рад занять должность в Берлине, но что действовать следует быстро, поскольку Абеля хотят пригласить и в другие места, в особенности в Копенгаген.
Абель собирался уехать из Фроланда в Осло 9 января, но приступы кашля и озноба усилились, и он проводил большую часть времени, оставаясь в своей комнате. Кемпы, его будущие родственники со стороны невесты, сильно обеспокоились. Утром того дня, когда он предполагал уехать, у Абеля начался очень сильный кашель с кровохарканьем. В дом немедленно вызвали семейного врача, и он прописал постельный режим и постоянный уход. Крелли стала исполнять роль медсестры, и ее заботливое внимание и различные лекарства привели к некоторому улучшению. В течение нескольких недель Абелю позволили недолгое время сидеть на стуле. Ему пришлось отказаться от всяких занятий математикой.
Лежандр написал Абелю письмо, в котором рассказывал, какое впечатление на него произвели работы норвежца по эллиптическим функциям, и побуждал молодого человека опубликовать свое решение задачи о том, когда уравнение можно решить в радикалах: «Я настаиваю на том, что эта новая теория должна появиться в печати как можно скорее. Она прославит вас и будет всегда и всеми рассматриваться как величайшее открытие, которое оставалось сделать в математике». В то время как некоторые видные математики противодействовали публикации основополагающих работ Абеля — одни сознательно, другие — просто не придавая им большого значения, — его репутация среди других ученых быстро набирала силу.
К концу февраля 1829 года врач Абеля понял, что надежды на выздоровление нет и что лучшее, что остается делать, — это по мере возможности сдерживать развитие болезни. Врач послал бывшему учителю Абеля Бернту Холмбоэ бюллетень о состоянии здоровья молодого человека:
…Вскоре после прибытия на Фроландский металлургический завод он стал страдать от тяжелого приступа пневмонии, сопровождавшегося значительным отхаркиванием, которое вскорости прекратилось… Однако хронический кашель и значительная слабость вынудили его оставаться в постели, и он по-прежнему должен соблюдать постельный режим; более того, ему нельзя подвергать себя воздействию малейших изменений в окружающей температуре.Более серьезным представляется тот факт, что сухой кашель, сопровождаемый жгучей болью в грудной клетке, с большой долей вероятности указывает на скрытый грудной бронхиальный туберкулез, который вполне может привести к грудной чахотке, к чему отчасти располагает его конституция. Ввиду столь опасного состояния здоровья… крайне маловероятно, что он сможет вернуться в Осло до весны. До того времени он будет не в состоянии исполнять свои должностные обязанности даже при самом благоприятном течении болезни.
Крелле, получив в Берлине эти плохие новости, удвоил свои усилия по устройству должности для Абеля, убеждая немецкого министра, что будет полезно перевезти Абеля в более теплый климат.
8 апреля Крелле отправил своему протеже письмо с хорошими новостями:
Отдел образования решил пригласить вас в Берлин и предоставить вам должность… В каком качестве вы будете работать и каково будет ваше жалование, я вам сказать не могу, поскольку сам этого не знаю. Я только спешу поделиться с вами главной новостью; можете быть уверены, что вы находитесь в хороших руках. Беспокоиться о своем будущем вам более нечего — доверьтесь нам и будьте уверены в успехе.
Ах, если бы все так и сложилось.
Абель был слишком болен, чтобы путешествовать. Ему пришлось остаться во Фроланде; несмотря на уход Крелли, он все более и более слабел, а кашель его становился все тяжелее. Он поднимался с кровати, только когда меняли простыни. Попытавшись немного заняться математикой, он обнаружил, что не может писать. Он стал раздумывать о прошлом, о своей бедности, но не показывал своих чувств тем, кто любил его, до самого конца стараясь доставлять им как можно меньше хлопот.
Понятно, что для Крелли было все труднее и труднее скрывать свое отчаяние от жениха. Мари или Ханна подменяли ее у его постели. Усилившийся кашель Абеля не давал ему спать, и семья наняла сиделку, которая ухаживала за ним по ночам, чтобы Крелли могла немного передохнуть.
Утром 6 апреля, прометавшись всю ночь в сильной боли, Абель умер. Ханна писала:
Всю ночь 5 апреля длилась его тяжелейшая агония. Ближе к утру он сделался спокойнее, а в 11 часов перед полуднем испустил свой последний вздох. Моя сестра и его невеста были с ним в эти последние мгновения и наблюдали его спокойный переход в объятия смерти.
Пять дней спустя Крелли написала сестре Катарины Ханстеен Генриэтте Фридрихсен с просьбой сообщить печальную новость Катарине. «Моя драгоценная, только долг мог заставить меня просить об этом, ибо я бесконечно обязана вашей сестре, фру Ханстеен. Дрожащей рукой беру я перо, чтобы попросить вас сообщить ей, что она потеряла преданного, доброго сына, любившего ее бесконечно».
Мой Абель мертв! <…> Я потеряла все в этом мире. Я ничего, ничего не чувствую. Простите меня, я так несчастна, что не в силах более писать. Попросите ее принять приложенную к письму прядь волос моего Абеля. Подготовить вашу сестру к этому покорнейше просит вас ваша несчастная К. Кемп.
Назад: Глава 5 Хитрый лис
Дальше: Глава 7 Революционер-неудачник
