Часть третья. Математика чистая и нечистая

Глава шестая. Роман с математикой

Для всякого, кто изучал хоть что-нибудь из высшей математики, нет ничего естественнее, чем применить к ней слово «красота». Математическая красота, подобная, скажем, красоте позднего бетховенского квартета, складывается из странности и неотвратимости. Абстракции с простыми определениями выявляют скрытые сложности и прихотливые повороты. Между никак не связанными на первый взгляд структурами обнаруживаются загадочные соответствия. Возникают навевающие жуть закономерности – и они навевают жуть даже после того, как их объясняют строгой логикой.

Эти эстетические впечатления до того сильны, что один великий математик – Г. Г. Харди – даже провозгласил подлинным оправданием для существования математики именно красоту, а не полезность. Для Харди математика была в первую очередь искусством, творчеством. «Создаваемые математиком образы, подобно образам художника или поэта, должны обладать красотой; подобно краскам или словам, идеи должны сочетаться гармонически. Красота служит первым критерием: в мире нет места безобразной математике», – писал он в своей классической книге «Апология математика», вышедшей в 1940 году.

Как же следует реагировать человеку, столкнувшемуся с красотой математики? Ощутить удовольствие – это несомненно; возможно, еще и благоговение. Томас Джефферсон на 66-м году жизни писал, что размышление над математическими истинами помогает ему «коротать утомительные годы заката жизни». Бертран Рассел, который в автобиографии не без мелодраматизма утверждал, что не покончил с собой лишь потому, что хотел дальше изучать математику, писал, что она обладает «красотой холодной и строгой, подобной красоте скульптуры… возвышенно чистой и способной к суровому совершенству». У многих других красота математики вызывает гораздо более теплые чувства. Вероятно, о чем-то таком писал и Платон в «Пире». Там Сократ рассказывает собравшимся у пиршественного стола гостям, как жрица Диотима посвятила его в тайны Эрота – так греки называли желание во всех его разновидностях. Одна из форм Эрота – сексуальное желание, возбуждаемое физической красотой конкретного любимого человека. По словам Диотимы, такая разновидность – низшая. Однако Эрот, отточенный философией, способен распространяться на все более высокие объекты. И предпоследний из них, непосредственно перед платоновской идеей самой Красоты – вечная и совершенная красота, открываемая математическими науками. У того, кто способен оценить ее, возникает желание ее воспроизвести – не биологически, а интеллектуально, «разрешиться от бремени» прекрасными идеями и теориями. С точки зрения Диотимы, как, должно быть, и самого Платона, на красоту математики следует отвечать той формой Эрота, которую мы зовем любовью (бессмысленное, но интересное совпадение: ближе к концу «Апологии математика» Г. Г. Харди рассказывает, что на красоту математики ему открыл глаза кембриджский профессор по фамилии Love – «Любовь»).

Вот, к примеру, Эдуард Френкель, русский вундеркинд-математик, который стал гарвардским профессором в 21 год, а сейчас преподает в Беркли, – непоколебимый платоник. Эротом проникнута его очаровательная книга воспоминаний «Любовь и математика» – своего рода платоновское любовное письмо математике. В детстве красота математики поразила Френкеля в самое сердце. А когда, не достигнув и двадцати, он совершил новое математическое открытие, это было «как первый поцелуй». Математика была его страстью и приносила ему радость даже тогда, когда казалось, что он никогда ничего не достигнет в мире науки из-за антисемитизма, царившего в СССР.

Френкель хочет, чтобы эту радость и эту страсть разделили все. Но тут возникает некоторое препятствие. Математика – наука трудная и абстрактная, ее красота большинству из нас, похоже, недоступна. По словам немецкого поэта Ханса Магнуса Энценсбергера, математика – «слепое пятно нашей культуры, чуждая территория, куда смогла проникнуть лишь элита, лишь немногие посвященные». Даже высокообразованные люди не без гордости признают, что ничего не смыслят в математике. Беда в том, что никто не познакомил их с ее шедеврами. Математика, которую преподают в школе и даже в колледже (скажем, введение в математический анализ), в основном стара – ей сотни и даже тысячи лет – и по большей части предполагает решение скучных задач при помощи трудоемких вычислений.

Между тем математики в наши дни в основном занимаются совсем другим. Примерно в середине XIX века в математике произошла своего рода революция: центр внимания сместился с вычислений на научной основе к свободному созданию новых языков и новых структур. Математические доказательства при всей своей строгой логике стали больше похожи на повествования с основным сюжетом, боковыми ответвлениями, поворотами и развязками. Такой математики большинство из нас никогда не видели. Да, она подчас обескураживает. Но великие произведения искусства, даже трудные, зачастую являют свою красоту даже непосвященным. Фуга Баха трогает даже тех, кто не знаком с теорией контрапункта.

