25. Наизнанку. Уильям Тёрстон

Математики ничто так не любят, как поговорить с другими математиками: об их работе, в надежде уловить какую-нибудь новую идею, которая поможет разобраться с собственной текущей задачей; о новом тайском ресторанчике, который открылся на краю кампуса; о семье и общих друзьях. Как правило, они делают это, сидя небольшими группами за столиками и попивая кофе. Как однажды сказал Альфред Реньи, «математик – это машина по переработке кофе в теоремы». У него получился каламбур, поскольку слово Satz по-немецки означает и «теорема», и «(кофейная) гуща».

Такие неформальные дискуссии часто возникают и в более формальном контексте – на семинарах (это формальные лекции для специалистов), коллоквиумах (менее формальные лекции, предназначенные официально для профессионалов или студентов, в том числе работающих в других областях, хотя иногда различить их нелегко), мастерских (небольших специализированных конференциях), «песочницах» (они еще меньше и еще менее формальны) или конференциях (крупных и, возможно, более широких по охвату мероприятиях). В декабре 1971 г. Университет Калифорнии в Беркли принимал у себя семинар по динамическим системам. Системы эти тогда привлекли горячий интерес, поскольку Стивен Смейл и Владимир Арнольд с коллегами и студентами в Беркли и Москве продолжили исследования с того места, где их оставил Пуанкаре после открытия хаоса; исследователи разрабатывали новые топологические методы, позволявшие разобраться с нерешаемыми на первый взгляд старыми задачами. Динамическая система – это все, что развивается во времени по конкретным неслучайным правилам. Правилами для непрерывной динамической системы служат дифференциальные уравнения, определяющие состояние системы на крохотное мгновение вперед в зависимости от ее текущего состояния. Существует аналогичное понятие дискретной динамической системы, в которой время тикает дискретными мгновениями, 1, 2, 3, … Докладчик представил новое решение задачи, которое сводилось к тому, чтобы рассматривать лишь конечное число точек на плоскости. Он объяснил ключевой прием: как сдвинуть любое заданное число точек в новое положение, не слишком далекое от исходного, так, чтобы они не разошлись слишком далеко ни на каком этапе движения. (При этом следует выполнить еще кое-какие условия.) Эту теорему несложно было доказать для пространств трех и более измерений, но теперь, как утверждалось, было найдено доказательство для двух измерений, которое до этого искали долго и безуспешно. Из этого следовало множество интересных результатов в динамике.

В задних рядах сидел скромный молодой человек, недавний студент, похожий на хиппи, с густой бородой и длинными волосами. Он встал и довольно робко сказал: ему не кажется, что представленное доказательство неверно. Подойдя к доске, он нарисовал две картинки, на каждой из которых показал семь точек на плоскости, и начал применять методы, описанные в лекции, стремясь передвинуть точки из первой конфигурации в положение второй. Он нарисовал траектории, по которым точки должны были при этом двигаться, и они начали мешать друг другу, заставляя следующую траекторию удлиняться, чтобы обойти препятствие, и тем самым создавать еще более протяженное препятствие. По мере того как траектории на доске отрастали вновь и вновь, как головы мифической гидры, участникам становилось ясно, что студент прав. Присутствовавший в зале Деннис Салливан писал: «Я никогда не видел, чтобы такое понимание и такое творческое построение контраргумента достигались так быстро. Это лишь усилило мое изумление перед явной сложностью появившейся перед нами геометрии».

Этим студентом был Уильям Тёрстон – Билл для друзей и коллег. О нем ходят десятки похожих историй. У него было природное чутье на геометрию, особенно когда она становилась по-настоящему сложной. Развивающаяся в то время геометрия многих измерений – четырех, пяти, шести, да любого их количества, – давала широкий простор для проявления его поразительной способности переводить формальные задачи в зрительную форму и затем решать их. Он умел видеть за внешней сложностью простые фундаментальные принципы и раскрывать их. Он стал одним из ведущих топологов своего поколения и решил множество задач; кроме того, он предложил несколько собственных ключевых гипотез, устоявших даже перед его чудесным талантом. Билл Тёрстон – поистине значимая фигура современной теоретической математики, которая может служить достойным представителем этого экзотического вида.

