Альберт Виолант-и-Хольц - Том 9. Загадка Ферма. Трехвековой вызов математике

• Название: Том 9. Загадка Ферма. Трехвековой вызов математике
• Автор: Альберт Виолант-и-Хольц
• Издательство: «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0625-3

На первый взгляд теорема Ферма кажется очень простой. Те, кто сталкиваются с ней впервые, обычно недоумевают: почему на протяжении 380 с лишним лет математики не могли ее доказать? Однако вскоре подобные иллюзии рассеиваются, и становится понятно: теорема Ферма — одна из сложнейших математических задач всех времен. Данная книга повествует не только о Пьере Ферма и его теореме, но также о британце Эндрю Уайлсе — гениальном математике, который бросил вызов грандиозной задаче и вышел из этой схватки победителем.

---

х2 — 4х + 1 = 0

имеет корни х1 = 2 + √3 и х2 = 2 — √3.

Оба корня удовлетворяют следующим уравнениям:

x1 + x2 = 4

x1x2 = 1

Оба уравнения будут по-прежнему верны, если мы поменяем местами х1 и х2

x2 + x1 = 4

x2x1 = 1

Галуа подробно изучил функции, инвариантные по отношению к перестановке корней, и определил так называемую группу Галуа для уравнений. Например, группа Галуа для многочлена х2 — 4х + 1 = 0 состоит из двух перестановок: неизменной (в результате которой корни остаются «на своих местах») и транспозиции (показанной в примере).

Эндрю Уайлс в 2000 году.

(фотография: С. Моззочи, Принстон, Нью-Джерси)

Свойства групп Галуа — очень мощный инструмент, который позволяет охарактеризовать чрезвычайно сложные структуры. Уайлс использовал их, чтобы преодолеть первое препятствие на пути к доказательству. В частности, он определил эллиптические уравнения в терминах представлений Галуа и доказал, что их можно ассоциировать с некоторыми характерными элементами модулярных форм. Таким образом, Уайлс переформулировал задачу о подсчете, использовав более «податливые» понятия. Этот первый, но очень важный шаг сам по себе уже заслуживал признания со стороны математического сообщества. Но это был всего лишь первый шаг, а Уайлс потратил на него два года непрерывного труда.

Уайлс работал в полном одиночестве, откуда же он брал силы, чтобы не отступаться от задачи? По его словам, «когда ты полностью сосредоточен, лучший способ расслабиться — это поговорить с детьми. Им не интересна теорема Ферма, по крайней мере, в столь нежном возрасте. Они хотят слушать только сказки». Остается лишь добавить, что Уайлсу повезло: его дети не проявили такого интереса к теореме Ферма, как он сам, когда был ребенком.

* * *

ПОРОЧНЫЙ ГЕНИЙ

Эварист Галуа был молодым человеком с горячим сердцем, который не раздумывая встал на сторону республиканцев в смутные времена Луи-Филиппа I, последнего короля Франции. Он также был одним из величайших гениев за всю историю математики. Его пылкий и непокорный характер, тяготы и лишения, свойственные научной работе, и проваленные вступительные экзамены в Политехническую школу привели к тому, что его труды были почти не известны современникам. Отдушину от неудач в науке Галуа нашел в политическом радикализме. Из-за своих политических взглядов он получил вызов на дуэль от офицера артиллерии, который симпатизировал монархистам.

Галуа знал, что плохо умел обращаться с оружием, поэтому в последнюю ночь перед дуэлью он лихорадочно пишет письмо, где кратко излагает итоги своих исследований, и отправляет его своему другу, блестящему математику Огюсту Шевалье. На следующее утро Галуа был смертельно ранен в живот и скончался через несколько часов. В своем последнем письме он изложил основы теории, которая позднее получила его имя и стала одним из основных разделов современной алгебры. Ему был всего 21 год.

Портрет Эвариста Галуа в возрасте 15 лет сделан с натуры его одноклассником.

* * *

Новый метод подсчета, придуманный Уайлсом, также содержал интересные аналогии с темой его докторской диссертации — теорией Ивасавы. Наступил 1988 год, и Уайлс чувствовал, что другие математики уже дышат ему в затылок. Можно представить, как он побледнел, когда 8 марта прочитал на первых страницах газет, что последнюю теорему Ферма доказал японец по имени Иоичи Мияока. Хотя подробности доказательства не публиковались, некоторые специалисты во всеуслышание заявили, что общая схема представленного доказательства верна. Однако спустя несколько месяцев стало ясно, что доказательство содержало серьезную ошибку. В замке по-прежнему было темно. Призрак Ферма вновь улыбнулся, и Уайлс — вместе с ним.