Увлечение красотой высшей математики привело к тому, что Френкель и сам сыграл важную роль в самой увлекательной математической драме последних пятидесяти лет – в программе Ленглендса. Эту программу разработал в шестидесятые годы прошлого века канадский математик Роберт Ленглендс, работавший тогда в Институте передовых исследований в Принстоне (и унаследовавший кабинет Эйнштейна). Она претендует на звание теории великого объединения. По словам Френкеля, она содержит «исходный код всей математики». Однако за пределами математического сообщества о ней мало кто знает. Более того, о программе Ленглендса не знало большинство профессиональных математиков даже в девяностые, когда она оказалась задействована в доказательстве последней теоремы Ферма, ставшем сенсацией. А с тех пор она вышла за пределы чистой математики и вторглась в царство теоретической физики.

Френкель вырос в годы брежневского застоя в промышленной Коломне примерно в 100 километрах от Москвы. «В школе я ненавидел математику, – пишет он. – Меня восхищала физика, особенно квантовая физика». Подростком он поглощал научно-популярные книги по физике с их соблазнительными рассказами о субатомных частицах – адронах и кварках. Френкелю не давал покоя вопрос, почему фундаментальные частицы так головокружительно разнообразны, почему они распадаются на семейства определенных размеров. Ясность наступила лишь тогда, когда его родители, оба инженеры, устроили ему встречу со своим старым другом-математиком. Математик объяснил ему, что порядок и логику в строительный материал вещества вносит так называемая «группа симметрий» – математический зверь, с которым Френкель в школе не сталкивался. «Это был момент прозрения, – вспоминает он. – Книги Евгения Евгеньевича открыли передо мной абсолютно другой мир, о существовании которого я даже не подозревал».

С точки зрения математика группа – это набор действий или операций, которые правильным образом сочетаются друг с другом. Что такое «правильным образом», объясняют четыре аксиомы теории групп, определяющие алгебраическую структуру группы. Например, одна из аксиом гласит, что для любого действия в группе существует другое действие в группе, которое его отменяет.

Важная разновидность групп – это группа симметрий. Именно с такими группами и столкнулся Френкель. Представьте себе, что у вас посередине комнаты стоит квадратный карточный стол. Интуитивно понятно, что этот предмет мебели в чем-то симметричен. Как сделать это утверждение более точным? Если повернуть стол относительно центра ровно на 90 градусов, его внешний вид никак не изменится, и если кто-то вышел из комнаты и не видел, как стол поворачивают, то, вернувшись, не заметит никакой разницы (если на поверхности стола не было никаких пятен и царапин). То же самое верно, и если повернуть стол на 180, 270 и 360 градусов, причем в последнем случае стол опишет полный круг, а это эквивалентно тому, что его вообще не поворачивали.

Эти действия составляют группу симметрий карточного стола. Поскольку их всего четыре, группа конечна. Если бы стол был круглым, его группа симметрий была бы бесконечной, поскольку любой поворот – на 1 градус, на 45, на 132,32578 и т. д. – никак не повлиял бы на его внешний вид. Таким образом, группы – это способ измерить симметрию объекта: круглый стол с бесконечной группой симметрий симметричнее квадратного стола, чья группа симметрий состоит всего из четырех действий.

Однако (к счастью) дальше становится интереснее. Группы описывают симметрии, которые выходят за пределы простой геометрии, например, симметрии, скрытые в формуле или в семействе субатомных частиц. Подлинное могущество теории групп было впервые продемонстрировано в 1832 году, в письме к другу, которое наспех нацарапал двадцатилетний парижский студент и политический активист Эварист Галуа поздней ночью накануне гибели на дуэли (за честь женщины – и, весьма вероятно, от руки провокатора на службе правительства).

Эваристу Галуа открылся подлинно прекрасный способ обобщить понятие симметрии на мир чисел. Его théorie des groupes позволила решить классическую алгебраическую задачу, которая столетиями не давала покоя математикам, причем решение оказалось совершенно неожиданным. («Галуа не решал проблему… в том смысле, как об этом было принято думать. Он хакнул ее!», – пишет Френкель). Значение открытия Галуа выходит далеко за рамки задачи, которая стала его катализатором. Группы Галуа вездесущи в математической литературе, а сама идея группы зарекомендовала себя как, пожалуй, самое универсальное понятие в математике, проливающее свет на самые разные загадки. «Сомневаетесь – ищите группу!» – советовал великий Андре Вейль. Такое вот cherchez la femme в математике.

