© Михайлов В. Г., перевод на русский язык, 2017

© ООО «Издательство «Эксмо», 2018

Эту фразу я слышу уже, наверное, десятый раз за сегодня, и она перестает меня удивлять.

Тем не менее около четверти часа эта дама стояла около моего стенда в середине группы других посетителей и внимательно слушала, как я рассказывал о своих любопытных наблюдениях из области геометрии. Эта фраза прозвучала в следующем контексте.

– И чем же вы занимаетесь? – поинтересовалась она.

– Я математик.

– Ох, я никогда ничего не смыслила в математике!

– Правда? Мне показалось, что вам было интересно.

– Да… Но это не совсем математика… Это еще можно понять.

Подумать только! Математика – это что, обязательно что-то, что нельзя понять?

Вернемся в Париж, где в самом центре города, в Лувре, я и хочу начать рассказ. Математика и Лувр – и где же тут связь? Это может показаться нелогичным. Бывшая королевская резиденция, ставшая впоследствии музеем, очевидно, представляет интерес в первую очередь для художников, скульпторов, археологов и историков, а вовсе не для математиков. Тем не менее именно здесь я обнаруживаю первые «отпечатки» математики.

Как только я оказываюсь во дворе Наполеона, вижу в его центре стеклянную пирамиду Лувра – уже яркий пример из мира геометрии. Но сегодня я хочу обратиться к куда более ранней странице истории. Я вхожу в музей и начинаю путешествие на машине времени. Я миную эпоху королей Франции, прохожу сквозь Ренессанс и Средние века и попадаю прямиком в Античность. Залы сменяют один другой, мой путь лежит мимо нескольких римских статуй, греческих ваз и египетских саркофагов. Я двигаюсь дальше, оказываюсь в доисторической эпохе и, погружаясь в глубь веков, постепенно отрешаюсь от всего изведанного. Забудьте цифры. Забудьте геометрию. Забудьте правила правописания. В начале начал никто ничего не знал. Даже само понятие знания отсутствовало.

Первая наша остановка будет в Месопотамии за 10 000 лет до н. э.

Немного подумав, я бы отправился даже дальше, а именно на 1,5 млн лет назад, в эпоху палеолита. В то время еще не умели добывать огонь, а Homo sapiens («человек разумный») был еще в очень долгосрочном проекте. В это время в Азии обитал homo erectus («человек прямоходящий»), в Африке – homo ergaster («человек работающий») и, возможно, где-то жили подобные им прародители современного человека, следы которых пока не обнаружены. Это эпоха обтесанного камня, также называемого рубилом.

В углу лагеря расположились за работой камнетесы. Один из них держит еще не обработанный кремень, найденный несколькими часами ранее. Усевшись непосредственно, человек одной рукой устанавливает кремень на земле, а другой обтесывает его массивным камнем. Высекаются первые искры. Посмотрев на результат, камнетес поворачивает кремень и бьет по нему с другой стороны. Приходится повторять это снова и снова. В некоторых местах кремень слишком толст, а где-то – слишком широк, поэтому необходимо отделить крупные куски, чтобы придать ему желаемую форму.

Форма рубила не случайна и не может быть определена в процессе изготовления. Из поколения в поколение передается техника его обработки, сформировавшаяся в ходе исторического развития. В зависимости от места и времени изготовления выделяются различные виды данного орудия. Некоторые рубила изготавливались в форме капли с выступающим краем, другие, более округлые, напоминали яйцо, встречаются также экземпляры, по форме близкие к равнобедренному треугольнику с изогнутыми сторонами.

Рубило эпохи палеолита

Тем не менее все рубила имеют одну схожую черту – ось симметрии. Была ли продиктована такая геометрическая особенность соображениями практического применения или же это просто эстетическое предпочтение наших предков? Сегодня сложно ответить на этот вопрос. Очевидно, что это не совпадение. Камнетесы намеренно изготавливали орудия именно таким образом, явно задумываясь над тем, как должно выглядеть готовое изделие. Иными словами, в какой-то степени древние мастера занимались математикой.

Закончив обработку, камнетес внимательно изучает результаты своей работы: подносит получившееся орудие к свету, чтобы лучше рассмотреть его очертания, а затем отделяет оставшиеся два-три выступа, добиваясь идеальной формы. Что же испытывает наш предок в этот момент? Ощущает ли он волнение от соприкосновения с наукой, от воплощения идеи в жизнь, иными словами, от преобразования окружающей его среды? Это не так важно – времена великих открытий еще не наступили. В те времена все имело сугубо прикладной характер. Такие орудия могли использоваться для обработки дерева, разделки туш животных, выделки их шкур, а также копания.

Но все-таки не будем так углубляться в историю. Не станем тревожить те древние времена и их подчас слишком далекое от истины понимание и вернемся к отправной точке нашего путешествия, а именно в Месопотамию за 8000 лет до н. э.

Вдоль Плодородного полумесяца,[1] на территории современного Ирака, в это время происходил революционный переход к неолиту, который начнется уже совсем скоро. В северных районах люди переходили к оседлому образу жизни. В этом регионе возникали все наиболее продвинутые достижения человечества. Жилища из необожженной глины формировали первые поселения, а самые смелые строители уже возводили дополнительные этажи. Сельское хозяйство было новшеством. Мягкий климат позволял выращивать сельскохозяйственные культуры без искусственного орошения. Люди научились разводить домашних животных и выращивать культурные растения. Совсем скоро будет открыто гончарное ремесло.

Предлагаю поговорить именно о керамике, потому что на фоне всеобщей тенденции к безнадежной утрате исторического наследия археологам удается находить тысячи глиняных изделий, таких как горшки, вазы, кувшины, блюда, миски… В музее меня окружают доверху заполненные стеллажи. Самые ранние экспонаты датируются 9000 г. до н. э., и из зала в зал, словно следуя по камушкам, оставленным Мальчиком-с-пальчик, мы попадаем из одного века в другой. В витринах представлена посуда самых разных размеров, форм, по-разному украшенная, вылепленная, покрашенная или гравированная, на ножках и с ручками, в идеальном состоянии и с трещинами, разбитая и воссозданная. От некоторых вещей остались лишь небольшие фрагменты.

Керамика – это первое искусство с применением огня, появившееся раньше, чем технологии изготовления бронзы, стали и стекла. Из глины, которая в изобилии встречается в этой влажной климатической зоне, гончары могли изготавливать посуду на любой вкус. После того как мастер лепил посуду желаемой формы, нужно было только высушить ее в течение нескольких дней, а затем целиком обжечь в центре печи для придания прочности. Эта техника возникла очень давно. Еще за двадцать тысяч лет до этого времени люди научились обжигать небольшие глиняные статуи. И совсем в относительно недавнем прошлом, с переходом на оседлый образ жизни, люди начали делать таким способом предметы домашнего обихода. Новый образ жизни требовал большого количества средств хранения, изготовлением которого и начали активно заниматься наши предки.

Емкости из обожженной глины очень быстро стали неотъемлемой частью жизни в общине. При изготовлении такой посуды учитывались, в первую очередь, ее полезные свойства, а не внешний вид. Вскоре керамические изделия начали украшать. Позже стали выделяться целые школы гончарного мастерства. Некоторые с помощью ракушек или обыкновенной палочки наносили свои узоры на еще не застывшую глину, а уже потом обжигали. А другие наоборот – сначала обжигали посуду, а уже потом занимались украшением ее внешнего вида с помощью заостренного камня. Третьи рисовали на поверхности природными красками.

Прогуливаясь по залам кафедры восточных древностей, я был поражен богатством геометрических узоров, разработанных в Месопотамии. Что же до рубила, изготовленного нашим древним предком, то его форма слишком искусна, чтобы быть случайной. Мое внимание привлекли завитки, обрамляющие края сосудов. Завитки формируют узор, повторяющийся по всей окружности горшка. Наиболее распространены зигзагообразные узоры с треугольной насечкой. Также часто встречаются рисунки из двух линий, накладывающихся одна на другую. Есть и узоры елочкой, с кружками внутри, квадратные зубцы, ромбы с точкой, заштрихованные треугольники и т. д.

Переходя от одной зоны или эпохи к другой, вы заметите несколько разновидностей орнамента. Некоторые узоры очень распространены. Они перенимаются, видоизменяются, улучшаются в разной степени. Спустя несколько веков некоторые из них исчезают, уходят в прошлое, им на замену приходят другие рисунки в духе своего времени.

Я рассматриваю их один за другим, и во мне просыпается математик. Я обращаю внимание на симметрию, изгибы, геометрические узоры. Так, я невольно начинаю сортировать и упорядочивать их. Мне вспоминаются несколько теорем из моей юности. Классификация геометрических преобразований – это то, что я собирался сделать. Я достаю блокнот и карандаш и начинаю записывать.

Сначала поговорим об изгибах. Прямо передо мной узор, состоящий из S-образных линий, накладывающихся одна на другую. Я поворачиваю голову, чтобы убедиться. В самом деле, это симметричный рисунок: если взять кувшин в руки и перевернуть его, узор останется прежним.

Далее поговорим о симметрии. Есть несколько ее типов. Постепенно я заканчиваю составлять свой список и начинаю искать примеры. Я стараюсь найти пример каждого геометрического узора, перехожу из одного зала в другой, возвращаюсь. Некоторые предметы разбиты, и мне приходится щуриться, чтобы представлять недостающие элементы узоров на этих сосудах с тысячелетней историей. Если я нахожу что-то новое, делаю заметку. Я обращаю внимание на даты, чтобы проследить хронологию появления орнамента.

Сколько же всего типов узоров я найду? Немного поразмыслив, наконец останавливаюсь на известной теореме. Можно выделить всего семь типов узоров, семь групп – ни больше, ни меньше.

Конечно же, жители Месопотамии не знали этого. Теоретическое осмысление, без сомнения, началось только в эпоху Ренессанса. Тем не менее, не претендуя на что-то большее, чем просто украшение керамики, горшечники древности были на пороге первых открытий, которые тысячи лет спустя станут волновать умы всего математического сообщества.

Я просматриваю свои записи и нахожу практически все примеры. Практически? Для одного из этих семи типов узоров я все еще не нашел примера. Немного поколебавшись, прихожу к выводу, что он наиболее сложен из всего списка. Ищу узор, который при развороте по горизонтали выглядел бы так же, но был бы смещен на половину длины одного элемента узора. Сегодня это называется скользящей симметрией. Явное упущение жителей Месопотамии!

Но я просмотрел еще далеко не все залы, поэтому не теряю надежды и продолжаю свои поиски. Рассматриваю все до мелочей. Шесть других типов, примеры которых я уже нашел, отражены в моих записях с указанием даты, схематичными изображениями и т. д. Но, к сожалению, я до сих пор не могу найти примеры седьмого загадочного типа узора.

Внезапно чувствую приток адреналина. За стеклом я только что увидел небольшой простой фрагмент. Сверху вниз четыре различных рисунка накладываются один на другой, и один из них, а именно третий сверху, заинтересовал меня больше других. Этот узор состоит из частей прямоугольников, расположенных под наклоном в форме елочки. Я прищуриваю глаза, всматриваюсь, а затем быстро схематично зарисовываю узор в блокнот, как будто боюсь, что он может ускользнуть от меня. Геометрия идеальна. Это та самая скользящая симметрия – последний, седьмой тип узора.

Рядом с этим экспонатом размещена табличка с надписью: «Фрагмент кружки с горизонтальными полосами в виде ромбов с точками внутри. Середина V тысячелетия до н. э.».

Я мысленно возвращаюсь к своей хронологии. Середина V тысячелетия до н. э. То есть этот экземпляр относится еще к доисторическому периоду. За тысячу лет до изобретения письменности гончары Месопотамии уже, сами того не осознавая, использовали все варианты теоремы, которая будет доказана лишь спустя шесть тысяч лет.

Пройдя еще несколько залов, нахожу кувшин с тремя ручками, который также украшен орнаментом седьмого типа: узор немного закручен по спирали, но сама геометрическая структура остается прежней. Чуть дальше еще один пример. Я хотел бы продолжить, но внезапно рисунок меняется. Я подошел к концу восточных коллекций. Дальше уже находится экспозиция Древней Греции. Еще раз смотрю свои зарисовки узоров со скользящей симметрией, которые можно посчитать по пальцам одной руки. Я начинаю волноваться.

Как распознать семь типов узоров?

Первый тип – это узор, у которого нет какой-либо геометрической особенности. Просто обычный повторяющийся мотив без симметрии или центра вращения. Это пример узора, не основанного на геометрических фигурах, в изображении которого используются изображения фигур, например животных.

Второй тип – это узор с горизонтальной осью симметрии посередине.

Третий тип узора включает в себя повторяющиеся по горизонтали элементы с осью симметрии по вертикали. В таком узоре элементы повторяются по горизонтали, каждый их данных элементов имеет оси симметрии по вертикали.

Четвертая категория – это орнаменты, которые выглядят одинаково при развороте на 180 градусов. Такие узоры не меняются, если на них смотреть сверху или снизу.

Пятый тип узоров построен на скользящей симметрии. Это тот самый знаменитый узор, который мне посчастливилось найти среди экспонатов из Месопотамии. Если вы развернете один из таких узоров по горизонтали (как во втором случае), то получится та же картинка, только сдвинутая на пол-элемента.

Шестой и седьмой типы орнаментов не являются какими-то новыми относительно пяти первых и сочетают в себе их особенности в различных вариациях. Так, шестой тип включает горизонтальную и вертикальную симметрию, а также центр вращения на пол-оборота.

Ну а седьмая категория сочетает узоры с вертикальной симметрией, центр вращения и скользящую симметрию.

Следует отметить, что эти категории относятся только к геометрическим особенностям и не ограничивают вариативность конкретных узоров. Так, узоры, изображенные далее, хотя и отличаются визуально, все относятся к последней, седьмой категории.

Все узоры, которые только возможно представить, можно отнести к одной из семи категорий. Создать иные узоры, с геометрической точки зрения, невозможно. Удивительно, но последние две категории наиболее распространены. Человеку интуитивно свойственно использовать узоры с большим количеством типов симметрии.

Гордый своими успехами в поисках примеров керамики из Месопотамии, я перехожу к эпохе Древней Греции. Не успел я перейти в соответствующий зал, как уже не знаю, на чем остановить свое внимание. Искать примеры узоров здесь проще простого. Я сделал всего несколько шагов, взглянул на несколько витрин, рассмотрел пару амфор – и уже нашел примеры всех семи типов орнаментов.

Оценив такое разнообразие, я сразу же перестал вести заметки, как делал это в отношении работ из Месопотамии. Творческие способности жителей Древней Греции меня потрясли. Новые мотивы, сложные и необычные, приковывают мое внимание. Иногда я останавливался и сосредоточивался, чтобы мысленно разделить эти сложные, переплетенные узоры.

Увидев в углу комнаты лутрофор с красными фигурами, теряю дар речи.

Лутрофор представляет собой вытянутый сосуд с двумя ручками. Он использовался для переноски воды для купания и достигал метра в высоту. Я начинаю подсчитывать виды узоров на лутрофоре. Один. Два. Три. Четыре. Пять. За несколько секунд нахожу примеры пяти из семи видов орнаментов. Сосуд прислонен к стене, но, немного наклонившись, я замечаю, что узор шестого типа расположен на его обратной стороне. Остался последний тип. Удивительно, но сегодня мне недостает уже не того узора, который я не мог найти вчера. В произведениях этой эпохи сложно найти не только примеры скользящей симметрии, но и сочетание вертикальной, вращательной и скользящей симметрии.

Я с рвением ищу малейший намек на искомые узоры, но не могу их найти. Уже немного разочаровавшись, хочу прекратить поиски, когда мой взгляд падает на одну деталь. В центре вазы изображена сцена с двумя персонажами. На первый взгляд, здесь отсутствуют узоры. Однако внизу, справа, один элемент привлекает мое внимание. Ваза, на которую облокотился главный изображенный персонаж. Ваза, изображенная на вазе! Такое применение рекурсии заставляет меня улыбнуться. Я щурюсь: изображение затерто, но, без сомнения, на этой вазе изображен тот самый недостающий узор!

Несмотря на мои последующие попытки, я не смог найти больше ничего подобного. Этот лутрофор, кажется, единственный в своем роде в коллекции в Лувре: только на нем я нашел все семь видов орнаментов.

Чуть дальше меня ждало еще одно открытие. Объемные узоры! Я всегда считал, что перспектива была открыта только в эпоху Ренессанса. Темные и светлые участки, умело разделенные художником, создают игру света и тени, создавая эффект объема геометрических форм, расположенных по ширине гигантского сосуда.

Иду дальше, и передо мной встают новые вопросы. Некоторые элементы вместо узоров украшены сплошной текстурой. Иными словами, в качестве изобразительного средства использовались не узоры, расположенные по кругу, а сплошное покрытие, что, таким образом, снижает вероятность найти геометрические орнаменты.

После работ древних греков идут произведения древних египтян, этрусков и римлян. Я любуюсь образами, созданными резьбой по камню. Прожилки переплетаются, находят одна на другую, создавая рисунок идеальной формы. После этого – как будто данных произведений недостаточно – всматриваюсь в архитектуру самого Лувра, в его своды, плиточный настил, дверные проемы.

Прихожу в себя и не могу больше остановиться. На улице обращаю внимание на балконы жилых домов, рисунок на дорожках для пешеходов, стены подземных переходов…

Этого достаточно, чтобы изменить свой взгляд на мир, чтобы констатировать существование в повседневности математики. Ее проявления можно искать бесконечно, и этот поиск невероятно увлекателен.

И наше приключение только начинается.

В это время цивилизация Месопотамии активно развивается. В конце IV тысячелетия до н. э. небольшие деревушки преобразовались в цветущие города. В некоторых из них уже проживали десятки тысяч жителей! Технологии развивались так стремительно, как никогда ранее. Какими бы ни были архитекторы, ювелиры, гончары, ткачи, плотники или скульпторы, им приходилось постоянно проявлять чудеса изобретательности, чтобы справляться с задачами, встречавшимися на пути. Металлургия была еще не в полной мере развита, но уже находилась на пути к становлению.

Понемногу дорожная сеть распространилась на весь регион. Культурный и торговый обмен становился все более интенсивным. Иерархия усложнялась, и вид Homo sapiens познал все прелести управления. Эти перемены требовали соответствующей организации. Чтобы создать определенный порядок, чтобы изобрести письменность и войти в историю, нашему виду потребовалось много времени. В настоящей революции, которая произойдет в ближайшее время, математика сыграет роль авангарда.

Покинув северные территории, на которых появились первые оседлые поселения, отправимся ниже по течению реки Евфрат, в регион Шумера, расположенный в Нижней Месопотамии. Именно здесь, в южных степях, находился главный очаг цивилизации. Перемещаясь вдоль реки, мы попадаем в еще очень молодые города Киш, Ниппур и Шуруппак. Впереди их ждут величие и процветание.

А далее за горизонтом внезапно появляется город-муравейник Урук, поражавший весь Ближний Восток своим величием и могуществом. Построенный практически полностью из глиняных кирпичей, город раскинулся на сотню гектаров, и потерявшиеся туристы могут бродить там часами. В центре города были построены несколько монументальных храмов. В них возносили хвалу Ану, отцу всех богов, а также, в частности, Инанне, матери небес. В ее честь возведен храм Эанны, высота которого достигает восьмидесяти метров в длину и тридцати в ширину, что производит неизгладимое впечатление на посетителей.

Каждый год с приближением лета город охватывало всеобщее волнение. Совсем скоро овец должны были погнать в северные районы на пастбища, и возвращались они только в конце жаркого сезона. Следующие несколько месяцев пастухи гуртовали скот, обеспечивали его безопасность и затем приводили овец обратно к их владельцам. Во владении храма Эанны было несколько стад, некоторые из них насчитывали десятки тысяч голов. Во время передвижения стада сопровождали конвои, в отдельных случаях даже включавшие в себя солдат для защиты каравана от возможных опасностей.

Разумеется, владельцы не могли отпустить свой скот, не приняв соответствующих мер предосторожности. Что касается пастухов, здесь все понятно: вернуть они должны были столько же голов, сколько им доверили. Нельзя было допустить, чтобы часть животных отбилась от стада или чтобы пастух втихаря продал животных.

Тогда встал вопрос: как сравнить размер стада до и после выпаса?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, уже спустя несколько столетий придумали систему глиняных жетонов. Есть несколько типов жетонов, отличающихся по форме и нанесенному рисунку, для подсчета как одного, так и нескольких объектов или животных. Для подсчета овец использовались обычные диски с изображением креста на них. Перед выпасом скота в сосуд помещали жетоны, количество которых соответствовало поголовью в стаде. Для того чтобы проверить, одинаково ли количество вернувшихся и ушедших на выгул животных, было достаточно посчитать жетоны и овец. Чуть позже эти жетоны получили название calculi, от лат. «маленькие камушки», а позднее от этого слова образовалось производное calcul.

Этот способ практичен, но имеет свои недостатки. Кто отвечает за сохранность жетонов? Не только пастухов, но и владельцев скота можно заподозрить в недобросовестности: например, последние имеют возможность положить дополнительные жетоны в сосуд во время отсутствия пастуха, а затем потребовать компенсацию за утрату несуществующих голов и таким образом незаконно обогатиться за счет пастуха!

Наши предки искали ответ и нашли его. Жетоны начали складывать в полый шар из глины. Перед тем как его запечатать, каждый ставил свою подпись на лицевой стороне шара-футляра с тем, чтобы потом можно быль удостоверить его подлинность. После этого изменить количество содержащихся внутри жетонов не представлялось возможным, и пастухи могли быть спокойны.

Но этот метод, в свою очередь, оказался неудобным для владельцев. С точки зрения учета зачастую требовалось узнать количество голов в стаде. И как же это можно сделать? Помнить наизусть количество овец? Это не настолько очевидно, если вспомнить, что язык чисел еще не изобрели. Иметь второй незапечатанный сосуд с таким же количеством жетонов? Не очень практично.

В конце концов решение было найдено. С помощью заостренной палочки на поверхность сосуда наносились изображения жетонов, находящихся внутри. Таким образом, стало возможным определять количество жетонов, не нарушая целостность шара.

Этот способ с тех пор использовался повсеместно ввиду очевидных преимуществ. Его стали применять не только при подсчете овец, но и при заключении других соглашений. Специальные жетоны делали для зерновых культур, таких как ячмень или пшеница, шерсти и текстиля, металла, ювелирных изделий, драгоценных камней, нефти или керамики. Даже налоговые поступления стали рассчитывать в жетонах. Так, в конце четвертого тысячелетия в Уруке надлежащая форма заключения любого договора предполагала запечатывание в герметичном глиняном сосуде фишек соответствующего типа и количества.

Так обстояли дела до момента, пока не появилась новая блестящая идея, настолько идеальная в своей простоте, что удивительно, что она не пришла никому в голову раньше. Если количество голов скота написано на внешней стороне сосуда, то зачем вообще складывать в него жетоны? Зачем в принципе нужен такой сосуд? Ведь можно просто обозначить количество голов на куске глины, например на плоской раскатанной плитке.

Так зародилась письменность.

Я возвращаюсь в Лувр. Коллекции кафедры восточных древностей подтверждают достоверность исторических фактов. Первое, на что я обращаю внимание, – размер запечатанных сосудов. Эти небольшие глиняные сферы, которые шумеры изготавливали, накручивая на большой палец, были не больше мячика для тенниса. Размер же самих жетонов не превышал одного сантиметра.

Чуть дальше появляются первые таблички и занимают уже целые витрины. Постепенно письменность развивается и принимает форму клинописи – в качестве символов используются черточки. После исчезновения первых цивилизаций Месопотамии в начале нашей эры большая часть этого наследия была скрыта под руинами заброшенных городов, пока его наконец не нашли европейские археолога в XVII в. Расшифрованы эти записи только XIX в.

Таблички также были невелики, некоторые из них – размером с визитную карточку, но при этом полностью покрыты наслаивающимися записями, выполненными мелким шрифтом. Безусловно, писцы из Месопотамии старались максимально полно использовать глиняные таблички для письма. Подписи, расположенные рядом с экспонатами, помогли мне разобраться со смыслом написанного на табличках: там были записи о животноводстве, ювелирных изделиях и крупах.

Рядом со мной несколько туристов делали фото… на собственные таблички – планшеты. Ирония судьбы в том, что на разных этапах исторического развития записи делались на самых разнообразных носителях: глине, бумаге, мраморе, воске, папирусе или пергаменте, – и в итоге оказались на электронных планшетах, по форме напоминающих своих «предшественников». Современные планшеты и их исторические аналоги неимоверно схожи. Кто знает, может быть, через пять тысяч лет наши планшеты окажутся на этих же музейных стендах рядом с сегодняшними экспонатами.

Времена изменились, и с начала третьего тысячелетия до н. э. наступил новый исторический этап: числа стали существовать автономно от описываемого ими объекта. Раньше, когда использовались запечатанные сосуды и первые таблички, символы относились к конкретным описываемым предметам. Так, овца и свинья, являясь разными животными, имели различные символы для своего обозначения. И каждый объект аналогично этому имел собственный символ для описания, как если бы для него был свой специальный жетон.

Но в один прекрасный момент все изменилось. У чисел появились обозначения. Иными словами, чтобы описать восемь овец, теперь можно было не использовать восемь символов, обозначающих овцу, а вместо этого изобразить символ для обозначения числа восемь и рядом с ним символ овцы. И если требовалось описать восемь свиней, достаточно было заменить символ овцы на символ свиньи. Число восемь отныне приобрело собственное значение.

Это один из наиболее важных и невероятных этапов истории. Если бы меня попросили назвать дату появления математики, то я без колебаний назвал бы именно эту. Вот тот самый момент, когда числа начинают существовать самостоятельно от исчисляемых ими предметов, отрываясь тем самым от реальных объектов и переходя в разряд умозрительного. Все, что было раньше – рубила, узоры, жетоны, – это только предпосылки, предшествовавшие неизбежному зарождению чисел.

С этих пор числа перешли в разряд абстракции, и со временем сформировалось единообразие в математике, науке, в наивысшей степени абстрактной. Математики не изучают физические объекты, состоящие из соответствующих веществ и атомов. Они рассматривают только идеи. Тем не менее эти идеи имеют огромное значение для лучшего понимания мира!

Закономерно, что появление чисел также способствовало зарождению письменности в целом. Потому что, если основная часть идей могла передаваться устно, для описания числовых характеристик требовалось вносить определенные записи.

Разъединены ли сегодня понятия содержания чисел и их графического выражения? Если я попрошу вас подумать об овце, как вы ее себе представите? Вы, без сомнения, представите блеющее животное на четырех лапах с шерстью на спине. Вам не придет в голову представить четыре буквы, из которых состоит слово «овца». Однако если я попрошу вас представить себе число сто двадцать восемь, что вы представите? Вероятно, в вашем воображении появятся цифры 1, 2 и 8? Мысленное представление больших цифр, кажется, неразрывно связано с их написанием.

Это совершенно беспрецедентный случай. В отличие от всех остальных вещей, для которых письменное обозначение вторично, а первичны устные названия, для чисел написание было первичным, а устные эквиваленты появились уже позднее. Только задумайтесь, как вы произносите «сто двадцать восемь»? Вы скажете: «128: 100 + 20 + 8». После определенного значения невозможно говорить о числах, не задумываясь об их написании.

В наше время встречаются коренные племена, в которых используется очень ограниченное количество слов для числовых обозначений. Так, жители племени пирахан (Pirahã), охотники-собиратели, живущие на берегах Рио-Мэси (rio Maici) в Амазонии, умеют считать только до двух. Для всего, что больше двух, они используют слово, означающее «несколько» или «много». Также в Амазонии живет племя мандуруку (Munduruku), в котором используется пять слов, обозначающих числа, что соответствует количеству пальцев на одной руке.

В современном обществе числа заполонили повседневную жизнь. Они стали настолько распространены, что мы часто забываем, до какой степени сама идея их создания гениальна и что нашим предкам потребовались века, чтобы достичь этого уровня.

На протяжении веков изобретено множество способов написания чисел. Самый простой – это обозначать число количеством символов, равным этому числу. Например, параллельными черточками. Этот метод мы до сих пор часто используем, в частности, чтобы вести счет в игре.

Наиболее ранний пример такого метода исчисления, возникшего еще до появления письменности, кости Ишанго, найден в 1950-е гг. в месте проживания шумеров, на берегу озера Эдуард на территории современной Республики Конго. Данные предметы изготовлены приблизительно двадцать тысяч лет назад! Эти экспонаты длиной в 10 и 14 сантиметров покрыты более или менее равноудаленными насечками. С какой целью они сделаны? Возможно, это была первая система исчисления. Некоторые считают, что это календарь, в то время как другие усматривают более развитые математические формы. Сейчас уже сложно сказать точно. Обе кости в настоящее время экспонированы в Музее естественных наук в г. Брюсселе (Бельгия).

В таком методе подсчета одна черта обозначает одну единицу, что вызывает сложности при описании крупных чисел. Чтобы решить эту проблему, необходимо было ввести обозначения для нескольких элементов.

Они появились уже в Месопотамии. Например, специальный жетон использовался для обозначения десяти овец. Когда произошел переход к письменности, данный принцип сохранился. Так, встречаются символы, обозначающие числа 10, 60, 600, 3600 и 36 000.

В обозначении символов уже в этот период отмечается определенная логика. Так, символы для 60 и 3600 с окружностями внутри обозначают числа в 10 раз больше.

С появлением клинописи символы начинают постепенно видоизменяться.

В расположенном неподалеку Египте с третьего тысячелетия до н. э. также начали развиваться собственные численные обозначения.

С этих пор повсеместно была принята десятичная система исчисления: свой собственный символ использовался для обозначения каждого числа, в 10 раз большего предыдущего символа.

Начала формироваться новая система исчисления посредством прибавления. В данной системе порядок символов влияет на их значение. И в этом первыми тоже были жители Месопотамии.

Начиная со второго тысячелетия до н. э. Вавилон занимал центральное положение на Ближнем Востоке. Клинопись по-прежнему оставалась популярной, но с этих пор начали использовать только два символа: чем-то похожий на гвоздь для обозначения 1 и наклоненный уголок – для обозначения 10.

Используя эти два символа, можно было написать любое число до 59. Так, для обозначения 32 необходимо было написать три уголка и два гвоздика.

А затем, начиная с 60, использовали символы для обозначения чисел, кратных 60. По аналогии с тем, как в современной системе исчисления числа записываются справа налево: сначала единицы, затем десятки, сотни и т. д., в вавилонской системе исчисления записывались сначала единицы, затем 60, 3600 (т. е. 60, умноженное на 60) и так каждый следующий порядок в 60 раз больше предыдущего.

Например, число 145 обозначалось как два числа 60, дающие в сумме 120, а также 25 единиц. Вавилоняне записывали это число так:

Благодаря этой системе ученые Вавилона достигли необычайных успехов в математике, научились не только складывать, вычитать, умножать и делить, но и выделять квадратный корень, возводить в степень и рассчитывать обратную величину. Они разработали очень точные арифметические таблицы, уравнения и способы их решения.

Однако совсем скоро эти знания предали забвению. С закатом цивилизации Вавилона существенная часть достижений в области математики была утрачена. Конец позиционной нумерации. Конец уравнениям. Пройдут века, прежде чем эти вопросы снова станут актуальными. Только в XIX в. клинописные таблицы расшифруют, и станет известно, что жители Месопотамии были первооткрывателями многих важнейших математических принципов современности.

После Вавилона позиционную систему исчисления также использовали майя, с тем лишь отличием, что в качестве кратного числа они брали 20. Затем подобную систему изобрели в Индии с кратным числом 10. Последнюю систему развили арабские ученые, а затем ее переняли в Европе в конце Средних веков. Ниже перечислены цифры, получившие в дальнейшем название «арабские», распространившиеся по всему миру.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

С появлением цифр человечество получило инструмент, который превзошел все возможные ожидания и позволил не только записывать и анализировать числа, но и в целом познавать окружающий мир.

Люди начали настолько сильно восхищаться числами, что иногда это заходило слишком далеко. Появление чисел породило нумерологию, согласно которой числа наделены особенными магическими свойствами. Ученые-нумерологи полагают, что в числах содержатся ответы на вопросы о существовании бога и законах мироздания.

В VI в. до н. э. Пифагор сформулировал фундаментальный подход: «Мир управляется числом». Согласно его философии, числа порождают геометрические фигуры, которые, в свою очередь, лежат в основе четырех стихий: огня, воды, земли и воздуха, участвующих в создании всего окружающего нас мира. Пифагор также разделил все числа на нечетные и четные; первые он ассоциировал с мужским началом, а вторые – с женским. Число 10, изображаемое в форме треугольника и называемое «тетрактис», стало символом гармонии и космического совершенства. Пифагорейцы также были первыми, кто сформулировал принцип нумерологии, согласно которому соответствующие числа в буквах имени человека оказывают влияние на его характер.

Параллельно с этим шли дискуссии о том, что представляет собой число. Ряд авторов полагали, что единица не является числом, т. к. число – это по определению совокупность единиц, следовательно, числа начинаются только с 2. И, таким образом, единицу считали одновременно и четной, и нечетной, поскольку из единиц состоят все остальные числа.

Позже появились число ноль, отрицательные числа и даже мнимые числа, породившие множество дискуссий. Каждый раз, когда появлялись новые идеи, это способствовало возникновению дебатов и заставляло математиков совершенствовать свои концепции.

Коротко говоря, числа не переставая ставили вопросы перед человечеством, и потребуется много времени, прежде чем удастся приручить этих необычных существ, созданных человеческим разумом.

С появлением чисел математика практически сразу разделилась на несколько направлений. Арифметика, логика, алгебра постепенно становились самостоятельными дисциплинами.

Одной из наиболее стремительно развивающихся дисциплин в эпоху Античности была геометрия. Она оставила в веках таких великих мыслителей прошлого как Фалес, Пифагор или Архимед, имена которых и по сей день мы встречаем на страницах школьных учебников.

Однако еще до того момента, когда геометрия стала самостоятельной дисциплиной, сама земля была ее непосредственным предметом анализа. Этимология слова подсказывает нам, что первоочередной задачей геометрии являлось измерение земли, что, таким образом, отчасти делает землемеров первыми геометрами. Задача разделения земельных участков всегда была одной из самых важных. Как разделить поле на равные части? Как рассчитать стоимость земельного участка исходя из его площади? Какая из этих двух частей находится ближе к реке? Как должен быть проложен канал, чтобы маршрут по нему оказался наиболее коротким?

Все эти вопросы были крайне важны для цивилизаций Античности, экономика которых строилась вокруг сельского хозяйства и, таким образом, на разделении земельных участков. Для того чтобы ответить на эти вопросы, знания из области геометрии развивались, обогащались и передавались из поколения в поколение, а умение ими оперировать, без сомнения, являлось одним из центральных аспектов жизни общества.

Для древних специалистов по измерению земель веревка была подчас первым геометрическим инструментом. В Древнем Египте существовала даже отдельная профессия – натягиватель веревки. Поскольку Нил регулярно выходил из берегов, именно люди этой профессии сообщали об изменении границ реки. Они вбивали столбики вдоль реки и натягивали веревки по границам полей в тех местах, где, согласно их вычислениям, должен был находиться край вышедшего из берегов Нила.

Возводя здание, также в первую очередь натягивали веревки на земле, точно обозначая границы будущего строения согласно плану архитектора. При строительстве дворца или иного значительного сооружения первую веревку зачастую натягивал в качестве символического жеста лично фараон.

Необходимо отметить, что веревка могла выполнять роль сразу нескольких геометрических инструментов. Землемеры использовали веревку как линейку, циркуль и треугольник с прямым углом.

