ГЛАВА 9
ДО БЕСКОНЕЧНОСТИ И ДАЛЬШЕ
В эпизоде «Игра до победного конца» (Dead Putting Society, сезон 2, эпизод 6; 1990 год) рассказывается о турнире по мини-гольфу, в финале которого Барт Симпсон играет против Тодда Фландерса, сына соседа Неда Фландерса. Ставки в игре очень высоки, поскольку отца проигравшего ждет незавидная участь: ему придется косить газон победителя в платье своей жены.
Во время напряженной перепалки Гомер и Нед, для того чтобы укрепить свои позиции, апеллировали к бесконечности:
Гомер. Завтра в это время ты наденешь высокие каблуки!
Нед. Нет, ты наденешь.
Гомер. Нет.
Нед. Наденешь.
Гомер: Нет.
Нед. Наденешь.
Гомер. Нет до бесконечности!
Нед. Наденешь до бесконечности плюс один!
Гомер. Ой!
Я спросил сценаристов, кто из них предложил идею этого диалога, но никто так и не вспомнил, что неудивительно, ведь сценарий был написан больше двадцати лет назад. Тем не менее все сошлись во мнении, что эта перепалка двух отцов нарушила весь процесс написания сценария, поскольку породила дискуссию о природе бесконечности. Так все же бесконечность плюс один больше бесконечности или нет? Данное утверждение имеет смысл или оно бессмысленно? Можно ли его доказать?
В ходе поиска ответов на эти вопросы сидевшие за столом математики упомянули имя Георга Кантора, родившегося в Санкт-Петербурге в 1845 году. Кантор был первым математиком, который действительно пытался осмыслить понятие бесконечности. Однако его объяснения носили исключительно технический характер, поэтому миссия интерпретировать результаты исследований Кантора была возложена на блестящего немецкого математика Давида Гильберта (1862–1943). Гильберт умел находить аналогии, которые делали идеи Кантора о бесконечности более удобоваримыми и доступными для понимания.
Одно из самых известных объяснений бесконечности включало в себя воображаемое здание, известное как отель Гильберта — достаточно большое, с бесконечным количеством номеров, обозначенных числами 1, 2, 3 и т. д. В один особенно оживленный вечер, когда все номера заняты, появляется новый гость, не забронировавший номер заранее. К счастью, владелец отеля доктор Гильберт знает, как решить проблему. Он просит всех постояльцев перебраться из текущего номера в следующий. То есть жилец номера 1 переходит в номер 2, жилец из номера 2 — в номер 3 и т. д. У всех гостей по-прежнему есть номера, но номер 1 теперь свободен и в нем может поселиться новый гость. Этот сценарий подразумевает (и тому есть более строгое доказательство), что бесконечность плюс один равна бесконечности — пожалуй, весьма парадоксальный, но все же неоспоримый вывод.
Это значит, что Нед Фландерс неправ, полагая, что он может взять верх над бесконечностью Гомера, прибавив к ней единицу. В действительности Фландерс оказался бы неправ, даже если бы попытался выиграть спор, прибавив бесконечность к бесконечности, что доказывает еще одна сцена из отеля Гильберта.
Отель снова переполнен, и тут прибывает бесконечно большой автобус. Его водитель спрашивает доктора Гильберта, может ли отель вместить всех пассажиров. Гильберт невозмутим. Он просит всех своих нынешних постояльцев перебраться в номер с числом в два раза больше. То есть гость из номера 1 переходит в номер 2, гость из номера 2 переходит в номер 4 и т. д. В результате имеющаяся бесконечность гостей занимает только четные номера, а бесконечное количество нечетных номеров освобождается. Теперь отель сможет предоставить номера для бесконечного количества пассажиров автобуса.
Пример опять кажется парадоксальным. Возможно, вы даже думаете, что это полная бессмыслица, не более чем оторванные от жизни философские рассуждения. Тем не менее выводы по поводу бесконечности представляют собой нечто большее, чем просто софистику. Математики делают их последовательно, шаг за шагом, выстраивая строгий, прочный фундамент.
