15. Музыкант простых чисел. Бернхард Риман

Бернхард Риман впервые проявил мощный математический талант, техническое мастерство и оригинальность в возрасте 20 лет. Мориц Штерн, один из его наставников, позже сказал, что «он уже тогда пел, как канарейка». Другой его наставник, Гаусс, впечатлился не так сильно, но и курсы, которые он вел, были элементарными и не давали студенту возможности проявить свои подлинные способности. Вскоре даже Гаусс понял, что Риман необычайно талантлив, и согласился консультировать его по докторской диссертации. Тема диссертации – комплексный анализ – была близка сердцу Гаусса. Он с похвалой отозвался о работе как о «великолепной, плодотворной, оригинальной» и организовал для Римана место преподавателя начального уровня в Гёттингенском университете.

В Германии следующим шагом после защиты степени доктора философии являлась так называемая хабилитация – получение более высокой ученой степени, требующее глубоких исследований; она открывала путь к настоящей академической карьере, давая обладателю право стать приват-доцентом, то есть читать лекции и получать жалованье. Риман провел два с половиной года за весьма плодотворными исследованиями теории рядов Фурье (глава 9). Исследование было проведено качественно, но сам он начал подозревать, что взвалил на себя непосильную ношу.

Проблема не была связана с работой над рядами Фурье. Эта работа была сделана, и Риман был уверен в ее качестве и точности. Нет, проблему представлял последний шаг получения степени доктора хабилис. Кандидат должен был прочесть публичную лекцию. В свое время он предложил три темы: две по математической физике электричества – предмет, который он тоже изучал под руководством Вильгельма Вебера, а в третьей Риман замахнулся на основания геометрии, где у него были кое-какие интересные, но незаконченные идеи. Выбрать из этих трех тем должен был Гаусс, который в то время работал с Вебером и глубоко интересовался электричеством. Однако Риман упустил из виду, что Гаусс столь же глубоко интересовался и геометрией и не прочь был услышать то, что Риман думает по этому поводу.

Так что теперь Риман из кожи вон лез, пытаясь развить свои достаточно неопределенные идеи относительно геометрии в нечто, что могло бы произвести настоящее впечатление на величайшего математика своего времени, причем в области, о которой этот великий человек размышлял значительную часть своей жизни. Начальной точкой размышлений Римана был результат, которым Гаусс особенно гордился, – его Theorema Egregium (см. главу 10). Эта теорема определяет форму поверхности без отсылки к какому бы то ни было окружающему пространству, и ее появление ознаменовало рождение дифференциальной геометрии. Она подвела Гаусса к изучению геодезических кривых, кратчайших путей между точками – и кривизны, количественно отражающей, насколько та или иная поверхность искривлена в сравнении с обычной Евклидовой плоскостью.

Риман планировал обобщить всю теорию Гаусса в радикально новом направлении – для пространств произвольной размерности. Математики и физики тогда только начинали осознавать мощь и ясность геометрической мысли в «пространствах» с бо́льшим числом измерений, чем обычные два или три. В основании этой альтернативной точки зрения лежало нечто понятное – математика уравнений со многими переменными. Переменные играют роль координат, так что чем больше переменных, тем выше размерность этого понятийного пространства.

Попытки разработать новые представления о многомерных пространствах привели Римана на грань нервного срыва. Ситуацию осложняло еще и то, что одновременно он помогал Веберу разбираться с электричеством. К счастью, взаимовлияние электрических и магнитных сил привело Римана к новой концепции «силы», основанной на геометрии: то же самое озарение несколько десятилетий спустя привело Эйнштейна к специальной теории относительности. Силы можно заменить кривизной пространства. Вот он – новый взгляд, необходимый Риману для подготовки лекции.

В лихорадочной спешке молодой человек перебирал фундаментальные положения современной дифференциальной геометрии, начиная с концепции многомерного многообразия и понятия расстояния, определяемого метрикой. Это формула расстояния между любыми двумя точками, расположенными очень близко друг к другу. Он определил более сложные величины, известные сегодня как тензоры, привел общую формулу для кривизны, представленной как особый вид тензора, и записал дифференциальные уравнения, определяющие кратчайшее расстояние между точками. Кроме того, он пошел еще дальше, черпая, вероятно, вдохновение из общения с Вебером, и порассуждал о возможных взаимосвязях дифференциальной геометрии с физическим миром.