Использовать веревку как линейку очень просто: ее достаточно натянуть между двумя зафиксированными точками, и получалась идеально ровная линия. Если требовалось определить длину, достаточно было сделать узлы на одинаковых расстояниях друг от друга по длине веревки. Использовать ее в качестве циркуля также было совсем не сложно. Одна из точек фиксировалась в земле, а точкой на веревке очерчивалась окружность на земле – так получался ровный круг. Чтобы начертить окружность определенного радиуса, достаточно было сделать разметку на веревке и начертить окружность, используя точку на веревке, расположенную на соответствующем количестве размеченных отрезков от центра.

А вот для того, чтобы использовать веревку для разметки угла, наоборот, требовалось приложить определенные усилия. Давайте на минуточку задумаемся над конкретной задачей: как изобразить прямой угол? На ум сразу приходят несколько способов. Если, например, нарисовать две окружности, пересекающиеся между собой, а затем соединить их центры и две точки пересечения, то две полученные линии будут перпендикулярны друг другу, образуя, таким образом, прямой угол.

С теоретической точки зрения этот способ безупречен, но вот на практике пользоваться им крайне неудобно. Представьте, как землемеры выходят на поле и начинают расчерчивать две окружности каждый раз, когда им требуется разметить прямой угол или проверить точность уже размеченных перпендикулярных линий. Такой способ оказывается на деле небыстрым и неэффективным.

Однако был и более практичный метод, который активно использовали землемеры: образование треугольника с прямым углом, используя саму веревку. Такой треугольник получил название прямоугольный треугольник. И самый распространенный среди них – со сторонами 3–4–5! Если вы возьмете веревку, разделенную на двенадцать частей тринадцатью узлами, вы сможете образовать треугольник со сторонами в 3, 4 и 5 интервалов соответственно. И магическим образом угол, образованный сторонами в 3 и 4 интервала, будет прямым.

За 4000 лет до этого жители Вавилона уже разработали специальные таблицы, позволяющие делать прямоугольные треугольники. Табличка «Плимптон 322», которая в настоящее время хранится в коллекции Колумбийского университета в Нью-Йорке, была создана приблизительно в 1800 г. до н. э. и представляет собой таблицу из пятнадцати комбинаций таких чисел. Помимо 3–4–5 там приводятся еще четырнадцать комбинаций, среди которых такие сложные, как 65–72–97 и даже 1679–2400–2929. За исключением нескольких незначительных опечаток, ставших следствием ошибки в расчетах или неправильного переписывания, треугольники из Плимптонской таблицы абсолютно правильные: в каждом из них есть прямой угол!

Сложно точно сказать, с какого момента вавилонские землемеры начали использовать свои познания об определении прямого угла на земле. В любом случае эти знания нашли свое применение много лет спустя исчезновения шумерской цивилизации. В Средние века веревка с тринадцатью узлами, также известная как веревка друидов, повсеместно использовалась при строительстве соборов.

Путешествуя по истории математики, часто отмечают, что ряд похожих выводов был сделан одновременно и независимо друг от друга в разных концах нашей планеты учеными, жившими за тысячи километров друг от друга в совершенно разных обществах. Удивительно странным совпадением является то, что в китайской цивилизации I в. до н. э. были сделаны открытия в области математики, очень схожие с аналогичными открытиями этого времени цивилизаций Древнего Вавилона, Египта и Греции.

Спустя столетия, приблизительно 2000 лет назад, во времена правления династии Хань, эти открытия собрали собраны воедино в одном из первых в истории произведений, посвященных исследованиям в области математики, под названием «Математика в девяти книгах».

Первая книга полностью посвящена методам измерения земельных участков различной формы. Прямоугольные, треугольные, трапециевидные, круглые, в форме полукруга или кольца – процедуры измерения полей всех этих форм подробно описаны в данной работе. Далее в этом произведении мы обнаруживаем, что девятая книга посвящена исследованию прямоугольных треугольников. Попробуйте догадаться, как звучит первая строчка этой книги. 3–4–5!

Таковы великие идеи. Они возникают в различных культурах и начинают активно произрастать на благодатной почве пытливых умов, стремящихся к новым знаниям.

Назовем несколько проблем того времени.

Многочисленные вопросы изменения полей, строительства зданий и сооружений, иначе говоря, землепользования, вставали перед учеными Античности. Вот несколько примеров.

Следующая задача из вавилонской таблицы BM 85200 свидетельствует о том, что люди не только изображали геометрический план, но и руководствовались непосредственным видом местности.

Пещера. При условии что длина: глубина. 1, земля, я отнял. Моя часть и оставшаяся земля 1’10. Длина и ширина, ’50. Длина, ширина, сколько?[2]

Вы уже, наверное, поняли, что стиль письма математиков Вавилона чем-то схож с телеграфным. Так, эту же задачу можно переформулировать следующим образом:

Глубина пещеры в двенадцать раз больше ее длины.[3]Если сделать пещеру глубже, таким образом, что она станет на единицу глубже, ее объем будет равен 716. Если сложить длину и ширину, получится 5/6.[4]Определите размеры длины, глубины и ширины пещеры.

Задача сопровождается подробным решением, в результате чего получаются следующие ответы: длина – 1/2, ширина – 1/3, глубина – 6.

Перенесемся теперь в долину р. Нил. И конечно же, речь пойдет о пирамидах. Следующая загадка обнаружена на известном папирусе под авторством Ахмеса приблизительно XVI в. до н. э.

Сторона основания пирамиды составляет 140 локтей, наклон[5]– 5 ладоней и 1 палец, какова высота пирамиды?

Локоть, ладонь и палец равны соответственно 52,5 см, 7,5 см и 1,88 см. Ахмес приводит решение: 93 локтя 1/3. В этом же папирусе переписчик также приводит задачу с окружностью.

Диаметр окружности – 9 кхет. Какова площадь круга?

Кхет – это также мера величины, равная приблизительно 52,5 метра. Чтобы разрешить эту задачу, Ахмес утверждает, что площадь такого круглого поля равна площади квадратного поля со стороной 8 кхет. Такое соответствие очень удобно, т. к. намного проще рассчитать площадь квадрата, чем круга. Таким образом, площадь квадрата составит 8 × 8 = 64. Последователи Ахмеса, однако, обнаружили, что полученный им результат не совсем точен. Площадь круга и квадрата не полностью соответствуют друг другу. Многие в дальнейшем – напрасно и вместе с тем целенаправленно – прилагали усилия, пытаясь ответить на вопрос: как начертить квадрат, площадь которого соответствует площади круга. Ахмес, не осознавая этого, сделал первую попытку ответить на вопрос, над которым ломали голову многие математики: определение квадратуры круга!

В Китае также занимались вопросом определения площади круглых полей. Следующая задача была опубликована в первой части «Математики в девяти книгах».

Длина окружности поля равна 30 бю, а ее диаметр – 10 бю. Какова площадь поля?[6]

Бю – мера величины, соответствующая 1,4 м. Как и в Египте, китайские математики допустили ошибку в параметрах данной фигуры. Сегодня нам уже известно, что условия этой задачи неверны, т. к. длина окружности диаметром 10 больше, чем 30. Тем не менее это не мешало китайским ученым определять примерную площадь (75 бю), а также пытаться решить даже более сложные задачи по определению площади колец!

Представим поле в форме кольца, внутренняя окружность которого равна 92 бю, внешняя – 122 бю, а поперечный диаметр – 5 бю. Какова площадь поля?

Вызывает сомнение, были ли в Китае поля в форме колец, и можно предположить, что такие вопросы у ученых Срединной империи носили скорее теоретический характер в целях развития геометрии. Изучение геометрических фигур в той или иной степени необычных и нестандартных и по сей день является излюбленным времяпрепровождением математиков.

Говоря о профессиях, связанных с геометрией, необходимо также упомянуть так называемых бематистов (шагомеров). В то время как землемеры и натягиватели веревок измеряли поля и здания, бематистов интересовали куда большие величины. В Греции люди этой профессии измеряли своими шагами длинные расстояния.

Иногда измеряемые расстояния были огромными. Так, в IV в до н. э. Александр Македонский взял с собой несколько бематистов в кампанию по Азии и дошел с ними до границ современной Индии. Длина этого маршрута составила тысячи километров, которые были шаг за шагом измерены бематистами.

Попробуйте мысленно воспарить и представить, как странно выглядело с высоты птичьего полета это ритмичное движение людей, пересекающих обширные пейзажи Ближнего Востока, равнины Верхней Месопотамии, засушливые желтые пески Синайского полуострова, плодородные берега Нила, а затем, уже в другом направлении, храбро покоряющих горы Персидской империи и пустыни территории современного Афганистана. Невозмутимо шагали они, в монотонном ритме двигаясь через гигантские горы Гиндукуш навстречу Индийскому океану, и неутомимо считали шаги.

Представленная картина поражает, а несоразмерность этого замысла кажется безумием. Как это ни странно, полученные измерения были достаточно точными и отклоняются от современных данных не более чем на 5 %! Благодаря работе, проделанной бематистами Александра Великого, стало возможно впервые в истории создать карту империи такого масштаба.

Двумя веками позже в Египте ученый греческого происхождения Эратосфен реализовал значительно более сложный проект, а именно измерил окружность Земли. Вот это да! Разумеется, не было и речи о том, чтобы бедные бематисты прошагали всю планету. Между тем, благодаря своим наблюдениям разницы в отклонении солнечных лучей между Сиеной (современный Асуан) и Александрией, Эратосфену удалось подсчитать, что расстояние между двумя городами составляет одну пятидесятую окружности Земли.

Вполне естественно, что ученый обратился за помощью бематистов для того, чтобы сделать измерения. В отличие от своих товарищей по профессии из Греции, бематисты из Египта использовали для измерений сопровождавших их в пути верблюдов и их шаги, соответственно. Эти животные известны равномерностью своих шагов. После длительного перехода вдоль Нила удалось подсчитать, что расстояние между городами составляет 5000 стадий (мера длины в Античности), а длина окружности всей планеты – 250 000 стадий, или 39 375 км. Еще раз хочется отметить, с какой потрясающей точностью были сделаны эти расчеты, т. к. по самым точным современным измерениям длина окружности Земли равна 40 008 км. Таким образом, подсчеты Эратосфена отличаются менее чем на 2 %!

Быть может, более всех других цивилизаций Античности греки особенно выделяли геометрию в своей культуре. Эта наука известна своей строгостью и способностью формировать сознание. Платон считал, что изучение геометрии – это обязательное условие для того, чтобы стать философом. Легенда гласит, что на входе в Академию, возглавляемую Платоном, был высечен девиз: «Не геометр да не войдет».

Геометрия становится все более и более популярной еще и за счет своего междисциплинарного положения. Так, арифметические свойства чисел могут интерпретироваться на языке геометрии. Вот, например, определение Евклида из седьмой книги его главного труда «Начала», датируемого III в. до н. э.

При умножении двух чисел получаемое значение называется «планом», а длины сторон, образующих данную фигуру, соответствуют по значению перемножаемым числам.

Если умножить 5 на 3, числа 5 и 3 будут называться в терминологии Евклида «сторонами» произведения. Почему так? Все потому, что произведение может быть изображено как площадь прямоугольника. Если его ширина будет равна 3, а длина – 5, то площадь поверхности будет равна 5 × 3. Так, числа 3 и 5 являются сторонами прямоугольника. Результат перемножения, 15, называется «планом», поскольку соответствует по своим размерам площади фигуры.

Подобные конструкции применимы и для других геометрических фигур. Так, число называется треугольным, если оно может быть представлено в виде… треугольника. Первые треугольные числа: 1, 3, 6 и 10.

Последний из изображенных треугольник, состоящий из десяти точек, есть не что иное, как тетрактис, который Пифагор и его последователи считали символом космической гармонии. Аналогичным образом выделяются квадратные числа, среди которых первыми являются 1, 4, 9, 16.

Можно продолжать выделять соответствие между числами и фигурами. Геометрические изображения чисел позволили сделать наглядными определенные их свойства, которые ранее казались непостижимыми.

Например, вы никогда не пробовали сложить подряд идущие нечетные числа, один за другим: 1 + 3 + 5 + 7 + 9 + 11 + …? Нет? Тогда попробуйте, и вы заметите удивительную закономерность:

Вы обратили внимание на особенность получившегося ряда чисел? Последовательно идущие числа: 1, 4, 9, 16… Это же квадратные числа!

И вы можете еще долго выстраивать этот ряд – закономерность будет всегда верной. Попробуйте сложить нечетные числа от 1 до 19, и, если у вас хватит терпения, вы обнаружите, что получившееся число 100 – это десятое по счету квадратное число:

1 + 3 + 5 + 7 + 9 + 11 + 13 + 15 + 17 + 19 = 10 × 10 = 100.

Удивительно, не правда ли? Но почему это именно так? Как удивительным образом получается именно такая закономерность? Можно доказать ее, используя только числа. Но есть способ еще проще. С помощью геометрического рисунка достаточно изобразить квадратные числа, как это показано ниже, и все становится очевидным.

Каждая последующая линия добавляет нечетное число шаров и тем самым увеличивает на одну единицу сторону получившегося квадрата. Доказательство просто и ясно.

Таким образом, геометрия занимала главенствующее положение в математике, и ни одна гипотеза не могла быть подтверждена без соответствующего геометрического доказательства. Гегемония геометрии продлилась намного дольше, чем сама эпоха Античности и существование греческой цивилизации. Пройдет почти две тысячи лет, прежде чем в эпоху Возрождения ученые начнут активно развивать новое направление математики, в результате чего геометрия уступит свое место новому языку: языку алгебры.

На дворе начало мая. Около двенадцати часов дня, и Солнце находится в зените над парком Ла-Виллет на севере Парижа. Прямо передо мной расположился Городок науки и техники, на входе в который находится «Жеод». Этот необычный кинотеатр, построенный в середине 1980-х, выглядит как гигантский зеркальный шар диаметром тридцать шесть метров.

Кинотеатр привлекает многочисленных туристов с фотоаппаратами в руках, которые пришли посмотреть на необычную достопримечательность Парижа. Целые семьи прогуливаются здесь в эту среду. Влюбленные пары сидят в тени деревьев и гуляют, держась за руки. Тут и там бегущие по парку люди разрезают своим движением толпы людей, которые расступаются в разные стороны, и в спешке бросают взгляд на эту необычную зеркальную сферу. Вокруг дети с интересом рассматривают искаженное изображение окружающего их мира.

Меня же интересуют в первую очередь геометрические параметры данного сооружения. Я подхожу ближе, чтобы рассмотреть его. Поверхность сферы состоит их тысяч треугольных зеркал, связанных между собой. На первый взгляд может показаться, что все элементы идеально соединены друг с другом. Но уже спустя несколько минут многочисленные отклонения становятся заметными. Вокруг некоторых точек вблизи становится очевидным, что примыкающие к ним треугольники отличаются по форме от остальных. В то время как практически все треугольники сгруппированы по шесть вокруг одной точки, есть приблизительно дюжина точек, вокруг которых находится только пять треугольников.

Изображение «Жеода» и тысяч составляющих его треугольников. Точки, вокруг которых расположено только пять треугольников, выделены темно-серым

Эти отклонения практически незаметны на первый взгляд. Большинство людей не обращают на них внимания, но вот для меня как математика в этом нет ничего удивительного. Я скажу даже более, я ожидал их найти! Архитектор не допустил ошибки – в мире существует множество других строений аналогичной конфигурации, где возле около дюжины точек группируются по пять элементов, в отличие от шести во всех остальных случаях. Эти точки являются результатом важных геометрических открытий, сделанных более чем две тысячи лет назад древнегреческими математиками.

Теэтет Афинский – древнегреческий математик, живший в IV в. до н. э., – разработал теорию правильных многогранников. В геометрии многогранник – это фигура, объем которой ограничен плоскими гранями. Так, куб и пирамида – это примеры многогранников. Шар и цилиндр, в отличие от многогранников, имеют округлую поверхность. «Жеод», состоящий из треугольников, также является гигантским многогранником, несмотря на то, что из-за большого количества элементов выглядит похожим на сферу.

Теэтет изучал также абсолютно симметричные многогранники, т. е. объемные фигуры с одинаковыми гранями. В результате его исследований был сделан неожиданный вывод: всего существует пять таких многогранников. Только пять! И не более.

Слева направо: тетраэдр, гексаэдр (куб), октаэдр, додекаэдр, икосаэдр

По сей день в математике используются исторические названия многогранников в соответствии с количеством их граней – слова с греческим суффиксом «-эдр». Так, куб, состоящий из шести квадратных граней, называется в геометрии гексаэдром. Тетраэдр, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр состоят из четырех, восьми, двенадцати и двадцати граней соответственно. Позже они получили название «платоновы тела».

Платоновы? Но почему не теэтетовы? История зачастую несправедлива, и первооткрыватели не всегда получают причитающиеся им по заслугам почести от современников. Платон прославился не тем, что он открыл данные многогранники, но тем, что стал ассоциировать их со стихиями: огонь – с тетраэдром, землю – с гексаэдром, воздух – с октаэдром, а воду – с икосаэдром. Что же касается додекаэдра, то его античный философ ассоциировал с материей, из которой состоит сама Вселенная. Эта теория впоследствии была заброшена наукой, но спустя столетия правильные многогранники по-прежнему носят название платоновых тел.

Чтобы быть до конца откровенным, следует отметить, что и Теэтет не был первым, кто открыл пять правильных многогранников. Были найдены их еще более ранние примеры. На территории современной Шотландии обнаружена коллекция миниатюрных камушков в форме платоновых тел, созданных за тысячу лет до того, как древнегреческий математик сделал свое открытие! Эти экспонаты сегодня хранятся в музее Эшмола в Оксфорде.

Так не заслуживал ли Теэтет звания первооткрывателя больше, чем Платон? Или все же нет? Не совсем так, ведь даже если принять во внимание, что эти геометрические фигуры открыли еще до Теэтета, он был первым, кто заявил о том, что их всего пять. Бесполезно сегодня пытаться определить, кто же все-таки был первым. Это утверждение, хоть и кажется убедительным, оставляет место сомнениям. Эх! В этом весь вопрос.

Данный исторический этап известен тем, что в это время древнегреческие математики начали заниматься новым направлением в науке. С этих пор для них стало недостаточным просто ответить на вопросы. Математики стремились найти исчерпывающие ответы. Они хотели быть уверенными в том, что ничто не ускользнуло от их внимания, и для этого стремились достичь совершенства в искусстве математики.

Вернемся к «Жеоду». Подтверждение открытия Теэтета налицо: невозможно создать правильный многогранник, состоящий из сотен граней. Как же быть архитектору, который хочет возвести строение, максимально приближенное по своему виду к идеальной сфере? С технической точки зрения крайне затруднительно создать такое сооружение монолитным. Таким образом, не остается ничего другого, кроме как собрать его из маленьких элементов. Но как получить такую структуру?

Можно сделать это несколькими способами. Например, можно взять одно из платоновых тел и немного его доработать. Возьмем, скажем, икосаэдр. Состоящий из восьми треугольных граней, он наиболее приближен по форме к шару из пяти платоновых тел. Далее необходимо разбить каждую из его граней на несколько более мелких. Форма полученного многогранника может быть далее изменена таким образом, как если бы в него надули воздух. Форма полученного многогранника становится ближе к форме шара.

Вот как будет выглядеть икосаэдр, если каждую из его граней разделить на четыре треугольника.

Икосаэдр

Икосаэдр, грани которого разделены на четыре треугольника

«Надутый» икосаэдр с разделенными гранями

Такой многогранник называется в геометрии… жеод (gÉode). Поэтому, этимология названия этой фигуры связана с названием Земли, иначе говоря, сферы. В этом нет ничего сложного. Именно по такому принципу был построен «Жеод» в парке Ла-Виллет! Грани в данном случае разделены на большее количество треугольников, а точнее, каждая грань – на 400 треугольников, что в сумме дает 8000 маленьких элементов!

Фактически «Жеод» состоит из чуть меньшего количества граней, а именно 6433, т. к. его основание, расположенное на земле, частично усечено, вследствие чего часть граней отсутствует. Тем не менее его форма позволяет объяснить наличие двенадцати отличающихся точек. Эти элементы являются не чем иным, как двенадцатью вершинами икосаэдра, являвшегося основой для данного многогранника. Иными словами, в этих местах соединялись грани-треугольники первоначального икосаэдра. Эти вершины, которые изначально явно выделялись, после последовательного разделения граней на все большее и большее количество маленьких треугольников стали практически незаметными. Но их присутствие остается неизменным, и внимательный прохожий всегда обратит свое внимание на двенадцать отклонений.

Теэтет, разумеется, не мог предположить, что его исследования позволят со временем построить такие грандиозные сооружения, как «Жеод». И это потрясающее свойство математики, заключающееся в том, что она способна бесконечно развиваться, подметили еще древнегреческие ученые. Они начали постепенно формулировать конкретные вопросы с тем, чтобы создать абсолютно новые и вдохновляющие математические модели. Даже несмотря на то, что эти модели часто казались неприменимыми в то время, когда их разрабатывали, зачастую они становились актуальными спустя уже много лет после смерти своих первооткрывателей.

По сей день примеры платоновых тел можно найти в совершенно разных областях. Так они применяются в качестве формы игральных костей в некоторых играх. Правильная форма обеспечивает равную вероятность выпадения значений, иными словами, каждая грань может выпасть с одинаковыми шансами. Все мы видели шестигранные кубики игральных костей, но более искушенные игроки знают, что в играх используются и остальные четыре типа правильных многогранников, обеспечивающих различную степень вероятности.

Немного дальше от «Жеода» я замечаю детей, играющих в футбол на лужайке в парке Ла-Виллет. Они, конечно же, не задумываются над этим, но и данная игра не появилась бы без открытия Теэтета. Обратили ли они внимание на геометрическую закономерность на их мяче? Большинство футбольных мячей состоят из двадцати шестиугольников и двенадцати пятиугольников. На классических мячах шестиугольники покрашены в белый цвет, а пятиугольники – в черный. И даже если на мяч нанесены какие-либо рисунки, присмотревшись, по швам на нем можно рассмотреть неизменные двадцать шестиугольников и двенадцать пятиугольников.

Усеченный икосаэдр! Так правильно называется форма футбольного мяча. И к его форме предъявляются те же требования, что и к «Жеоду»: форма должна быть наиболее приближена к шарообразной. Разница лишь в том, что создатели этой модели использовали иной способ. Вместо того, чтобы разделять грани, они просто-напросто обрезали вершины. Представьте себе икосаэдр, сделанный из пластилина, и мысленно отрежьте его вершины. После того, как отрезанные вершины будут удалены, на месте двадцати треугольников будут шестиугольники, а на месте удаленных вершин – пятиугольники.

А вот эта маленькая девочка с носовым платком в руках, которая встречается мне на пути на выходе их парка Ла-Виллет? Кажется, она не совсем здорова. Не стала ли она одной из жертв худшего из проявлений микроикосаэдров? Ряд микроорганизмов, таких как вирусы, от природы имеют форму икосаэдров или додекаэдров. Такую форму, например, имеют риновирусы, вызывающие многочисленные виды простуды.

Эти микроскопические существа приобрели такую форму по тем же причинам, которые вызвали преобразования в архитектуре и при создании мячей: с целью симметрии и экономии. Благодаря форме икосаэдра мячи состоят не более чем из двух различных типов граней. Аналогичным образом оболочка вируса состоит из нескольких типов молекул (четыре – для риновирусов), которые соответствуют друг другу, всегда повторяя то же строение. Генетический код, необходимый для создания такой оболочки, гораздо более краток и эффективен, чем при несимметричной форме вируса.

И снова Теэтет очень удивился бы, узнав, какие проявления могут быть у открытых им правильных многогранников.

Ну что ж, покидая парк Ла-Виллет, погрузимся в глубь веков. Почему математики Античности, такие как Теэтет, начали интересоваться теоретическими вопросами общего плана? Для того чтобы найти ответ, нам придется вернуться на несколько тысячелетий назад на восточное побережье Средиземного моря.

По мере того как цивилизации древнего Вавилона и Египта постепенно угасали, Античная Греция начиная с VI в. до н. э. находилась на пике культурного и научного развития. Философия, поэзия, скульптура, архитектура, театр, медицина и даже история – все эти дисциплины начинают расцветать в этот период. Даже сегодня удивительные достижения той эпохи потрясают своим величием и таинством. И в этом интеллектуальном подъеме одно из важнейших мест занимает математика.

Когда мы говорим об Античной Греции, первым приходит на ум город Афины и его главное здание – Акрополь. Я сразу же представляю процессию, шагающую по дворцу из мрамора с горы Панделикон, оливковые ветви и граждан в белых тогах, провозглашающих первую в истории демократию. Эти образы далеко не полностью выражают все богатство и разнообразие древнегреческого общества.

В VIII–VII вв. до н. э. древними греками были основаны многочисленные колонии по всему средиземноморскому побережью. Население древнегреческих колоний иногда перемешивалось с коренными жителями, частично перенимавшими их обычаи и образ жизни. Но не все древние греки жили одинаково. Их питание, виды досуга, вероисповедание, политическая система значительно различались в зависимости от региона.

Появление математики в Древней Греции не стало ограниченным явлением, а, наоборот, сформировало обширную географическую и культурную зону. Связь с более ранними цивилизациями, наследие которых было перенято, а также пересечение различных проявлений изучения математики стало катализатором революционных достижений в этой науке. Многие ученые совершали своеобразное паломничество в Египет или на Ближний Восток как неотъемлемую часть своего обучения. Так, многие математики Древнего Вавилона и Египта благодаря этим путешествиям перенимали часть опыта древнегреческих ученых.

На юго-восточном побережье территории современной Турции, в городке Милет, в конце VII в. до н. э. родился один из первых великих математиков Древней Греции – Фалес. Несмотря на то, что упоминания о нем встречаются в многочисленных источниках, сегодня сложно с точностью что-то сказать о его жизни и работе. Как это часто случалось с учеными того периода, различные легенды возникли вокруг имени известного математика уже после его смерти и распространялись его ревностными учениками, так что подчас крайне сложно отделить правду от вымысла. У ученых античности не было серьезных внутренних противоречий, связанных с толкованием жизни своих кумиров. Так, нередко искажались реальные обстоятельства жизни великих наставников в случаях, когда действительность не соответствовала желаемому.

Современники среди прочего говорили о Фалесе, например, что он был необычайно рассеян. Фалес стал первым за долгое время ученым, о котором ходили слухи как о легкомысленном человеке. Согласно одной из легенд, гуляя ночью, он провалился в колодец, когда засмотрелся на звезды. Другая история повествует о том, что ученый погиб в возрасте восьмидесяти лет из-за того, что, увлеченный процессом, он совсем ничего не ел и не пил во время спортивного соревнования, на которое пришел посмотреть.

О некоторых смелых открытиях Фалеса сложили целые легенды. Так, он был первым, кто точно предсказал время солнечного затмения, которое произошло при битве между мидянами и лидийцами на реке Галис в восточной части современной территории Турции. Когда среди ясного дня наступила кромешная тьма, враждующие стороны посчитали это посланием бога и сразу же объявили перемирие. Для современных астрономов не представляет труда предсказать время затмения в будущем или определить, когда оно было в прошлом. Так, с предельной точностью можно сказать, что затмение, о котором шла речь выше, произошло 28 мая 584 г. до н. э. Так, битва при Галисе – самое раннее историческое событие, дата которого доподлинно известна!

Во время своего путешествия в Египет Фалес решил одну из сложнейших поставленных перед ним задач. Рассказывают, что фараон Амасис лично бросил ему вызов, предложив определить высоту пирамиды. До тех пор ни один из египетских ученых не смог этого сделать. Фалес не допустил поражения и использовал очень изобретательный способ. Ученый из Милета воткнул палку в землю под прямым углом и дождался момента, когда длина тени, отбрасываемой палкой, стала равна высоте палки. В этот же момент он измерил длину тени, отбрасываемой верхушкой пирамиды – это и была высота пирамиды. Ответ на загадку была найден!

История зачастую иронична, и ее правдоподобность можно подвергнуть сомнению. Так, вопреки этой истории, высмеивающей несообразительность древнеегипетских ученых, в папирусе Ахмеса говорится о том, что в Древнем Египте прекрасно знали, как рассчитать высоту пирамиды, более чем за тысячу лет до Фалеса! И где же правда? На самом ли деле Фалес измерил высоту пирамиды? Стал ли он первым, кто применил метод определения ее высоты, используя данные о тени? Или же ему было достаточно измерить оливковое дерево во дворе своего дома в Милете? Последователей Фалеса подозревают в приукрашивании истории после его смерти. Стоит учитывать, что нам известно достаточно мало об этом.

Как бы там ни было, геометрия Фалеса вполне реальна, и, независимо, высоту пирамиды или оливкового дерева он измерил, метод использования тени не становится от этого менее гениальным. Этот способ – один из примеров того, что мы сегодня называем теоремой Фалеса. Ряд других математических достижений присваивают Фалесу: диаметр делит круг пополам (рис. 1), углы основания равнобедренного треугольника равны (рис. 2), вертикальные углы двух пересекающихся прямых равны (рис. 3), треугольник, вписанный в окружность, одна их сторон которого является диаметром окружности, – прямоугольный (рис. 4). Последнее утверждение также часто называют теоремой Фалеса.

Вернемся к нашему новому термину: что же такое теорема? Этимология этого слова состоит из греческих слов thÉa (созерцание) и horáô (смотреть, видеть). Таким образом, теорема – это что-то вроде наблюдения с математической точки зрения, то есть замеченное явление, за которым наблюдали и выводили из наблюдейний определенные закономерности математики. Теоремы могли передаваться как устно, так и письменно. Данный термин мог бы применяться и к бабушкиным рецептам и приметам, которые передавались из поколения в поколение и не подвергались сомнению. Одна ласточка весны не делает, лавровый лист лечит ревматизм, и один из углов треугольника, стороны которого относятся как 3–4–5, прямоугольный. Эти знания мы не подвергаем сомнению и можем использовать снова и снова.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Если рассматривать термин «теорема» так, как это описано выше, то жители Древней Месопотамии, Египта и Китая также имели свои теоремы. Однако начиная с Фалеса, древние греки начали использовать это слово в математическом значении: предполагалось, что теорема должна носить максимально обобщенный характер и подтверждаться доказательством.

Вернемся к одному из свойств, открытие которого приписывают Фалесу: диаметр делит круг пополам. Это утверждение могло бы показаться достаточно неоднозначным для ученого уровня Фалеса, ведь это очевидно. Как могло получиться так, что только в VI в. до н. э. люди пришли к такому очевидному выводу? Нет сомнений, что ученые Древнего Египта и Вавилона уже давно сделали это наблюдение.

Однако надо четко понимать, что имя ученого из Милета осталось в истории не только благодаря сделанному наблюдению, но прежде всего из-за сформулированного им доказательства. Фалес сформулировал эту теорему в общем виде – для любого круга! Чтобы сделать тот же вывод, ученые из древних Вавилона, Египта и Китая обращались к конкретным примерам. Нарисовав круг радиусом 3 и диаметр внутри него, они отмечали, что диаметр делит указанный круг пополам. Если одного примера не было достаточным для подтверждения данного факта, приводился второй, третий, четвертый примеры, если требовалось. Примеры приводились до того момента, пока не становилось очевидным, что это верно для любого подобного случая. Но никогда ранее не приводилось и не формулировалось обобщенное доказательство.

Фалес был в этом первооткрывателем. Он говорил о любом круге, независимо от его параметров. Он мог быть как гигантского размера, так и совсем крошечным, начерченный на горизонтальной, вертикальной или наклонной поверхности – совершенно не важно, какой конкретно круг. Всегда диаметр будет делить его на две равные половины.

Так, Фалес был первым, кто окончательно придал геометрическим фигурам статус абстрактных математических объектов. Этот этап в развитии по значению сопоставим с моментом, когда за две тысячи лет до этого в Месопотамии числа стали рассматриваться отдельно от исчисляемых объектов. Круг с этих пор перестает быть очертанием, сделанным на земле, глиняной табличке или папирусе, и перерастает в идею, абстрактную категорию, идеальную форму, реальные изображения которой отныне становятся не более чем условной иллюстрацией. С этих пор математические истины формулируются обобщенно, независимо от наличия конкретных примеров. Такие задачи древние греки теперь стали называть теоремами.

У Фалеса были многочисленные последователи в Милете. Двое наиболее известных из них – Анаксимен и Анаксимандр. У последнего, в свою очередь, тоже были ученики, самый известный из которых, Пифагор, прославился благодаря открытой им теореме.

Пифагор родился в начале VI в. до н. э. на острове Самос, расположенном на территории современной Турции, в нескольких километрах от Милета. В юности он учился и путешествовал по античному миру и в конце концов обосновался в городе Кротон на юго-востоке современной территории Италии. Именно здесь он основал свою школу в 532 г. до н. э.

Учениками Пифагора были не только математики и ученые, но и философы, теологи и политические деятели. Стоит отметить, что если бы мы посмотрели на основанное Пифагором сообщество с точки зрения сегодняшнего дня, то оно могло бы показаться опасной и мрачной сектой. Повседневная жизнь пифагорейцев была жестко регламентирована. Каждому, кто хотел попасть в эту школу, предстояло выдержать пятилетний обет молчания. В этом сообществе отсутствовала частная собственность: все блага были общими. В среде пифагорейцев использовались различные символы для инициации, такие, как, например, тетрактис или пентаграмма в форме пятиконечной звезды. Кроме того, пифагорейцы считали себя избранными и не признавали иной власти. По этой причине Пифагор в возрасте 85 лет погиб во время массовых беспорядков.

О Пифагоре сложили множество легенд, некоторые из них поистине невероятны. Если проанализировать их, то становится понятным, что у его учеников было очень яркое воображение. Так, остались свидетельства о том, что Пифагор был сыном Аполлона. Значение имени Пифагор расшифровывается как «возвещенный Пифией»: Пифия Дельфийская была прорицательницей храма Аполлона, она предсказала родителям Пифагора, что их сын станет наипрекраснейшим и наимудрейшим из живущих. Так, от рождения ему предначертано великое будущее. Считается, что Пифагор помнил все свои предыдущие жизни. Например, он был героем на полях сражений в Троянской войне, и звали его Эуфорб. В молодости Пифагор участвовал в Олимпийских играх и одерживал победу во всех соревнованиях по кулачному бою (прообраз современного бокса). Ученый впервые вывел музыкальные гаммы. Он мог ходить по воздуху, умер и воскрес, обладал божественными способностями и мог исцелять людей. Ему повиновались животные, и он мог обращать любой материал в золото.

В то время как основная часть этих историй – полнейшая чушь, даже в самые правдоподобные сложно проверить. Правда ли, что Пифагор был первым, кто ввел понятие «математика»? Факты настолько противоречивы, что рядом ученых само существование Пифагора ставится под сомнение. Ими выдвинута гипотеза, что Пифагор был вымышленным персонажем и использовался пифагорейцами как тотемная фигура для поклонения.

В отсутствие более точных сведений о математике перейдем непосредственно к тому, что прославило философа в веках и изучается учениками уже спустя более чем 2500 лет: теореме Пифагора! О чем же эта знаменитая теорема? Сама ее формулировка может показаться удивительной, т. к. в этой теореме ученый объединил две математические категории, которые ранее рассматривались только самостоятельно: прямоугольные треугольники и квадратные числа.

Возьмем наш любимый прямоугольный треугольник с параметрами 3–4–5. Квадратные числа с такими сторонами будут равны соответственно 9, 16 и 25.

Можно заметить удивительную закономерность: 9 + 16 = 25. Сумма квадратов 3 и 4 равна квадрату 5. Можно предположить, что это просто совпадение, но если мы попробуем проверить данную закономерность на других прямоугольных треугольниках, то каждый раз будет получаться то же самое. Возьмем, например, треугольник со сторонами 65–72–97, который мы можем найти уже в вавилонских таблицах. Соответственно, квадратные значения будут равны: 4225, 5184 и 9409. Сумма 4225 и 5184 равна 9409. Когда приводятся примеры с такими большими числами, сложно поверить в чистое совпадение.