Эту мысль хорошо иллюстрирует анекдот, в котором ректор университета жалуется на декана физического факультета: «Почему физикам всегда нужно столько денег на лаборатории и оборудование? Почему вы не можете быть как математический факультет? Математикам нужны только карандаши, бумага и корзина для бумаг. Или еще лучше: почему бы вам не быть как философский факультет? Они просят только карандаши и бумагу».
Этот анекдот высмеивает философов, которым не присуща научная строгость математиков. Математика — это кропотливый поиск истины, потому что каждая новая гипотеза подвергается безжалостной проверке, а затем либо вводится в общую схему знаний, либо выбрасывается в корзину для мусора. Некоторые математические концепции бывают абстрактными и загадочными, но даже они должны пройти процесс тщательного анализа.
Таким образом, отель Гильберта наглядно продемонстрировал, что:
бесконечность = бесконечность + 1
бесконечность = бесконечность + бесконечность
Хотя Гильберту удалось избежать в объяснениях специальных математических выкладок, Кантор, для того чтобы сделать свои парадоксальные выводы о бесконечности, был вынужден глубоко погрузиться в математическую организацию чисел, и такое интеллектуальное напряжение не прошло для него бесследно. Кантор страдал от тяжелых приступов депрессии, проводил много времени в больнице и начал верить в то, что находится в непосредственный связи с Богом. В действительности он считал, что это Бог помог ему сформулировать свои идеи, и верил, что бесконечность — это синоним Бога: «Она реализована в наиболее полной форме, в сверхъестественном существе, в Боге; я называю ее Абсолютной бесконечностью, или Абсолютом». Психическое состояние Кантора было отчасти результатом насмешек и критики в его адрес со стороны более консервативных математиков, которые не могли смириться с его радикальными выводами о бесконечности. К большому сожалению, в 1918 году Георг Кантор умер в полной нищете.
После смерти Кантора Гильберт так прокомментировал попытки своего коллеги постичь математику бесконечности: «Бесконечность! С давних пор ни один вопрос так не будоражил человеческую мысль, как этот; ни одна другая идея не действовала на разум столь побуждающе и плодотворно; но и ни одно другое понятие так сильно не нуждается в разъяснении, как бесконечность».
Гильберт ясно дал понять, что в борьбе за постижение бесконечности принимает сторону Кантора: «Никто не изгонит нас из рая, созданного для нас Кантором».
* * *
Помимо математиков, в команду сценаристов «Симпсонов» входили также другие ученые, интересующиеся математикой, например Джоэл Коэн (не имеющий никаких родственных связей с Дэвидом Коэном), изучавший точные науки в Альбертском университете в Канаде; Эрик Каплан, который изучал в Колумбийском университете и в Беркли философию науки; Дэвид Миркин, планировавший стать инженером-электротехником и, прежде чем присоединиться к команде «Симпсонов», окончивший Университет Дрекселя в Филадельфии и работавший в Национальном экспериментальном центре авиационного оборудования. Джордж Мейер получил диплом по биохимии, а затем сфокусировался на математике, безуспешно пытаясь разработать безопасную систему ставок в собачьих бегах. Для мира комедии было настоящим подарком судьбы то, что Мейер бросил эту затею и сделал карьеру в качестве одного из самых авторитетных комедийных сценаристов в Лос-Анджелесе.
Все это говорит о том, что в команде сценаристов «Симпсонов» никогда не было недостатка в людях, желающих вступить в математическую дискуссию в процессе работы над сценарием. Тем не менее, несмотря на явную любовь к отвлеченным темам, авторы сериала понимали, что семинар по поводу бесконечности, Кантора и отеля Гильберта может помешать работе, если проводить его в разгар работы над сценарием. К счастью, было найдено решение проблемы, которое позволяло поощрять математические дискуссии, не нарушая текущий процесс. Таким решением стал математический клуб.