Лекцию Римана ждал триумф, хотя Гаусс был единственным из присутствующих, кто, пожалуй, мог до конца понять сказанное. Оригинальность Римана произвела на Гаусса большое впечатление, и он сказал Веберу, что удивлен глубиной исследования. Рискованный выбор темы, сделанный под влиянием момента, оправдался в полной мере.

В дальнейшем озарения Римана развили Эудженио Бельтрами, Элвин Бруно Кристоффель и итальянская школа под руководством Грегорио Риччи и Туллио Леви-Чивита. Позже их работа очень пригодилась Эйнштейну при создании общей теории относительности. Если Эйнштейна интересовали очень большие пространства, то взгляд Римана в физике был сосредоточен на очень маленьком. Однако и то и другое восходит к Римановой лекции.

Семья Римана была бедной. Его отец Фридрих – лютеранский пастор и ветеран Наполеоновских войн; мать Шарлотта (урожденная Эбелль) умерла, когда Риман был еще ребенком. Кроме Бернхарда в семье были еще сын и четверо дочерей. До 10 лет мальчика обучал отец, а в 1840 г., когда Риман начал посещать местную школу в Ганновере, он поступил сразу в третий класс. Бернхард был очень стеснителен, но его математическая одаренность сразу бросалась в глаза. Директор школы разрешил Риману читать книги по математике из его личного собрания. Получив от него 900-страничный том Лежандра по теории чисел, Риман проглотил книгу за неделю.

В 1846 г. молодой человек отправился в Гёттингенский университет, где поначалу планировал изучать теологию. Гаусс, однако, распознал в нем математический талант и посоветовал сменить специализацию; Риман (с одобрения родителей) так и поступил. Со временем Гёттинген стал одним из лучших мест в мире для изучения математики, но в те дни, несмотря на присутствие Гаусса, математику там преподавали совершенно обыкновенно. Так что Риман перебрался в Берлин, где работал под руководством геометра Якоба Штайнера, алгебраиста и специалиста по теории чисел Дирихле и специалиста по теории чисел и комплексному анализу Готтхольда Эйзенштейна. Он изучал комплексный анализ и эллиптические функции.

Коши распространил дифференциальное и интегральное исчисление с действительных чисел на комплексные. Комплексный анализ появился на свет, когда возражения Беркли против флюксий Ньютона в конце концов получили достойный ответ от Карла Вейерштрасса, сформулировавшего строгое определение «предельного перехода». Одной из горячих тем в комплексном анализе середины XIX в. было исследование эллиптических функций, которые, помимо прочего, определяют длину дуги эллипса. Эти функции представляют собой глубокое обобщение тригонометрических функций. Фурье использовал одно базовое свойство тригонометрических функций – они являются периодическими и принимают те же значения при добавлении к аргументу функции 2π. Эллиптические функции имеют два независимых комплексных периода и повторяют те же значения на решетке из параллелограммов на комплексной плоскости. Они демонстрируют красивую связь между комплексным анализом и группами симметрии (переносами решетки). Эта идея используется в доказательстве Великой теоремы Ферма, данном Уайлсом. Кроме того, эллиптические функции появляются в механике, к примеру в выводе точной формулы для периода колебаний маятника. Более простая формула, которую выводят в школьном курсе физики, является аппроксимацией колебаний маятника для очень маленького угла.

Риману нравился подход Дирихле к математике, очень напоминавший его собственный. Вместо систематического логического развития оба предпочитали начинать с интуитивного понимания проблемы в целом; затем разбирались в центральных концепциях и взаимоотношениях и лишь затем заполняли логические пробелы. Тот и другой всеми силами старались избежать объемных вычислений. Многие самые успешные математики сегодняшнего дня поступают так же. Доказательства жизненно важны для математики, и логика их должна быть безупречной, но доказательства часто приходят после общего понимания. Слишком строгий подход или слишком ранние попытки доказательства могут задушить хорошую идею. Риман практиковал такой подход на протяжении всей своей научной карьеры. У этого метода было одно большое преимущество: общую линию рассуждений в нем можно проследить, не тратя многие недели на проверку сложных расчетов. Его недостатком, по крайней мере с точки зрения некоторых, является необходимость мыслить концептуально, а не просто пробиваться через череду расчетов.