По иронии судьбы у Тёрстона было плохое зрение. У него было врожденное косоглазие, и он не мог сфокусировать оба глаза на одном и том же близком объекте. Это мешало ему воспринимать глубину, так что он с трудом представлял форму трехмерной фигуры по ее двумерному изображению. Его мать Маргарет (урожденная Мартт) была искусной швеей и умела создавать узоры настолько сложные, что ни Тёрстон, ни его отец Пол не могли в них разобраться. Пол работал инженером-физиком в Bell Labs и любил создавать всевозможные гаджеты собственными руками. А однажды даже в собственных руках: он показал маленькому Биллу, как вскипятить воду голыми руками. (Воспользуйтесь вакуумным насосом, чтобы понизить температуру кипения воды и сделать ее чуть выше комнатной; затем суньте руки в воду, чтобы ее согреть.) Пытаясь побороть косоглазие Билла, Маргарет, когда Биллу было два года, часами рассматривала вместе с ним книги, полные цветных орнаментов. Вероятно, и любовь Тёрстона к узорам, и его мастерство уходят корнями в те ранние годы.

В раннем возрасте Билл Тёрстон получил необычное образование. Нью-Колледж во Флориде принимал небольшое число учащихся, отобранных за выдающиеся способности, и почти никак не ограничивал ни их занятия, ни даже место жительства. Иногда Тёрстон по несколько дней жил в палатке в лесу; иногда, обманув охранника, ночевал в здании школы. Через полтора года школа едва не закрылась, когда половина ее учителей одновременно решила уволиться. Его дни в Университете в Беркли текли несколько более организованно, но время тогда само по себе было бурным: студенты активно протестовали против войны во Вьетнаме. Тёрстон стал членом комитета, который пытался убедить математиков не принимать финансирование от военных. К тому моменту он был женат на Рэчел Файндли, у них родился первенец. Ребенок, как говорила Рэчел, был рожден отчасти для того, чтобы Тёрстона не призвали в армию. Роды начались в день, когда Тёрстон должен был защищать диссертацию на докторскую степень, и его выступление получилось несколько сумбурным – однако, как всегда, оригинальным. Темой его диссертации стали некоторые особые задачи по популярной на тот момент теме расслоений, при которых многомерное пространство (или многообразие) разбивается на плотно прилегающие друг к другу «листы», как книга разделяется на листы, но с меньшей регулярностью их расположения. Эта тема связана с топологическим подходом к динамическим системам. В диссертации содержится несколько важных результатов, но она так и не была опубликована. Расслоения стали для Тёрстона первой серьезной темой исследования, и он продолжил работу над ними в Институте высших исследований в Принстоне в 1972–1973 гг. и в Массачусетском технологическом в 1973–1974 гг. Мало того, он решил так много фундаментальных задач этой области, что в конечном итоге, с точки зрения других математиков, он, по существу, закрыл тему.

В 1974 г. Тёрстон стал профессором Принстонского университета (не путать с Институтом высших исследований, в котором не учат студентов). Несколько лет спустя фокус его исследований переместился в одну из самых сложных областей топологии – к исследованию трехмерных многообразий. Эти пространства аналогичны поверхностям, но имеют одно дополнительное измерение. Их исследование начал более 100 лет назад Пуанкаре (глава 18), но, пока в дело не вступил Тёрстон, они ставили всех в тупик. Топология многообразий высоких размерностей достаточно любопытна. Простейшие размерности – один (это тривиально) и два (это поверхности, и решается все классически). Следующими по простоте оказались размерности пять и выше – в основном потому, что в пространствах высоких размерностей хватает простора для сложных маневров. Но даже в этом случае задачи сложны. Еще сложнее четырехмерные многообразия, а самые сложные – трехмерные многообразия; места в них достаточно для громадной сложности, но не хватает для упрощения сколько-нибудь простым и понятным способом.

Стандартный способ построения n-мерного многообразия – взять небольшие кусочки n-мерного пространства и сформулировать правила, по которым их надлежит склеивать. Концептуально, а не на самом деле. В главе 18 мы видели, как работает этот подход для поверхностей и трехмерных многообразий. Мы также встречали уже фундаментальный вопрос топологии трехмерных многообразий – гипотезу Пуанкаре. В ней трехмерная сфера характеризуется при помощи простого топологического свойства: любые петли на ней без помех сжимаются в точку. Стандартный способ подвести слушателей к подобному вопросу состоит в том, чтобы обобщить его на аналоги с бо́льшим числом измерений. Иногда более общий вопрос оказывается и более простым; тогда вы заодно получаете и решение частного случая, с которого все началось. Первоначально прогресс выглядел обнадеживающе. В 1961 г. Стивен Смейл доказал гипотезу Пуанкаре для всех размерностей, больших или равных 7. Затем Джон Столлингс разобрался с размерностью 6, а Кристофер Зееман – с размерностью 5. Их методы не сработали для размерностей 3 и 4, и топологи начали задумываться: не может ли оказаться, что эти размерности ведут себя иначе? Затем, в 1982 г., Майкл Фридман нашел чрезвычайно сложное доказательство четырехмерной гипотезы Пуанкаре с использованием радикально иных методов. На этом этапе гипотеза Пуанкаре оказалась доказана для всех размерностей, за исключением лишь одной, к которой изначально относился заданный Пуанкаре вопрос. Но методы топологов не пролили никакого света на этот последний оставшийся случай.