Вы можете проверить, взяв значения сторон любого прямоугольного треугольника – маленького или большого, широкого или узкого, – это правило будет работать всегда! В прямоугольном треугольнике сумма квадратов сторон, образующих прямой угол (катетов), равна квадрату третьей стороны (гипотенузы). И это правило применимо и в обратную сторону: если в треугольнике сумма квадратов катетов равна квадрату гипотенузы – это прямоугольный треугольник. Это и есть теорема Пифагора!

Вполне вероятно, что на самом деле первооткрывателем этой теоремы был не Пифагор и даже не его ученики. Даже если в Вавилоне и не сформулировали данную теорему в том виде, в котором это будет показано далее, есть основания полагать, что уже тогда, за тысячу лет до этого, стали известны соответствующие тройки чисел. Иначе как шумеры смогли бы перечислить все эти значения сторон прямоугольных треугольников в Плинтонской табличке? В Древнем Египте и Китае также с большой долей вероятности знали о закономерности, подтвержденной впоследствии в теореме. Это следует из комментариев к «Математике в девяти книгах», добавленных в более поздних редакциях.

Некоторые считают, что Пифагор был первым, кто продемонстрировал доказательство этой теоремы. Тем не менее однозначного подтверждения этому факту нет, и первым источником, в котором приводится доказательство, является труд Евклида «Начала», датируемый тремя веками спустя.

Для греческих математиков возможность доказать теорему становится ключевым моментом. Ни одна теорема не может считаться состоятельной, если ее не сопровождает доказательство, иными словами, логичное и точное подтверждение. Крайне важным было суметь предметно продемонстрировать доказательство, т. к. в противном случае оставалось сомнение в совершенстве теоремы и были бы возможны неожиданные сюрпризы. Некоторые методы, несмотря на то что широко известны и повсеместно используются, не всегда хорошо работают.

Вот пример. Помните, в папирусе Ахмеса описывалось, как начертить квадрат и круг с одинаковой площадью? В этих рассуждениях, без сомнения, есть ошибка. Отклонения незначительные, тем не менее они есть. При измерении площадей фигур оказывается, что разница составляет приблизительно 0,5 %! Ну что же, для землемеров такая точность достаточна, однако для теоретиков математики недопустима.

Даже среди гипотез Пифагора были ошибочные суждения. Одно из таких заблуждений касалось соизмеримости длин. Пифагор полагал, что в геометрии любые величины соизмеримы, т. е. всегда можно найти достаточно малую величину для измерения любых двух длин. Представьте два отрезка длиной 9 и 13,7 см соответственно. В Древней Греции еще не использовались десятичные значения для измерений, и, таким образом, второй отрезок нельзя было измерить в сантиметрах. Разумеется, нет ничего сложного в том, чтобы определить длину отрезка единицами в десять раз меньшими, чем сантиметры, соответственно, длины отрезков составят 90 и 137 мм. Пифагор был убежден, что любые два отрезка соизмеримы, и их длины можно определить в соответствующих единицах.

Это утверждение опроверг древнегреческий философ-пифагореец Гиппас из Метапонта. Ученому приписывают открытие существования несоизмеримых отрезков, а именно стороны и диагонали квадрата! Какую бы вы ни выбрали единицу измерения, сторона квадрата и его диагональ не будут соизмеримы в целых выбранных единицах. Гиппас привел логическое обоснование этой гипотезы и не оставил никакого сомнения в ее справедливости. Пифагор и его последователи были настолько сильно оскорблены этим, что исключили Гиппаса из школы. В некоторых источниках даже говорится о том, что ученого сбросили с обрыва в море его ученики!

Математикам эти истории могут показаться ужасающими. Можно ли когда-либо чувствовать себя полностью уверенным? Каково это, жить в постоянном страхе того, что в один прекрасный день математическое открытие оборвет вашу жизнь? И треугольник со сторонами 3–4–5 – в самом ли деле он прямоугольный? Нет ли вероятности, что в один из дней выяснится, что, казавшийся абсолютно прямым, он все же не идеален?

Даже сегодня нередки случаи, когда математики становятся жертвами ошибочных догадок. Именно поэтому, продолжая традиции своих древнегреческих предков, современные математики четко разграничивают суждения, которые могут быть однозначно доказаны, так называемые теоремы, и те из них, которые еще не доказаны, получившие название «гипотезы».

Одной из самых известных гипотез нашего времени является гипотеза Римана. Многие математики опираются на ее справедливость и основывают на ней свои исследования. Если когда-нибудь эта теорема будет доказана, их работа также окажется подтвержденной. Но если ее опровергнут, то и все их труды будут напрасны. Ученые XXI в. намного более благоразумны, чем их предшественники из Древней Греции, тем не менее можно предположить: если кому-то удастся опровергнуть гипотезу Римана, даже в текущих условиях на этого человека вполне предсказуемо обрушится гнев некоторых коллег.

Чтобы избежать этого постоянного страха ожидания опровержения, математикам требуется приводить доказательства. Нет, мы никогда не узнаем о том, что треугольник со сторонами 3–4–5 не является прямоугольным. Это точно. И эта уверенность проистекает из теоремы Пифагора, которая подтверждает это. Любой треугольник, сумма квадратов катетов которого равна квадрату гипотенузы, является прямоугольным. Это суждение было для математиков Месопотамии гипотезой, но благодаря древним грекам оно стало теоремой. Уф!

Так в чем же заключается доказательство? Теорема Пифагора – не только одна из самых известных теорем, она также имеет множество различных доказательств. Их насчитывается несколько десятков. Некоторые из них сделаны представителями цивилизаций, которые даже не слышали о Евклиде или Пифагоре – например, подтверждение встречается в китайском произведении «Математика в девяти книгах». Иные доказательства сформулированы уже после Пифагора – с той лишь целью, чтобы остаться в истории и поупражняться в рассуждениях. Так, среди тех, кто сформулировал собственные доказательства теоремы Пифагора, – знаменитый итальянский изобретатель Леонардо да Винчи, а также двадцатый президент США Джеймс Абрам Гарфилд.

Один из наиболее распространенных принципов доказывания – принцип мозаики: если две геометрические фигуры могут быть сложены из равных элементов, то их площади равны. Обратимся к примеру такого доказательства, которое привел в III в. н. э. ученый из Китая Лю Хуэй.

Два квадрата, стороны которых соответствуют катетам, состоят из двух и пяти частей соответственно. Из этих же самых семи частей состоит квадрат со стороной, равной гипотенузе. Площадь квадрата со стороной, равной гипотенузе, таким образом, равна сумме площадей двух других квадратов. И так как значение площади квадрата равно числовому значению квадрата стороны, теорема Пифагора верна.

Для того чтобы доказательство было убедительным, необходимо гарантировать, что все составляющие абсолютно равны по размерам и что это будет верно для любых прямоугольных треугольников.

Попробуем коротко изложить последовательность рассуждений. Почему треугольник со сторонами 3–4–5 прямоугольный? Потому что он подтверждает теорему Пифагора. А почему теорема Пифагора верна? Потому что доказательство Лю Хуэйя подтверждает, что квадрат со стороной, равной гипотенузе, может быть составлен из тех же элементов, что и два квадрата, стороны которых равны катетам. Это все очень напоминает детскую игру в «почему». Проблема этой игры в том, что вопросы никогда не заканчиваются. Каков бы ни был ответ, следом возникает еще один вопрос, начинающийся со слова «почему». Почему? Да, действительно, почему?

Вернемся к нашему примеру: мы утверждаем, что если из одних фигур можно составить другую, то их площади равны. Но как можно убедиться в том, что это действительно так? Что если в зависимости от того, как будут сложены элементы, площади станут отличаться? Такое предположение может показаться абсурдным, не так ли? Настолько абсурдным, что даже странно было бы пытаться это доказывать…

Ситуация непростая. Осложняется она еще и тем, что, даже если нам удастся объяснить, почему принцип мозаики правильный, после этого необходимо будет доказывать справедливость самих аргументов, используемых в целях доказывания!

Математики Древней Греции отдавали себе отчет в существовании этой проблемы. Для того чтобы доказать что-либо, необходимо было от чего-то отталкиваться. Так, первая фраза любого доказывания не может быть доказана как минимум потому, что она первая. Любая математическая конструкция должна начинаться с определенного количества предпосылок, на которых и будут основываться последующие рассуждения.

Такие истины в математике получили название «аксиомы». Как и теоремы и гипотезы, они являются плодами наблюдения математиков, но, в отличие от других двух типов, не требуют приведения доказательств и принимаются как истинные.

«Начала», написанные Евклидом в III в. до н. э., описывают в тринадцати книгах принципы геометрии и арифметики.

О жизни Евклида не сохранилось такого большого количества информации, как о Фалесе или Пифагоре. По одним данным, он жил где-то в районе Александрии. По другим – по аналогии с Пифагором, некоторые историки предполагают, что это вымышленное имя, под которым скрывается наследие нескольких ученых. Наверняка это нельзя определить.

В отсутствии информации о самом ученом человечество получило огромное наследие в виде «Начал», теоретической работы, которая единогласно признается одним из наиболее значительных произведений математики, т. к. именно в нем впервые появилось понятие аксиоматики. Форма написания «Начал» максимально приближена к тому формату, который используется современными математиками. В конце XV в. н. э. «Начала» были среди первых произведений, которые перепечатывались на только что появившемся прессе Гуттенберга. Сегодня произведение Евклида занимает второе по количеству отпечатанных копий место, уступая по этому показателю только Библии.

В первой книге «Начал» Евклида, посвященной, прежде всего, геометрии, была дана следующая система аксиом.

1. От всякой точки до всякой точки можно провести прямую.

2. Ограниченную прямую можно непрерывно продолжать по прямой.

3. Из всякого центра всяким радиусом может быть описан круг.

4. Все прямые углы равны между собой.

5. Если прямая, пересекающая две прямые, образует внутренние односторонние углы, меньшие двух прямых углов, то, продолженные неограниченно, эти две прямые встретятся с той стороны, где углы меньше двух прямых углов.[7]

Далее приводятся безукоризненные доказательства многочисленных теорем, и для каждого Евклид использует только эти пять аксиом либо результаты, полученные с их применением. Последняя из описанных в первой книге теорем есть не что иное, как теорема Пифагора.

После Евклида многие математики задумывались над вопросом выбора аксиом. Многие из них особенно долго рассуждали над пятой аксиомой. Она куда менее очевидна, чем четыре другие. Часто ее заменяют другой аксиомой, которая позволяет прийти к аналогичным выводам: через точку можно провести единственную прямую, параллельную данной прямой. Дебаты по поводу выбора пятой аксиомы продолжались вплоть до XIX в., когда появились новые геометрические модели, для которых эта аксиома неверна.

Открытие аксиом приводит к еще одной проблеме: проблеме определений. Все эти используемые слова: точки, части, углы, различные круги, – что они обозначают? Так как для приведения доказательств вопрос формулирования определений бесконечен, самое первое определение будет дано с использованием определенных терминов впервые.

В «Началах» определения появляются раньше, чем аксиомы. Первая фраза первой книги – определение точки.

Точка есть то, что не имеет частей.

Как же с этим быть! Этим определением Евклид хотел сказать, что точка – это наименьшая из геометрических фигур. Невозможно разделить на части точку, т. к. она неделима и не имеет частей. В 1632 г. в первом французском издании «Начал» Дени Энрион (Denis Henrion) немного расширил определение, уточнив, что у точки нет ни длины, ни ширины, ни толщины.

Отрицательные определения оставляют возможности для скепсиса. Сказать, чем точка не является, это не то же самое, что сказать, чем она является! И это настолько хитро, что лучше и не придумаешь. В некоторых школьных учебниках начала XX в. можно найти следующее определение: точка – это оттиск, оставленный на листке бумаги абсолютно острым карандашом. Абсолютно острым! В этот раз определение конкретное. От такого определения у Евклида, Пифагора и Фалеса волосы на голове встали бы дыбом, ведь они приложили много сил для того, чтобы сделать из геометрических фигур абстрактные идеальные объекты. Ни один карандаш, как бы хорошо он ни был заточен, не сможет оставить такой оттиск, который не имеет ни длины, ни ширины, ни толщины.

Коротко говоря, никто наверняка не может сказать, что же такое точка, но все согласны с тем, что сама ее природа настолько очевидна, что применение определений может привести к еще большей двусмысленности. Мы в той или иной степени уверены, что говорим об одном и том же, когда используем термин «точка».

Это допущение будет использоваться во всех первых определениях и аксиомах, которые станут базовыми для самой геометрии. И, за неимением лучшего, этот принцип используется во всех математических моделях.

Определения, аксиомы, теоремы, доказательства – путь, проложенный Евклидом, определил принципы работы будущих математиков. Однако, несмотря на то что теории структурировались и становились проще, математики столкнулись с новыми явлениями, которые, подобно песчинкам в ботинке, стали мешать стройности рассуждений: они получили название «парадоксы».

Парадокс – это пример того, что должно работать, но по какой-то причине не работает. И это противоречие необъяснимо. Объяснение, которое кажется абсолютно верным, тем не менее приводит к совершенно невероятному и абсурдному заключению. Представьте себе перечень аксиом, кажущихся вам бесспорными. Однажды вы столкнетесь с теоремой, которая докажет их ошибочность. Кошмар!

Один из самых известных парадоксов связывают с именем Евбулида Милетского и словами поэта Эпименида. Последний заявил однажды, что «все жители Крита – лгуны». Проблема заключается в том, что Эпименид и сам был критянином. Таким образом, если то, что он сказал, верно, то это утверждение ложно… и, следовательно, его слова ложь. А если, напротив, утверждение ошибочно, то он солгал и утверждение верно! Впоследствии появились многочисленные варианты данного парадокса, среди которых один из наиболее простых может быть сформулирован как «я лгу».

Парадокс лжеца ставит под сомнение мысль о том, что любое утверждение не может быть одновременно и верным, и неверным. Третьего не дано. В математике этот принцип получил название «закон исключенного третьего». На первый взгляд, можно было бы принять этот принцип в качестве аксиомы. Однако парадокс лжеца дает нам понять, что ситуация может оказаться не такой очевидной. Если сформулированная закономерность подтверждает свою собственную неверность, с логической точки зрения нельзя признать ее ни верной, ни неверной.

Несмотря на это многие математики и по сей день придерживаются закона исключенного третьего и считают его верным. В конце концов, парадокс лжеца на самом деле не столько математическое наблюдение, сколько лингвистическое несоответствие. Более чем через две тысячи лет после Евбулида логики заметили, что парадоксы такого рода могут также возникать в контексте самых строгих теорий, что, безусловно, заставляло волноваться математиков.

Зенон Элейский, живший в Древней Греции в V в. до н. э., также прославился своими парадоксами. Ему приписывается авторство десятка парадоксов. Один из самых известных – это парадокс Ахиллеса и черепахи.

Представьте забег, в котором участвуют знаменитый своими физическими способностями Ахиллес и черепаха. Чтобы уравнять их шансы, предоставим черепахе фору, скажем, в 100 м. Несмотря на это кажется, что Ахиллес, скорость которого в разы превышает скорость черепахи, рано или поздно обгонит ее. Зенон, однако, убеждает нас в обратном.

Рассмотрим забег в несколько этапов – говорит нам Зенон. Для того чтобы обогнать черепаху, Ахиллес должен для начала преодолеть хотя бы расстояние, отделяющее его от черепахи. Когда Ахиллес пробежит эти сто метров, черепаха уже будет чуть дальше, и, таким образом, Ахиллесу нужно будет пробежать еще и этот интервал, чтобы ее догнать. Но когда он преодолеет этот участок, черепаха окажется еще чуть дальше. Так можно продолжать и продолжать, но черепаха все равно окажется чуть дальше, чем атлет.

Коротко говоря, каждый раз, когда Ахиллес достигает точки, в которой изначально была черепаха, она продвигается чуть дальше. И это остается верным, сколько бы раз ни повторялось! Так, расстояние между ними будет сокращаться, но Ахиллес никогда не догонит черепаху.

Абсурд, не так ли? Достаточно на практике убедиться в том, что бегун без труда обгонит черепаху. Однако с точки зрения теоретической логики ошибки в рассуждениях нет.

Математикам потребуется немало времени, прежде чем будет сделан вывод о том, что этот парадокс есть не что иное, как ловкая игра в бесконечность. Если бы бегуны преодолевали дистанцию, которую Евклид называл отрезком, т. е. ограниченную часть прямой, которая обладает длиной, в то время как он состоит из бесконечного количества точек, не обладающих длиной. Таким образом, мы можем говорить о сочетании бесконечного и конечного. Парадокс Зенона заключается в том, что временные интервалы, за которые Ахиллес преодолевает все новые и новые расстояния, могут быть бесконечно разделены на более мелкие. Если же заменить бесконечность на ограниченное количество времени, то Ахиллес без труда догонит черепаху, когда истечет время.

Понятие бесконечного в математике привело не только к появлению многочисленных парадоксов, но и к формированию самых невероятных теорий.

На протяжении всей истории у математиков было неоднозначное отношение к парадоксам. С одной стороны, они представляют большую опасность. Как только однажды в теории возникает парадокс, все умозаключения ее сторонников и построенные на ее принципах теоремы теряют свой смысл. Но, с другой стороны, какой вызов! Парадоксы – это неиссякаемый источник для новых вопросов и знаний. Наличие парадокса говорит о том, что есть еще что-то, до конца не изученное. Это значит, что мы не до конца поняли явление, плохо сформулировали определение, неверно выбрали аксиому. Это подтверждение того, что вещи устроены иначе, чем мы думали ранее. Парадокс – это приглашение в увлекательное путешествие, повод для обдумывания сущностных идей. Как много новых идей и теорий мы обошли бы стороной, если бы парадоксы не подтолкнули нас к их открытию?

Парадоксы Зенона способствовали тому, что ученые описали концепции бесконечного и измеримого. Парадокс лжеца дал толчок для дальнейших поисков логиками возможностей более наглядного подтверждения своих идей. Даже сегодня многие ученые изучают определенные направления математики, которые зарождались еще в парадоксах древнегреческих ученых.

В 1924 г. математики Стефан Банах и Альфред Тарски явили свету парадокс, впоследствии названный в их честь. Он ставит под сомнение сам принцип мозаики, каким бы очевидным тот ни казался. Банах и Тарски смогли описать разделение мозаики в трехмерном пространстве, в результате чего объем отличался в зависимости от того, каким образом складывались отдельные элементы! Так, выбранные элементы были настолько странными и несуразными, что не имели ничего общего с геометрическими фигурами, которые выбирали древние греки. Можно быть уверенными в том, что принцип мозаики работает в случае с фигурами в форме треугольников, квадратов и иных классических фигур. Доказательство теоремы Пифагора, данное Лю Хуэйем, остается верным.

Но пусть это будет уроком! Не стоит безрассудно брать за основу кажущееся очевидным. Сохраним же интерес к тайнам математического мира, который греческие ученые когда-то открыли для нас.

14 марта 2015 г., я иду во Дворец открытий. Сегодня день торжества! В начале 1930-х годов французский физик, лауреат Нобелевской премии Жан-Батист Перрен замыслил проект создания научного центра, деятельность которого была бы направлена на привлечение общественного интереса к последним исследованиям во всех областях науки. Дворец открыт в 1937 г. в двух шагах от Елисейских полей и занял все западное крыло Большого дворца площадью в 25 000 кв. м. Выставки длились не более полугода и имели большой успех. Двадцать пять лет спустя выставки во Дворце открытий до сих пор привлекают сотни тысяч посетителей ежегодно.

Выйдя из метро, я иду по авеню Франклина-Рузвельта ко входу во Дворец. Подходя к зданию, замечаю цифры: 4, 2, 0, 1, 9, 8, 9. Странная последовательность цифр, написанных на земле, переходит на ступени лестницы, а затем внутрь здания. Необычное решение! В предыдущий раз, когда я был здесь, цифр еще не было. Они продолжаются: 1, 3, 0, 0, 1, 9. Я захожу в здание дворца. Они повсюду: 1, 7, 1, 2, 2, 6. Они пересекают центральную ротонду, продолжаются вверх по лестнице, 7, 6, 6, 9, 1, 4. Я поднимаюсь по ступеням четыре на четыре, прохожу ко входу в планетарий и поворачиваю налево, 5, 0, 2, 4, 4, 5. Цифры ведут меня прямо к отделу математики. Я вижу, как они поднимаются по стене: 5, 1, 8, 7, 0, 7. И вот их источник. Я стою в центре огромной круглой комнаты, красные и черные цифры становятся все больше, они кружатся, поднимаясь все выше. Наконец я нахожу начало серии: 3, 1, 4, 1, 5… Я в сердце одного из самых символичных мест Дворца открытий: в зале π.

Число π, без сомнения, является самой известной и волнующей константой в математике. Круглая форма зала напоминает о том, что значение числа π неразрывно связано с геометрической формой окружности: умножив диаметр окружности на число π, можно узнать ее периметр. Буква π (читается как «пи») – шестнадцатая буква греческого алфавита, соответствует букве «П» и стоит первой в слове «периметр». Число π не такое большое – немного более 3, но его точное значение бесконечно: 3,14159265358979…

В самом зале π, на его округлых стенах написаны первые 704 цифры после запятой. Но сегодня этот ряд продолжен до 1000 значений. Стоит отметить, что сегодня особенный день. 14 марта 2015 г. – день числа π!

Впервые День π стали отмечать 14 марта 1988 г. в Эксплораториуме – американском аналоге Дворца открытий, расположенном в самом центре Сан-Франциско. Четырнадцатый день третьего месяца (что в американском написании обозначается как 3/14) – эта дата идеально подходила для того, чтобы отмечать День π, ведь обычно это число сокращают до 3,14. С тех пор эта инициатива была воспринята, и многие энтузиасты по всему миру собираются каждый год, чтобы отметить день постоянной и воздать почести самой математике. Празднование этого события набрало такой оборот, что в 2009 г. День π был признан официальным праздником Палатой представителей США.

В нынешнем, 2015 г. поклонники отмечают этот праздник особенно восторженно. Сегодняшняя дата 3/14/15 по совпадению соответствует более точному написанию числа π. Этот день должен особенно запомниться. По случаю празднования весь математический корпус Дворца открытий находится в центре событий. Я здесь по этой же причине. Как и другие математики, предвкушаю богатый на открытия день.

Число π появилось благодаря геометрии, а затем распространилось и на другие направления математики. Это многоликое число. В арифметике, алгебре, математическом анализе, теории вероятности встречаемое повсеместно число π вряд ли обойдет стороной кого-то из математиков. В самом центре Дворца открытий, на ротонде, изображено множество ипостасей константы. Посетители могут попытаться сосчитать точки, размеченные на полу, пропорции чисел в таблице умножения. На земле дети надевают на диск деревянные дощечки. Другая группа занята изучением траектории преломления точки на план. И каждый раз получается одинаковый результат: 3,1415…

Чуть далее посетителям предлагается найти дату их рождения в десятичной части числа π. Молодой человек, родившийся 25 сентября 1994 г. делает попытку отыскать эту дату. Сочетание 22091994 находится на 12 785 022-м разряде после запятой. Математики полагают, что любые комбинации цифр рано или поздно встречаются в десятичной части числа π. Компьютерное моделирование в какой-то мере подтверждает это: до сих пор все искомые последовательности в итоге были найдены. Тем не менее неопровержимые доказательства того, что таких комбинаций нет, отсутствуют.

Ко мне подошла девочка лет двенадцати. Она взволнована необычными инструментами, которые нас окружают, и бросает на меня взгляд.

– Ты знаешь, что такое число π? Ты уже слышала о нем?

– О да! – восклицает она. Это – 3,14. Ну не совсем… Примерно 3,14… Я видела его в школе. Это для того, чтобы определять длину окружности. Мы еще учили стишок.

– Стишок?

И она прочитала мне стихотворение для запоминания:

Я невольно улыбнулся и вспомнил, как мы в школе тоже запоминали знаки после запятой в числе π таким вот оригинальным способом. В разных языках есть свои аналоги такого стихотворения. Например, во французском языке есть стихотворения, количество букв в каждом из слов которого соответствует цифре в числе π. Есть даже одна из версий перевода стихотворения Эдгара По «Ворон», в котором, таким образом, зашифрованы 740 знаков после запятой![8]

– Браво! – восклицаю я. Мне кажется, что я не смог бы запомнить эту считалочку. А скажи-ка, девочка, тебе известно, кто такой Архимед?

Я вижу, что поставил ее в тупик своим вопросом. Девочка пожала плечами. Начнем путешествие в прошлое. Перенесемся на Сицилию на 2300 лет назад, в античный город Сиракузы. Именно здесь жил Архимед.

Цикады поют под палящим солнцем. Улицы наполнены ароматами со всего Средиземноморья. На рынке торгуют оливками, виноградом и рыбой. К северу от города на горизонте возвышается силуэт горы Этны. На западе плодородные равнины обеспечивают процветание колонии, в то время как на востоке порт открывает выход к морю. Сиракузы приобрели известность и влияние благодаря своему центральному положению на перекрестке морских путей. Основанные за пять веков до этого греческими завоевателями из Коринфа, Сиракузы являются одним из самых процветающих городов во всем Средиземноморье.

Именно здесь в 287 г. до н. э. родился поистине гениальный человек, считающийся основоположником нового направления в математике. Архимед известен как великий изобретатель, находивший новые и революционные решения математических задач. Современники обязаны ему открытием принципа рычага и винта. Именно он, по легенде, выкрикнул: «Эврика!» – когда принимал ванну и открыл новый физический принцип, который теперь носит его имя: на погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела. Таким образом, предметы, масса которых меньше воды, всплывают, в то время как более тяжелые тонут. Также Архимед прославился тем, что, когда Сиракузы были осаждены римским флотом, применил систему зеркал, чтобы сконцентрировать солнечные лучи и сжечь приближающиеся вражеские корабли.

Архимед был первым из математиков, кто начал использовать в своих рассуждениях число π. Окружности изучались и до него, но без такой систематичности. Вспомните «Математику в девяти книгах» – в этой работе рассматривались поля, диаметр которых равнялся 10 бю, а длина окружности определялась как 30 бю. Исходя из этого, величина π равна примерно 3. В папирусе Ахмеса квадратура круга была определена в размере 3,16, что также приблизительно равняется величине π.

Архимед понимал, что это крайне сложно, а может, и невозможно – рассчитать точную величину π. Значит, он также будет довольствоваться приближенным значением этой константы, но его подход будет отличаться в двух моментах. Во-первых, в то время как его предшественники пытались найти точное значение, сицилийский ученый прекрасно понимал, что π имеет только приблизительное. И, во-вторых, он будет разрабатывать метод, позволяющий находить все более и более точное значение π.

Путем вычислений Архимед рассчитал, что приблизительное значение π находится между 3,1408 и 3,1428. Таким образом, Архимед определил значение числа π с точностью до 0,03 %.

Сторона такого квадрата равна 1 (как и диаметр круга), таким образом, его периметр равен 4. Так как периметр окружности очевидно меньше периметра квадрата, можно наверняка утверждать, что π меньше 4.

Впишем в окружность правильный шестиугольник так, как это показано ниже.

Правильный шестиугольник состоит из шести равных правильных треугольников со стороной 0,5 единицы (половина диаметра окружности). Периметр шестиугольника будет равен 6 × 0,5 = 3. Таким образом, делаем вывод, что π больше 3!

Теперь, зная, что 3 < π < 4, остается только увеличивать количество сторон. Если увеличить количество сторон шестиугольника в два раза, получится фигура с 12 сторонами, периметр которой будет ближе к периметру окружности. Следуя нескольким несложным логическим рассуждениям (основанным на теореме Пифагора), мы приходим к выводу, что периметр двенадцатиугольника равен приблизительно 3,11.

Чтобы получить результат с точностью до 0,001, Архимед повторил эту операцию еще три раза. Увеличив количество сторон сначала до 24, затем до 48, а далее до 96!

Вы не видите здесь многоугольника? Это нормально, поскольку он практически сливается с окружностью. Так, Архимед рассчитал, что π больше, чем 3,1408. И, повторив аналогичный процесс с описанными многоугольниками, он вычислил, что π меньше чем 3,1428.

Сильная сторона рассуждений Архимеда заключается не только в найденном результате, но и в потенциале для его дальнейшего уточнения. Теоретически, если задаться такой целью, можно бесконечно увеличивать количество сторон многоугольников для дальнейшего уточнения значения числа π.

В 212 г. до н. э. римские войска в конце концов прорвались в Сиракузы. Военачальник Марк Клавдий Марцелл, руководивший осадой города, приказал пощадить Архимеда, которому к тому моменту было уже 75 лет. После того как город был взят, древнегреческий ученый продолжал заниматься своими исследованиями. Когда древнеримский легионер приказал ему остановиться, Архимед не послушался и пытался спасти свои чертежи, сделанные на земле – он бросился на солдата со словами: «Не трогай мои окружности!» Воин растерялся и пронзил математика своим мечом.

Узнав о случившимся, генерал Марцелл приказал поставить на могиле Архимеда памятник в виде сферы, вписанной в цилиндр – символично повторяющий один из предметов исследования ученого. В последующие 700 лет в Римской империи не будет более великого математика, чем Архимед.

Развитие математики приостановилось вплоть до конца эпохи Античности. Римская империя распространилась к этому моменту на все побережье Средиземного моря, и древнегреческая идентичность растворилась в этой новой культуре. Дух математиков Древней Греции, возможно, сохранился еще на несколько веков только в одном городе: Александрии.

Александр Македонский захватил Египет в конце 332 г. до н. э. Пройдет всего несколько месяцев, прежде чем он провозгласит себя фараоном в Мемфисе и решит заложить фундамент нового города на побережье Средиземного моря. Александру, однако, не суждено будет увидеть город, названный в его честь. Когда он умрет через восемь лет в Вавилоне, его царство разделят генералы, и Египет перейдет к Птолемею I, который сделает Александрию столицей. Во время его правления Александрия станет одним из самых процветающих городов Средиземноморья.

Птолемей продолжил дело, начатое Александром. На оконечности острова Фарос, который обращен к городу, он начал строительство монументального маяка. Спустя совсем немного времени древнегреческие авторы признали Александрийский маяк уникальным памятником и назвали его седьмым – и последним – «чудом света».

Давайте остановимся на минуту и насладимся потрясающим видом, который предстает перед глазами путешественника, набравшегося сил, чтобы подняться по сотне ступеней вверх по винтовой лестнице. Посмотрим на север. Средиземное море простирается до горизонта. Здесь можно увидеть торговые суда, находящиеся более чем в пятидесяти километрах. Вот одно из них, загруженное товаром, входит в гавань. Быть может, оно прибыло из Афин, Сиракуз или даже Массалии, оживленного южного города, населенного галлами, который впоследствии станет называться Марсель. Если вы посмотрите на юг, то разглядите дельту Нила. В пяти километрах отсюда проходит через дельту реки Мареотидское озеро с соленой водой. Расположенный на большом участке земли между озером и морем, город Александрия, новый, с современным устройством, очень активно развивался. В нем повсюду можно было встретить новые идеи.

Остров Фарос получил свою известность не только из-за расположенного на нем маяка, но и храма Исиды. Чтобы попасть туда, александрийцы должны были пройти по гептастадиону, дамбе 1300 метров в длину, разделявшую гавань пополам. С маяка можно было увидеть фигурки прохожих, которые ходили по дамбе. Двигаясь в сторону материка, вы попадали в царский квартал. Там находились дворец Птолемея, театр и храм Посейдона. Чуть дальше на западе привлекало особое внимание роскошное здание. Это Мусейон. Туда-то мы и держим сейчас путь.

Птолемей основал этот огромный музей, предназначенный для сохранения наследия греческой культуры, чтобы сделать Александрию культурным центром, способным соперничать с Афинами. Он вкладывал в него большие ресурсы. Ученые, которые прибывали в Мусейон, получали все необходимое. Им предоставляли жилье, питание и оплачивали их труд для того, чтобы они могли заниматься исследованиями. Правитель также пополнял легендарную Александрийскую библиотеку. Быть может, Мусейон прославился даже не столько именами великих ученых, которые работали там, сколько колоссального объема библиотекой.

Для того чтобы воплотить свою идею в жизнь, Птолемей ввел обязательное правило: со всех судов, заходящих в гавань Александрии, собирали все имеющиеся книги, которые затем копировали, после чего копии возвращали на корабль, оригиналы же оставались в библиотеке. Позже Птолемей II, сын и преемник Птолемея I, послал обращение ко всем царям мира с просьбой прислать ему копии самых известных работ в их государстве. Когда библиотека Александрии открывалась, в ней было уже почти 400 тысяч книг! Впоследствии их количество выросло до 700 тысяч.

План Птолемея реализовывался на протяжении более семи веков, ученые преуспевали в Александрии, где интеллектуальная среда процветала, в отличие от остальной части Средиземноморья.

Среди самых известных ученых Мусейона можно выделить Эратосфена Киренского, который, как говорилось ранее, первым точно измерил окружность Земли. Также именно здесь Евклид создал основную часть «Начал». Диофант написал здесь знаменитую книгу об уравнениях, которые впоследствии получили его имя. Во II в. н. э. именно в Александрии Клавдий Птолемей (который не имеет ничего общего с Птолемеем I) написал «Альмагест» – книгу, содержащую многочисленные сведения из области астрономии и математики, уникальные для своего времени. «Альмагест», несмотря на ошибку Птолемея (он считал, что Солнце вращается вокруг Земли), содержит сведения, считавшиеся верными до эпохи Коперника (XVI в. н. э.).

В Александрии не сосчитать было ученых, делающих новые открытия. Целая экосистема переписчиков, переводчиков, комментаторов книг формировалась вокруг Мусейона. Город был переполнен разного рода специалистами.

Увы, в IV в. н. э. наступили неспокойные времена. 16 июня 391 г. император Феодосий I, желая ускорить принятие в империи христианства, опубликовал указ, запрещающий все языческие культы. Мусейон, хоть и не являлся храмом, был закрыт вследствие недальновидного решения императора.

В то время в Александрии жила представительница интеллектуальной среды по имени Гипатия. Ее отец, Теон, был директором Мусейона, когда он был закрыт. Еще какое-то время после закрытия некоторые ученые города продолжали свою работу. Сократ Схоластик позже напишет, что бесчисленные толпы людей стекались, чтобы услышать о Гипатии, превосходившей знаниями всех людей своего времени. Гипатия была математиком и философом – первой женщиной-ученым в нашей истории.

Первой? Не совсем. Другие женщины до Гипатии занимались математикой, но их работы и биографии не сохранились. Женщины были допущены, в частности, в школу Пифагора. Остались свидетельства о нескольких из них: Теано, Отохаридас, Абротелея. Нам известны их имена, но помимо этого мы вряд ли что-либо узнаем о них.

Ни одного текста, написанного Гипатией, не сохранилось, но в некоторых источниках упоминаются ее работы. Она главным образом интересовалась вопросами арифметики, геометрии и астрономии. Ее исследования основывались на работах Диофанта и Птолемея, написанных несколькими столетиями ранее. Гипатии также приписывают целый ряд изобретений, в частности ареометр для измерения плотности жидкости с помощью закона Архимеда, а также новую модель астролябии, упрощающей астрономические измерения.

К сожалению, Гипатия прожила очень недолго. В 415 г. н. э. она навлекла на себя гнев христиан города, которые погнались за ней и в итоге убили. Ее тело было разрублено на части и сожжено. После закрытия Мусейона и смерти Гипатии научное пламя Александрии быстро угасло. Коллекции библиотеки вряд ли пощадили. Пожары, грабежи, наводнения и землетрясения сотрясали город, и, хотя мы не знаем, когда точно, библиотека Александрии исчезла. В VII в. от нее уже ничего не осталось.

Так закончилась целая эпоха. Тем не менее история не стоит на месте, и законы математики, открытые древними греками, переродившись, дошли до нас.

На высоте 6714 метров над уровнем моря в Тибете возвышается гора Кайлаш, входящая в число вершин, на которые никогда не ступала нога человека. Ее округлый силуэт с прожилками из снега на сером граните выделяется на фоне западных Гималаев. Для местных жителей, будь то индуист или буддист, гора священна. О ней рассказывают и удивительные истории. Согласно местной мифологии, гора Меру является центром Вселенной.