Для получения степени доктора философии Риман переписал книгу по комплексному анализу с введением в нее топологических методов. Сделал он это из-за особенности, с которой приходится сражаться каждому студенту: склонность комплексных функций к неоднозначности. В действительном анализе тоже есть намеки на это явление. К примеру, каждое ненулевое положительное действительное число имеет два квадратных корня: один положительный, другой отрицательный. Эту возможность следует иметь в виду при решении алгебраических уравнений, но справиться с этим несложно – достаточно разбить функцию с квадратным корнем на две отдельные части: с положительным квадратным корнем и с отрицательным квадратным корнем.

Та же неоднозначность свойственна и квадратному корню комплексного числа, но здесь уже недостаточно разделить его на две отдельные функции. Понятия «положительный» и «отрицательный» не имеют ясного – и полезного – значения в случае комплексных чисел, так что естественного способа разделить две эти величины просто не существует. Но есть и более глубокий момент. В случае действительных чисел, если мы будем изменять положительное число непрерывно, то его положительный квадратный корень тоже будет меняться непрерывно, как и его отрицательный квадратный корень. Более того, два этих корня всегда будут различны. Но в комплексном случае непрерывное изменение исходного числа может превратить один из его квадратных корней в другой, не прекращая при этом непрерывно их сдвигать.

Традиционный способ разобраться с этим состоял в том, чтобы разрешить функции с разрывами, но тогда вам придется все время проверять, не приближаетесь ли вы к разрыву. У Римана была идея получше: модифицировать обычную комплексную плоскость так, чтобы сделать квадратный корень однозначной функцией. Делается это таким образом: две одинаковые плоскости помещаются одна над другой и прорезаются вдоль положительной части действительной оси; затем обе щели соединяются так, чтобы верхняя плоскость переходила в нижнюю при пересечении прорези. Теперь, если интерпретировать квадратный корень с использованием этой «Римановой поверхности», он станет однозначным. Это радикальный подход. Идея в том, чтобы прекратить беспокоиться насчет того, с каким из множества возможных значений вы в данный момент имеете дело, и позволить геометрии Римановой поверхности обо всем позаботиться. И это новшество не было единственным в докторской диссертации Римана. Еще он предложил использовать для доказательства существования определенных функций идею из математической физики – принцип Дирихле. Этот принцип гласит, что функция, минимизирующая энергию, представляет собой решение уравнения в частных производных – уравнения Пуассона, – которому подчиняются гравитационные и электрические поля. Гаусс и Коши уже открыли на тот момент, что это самое уравнение возникает естественным образом в комплексном анализе в связи с дифференциальным исчислением.

Риман погрузился в академическую жизнь. Природная стеснительность сделала для него чтение лекций настоящим испытанием, но со временем он приспособился и научился находить общий язык с аудиторией. В 1857 г. он был назначен полным профессором и в том же году опубликовал еще одну крупную работу по теории абелевых интегралов – широкого обобщения эллиптических функций, обеспечившего плодородную почву для его топологических методов. Вейерштрасс тогда тоже представил статью по этой теме в Берлинскую академию, но теперь, когда вышла статья Римана, Вейерштрасс был настолько ошеломлен ее новизной и глубиной, что отозвал свою статью и никогда больше ничего не публиковал в этой области. Имейте в виду, это не помешало ему указать на трудноуловимую ошибку в использовании Риманом принципа Дирихле. Дело в том, что Риман активно использовал в своей работе функцию, которая минимизировала некоторую связанную с ней величину. Это вело к важным результатам, но Риман не привел строгого доказательства того, что такая функция в принципе существует. (Из физических соображений он был убежден, что она должна существовать, но подобные рассуждения не обладают достаточной строгостью и могут привести к ошибке.) На этом этапе математики разделились на тех, кто жаждал логической строгости и потому считал это упущение серьезным, и тех, кого убедили физические аналогии и кого больше интересовало уточнение результатов. Риман, пребывавший, естественно, во втором лагере, сказал, что даже если в его логике и есть какой-то недочет, то принцип Дирихле для него был всего лишь самым удобным способом посмотреть, что происходит, и заявленные результаты в целом верны.