И тут на сцене появляется Тёрстон и переворачивает ситуацию с ног на голову.

Топология – это геометрия резинового листа, и вопрос Пуанкаре был топологическим. Естественно, все пытались искать ответ на него топологическими методами. Тёрстон же выбросил пресловутый резиновый лист и подумал: а не геометрической ли на самом деле является эта задача? Он не решил ее, но через несколько лет его идеи вдохновили молодого российского математика Григория Перельмана на ее решение.

Вспомним (глава 11), что существует три вида геометрии: Евклидова, эллиптическая и гиперболическая. Это геометрии пространств с нулевой, постоянной положительной и постоянной отрицательной кривизной соответственно. Тёрстон начал с любопытного факта, который кажется почти случайным. Он заново вспомнил классификацию поверхностей – сфера, тор, 2-тор, 3-тор и т. д., как в главе 18, – и задался вопросом: какие типы геометрии здесь встречаются? Сфера имеет постоянную положительную кривизну, так что ее естественная геометрия – эллиптическая. Одна из реализаций тора – плоский тор – представляет собой квадрат, противоположные стороны которого отождествляются. Квадрат – плоский объект на плоскости, так что его естественная геометрия – Евклидова, а правила склеивания придают плоскому тору тот же самый тип геометрии, каким обладает квадрат. Наконец, хотя это и не так очевидно, естественной геометрией любого тора с двумя или более отверстиями является гиперболическая геометрия. Как-то так получается, что гибкая топология поверхностей сводится к жесткой геометрии – и при этом возникает все три возможных варианта.

Разумеется, поверхности – особый случай, но Тёрстон заинтересовался: не происходит ли чего-то подобного и с трехмерными многообразиями? Поразительная геометрическая интуиция помогла ему быстро понять, что ситуация не может быть настолько простой. Некоторые трехмерные многообразия, такие как плоский тор, являются Евклидовыми. Другие, такие как 3-сфера, – эллиптическими. Есть и гиперболические. Но большинство трехмерных многообразий не относится ни к первым, ни ко вторым, ни к третьим. Тёрстон, не утратив присутствия духа, попытался разобраться почему и обнаружил две причины. Во-первых, для трехмерных многообразий существует восемь разумных геометрий. Одна из них, к примеру, аналогична цилиндру: плоская в одних направлениях и положительно искривленная в других. Второе препятствие более серьезно: многие 3-многообразия до сих пор не изучены. Однако работающий метод, по всей видимости, представлял собой своего рода эффект мозаики. Любое 3-многообразие, судя по всему, строится из кусочков, каждый из которых характеризуется естественной геометрией одного из уже упомянутых восьми возможных типов. Более того, кусочки должны быть не какими попало: их можно выбрать так, чтобы они стыковались между собой строго определенным образом. Эти идеи заставили Тёрстона в 1982 г. озвучить свою гипотезу геометризации: любое трехмерное пространство может быть разрезано единственным, по существу, образом на куски, каждый из которых обладает естественной геометрической структурой, задаваемой одной из восьми его геометрий. Гипотеза Пуанкаре для 3-многообразий – простое следствие из этой гипотезы. Но дальше дело застопорилось. Математический институт Клэя назвал гипотезу Пуанкаре одной из задач, за решение которых была объявлена Премия тысячелетия: за ее доказательство полагался приз в $1 млн.

В 2002 г. Перельман разместил на сайте под названием arXiv препринт статьи, посвященной теме, известной как поток Риччи. Эта концепция связана с общей теорией относительности, в которой тяготение представляет собой результат кривизны пространства-времени. Ранее Ричард Хэмилтон уже высказывал мысль о том, что поток Риччи потенциально может дать простое доказательство гипотезы Пуанкаре. Идея состояла в том, чтобы начать с гипотетического трехмерного многообразия, такого, что любая замкнутая кривая в нем сжимается в точку. Такое многообразие можно интерпретировать как искривленное трехмерное пространство в Евклидовом смысле – впервые эта идея была высказана в хабилитационной диссертации Римана (глава 15).