Здесь берет свои истоки одна из семи священных рек региона: Инд. Со склонов горы Кайлаш Инд течет на восток, затем петляет через гору Кашмир, а после меняет направление на юг. Священная река пересекает равнины Пенджаба и Синда в современных границах Пакистана с тем, чтобы впасть в дельту Аравийского моря. Долина Инда особенно плодородна. В эпоху Античности эта территория была покрыта густыми лесами.

Слоны, носороги, бенгальские тигры, обезьяны в большом количестве населяют эти земли. Здесь также много змей, которых очаровывают своими флейтами заклинатели. Кажется, что в этих местах можно встретить Маугли, маленького мальчика из «Книги джунглей», чьи приключения так хорошо вписываются в эту местность. И здесь зародилась одна из самых самобытных и закрытых цивилизаций, в которой математика будет играть ключевую роль в эпоху раннего Средневековья.

Начиная с третьего тысячелетия до н. э., вокруг реки появляются такие города, как Мохенджо-Даро и Хараппа. До сих пор они, построенные из глиняных кирпичей, выглядят так же, как в Месопотамии. Во втором тысячелетии начинается ведический период. Территория на восток от берегов Ганга раздроблена на множество мелких царств. В это же время появляется и быстро распространяется индуизм, написаны первые основные тексты на санскрите. В IV в. до н. э., Александр Великий достиг берега Инда и основал два города, которые назвал в свою честь: Александрия; они не имеют ничего общего с одноименным городом в Древнем Египте. Часть древнегреческой культуры переняли местные жители. Затем наступает время великих империй. Влияние империи Маурьев распространялось практически на территории всего полуострова Индостан чуть более века. После них череда династий будет сосуществовать более или менее мирно вплоть до исламского завоевания в VIII в. н. э.

На протяжении многих веков индийцы изучали математику, но от этих исследований, к сожалению, практически ничего не осталось. Причина в том, что индийские ученые разработали в начале ведического периода каноны устной передачи знаний, запрещающие в принципе записывать их. Знания должны были передаваться из поколения в поколение, от мастера к ученику. Тексты запоминались в виде стихов или с применением мнемонических техник, а затем произносились и повторялись столько раз, сколько было необходимо, чтобы выучить их наизусть. В нарушение этого правила, отдельные фрагменты все-таки были записаны, но таких записей сохранилось очень мало.

Тем не менее индийцы занимались математикой! Как иначе объяснить многочисленные понятия, которые сохранились до V в., когда знания, накопленные на протяжении веков, наконец начали записывать? С этого момента в Индии начался золотой век науки, которая вскоре распространилась по всему миру.

Индийские ученые начали писать длинные трактаты, содержащие как ранее полученные знания, так и их собственные открытия. Так, наиболее известными среди математиков того времени были: Ариабхата, занимавшийся астрономией, а также расчетом числа π, в чем он преуспел; Варахамихира, добившийся больших успехов в области тригонометрии; Бхаскара, первым изобразивший ноль в виде круга и начавший использовать десятичную систему в том виде, в котором мы знаем ее по сей день. Современные десять цифр 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 называются арабскими, но на самом деле их придумали в Индии.

Тем не менее самым известным из индийских ученых того времени в истории остался Брахмагупта. Он жил в VII в. и был директором обсерватории в городе Удджайне. В то время он, расположенный на правом берегу реки Шипра в центре современной территории Индии, являлся одним из крупнейших научных центров.

Расположенная в городе астрономическая обсерватория создала Удджайну репутацию: город был известен со времен Клавдия Птолемея вплоть до расцвета Александрии. В 628 г. Брахмагупта опубликовал свою главную работу: «Брахма-спхута-сиддханта». В этом тексте содержится первое полное описание нулевых и отрицательных чисел, а также их арифметические свойства.

Сегодня ноль и отрицательные числа настолько широко распространены в нашей повседневной жизни – для измерения температуры, высоты над уровнем моря или баланса банковского счета, – что мы иногда забываем, насколько великая идея лежит в основе этого! Появление ноля и отрицательных чисел стало результатом неординарного мышления, и именно индийские ученые были первооткрывателями. Понимание процесса во всех его тонкостях требует некоторого времени, поэтому сделаем небольшую остановку, для того чтобы лучше представить себе все особенности явлений, которые будут волновать умы математиков в последующие века.

Очень часто во время моих выступлений я слышу вопрос, почему мне так нравится математика. «Как вы пришли к этому странному увлечению? – часто спрашивают меня. – Вам привил любовь к этому предмету какой-то конкретный учитель? Вы заинтересовались математикой уже тогда, когда были ребенком?» Любовь к этому предмету не перестает удивлять людей, которые раньше математикой не интересовались.

Признаться, я даже не знаю, что же это было конкретно. Насколько помню, я всегда любил математику, и я не могу назвать конкретное событие в моей жизни, которое привело меня к этому. Тем не менее, если задуматься, начинаю припоминать свое восторженное состояние, когда узнавал о чем-то новом. Так, например, было, когда я столкнулся с умножением.

Мне исполнилось 9 или 10 лет, когда, держа в руках свой калькулятор, я нажал на несколько клавиш и получил следующий результат: 10 × 0,5 = 5. Умножив число 10 на 0,5, я получил 5 – такой результат предоставил мне мой калькулятор, которому я полностью доверял и считал, что сомневаться в его результатах неразумно. Как путем умножения числа может получиться меньшее число? Разве умножение не предполагает увеличение? Не противоречит ли это самому значению слова «умножить»? Мой дорогой калькулятор, не лучше ли тебе будет пересчитать результат и предоставить число, большее, чем 10?

Мне потребовалось несколько недель, чтобы все переосмыслить и прояснить, почему получается именно такой результат. В конечном счете я рассмотрел данный вопрос с геометрической точки зрения, подобно тому, как это делали древние мыслители. Возьмем прямоугольник, длина которого составляет 10 единиц, а ширина 0,5. Его площадь соответствует площади пяти небольших квадратов со стороной 1.

Другими словами, умножение на 0,5 есть не что иное, как деление на 2. Аналогичное действие можно применить и к другим числам: умножить на 0,25 значит разделить на 4, умножить на 0,1 – разделить на 10 и так далее.

Объяснение убедительно, однако его вывод обескураживает: слово «умножение» в математике не полностью соответствует своему обычному значению. Кому придет в голову утверждать, что площадь сада умножена после продажи половины? Или кто станет утверждать, что его богатство умножается после потери его 50 %? В таком случае преумножить хлеба чудесным образом сможет каждый: просто съешьте половину, и вуаля.

Обнаружив этот феномен в первый раз и сделав вывод, я был сильно впечатлен. Игра слов рождает особые чувства и эмоции. В любом случае эффект, произведенный на меня в детстве этим открытием, был очень силен. Спустя много лет я читал книгу математика Анри Пуанкаре «Наука и метод», опубликованную в 1908 году, и нашел следующее предложение: «Математика – это искусство давать одно и то же имя разным вещам». Это лучшая характеристика явления, с которым я однажды столкнулся.

Стоит признать, что этот тезис, вероятно, может быть применен к любому языку. Под словом «плод», например, могут пониматься яблоки, вишни или помидоры. Каждый вид плода, в свою очередь, имеет множество различных сортов, которые и дальше могут подразделяться на подвиды в целях анализа их свойств. Однако Пуанкаре справедливо отмечает, что ни один другой язык не зашел так далеко в своих обобщениях, как математика. Для математиков умножение и деление – это, по сути, одна и та же операция. Умножение на число может быть представлено как деление на другое число. Все зависит от того, с какой точки зрения посмотреть на данный вопрос.

Введение понятия «ноль» и отрицательных чисел также не может не волновать ум. Чтобы открыть эти числа, нам было бы необходимо набраться храбрости и пойти против своего собственного языка, перестроиться и осознать, что в языке возможны различные значения. Индийские ученые стали первыми, кто осмелился на такой шаг.

Если я скажу вам, что уже несколько раз был на Марсе или несколько раз встречался с Брахмагуптой лично, поверите ли вы мне? Скорее всего, нет. И вы будете правы, потому что, по правилам нашего языка, эти предложения означают, что я на самом деле уже был на Марсе и встречался с Брахмагуптой. Но если задуматься над этими утверждениями с точки зрения математики, просто скажем, что я был на Марсе и встречался с Брахмагуптой ноль раз – таким образом, я говорил правду. В общении принято использовать различные структуры фразы для утвердительных предложений: «Я был на Марсе» – и отрицательных: «Я не был на Марсе». С точки зрения математики, построение фразы будет однотипным: во фразе: «Я был на Марсе несколько раз» под словом «несколько» может пониматься в том числе ноль.

В то время как несколько веков назад древние греки с большим трудом приняли 1 в качестве числа, представьте себе, какую революцию произвело применение понятия «число» к пустоте. До ученых из Индии некоторые люди уже пытались рассуждать об этом, но никто не смог до конца сформулировать свои рассуждения. В Месопотамии, начиная с III в., встречается упоминание о цифре 0. Ранее в их системе исчисления уже использовалась эта цифра для добавления разрядов, например 25 и 250. Использование в написании чисел цифры 0 добавляло больше неясности. Кроме того, вавилоняне никогда не использовали отдельно написанную цифру 0 для обозначения полного отсутствия чего-либо.

На другом конце света майя также начали использовать ноль. Они даже придумали два их вида! Первый, как и вавилоняне, они использовали для обозначения разрядов в двадцатичной системе исчисления. Второй же использовался не как число, а как название дня в календаре. В каждом месяце в календаре майя было двадцать дней, пронумерованных от 0 до 19. Ноль записывали отдельно от других символов, однако его применение не носило математического характера. Майя никогда не использовали отдельно написанный 0 для выполнения арифметических операций.

Таким образом, Брахмагупта был первым, кто в полной мере описал ноль как самостоятельное число и его свойства: при вычитании из числа равного ему получается ноль; при сложении нуля с числом или вычитании из числа нуля получится это же число. Описанные арифметические свойства кажутся нам очевидными, но тот факт, что они так последовательно описаны в работе Брахмагупты, говорит о том, что ноль становится полноценным числом наряду со всеми остальными. Описание свойств числа 0 способствовало появлению отрицательных чисел. Тем не менее пройдет еще много времени, прежде чем математики начнут использовать их в своих исследованиях.

Китайские ученые были первыми, кто описал величины, которые могут быть соотнесены с отрицательными числами. В своих комментариях к «Математике в девяти книгах» Лю Хуэй рассказывает о системе цветных палочек для представления положительных и отрицательных значений. Красная палочка обозначает положительное число, черная – отрицательное. Лю Хуэй подробно объясняет, как эти два вида чисел взаимодействуют друг с другом, в том числе как они складываются или вычитаются.

Китайский ученый привел весьма подробное их описание, но все равно остается сделать еще один шаг: рассмотреть положительные и отрицательные числа не в виде двух отдельных групп, а как единую последовательность. Конечно, положительные и отрицательные числа не всегда имеют одинаковые свойства, когда необходимо сделать расчеты, но при этом у них есть много сходств. Похожим образом дела обстоят с четными и нечетными числами, которые образуют две отдельные группы чисел с различными арифметическими свойствами, тем не менее составляют единую совокупность чисел.

Как и в случае с цифрой 0, индийские ученые были первыми, кто объединил все числа в последовательность. Это сделал все тот же Брахмагупта, изложивший свое исследование в вышеупомянутой работе «Брахма-спхута-сиддханта». Развивая исследования Лю Хуэя, он разработал правила, с помощью которых можно производить определенные действия с этими числами. Например, он вывел, что сумма двух отрицательных чисел имеет отрицательное значение, например (–3) + (–5) = –8, произведение положительного числа и отрицательного числа будет отрицательным: (–3) × 8 = –24, а произведение двух отрицательных чисел – положительное: (–3) × (–8) = 24. Последнее свойство может показаться противоестественным – сложно будет с ним согласиться. Даже сегодня это правило смущает школьников во всем мире.

Почему минус на минус дает плюс?

Спустя много веков после того как Брахмагупта сделал свое открытие, правила умножения, особенно «минус × минус = плюс», продолжают вызывать сомнение и непонимание. Эти правила, преподававшиеся в школе, стали интересовать не только математиков, но и представителей других профессий. Так, в XIX в. французский писатель Стендаль сам описывал свое недоумение в автобиографическом романе «Жизнь Анри Брюлара». Автор «Красного и черного» и «Пармской обители» написал следующие строки:

«По своей юношеской простоте, мне казалось, что математика лишена притворства, и я полагал, что это так во всех науках, о которых я слышал. Но каково же было мое разочарование, когда я узнал, что никто не мог объяснить, почему минус на минус дает плюс (– × – = +)? (Это ведь одна из основ науки под названием алгебра.) Еще печальнее было то, что, не разобравшись в этом правиле (которое, вероятно, имеет свое объяснение, т. к. ведет к истине), его пытаются растолковать совершенно непонятными аргументами […] Сегодня я ограничиваюсь тем, что «минус на минус дает плюс» – верно, потому как очевидно, что применение этого правила приводит к безошибочным результатам».

Правило знаков умножения, которое может показаться странным на первый взгляд, обретает смысл, если продемонстрировать его в действии на системе палочек, разработанной китайскими учеными. Например воспользуемся этой системой для изображения прибыли или убытков. Представим, что черная палочка соответствует €5, а серая – это долг в €5, то есть – €5. Так, если у вас есть 10 черных палочек и 5 серых, ваш баланс равен €25.

Теперь рассмотрим различные ситуации, которые могут возникнуть, когда ваш счет изменяется. Представьте, что вам дали еще 4 черные палочки: ваш баланс увеличивается на €20. Другими словами: 4 × 5 = 20. Произведение двух положительных чисел положительно, до сих пор все понятно.

Если же теперь вы возьмете 4 серые палочки, то есть четыре долга, ваш баланс уменьшается на €20. Иными словами: 4 × (–5) = –20. Положительное число, умноженное на отрицательное, дает отрицательный результат. И аналогично, если у вас заберут 4 черные палочки, вы теряете €20. То есть (–4) × 5 = –20. Эти две последние ситуации показывают, что приобретение долга может быть представлено как перевод денег. Прибавление отрицательной величины соответствует вычитанию положительной.

Мы подошли к самому важному моменту: что станет с вашим балансом, если у вас заберут 4 серые палочки, – другими словами, если у вас заберут долги? Ответ очевиден: ваш баланс увеличится, т. е. вы получите деньги. И теперь можно наглядно подтвердить, что (–4) × (–5) = 20. Минус на минус дает плюс!

В связи с появлением отрицательных чисел сложение и вычитание перестанут быть такими наглядными. Ситуация очень похожа на умножение на 0,5, что соответствует делению на 2. Так как добавление отрицательного числа соответствует вычитанию положительного, эти две операции утрачивают свое семантическое значение. Прибавление, как правило, ассоциируется с увеличением. Но если прибавить число –3, это означает вычесть 3: например, 20 + (–3) = 17. А вот вычесть (–3) – это значит добавить 3: 20 – (–3) = 23. Еще раз обратим внимание, что одинаковые термины используются для определения различных вещей. С появлением отрицательных чисел сложение и вычитание стали двумя вариантами одной операции.

Эта парадоксальная игра слов, при которой умножение двух меньших чисел дает большее число, препятствовала использованию отрицательных чисел. Долгое время после Брахмагупты многие ученые продолжали быть избирательными в применении этих интересных с практической точки зрения, но сложных для осознания чисел. Некоторые математики называли их «абсурдные числа» и допускали их использование лишь в промежуточных вычислениях, только если в итоге их не будет. В XIX–XX вв. отрицательные числа начали использовать в полной мере. В 711 г. с Востока в долину Инда прибыли две тысячи всадников на конях и верблюдах. Это были войска Мухаммада ибн аль-Касима, молодого арабского командира, которому на тот момент исполнилось всего 20 лет. Обладавшие лучшей подготовкой и оружием, его солдаты победили пятидесятитысячную армию Раджи Даайри и захватили Синд и дельту реки. Для местных жителей это стало трагическим событием, тысячи солдат были обезглавлены, а государство сильно разграблено.

Тем не менее захват Индии молодой арабо-мусульманской империей даст толчок для распространения индийской математики. Арабские ученые дополнили свои исследования индийскими достижениями и распространили их по всему миру. Эхо этих времен отзывается и в математике XXI в.

Перенесемся в 762 г., в Месопотамию, откуда все началось. В то время как Вавилон уже был в руинах, в сотне километров на север шли грандиозные работы. Именно здесь, на правом берегу Тигра, халиф Аббасидов аль-Мансур решил построить новую столицу.

Арабо-мусульманская империя в это время стремительно расширяется. За сто тридцать лет до этого, в 632 г., в то время как Брахмагупта в возрасте 34 лет только что закончил писать свою работу «Брахма-спхута-сиддханта», в Медине умирает пророк Мухаммед. После его смерти халифы распространяют ислам вплоть до юга Испании, реки Инд, на севере Африки, в Персии и Месопотамии.

Халифат Аль-Мансура раскинулся на площади более 10 млн кв. км. Если сравнивать его с современными государствами, то халифат стал бы вторым по величине после России и больше, чем Канада, США или Китай. Аль-Мансур был просвещенным халифом. Для строительства столицы он пригласил лучших архитекторов, мастеров и художников арабского мира. Говорят, что для выбора местоположения и даты начала работы он советовался с географами и астрологами.

Потребовалось четыре года и более ста тысяч рабочих, чтобы построить город, о котором он мечтал. Город имел форму круга, был защищен по всему периметру двойной стеной протяженностью 8 километров, которая имела 112 защитных башен и четыре пары ворот, расположенных по диагонали по направлению четырех сторон света. В центре города находились казармы, мечеть и дворец халифа. Зеленый купол дворца возвышался почти на 50 метров и был виден приблизительно на 20 километров вокруг.

В год своего основания город был назван Мадинат ас-Салам, в переводе «город мира». Также его называли Мадинат аль-Анвар, «город огней», или же Азимат ад-Дунья, «столица мира». Однако в историю город Аль-Мансура войдет под другим своим именем: Багдад.

Население Багдада быстро росло и вскоре насчитывало уже несколько сот тысяч человек. Город находился на пересечении основных торговых путей, по улицам ходили купцы со всего мира. Шелк, золото и слоновая кость на прилавках, воздух, наполненный ароматами специй, – так выглядел бурлящий жизнью город Багдад. Эта атмосфера описана в арабских сказках, таких как «Тысяча и одна ночь», в легендах о султанах, визирях и принцессах, коврах-самолетах, волшебной лампе и джиннах.

Аль-Мансур и халифы, пришедшие к власти после него, стремились сделать Багдад первым городом на Земле с культурной и научной точек зрения. Так, чтобы привлечь в свой город величайших ученых своего времени, в городе основали библиотеку, подобно тому, как это было сделано тысячу лет назад в Александрии. В конце VIII в. халиф Харун ар-Рашид начал собирать коллекцию книг с целью сохранения знаний, накопленных учеными из древних Греции, Месопотамии, Египта и Индии.

Большое количество книг было скопировано и переведено на арабский язык. В первую очередь, ученые из Багдада переняли открытия, сделанные в Древней Греции. Через некоторое время появились арабские переводы «Начал» Евклида. Были переведены трактаты Архимеда, в том числе его работа по изучению окружностей, «Альмагест» Птолемея и «Арифметика» Диофанта.

В начале IX в. математик Мухаммад аль-Хорезми опубликовал большую работу, известную как «Книга об индийском счете», в которой он описывает десятичную систему исчисления, взятую из Индии. Благодаря ему десять цифр, включая ноль, будут распространены по всему арабскому миру, то есть, по сути, по всему миру. На арабском языке ноль называется «зифр» (zifr), что переводится как «пустой». В Европе, впоследствии из этого слова сформируются два: первое на итальянском языке будет звучать как «зефиро» (zefiro) и обозначать «ноль»; а второе, «цифра» (cifra), на латинском языке получит значение «цифра». Европейцы, не вдаваясь в индийское происхождение этих десяти символов, станут называть цифры арабскими.

В 809 г. Харун ар-Рашид умер, и к власти пришел его сын Мухаммад аль-Амин. Его правление было недолгим: уже в 813 г. Мухаммада сверг с престола собственный брат Абдуллах аль-Мамун.

Легенда гласит, что однажды ночью во сне аль-Мамуну явился Аристотель. Этот сон глубоко поразил молодого халифа и повлиял на его решение развивать науку в своем городе и привлекать для этого все больше и больше ученых. Таким образом, в 832 г. при библиотеке Багдада было основано учреждение, предназначенное для содействия сохранению и развитию научных знаний. Академия получила название Байт аль-Хикма, что переводится с арабского как «Дом мудрости». По своей сути это учреждение напоминало Мусейон из Александрии.

Халиф активно участвовал в его развитии. Он поддерживал отношения с иностранными державами, такими как Византия, с целью получения редких книг для копирования и перевода в Багдаде и приказал ученым распространять полученные знания на всей территории халифата. Иногда халиф лично присутствовал на научных или философских дискуссиях, которые проводились не реже одного раза в неделю в Байт аль-Хикма.

В течение следующих веков «дома мудрости», подобные багдадскому, появились по всему арабскому миру. Во многих других городах, в свою очередь, строились библиотеки и учреждения для работы ученых. Так, крупнейшие из них появились в Кордове (Андалусия) в X в., в Каире (Египет) в XI в., в также в Фесе (Марокко) в XIV в.

Следует отметить, что развитию науки в различных уголках мира в значительной степени способствовало изобретение бумаги в Китае. Секрет ее изготовления был получен в 751 г. после победы в битве при Табласе (современная территории Казахстана) от китайских военнопленных. Появление бумаги упростило процесс копирования и транспортировки книг. С этого момента больше не приходилось ехать в Багдад, чтобы быть в курсе последних открытий в области математики, астрономии и географии. Великие ученые отныне могли заниматься своими исследованиями в любой точке арабо-мусульманской империи.

Другие – более сложные.

Позже математикам удалось доказать, что всего можно выделить семнадцать категорий замощения в зависимости от геометрических особенностей, и любое конкретное замощение можно отнести к одному из них. Используя какой угодно из этих типов замощения, можно создать бесконечные варианты конкретных примеров. Арабские художники, не имея обоснования этого, разработали семнадцать категорий и мастерски использовали их в своей архитектуре: как в оформлении значительных культурных объектов, так и в повседневной жизни.

Расположенный в Гранаде (Андалусия) дворец Альгамбра является одним из самых значительных памятников исламского искусства эпохи Средневековья, расположенных в Испании. Более двух миллионов туристов посещают его ежегодно. Мало кто из них догадывается, что дворец пользуется особой репутацией среди математиков. Альгамбра знаменита тем, что в ее оформлении использованы все семнадцать способов замощения, которые распределены (а иногда хорошо спрятаны) в залах и садах. Так что, если вам когда-нибудь посчастливится провести день в Гранаде, вы знаете, что делать.

Останемся еще ненадолго в Багдаде и попытаемся выяснить, что же на самом деле происходит за дверями Байт аль-Хикмы. Какие новые открытия сделали арабские математики? О чем все эти книги, что лежат на полках библиотеки?

Одна из новых дисциплин, развивающихся активно в этот период, получила название тригонометрия и занималась изучением величин треугольников. На первый взгляд, это может разочаровать, т. к. древние народы уже изучали треугольники, подтверждением чего является теорема Пифагора. Арабские ученые пошли дальше в своих исследованиях и достигли удивительно точных результатов, которые активно используются и сегодня.

Вопреки кажущейся простоте не все свойства треугольников так очевидны, и ряд из них еще уточнят в конце эпохи Античности. Треугольник определяется шестью своими основными свойствами: длины трех его сторон, а также величины трех его углов.

Например, для того, чтобы измерить расстояние между двумя точками с использованием тригонометрии, достаточно просто найти угол между ними, чтобы избежать необходимости непосредственного измерения этого расстояния. Для астрономии это особенно актуально. Рассчитать расстояния между звездами, которые мы наблюдаем в ночном небе, очень сложно, и может потребоваться несколько столетий, чтобы найти ответ. А вот измерить угол между этими звездами или углы, образуемые с горизонтом, гораздо проще. Обычного октанта,[9] которому на смену пришел секстант,[10] вполне хватит для этой задачи. Аналогично этому, географу для составления карты достаточно измерить углы треугольника, образованного тремя вершинами гор. Для этого ему потребуется только алидада – прибор, представляющий собой не что иное, как транспортер, на концах которого прикреплено визирное устройство. А для того чтобы сориентировать карту в пространстве, можно использовать лишь компас, с помощью которого измеряют угол между севером и заданным направлением. Непосредственное же измерение расстояний между тремя горами требует организации соответствующей экспедиции и проведения значительно более сложных вычислений. Пример Александра Македонского и его бематистов подтверждает возможность реализации и такого проекта!

Таким образом, задача заключается в следующем: как узнать все данные о треугольнике и при этом сделать минимум измерений? Задаваясь этим вопросом, теоретики тригонометрии столкнулись с проблемой, аналогичной той, которая стояла перед Архимедом тысячелетием ранее. Во-первых, если вам известны размеры всех углов треугольника, но не известен размер ни одной из его сторон, можно сделать вывод, что вам известна его форма, но не размер. Для наглядности ниже продемонстрированы примеры таких треугольников, имеющих равные углы, но различную длину соответствующих сторон.

Тем не менее все они имеют одинаковые пропорции. Например, если необходимо определить, на какое число надо умножить длину самой длинной стороны, чтобы определить длину самой короткой, то можно выяснить что для каждого из этих трех треугольников результат будет одинаковый: 0,64! Аналогично тому, как в случае с определением периметра окружности необходимо умножить его диаметр на π, независимо от его размера.

Если быть совсем точным… почти 0,64 – это приблизительное число. Что касается π, эта величина не может быть вычислена точно, и нам приходится довольствоваться ее приблизительным значением. Можно попытаться определить значение более точно, как 0,642 или даже 0,64278, но это все еще далеко от совершенства. Десятичное значение этого числа имеет бесконечное число знаков после запятой. Аналогичным образом дело обстоит со всеми величинами, которые могут быть вычислены в этих треугольниках. Так, чтобы рассчитать величину средней стороны треугольника, необходимо умножить величину самой длинной стороны на 0,766, а чтобы рассчитать величину длинной стороны треугольника, необходимо умножить величину короткой стороны на 1,192.

Так как невозможно определить точные значения этих трех соотношений, математики дали им свои имена, для того чтобы обозначить предмет своего изучения. В ходе исторического развития они именовались по-разному, но сегодня общепринято называть их косинус, синус и тангенс соответственно. Различные варианты были введены и использовались, прежде чем были преданы забвению. Так, например, произошло с величиной секед, которую древние египтяне использовали для измерения наклона пирамид. В качестве еще одного примера такой величины можно назвать хорду равнобедренного треугольника, которую описали в Древней Греции.

Определение тригонометрических соотношений осложняется еще одним обстоятельством: их значения в различных треугольниках отличаются. Так, значения 0,642, 0,766 и 1,192 действительны только для треугольников с углами 40°, 50° и 90°. Если же взять прямоугольный треугольник с углами 20°, 70° и 90°, то значения косинуса, синуса и тангенса будет приблизительно равны 0,342, 0,940 и 2,747 соответственно! Таким образом, исследования в области тригонометрии потребовали гораздо больших усилий, чем ожидалось. Речь шла о поиске не только одного значения или даже трех, а о целых таблицах чисел, которые отличаются в зависимости от размера углов!

Ниже представлена таблица с тригонометрическими величинами для треугольников, один угол которых находится в диапазоне от 10° до 80°. Обратите внимание на то, что для каждого треугольника указан только один угол. Указывать значение других углов не имеет смысла, т. к. второй угол всегда составляет 90°, а третий определяется согласно описанной ранее теореме, с помощью вычитания из 180° суммы двух других заданных углов. Таким образом, даже не имеет смысла рисовать треугольники: значения одного угла достаточно. Поэтому в первом столбце тригонометрических таблиц, как правило, указывается только один угол. Так, косинус 10° равен 0,9848, а тангенс 50° составляет 1,1918.

Конечно же, представленная таблица не является полной. Всегда можно продолжить ее, указав более точные значения тригонометрических величин либо добавив значений для углов, не представленных в текущей редакции. В этой таблице перечислены треугольники с углами в диапазоне от 10° до 80°, но было бы лучше указать точные значения для всех возможных углов, вплоть до десятых градуса. Уточнять тригонометрические таблицы можно было до бесконечности, чем последовательно занимались математики. Так было вплоть до XX в., когда изобрели калькуляторы, что существенно упростило расчеты.

Древние греки, вероятно, стали первыми, кто начал составлять тригонометрические таблицы. Самое раннее сохранившееся свидетельство – «Альмагест» Птолемея, в котором содержатся исследования Гиппарха Никейского – математика, жившего во II в. до н. э. В конце V в. н. э. индийский ученый Ариабхата также опубликовал свои тригонометрические таблицы. В Средние века в Персии Омар Хайям в XI в. и аль-Каши в XIV в. также составили одни из наиболее известных тригонометрических таблиц своего времени.

Ученые арабского мира продвинутся дальше всех не только в составлении наиболее точных таблиц, но и научатся эффективно применять на практике полученные данные.

Аль-Каши опубликовал в 1427 г. книгу под названием «Мифтах аль-Хисаб», или «Ключ к арифметике», в котором приводит результат, обобщающий теорему Пифагора. Благодаря расчетам косинуса аль-Каши удается применить эту теорему не только к прямоугольным треугольникам, но и к любым другим. Теорема аль-Каши работает, дополняя теорему Пифагора: если треугольник не прямоугольный, то сумма квадратов катетов не равна квадрату гипотенузы. Однако это равенство будет верным при условии добавления корректирующего коэффициента, который рассчитывается непосредственно из косинуса угла, образуемого этими двумя сторонами.

Когда аль-Каши опубликовал эту работу, он уже был известным математиком. Прославился он тремя годами ранее после вычисления приближенного значения числа π до шестого знака после запятой – максимально точное значение для той эпохи! В то время как рекорды могут быть побиты,[11] теоремы сохраняют свою силу вне зависимости от времени. Теорема аль-Каши и по сей день остается одной из самых важных в области тригонометрии.

Перенесемся на левый берег Парижа. На дворе стоит июнь, и я, можно сказать, выступаю в роли экскурсовода. Сегодня с группой, состоящей человек из двадцати, я прогуливаюсь по улицам Латинского квартала по следам исторического развития математики. Наша следующая остановка будет в Саду великих исследователей. В северной его части расположены симметричные аллеи Люксембургского сада, массивными рядами ведущие ко дворцу Сената. В южной части возвышается купол Парижской обсерватории.

Следуя по центральной дорожке сада, мы, словно по канату, идем по линии меридиана Парижа. Шаг влево, и мы оказываемся в восточном полушарии мира. Два шага вправо – и мы уже в Западном полушарии. Еще через пятьсот метров меридиан пересекает обсерваторию, тянется посередине 14-го округа Парижа, а затем выходит через парк Монсури. Далее он уходит за пределы города, частично проходит по территории Испании и устремляется через Африканский континент и Антарктический океан к Южному полюсу. С другой стороны он идет по улицам Монмартра, слегка соприкасается с Британскими островами и Норвегией, а затем устремляется к Северному полюсу.

Начертить линию меридиана было не так-то просто. Это требовало точных измерений колоссального масштаба. Как, например, узнать расстояние между двумя точками по разные стороны горы, не пересекая ее при этом? Для того чтобы ответить на этот вопрос, ученые в начале XVIII в. разметили траекторию меридиана, мысленно покрыв всю территорию Франции с севера на юг сеткой из треугольников.

В качестве точек триангуляции выбрали наиболее высокие географические объекты, такие как холмы, горы или башни, откуда можно было увидеть другие точки для измерения углов между ними. После проведения измерений на земле можно было в полной мере использовать тригонометрические методы, разработанные арабами, чтобы определить точное положение каждой точки триангуляции, а затем провести через них меридиан.

Одним из первых эту задачу будет решать Кассини. Род Кассини – это целая династия ученых, которых принято нумеровать, как царей! Джованни Доменико, именуемый Кассини I, только что эмигрировавший из Италии, был первым директором Парижской обсерватории с момента ее основания в 1671 г. После смерти Джованни Доменико в 1712 г. его преемником стал сын Жак, или Кассини II. Именно он в 1718 г. первым провел меридианы с помощью триангуляции. После этого Кассини III (Сезар-Франсуа, сын Кассини II) впервые полностью завершил триангуляцию всей территории Франции. Результатом его работы стала публикация в 1744 г. первой карты Франции, составленной полностью в соответствии с требуемой методикой. Сын Сезара Франсуа, Кассини IV, Жан-Доминик, продолжил эту работу и проводил триангуляцию одного региона за другим.

Карта Франции 1744: представлен меридиан, на котором находится Париж, и основные треугольники Кассини

Следуя по меридиану, мы практически идем по стопам арабских ученых, которые создали теоретическую основу для триангуляции. Разметка каждого треугольника на карте требует использования косинуса, синуса или тангенса. Все они есть наследие аль-Каши и первых багдадских ученых, занимавшихся тригонометрией. Все эти расчеты, сделанные вручную, потребовали бесчисленного количества часов, проведенных учеными, работавшими с тригонометрическими таблицами в обсерватории.

Расчеты с помощью триангуляции использовались вплоть до конца XX в., пока не появились спутники. Самая крупная сеть треугольников насчитывала до 80 000 точек. Особые знаки, которые отмечали эти точки, все еще можно встретить на всей территории Франции. В Париже вы можете увидеть две точки, через которые проходит ось меридиана: одна находится в южной части города в парке Монсури, другая – на севере, на Монмартре. В 1994 г. тридцать пять памятных знаков в честь астронома Франсуа Араго были установлены по линии меридиана, проходящей по территории Парижа. Один из них находится прямо в Лувре. В следующий раз, когда станете прогуливаться по улицам Парижа, будьте внимательнее, и, вполне возможно, заметите несколько из них.

Во время французской революции произошел переход на метрическую систему измерения и для универсальности длину 1 метра стали рассчитывать исходя из длины меридиана, а именно как одну десятимиллионную часть четверти длины меридиана. В 1796 г. в четырех концах Парижа установили шестнадцатиметровые камни для того, чтобы каждый мог увидеть эталон длины. По сей день два из них все еще можно увидеть: один – на улице Вожирар с видом на Люксембургский сад, другой – на Вандомской площади у входа в Министерство юстиции.

Парижский меридиан был общепризнанным ориентиром вплоть до международной конференции в Вашингтоне в 1884 г. С этого момента в качестве отправной точки признавали Гринвичский меридиан, проходящий через Королевскую обсерваторию в Лондоне. В свою очередь, англичане переняли у французов метрическую систему, которую используют по сей день.

С появлением компьютеров и спутников тригонометрические таблицы и триангуляция земли стали бесполезными. Но тригонометрия как таковая никуда не исчезла. Она находится в самом сердце процессоров. Треугольники скрыты, но они все еще там.

Достаточно взглянуть на автомобили, припаркованные на проспекте перед обсерваторией. Многие из них оснащены системой GPS. В каждую секунду их положение определяется четырьмя спутниками из космоса. Для определения положения в их вычислениях до сих пор используются тригонометрические свойства. Догадываются ли автомобилисты, что, пока голос подсказывает, что необходимо повернуть налево, процессор проводит вычисления синуса или косинуса?

А вы когда-нибудь замечали, как полицейские в детективных сериалах определяют местоположение телефона подозреваемого с помощью триангуляции? Суть данного метода сводится к тому, что положение сотового телефона определяется по расстоянию до трех ближайших антенн. Эта геометрическая задача решается без проблем благодаря тригонометрическим формулам – современные компьютеры молниеносно выполняют эти операции.