Идея о создании клуба возникла во время разговора, который состоялся в одном из баров Лос-Анджелеса между Мэттом Уорбертоном и Рони Брунн. Уорбертон изучал когнитивную нейробиологию в Гарвардском университете, а затем пришел в команду сценаристов «Симпсонов» и оставался в ней вот уже больше десяти лет, практически с начала выхода сериала на экраны. Брунн имела отношение к миру комедии еще во время учебы в Гарварде и даже была редактором журнала Harvard Lampoon, но после окончания университета сделала карьеру в мире моды и музыки.
«Путь к созданию математического клуба начался с осознания того печального факта, что после окончания университета мой ум стал терять остроту, — объясняет Брунн. — Я завидовала любителям книг, у которых были свои клубы. На самом деле я не очень-то люблю читать романы, но мне требовалась социальная среда для интеллектуальных дискуссий. Однажды вечером в баре я пожаловась Мэтту Уорбертону на явную несправедливость, задавшись вопросом, почему есть клубы любителей книг и нет математического клуба. Он кивнул мне в знак поддержки и продолжил пить свое пиво. Мы поговорили о многочисленных сценаристах «Симпсонов», имеющих математическое образование, и этого оказалось достаточно для того, чтобы я начала действовать».
В противоположность тому, что, возможно, посоветовал бы Брэд Питт, первым правилом математического клуба было как можно больше говорить о математическом клубе. На самом деле его популяризация только приветствовалась. Ключевыми членами клуба стали сценаристы «Симпсонов», но его двери были также открыты для учителей, научных работников и просто жителей Лос-Анджелеса, интересующихся математикой.
Первое заседание клуба состоялось в квартире Брунн в сентябре 2002 года. Вступительную лекцию под названием «Сюрреальные числа» прочитал Дж. Стюарт Бернс, который начал работу над докторской диссертацией по математике перед тем, как стать членом команды «Симпсонов». Коллеги Бренса тоже выступали в математическом клубе с лекциями по таким темам, как «Введение в теорию графов», «Случайный выбор задач в теории вероятностей» и т. д.
Хотя математический клуб представлял собой неформальное объединение друзей и коллег с общими интересами, представленные на его заседаниях лекции зачастую имели безупречную научную репутацию. Кен Килер, лекция которого называлась «Подразбиение квадрата», — один из самых одаренных в математическом плане сценаристов «Симпсонов». Он окончил Гарвардский университет с отличием, что было признанием его блестящего математического таланта, и получил диплом бакалавра в 1983 году. Затем Килер поступил в Стэнфордский университет, чтобы получить диплом магистра по электротехнике, после чего снова вернулся в Гарвард, где защитил докторскую диссертацию по теме «Представление карт и оптимальное кодирование для сегментации изображений» в области прикладной математики. После этого Килера приняли в AT&T Bell Laboratories в Нью-Джерси, на счету сотрудников которых было семь Нобелевских премий. Именно в этот период и пересеклись пути Кена Килера и Джеффа Уэстбрука. Оба работали в одной и той же сфере исследований и совместно написали работу под названием «Укороченное кодирование планарных графов и карт». Кроме того, Килер и Уэстбрук также были соавторами сценария научно-фантастического телесериала Star Trek: Deep Space Nine («Звездный путь: Глубокий космос 9»), в котором два комика развязали войну, оскорбив своими шутками каждого присутствовавшего в зале инопланетянина.