А теперь самое хитрое: попытайтесь перераспределить кривизну так, чтобы сделать ее более равномерной.

Представьте, что вы пытаетесь погладить рубашку. Если вы не позаботитесь о том, чтобы поровнее разложить ее на гладильной доске, на рубашке возникнет множество неровностей и складок. Это области высокой кривизны. В остальных местах ткань рубашки лежит на плоскости ровно, то есть кривизна нулевая. Вы можете попытаться разгладить неровности утюгом, но ткань плохо сжимается и растягивается, так что неровности будут либо сдвигаться на другое место, либо заглаживаться, образуя морщины. Более простой и эффективный метод, не позволяющий неровностям сдвигаться или появляться вновь, состоит в том, чтобы взять рубашку за края и растянуть. Тогда естественная упругость ткани разгладит неровности. Поток Риччи делает нечто подобное для 3-многообразия. Он перераспределяет кривизну из областей, где она высока, в области с более низкой кривизной, как будто пространство пытается сгладить и выровнять свою кривизну. Если все работает как надо, кривизна продолжает перетекать с места на место, пока не станет одинаковой всюду. Возможно, результат окажется плоским, возможно, нет, но так или иначе его кривизна в любой точке должна быть одинаковой.

Гамильтон показал, что эта идея работает в двух измерениях: бугристая поверхность, на которой любая замкнутая кривая сжимается в точку, может быть разглажена при помощи своего потока Риччи до состояния, когда она будет обладать постоянной положительной кривизной – то есть превратится в сферу. Но в трех измерениях существуют препятствия, и поток может застрять там, где кусочки многообразия сходятся и образуют морщины. Перельман нашел способ обойти эту проблему – для этого он предлагал, по существу, отрезать проблемный кусок рубашки, отгладить его отдельно, а затем пришить обратно. В упомянутой статье и последовавшем дополнении утверждалось, что этот метод доказывает и гипотезу Пуанкаре, и гипотезу Тёрстона о геометризации.

Как правило, заявления о найденном решении какой-то известной крупной задачи математическое сообщество поначалу встречает скептически. Большинству математиков случалось находить собственные многообещающие доказательства для какой-то сложной интересующей их задачи – только для того, чтобы обнаружить в нем небольшую незамеченную ошибку. Но в данном случае с самого начала было общее ощущение того, что Перельману, возможно, действительно удалось это сделать. Предложенный им метод доказательства гипотезы Пуанкаре выглядел правдоподобно; гипотеза о геометризации казалась, пожалуй, более проблемной. Однако общего мнения недостаточно: доказательство должно быть проверено. К тому же текст на сайте arXiv – а ничего другого и не было – оставлял множество пробелов, которые читатели должны были заполнять сами; подразумевалось, что эти шаги очевидны. На самом же деле на заполнение этих пробелов и проверку логики доказательства ушло несколько лет.

Перельман необычайно талантлив, и то, что казалось очевидным ему, было далеко не очевидным для математиков, которые пытались проверить его доказательство. Справедливости ради заметим, что они размышляли об этой задаче не так, как он, и далеко не так долго, как он, что ставило их в заведомо невыгодное положение. Кроме того, сам Перельман вел затворнический образ жизни; поскольку время шло, а никто не спешил объявить его работу прорывом и эпохальным событием – каким она в действительности и являлась, – он испытывал досаду и разочарование. К тому моменту, когда его доказательство было принято, он полностью оставил математику. Перельман отказался от приза в миллион долларов, который был ему предложен, несмотря на то что условий конкурса не выполнил – его доказательство не было опубликовано в уважаемом журнале. Он отказался также от Филдсовской медали, которую обычно считают математическим эквивалентом Нобелевской премии, хотя сумма денежного вознаграждения при ней намного меньше. Через некоторое время Институт Клэя организовал на эти деньги краткосрочную стипендию для выдающихся молодых математиков в Институте Анри Пуанкаре в Париже.