С помощью тригонометрии можно не только измерять существующие величины, но и конструировать виртуальную реальность. Достижения этой науки широко используются в создании 3D-анимационных фильмов и видеоигр. Под текстурами, обрабатываемыми графическими дизайнерами, скрываются 3D-формы, состоящие из геометрических сеток, странным образом напоминающие триангуляции Кассини. Именно благодаря деформации этих связей создаются объекты и фигуры. Моделирование даже самого простого 3D-изображения, как, например, чайник Юта, который был одним из первых объектов, созданных на компьютере в 1975 г., требует применения большого числа тригонометрических формул.

Вернемся в Багдад. Особенный след в истории оставили работы одного из ученых, посещавших Байт аль-Хикму: его имя Мухаммад ибн аль-Хорезми.

Аль-Хорезми – персидский математик, родившийся в 780-х гг. Его семья жила в Хорезме, государстве, расположенном на территории современных Ирана, Узбекистана и Туркменистана. Нет однозначных данных, родился ли аль-Хорезми здесь или его родители эмигрировали в Багдад еще до его рождения, – доподлинно известно только то, что молодой ученый жил в Багдаде в начале IX в. Он был одним из первых ученых, работавших в Байт аль-Хикме и создавших ее репутацию как ведущего исследовательского центра своего времени.

В Багдаде аль-Хорезми был известен прежде всего как астроном. Он написал несколько теоретических работ, в основе которых лежали открытия, сделанные в Древней Греции и Индии, а также практические книги по использованию солнечных часов и изготовлению астролябии. Он также использовал свои знания для составления таблиц, в которых записывали широту и долготу важнейших географических точек. Вдохновленный Птолемеем, в качестве нулевого аль-Хорезми выбрал меридиан, проходящий через мифологические Счастливые острова в западной части мира, положение которых приблизительно соответствует Канарам.

В математике аль-Хорезми оставил свой след как автор знаменитой «Книги об индийском счете», в которой описывалась позиционная десятичная система исчисления. Одной этой работы было бы достаточно, чтобы войти в пантеон величайших математиков; однако он написал еще одну революционного книгу, благодаря которой безоговорочно обеспечил себе место среди величайших математиков истории, наряду с Архимедом или Брахмагуптой.

Эту книгу ему заказал лично Абдуллах аль-Мамун. Халиф хотел, чтобы у его подданных была книга, которая помогала бы решать задачи, возникающие у них в повседневной жизни. Аль-Хорезми начал составлять список таких проблем, сопровождая их методами решения. В его книге описаны многочисленные вопросы измерения земель, порядок коммерческих сделок, а также распределения наследства между членами семьи.

Решение описанных проблем, хотя и имело большой интерес, не носило прорывной характер, и, если бы аль-Хорезми не писал эту книгу по заказу халифа, она, вероятно, не сохранилась бы в истории. Поэтому персидский ученый решил не останавливаться на достигнутом и добавить в предисловие к книге теоретическую часть. Аль-Хорезми приводит в ней структурированные и абстрактные методы решения, которые могут быть применены для решения конкретных задач.

Книга аль-Хорезми получила название «Китаб аль-джебр ва-ль-мукабала», или «Краткая книга восполнения и противопоставления». Когда позднее ее перевели на латинский язык, последние слова арабского названия были транслитерированы, и книга была названа «Либер Алгебре Альмукабола» (Liber Algebræ et Almucabola). Постепенно часть термина Альмукабола была редуцирована, и осталось только одно слово, которое с тех пор обозначало дисциплину, основоположником которой был аль-Хорезми: «аль-джабр» (al-jabr), «алгебре» (algebræ), «алгебра».

В этой книге особенно ценны даже не конкретные математические примеры, а скорее используемые методы и формулировки, которые по праву могут быть названы революционными. Автор рассматривал методы решения задач безотносительно конкретных частных случаев. Чтобы понять, о чем идет речь, давайте рассмотрим следующие три задачи.

Во всех трех случаях ответ будет 6. Мы легко можем решить эти задачи, хотя речь в них идет о разных предметах, с точки зрения математики способ расчета тот же. Во всех трех случаях результат получается путем деления: 30 ÷ 5 = 6. Первый шаг аль-Хорезми заключался в том, что он стал рассматривать данные задачи с чисто математической точки зрения:

В такой формулировке нам неизвестно, что скрывается за числами 5 и 30. Это могут быть как геометрические параметры, возраст или рулоны ткани, так и что угодно еще! Это не влияет на решение поставленного вопроса. Задача алгебры – предложить методы решения математических задач, сформулированных в общем виде. Эти задачи через несколько столетий получат в Европе название «уравнения».

Аль-Хорезми идет еще дальше в изучении уравнений. Он утверждает также, что методика расчета не зависит и от самого значения исходных чисел. Рассмотрим три уравнения, представленных ниже.

В каждом из этих уравнений уже скрывается множество различных конкретных задач. Но еще раз обратим внимание на то, что для их решения станет применяться один и тот же метод. Во всех трех случаях решение будет находиться путем деления второго числа на первое: в первом примере 30 ÷ 5 = 6; во втором 16 ÷ 2 = 8 и в третьем 60 ÷ 3 = 20.

Таким образом, становится понятным, что метод решения будет одинаковым не только для любых качественных характеристик задачи, но и для ее количественных параметров.

Поэтому становится возможным формулировать уравнения еще более абстрактно:

Любые задачи с такими условиями решаются одинаково: необходимо разделить число 2 на число 1.

Конечно же, представленный пример очень прост. В условии говорится только об умножении, и для нахождения ответа достаточно использовать только деление. Но в других случаях поиск ответа может потребовать проведения и других операций. Аль-Хорезми в основном станет описывать уравнения, в которых неизвестное может быть найдено посредством проведения четырех основных операций (сложение, вычитание, умножение и деление), а также возведения во вторую степень. Например:

Решение той задачи равно 5. Квадрат 5 составляет 25, что соответствует равенству 25 = 3 × 5 + 10. В этот раз нам повезло, потому что это решение представляет собой целое число и оно наверняка выведено путем определенных поисков. Но когда решением будет очень большое число или нецелое число, необходимо иметь точный метод нахождения их значений на систематической основе. Это именно то, о чем аль-Хорезми пишет в предисловии к своей книге. Он описал шаг за шагом вычисления, которые следовало выполнить исходя из данных задачи, вне зависимости от чисел. Во второй раз он приводит доказательство того, что его методы работают.

Подход аль-Хорезми прекрасно вписывается в общую тенденцию развития математики, которая стремится к абстракции и общности. Уже достаточно давно объекты исследования в математике были отделены от реальных объектов, которые они обозначают. Аль-Хорезми использовал те же самые аргументы для того, чтобы решать абстрактные задачи.

Квадрат числа плюс 21 равен этому числу, умноженному на 10.

Квадрат числа, к которому прибавляется число в десять раз больше, равно 39.

Аль-Хорезми использовал для решения усовершенствованный метод мозаики. Он предложил отрезать, добавлять или удалять части по мере необходимости, чтобы получить фигуру, являющуюся решением. Рассмотрим, например, второе из приведенных выше уравнений и сперва разобьем прямоугольник, который в 10 раз больше искомого числа, на два, каждый из которых в 5 раз больше искомого.

Далее переставим части следующим образом:

Наконец, добавим к двум равным сторонам, фигуру площадью в 25 таким образом, чтобы сложить их вместе.

Сторона квадрата, расположенного слева, равна искомой величине, увеличенной на 5, в то время как сторона правого квадрата равна 8. Исходя из этих данных, можно сделать вывод, что искомая величина равна 3.

Обратите внимание, что описанная выше фигура имеет нестандартную форму. До того момента, когда нашли ответ 3, было невозможно определить ее форму, в связи с чем длины сторон изображались неверно. Это совершенно не важно, поскольку в данном случае значение имеют не конкретные числовые показатели, а доказательство того, что описываемый метод применим в любой аналогичной ситуации, вне зависимости от показателей, присутствующих в уравнении. Согласно одному из определений, геометрия – это искусство идеального рассуждения о неидеальных фигурах. И вот прекрасный тому пример! Заметим, однако, что найденная с помощью этого метода неизвестная величина является длиной, то есть положительным числом, что, таким образом, приводит к упущению еще одного, отрицательного, решения. Это уравнение имеет еще одно решение, равное –13, и аль-Хорезми упускает его в своих рассуждениях.

После уравнений второй степени идут уравнения третьей степени. В этот раз неизвестная величина возводится в куб. Эти уравнения еще сложнее для аль-Хорезми – и способ их решения будет сформулирован только в эпоху Ренессанса. С точки зрения геометрии данный вопрос можно изложить в категориях объема и трех измерений.

Далее идут уравнения четвертой степени. С точки зрения чисел сложностей в их решении нет. С геометрической же точки зрения становится затруднительно представить себе фигуры в четырех измерениях, т. к. мы живем в трехмерном пространстве.

Возможности алгебры разрешать проблемы, которые априори недоступны для геометрии, в значительной степени определили сдвиг, который произошел в эпоху Возрождения, в связи с чем пальма первенства в мире математики перешла от геометрии к алгебре.

В конце IX в. египетский математик Абу Камиль стал одним из ведущих преемников аль-Хорезми. Он обобщил методы персидского ученого и особенно уделил внимание системам уравнений. Эти системы предполагали одновременный поиск нескольких неизвестных исходя из нескольких заданных уравнений. Вот классический пример.

Стадо состоит из одногорбых и двугорбых верблюдов. Всего у животных в стаде 100 голов и 130 ног. Сколько животных каждого вида в стаде?

В данной задаче есть два неизвестных: количество верблюдов одного и другого вида, – и информация о них дана совокупно. Количество голов и горбов позволяют нам составить два уравнения, но их невозможно решить отдельно друг от друга: необходимо объединить их для поиска решения задачи.

Есть несколько методов решения этой задачи. Логика рассуждений следующая. Поскольку в стаде 100 голов, у 100 животных есть хотя бы по одному горбу. Так как в стаде есть только двугорбые и одногорбые верблюды, то у 30 из них будет два горба (130–100), а одногорбыми будут, соответственно, 70 верблюдов (100–30). В данном примере есть только одно правильное решение. В других же системах уравнений их может быть значительно больше. Так, в одном из приводимых примеров Абу Камиль находит 2676 различных решений!

В X в. аль-Караджи был первым, кто написал о том, что можно составить уравнения любой степени, но ему удалось описать решение далеко не всех из них. В XI–XII вв. Омар Хайям и Шарафуддин ат-Туси занимались изучением решения уравнений третьей степени. Им удалось решить отдельные примеры и в целом достичь определенных успехов, но вместе с тем еще не получилось сформулировать обобщенное решение. Некоторые математики также пытались найти решение, и возникло предположение, что, возможно, такие уравнения вообще его не имеют.

В конечном счете ответили на этот вопрос вовсе не арабские ученые. В XIII в., когда золотой век ислама был уже позади, арабская цивилизация начинает постепенно приходить в упадок. Тому было много причин, в частности господство арабской мусульманской империи привлекало внимание завистников, и арабы были вынуждены постоянно обороняться, а на первый план вышли расходы на содержание армии.

В 1219 г. орды монголо-татар под предводительством Чингисхана захватили Хорезм, родной город аль-Хорезми. В 1258 г. они достигли ворот Багдада под командованием хана Хилого, внука Чингисхана. Халиф аль-Мастачит Биллах был вынужден капитулировать. Багдад разграбили и сожгли, а его жителей убили. В это же время идет реконкиста южных территорий Испании. Кордова, столица региона, пала в 1236 г. Испания была полностью завоевана в 1492 г. после захвата Гранады и дворца Альгамбра.

Арабский научный мир был весьма децентрализован, и наиболее важные исследования продолжались вплоть до XVI в., тем не менее центром развития математики отныне стала Европа.

Следует признать, что в эпоху Средневековья математика развивалась в Европе не самыми быстрыми темпами. Тем не менее есть несколько исключений. Наиболее известный европейский математик Средневековья, вероятно, итальянский ученый Леонардо Фибоначчи, родился в Пизе в 1175 г. и умер там же в 1250-м.

Как он сумел стать в это время в Европе известным математиком? Настоящих математиков не осталось на континенте. Отец Фибоначчи был представителем торговцев республики Пиза в Бежайа, на территории современного Алжира. Именно здесь итальянский ученый получил образование и открыл для себя исследования арабских математиков, в том числе аль-Хорезми и Абу Камиля. По возвращении в Пизу он опубликовал в 1202 г. свою работу под названием «Книга абака» («Книга расчетов»), в которой описал все известные ему достижения математики того времени, включая арабские цифры, геометрию Евклида, Диофантову арифметику, расчеты числовых рядов. Один из таких рядов увековечил его имя.

Ряд – это последовательность чисел, которая может быть продолжена бесконечно. Мы уже рассмотрели некоторые из них. Например, нечетные числа (1, 3, 5, 7, 9…) и квадратные числа (1, 3, 9, 16, 25…) – одни из наиболее очевидных. В одной из глав «Книги абака» Фибоначчи пытается математически показать, каким образом будет увеличиваться количество кроликов. Он рассматривал следующие гипотезы в качестве условий:

С учетом этих данных можно построить схему развития пары кроликов, начиная с их рождения.

Каждая линия представляет развитие пары кроликов с течением времени. Стрелочки обозначают рождение новых пар

Проанализировав полученный ряд, можно получить числовой ряд. Столбец за столбцом дают следующие значения в первые 10 месяцев: 1, 1, 2, 3, 5, 8…

Фибоначчи обратил внимание на то, что популяция кроликов соответствует сумме популяций в два предыдущих месяца: 1 + 1 = 2; 1 + 2 = 3; 2 + 3 = 5; 3 + 5 = 8… и так до бесконечности. Это правило можно объяснить. Каждый месяц число пар, которые родились и прибавились к ранее родившимся кроликам, равно числу пар репродуктивного возраста в предыдущем месяце, то есть количеству пар, которые уже родились два месяца назад. Теперь можно вычислить числа последовательности без необходимости изображения генеалогического древа кроликов.

1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144 …

Для Фибоначчи эта последовательность носила в первую очередь характер бесконечной головоломки. Тем не менее способ определения популяции кроликов найдет в следующих столетиях много вариантов приложения: как практических, так и теоретических. Один из наиболее ярких примеров его применения можно найти в ботанике. Листорасположение – дисциплина, которая изучает, каким образом листья или различные элементы растения присоединяются к его основанию. Если вы внимательно посмотрите на шишку, вы увидите, что ее поверхность состоит из чешуек, которые закручиваются по спирали. Более конкретно можно подсчитать количество спиралей, которые закручиваются по часовой стрелке, и число спиралей, которые закручиваются в противоположном направлении.

Удивительно, но эти два числа всегда будут двумя последовательными числами из ряда Фибоначчи! Прогуливаясь по лесу, вы сможете найти шишки с количеством спиралей 5–8, 8–13 или 13–21, но никогда 6–9 или 8–11. Эти спирали Фибоначчи можно с большими или меньшими усилиями отыскать во многих других растениях. В то время как в ананасе или в цветке подсолнуха они видны невооруженным глазом, в созревшем кочане цветной капусты найти их гораздо сложнее. Тем не менее они там есть!

Золотое сечение

Помимо прочего Фибоначчи уделил особое внимание описанию числа, известного еще со времен Античности – золотого сечения. Число, приблизительно равное 1,618, которое Древние Греки считали значением идеальной пропорции. Как и число π, золотое сечение тоже является бесконечным числом, именуемым также числом φ («фи»).

Золотое сечение имеет различные варианты применения в геометрии. У прямоугольника, построенного по принципу золотого сечения, длина в φ раз больше ширины. Примечательно, что, если от такого прямоугольника отрезать квадрат, сторона которого станет соответствовать ширине прямоугольника, то оставшийся прямоугольник будет также построен по принципу золотого сечения.

Древние Греки использовали его в архитектуре. Фасад Парфенона в Афинах имеет очень схожие пропорции с прямоугольником, построенным по принципу золотого сечения, и, даже несмотря на то что однозначное подтверждение этого в источниках отсутствует, вполне можно предположить, что это не случайно. Впервые золотое сечение упоминалось в шестой книге «Начал» Евклида.

Также золотое сечение встречается в правильных пятиугольниках: их диагонали и стороны соотносятся именно в такой пропорции. Другими словами, длина каждой из пяти диагоналей равна длине стороны, умноженной на число φ.

Золотое сечение встречается, таким образом, в любых геометрических фигурах, где есть правильные пятиугольники. Например, в рассмотренных ранее жеоде или футбольном мяче. Чтобы рассчитать его точное значение алгебраическим путем, необходимо будет решить следующее уравнение второй степени.

Квадрат числа φ равен числу φ, увеличенному на 1.

Метод аль-Хорезми позволяет определить точную формулу расчета числа φ. Так, φ = (1+ √5) ÷ 2 ≈ 1,618034.[12] Вы можете проверить, что 1,618034 × 1,618034 ≈ 2,618034.

Но какое к этому имеет отношение ряд Фибоначчи?

Если достаточно долго анализировать увеличение популяции кроликов, можно обратить внимание, что каждый раз она увеличивается приблизительно в φ раз! Посмотрим, например, на 6-й и 7-й месяцы. Количество кроликов в популяции равно 8 и 13, соответственно, 13 ÷ 8 = 1,625. Полученное значение приблизительно равняется золотому сечению. Если же мы возьмем в качестве примера 11 и 12 числа из ряда, то получим следующую пропорцию: 144 ÷ 89 = 1,61797… Это число уже более точно соответствует числу φ. Можно продолжить эти расчеты. Чем дальше, тем коэффициент разницы последующего и предыдущего члена будет точнее соответствовать золотому сечению!

В очередной раз констатация факта породила многочисленные дискуссии. Почему? Как так получается, что это незамысловатое число встречается в трех различных направлениях математики: геометрии, алгебре и теории рядов? На первый взгляд, можно было бы предположить, что эти числа приблизительно равны, но не соответствуют друг другу. Однако они точны настолько, что, рассчитывая отношение диагонали к стороне пятиугольника (1+√5) ÷ 2, и отношение каждого последующего числа к предыдущему в ряду Фибоначчи, в каждом из случаев будет получаться одинаковый результат.

Для того чтобы разгадать эту тайну, математики пытались приводить междисциплинарные доказательства, используя одновременно знания из различных областей математики. Такое явление встречалось раньше, когда в эпоху Античности числа представлялись в геометрической форме, что, тем самым, сближало геометрию и алгебру. В дальнейшем такой подход распространился и на другие направления математики. Ряд дисциплин, которые ранее казались не связанными друг с другом, стали использоваться совместно. Такие числа, как φ, помимо прочего, сыграли существенную роль в процессе сближения смежных математических дисциплин. Во времена Фибоначчи число π применяли не только в геометрии.

Изучение рядов чисел также помогает иначе посмотреть на парадоксы Зенона Элейского, в частности парадокс Ахиллеса и черепахи. Давайте вспомним пример древнегреческого ученого, когда черепаха начинает забег с Ахиллесом с форой в сто метров, при этом Ахиллес бежит со скоростью в два раза быстрее. В этой ситуации парадокс заключался в том, что, несмотря на медлительность черепахи, Ахиллес ее никогда не сможет догнать.

Такой вывод сделан в результате мысленного разделения гонки на бесконечное количество частей. К тому моменту, когда Ахиллес достигает начальную точку, на которой находилась черепаха, она будет уже в 50 метров дальше. Когда Ахиллес преодолеет следующие 50 метров, черепаха окажется в 25 метрах впереди и так далее. Каждый раз расстояние между ними станет сокращаться вдвое.

100 50 25 12,5 6,25 3,125 1,5625…

Если продолжать этот ряд, то можно ошибочно предположить, что Ахиллес никогда не догонит черепаху. Однако, если рассчитать сумму этой последовательности чисел, то можно найти результат, который будет конечным.

100 + 50 + 25 + 12,5 + 6,25 + 3,125 + 1,5625 +…= 200.

Это одно из удивительных свойств рядов чисел: сумма бесконечного количества чисел может быть конечной! Результат, полученный выше, доказывает, что Ахиллес догонит черепаху, пробежав 200 метров.[13]

Расчет таких бесконечных рядов имеет большое прикладное значение для расчета чисел из области геометрии, таких, как, например, π, или тригонометрических величин. В том случае, если их нельзя вычислить с помощью стандартных операций, можно рассчитать суммы рядов чисел. Одним из первых, кто предложил такой метод вычисления, был индийский математик Мадхава из Сангамаграмы, который вывел около 1500 г. формулу для числа π:

В ряду Мадхавы присутствуют как положительные, так и отрицательные числа, рассчитываемые как отношения 4 и последовательных нечетных чисел. Не стоит, однако, думать, что такой подход окончательно решил вопрос вычисления числа π. После того как данная сумма составлена, все еще требуется вычислить ее. Но если сумму некоторых из рядов чисел, таких как в примере с Ахиллесом и черепахой, можно легко рассчитать, в других случаях это весьма затруднительно, о чем рассуждает Мадхава.

Короче говоря, эта бесконечная сумма на самом деле не позволит рассчитать точное значение числа π, а всего лишь позволяет обеспечить более точное приближение.

Поскольку мы не можем сложить все числа из бесконечного ряда, можно ограничиться определением суммы конечного числа чисел. Таким образом, если сложить первые пять чисел из ряда, мы получим 3,34.

Это недостаточно точное приближение, но можно продолжать сложение чисел из ряда. Если мы возьмем первые сто чисел, получится 3,13, а если миллион, то 3,141592.

Разумеется, не очень удобно складывать миллион чисел, чтобы получить приближенное значение всего с шестью знаками после запятой. Ряд Мадхавы оказался неудачным способом для вычисления числа π, т. к. требовалось сложить слишком много его чисел. В дальнейшем другие математики, такие как швейцарец Леонард Эйлер в XVIII в., а также индийский ученый Сриниваса Рамануджан Айенгор в XX в. открыли ряд других рядов чисел, сумма которых равна π, но со значительно меньшим количеством чисел. Эти методы постепенно вытеснили метод Архимеда и позволили рассчитывать более точные значения с большим количеством знаков после запятой.

Тригонометрические соотношения также можно представить в виде суммы бесконечных рядов чисел. Так, например, можно рассчитать значение косинуса заданного угла.

Для того чтобы рассчитать косинус, достаточно просто заменить слово «угол» в приведенной выше формуле на значение заданного угла.[14] Существуют похожие формулы для вычисления синуса, тангенса, а также ряда других чисел.

Вплоть до сего дня ряды чисел по-прежнему продолжают находить разнообразное применение. Ряд Фибоначчи до сих пор лежит в основе изучения динамики роста популяции и эволюции видов животных в течение длительного времени. Современные модели анализа, однако, учитывают гораздо больше факторов, таких как смертность, истребление хищниками, климат и изменение среды обитания животных. В целом ряды чисел используются в моделировании любого процесса, который прогрессивно продолжается на протяжении длительного времени. Сейчас они активно используются в информатике, статистике, экономике и даже метеорологии.

В начале XVI в. семена, посеянные Фибоначчи, начинают приносить свои плоды с появлением нового поколения математиков, возобновивших алгебраические исследования арабских ученых. Именно они в конечном счете смогли решить уравнения третьей степени совершенно невероятным способом.

Эта история началась в XVI в. с работ коммерсанта и профессора арифметики Болонского университета Сципиона дель Ферро. Он занимался исследованиями в области алгебры и был первым, кто смог описать решение уравнений третьей степени. Увы! В то время принцип повсеместного распространения знаний, который преобладал в арабском мире, еще не был распространен в Европе. Преподаватели Болонского университета плели интриги в борьбе за профессорский пост. Для того чтобы оставаться лучшим и не потерять свое место, дель Ферро стремился сохранить исследования в секрете от конкурентов. Он описал свое открытие, но не опубликовал его и посвятил в тайну исследований только нескольких учеников, которые, как и он, держали все в тайне.

Когда математик из Болоньи умер в 1526 г., итальянское математическое сообщество даже не догадывалось о том, что решение кубических уравнений уже найдено. Многие из ученых продолжали верить, что такие уравнения неразрешимы. Тем не менее один из учеников дель Ферро по имени Антонио Мария дель Фьоре, который был удостоен доверия своего учителя, не мог не воспользоваться его открытием. Он начал бросать вызов математикам из других стран, заключавшийся в основном в решении уравнений третьей степени. Разумеется, он выигрывал каждый раз. В результате слух о существовании решения постепенно начал распространяться по свету.

В 1535 г. дель Фьоре бросил вызов венецианскому ученому по имени Тарталья. Тому было 35 лет, и тогда еще не были опубликованы его важнейшие научные труды. Дель Фьоре не знал, что это был ученый, которому предстояло стать одним из лучших математиков своего поколения. Двое ученых направили друг другу список из тридцати вопросов, и поспорили на тридцать пиров, которые проигравший должен был закатить в честь победителя. В течение нескольких недель Тарталья раздумывал над решением уравнений третьей степени, посланных ему дель Фьоре, и за несколько дней до истечения срока ему удалось найти их решение! Он решил все тридцать задач и с легкостью выиграл пари.

История могла закончиться на этом, т. к. Тарталья отказался предать гласности свой метод. Так продолжалось еще четыре года.

Об этой дуэли узнал миланский математик и инженер по имени Джироламо Кардано. Переиначенное на французский манер его имя Жером Кардан, вероятно, знакомо автолюбителям: среди прочего он изобрел универсальный шарнир, используемый в автомобилях для передачи вращения двигателя на колеса. Кардано был среди тех, кто изначально считал невозможным решение уравнений третьей степени. Заинтригованный успехом Тартальи, он захотел встретиться с ним. В начале 1539 г. он отобрал восемь задач и попросил ученого объяснить его метод. Тарталья был категорически против. Кардано рассердился и пытался запугать упрямца, призвав алгебраистов страны осудить высокомерие их коллеги. Тарталья не поддавался.

В конечном счете Кардано пошел на уловку чтобы получить ответ на свой вопрос. Он сказал Тарталье, что маркиз Альваос, губернатор Милана, желает встретиться с ним. Живя в Венеции, Тарталья находился тогда в сложном положении и нуждался в покровителе. Он согласился поехать в Милан, где на 15 марта 1539 г. была назначена встреча в доме Кардано. Тарталья напрасно ждал губернатора в течение трех дней. Этого времени хватило, чтобы Кардано преодолел недоверие математика. После неустанных переговоров Тарталья в конце концов согласился поделиться своим открытием при условии, что Кардано поклянется никогда не публиковать его. Кардано дал слово и получил ответ на свой вопрос.

Вернувшись в Милан, Кардано начал анализировать полученные формулы. Метод работал, но не хватало самого главного: доказательства. До сих пор никому из математиков не удалось представить доказательство того, что их формулы верны. Именно этой задаче Кардано посвятил последующие годы своей жизни. Он смог это сделать, а один из его учеников, Лодовико Феррари, даже смог обобщить метод решения уравнений четвертой степени! Но данная в Милане клятва не позволяла математикам опубликовать результаты.

Кардано, однако, не отказывался от своих амбиций. В 1542 г. он отправился в Болонью вместе с Феррари, чтобы встретиться с Ганнибалом делла Наве, еще одним бывшим учеником Сципиона дель Ферро. Между ними тремя состоялась беседа, в ходе которой делла Наве показал им свои записи доказательства выведения формул; он утверждал, что был первым, кто их получил. Кардано решил, что теперь освобожден от данной клятвы. В 1547 г. он опубликовал свою работу под названием «Арс Магна» (с лат. Ars Magna – «Великое искусство»), которая наконец пролила свет на решение уравнений третьей степени. Тарталья был взбешен и сильно оскорблен поступком Кардано и опубликовал свою версию. Но было уже слишком поздно. Кардано остался в истории как математик, победивший третью степень, а открытая формула получила свое название в его честь.

Отдельные части «Арс Магна», однако, вызывали некоторый скептицизм среди алгебраистов. В ряде случаев формула Кардано, по всей видимости, предполагает вычисление квадратного корня из отрицательных чисел. В середине уравнения может, например, появиться корень из –15, т. е. должно существовать число, квадрат которого равен –15. Но это невозможно, согласно правилу знаков Брахмагупты. Квадрат как положительного, так и отрицательного числа является положительным числом! Так, например, (-2) ² = (-2) × (-2) = 4. Нет такого числа, квадрат которого может быть равен –15. Короче говоря, квадратные корни, встречающиеся в примерах Кардано, не существуют. Тем не менее, используя эти несуществующие числа в промежуточных рассуждениях, по методу Кардано, удается получить верный результат! Необычно и интригующе.

Еще один математик из Болоньи, Рафаэль Бомбелли, предположил, что квадратным корнем из отрицательных чисел вполне может быть совершенно новый вид чисел. Это и не положительные, и не отрицательные числа! Необычные числа, о которых ничего не известно, предположить существование которых до настоящего момента было невозможно. После появления нуля и отрицательных чисел огромное множество чисел снова собирается расширяться.

В конце жизни Бомбелли написал свою основную работу, «Алгебра», которая была опубликована в год его смерти (1572). Взяв за основу книгу «Арс Магна», он дополнил ее новыми элементами, которые назвал комплексными числами. Бомбелли сделал нечто подобное тому, что уже однажды совершил Брахмагупта, когда ввел понятие отрицательных чисел. Он описал правила, позволяющие выполнять различные действия с комплексными числами, включая возведение во вторую степень и нахождение отрицательных чисел.

Судьба комплексных чисел Бомбелли была во многом схожа с судьбой отрицательных чисел. Они также вызвали волну скепсиса и недоверия. И, так же как и отрицательные числа, их в конце концов признали революционным достижением в мире математики. Одним из таких скептиков в начале XVII в. был французский математик и философ Рене Декарт. Именно он дал этим числам название, которое мы используем до сих пор: мнимые числа.

Пройдет два столетия, прежде чем мнимые числа будут признаны всем математическим сообществом. Так они станут неотъемлемой частью современной науки. Помимо решения уравнений, эти числа будут применяться в физических науках, в том числе в изучении волновых явлений в электронике или квантовой физике. Без мнимых чисел появление многих современных технологий было бы невозможным.

Однако, в отличие от отрицательных, мнимые числа в основном остаются неизвестными за пределами научных кругов. Их сложно себе представить на интуитивном уровне, трудно спроектировать на простые физические явления. Если отрицательный результат еще можно представить как долг или дефицит, то для того, чтобы понять, что такое мнимые числа, придется отказаться от осознания чисел в количественных категориях. Эти числа неприменимы в повседневной жизни для подсчета яблок или овец.

Мнимые числа постепенно расширяли поле для исследований математиков. В конце концов, если достаточно только признать существование квадратных корней из отрицательных чисел для того, чтобы принять новый вид чисел, почему нельзя пойти дальше? Разве нельзя создавать неограниченное число новых чисел с новыми арифметическими свойствами. Нельзя ли тогда ввести новые, полностью независимые алгебраические структуры чисел, отличные от классических?

В XIX в. были сняты последние ограничения применения математических действий по отношению к любым числам. Таким образом, алгебраическая структура становится не более чем математической конструкцией, состоящей из элементов (которые мы можем назвать цифрами в определенных случаях) и операций, которые могут быть совершены в отношении этих элементов (которые могут быть названы сложением, умножением и т. д. в соответствующих случаях).

Такой подход привел к появлению многочисленных новых исследований. Новые, более или менее абстрактные алгебраические структуры уже были обнаружены, изучены, классифицированы. Учитывая масштабы задачи, математики Европы и мира начали обмениваться опытом. Даже сегодня многие алгебраические исследования продолжают проводиться по всему миру, и многие гипотезы остаются недоказанными.

Вуаля! Ваша теория готова, осталось только изучить ее. Посмотрев на пересечение второй строки и четвертого столбца, например, можно увидеть, что в результате бомбеллиации ♦ и ♠ получается ☼. Другими словами, ♦ ✳ ♠ = ☼. Вы даже можете решать уравнения в вашей теории. Например:

Найдите число, которое при бомбеллиации с ♣ дает ♫.

Чтобы найти решение этого уравнения, достаточно посмотреть на нашу таблицу. Можно сделать вывод, что у него есть два решения: ♦ и ♪, т. к. ♦ ✳ ♣ = ♫ и ♪ ✳ ♣ = ♫.

Однако будьте внимательны, потому что в нашей новой теории некоторые свойства, которые мы использовали раньше, могут стать ложными. Например, результат может отличаться в случае изменения порядка элементов в бомбеллиации: ♥ ✳ ♦ = ♪ в то время как ♦ ✳ ♥ = ♦. В этом случае говорят, что операция не коммутативная.

Присмотревшись внимательнее, вы обнаружите некоторые более общие свойства. Например, при бомбеллиации элемента с самим собой результат будет равен этому элементу: ♥ ✳ ♥ = ♥, ♦ ✳ ♦ = ♦, ♣ ✳ ♣ = ♣ и так далее. Эту закономерность можно считать первой теоремой нашей новой теории!

В общем, принцип должен быть вам понятен. Если вы хотите создать ваши собственные теоремы – пожалуйста. Разумеется, вы можете взять такое количество элементов, какое пожелаете. Даже бесконечное их число, если захотите. Вы можете создать более сложные системы, как и в случае целых чисел, которые не имеют специального символа, а составлены из десяти индийских цифр. Вы можете затем создать правила подсчета, которые будут выступать в роли аксиом в вашей теории. Например, определяя свойства вашей алгебраической системы, можно сделать операции коммутативными.

Разумеется, не стоит обманывать себя, рассчитывая на то, что ваша теория останется в истории. Не все математические модели одинаковые! Некоторые из них являются более полезными и важными, чем другие. Создавая таблицу с действиями случайным образом, помните: есть большая вероятность, что эта система окажется совершенно неинтересной. Если же это не так, то можно держать пари, что другие математики уже изучили ее до вас. Нужно, так или иначе, отдавать себе отчет в том, что математика – это призвание!

Как распознать интересную теорию? На протяжении всей истории для этого существовало два критерия, которыми руководствовались математики в своих исследованиях: применимость и красота.

Применимость – это, разумеется самый очевидный фактор. Возможность использовать результат проведенной работы – это первоочередной критерий с математической точки зрения. Числа полезны, так как и их помощью можно считать и осуществлять торговлю. Геометрия позволяет измерять различные величины. С помощью алгебры можно решать проблемы повседневной жизни.

Красота – это менее конкретная характеристика. Как математическая теория может быть красивой? Это еще можно понять в отношении геометрии, где определенные фигуры могут быть визуально оценены как произведения искусства. В качестве примера можно привести орнаменты из Месопотамии, Платоновы тела или мощение Альгамбры. Но в алгебре? Может ли алгебраическая структура в самом деле быть красивой?

Долгое время я считал, что понимание элегантности и поэзии математических объектов – это привилегия немногих специалистов, истинных ценителей, которые провели достаточно времени за изучением различных теорий и со зрелым пониманием вопроса могли бы поистине насладиться красотой математики. Я заблуждался и уже совсем скоро смог убедиться, что даже новички и очень маленькие дети могут осознать это чувство элегантности.

С одним очень ярким примером я однажды столкнулся на занятиях первоклассников. Детям в классе было около семи лет. Им необходимо требовалось распределить треугольники, квадраты, прямоугольники, пятиугольники, шестиугольники и фигуры других форм в соответствии с заданными критериями. Детям предложили подсчитывают число сторон и число вершин этих фигур. У треугольников было три стороны и три вершины, у квадратов и прямоугольников – четыре стороны и четыре вершины и так далее. При составлении этого списка дети быстро заметили теорему: многоугольник имеет равное количество сторон и вершин.

На следующей неделе для анализа были выбраны фигуры более причудливой формы, в том числе приведенный ниже пример.

Возникает вопрос: сколько сторон и сколько вершин у этой фигуры? Большинство в классе говорят, что четыре стороны и три вершины. Развернутый угол на рисунке выше не формирует вершины. Он не острый. Это вообще скорее впадина, чем вершина. Таким образом, в отношении этого вогнутого угла неприменимо утверждение о свойстве сторон и вершин многоугольников, описанное выше. Попросить их назвать эту точку значит заставить дать название новому явлению! Какая идея! Дети начинают обсуждать этот вопрос. У учеников возникают различные идеи в отношении данной точки. Нужно ли давать ей другое имя? Следует ли вообще об этом задумываться? Приводятся аргументы как за, так и против, но в целом, похоже, не удается собрать большинство.