После такого «обращения» юный Френкель принялся изучать математику как одержимый («Именно так все и происходит, когда вы влюбляетесь»). Когда ему исполнилось 16 лет, настала пора поступать в университет. Идеальный вариант был очевиден – Московский государственный университет: его механико-математический факультет, сокращенно мехмат, был одним из ведущих центров по изучению чистой математики в мире. Однако дело было в 1984 году, за год до того, как Горбачеву предстояло прийти к власти, и все стороны жизни советского человека еще регулировала КПСС – в том числе и вопрос поступления в вуз. Отец Френкеля был евреем, и этого, как видно, оказалось достаточно, чтобы лишить его всякой возможности пробиться в МГУ (евреев крайне неохотно принимали во все сферы науки, так или иначе связанные с физикой; поговаривали, что государство опасается, что они наберутся знаний о ядерной программе, а потом эмигрируют в Израиль). Однако приемная комиссия сохраняла иллюзию честности и беспристрастности. Френкеля допустили до вступительных экзаменов, однако устный экзамен по математике обернулся пятичасовой садистической пыткой с абсурдными диалогами в духе Алисы в стране чудес. (Экзаменатор: «Каково определение окружности?» Френкель: «Окружность – это набор точек на плоскости, равноудаленных от данной точки». Экзаменатор: «Неправильно! Окружность – это набор всех точек на плоскости, равноудаленных от данной точки».)

Утешительным призом для Френкеля стало место в Московском институте нефти и газа (который цинично именовали Керосинкой), служившем тихой гаванью для студентов-евреев. Но Френкель признается, что тяга к чистой математике была в нем так сильна, что он, чтобы попасть на семинары в МГУ, пробирался на тщательно охраняемую территорию мехмата сквозь шестиметровую ограду, где в одном месте был отогнут прут. Вскоре незаурядные способности стяжали Френкелю известность среди московских математиков, и ему поручили работу над нерешенной задачей, из-за которой он надолго оказался на грани бессонницы. «А потом внезапно это случилось… Впервые в своей жизни я обладал чем-то, чего не было больше ни у кого в мире», – вспоминает он. Задача, которую он решил, относилась к другой разновидности абстрактных групп – группам кос, которые так называются, поскольку возникают из систем сплетенных кривых, и в самом деле очень похожих на переплетенные пряди волос.

Несмотря на этот и другие успехи, которых Френкель достиг еще в юности, профессиональные перспективы для него как для квази-еврея были туманными. Однако его таланты привлекли внимание зарубежных математиков. В 1989 году в его почтовом ящике оказалось неожиданное письмо от Дерека Бока, президента Гарвардского университета. В письме было обращение «доктор», хотя у Френкеля еще не было даже диплома о высшем образовании. Ему предложили почетную стипендию в Гарварде. «Раньше мне уже доводилось слышать о Гарвардском университете, но, должен признаться, в то время я не понимал его значимости в научном мире», – вспоминает Френкель. В возрасте всего 21 года Френкелю предстояло стать приглашенным профессором математики в Гарварде – безо всяких официальных обязанностей, кроме необходимости время от времени читать лекции о своей работе. Не меньшим сюрпризом стало для него получение выездной визы СССР меньше чем за месяц: он стал одним из первых евреев-математиков, покинувших Советский Союз в эпоху перестройки (иногда эту волну называют исходом).

Адаптация к американскому образу жизни прошла у Френкеля достаточно гладко. Он дивился «капиталистическому изобилию» в проходах бостонского супермаркета, «приобрел крутейшие джинсы и плеер Sony», а чтобы изучить английский во всех его иронических нюансах, прилежно смотрел каждый вечер телешоу Дэвида Леттермана. А главное – в Гарварде он познакомился с другим евреем-эмигрантом из СССР, который и пригласил его в программу Ленглендса.