В каком-то смысле это был довольно обычный спор между поборниками теоретической математики и сторонниками математической физики; та же драма регулярно разыгрывается и сегодня, будь то в связи с дельта-функцией Дирака или диаграммами Фейнмана. Обе стороны были правы в соответствии со своими собственными стандартами. Мало смысла сдерживать прогресс в физике только потому, что какая-то правдоподобная и эффективная методика не может быть обоснована с полной логической строгостью. Но верно и то, что отсутствие такого обоснования – потенциальная бомба для математиков, намекающая, что в наших представлениях по этому вопросу чего-то не хватает. Ученик Вейерштрасса Герман Шварц удовлетворил математиков, отыскав другое доказательство Римановых результатов, но физики по-прежнему предпочитали нечто более интуитивное. Со временем Гильберт разобрался с проблемой существования, доказав новый вариант принципа Дирихле, одновременно строгий и подходящий для методов Римана. А пока физики продвигались вперед, чего не смогли бы сделать, если бы слишком внимательно прислушивались к возражениям математиков. Кстати говоря, попытки математиков обосновать интуитивные результаты Римана дали массу весьма значительных результатов и концепций, которые не были бы открыты, если бы математики в этом вопросе солидаризовались с физиками. Все оказались в выигрыше.

Работа, связанная с многообразием и кривизной, помогла Гауссу сразу же получить представление об уровне таланта и мастерства Римана, но остальное математическое сообщество разобралось в ситуации лишь после того, как он опубликовал свое исследование по абелевым интегралам. Кюммер, Карл Борхардт и Вейерштрасс озвучили свое понимание, выдвинув в 1859 г. Римана на выборах в Берлинскую академию. Одним из заданий, которые ставились перед новыми членами Академии, было представление отчета о своей текущей работе, и Риман не ударил в грязь лицом. Он вновь сменил курс, и представленный им отчет был озаглавлен «О числе простых чисел, не превышающих заданной величины». В этой работе он предложил гипотезу, теперь носящую его имя, – гипотезу Римана, в комплексном анализе, связанную со статистическим распределением простых чисел. В настоящее время это самая знаменитая нерешенная задача во всей математике.

Простые числа занимают в математике центральное место, но во многих отношениях они просто выводят из себя. Они обладают невероятно важными свойствами, но демонстрируют замечательное отсутствие закономерностей. Глядя на список простых чисел, выстроенных последовательно, трудно предсказать следующее простое число (исключая то, что все простые после 2 нечетные и не должны делиться на маленькие простые числа, такие как 3, 5, 7). Простые числа определены однозначно и единственным образом, но в некоторых отношениях представляются случайными. Статистические закономерности среди них, однако, имеются. Около 1793 г. Гаусс заметил эмпирически, что число простых чисел, не превосходящих произвольное заданное число x, примерно равно x/log x. Он не смог этого доказать, но гипотеза получила известность как теорема о простых числах, поскольку в те дни слово «теорема» было стандартным обозначением для недоказанных утверждений. Вспомните хотя бы Великую теорему Ферма. Когда доказательство наконец появилось, то пришло оно с совершенно неожиданного направления. Простые числа – это дискретные объекты, возникающие в теории чисел. На противоположном конце математического спектра при этом находится комплексный анализ, который имеет дело с непрерывными объектами и пользуется совершенно иными (геометрическими, аналитическими, топологическими) методами. Казалось маловероятным, что между ними может быть какая-то связь, но связь, как оказалось, имеется, и после ее выявления математика изменилась навсегда.