И вдруг один их первоклассников вспоминает теорему. Если это не вершина, то мы больше не можем утверждать, что любой многоугольник имеет одинаковое количество сторон и вершин. К моему удивлению, именно этот аргумент объединяет класс. Уже через мгновение все были согласны: необходимо считать эту точку вершиной. Эта теорема достаточно проста и наглядна, но и она, к сожалению, имеет свои исключения. Так я стал свидетелем того, что даже маленькие дети понимают красоту математических теорем.

Исключения из общего правила – это всегда некрасиво. Они не могут не раздражать. Чем закономерность более простая и применимая, тем большее впечатление она производит. Красота математики может выражаться по-разному, но в целом может быть сведена к простоте в формулировках в отношении сложных явлений. Красивая теория – это теория, простая в описании, не имеющая отклонений, исключений, спорных моментов и лишенная избыточных деталей. Это теория, имеющая обширное применение, которая при этом может быть изложена кратко, что и делает ее безупречной.

Пример с многоугольниками весьма примитивен, но, развиваясь, новые теории становятся еще красивее, сохраняя при этом закономерности, которые могут быть сведены к нескольким простым принципам. Удивительно и то, что новые теории еще более стройны и закономерны, чем появившиеся в эпоху Античности, что противоречит логичному предположению обратного. Мнимые числа – яркий тому пример.

Помните уравнения второй степени? Решая их способом аль-Хорезми, можно было отыскать два решения, одно решение либо прийти выводу, что уравнение не имеет решений. Все это будет верным, если не брать в расчет мнимые числа. В противном случае любое уравнение второй степени будет иметь два решения! Когда аль-Хорезми утверждал, что уравнение не имеет решений, это было верно, так как в его системе, ограниченной только действительными числами, ответа не имелось. Два решения такого уравнения находятся во множестве мнимых чисел.

Дальше больше. Благодаря открытию мнимых чисел любое уравнение третьей степени имеет три решения, четвертой степени – четыре решения и т. д. Таким образом, количество решений уравнения равно степени этого уравнения. Это открытие сделал немецкий математик Карл Фридрих Гаусс в XVIII в. и привел соответствующее доказательство в начале XIX в. Эту теорему назвали основной теоремой алгебры.

Более чем 1000 лет после того, как аль-Хорезми написал свою работу, после всех неудач в решении уравнений третьей степени, после того, как решение уравнений четвертой степени было немыслимо, т. к. не могло быть представлено в геометрической форме, в конечном счете было сформулировано элементарное правило, состоящее из шести слов: количество решений уравнения равно его степени.

Это одно из следствий открытия мнимых чисел. Не только решение уравнений усовершенствовалось после их появления. После того как начинают использоваться мнимые числа, ряд теорем в одночасье становится более красивыми и лаконичными. Это в целом открыло новые возможности для развития математики. Бомбелли, вероятно, не сомневался, что, открыв комплексные числа, он, тем самым, предоставил математикам будущих поколений огромное поле для исследований.

Математики исследуют свойства новых алгебраических структур, которые появились в XIX в. Общие правила, правила симметрии, аналогии, результаты, которые развиваются и совершенствуются. Небольшая теория, которую мы сформулировали чуть ранее, вряд ли будет соответствовать этим критериям, чтобы стать интересной. В этой теории нет строгих закономерностей, и каждый случай индивидуален. Нет ни общих правил равенства, ни принципов производимых действий. Ну что ж, ничего не поделаешь.

Среди наиболее известных имен современной алгебры можно выделить французского ученого Эвариста Галуа, гения, который погиб в 1832 г. во время дуэли в возрасте всего 21 года. За такую короткую жизнь он смог внести свой вклад в историю развития уравнений. Галуа удалось доказать, что, начиная с уравнений пятой степени, их решение не может быть рассчитано по формулам, аналогичным тем, что вывели аль-Хорезми или Кардано – с использованием только четырех операций, возведения в степень и вычисления корня. Для того чтобы доказать это, он специально создал новые алгебраические структуры, которые до сих пор изучаются и известны как группы Галуа.

Но вот кто, пожалуй, достиг наивысшего успеха в получении алгебраических результатов, пользуясь небольшим числом простейших аксиом, – так это немецкий математик Эмми Нётер. С 1907 г. до своей смерти в 1935-м Нётер опубликовала около пятидесяти статей по алгебре, и некоторые стали настоящим прорывом из-за используемых автором алгебраических структур и теорем. Она главным образом занималась изучением колец, полей и алгебр,[15] т. е. структур, связанных, соответственно, тремя, четырьмя или пятью действиями с соответствующими свойствами.

И вот алгебра достигла такой степени абстракции, которую эта скромная книга уже не в силах охватить. Более подробно об этом можно прочитать в учебных пособиях для студентов университетов или научных трудах.

XVI в. в Европе был богат событиями. Ренессанс начался в Италии, а затем распространился по всему континенту. Сделаны многочисленные открытия. На западе, за Атлантическим океаном, испанские корабли открыли новый мир. И в то время как исследователи отправлялись на поиски далеких неизведанных земель, интеллектуалы-гуманитарии в библиотеках заново постигали великие тексты эпохи Античности. В религии также начали происходить изменения. Протестантская реформация во главе с Мартином Лютером и Жаном Кальвином набирала все большую популярность, и во второй половине века в Европе бушевали религиозные войны.

Быстрое распространение новых идей в значительной степени обязано изобретению печати подвижными литерами, разработанной в 1450 г. немецким ученым Иоганном Гутенбергом. Благодаря этому методу стало можно очень быстро перепечатывать книги, что обеспечивало их широкое распространение. В 1482 г. «Начала» Евклида стали первым математическим трудом, который напечатали в Венеции. Успех был огромный! В начале XVI в. в сотнях городов были свои печатные станки и напечатали уже десятки тысяч книг.

Наука играла активную роль в происходивших изменениях. В 1543 г. польский астроном Николай Коперник опубликовал свою работу «О вращении небесных сфер» (De Revolutionibus Orbium Coelestium). Эффект от нее был как гром среди ясного неба! Перечеркивая учение Птолемея, Коперник утверждал, что это Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот! В последующие годы Джордано Бруно, Иоганн Кеплер и Галилео Галилей подтвердили данное открытие и провозгласили гелиоцентрическую систему мира. Это революционное открытие вызвало гнев деятелей католической церкви. После длительного застоя наука начала стремительно развиваться, и многие догмы были опровергнуты. Если Копернику хватило благоразумия не публиковать свою работу вплоть до момента незадолго до своей смерти, то Бруно не был так сдержан, и вследствие этого его сожгли на костре на площади в Риме, а Галилео Галилея заставили отречься от своего учения перед судом инквизиции. Легенда гласит, что, выйдя из зала судебных заседаний, итальянский ученый пробормотал знаменитую фразу: «И все-таки она вертится!»

Математика продолжает постепенно распространяться по крупным государствам на западе. Так, она проникает и во Францию.

Разумеется, математикой здесь занимались и раньше. У галлов была своя система исчисления на основе двадцаток, в результате чего в современном французском языке 80 переводится дословно как «четыре по двадцать». Древние римляне, несмотря на отсутствие великих математиков, неплохо умели считать в целях обеспечения хозяйственной деятельности своей огромной империи. Эти знания унаследовали Франки, Меровинги, Каролинги и Капетинги в эпоху Средневековья. Тем не менее во Франции никогда не было великих математиков, а также не сделано значительных математических открытий или приведено доказательств каких-либо теорем, которые бы не были доказаны ранее.

Поскольку математика добралась до Франции, самое время пойти по ее следам здесь. Направимся в департамент Вандея, в западную часть страны, где жил первый великий французский математик Возрождения Франсуа Виет.

Деревня Фуссе-Пейре в двенадцати километрах от Фонтене-ле-Конт навсегда останется в истории. Первые следы поселений в этом месте относятся к галло-римским временам, но период его процветания наступит только в эпоху Ренессанса. Многочисленные ремесленники и торговцы приезжали сюда, и их дела шли прекрасно. О местных торговцах шерстью, льном и кожей знали во всем королевстве. Даже сегодня многие здания этого периода замечательно сохранились. В деревне с населением всего в тысячу человек осталось не менее четырех исторических зданий и множество других строений.

К северу от деревни расположено местечко под названием Ла-Биготье, бывшая ферма, которую Франсуа Виет унаследовал от своего отца и которой он обязан своей благородной фамилией де ля Биготье. На центральной улице расположена старая гостиница «Святая Екатерина», ранее принадлежавшая семье Виет, где математик любил проводить время в юности. Есть причина, по которой мне было так интересно попасть в то место, где вырос первый великий математик страны. Без сомнения, молодой Франсуа провел много зимних вечеров перед гигантским камином в центре главной комнаты, где сейчас находится столовая. Может быть, именно здесь, согретый жаром тлеющих угольков, он впервые начал задумываться о вопросах математики?

Виет не всю свою жизнь прожил в Фуссе-Пейре. Получив юридическое образование в Пуатье, он отправился в Лион, где был представлен королю Карлу IX, а затем пробыл некоторое время в Ла-Рошели, перед тем как окончательно обосновался в Париже.

Религиозные войны достигли к этому моменту своего апогея. Семья Франсуа разделилась из-за убеждений. Его отец, Этьенн Виет, перешел в протестантизм, а два его дяди остались католиками. Франсуа занимал нейтральную позицию по этому вопросу и никогда открыто не говорил о своих убеждениях. Он одновременно выступал на стороне как влиятельных протестантских семей, так и представителей правящей элиты. Такое его поведение вызывало периодическое недовольство, в результате чего он несколько раз оказывася в немилости. В Варфоломеевскую ночь в 1572 г. он был в Париже, но ему удалось выжить. Не все оказались так удачливы: Пьера де ла Раме, который был первым, кто стал преподавать математику в Парижском университете и чьи работы оказали сильное влияние на Виета, убили 26 августа.

Наряду со своими служебными обязанностями Виет в свободное от работы время занимался математикой. Он, разумеется, был знаком с работами Евклида, Архимеда и других античных ученых, исследования которых переосмыслили в эпоху Ренессанса. Также Виет интересовался работами итальянских ученых и стал одним из первых, кто прочитал «Алгебру» Бомбелли, публикация которой прошла довольно незаметно. Французский математик, однако, скептически относится к введению комплексных чисел. На протяжении всей жизни Виет печатал математические исследования за свой счет и предлагал прочитать их только тем, кто, по его мнению, этого заслуживал. Он интересовался вопросами астрономии, тригонометрии или криптографии.

В 1591 г. Виет опубликовал свою основную работу: «Введение в искусство анализа» (In artem analyticem isagoge), также известную как «Исагогика». Как ни странно, «Исагогика» посвящена не теоремам или математическим доказательствам, а непосредственно используемым в математике формулировкам. Виет был одним из основоположников новой алгебры, которая сформировалась в течение нескольких последующих десятилетий и стимулировала появление нового математического языка.

Для того чтобы лучше понять, о чем идет речь, необходимо вспомнить математические работы эпохи Античности. В то время как геометрические теоремы Евклида и алгебраические методы аль-Хорезми актуальны и по сей день, сама форма изложения коренным образом изменилась. У ученых эпохи Античности не было конкретного языка для описания математических действий. Все известные нам символы, которые используются для обозначения четырех основных операций, +, —, × и ÷, изобрели только в эпоху Ренессанса. На протяжении почти пяти тысячелетий математики Месопотамии, арабского мира, Древней Греции, Китая использовали в своих математических формулах записи на местных языках.

Так, книги аль-Хорезми и алгебраистов Багдада были полностью написаны на арабском языке без использования символов. Если в то время для описания действия было необходимо несколько страниц, то сейчас обходятся несколькими строками. Помните уравнение второй степени, описанное в книге «аль-джабр»:

Аль-Хорезми описывал решение этого уравнения следующим образом.

Этот текст в наше время покажется очень косноязычным даже студентам, которые изучают данный вопрос. Уравнение имеет два решения: 9 и 49.

Риторическая алгебра, как ее окрестили впоследствии, не только слишком громоздка в описании, но и неоднозначна с точки зрения формулировок, которые могут быть истолкованы различным образом. Учитывая сложность аргументации и доказательств, эта форма изложения становится крайне неудобной для использования.

К этим сложностям математики иногда добавляют дополнительные. Например, многие математические работы того времени написаны в стихах. Это явление зачастую было связано с тем, что математические факты заучивались наизусть, а в стихотворной форме это сделать проще. Когда Тарталья передал свой метод решения уравнений третьей степени Кардано, тот опубликовал его на итальянском и александрийском языках. Разумеется, доказательство, написанное в стихотворной форме, становится более сложным для восприятия, в связи с чем есть мнение, что Тарталья целенаправленно писал доказательство в такой форме, чтобы его было сложнее понять. Вот перевод отрывка его работы.

Очень замысловато написано, не правда ли? Тарталья называет значением неизвестную, искомую величину. Присутствие слова «куб» в этом отрывке четко указывает на то, что речь идет о кубическом уравнении. Сам Кардано с трудом разобрал смысл содержания этого отрывка.

Чтобы упросить восприятие своих работ, математики постепенно начали упрощать алгебраический язык. Этот процесс начался в Западной части мусульманского мира в эпоху позднего Средневековья и особенно активно набрал обороты в Европе в период XV–XVI вв.

Впервые в истории в математике появились специальные слова. Так, уэльский математик Роберт Рекорд предложил в середине XVI в. термины для обозначения степеней неизвестных чисел, основанные на системе префиксов, которые могут добавляться до бесконечности. Квадрат неизвестного, например, назывался зензике (zenzike), шестая степень – зензикубике (zenzicubike), восьмая степень – зензизензизензике (zenzizenzizenzike).

А затем постепенно распространились символы, которые так хорошо знакомы всем нам сегодня.

Приблизительно в 1460 г. немецкий ученый Иоганн Видман впервые начал использовать знаки + и – для обозначения сложения и вычитания. В начале XVI в. Тарталья был одним из первых, кто начал использовать круглые скобки () в своих расчетах. В 1557 г. английский ученый Роберт Рекорд впервые использовал знак = для обозначения равенства. В 1608 г. голландский ученый Рудольф Снеллиус стал использовать запятую для разделения целой и дробной частей числа. В 1621 г. английский ученый Томас Хэрриот ввел знаки < > для обозначения соотношения двух чисел (больше/меньше).

В 1631 г. английский ученый Уильям Отред начал использовать значок × для умножения, а в 1647 г. первым обозначил знаменитую постоянную величину, открытую Архимедом, как π. Немецкий математик Иоганн Ран в 1659 г. впервые использовал ÷ для обозначения деления. В 1525 г. немецкий ученый Кристоф Рудольф ввел в обиход знак квадратного корня √, который в 1647 г. был дополнен горизонтальной полосой французским математиком Рене Декартом: √.

Конечно же, все это происходило не так последовательно и упорядоченно, как описано выше. В течение этого времени много других символов появлялось и исчезало. Некоторые из них использовались только один раз, другие – более активно. Между моментом, когда знак использовался впервые и его окончательным принятием всем математическим сообществом, зачастую проходили десятилетия. Так, даже спустя столетие после первого использования, + и – не стали универсальными знаками и многие математики продолжали использовать буквы P и M, инициалы латинских слов плюс (plus) и минус (minus), для обозначения сложения и вычитания.

И какова же роль Виета в этом? Деятельность французского ученого стала катализатором всеобщего принятия новой системы знаков. Написав «Исагогику», он тем самым начал обширную программу модернизации алгебры и заложил основу для использования букв алфавита в вычислениях. Его предложение гениально в своей простоте: обозначать неизвестные величины в уравнениях гласными, а известные числа – согласными.

Однако Рене Декарт впоследствии предложил иную систему: первые буквы латинского алфавита (a, b, c…) для обозначения известных величин и последние буквы (x, y и z) – для обозначения неизвестных. Этот подход используется сегодня большинством математиков, а буква «х» стала всеобщим обозначением чего-то неизвестного и таинственного.

Для того чтобы понять, как изменилась алгебра после появления всеобщего языка математики, рассмотрим уравнение:

В новой системе символов это будет записываться как: 5 × x = 30.

Обратите внимание, насколько короче запись! Это уравнение пример более широкой группы:

Это уравнение будет иметь вид: a × x = b.

Числа a и b взяты в начале алфавита, что, как мы знаем, означает, что это известные величины, зная которые, мы сможем вычислить х. И, как мы уже видели, уравнение этого типа решается путем деления второго известного члена на первый, другими словами: х = b ÷ a.

С этого момента математики начинают классифицировать уравнения по их типам и устанавливают правила для решения уравнений с буквенными обозначениями. Алгебра постепенно превращается в форму игры с собственными правилами. Решение нашего уравнения находится следующим образом: переходя из a × x = b в x = b ÷ a, буква a переходит с левой стороны от знака = направо, и умножение заменяется делением. Это одно из сформулированных правил: умножение можно заменить делением в другой части уравнения. Аналогичные правила применяются для сложения и вычитания, а также возведения в степень. Цель остается прежней: отыскать значение х.

Использование символов стало настолько эффективным, что алгебра начала быстро развиваться автономно от геометрии. Исчезла необходимость изображать умножение в виде прямоугольников или применять доказательство в виде мозаики. Теперь все сводилось к определению x, y и z! Более того, стремительное развитие эффективности алгебраических конструкций с использованием букв в скором времени приведет к тому, что уже геометрия будет опираться на алгебраические доказательства.

Французский математик Рене Декарт будет основоположником эффективного способа решения геометрических задач алгебраическими методами с использованием системы осей координат.

Декартова система координат

Идея Декарта была одновременно элементарной и гениальной: начертить две размеченные линии, горизонтальную и вертикальную, с тем чтобы идентифицировать каждую геометрическую точку координатами по двум осям. Рассмотрим, например, следующую точку А:

Точка находится на отметке 2 горизонтальной оси и 4 – вертикальной оси. Следовательно, ее координаты равны 2 и 4. С помощью этого метода становится возможным представлять каждую геометрическую точку двумя числами и, наоборот, находить точку для каждой пары чисел.

С момента своего возникновения геометрия и числа всегда имели тесные связи, но с появлением прямоугольной системы координат две эти дисциплины стали неразрывны. С того времени любая геометрическая задача могла решаться алгебраически, а алгебраическая задача – геометрически.

Рассмотрим, например, следующее уравнение первой степени: х = у + 2. Это уравнение с двумя неизвестными: необходимо найти х и у. Например, можно заметить, что х = 2 и у = 4 образуют решение, так как 2 + 2 = 4. Далее ясно, что числа 2 и 4 – это координаты точки А. Таким образом, можно представить это решение геометрически как точку.

На самом деле уравнение х + 2 = у имеет бесконечное количество решений. Например, пары чисел х = 0 и у = 2 или х = 1 и у = 3. Для любого значения х находится соответствующий у путем добавления 2. Теперь мы можем отметить в нашей системе координат все точки, соответствующие этим решениям. Таким образом, мы получим следующий график.

Прямая линия! Решения формируют идеально прямую линию. Нет ни одного из них, которое отклонялось бы от этого правила. В прямоугольной системе координат линия является геометрическим решением уравнения, а уравнение – алгебраическим представлением прямой линии. Два объекта слились воедино, и сегодня нередко можно услышать, как математики называют прямую линию х + 2 = y. Давая одни и те же имена разным вещам, алгебра и геометрия в действительности становятся единой дисциплиной.

Такая взаимозависимость привела к тому, что геометрические явления могут быть описаны алгебраическим языком и наоборот. Например, то, что называется «серединой» в геометрии, именуется «средним» в алгебре. Возьмем точку А с координатами 2 и 4 и соединим ее с точкой B с координатами 4 и 6. Для того, чтобы найти середину отрезка, соединяющего А и В, достаточно найти средние значения координат. Первые координаты А и В равны 2 и 4, соответственно, из чего можно сделать вывод о том, что первая средняя координата равна среднему значению этих двух чисел: (2 + 4) / 2 = 3. Аналогично можно найти среднее значение по вертикальной оси: (4 + (–6)) / 2 = –1. Таким образом, координаты середины отрезка равны 3 и –1, в чем можно убедиться, отметив эту точку на графике:

В словаре соответствий терминов из алгебры и геометрии окружность обозначает квадратное уравнение, точки пересечения двух окружностей – систему уравнений, а теорема Пифагора, тригонометрические конструкции и разделение на мозаичные части трансформируются в различные буквенные формулы.

Подводя итоги, можно сделать вывод, что в дальнейшем для решения геометрических задач не было необходимости изображать фигуры: алгебраические расчеты окончательно заняли свое место в математике, что значительно упростило и ускорило решение задач!

В последующие века использование прямоугольной системы координат способствовало достижению значительных успехов в развитии математики.

Одним из наиболее важных среди них было, несомненно, решение вопроса гипотезы, волновавшей умы математиков еще со времен Античности: определение квадратуры круга.

Можно ли с помощью линейки и циркуля начертить квадрат и круг, равные по площади? Вспомните, как еще более трех тысяч лет назад писец Ахмес уже пытался решить этот вопрос. После него разгадку безуспешно искали в Древнем Китае и Греции, но вопрос оставался на протяжении веков одной из величайших математических загадок, ответа на которую не было найдено.

В прямоугольной системе координат прямые линии, проведенные с помощью линейки, становятся линейными уравнениями, в то время как окружность, начерченная циркулем, может быть представлена в виде квадратного уравнения. С алгебраической точки зрения вопрос о квадратуре круга, таким образом, сводится к вопросу о том, можно ли найти такие уравнения первой и второй степени, решениями которых будет число π? Благодаря этой формулировке исследования возобновились, но вопрос все равно оставался сложным.

Только в 1882 г. немецкий математик Фердинанд фон Линдеман нашел окончательный ответ на этот вопрос. Нет, решением уравнений первой и второй степени не будет число π, и найти квадратуру круга невозможно. Таким образом, была решена проблема, которая до этого времени не поддавалась ни одному математику.

Прямоугольная система координат может легко быть расширена до пространственной геометрии. В трехмерной системе координат каждая точка будет иметь уже три координаты, и алгебраические методы могут быть применены к ним таким же образом.

Все становится несколько сложнее, когда мы переходим к четвертому измерению. С точки зрения геометрии невозможно представить себе фигуру в четырех измерениях, так как мы живем в трехмерном мире. В алгебре, однако, это не представляет сложности: значение координаты четвертого измерения – это все лишь четвертая строчка в координатной записи. И все алгебраические методы применимы в четырехмерном пространстве аналогичным образом. Например, если мы рассмотрим точки А и В, координаты которых равны 1, 2, 3 и 4 для первой точки и 5, 6, 7 и 8 для второй соответственно, можно без проблем найти среднее значение этих чисел: их координаты будут равны 3, 4, 5 и 6. Четырехмерная геометрия, в частности, использовалась в XX в. при формулировании теории относительности Альберта Эйнштейна, который станет использовать четвертую координату для моделирования времени.

Можно продолжить расширять количество измерений. Пять значений в определении координаты точки будут означать, что эта точка находится в системе, состоящей из пяти измерений. Добавьте еще одну координату, и количество измерений возрастет до шести. Этот процесс можно продолжать бесконечно. Тысяча чисел в обозначении координат точки будет указывать, что она определена в системе, состоящей из тысячи измерений.

На этом уровне аналогия может показаться простой игрой слов и вызывать улыбку, т. к. может показаться, что такие системы не имеют практической пользы. Задумайтесь еще раз. Многомерные системы координат имеют многочисленные варианты применения, включая статистику, в задачи которой входит изучение больших массивов числовых данных.

При изучении, например, демографии может потребоваться определить количественные характеристики различных групп населения, такие как рост, вес или тип питания представителей каждой из них, а также отклонения от среднего значения. Для того чтобы изобразить это геометрически, потребуется определить расстояние между двумя точками: первой, соответствующей данным по каждому человеку, и второй, характеризующей среднее значение. Таким образом, количество координат соответствует количеству лиц в группе. Затем осуществляется расчет с помощью прямоугольных треугольников, для чего можно применить теорему Пифагора. Статистик, вычисляющий отклонения от среднего значения в группе, состоящей из тысячи людей, часто, не подозревая об этом, использует теорему Пифагора в пространстве, состоящем из тысячи измерений! Этот метод также применяется в эволюционной биологии, чтобы вычислить генетическую разницу между популяциями животных. Измеряя по формулам, взятым из геометрии, расстояния между генами, обозначенные в виде списков чисел, становится возможным установить относительную близость различных видов и постепенно построить схему генетического родства всех живых организмов.

Можно даже проводить исследования с бесконечным списком чисел, то есть анализировать точки в пространстве бесконечной размерности! На самом деле мы уже сталкивались с ними: это такие числовые последовательности, как, например, последовательность Фибоначчи. Изучая динамику роста популяции кроликов, итальянский математик, сам того не подозревая, занимался исследованиями в пространстве бесконечной размерности! Именно эта геометрическая интерпретация позволила математикам XVIII в. найти еле уловимую связь между последовательностью Фибоначчи и золотым сечением.

«Философия написана в этой огромной книге, которая всегда открыта перед нашими глазами – я имею в виду Вселенную. Но мы не сможем ее понять до тех пор, пока не научимся понимать ее язык и символы, из которых она состоит. Она написана на языке математики, а его символы – это треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без помощи которых человек не сможет постичь ее смысл».

Эти слова, входящие с число самых известных в истории науки, были написаны в 1623 г. самим Галилео Галилеем в его книге под названием «Пробирщик» (итал. Il Saggiatore).

Галилео Галилей, несомненно, был одним из самых деятельных и талантливых ученых всех времен. Итальянского ученого часто называют основоположником современной физики. Надо сказать, что список его открытий поистине впечатляет. Он создал первый телескоп, открыл существование колец Сатурна, солнечные пятна, фазы Венеры и основные четыре спутника Юпитера. Один из самых известных сторонников гелиоцентрической системы мира, сформулированной Коперником, он описал принцип относительности движения, который теперь носит имя Галилея, и был первым, кто экспериментально изучал падающие тела.

В «Пробирщике» описывается тесная связь между физикой и математикой. Галилео Галилей был одним из первых, кто заметил эту зависимость. Необходимо отдельно отметить, что он пошел в хорошую школу, где в возрасте 19 лет ему преподавал основы математики Остилио Риччи, один из учеников Тартальи. Для ученых последующих поколений алгебра и геометрия окончательно стали языком, на котором говорит мир.

Необходимо иметь четкое представление о природе этой взаимозависимости между математикой и физикой. Потому что, конечно же, мы уже неоднократно видели с самого начала нашей истории, что математика всегда использовалась, чтобы изучить и понять мир. Однако в XVII в. произошло нечто новое. До этого времени математические модели оставались на уровне человеческих конструкций, созданных по аналогии с физическими объектами. Когда землемеры из Месопотамии использовали геометрию для измерения прямоугольного поля, оно было размечено человеком. В природе нет правильных прямоугольников – их расчерчивают люди. Аналогично этому, когда географы проводят триангуляцию местности для составления карты, полученные треугольники наносятся искусственно.

Сейчас же речь идет о совсем другой задаче, не просто об описании окружающего мира с математической точки зрения! Да, некоторые ученые эпохи Античности уже пытались сделать это раньше. Например, Платон, который, как вы помните, проводил параллель между пятью правильными многогранниками и четырьмя стихиями и космосом. Эта идея была гордостью пифагорейцев, хотя на самом деле их теории редко носили серьезный научный характер. Построенные на чисто метафизических соображениях и не подтвержденные экспериментально, почти все они в конечном счете были опровергнуты.

В XVII в. ученые пришли к выводу, что сама природа в различных своих проявлениях управляется точными математическими законами, которые могут быть выявлены экспериментальным путем. Одним из наиболее ярких достижений этого периода, несомненно, стало открытие закона всемирного тяготения Исааком Ньютоном.

В своей работе «Математические начала натуральной философии» (от лат. Philosophiae naturalis principia mathematica) английский ученый впервые доказал, что падение тел на Землю и вращение звезд на небе можно объяснить одним явлением: все объекты Вселенной притягиваются друг к другу. Эту силу практически невозможно обнаружить для мелких предметов, но она становится огромной в случае, если речь идет о планетах или звездах. Земля притягивает объекты, поэтому они падают. Земля притягивает Луну и, в какой-то степени можно сказать, что Луна падает тоже. Но поскольку Земля круглая и Луна движется на высокой скорости, она непрерывно падает рядом с Землей, вращаясь по кругу! Аналогичным образом планеты вращаются вокруг Солнца.

Ньютон не только открыл закон притяжения, но и вывел математическую формулу для определения величины силы, с которой объекты притягивают друг друга. Любые два тела притягиваются с силой, пропорциональной произведению их масс, разделенному на квадрат расстояния между ними. Что, используя символы Виета, можно записать следующим образом:

В этой формуле буква F обозначает интенсивность силы, m₁ и m₂, соответственно, массы двух тел, сила притяжения между которыми определяется, и d – расстояние между ними. Число G обозначает постоянную, равную 0,0000000000667. Ее малая величина объясняет то, что у небольших объектов сила притяжения незначительна, а у обладающих гигантской массой планет и звезд – ощутима. Задумайтесь над тем, что всякий раз, когда вы поднимаете что-то, ваша мышечная сила больше, чем сила притяжения Земли!

С появлением этой формулы физические проблемы стали математическими задачами. Так, стало возможным вычислять траектории небесных тел и, в частности, прогнозировать события! Для того чтобы определить дату следующего затмения, достаточно найти значение неизвестных алгебраического уравнения.

В последующие десятилетия с помощью формулы Ньютона сделаны значительные открытия. Из закона всемирного тяготения вывели, что Земля слегка придавлена со стороны полюсов, что было впоследствии подтверждено геометрами, измерившими каждый меридиан с помощью триангуляции. Одним из наиболее впечатляющих успехов применения ньютоновской теории считается расчет времени возвращения кометы Галлея.

Со времен эпохи Античности ученые замечали случайное появление комет на небе. Две школы давали различное толкование этому явлению. Последователи Аристотеля полагали, что кометы – атмосферные явления, происходящие относительно близко к Земле, в то время как пифагорейцы считали, что это своего рода планеты, то есть более удаленные объекты. Когда Ньютон опубликовал «Математические начала натуральной философии», споры все еще продолжались, и ученые двух школ продолжали дискутировать по этому вопросу.

Один из способов доказать, что кометы – это далекие звезды, обращающиеся вокруг Солнца, – найти определенную закономерность: вращающийся объект должен возвращаться в одну и ту же точку с регулярной периодичностью. К сожалению, в начале XVIII в. еще не удалось обнаружить никакую закономерность такого рода. Но затем, в 1707 г., британский астроном, друг Ньютона Эдмунд Галлей заявил, что, возможно, кое-что обнаружил.

В 1682 г., когда Галлей впервые наблюдал комету, увиденное не показалось ему чем-то очень необычным. За год во время своего пребывания во Франции до этого астроном встретился с Кассини I в Парижской обсерватории. Кассини I обсуждал с ним свое предположение о периодичности возвращения комет. Затем Галлей погрузился в астрономические архивы, в которых были описаны два других случая появления кометы: в 1531 и 1607 гг. Кометы появлялись в 1531, 1607 и 1682 гг., то есть каждый раз ровно через 76 лет. А что если это была одна и та же комета? Галлей утверждает, что комета вернется в 1758 г.!

Пятьдесят один год неизвестности! Ожидание было невыносимо долгим. Другие ученые воспользовались этим, чтобы уточнить прогноз Галлея. В частности, было сделано предположение, что гравитационное притяжение двух таких планет-гигантов, как Юпитер и Сатурн, может несколько изменить курс кометы. В 1757 г. астроном Жером Лаланд и математик Николь-Рейн Лепот занимались расчетами, основанными на модели, разработанной Алекси Клеро, которая, в свою очередь, основывалась на уравнениях Ньютона. Они долго и кропотливо на протяжении нескольких месяцев делали расчеты, чтобы окончательно предсказать прохождение кометы рядом с Солнцем в апреле 1759 г. с возможной погрешностью не более чем на месяц.

А затем произошло невероятное событие. Комета прилетела снова, и весь мир увидел ее в небе, что было триумфом Ньютона и Галлея. Она прошла рядом с Солнцем 13 марта во временном интервале, который правильно вычислили Клеро, Лаланд и Лепот. Галлей, к сожалению, не дожил до возвращения кометы, которой было впоследствии дано его имя, но теория гравитации и благодаря этому применение математики в физике получили поразительное по своей силе и красоте подтверждение.

Ирония судьбы в том, что Галилео Галилей, помимо своей идеи о постижении мира с помощью математики, говорил в «Пробирщике» об атмосферном происхождении комет! Его книга была ответом математику Орацио Грасси, который за несколько лет до этого защищал противоположную точку зрения. Известность Галилея и полемический стиль сделали его книгу бестселлером своего времени, но ни слава, ни успех не являются подтверждением истины. «И все-таки она вертится», – мог бы ответить Грасси Галилею.

Помимо ошибки Галилея этот пример ярко иллюстрирует устойчивость научного процесса, который происходит в это время. Научные выводы не зависят от ранее выдвинутых авторитетными учеными мнений, даже если речь идет о Галилео Галилее. Факты – упрямая штука. Реальная природа комет, как и всех других физических объектов мира, не зависит от идей, которые люди вкладывают в них. В эпоху Античности, когда признанный ученый допускал ошибку, его многочисленные ученики, как правило, без колебаний следовали его курсу, ставя во главу угла авторитет ученого. Зачастую нескольких столетий недоставало для того, чтобы опровергнуть неверное знание с помощью элементарного эксперимента. Тот факт, что заблуждение Галилея было опровергнуто в течение всего лишь нескольких десятилетий, является признаком высокого уровня компетентности научного сообщества!

Рассчитать путь кометы, которую уже видели ранее, весьма непросто, но открыть с помощью вычислений новое небесное тело, о котором совсем ничего не известно, – это задача совсем иного порядка. Среди основных прорывов в области астрономии, сделанных с помощью математики, следует отдельно выделить открытие планеты Нептун в XIX в. Восьмая и последняя планета Солнечной системы, она единственная обнаружена учеными не в результате наблюдений, а с помощью математических вычислений! Это открытие сделал французский астроном и математик Урбен Леверье.

Начиная с конца XVIII в. многие астрономы заметили отклонения в траектории движения Урана, на тот момент последней известной планеты. Траектория, по которой она двигалась, не в полной мере соответствовала закону всемирного тяготения. Этому могло быть только два объяснения: либо теория Ньютона была ложной, либо эти отклонения были следствием существования еще одной планеты. Исходя из наблюдений за траекторией Урана, Леверье начал вычислять положение этой гипотетической новой планеты. Ему потребовалось два года напряженной работы, чтобы получить результат.

Наступил момент истины. В ночь с 23 на 24 сентября 1846 г. немецкий астроном Иоганн Готтфрид Галле направил свой телескоп в направлении, которое сообщил ему Леверье, приложил глаз к окуляру и… увидел ее. Еле заметное голубоватое пятно, затерявшееся в глубине ночного неба. Планета была там, на расстоянии более четырех миллиардов километров от Земли!

Какое прекрасное опьяняющее чувство, какое ощущение всеобщей вселенской силы, какие еще непостижимые эмоции, должно быть, испытал в тот день Леверье, который на кончике пера, благодаря своим уравнениям, смог найти, поймать и практически контролировать этот титанический танец планет вокруг Солнца! Благодаря математикам небесные монстры, которых когда-то считали богами, в одночасье стали ручными, укрощенными, послушными и мурчащими под ласками алгебры. Можно легко представить себе состояние сильного волнения, которое охватило все мировое астрономическое сообщество в последующие дни, и даже сегодня любой астроном-любитель, установив свой телескоп в направлении Нептуна, почувствует, как мурашки пошли у него по спине.