* * *

МИЯОКА ДОКАЗАЛ ПОСЛЕДНЮЮ ТЕОРЕМУ ФЕРМА

Ошибочное доказательство последней теоремы Ферма, предложенное Мияокой, базировалось на так называемой философии параллелизма. В рамках этой философии, основанной на общих принципах, которые сформулировал в 1970-е годы канадский математик Роберт Ленглендс в так называемой программе Ленглендса, задачи теории чисел предлагалось решать с использованием методов алгебраической геометрии. Именно таким образом немецкому математику Герду Фалтингсу удалось доказать гипотезу Морделла. Тот же Фалтингс был одним из экспертов, которые занимались проверкой доказательства, и именно он обнаружил ошибку в рассуждениях японского математика. Несмотря на отчаянные усилия Мияоки, исправить ошибку так и не удалось.

Роберт Ленглендс на 61-й годовщине математика Пьера Делиня в Принстоне, которая отмечалась в 2006 году.

(фотография: С. Моззочи, Принстон, Нью-Джерси)

* * *

Флах, Кац и свет в конце туннеля

Однако, к разочарованию Уайлса, теория Ивасавы оказалась не столь полезной, как он рассчитывал. В его словах ясно читается разочарование:

«Я искренне верил, что иду по верному пути, но это не означало, что я мог бы достичь цели. Возможно, что нужные методы были бы… найдены в ближайшие сто лет. Поэтому, даже если бы я был на правильном пути, могло случиться так, что я жил не в том веке».

После пяти лет затворничества Уайлс решил немного развеяться и восстановить связь с бывшими коллегами, среди которых был и его руководитель, Джон Коутс. Он похвально отзывался о работе одного из своих учеников, Матиаса Флаха, — тот, используя результаты российского математика Виктора Колывагина, разработал мощный инструмент, который мог применяться для укрощения неподдающихся эллиптических уравнений. По словам Уайлса, казалось, что этот инструмент был «создан специально». Требовалось лишь расширить частичные результаты Колывагина — Флаха, чтобы охватить все случаи теоремы Ферма, и Уайлс принялся за дело с новой силой. После нескольких месяцев упорного труда, казалось, новая тактика начала приносить желаемые плоды, но Уайлса не покидали сомнения. Сложное доказательство основывалось на недавно созданном методе, о способах применения которого все еще велись споры. Пришло время посвятить других в секрет Уайлса и организовать небольшой заговор.

Помощником и осведомителем Уайлс выбрал своего сокурсника, эксперта в той области алгебры, которую использовали Флах и Колывагин. Ник Кац так вспоминает о моменте, когда Уайлс раскрыл ему суть проекта, над которым работал последние шесть лет: «Был январь 1993 года. Эндрю пришел ко мне во время вечернего чая и попросил зайти в его кабинет, чтобы обсудить один вопрос. Я не имел никакого представления, о чем могла пойти речь. Я зашел в его кабинет и закрыл за собой дверь. Он сказал, что близок к тому, чтобы доказать гипотезу Таниямы — Симуры. Я был изумлен. Это было что-то невероятное».

Уайлс выбрал Каца не только за его знания, но и потому, что был уверен: Кац сохранит все в тайне. И он не ошибся. Нужно было организовать совместную работу так, чтобы вместе обсуждать доказательство и рассматривать уравнения, но при этом не вызвать подозрений у коллег. Уайлс и Кац нашли остроумный выход. Первый объявил, что будет вести новый курс в докторантуре под названием «Вычисления на эллиптических кривых». Как и все подобные курсы, его могли посещать студенты и преподаватели. Программой курса было не что иное, как поэтапное изложение доказательства Уайлса. Кац записался на этот курс и мог спокойно проверять различные этапы доказательства, не вызывая никаких подозрений. Немногие докторанты, которые записались на курс, быстро перестали ходить на занятия: материал оказался для них слишком сложен. «На этом уровне, если вы не знаете, какова цель вычислений, то проследить за ними невозможно. Более того, следить за сложными выкладками трудно даже в том случае, когда вам известно, куда они ведут. Через несколько недель я остался единственным слушателем», — вспоминает Кац.

* * *

ОЗАРЕНИЯ

Во время работы над теорией Ивасавы применительно к доказательству теоремы Ферма Уайлс любил гулять у озера неподалеку от университета, чтобы расслабиться и, как говорил он сам, «дать подсознанию поработать». Уверенность в том, что подсознание всегда работает над решением задачи, присуща всем творческим личностям, и в особенности математикам. Французский математик Анри Пуанкаре живо описывает подобное озарение в тот миг, когда он понял, что фуксовы функции (позднее они получили название автоморфных) связаны с геометрией Лобачевского: «Тогда я уехал из Кана… чтобы записаться на геологическую экскурсию. События, произошедшие в пути, заставили меня забыть о моей работе по математике. <…> Мы переезжали с места на место на омнибусе. И ровно в тот момент, когда я поставил ногу на ступеньку, ко мне неожиданно пришла мысль, никак не связанная с тем, о чем я думал до этого. <…> По возвращении в Кан я спокойно проверил мою догадку».