Открытие связующего звена между ними восходит еще к Эйлеру, который в 1837 г., включив, видимо, режим сверхчувственного восприятия формул, заметил, что для любого числа s сумма бесконечного ряда

равна произведению, по всем простым p, суммы ряда

Доказать это несложно; по существу, достаточно перевести принцип единственности разложения на простые множители на язык степенных рядов. Эйлер рассматривал этот ряд для действительных чисел s, а по большей части даже для целых s. Но он имеет смысл и в том случае, когда s – комплексное число, при соблюдении некоторых технических условий, связанных со сходимостью, и применении фокуса, позволяющего расширить диапазон чисел, для которых все это определено. В новом контексте это называется дзета-функцией и записывается как ζ (z). Когда мощь комплексного анализа начала проявлять себя, было естественно исследовать ряды такого рода при помощи новых инструментов в надежде, что удастся, может быть, обнаружить доказательство теоремы о распределении простых чисел. Риман, большой специалист по комплексному анализу, просто не мог пройти мимо такой возможности.

Перспективность этого подхода впервые проявилась в 1848 г., когда Пафнутий Чебышев, воспользовавшись дзета-функцией (которая тогда еще так не называлась), сумел существенно продвинуться к доказательству теоремы о распределении простых чисел. Риман прояснил роль этой функции в краткой, но проницательной статье 1859 г. Он показал, что статистические свойства простых чисел тесно связаны с нулями дзета-функции, то есть с решениями уравнения ζ(z) = 0. Кульминацией статьи стала формула, в которой точное число простых чисел, не превосходящих заданной величины x, приравнивалось к сумме значений бесконечного ряда, взятых в нулях дзета-функции. И практически в качестве случайного отступления Риман предположил, что все нули дзета-функции, помимо очевидных – отрицательных целых чисел, лежат на критической линии z = ½ + it.

Это предположение, окажись оно верным, имело бы множество значительных следствий. В частности, из него следует, что различные приближенные формулы с участием простых чисел на самом деле более точны, чем можно доказать в настоящее время. Вообще, диапазон тем, на которые повлияло бы доказательство гипотезы Римана, необъятен. Однако пока для этой гипотезы нет ни доказательства, ни опровержения. Есть кое-какие «экспериментальные» данные: в 1914 г. Годфри Харолд Харди доказал, что на критической линии действительно лежит бесконечное число нулей. В 2001–2005 гг. программа Себастьяна Веденивски ZetaGrid подтвердила, что первые 100 млрд нулей лежат на критической линии. Однако в этой области теории чисел подобный результат не может быть до конца убедительным, поскольку многие правдоподобные, но неверные гипотезы впервые нарушаются очень-очень далеко, на невообразимо гигантских числах. Гипотеза Римана – часть Задачи № 8 в знаменитом Гильбертовом списке 23 великих нерешенных математических задач (глава 19); она же является одной из так называемых Задач тысячелетия, отобранных Институтом Клэя в 2000 г.; объявлено, что за верное решение любой из этих задач будет выплачена премия в один миллион долларов. Вообще, гипотеза Римана – сильный претендент на звание крупнейшей нерешенной задачи во всей математике.

Риман доказал свою точную формулу для числа простых чисел при помощи, помимо прочего, анализа Фурье. Эту формулу можно рассматривать как свидетельство того, что преобразование Фурье переводит множество нулей дзета-функции в множество простых степеней и некоторое количество элементарных множителей. То есть нули дзета-функции управляют нерегулярностями простых чисел. Маркуса дю Сотоя назвать свою книгу «Музыка простых чисел» вдохновила поразительная аналогия. Анализ Фурье помогает разложить сложную звуковую волну на базовые синусоидальные компоненты. Аналогично великолепная симфония простых чисел раскладывается на отдельные «ноты», исполняемые последовательно каждым нулем дзета-функции. Громкость каждой ноты определяется величиной действительной части соответствующего нуля. Таким образом, гипотеза Римана говорит нам, что все нули звучат одинаково громко.

Озарения Римана, позволившие ему глубоко заглянуть в царство дзета-функции, дают ему право именоваться музыкантом простых чисел.