Жизнь любой научной теории имеет свои фазы. Так, все начинается с гипотезы, сомнений, ошибок, прогресса и предположений. Затем наступает время доказывания, проведения опытов, в результате чего гипотеза или подтверждается, или окончательно отвергается. И тогда наступает самый желанный момент, когда теория имеет достаточно оснований, чтобы с ее помощью делать выводы об окружающем мире без эмпирического подтверждения. Момент, когда уравнения могут предшествовать полученному опыту и даже предсказывать не наблюдавшиеся ранее явления, которые могут оказаться совершенно неожиданными. Момент, когда теория превращается из открытия в первооткрывателя, который становится союзником, почти коллегой создавших ее ученых. Так, теория сформировалась, и наступило время открытия кометы Галлея и Нептуна. А еще время грандиозного открытия Эйнштейном 29 мая 1919 г. общей теории относительности, время бозонов Хиггса, обнаруженных в 2012 г., вывод о существовании которых сделан с помощью стандартной модели физики элементарных частиц, а также время гравитационных волн, обнаруженных впервые 14 сентября 2015 г.

Прежде чем получить признание, все великие научные открытия делаются с помощью математики, алгебраических уравнений и геометрических построений. Математика продемонстрировала свою невероятную силу, и сегодня ни одна серьезная теория физики не осмелится говорить на другом языке.

Кристаллография

Повсеместное использование математики также распространяется и на химию, где мы встречаемся со старым знакомым. В начале XIX в. французский минералог Рене Жюст Гаюи, уронив кусок известкового шпата, обнаружил, что он распадается на множество фрагментов, имеющих одинаковую геометрическую структуру. Форма элементов, на которые он распался, не были случайными, они имели плоские грани, образовывавшие определенные углы друг с другом. Обратив внимание на такое явление, Гаюи делает вывод, что известковый шпат, должно быть, сформирован из множества однотипных элементов, которые связаны между собой идентичным образом. Твердое тело, обладающее таким свойством, назвали кристаллом. Другими словами, кристалл под микроскопом представляет собой структуру атомов или молекул, которая повторяется во всех направлениях.

Структура, которая повторяется? Это вам ничего не напоминает? Поразительно похоже на месопотамские узоры и арабские замощения полов. Узор – это повторяющаяся последовательность в одном направлении, замощение – в двух. Для изучения кристаллов необходимо использовать те же принципы, но на этот раз в трехмерном пространстве. Месопотамские ремесленники обнаружили семь видов узоров, а арабские мастера – семнадцать видов замощения. С помощью алгебраических структур теперь можно было доказать, что эти цифры окончательные и других типов нет. Эти же алгебраические структуры позволили рассчитать, что существует 230 видов замощения в трехмерном пространстве. Среди простейших видов можно выделить мощение кубами, шестигранными призмами или усеченными октаэдрами,[16] графическое изображение которых приводится ниже.

Трехмерные структуры, состоящие из кубов, шестигранных призм или усеченных октаэдров (слева направо). Такие структуры можно продолжать в пространстве до бесконечности

Элементы идеально стыкуются между собой, образуя структуру, которая может простираться до бесконечности во всех направлениях. Кто бы мог подумать, что отголоски геометрии, распознанные в узорах, нанесенных мастерами Месопотамии, в дальнейшем породят идею, лежащую в основе изучения свойств материи?

Кристаллы встречаются повсеместно в нашей жизни. В качестве примеров можно привести поваренную соль, состоящую из множества мелких кристаллов хлорида натрия, или кварц, регулярные колебания которого под воздействием электрического тока являются неотъемлемой частью работы наших часов. Но будьте внимательны, слово «кристалл» иногда используется в повседневном языке некорректно.

Так, хрустальные бокалы на самом деле не состоят из кристаллов в научном смысле этого слова.[17]

Если вы хотите полюбоваться на самые эффектные образцы, можете посетить минералогическую коллекцию. Так, одна из самых красивых коллекций в мире экспонируется в Университете Пьера и Марии Кюри в Париже.

Невероятная эффективность математизации мира, однако, не отвечает на следующий обескураживающий вопрос. Почему язык математики так идеально подходит для описания мира? Для того чтобы понять это, вернемся к формуле Ньютона.

Гравитационная сила в соответствии с формулой определяется с помощью двух действий умножения, деления и возведения во вторую степень. Простота этого выражения кажется маловероятным совпадением! Известно, что не все цифры могут быть выражены с помощью простых математических формул. Это касается, например, числа π и многих других. С точки зрения статистики сложные цифры еще более многочисленны, чем простые. Если взять случайное число, то будет гораздо больше шансов, что оно окажется нецелым. Аналогичным образом, вы с большей вероятностью столкнетесь с числом с бесконечным количеством знаков после запятой, чем с целым, а также скорее выбранное вами число не сможет быть выражено в виде формулы, чем будет вычисляться с применением элементарных действий.

Формула Ньютона удивительна еще и тем, что сила в ней определяется в зависимости от массы и расстояния между объектами. Это не просто постоянная величина, как, например, π. Независимо от массы двух тел и расстояния между ними, притяжение между ними всегда будет измеряться по этой формуле! До того момента, когда Ньютон сформулировал этот закон, логично было предположить, что определить силу притяжения с помощью математической формулы невозможно. И даже если допустить существование такой формулы, она могла бы оказаться невероятно сложной, включающей в себя не только умножение, деление и возведение во вторую степень.

К счастью, формула Ньютона оказалась проще! Удивительно, что природа так изысканно говорит на языке математики. Часто в истории оказывалось, что модели, разработанные математикой только из-за их красоты, спустя столетия после своего открытия находят применение в физических науках. И это касается не только силы тяготения. Электромагнитные явления, квантовые свойства элементарных частиц, релятивистская деформация пространства и времени – все это может быть удивительно лаконично выражено математическим языком.

Возьмем в качестве еще одного примера самую известную из всех формул: E = mc². Это равенство, сформулированное Альбертом Эйнштейном, соотносит массу и энергию физических объектов. Здесь не будет приводиться доказательство этой формулы, так как сейчас у нас стоит другая цель. Но только задумайтесь: принцип функционирования нашей Вселенной, который, как правило, считается одним из самых захватывающих и непостижимых, выражается алгебраической формулой, состоящей всего из пяти символов! Какое чудо! Как правило, в этой ситуации вспоминают фразу Эйнштейна, которая подходит к подобным ситуациям: «Самое непостижимое в этом мире – это то, что он постижим». Остается домыслить, что постижим он с помощью математики. В 1960 г. физик Юджин Вигнер сформулировал это как «непостижимую эффективность математики».

Наконец, так ли хорошо мы знаем эти абстрактные объекты, цифры, фигуры, ряды и формулы, которые, как нам кажется, мы создали? Если математика действительно плод деятельности нашего мозга, зачем же мы тогда ищем ее проявления за пределами нашей головы? Откуда они берутся в окружающем нас мире? В самом ли деле они там есть? Или то, что мы видим, – это не более чем гигантская оптическая иллюзия? Представить себе, что математические объекты существуют вне человеческого разума, было бы равносильно тому, чтобы признать их реальными, даже если они являются чистой абстракцией. Что в таком случае вообще означает глагол «быть», если мы применяем его к бестелесным объектам?

Не надейтесь, что я смогу ответить хотя бы на один их этих вопросов.

Тесная зависимость математики с физикой недолго оставалась уникальным явлением. Начиная с XVII в. эти две дисциплины постоянно обмениваются идеями, обогащая друг друга. Поскольку физика основывается на формулах, каждое новое открытие требует математического подтверждения. Существуют ли уже соответствующие формулы или их еще предстоит изобрести? В последнем случае перед математиками встает задача создать новые теории на заказ. Так физика становится для них одним из самых главных источников вдохновения.

Развитие ньютоновской теории гравитации стало одним из первых катализаторов развития инновационной математики. Чтобы понять это, вернемся к следу кометы Галлея. Знать силу, которая притягивает ее к Солнцу, это уже что-то, но как, исходя из этой информации, вычислить ее траекторию и другую полезную информацию, такую, как, например, ее положение в конкретную дату или точный период обращения?

Один из классических вопросов, на которые предстоит ответить, – это, в частности, определение пройденного расстояния в зависимости от скорости. Если я скажу вам, что скорость перемещения кометы в пространстве равна 2000 метров в секунду, и спрошу, какое расстояние она пройдет за одну минуту, найти ответ будет достаточно просто. За одну минуту комета пройдет 60 раз по 2000 метров, то есть 120 000 м, или 120 км. Проблема заключается в том, что в реальности все намного сложнее. Скорость кометы не постоянная, а меняется с течением времени. На своем афелии, то есть в самой дальней точке от Солнца, она составляет 800 метров в секунду, в то время как в перигелии, ближе всего к Солнцу, она составляет 50 000 метров в секунду. Большая разница!

И вся сложность заключается в том, что между этими двумя крайностями комета не разгоняется постепенно и никогда не движется на одной скорости. В определенный момент комета движется со скоростью 2000 метров в секунду, но она не постоянна. Мгновение до скорость была немного больше, скажем, 2000,001 метра в секунду и уже через долю секунды после она уже равна 1999,999 метра в секунду. Невозможно найти такой промежуток времени, даже самый крошечный, в котором комета сохраняет постоянную скорость! Как при таких условиях точно рассчитать расстояние, которое она пройдет?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, математики прибегают к методу, который странным образом напоминает способ, использовавшийся две тысячи лет назад Архимедом для вычисления числа π. Подобно тому как ученый из Сиракуз сопоставлял круг и многоугольники с большим количеством сторон, можно приблизительно рассчитать траекторию движения кометы, разбив ее путь на все более и более короткие промежутки. Можно, например, предположить, что комета поддерживает постоянную скорость 800 метров в секунду определенный интервал времени, а затем начинает двигаться на скорости 900 метров в секунду еще один интервал времени и так далее. Траектория, рассчитанная таким образом, не будет точной, но может рассматриваться как приближенная. Для того чтобы увеличить точность расчетов, достаточно взять за основу более короткие интервалы. Вместо того чтобы рассматривать интервалы 100 метров в секунду, можно сократить их до 10,1 или даже 0,1 метра в секунду. Чем более мелкие отрезки скорости будут выбраны для расчетов, тем полученная траектория окажется ближе к фактической траектории кометы!

Последовательность приближенных расстояний, пройденных кометой от афелия до перигелия, может выглядеть следующим образом:

47 42 40 39 38,6 38,52 38,46 38,453…

Эти числа приведены в астрономических единицах.[18] Другими словами, если мы предположим, что скорость кометы остается неизменной в интервале 100 метров в секунду, расстояние между афелием и перигелием будет равняться 47 астрономическим единицам. Этот результат, разумеется, является грубым приближением. Если уточнить интервал до 10 метров в секунду, искомое расстояние будет равно 42 астрономическим единицам. Отрезки, на которых происходит изменение скорости, сокращаются все больше и больше, расстояние приближается к 38,45 астрономическим единицам. Это предельное значение соответствует фактическому расстоянию, которое проходит комета между двумя крайними точками своего пути.

В некотором смысле этот результат можно назвать полученным с помощью разделения траектории кометы на бесконечное число бесконечно малых интервалов. Данный подход аналогичен методу Архимеда, по которому можно рассчитать число π, представив круг как многоугольник с бесконечным числом бесконечно малых сторон! Проблема этих двух утверждений в определении бесконечности. Этот термин знаком нам еще из рассуждений Зенона, в которых неоднозначное и опасное понятие бесконечности приводило к балансированию на грани парадокса.

Таким образом, есть два варианта: либо полностью отказаться от использования понятия бесконечности, кропотливо изучать проблемы ньютоновской физики с помощью рядов предельных приближений, либо собрать всю волю в кулак и осторожно погрузиться в болото бесконечно малых интервалов. Именно по этому пути пошел Ньютон в «Математических началах натуральной философии». Этого же подхода будет придерживаться немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц, который независимо от Ньютона сделал аналогичное открытие, а также доработал некоторые понятия, требовавшие уточнений в рассуждениях Ньютона. Из этих исследований будет рождаться новая отрасль математики, которая получит название «исчисление бесконечно малых величин».

Вопрос об авторстве этой отрасли еще долго обсуждался в последующие годы. В то время как Ньютон был первым, кто начал заниматься исследованиями в этом направлении уже с 1669 г., но слишком долго не предавал гласности результаты своей работы, Лейбниц сформулировал соответствующую теорию и опубликовал свою работу в 1684 г., за три года до «Математических начал натуральной философии». Это переплетение дат привело к возникновению конфликта между английским и немецким научными сообществами, каждое из которых не признало первенство другого и даже предъявляло обвинения в плагиате. Сегодня представляется, что ни один из ученых не знал о существовании подобных исследований, и можно считать, что исчисление бесконечно малых величин было открыто каждым из них самостоятельно.

В самом начале теория не была идеальной. Многим пунктам в исследованиях Ньютона и Лейбница все еще не хватало строгости и обоснованности. Как это уже случилось ранее с мнимыми числами, был сделан вывод, что одни методы работают, а другие – нет, без понимания истинных причин этого.

Так, исчисление бесконечно малых величин становится подобным изучению неизведанной территории, когда на карте помечают важные связующие направления и запретные пути, ведущие к тупикам и парадоксам. В 1748 г. итальянский математик Мария Гаэтана Аньези публикует свою работу под названием «Основы анализа» (от итал. Instituzioni Analitiche), в которой впервые будут описаны накопленные на тот момент знания в области молодой дисциплины. Спустя столетие немецкий математик Бернхард Риман опубликует свою работу с наиболее поздними исследованиями применения этой дисциплины.

С этого момента математики начали повсеместно использовать исчисление бесконечно малых величин и применять его в решении многочисленных вопросов, возникающих в связи с тысячами физических явлений. Эта теория оказалась не просто инструментом, позволяющим решать сложные задачи, но и была удивительно красивой. Наука подобна бесконечной игре в теннис, и эти новые разработки будут постепенно находить применение в других областях, как, например, астрономия.

Бесконечно малые величины будут использоваться в решении любых задач, в которых, по аналогии с движением кометы, присутствуют непрерывно изменяющиеся величины. В метеорологии – для того чтобы моделировать и прогнозировать изменение температуры или атмосферного давления. В океанографии – чтобы следить за океаническими течениями. В аэродинамике – для контроля сопротивления воздуха с крыльями самолета или различными космическими аппаратами. В геологии – для мониторинга состояния мантии Земли и изучения вулканов, землетрясений и, в долгосрочной перспективе, дрейфа материков.

В ходе исследований математики обнаружили в бесконечно малом мире множество необычных результатов, некоторые из которых сильно озадачили их.

Одна из первых идей, как определить бесконечно малый интервал, предлагала выбрать в качестве него точку. Еще Евклид определил точку как наименьший геометрический элемент. При длине, равной 0, точка бесконечно мала. К сожалению, эта идея, такая простая в понимании, не может быть взята за основу. Для того чтобы понять это, посмотрите на этот отрезок, длина которого обозначена как 1.

Этот отрезок состоит из бесконечного числа точек, каждая из которых имеет длину, равную 0. Так, можно сказать, что длина отрезка равна бесконечному количеству нулей! На алгебраическом языке это можно записать, как ∞ × 0 = 1, где ∞ обозначает бесконечность. Проблема этого вывода заключается в том, что если мы теперь рассмотрим отрезок, длина которого равна 2, то получится, что она тоже состоит из бесконечного числа точек, что в этот раз соответствует равенству ∞ × 0 = 2. Как может получиться так, что одинаковые расчеты приводят к двум различным результатам? Так, изменяя длину отрезка, мы можем также рассчитать, что произведение ∞ × 0 равно 3, 1000 или даже π!

Исходя из этого мы вынуждены сделать следующий вывод: используемые определения нуля и бесконечности в данном контексте недостаточно точны и не могут быть использованы в дальнейшем. Такие произведения как ∞ × 0, результат которых изменяется в зависимости от его интерпретации, называют неопределенной формой. Невозможно использовать эти формы в алгебраических вычислениях, так как мы сразу столкнемся с тысячами парадоксов! Если бы мы стали применять умножение ∞ × 0, то тем самым пришлось бы признать, что 1 равно 2 и т. д. Короче говоря, необходимо поступать иначе.

Сделаем вторую попытку. Если бесконечно малый интервал не может быть точкой, это может быть отрезок, ограниченный двумя точками, расположенными бесконечно близко друг к другу. Идея привлекательная, но мы снова сталкиваемся с проблемой, потому что таких отрезков не существует. Расстояние между двумя точками может быть сколь угодно малым, но всегда будет иметь положительную длину. Отрезки длиной в сантиметр, миллиметр, одну миллиардную миллиметра или даже меньше, конечно, очень малы, но ни в коем случае не бесконечно малы. Иными словами, две точки никогда не будут соприкасаться.

Есть что-то очень обескураживающее в этом заявлении. Когда вы рисуете непрерывную линию, например отрезок, в ней нет никаких промежутков, и тем не менее точки, которые составляют ее, не соприкасаются! Ни одна точка не соприкасается с другими. Отсутствие отверстий в линии является всего лишь следствием того, что она состоит из бесконечно малых точек. И если определять точки линии по их взаимосвязям, это же явление можно представить в алгебраической форме следующим образом: два различных числа никогда не идут подряд, всегда есть бесконечное множество других чисел, которые находятся между ними. Между числами 1 и 2 находится 1,5. Между числами 1 и 1,1 находится 1,05. А между числами 1 и 1,0001 есть 1,00005. Так можно продолжать до бесконечности. С числом 1, как и со всеми другими, не «соприкасаются» другие числа. Однако бесконечная совокупность бо́льших и меньших чисел обеспечивает непрерывность последовательности.

После двух неудачных попыток нам приходится признать, что во множестве классических чисел по определению невозможно выделить бесконечно малые величины. Эти неуловимые числа не могут быть приравнены к нулю и также меньше всех существующих положительных чисел, поэтому придется отдельно описывать их с самого начала! Над этим работали Лейбниц и ученые, которые последовали его примеру в исчисления бесконечно малых величин. Потребовалось три столетия для того, чтобы сформулировать правила расчета, которые применяются к этим новым числам, и определить сферу их действия. Таким образом, с XVII по XX в. был разработан целый арсенал теорем, позволяющих эффективно решать задачи с бесконечно малыми величинами.

Числа, которые не существуют в действительности, тем не менее могут быть использованы в качестве промежуточного результата? Это вам ничего не напоминает? Так уже было с отрицательными и мнимыми числами. Но, как это часто бывает, процесс внедрения длится долго и не всегда можно предсказать исход. В 1960-е годы американский математик Абрахам Робинсон разработал новую модель, в которой бесконечно малые величины рассматривались как отдельная группа чисел. Тем не менее в отличие от мнимых чисел, бесконечно малые величины и сегодня, в начале XXI в., фактически не относят к действительным числам. Нестандартная модель анализа Робинсона вызывает множество противоречий и редко используется на практике.

Возможно, в будущем нас неизбежно ждут открытия, исследования, теоремы, созданные на основе этой нестандартной теории. А может быть, наоборот, у нее нет потенциала, чтобы стать доминирующей моделью, и бесконечно малые величины никогда не сравнятся по значимости со своими прославленными предшественниками – отрицательными и мнимыми числами. Нестандартный анализ, безусловно, интересен, но, возможно, несет в себе слишком мало пользы, чтобы продолжительное время поддерживать энтузиазм. Прошло всего несколько десятилетий с момента разработки Робинсоном своей модели, и математикам будущего еще предстоит решить ее судьбу.

Среди наиболее успешных разработок исчисления бесконечно малых величин можно выделить теорию меры, разработанную в начале XX в. французским математиком Анри Леоном Лебегом – одно из самых любопытных направлений. Возникает вопрос: можно ли с использованием бесконечно малых величин создать новые геометрические фигуры, которые нельзя нарисовать с помощью циркуля и линейки. Ответ: да, и эти новые фигуры будут созданы в течение нескольких лет в соответствии с законами классической геометрии. Возьмем, например, отрезок, размеченный от 0 до 10.

По аналогии с Декартовой системой координат, эта разметка позволяет соотнести точку на отрезке с любым числом от 0 до 10. На этом отрезке можно отдельно выделить точки, имеющие конечное десятичное значение (например, 0,1 или 7,28), и числа с бесконечным числом цифр после запятой (например, число π или число золотого сечения φ). Что произойдет, если мы разделим отрезок по этому принципу? Другими словами, если мы выделим темным цветом точки первой категории и светлым цветом – второй, как будут выглядеть темная и светлая геометрические фигуры соответственно?

Не так просто ответить на этот вопрос, потому что эти две категории чисел можно продолжать до бесконечности. Если взять даже самый малый диапазон чисел, то он всегда будет содержать как темные, так и светлые точки. Между двумя светлыми точками всегда есть по крайней мере одна темная, а между двумя темными точками всегда есть по крайней мере одна светлая. Две фигуры, таким образом, напоминают бесконечно тонкие нити, которые идеально связаны друг с другом.

Отрезок от 0 от 10 делится на две части: слева – имеющие конечное десятичное значение; справа – числа с бесконечным числом цифр после запятой

Представленное выше изображение, конечно же, неправильное. Это всего лишь грубая визуализация, и элементы, нарисованные очень мелко, на самом деле не бесконечно малы.

Невозможно точно изобразить фигуры, которые могут быть описаны только с помощью алгебры или рассуждений.

В связи с этим возникает вопрос: как измерить эти фигуры? Так, начальный отрезок имеет длину, равную 10. Должны ли две образующие его фигуры иметь одинаковую длину? Станет ли каждая из них иметь длину 5, или одна окажется больше другой? Ответ, который будет найден математиками, поистине удивителен.

Абсолютно вся длина занята фигурой, составленной из чисел с бесконечным количеством знаков после запятой. Фигура, состоящая из светлых точек, будет равна в совокупности 10, а фигура, состоящая из темных точек – 0. Хотя обе фигуры кажутся одинаковым образом переплетенными между собой, на выбранном отрезке бесконечно больше светлых точек, чем темных!

Используя систему координат Декарта, эти рассеянные фигуры могут быть представлены в двух– или трехмерном пространстве. Например, мы можем представить совокупность точек в виде квадрата, координаты которого имеют бесконечное количество значений.

Еще раз обратим внимание, что это всего лишь грубое упрощение, которое дает только смутное представление о том, как может выглядеть бесконечное множество элементов.

Измерение рассеянных элементов приведет к одному из самых удивительных математических результатов: несмотря на все усилия математиков, занимающихся решением этой проблемы, некоторые из этих фигур будет невозможно измерить.

Эта их особенность доказана в 1924 г. Стефаном Банахом и Альфредом Тарским, который обнаружил контрпример принципа мозаики.

Они нашли способ разделить шар на пять частей таким образом, чтобы потом можно было собрать из них два абсолютно таких же шара как первый без единого промежутка!

Пять полученных фигур представляют собой рассеянные фигуры с бесконечно малыми составляющими. Если бы полученные мозаичные части из примера Банаха – Тарского были измеримы, то сумма их объемов была бы одновременно равна как объему шара, из которого они были получены, так и объемам двух шаров, которые могут быть сформированы из них. Этот факт позволяет сделать следующий вывод: даже понятие объема теряет смысл в отношении подобных фигур.

На самом деле выводы Банаха и Тарского гораздо обширнее, так как они показывают, что если рассмотреть две классические геометрические фигуры в трех измерениях, то, разбив первую фигуру на определенное количество рассеянных частей, можно будет собрать аналогичную ей вторую фигуру. Можно, например, разделить на множество частей шар размером с горошину и собрать из них совокупность шаров размером с Солнце без единого промежутка! Описанное явление часто ошибочно называют парадоксом Банаха – Тарского из-за его кажущейся на первый взгляд нелогичности. Однако это не парадокс, а теорема, существование которой возможно благодаря свойствам рассеянных фигур, обеспечивающим логичность рассуждений и отсутствие противоречий!

Разумеется, разделение на бесконечное количество бесконечно малых частей на практике недостижимо. Рассеянные фигуры сегодня остаются в числе необычных математических явлений, не используемых на практике. Кто знает, наступит ли тот день, когда они начнут применяться для решения определенных задач?

Марсель, 8 июня 2012 г.

Этим утром я встал на рассвете. Немного нервничая, но сгорая от нетерпения, я быстро позавтракал, надел свою лучшую рубашку[19] и отправился в путь. Снаружи солнце ярко светило в небе над Провансом, и прохлада ночи быстро уходила. День обещает быть жарким. В Старом порту начинает работать рыбный рынок, и несколько туристов уже прогуливаются по Ла-Канебьер.

Но сегодня нет времени для прогулок. Я сажусь в метро и направляюсь в сторону квартала Шато-Гомбер, на север города. Здесь расположен Центр изучения математики и информатики (ЦМИ), в котором я работаю вот уже четыре года. Здесь занимаются исследованиями около ста математиков. Придя на рабочее место, я последний раз просматриваю свой материал. Три широких полукруглых контейнера, заполненных разноцветными шариками, и стопка бумаг, на последней из которых написано:

Сегодня мой последний день в ЦМИ. В 14 часов я буду защищать докторскую диссертацию.

Годы, проведенные за написанием докторской диссертации – это уникальное время в жизни любого ученого. Оставаясь формально в статусе учащихся, аспиранты не посещают занятия и не сдают экзамены. На самом деле наши будни больше напоминают жизнь ученых. Чтение последних статей, обмен мнениями с другими математиками, участие в семинарах, затем развитие в своей области исследований, выдвижение предположений, формулирование новых теорем и их последующее доказательство. Все это происходит под руководством опытного математика, ответственного за содействие в соискании научной степени. Мой научный руководитель – математик французско-хорватского происхождения Влада Лимик – помогает мне в проведении исследований на протяжении последних четырех лет. Ее работы, как и предмет моего исследования, относятся к подразделу математики, появившемуся в середине XVII в. и получившему название «теория вероятностей».

Для того чтобы понять проблематику этой дисциплины, нам снова придется погрузиться в глубь истории. Спустя 14 часов, покинув здание ЦМИ, позвольте мне проводить вас в увлекательный мир вероятностей. Случайность событий уже давно волнует умы человечества. С доисторических времен люди были свидетелями многих необъяснимых природных явлений, происходивших периодически без видимых причин. Первоначально, за неимением лучшего объяснения, эти события объяснялись волей богов. Затмения, радуга, землетрясения, эпидемии, паводки или появление комет интерпретировались как божественные послания, которые могут быть расшифрованы. Эта задача была возложена на колдунов, оракулов, священников или шаманов, которые зарабатывали на жизнь тем, что проводили многочисленные ритуалы, чтобы обратиться к богам, не дожидаясь, пока они соизволят сами проявить себя. Другими словами, люди начали искать способы влияния на наступление случайных событий.

Беломантия, или искусство гадания с помощью стрел, – это один из старейших способов принятия решения. Прикрепите к каждой из стрел один из вариантов ответа на вопрос, который вы задаете вашему богу, поместите их все в колчан, встряхните его и затем вытяните одну – это и будет ответ. Таким образом, например, поступил Навуходоносор II, царь Вавилона, когда выбирал врагов, которым он объявил войну в VI в. до н. э. Кроме стрел, выбираемые объекты могут принимать различные формы: цветные камешки, плитки, стержни или шарики. Древние римляне дали этим объектам название «жребий».

От этого слова происходит выражение «бросить жребий», а также слово «колдовство[20]», которое первоначально означало вмешательство человека в волю богов. Постепенно увеличивалось количество механизмов случайного выбора, которые приобрели множество различных форм. Жребий использовался в некоторых политических системах, таких как, например, в Афинах, чтобы выбрать пятьсот граждан, которые будут заседать в буле, или, несколько столетий спустя, в Венеции, для избрания дожей. Случайность наступления событий будет также отличным источником вдохновения для создателей игр. Так появились игра «орел или решка», игральные кости в форме Платоновых тел, а также карточные игры.

Именно благодаря появлению азартных игр, управляемых волей богов, в итоге ряд математиков заинтересовались данным вопросом. Они начали изучать вероятность наступления тех или иных случайных событий в будущем.

Все началось в середине XVII в., когда в 1635 г. математик и философ Марен Мерсенн основал Парижскую академию наук, которая впоследствии была преобразована во Французскую академию наук. Однажды в ходе дискуссии между учеными из разных слоев общества, писатель Антуан Гомбо, занимавшийся математикой в свободное время, поднял интересовавший его вопрос. Представим ситуацию, когда два игрока поставили на кон определенную сумму денег и после трех раундов счет оказался равным 2: 1 в пользу первого игрока. Если при таком счете они решают не продолжать игру, то в какой пропорции должен быть разделен игровой банк?

Среди присутствовавших в тот день ученых данным вопросом заинтересовались двое французских математиков, Пьер де Ферма и Блез Паскаль. После короткого обсуждения оба пришли к выводу, что три четверти банка должны вернуться к первому игроку, а оставшаяся четверть – ко второму. Чтобы прийти к такому выводу, ученые проанализировали все возможные сценарии развития игры, оценивая шансы каждого из игроков. Таким образом, гипотетически в следующем раунде первый игрок будет иметь 50 %-ный шанс выиграть игру, в то время как второй игрок будет иметь 50 %-ную вероятность сравнять счет. И если счет будет сравнен, в последующем раунде у игроков окажутся равные шансы на победу, т. е. вероятность каждого на победу будет равна 25 %. Можно схематично изобразить это на следующей схеме:

Таким образом, мы видим: вероятность победы первого игрока 75 %, второго – 25 %. Вывод, сделанный Паскалем и Ферма, заключается в том, что необходимо поделить игровой банк в соответствии с вероятностью победы: первый игрок – 75 %, а второй – оставшиеся 25 %.

Рассуждения французских ученых лягут в основу дальнейших исследований в этой области. Такой подход применим к большинству азартных игр. Швейцарский математик Якоб Бернулли был одним из первых, кто стал заниматься исследованиями в этой области и в конце XVII в. написал книгу под названием «Искусство предположений» (итал. Ars Conjectandi), опубликованную только после его смерти в 1713 г. В этой книге он привел анализ традиционных азартных игр и впервые сформулировал один из основополагающих принципов теории вероятности: закон больших чисел.

Этот закон подтверждает, что чем больше раз будет повторяться описанный выше прием, тем более точным окажется определение вероятности, стремящееся к своему пределу. Иными словами, если продолжать эти рассуждения в долгосрочной перспективе, средние значения перестают быть случайными.

Понять это явление очень несложно. Закон больших чисел можно разобрать на примере игры «орел или решка». Если монета сбалансирована, то вероятность выпадения одной из двух сторон равна 50 %, что может быть представлено на следующей гистограмме.

Теперь представьте, что вы бросили монету два раза и затем подсчитываете общее количество выпавших орлов и решек. Возможны три варианта: два орла, две решки, орел и решка. Есть большой соблазн предположить, что вероятность наступления этих трех событий одинакова, но это не так. На самом деле вероятность выпадения орла и решки равна 50 %, а выпадения двух орлов или двух решек – по 25 % каждая.

Этот дисбаланс обусловлен тем фактом, что две различные комбинации дают один и тот же конечный результат. Если дважды подбросить монету, фактически есть четыре возможных варианта: орел-орел, орел-решка, решка-орел и решка-решка. Варианты орел-решка и решка-орел дают один и тот же конечный результат: один орел и одна решка, в связи с чем вероятность выпадения такой комбинации в два раза больше. Игроки также знают, что если подбросить два игральных кубика, то выпавшая сумма будет с большей вероятностью равна 7, чем 12, потому что есть много комбинаций, сумма которых равна 7 (1 + 6, 2 + 5, 3 + 4, 4 + 3, 5 + 2 и 6 + 1) и только одна, дающая 12 (6 + 6).

Чем больше раз подбросишь монету, тем более выраженным становится это явление. Сценарии отклоняются от среднего значения, постепенно становятся исключительно редкими по сравнению со средними значениями.

Если вы подбросите монету десять раз, есть примерно 66 %-ная вероятность того, что выпадет от 4 до 6 орлов.

Если подбросить ее сто раз, то с вероятностью 96 % выпадет от 40 до 60 орлов. А если подбросить ее тысячу раз, то вероятность выпадения от 400 до 600 орлов достигнет 99,99999998 %.

Если построить гистограммы, соответствующие 10, 100 и 1000 подбрасываниям монеты, то можно заметить, что ближе к центру концентрируются более длинные столбцы, соответствующие наибольшей вероятности, а крайние варианты становятся невидимыми невооруженным глазом.

Гистограмма возможных комбинаций при 10 подбрасываниях

Гистограмма возможных комбинаций при 100 подбрасываниях

Гистограмма возможных комбинаций при 1000 подбрасываниях

Таким образом, закон больших чисел доказывает: при бесконечном повторении экспериментов со случайным исходом среднее арифметическое значение выборки и значение с наибольшей вероятностью выпадения совпадут.

Этот принцип лежит в основе всех опросов и других статистических приемов. Опросим 1000 человек, какой шоколад они предпочитают: темный или молочный. Если 600 ответят – черный, а 400 – молочный, высока вероятность того, что доля предпочтений населения, даже если оно состоит из миллионов человек, также будет близка к 60 %, предпочитающих темный шоколад, и 40 % – молочный. Если задать вопрос о вкусе случайно выбранного человека, то его ответ будет аналогом выпадения орла или решки. Отличие лишь в том, что орел и решка заменяются темным и молочным шоколадом.

Конечно, может оказаться, что все 1000 опрошенных будут любить темный шоколад или, наоборот, опросят всех тех, кто любит только молочный шоколад. Но вероятность наступления крайних случаев ничтожно мала, и закон больших чисел гарантирует, что при опросе достаточно большой выборки людей полученное среднее значение будет близко к среднему значению для всего населения.

При дальнейшем анализе различных сценариев и вероятности их наступления можно также установить доверительный интервал и оценить вероятность ошибки. Можно, например, сказать, что существует 95 %-ная вероятность того, что доля людей, предпочитающих темный шоколад, составляет от 57 до 63 %. Все объективные исследования должны сопровождаться данными об их точности.

Треугольник Паскаля

В 1654 г. Блез Паскаль опубликовал книгу под названием «Трактат об арифметическом треугольнике». Он описывал треугольник, состоящий из ячеек, внутри каждой из которых содержатся числа.

Здесь представлены только первые семь строк, но треугольник может быть продолжен до бесконечности. Цифры в ячейках определяются двумя правилами. Во-первых, в крайних ячейках содержатся числа 1. Во-вторых, числа, записанные во внутренних ячейках, равны сумме чисел двух ячеек, расположенных непосредственно над ними. Например, число 6, записанное в ячейке на пятой строке, получено в результате сложения двух 3, которые расположены над ним.

На самом деле этот треугольник был известен еще задолго до того момента, когда им заинтересовался Паскаль. Персидские математики аль-Караджи и Омар Хайям открыли его еще в XI в. В то же время его свойства изучал в Китае Цзя Сян, чью работу продолжит в XIII в. Ян Хуэй. В Европе Тарталья и Виет также знали о его существовании. Тем не менее Блез Паскаль был первым, кто посвятил этому явлению такой полный и подробный трактат. Он также был первым, кто заметил тесную связь между этим треугольником и подсчетом вероятности.

Каждая строка треугольника Паскаля позволяет подсчитать количество возможных вариантов последовательности событий с двумя вариантами, как, например, орел и решка. Если подбросить монетку три раза, то получится восемь вариантов комбинаций: орел-орел-орел, орел-орел-решка, орел-решка-орел, орел-решка-решка, решка-орел-орел, решка-орел-решка, решка-решка-орел и решка-решка-решка. Проводя анализ возможных комбинаций, можно прийти к следующим выводам:

• 1 комбинация с тремя орлами;

• 3 комбинации с двумя орлами и одной решкой;

• 3 комбинации с одним орлом и двум решкам;

• 1 комбинация с тремя решками.

Данная последовательность чисел, 1–3–3–1, точно соответствует четвертой линии треугольника. Это не случайность, что и было доказано Паскалем.