Численность членов математического клуба неуклонно росла. Иногда, для того чтобы вместить всех желающих, приходилось проводить заседания на улице, используя простыню в качестве экрана проектора. Больше всего членов клуба, порой около ста человек, приходили послушать лекции знаменитых математиков, таких как, например, доктор Рональд Грэм — главный научный сотрудник Калифорнийского института телекоммуникаций и информационных технологий (Cal-(IT)2). Кстати, Грэм написал более двух десятков работ в соавторстве с Палом Эрдешем, а также является главным популяризатором концепции чисел Эрдеша. Кстати, у Грэма есть еще один предмет для гордости — число Грэма — самое большое число из когда-либо использовавшихся в математическом доказательстве, которое он открыл в 1977 году. Чтобы получить представление о его истинном размере, возьмем такую величину, как планковский объем, которая является минимальной единицей объема в физике. Один атом водорода содержит 1073 таких объемов. Если бы цифры числа Грэма были записаны на ткани космоса таким образом, чтобы каждая цифра занимала один планковский объем, то всей видимой Вселенной оказалось бы недостаточно, чтобы вместить все цифры этого числа. Возможно, вам будет интересно узнать его последние десять цифр: … 2464195387.
Одну из самых запоминающихся лекций прочитал в математическом клубе Дэвид Коэн, создатель последней теоремы Гомера. Выступление Коэна было особенным потому, что он посвятил его научному исследованию, которое провел перед тем, как стать комедийным сценаристом. После окончания Гарвардского университета Коэн один год проработал в Гарвардской лаборатории робототехники, после чего поступил в Калифорнийский университет в Беркли для получения степени магистра компьютерных наук. Во время учебы в Беркли Коэн изучал так называемую задачу блинной сортировки — именно эта тема и легла в основу его лекции в математическом клубе.
Задачу блинной сортировки впервые сформулировал в 1975 году Джейкоб Гудман, геометр из Городского колледжа Нью-Йорка, известный под псевдонимом Гарри Двейтер (англ. Harry Dweighter, созвучно с harried waiter — «обеспокоенный официант»). Он писал:
«В нашем ресторане не очень аккуратный шеф-повар; когда он готовит блины, они получаются разных размеров. Вот почему, когда я отношу блины клиенту, по пути к столику мне приходится переворачивать несколько верхних блинов (так, чтобы самые маленькие были наверху, а самые большие — внизу). Я повторяю это столько раз, сколько нужно (меняя количество переворачиваемых блинов). Если есть n блинов, чему равно максимальное количество переворотов (как функции n), которое мне придется сделать, чтобы расположить блины в правильном порядке?»
Другими словами, если Гомер отправится в Спрингфилдский муниципальный дом блинов, как показано в эпизоде «Запутанный мир Мардж Симпсон» (The Twisted World of Marge Simpson, сезон 8, эпизод 11; 1997 год), и официант принесет ему n блинов разных размеров, уложенных в случайном порядке, то сколько переворотов ему потребуется сделать в самом худшем случае, для того чтобы расположить блины правильно? Число переворотов блинов обозначается как Pn. Задача состоит в том, чтобы найти формулу определения числа Pn.
Задача блинной сортировки сразу же привлекла внимание математиков по двум причинам. Во-первых, было похоже, что она позволит лучше понять способы решения задач по информатике, поскольку перегруппировка блинов имеет много общего с перегруппировкой данных. Во-вторых, эта головоломка казалась достаточно трудной, а математики просто обожают задачи, граничащие с невозможным.
Несколько простых примеров могут пролить свет на эту задачу. Во-первых, чему равно число переворотов, если в наличии всего один блин? Ответ: нулю, поскольку этот блин не может лежать неправильно. Следовательно, P1 = 0.
Чему равно число переворотов в случае двух блинов? Тут может быть только два варианта: либо их уложили правильно, либо в обратном порядке. Определить худший случай не составит труда, причем потребуется всего один переворот, для того чтобы обеспечить правильное расположение блинов. Следовательно, P2 = 1.
Далее, чему равно число переворотов в случае трех блинов? Вычислить это немного труднее, так как существует шесть вариантов их исходного порядка. И в зависимости от него число переворотов, необходимое для расположения блинов в правильном порядке, составляет от ноля до трех в самом худшем случае. Следовательно, P3 = 3.