Программа Ленглендса, как и теория Галуа, началась с письма. Это письмо написал в 1967 году Роберт Ленглендс, которому тогда было едва за тридцать, коллеге из Института передовых исследований Андре Вейлю. Ленглендс выдвинул гипотезу о глубокой аналогии между двумя теориями, находившимися на противоположных концах математической вселенной – теорией групп Галуа, которая касается симметрий в мире чисел, и гармоническим анализом, который изучает, как из простых гармоник (партий отдельных инструментов) складываются сложные волны (скажем, звуки симфонии). В мире гармоник есть определенные структуры, так называемые автоморфные функции, которые откуда-то «знают» о загадочных закономерностях мира чисел. Таким образом, методы одного мира, вероятно, можно задействовать для выявления скрытых гармоний в другом, предположил Ленглендс. Впрочем, добавил ученый, если Вейль сочтет высказанные в письме догадки неубедительными, «не сомневаюсь, у вас под рукой найдется мусорное ведро».

Однако Вейль, авторитетная фигура в математике XX века (он умер в 1998 году в 92 года), оказался благодарным слушателем. В письме к сестре Симоне, написанном в 1940 году, он живо описал всю важность аналогий в математике. Ссылаясь на «Бхагавадгиту» (Вейль был еще и специалистом по санскриту), Андре рассказал Симоне, что подобно тому, как индийский бог Вишну обладал десятью разными обличьями, простое на первый взгляд математическое равенство может выражаться в самых разнообразных абстрактных структурах. А тонкие аналогии между такими структурами он уподобил «внебрачным связям»: «мало что доставляет специалисту больше наслаждения». Между прочим, писал он из французской тюрьмы, где отбывал срок за дезертирство (после того как в Финляндии его чуть не казнили как шпиона).

Программа Ленглендса – это система предположений, которые призваны превратить подобные гипотетические аналогии в прочные логические мосты, связывающие разные математические острова в море невежества. А можно считать ее Розеттским камнем, с помощью которого представители математических племен, обитающих на этих островах – специалисты по теории чисел, алгебраической геометрии и топологии – обретут общий язык и объединят свои понятийные ресурсы.

Гипотезы Ленглендса пока по большей части не доказаны (исключение – гипотеза Таниямы – Симуры, которую сформулировали в 1950-е годы два японских математика, а в 1990-е доказал англичанин Эндрю Уайлс, с ее помощью установивший истинность Великой теоремы Ферма). Так верны ли они, эти загадочные конъектуры? Среди математиков царит подлинно платоническая убежденность, что иначе быть не может. Как заметил Иэн Стюарт, программа Ленглендса – «математика той разновидности, что она должна быть истинной просто потому, что она такая красивая». Она способна обеспечить единство высшей математики, благодаря которому настанет новый золотой век, когда мы, по выражению Френкеля, наконец поймем, что такое математика.

Поскольку ученой степени у Френкеля не было, его пришлось на время «отстранить» от обязанностей гарвардского профессора и «понизить» до аспиранта, чтобы он написал диссертацию – что он и сделал всего за год. (Когда Френкель в 1991 году выпускался из Гарварда, его лично поздравил Эдуард Шеварднадзе, один из архитекторов перестройки, который тогда же получил степень почетного доктора.) Темой диссертации Френкеля стало доказательство теоремы, которая помогла открыть новую главу в программе Ленглендса, расширив ее из царства чисел в геометрическое царство криволинейных поверхностей вроде поверхности бублика или шара. (Это так называемые римановы поверхности – в честь математика XIX века Бернхарда Римана.)

Для реализации программы Ленглендса потребовалось вывернуть наизнанку и перевернуть с ног на голову многие знакомые математические понятия, даже такие фундаментальные, как натуральные числа. Возьмем, к примеру, число 3. Оно скучное, у него нет никакой внутренней структуры. А теперь предположим, что вместо числа 3 мы взяли «векторное пространство» трех измерений, то есть пространство, где каждая точка задается тройкой чисел, со своими собственными правилами сложения и умножения. Тут уже можно получить что-то интересное – структуру, в которой симметрий будет больше, чем в греческом храме. «Современная математика – это сотворение нового мира, в котором числа оживают в образе векторных пространств», – пишет Френкель.

Богаче стали и другие основные понятия. «Функции», с которыми вы, скорее всего, сталкивались на уроках математики в старших классах – помните y=f(x)? – превратились в экзотические сущности под названием «пучки». (За реформу языка математики в ответе по большей части Александр Гротендик, которого принято считать величайшим математиком второй половины XX века.)