Сегодня многие математики пользуются компьютерами не только для переписки по электронной почте и путешествий по сети, даже не только для больших численных вычислений, но как инструментом, который помогает им исследовать различные задачи почти экспериментальным методом. В самом деле, время от времени появляются доказательства, полученные при помощи компьютеров, часто в связи с важными задачами, не поддавшимися пока традиционным методам атаки при помощи ручки, бумаги и человеческого разума. Столь спокойное отношение к компьютерам стало распространенным относительно недавно; дело не в том, что математики все такие ретрограды и сопротивляются внедрению новых технологий, но прежде возможности компьютеров были слишком ограниченными как по скорости, так и по объему памяти. Серьезная математическая задача может оказаться неподъемной даже для самого быстрого суперкомпьютера; в одном недавнем исследовании результат компьютерного расчета, если бы его полностью распечатали, оказался бы размером с Манхэттен.

Возродив трехмерную гиперболическую геометрию, Тёрстон одним из первых воспользовался компьютером на переднем крае геометрии. В конце 1980-х гг. Национальный фонд развития науки выделил средства на новый Центр геометрии в Миннесотском университете, где проводились исследовательские встречи и публичные информационные мероприятия. Кроме того, Центр продвигал использование компьютерной графики, и два его видео получили значительную известность. Они и сейчас доступны в сети, хотя сам Центр прекратил существование. В первом из них – «Не узел» (Not Knot) – зритель пролетает рядом с различными трехмерными гиперболическими многообразиями, открытыми Тёрстоном. Сложная и захватывающая графика фильма оказалась настолько психоделической, что группа Greatful Dead использовала ее на своих концертах. Второе видео – «Наизнанку» (Outside In) – представляет собой анимацию замечательной теоремы, которую еще студентом в 1957 г. открыл Смейл. Речь в ней идет о том, что можно вывернуть сферу наизнанку.

Представьте себе сферу, внешняя сторона которой покрашена в золотистый цвет, а внутренняя – в пурпурный. Конечно, ее можно вывернуть наизнанку, сделав отверстие и протолкнув в него всю сферу, но это не есть топологическое преобразование. Этот фокус невозможно проделать с реальной сферой, такой как воздушный шарик (хотя доказательство этого не полностью очевидно), но математически мы можем разрешить преобразование, при котором сфера проходит сквозь саму себя, что невозможно проделать с шариком. Итак, мы можем попробовать толкать сферу с противоположных сторон, в результате чего через золотистую поверхность проступят два пурпурных пузыря, но при этом посередине между ними останется все сильнее сжимающееся трубчатое золотистое кольцо. Когда это кольцо сожмется в окружность, поверхность перестанет быть гладкой. Теорема Смейла гласит, что этого можно избежать: существует преобразование, такое, что на всех его этапах сфера гладко встроена в пространство, хотя, возможно, и прорезает саму себя. Долгое время эта теорема оставалась всего лишь доказательством существования: никто не знал, как на самом деле это можно сделать. Затем некоторые топологи разработали несколько различных методов; причем один из ученых, Бернар Морен, ослеп в возрасте шести лет. Самый элегантный и симметричный метод принадлежит Тёрстону, и этот метод – настоящая звезда видеосюжета «Наизнанку».

Тёрстон повлиял на восприятие математики обществом и другими способами. Он писал о том, каково на самом деле быть математиком и что он думает об исследовательских задачах; он пытался дать обычным людям возможность увидеть жизнь математика изнутри. Когда дизайнер модной одежды Дай Фудзивара услышал о восьми геометриях, он связался с Тёрстоном, и их общение привело к рождению широкого спектра образцов женской моды.

Вклад Тёрстона во многие области геометрии, от топологии до динамики, обширен. Его деятельность отличалась замечательным свойством визуализировать сложные математические понятия. Когда у него спрашивали доказательство, Тёрстон обычно рисовал картинку. Зачастую его рисунки раскрывали скрытые связи, не замеченные другими исследователями. Еще одной характерной чертой Тёрстона было его отношение к доказательствам: он часто оставлял детали за скобками, поскольку они представлялись ему очевидными. Когда кто-то просил его объяснить непонятое доказательство, он нередко тут же, на месте, придумывал новое и говорил: «Возможно, это вам больше понравится». Для Тёрстона вся математика была единым взаимосвязанным целым, и он знал ее, как другие знают собственный огород.

Тёрстон умер в 2012 г. после операции по удалению меланомы, в результате которой он потерял правый глаз. Во время лечения он продолжал исследования и доказывал новые фундаментальные результаты в дискретной динамике рациональных отображений на комплексной плоскости. Он ездил на математические конференции и старался пробудить в молодых людях интерес к своему любимому предмету. Несмотря ни на какие препятствия, он никогда не сдавался.