В большинстве случаев вы сами можете уложить блины в нужном порядке с помощью приемлемого количества переворотов. Однако порой процесс перестановки неочевиден, поэтому ниже показана серия из трех переворотов. В каждом ряду отображен процесс одного переворота, а именно куда следует вставить лопатку и каким будет порядок укладки блинов в результате переворота.
По мере увеличения стопки блинов задача усложняется в связи с ростом количества вариантов исходного порядка расположения блинов, а также числа возможных способов переворачивания. Более того, создается впечатление, что в последовательности чисел, соответствующих количеству переворотов блинов, нет никакой закономерности:
| n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| P | 0 | 1 | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 | 9 | 10 | 11 |
| n | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| P | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 22 | ? |
Из-за сложности выполнения всех перестановок и возможных стратегий переворачивания блинов даже очень мощным компьютерам до сих пор не удалось рассчитать число переворотов в случае двадцати блинов. Кроме того, даже три десятилетия спустя никто не смог отказаться от метода решения «в лоб» с помощью компьютера и найти красивое уравнение для определения числа переворотов блинов. На данный момент единственным достижением в решении этой задачи стало выведение формулы определения границ для числа переворотов блинов. В 1979 году было доказано, что верхняя граница для числа переворотов составляет (5n + 5)/3 переворотов. Это значит, что мы можем взять бессмысленно огромное количество блинов (скажем, тысячу) и точно знать, что число переворотов, необходимых для их укладки в порядке возрастания (или убывания) размера, будет меньше, чем:
Таким образом, учитывая, что выполнить треть переворота невозможно, меньше или равно 1668. Этот знаменитый результат, поскольку он был опубликован в работе Христоса Пападимитриу и Уильяма Гейтса, который нам больше известен как Билл Гейтс, основатель компании Microsoft, а эта работа считается его единственной научной публикацией.
В работе Гейтса, написанной им в период учебы в Гарвардском университете, упоминается также более сложный вариант этой задачи. В задаче о подгоревших блинах фигурируют блины, подгоревшие с одной стороны, которые необходимо уложить в правильном порядке, переворачивая так, чтобы подгоревшая сторона оказывалась внизу. Именно эту задачу решил Дэвид Коэн во время учебы в Беркли.
В 1995 году Коэн написал работу по задаче о подгоревших блинах, в которой вычислил верхний и нижний пределы числа переворотов подгоревших блинов: от 3n/2 до 2n – 2. Если мы снова используем пример с 1000 блинов, но теперь уже подгоревших, то сможем определить, что число переворотов, необходимых для их укладки подгоревшей стороной вниз, составляет от 1500 до 1998.
Это именно то, что делает сценаристов «Симпсонов» уникальными. Они не только посещают математический клуб, но еще и читают научные лекции и пишут серьезные математические научные работы.
Дэвид Коэн вспомнил историю, которая показывает, как сценаристы порой поражаются сами себе, когда осознают уровень математических знаний своей команды: «Я написал работу о количестве переворотов блинов в соавторстве со своим научным руководителем Мануэлем Блюмом, известным специалистом в области компьютерных наук, и мы отправили ее в журнал Discrete Applied Mathematics. Впоследствии я бросил магистратуру ради написания сценариев для “Симпсонов”. После того как нашу работу приняли, прошел очень большой отрезок времени, прежде чем ее проверили и опубликовали. Таким образом, к моменту ее публикации я уже работал какое-то время в команде “Симпсонов”, и примерно в тот же период туда пришел Кен Килер. Когда в конце концов моя научная статья появилась в журнале, я пришел с ее копией на работу и сказал: “Послушайте, а у меня вышла статья в Discrete Applied Mathematics”. Это произвело впечатление на всех, кроме Кена Килера, который заявил: “Ну да, я тоже опубликовал статью в этом журнале пару месяцев назад”».
С ухмылкой на лице Коэн проворчал: «Вот так вот, я пишу сценарии для “Симпсонов” и даже не могу быть единственным сценаристом сериала, опубликовавшим работу в Discrete Applied Mathematics?»