Следующим ходом был вывод программы Ленглендса за пределы математики как таковой. В семидесятые годы было замечено, что одна из главных ее составляющих, двойственная группа Ленглендса, неожиданно возникает и в квантовой физике. Это всех удивило. Неужели те же закономерности, которые смутно просматриваются в мирах чисел и геометрии, имеют параллели в теории, описывающей фундаментальные силы природы? Френкеля потрясла сама возможность провести связь между квантовой механикой и программой Ленглендса, и он с жаром принялся исследовать эту задачу, чему способствовал многомиллионный грант, который он с коллегами получил в 2004 году от Министерства обороны – на сегодня это самый крупный грант на исследования по чистой математике. (Чистая математика не просто изящна и аккуратна, но еще и дешева: математику нужен мел и немного денег на дорожные расходы. А еще она открыта и прозрачна, поскольку в ней нет изобретений, которые можно патентовать.)

Так Френкель начал сотрудничать с Эдуардом Виттеном, которого принято считать величайшим физиком-теоретиком наших дней (к тому же он, как и сам Ленглендс, работает в Институте передовых исследований в Принстоне). Виттен – виртуоз теории струн: современные физики опираются на эту теорию, чтобы объединить все силы природы, включая гравитацию, в один красивый математический «пакет». Виттен поразил Френкеля «нерушимой логикой» высказываний и «превосходным вкусом». Именно Виттен заметил, что «браны» (сокращение от «мембран»), существование которых постулируют теоретики струн, вероятно, аналогичны «пучкам» – изобретению математиков. Это открыло возможность для насыщенного диалога между программой Ленглендса, цель которой – объединение математики, и теорией струн, цель которой – объединение физики. Хотя энтузиазм по поводу теории струн несколько угас, поскольку ей не удалось, по крайней мере, пока, обеспечить рабочее описание Вселенной, связь с программой Ленглендса позволила сделать важные выводы об устройстве физики частиц.

Это был не первый случай, когда математические понятия, изучавшиеся за чистую красоту, впоследствии пролили свет на физический мир. «Как так может быть, что математика, будучи, в конце концов, продуктом человеческого разума, не зависящим от практического опыта, так восхитительно присуща объектам реального мира?» – изумлялся Эйнштейн. Френкель подходит к этому совсем иначе. С его точки зрения, математические структуры – это тоже «объекты реального мира», точно такие же реальные, как и все, что составляет физический и ментальный мир. Более того, они вовсе не продукты человеческого разума – они существовали вечно в собственном платоновском мире и лишь дожидались, когда математики их откроют. Убеждение, что математика обладает собственной реальностью, выходящей за пределы человеческого разума, не так уж редко среди ее адептов, особенно великих – так считают Френкель и Ленглендс, сэр Роджер Пенроуз и Курт Гёдель. Это убеждение коренится в наблюдениях над неожиданными проявлениями странных закономерностей и соответствий, намекающих на что-то скрытое и загадочное. Кто задал эти закономерности? Очевидно, это не наших рук дело.

Проблема с платоновским представлением о математике – причем Френкель с его мистическим мировоззрением вовсе не считает это проблемой – состоит в том, что математическое знание начинает восприниматься как чудо. Если математические объекты существуют отдельно от нас на каких-то платоновских небесах, выходящих за пределы физического мира пространства и времени, как человеческий разум «вступает с ними в контакт» и узнает что-то об их качествах и взаимоотношениях? Неужели все математики – экстрасенсы? Как заметил философ Хилари Патнэм, беда платонизма в том, что «он попросту не совместим с тем простым обстоятельством, что мы думаем мозгом, а не бестелесным духом».

Впрочем, пусть Френкель тешится своей платоновской фантазией. В конце концов, у каждого влюбленного масса романтических иллюзий об объекте своей любви. В 2009 году, когда Френкель был в Париже, поскольку получил премию Chaire d’Excellence, присуждаемую Парижским фондом математических наук, он решил снять короткометражный фильм о своей страсти к математике. Вдохновили его «Обряды любви и смерти» Юкио Мисимы, поэтому он назвал свой фильм «Обряды любви и математики». В этом немом фильме-аллегории в стиле театра но Френкель играет математика, который вывел формулу любви. Чтобы формула не попала в руки злодеев, он прячет ее от мира, а для этого татуирует бамбуковой палочкой на теле любимой женщины, а затем готовится принести себя в жертву ради защиты своего детища.

Премьера «Обрядов любви и математики» состоялась в Париже в 2010 году. Журнал Le Monde назвал его «ошеломительным короткометражным фильмом», который «представляет математиков в необычном романтическом свете». «Формулой любви» в этом фильме стало одно из открытий Френкеля (он вывел эту формулу, когда исследовал математические основания квантовой теории поля). Она прекрасна и грозна одновременно. И в нее входят всего три числа – единица, нуль и бесконечность. Не такова ли суть любви?