Если, например, посмотреть на шестую строчку, можно увидеть, что если подбросить монету пять раз, то в 10 случаях выпадут 2 орла и 3 решки. Двигаясь вниз по треугольнику, можно оценить варианты комбинаций при десяти подбрасываниях монеты: они находятся на 11-й строчке. Вероятности для ста бросков будут находиться на 101-й строчке и так далее. С помощью треугольника Паскаля можно легко проверить представленные выше гистограммы. Без этого последующие числа были бы настолько велики, что совсем скоро их было бы невозможно перечислить по отдельности.

Кроме теории вероятности, треугольник Паскаля будет также применим в других областях математики. Числовые ряды треугольника, например, очень полезны в алгебре для решения некоторых уравнений. Можно также найти в этом треугольнике некоторые последовательности, например треугольные числа (1, 3, 6, 10…) на его диагоналях или последовательность Фибоначчи (1, 1, 2, 3, 5, 8…), получаемую в результате сложения чисел, расположенных на параллельных наклонных линиях.

Последовательность треугольных чисел в треугольнике Паскаля

Числа Фибоначчи в треугольнике Паскаля

В последующие века в рамках теории вероятности были разработаны более точные и эффективные методы оценки вероятностей. Вскоре в теории вероятности успешно начало применяться исчисление бесконечно малых величин. Многие случайные явления, влияющие на будущее, могут иметь бесконечно малые вариации. В метеорологической модели, например, непрерывно изменяется температура. Так же как и отрезок имеет длину, в то время как составляющие его точки – нет, некоторые потенциальные события могут случиться, но вместе с тем не каждый возможный вариант, который вошел в выборку возможных вариантов, наступит. Вероятность того, что через неделю температура будет равна ровно 23,41 градуса или составлять любую другую точную величину, приблизительно равна 0. Однако вероятность того, что температура будет находиться в интервале от 0° до 40°, в самом деле большая!

Еще одной задачей в рамках исследований теории вероятности было изучение поведения случайных систем, способных модифицировать самих себя. Монета сохраняет свои свойства, даже если подкинуть ее тысячу раз, но во многих реальных ситуациях не все так просто. В 1930 г. венгерский математик Дьёрдь Пойа опубликовал статью, в которой анализировал скорость распространения эпидемии. Особенность предложенной им модели заключается в том, что эпидемия распространяется быстрее, когда многие люди уже заражены.

Если в вашем окружении много зараженных людей, вероятность того, что вы заболеете, будет выше. И если вы заболели, то вы сами уже повышаете риск заразиться для людей вокруг вас. Короче говоря, данное явление усиливает само себя, и вероятности постоянно меняются. Этот феномен принято называть усиленная случайность.

Процессы с усиленной случайностью часто используются сегодня в различных ситуациях. Одна из самых эффективных областей применения – это анализ динамики изменения численности популяции. Возьмем для примера популяцию животных, эволюцию биологических или генетических признаков которых вы хотите проследить в течение нескольких поколений. Представьте, например, что 60 % людей имеют темные глаза и 40 % – голубые. Таким образом, с генетической точки зрения вероятность рождения детей с темными глазами будет равна 60 %, а с голубыми – 40 %. Изменение цвета глаз имеет аналогичное свойство, как и распространение эпидемии: чем больше в этой группе людей с одним цветом глаз, тем выше шансы того, что родится ребенок именно с таким цветом глаз. Процесс сам себя усиливает.

Таким образом, модель Пойа позволяет спрогнозировать вероятность развития различных биологических характеристик вида. Некоторые из них могут в итоге исчезнуть. Другие, наоборот, – распространиться на всю популяцию. Третьи равномерно распределиться с небольшими изменениями в течение нескольких поколений. Невозможно предсказать заранее, по какому из этих сценариев будет происходить развитие, но, как и в игре орел и решка, можно оценить шансы в долгосрочной перспективе и спрогнозировать наиболее вероятную динамику изменений.

В 1985 г., когда Дьёрдь Пойа умер, мне едва исполнился один год. Таким образом, можно сказать, что несколько месяцев своей жизни я был современником ученого, основавшего теорию, в рамках которой я сам работаю и разрабатываю собственные теоремы.

Не вдаваясь в подробности, результаты моих исследований касаются нескольких случайных процессов, которые периодически оказывают влияние друг на друга. Представьте себе, к примеру, несколько стад одного вида, живущих отдельно на одной и той же территории; иногда некоторые животные переходят из одной группы в другую. Какие варианты развития событий возможны и как вычислить вероятность их наступления? Вот те вопросы, на которые частично отвечают мои исследования.

Да, конечно, мои теоремы весьма скромные и будет смелым шагом упомянуть их в середине этой большой истории среди многочисленных великих имен. Даже если бы я был одним их них, рассуждал я в течение четырех лет написания своей диссертации, добросовестно выполняя свою исследовательскую работу, следует признать, что мои выводы имеют небольшое значение по сравнению со многими другими более одаренными математиками, чем я. Тем не менее этого оказалось достаточно для того, чтобы 8 июня 2012 г. аттестационная комиссия присвоила мне по итогам защиты, длившейся целый час, степень доктора математических наук.

Эта церемония волнительна, так как через нее ты становишься сопричастным великой истории. Само слово «доктор» происходит от латинского слова docere – «преподавать». Доктор – это тот, кто достаточно хорошо изучил свой предмет, чтобы передавать свои знания. Начиная с позднего Средневековья в университетах, современных аналогах Мусейона в Александрии или Байт аль-Хикма в Багдаде, докторантура заняла прочное место в институциональной системе и обеспечивала ученым возможность для проведения своих исследований.

С тех пор в науке столетие за столетием происходила преемственность ученых, преподавателей и учеников, что обеспечило практически непрерывную сменяемость поколений. Забавно, но благодаря этому можно проследить происхождение научных руководителей ученых. Научным руководителем моего научного руководителя, математика Влады Лимик, был Дэвид Олдаус за несколько лет до этого. И этот ряд можно продолжить. Поднимаясь от учителя к ученику, можно проследить полную «родословную» любого математика. Посмотрите, моя родословная начинается с XVI в., и в ней более двадцати поколений!

Мой самый далекий предок – математик Никколо Тарталья, о котором мы уже раньше говорили. Невозможно продолжить этот ряд, так как итальянский ученый был самоучкой. Родившийся в бедной семье, молодой Тарталья, согласно легенде, даже вынужден был украсть в своей школе книги, чтобы познать математику.

В этом генеалогическом древе вы также можете найти Галилея и Ньютона, ученых, не требующих представления. В одной из частей схемы можно увидеть имя Марена Мерсенна, основавшего Парижскую академию наук, место, где была разработана теории вероятностей. Его ученик Жиль Роберваль изобрел весы, которые носят его имя. Чуть выше Джордж Дарвин, сын Чарльза Дарвина, автора теории эволюции.

Нет ничего удивительного в том, что здесь так много великих математиков, т. к. если проследить генеалогию большинства математиков достаточно далеко, то в конце концов можно встретить известные имена. Следует также отметить, что на этой схеме представлены только мои прямые предки, и в ней отсутствуют многочисленные «кузены». На сегодня у Тартальи уже больше тринадцати тысяч потомков, и это число продолжает расти с каждым годом.

Станция метро Ар-э-Метье (фр. Arts et MÉtiers – «Искусства и ремесла») – одна из самых странных в Париже. Туристу, оказавшемуся здесь, может показаться, что он попал в медный чрев гигантской подводной лодки. Большие красноватые заклепки идут от потолка по стенам, где также расположен десяток иллюминаторов. Посмотрев по сторонам, можно увидеть любопытные сцены, представляющие различные древние изобретения, выглядящие необычно. Эллиптические передачи, сферическая астролябия, водяное колесо соседствуют с космическим кораблем и стальным конвертором. И если бы не бесконечный поток вечно спешащих куда-то по подземным коридорам парижан, вряд ли кто-то удивился бы, увидев здесь величественную фигуру капитана Немо, сошедшего прямиком со страниц романа Жюля Верна.

Отделка вестибюля метро – это лишь начало того, что нас ждет на поверхности. Сегодня я держу свой путь в Консерваторию искусств и ремесел (фр. Conservatoire national des arts et métiers, CNAM), музей, в котором представлены важнейшие изобретения человечества. Первые механизированные машины, телеграф, стрелочный индикатор, поршневой манометр, голландские автоматические часы, вольтов столб, ткацкий станок, перфокарты, типографский станок, сифонные барометры – все эти изобретения из прошлого втягивают меня в головокружительный вихрь технологических открытий последних четырех столетий. Остановившись в середине парадной лестницы, я вижу аэроплан XIX в. с гигантскими крыльями, как у летучей мыши. В углу коридора стоит первый марсоход Лама, разработанный российскими учеными в XX в.

Я быстро прохожу мимо всех этих невероятных предметов и поднимаюсь прямо на второй этаж. Здесь расположена галерея лабораторных инструментов, среди которых можно найти астрономический телескоп, водяные часы, компасы, весы Роберваля, гигантские термометры и астрономические глобусы, возвышающиеся на своих осях! И вдруг замечаю в углу витрины то, зачем я сюда пришел: счетная машина Паскаля, или паскалина. Эта любопытная вещь представляет собой латунную коробку 40 см в длину и 20 см в ширину, на внешней стороне которой изображены шесть пронумерованных рядов. Этот механизм разработал в 1642 г. Блез Паскаль в возрасте всего 19 лет. Передо мной находится первая счетная машина в истории.

Первая? Чтобы быть до конца откровенным, необходимо отметить, что и до XVII в. уже были возможности делать расчеты. Так или иначе, пальцы выполняли роль первого калькулятора всех времен, а также представители Homo sapiens использовали различные аксессуары для ведения расчетов. Кости Ишанго с насечками на них, глиняные жетоны из Урука, палочки в Древнем Китае или счеты, которые были очень популярны в эпоху Античности, – все эти инструменты использовались для подсчетов и вычислений. Тем не менее ни один из этих примеров не подходит под определение, которое, как правило, дается вычислительным машинам.

Чтобы разобраться, рассмотрим детально механизм работы счетов. Этот математический инструмент состоит из множества спиц, по которым скользят костяшки. Первый стержень соответствует количеству единиц, второй – десятков, третий – сотен и так далее. Так что если вы хотите указать число 23, передвиньте две костяшки в разряде десятков и три – в разряде единиц. И если вы хотите добавить к этому числу 45 – передвиньте четыре костяшки в разряде десятков и пять – в разряде единиц, что, таким образом, даст в сумме 68.

Если при сложении цифр в одном разряде сумма становится двузначной, необходимо сделать небольшую дополнительную манипуляцию. Для того чтобы прибавить 5 к 68 на спице разряда единиц, осталась всего одна костяшка. Если на спице не хватает костяшек для выполнения действия, то на ней оставляют столько костяшек, сколько не хватило, а остальные перебрасывают в другую сторону, и добавляют еще одну костяшку в значение десятков. Таким образом, в сумме получится 73.

Это совсем не сложная манипуляция, но только с появлением счетной машины Паскаля и калькулятора началась эпоха вычислительных машин. Для того чтобы выполнить ту же самую операцию, пользуясь вычислительной машиной, уже не нужно было держать в уме числа. Такие аппараты, по сути, не выполняют вычисления самостоятельно, а просто помогают человеку фиксировать определенные значения чисел. Пользуясь же современным калькулятором, вы вообще не будете задумываться о том, как выполняются действия. Есть ли в действиях перенос цифр в соседний разряд – для вас уже не имеет значения! Больше нет необходимости держать числа в уме в соответствующих ситуациях, все сделает за вас машина.

Соответствующая этому критерию паскалина – действительно первая счетная машина в истории. Хотя механизм работы весьма специфичен и требует большого мастерства для ее изготовления, принцип работы счетной машины Паскаля достаточно прост. На верхней части машины расположены шесть колесиков, на которые нанесены деления от 0 до 9.

Первое колесико справа обозначает число единиц, второе – десятков и так далее. Над колесиками расположены шесть маленьких ячеек, по одному для каждого колесика, в которых отображаются цифры. Для того чтобы ввести число 28, необходимо просто повернуть колесико десятков на два деления по часовой стрелке и колесико единиц – на восемь делений. С помощью внутренней системы шестеренок, в области отображения в соседних взаимосвязанных ячейках отобразятся 2 и 8. И теперь, если вы захотите добавить 5 к этому числу, нет необходимости ничего держать в уме: достаточно просто повернуть колесико единиц на пять делений и, когда значение сменится с 9 на 0, значение десятков автоматически сменится с 2 на 3. Значение, отображаемое на машине, теперь равно 33.

И это работает в каждом из разрядов. Если набрать на паскалине 99 999 и повернуть колесико единиц на один оборот, то на аппарате отобразится 100 000, без необходимости в дополнительных действиях!

После Паскаля многие изобретатели пытались усовершенствовать его изобретение, чтобы с его использованием можно было сделать быстро и эффективно больше действий. В конце XVII в. Лейбниц был одним из первых, кто разработал механизм для осуществления операций умножения и деления. Его система была несовершенной и выдавала неверные решения в некоторых частных случаях. Только в XVIII в. его идеи воплотились в полном объеме. Благодаря умениям и воображению изобретателей были разработаны несколько более надежных и эффективных прототипов. Однако из-за сложности механизмов такие машины оказались весьма большими, почти с комод размером.

В XIX в. счетные машины стали более доступны и распространены примерно так же широко, как и другие, похожие на них аппараты – пишущие машинки. Многие бухгалтерские фирмы, предприниматели и обычные торговцы начинают пользоваться калькуляторами, которые быстро стали неотъемлемой частью интерьера и были незаменимы в работе. Становится сложно представить себе, как люди до сих пор обходились без них.

Продолжая ходить по музею, я вижу ряд машин, современных паскалине. Здесь представлены арифмометр Тома де Кольмара, машина умножения Леона Болле, полихромной арифмограф Дюбуа и комптометр Фелта и Тарранта. Одним из наиболее популярных аппаратов, пользовавшимся большим успехом, был арифмометр, который разработал в России шведский инженер Вильгодт Теофил Однер. Эта машина состоит из трех основных элементов: верхняя часть, на которой посредством небольших рычагов выставляются необходимые числа, нижняя часть, состоящая из каретки, способная смещаться в горизонтальном направлении и на которой отображается результат операции, а справа расположена рукоятка, при вращении которой производятся арифметические действия.

При каждом повороте рукоятки число в верхней части добавляется к числу, уже отображаемому на нижней каретке. Для того чтобы произвести вычитание, достаточно повернуть рукоятку в другую сторону.

Теперь представьте, что вам необходимо выполнить умножение 374 × 523. Укажите число 374 в верхней части и поверните рукоятку три раза. В нижней части отобразится 1122, результат операции 374 × 3. Передвиньте теперь каретку на разряд десятков и поверните рукоятку еще два раза. Получится 8602, что соответствует произведению 374 и 23. Передвиньте каретку еще на один разряд – до сотен – и поверните рукоятку на пять оборотов, и вы получите результат: 195 602. Немного потренировавшись, вы сможете производить умножение за несколько секунд.

В 1834 г. на ум английского математика Чарльза Баббеджа приходит по меньшей мере нелепая идея совместить счетную машину с ткацким станком! В те годы работа ткацкого станка претерпела ряд усовершенствований. Одним из них стало внедрение перфокарт, что обеспечило использование одного станка для изготовления тканей с различными узорами, не изменяя его параметры. В зависимости от наличия или отсутствия отверстия в карте, шарнирный крюк проходит или не проходит, а уточная нить проходит выше или ниже основной ткани. Таким образом, достаточно перенести желаемый рисунок на перфокарту и поместить ее в машину.

Исходя из свойств этой модели, Чарлз Бэббидж замыслил создать механический калькулятор, способный не только осуществлять такие действия, как, например, сложение или умножение, но и адаптироваться и выполнять миллионы различных операций в зависимости от того, какая перфокарта будет в него вставлена. Если быть более точным, эта машина может выполнять любые полиномиальные действия, то есть расчеты, сочетающие в произвольном порядке четыре основные операции и возведение в степень. Аналогичным образом тому, как на паскалине нужно было выполнять одни и те же манипуляции, независимо от исходных чисел, машина Бэббиджа позволяла производить одни и те же манипуляции, независимо от выполняемых действий. Больше не было необходимости, как в случае, например, с арифмометром Однера, вращать рукоятку в противоположном направлении в зависимости от того, что нужно выполнить – сложение или вычитание. Достаточно просто записать необходимые действия на перфокарте, и машина сама обо всем позаботится. Благодаря этой революционной функции изобретение Бэббиджа принято считать первой в истории вычислительной машиной.

Использование такой машины бросало новый вызов. Чтобы выполнить расчет с ее помощью, необходимо было обеспечить возможность изготовления соответствующих перфокарт, состоящих из последовательности отверстий и сплошных мест, которые улавливает механизм, вследствие чего будут выполняться все операции действие за действием. Таким образом, пользователь машины должен перед началом ее использования создать соответствующую перфокарту.

Разработкой устройства, способного переводить требуемые вычисления на язык математики, занималась британский математик Ада Лавлейс, которая вела исследования в данной области. Она исследовала функционал машины и пришла к выводу, что сам Бэббидж не представлял ее потенциал. Лавлейс создаст сложный код для вычисления последовательности Бернулли, что было чрезвычайно полезным в исчислении бесконечно малых величин последовательности, обнаруженной за более чем сто лет до того швейцарским математиком Якобом Бернулли. Этот код принято считать первой компьютерной программой, что делает, таким образом, Лавлейс первым программистом в истории.

Ада Лавлейс умерла в 1852 г. в возрасте 36 лет. Чарльз Бэббидж на протяжении всей жизни пытался построить свою машину, но умер в 1871 г., так и не дождавшись завершения изготовления ее прототипа. Только в XX в. удалось наконец увидеть работу машины Бэббиджа в действии. Наблюдать за одним из таких калькуляторов – это поистине потрясающее и чарующее зрелище. Его внушительный размер (высотой примерно в два метра и шириной в три) и работа сотен шестеренок, которые движутся внутри, одновременно поражает и изумляет.

Незаконченный прототип аппарата, разработкой которого занимался британский ученый, в настоящее время хранится в Музее науки в Лондоне. Функционирующую копию, воспроизведенную в начале XXI в., можно увидеть в Музее компьютерной истории в Маунтин-Вью, штат Калифорния.

В XX в. использование вычислительных машин достигнет такого уровня, о котором Бэббидж и Лавлейс даже не могли подумать. Калькуляторы найдут свое применение для решения как самых древних, так и совсем новых математических задач.

С одной стороны, исчисление бесконечно малых величин и мнимые числа позволили описать в виде уравнений электромагнитные явления, которые вскоре будут применены в электронных устройствах. С другой стороны, в XIX в. были заново подняты вопросы, затрагивавшие фундаментальные основы математики, аксиомы и рассуждения в доказательствах. Так, с одной стороны, у машин появилась высокоэффективная инфраструктура, а с другой – возможность осуществлять простейшие действия для нахождения решения более сложных задач.

Одним из главных деятелей этой революции был британский математик Алан Тьюринг. В 1936 г. он опубликовал статью, в которой провел параллель между возможностью доказать теорему с помощью математики и способностью найти решение с помощью вычислительных машин с использованием достижений информатики. Он впервые описывает принцип действия машины, впоследствии названной в его честь, который до сих пор широко используется в теоретических основах вычислительной техники. Машина Тьюринга была теоретической конструкцией. Британский математик не занимался разработкой конкретных механизмов, с помощью которых такая машина могла бы работать. Он всего лишь оценивал основные операции, которые могли бы выполняться на его машине, и задавался вопросом, какой результат можно получить, комбинируя их. Здесь прослеживается четкая аналогия с тем, как в математике, исходя из сформулированных аксиом, ученые затем пытаются вывести теоремы, основываясь на них.

Набор инструкций, которые задаются машине для достижения результата, называется алгоритмом. Этот термин произошел от латинского варианта написания имени аль-Хорезми. Необходимо отметить, что вычислительные алгоритмы будут в значительной степени опираться на решения задач, известные уже с давних пор. Помните, как аль-Хорезми в своей книге «Китаб аль-джебр ва-ль-мукабала» не только рассматривал абстрактные математические объекты, но и давал практические рекомендации жителям Багдада, как искать решение повседневных проблем? Так же вычислительной машине нет необходимости объяснять теорию, которую она не в состоянии понять. Для машины необходимо только, чтобы ей задали соответствующие установки, какие расчеты в каком порядке производить.

Ниже представлен пример алгоритма, который задается вычислительной машине. Допустим, у этой машины есть три ячейки памяти, в которые можно внести соответствующие числа. Сможете ли вы посчитать, каков будет результат этого алгоритма?

Этап A. Введите число 1 в ячейку памяти № 1, а затем перейдите к шагу B.

Этап B. Введите число 1 в ячейку памяти № 2, а затем перейти к шагу C.

Этап C. Введите в ячейку памяти № 3 сумму чисел, находящихся в ячейке памяти № 1 и ячейке памяти № 2, а затем перейдите к шагу D.

Этап D. Введите в ячейку памяти № 1 число из ячейки памяти № 2, а затем перейдите к шагу E.

Этап E. Введите в ячейку памяти № 2 число из ячейки памяти № 3, а затем перейдите к шагу C.

Можно заметить, что машина будет зациклена, так как на этапе Е она возвращается к этапу C. Таким образом, этапы C, D, E будут повторяться бесконечно.

Ну что? Вы поняли, что таким образом рассчитывает машина? Нужно совсем немного времени для того чтобы расшифровать полученную последовательность чисел. Вы можете догадаться, что этот алгоритм описывает последовательность чисел, которые нам уже хорошо известны, а именно числа Фибоначчи![21] На этапах А и В были введены первые два члена последовательности: 1 и 1. На этапе C вычисляется сумма двух предыдущих чисел. На этапах D и Е в память заносятся последующие числа из ряда таким образом, чтобы алгоритм мог работать циклично. Если вы заходите проверить, как работает данный алгоритм, то сможете убедиться, что получится следующая последовательность чисел: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 и т. д.

Несмотря на то, что алгоритм выглядит достаточно просто на первый взгляд, машина Тьюринга все еще не способна его обработать. В соответствии с определением, данным их автором, эта машина не может осуществлять операцию сложения, как это указано на этапе C. В ее функции входят только внесение, прочтение и замена элементов в памяти в соответствии с инструкциями на каждом этапе. Таким образом, можно задать ей алгоритм сложения, согласно которому числа складываются в соответствии с их разрядами и запоминанием чисел в уме, по аналогии со счетами. Другими словами, сложение не является частью аксиоматики машины, а это уже одна из ее теорем, которые должны иметь свой алгоритм для использования. После того как этот алгоритм будет составлен, он может быть использован на этапе C, и машина Тьюринга, таким образом, вычислит числа Фибоначчи.

Повышая сложность задач, можно научить машину Тьюринга выполнять операции умножения, деления, возведения в квадрат, извлечения квадратного корня, находить решения уравнений и тригонометрические соотношения, вычислять приближенное значение числа π, определять декартовы координаты геометрических фигур или исчислять бесконечно малые величины. Таким образом, при условии составления соответствующих алгоритмов машина Тьюринга способна решать любые математические задачи, которые мы уже успели рассмотреть, причем точность таких расчетов будет значительно выше.

Теорема о четырех красках

Возьмем карту территории, состоящую из нескольких областей, отделенных друг от друга границами. Какое минимальное количество цветов необходимо использовать при их раскрашивании, чтобы две соседних области всегда были разного цвета?

В 1852 г. южноафриканский математик Фрэнсис Гутри задался этим вопросом и высказал предположение, что для раскрашивания любой карты достаточно четырех цветов. После него многие ученые пытались доказать это утверждение, но никому не удавалось этого сделать на протяжении более чем столетия. Получилось, однако, достичь некоторого прогресса, в результате чего установлено, что все возможные карты могут быть сведены к 1478 отдельным случаям, каждый из которых требует проведения множества проверок. Один человек или даже целая команда людей не сможет проверить все возможные варианты. Для этого не хватило бы и целой жизни. Представьте разочарование математиков, у которых есть метод для доказательства или опровержения гипотезы, но нет достаточного количества времени для реализации соответствующей задачи!

В 1960-х гг. идея использовать компьютер начинает зарождаться в сознании некоторых ученых, и наконец в 1976 г. два американца, Кеннет Апел и Вольфганг Хакен, объявили, что они доказали теорему. Потребовалось более 1200 часов на проведение расчетов и было проведено 10 миллиардов элементарных операций на вычислительной машине, чтобы перебрать все возможные варианты для 1478 типов карт.

Оглашение этого результата имело эффект разорвавшейся бомбы в математическом сообществе. Можно ли доверять этому новому типу «доказательств»? Можем ли мы принять действительность доказательства такой длины, которое ни один человек в мире не смог бы дочитать до конца? До какой степени можно доверять машинам?

Эти вопросы вызывают много споров. В то время как одни утверждают, что мы не можем быть на 100 % уверены в том, что машина не ошибется, другие отвечают им, что то же самое можно было бы сказать и о людях. Неужели электронный механизм менее надежен, чем биологический механизм вида Homo sapiens? Данные, полученные с помощью машины из металла, менее надежны, чем доказательства, полученные машиной из плоти и крови? Мы уже неоднократно были свидетелями того, как математики, зачастую даже самые великие, допускали ошибки, которые обнаруживались только спустя какое-то время. Должно ли это заставить нас усомниться в правильности самого математического знания? В работе машины, несомненно, могут случиться неполадки, в результате чего будут допущены ошибки, но, если ее надежность по крайней мере равна человеческой (а зачастую она выше), нет никаких оснований отказываться от использования результатов, полученных с ее помощью.

Сегодня математики научились доверять компьютерам, и большинство из них в настоящее время считает действительным доказательство теоремы о четырех красках. Многие другие результаты были также получены с помощью компьютеров. Тем не менее прибегать к этому методу доказательства считается нежелательным. Краткое доказательство, сделанное без применения вычислительной техники, считается более красивым. Поскольку цель математики – изучение абстрактных объектов, доказательства, выведенные человеком самостоятельно, более наглядны и позволяют лучше понять саму их суть.

10 марта 2016 г. весь мир устремил свои взгляды в сторону Сеула. Здесь проводился долгожданный матч-реванш лучшего игрока в мире по игре го, корейца Ли Седоля, против компьютерной программы AlphaGo (Альфа Гоу). Игра транслировалась в прямом эфире в Интернете и на нескольких телевизионных каналах, за ней наблюдали сотни миллионов человек по всему миру. Атмосфера была напряженной. Никогда еще компьютер не побеждал человека на таком уровне.

Го считается одной из самых сложных игр для восприятия машиной. Стратегия требует от игроков большой доли интуиции и нестандартного мышления. И даже если машины очень сильны в математике, гораздо сложнее найти алгоритмы, имитирующие инстинктивное поведение. Другие популярные игры, такие как шахматы, проще для программирования. Вот почему компьютер «Голубой гигант» (Deep Blue) смог обыграть российского чемпиона по шахматам Гарри Каспарова в 1997 г. в матче, который также вызвал большую шумиху. В других играх, таких как шашки, компьютерам даже удалось разработать стратегию, при которой обыграть машину невозможно. Так, сейчас ни один человек не сможет обыграть компьютер в шашки. Играя идеально, большее, на что можно рассчитывать, – это сыграть вничью. Среди сложных стратегических игр в противостоянии по го людям удавалось сдерживать натиск машин вплоть до 2016 г.

Спустя час игры необходимо было сделать тридцать седьмой ход, и игра выглядела непримиримой. Именно тогда ход AlphaGo удивил всех специалистов, которые следили за игрой. Компьютер решил поставить свой черный камень в положение O10. Комментатор, который освещал эту игру в Интернете, сделал большие глаза. Затем он установил камень на своей демонстрационной доске и нерешительно продолжил. Он перепроверил сделанный компьютером ход и в итоге разместил его на своей доске. «Это удивительный ход!» – воскликнул он с недоуменной улыбкой. «Это должно быть ошибкой», – сказал второй комментатор. Ведущие специалисты со всего мира также выразили изумление. Компьютер только что сделал огромную ошибку или это настолько гениальный ход? Через три с половиной часа и спустя сто семьдесят четыре хода, ответ был получен: корейский чемпион повержен, машина победила.

Какими только прилагательными ни называли знаменитый 37-й ход после окончания игры. Креативный. Уникальный. Захватывающий. Ни один человек не сыграл бы так, потому что в соответствии с традиционной стратегией этот ход считается плохим, но все же он привел к победе! Возникает вопрос: как компьютер, который лишь следует алгоритму, написанному людьми, может сделать креативный ход?

Ответ на этот вопрос заключается в новых типах алгоритмов обучения. Программисты на самом деле не научили компьютер играть. Они научили его учиться играть! Во время тренировок AlphaGo потратил тысячи часов, играя против себя же самого, в результате чего вывел ходы, приводящие к победе. Еще одной его особенностью стало введение элемента случайности в его алгоритм. Количество возможных комбинаций в го настолько велико, что их невозможно просчитать даже с помощью компьютера. Так, AlphaGo выбирает, какой сделать следующий ход, на основании теории вероятностей. Компьютер использует небольшую выборку из всех возможных комбинаций и таким же образом на основании полученных выводов, сделанных исходя из данных по этой небольшой группе, определяет ходы, которые с наибольшей вероятностью приведут к победе. Это и есть часть тайны интуиции и оригинальности AlphaGo: не думать систематически, а соотносить возможные сценарии развития в соответствии с их вероятностью.

Помимо стратегии игры компьютеры, оснащенные в той или иной степени сложными и производительными алгоритмами, сегодня, кажется, способны превзойти людей в большинстве их навыков. Они водят машины, участвуют в хирургических операциях, могут создавать музыку или рисовать неповторимые картины. Трудно представить себе вид человеческой деятельности, который не может быть реализован с технической точки зрения машиной, управляемой подходящим алгоритмом.

На фоне такого стремительного развития в последние несколько десятилетий кто знает, на что будут способны компьютеры будущего? И кто знает, возможно, когда-нибудь они сами сумеют изобрести новый вид математики? В настоящее время математика в целом является слишком сложным предметом для раскрытия компьютерами своего творческого потенциала. Их использование носит главным образом технический и вычислительный характер. Но возможно, однажды потомок AlphaGo откроет новую теорему, подобно 37-му ходу своего предшественника, и оставит в изумлении всех величайших ученых планеты. Трудно предсказать, на что окажутся способны машины завтрашнего дня, но будет странно, если они не преподнесут нам ничего нового.

Небо над Цюрихом затянуто тучами, и дождь шумит по крышам. Какая ужасная погода в середине лета! Поезд не должен сильно задерживаться.

Воскресенье, 8 августа 1897 г. На платформе железнодорожной станции стоит задумчивый человек в ожидании своих гостей. Это математик Адольф Гурвиц. Немец по происхождению, он уже пять лет живет в Цюрихе, где работает на кафедре математики в Швейцарской высшей технической школе. Он сыграет важную роль в организации профессионального мероприятия, которое будет происходить в следующие три дня. На прибывающем поезде едут величайшие ученые из шестнадцати различных стран мира. Уже завтра откроется первый Международный конгресс математиков.

Двое организаторов этой конференции – немцы Георг Кантор и Феликс Клейн. Первый из них получил известность, обнаружив, что существуют бесконечности, большие, чем другие, и разработав теорию множеств, избежав при этом парадоксов. Второй математик был специалистом в области алгебраических структур. Хотя по дипломатическим соображениям Швейцария была выбрана в качестве принимающей страны первого съезда, можно догадаться, что инициатива исходила из Германии. В XIX в. этой стране удалось стать новым Эльдорадо математики, а Гёттингену и его престижному университету – нервным центром сосредоточения самых ярких математических умов.

Среди двухсот участников конференции было много представителей из разных стран: Италии, например Джузеппе Пеано, автор стандартной аксиоматизации натуральной арифметики; России, например Андрей Марков, чьи работы произвели революцию в исследовании теории вероятностей; Франции, например Анри Пуанкаре,[22] в частности открывший теорию хаоса, то, что мы впоследствии назовем эффектом бабочки. В течение трех дней съезда все эти люди имели возможность дискутировать, делиться мнениями, налаживать связи между собой и изучаемыми научно-исследовательскими областями.

В конце XIX в. математический мир претерпел изменения. Расширение, не только географическое, но и интеллектуальное, связывало ученых, находящихся в различных уголках планеты. Математика стала слишком широкой дисциплиной для того, чтобы один человек мог охватить ее в полной мере. Анри Пуанкаре, выступавшего со вступительным словом на конференции, иногда называют последним великим универсальным ученым, освоившим все направления математики своего времени и достигшим значительных успехов в каждом из них. С его уходом завершилась эпоха математиков-универсалов и началось время узкопрофильных специалистов.

Тем не менее в ответ на неизбежный дрейф математических материков ученые стали сотрудничать больше, чем когда-либо, и получили больше возможностей для совместной работы, которая станет единой и неделимой. Так, в XX в. математика находится под влиянием двух противоположных процессов.

Второй Международный конгресс математиков проводился в Париже в августе 1900 г. Впоследствии данное мероприятие стали проводить каждые четыре года, за исключением нескольких лет, когда конгресс не созывали из-за мировых войн. Последний из них состоялся в Сеуле с 13 по 21 августа 2014 г. На нем присутствовало более 5000 участников из 120 стран мира – исторический максимум за все время проведения этих конференций. Следующий конгресс состоится в Рио-де-Жанейро в августе 2018 г.

За долгие годы проведения таких встреч сформировались некоторые традиции конгресса. Так, с 1936 г. на конгрессе вручается престижная Филдсовская медаль. Эта награда, которую часто называют Нобелевской премией по математике, является высшим достижением в данной дисциплине. На лицевой стороне медали изображен портрет Архимеда, обрамленный цитатой древнегреческого математика Transire suum pectus mundoque potiri (с лат. «превзойти свою человеческую ограниченность и покорить Вселенную»).

Профиль Архимеда на Филдсовской медали

Одним из результатов глобализации математики стало также использование английского как международного языка дисциплины. Следует отметить, что со времен Парижского конгресса многие участники жаловались на то, что лекции и доклады, представленные только во французском языке, сложно понять иностранным делегатам. Вторая мировая война и эмиграция значительной части интеллектуальной элиты Европы в США, где ученые продолжили работать в крупных университетах, во многом способствовали этому процессу. Сегодня подавляющее большинство математических научных статей написано и опубликовано на английском языке.[23]

За последние сто лет количество математиков также значительно увеличилось. В 1900 г. их было всего несколько сотен и работали они главным образом в Европе. Сегодня по всей планете рассеяны десятки тысяч математиков. Каждый день публикуются десятки новых статей. По некоторым оценкам, в настоящее время мировое математическое сообщество производит около миллиона новых теорем каждые четыре года!

Унификация математики также привела к значительной реорганизации самой дисциплины. Одним из самых активных участников этого движения стал немецкий математик, профессор Геттингенского университета Давид Гильберт; как и Пуанкаре, он известен как один из самых ярких и влиятельных математиков начала XX в.

В 1900 г. Гильберт участвовал в Парижском конгрессе и в среду 8 августа выступил в Сорбонне с речью, которая осталась в истории. Немецкий математик представил список основных нерешенных вопросов, которые, по его мнению, должны были стать вектором развития математики будущего столетия. Математики любят вызовы, и здесь он попал в цель. Двадцать три проблемы Гильберта вдохновили ученых на исследования, и уже совсем скоро на них начали давать ответы, в том числе ряд математиков, присутствовавших в тот день в зале на конгрессе.

К 2016 г. четыре из этих проблем все еще остаются без ответа. Среди них восьмая из списка Гильберта проблема, так называемая гипотеза Римана, которая считается величайшей математической гипотезой нашего времени. Смысл этой проблемы заключается в поиске мнимых решений уравнения, сформулированного в середине XIX в. немецким ученым Бернхардом Риманом. Это уравнение особенно интересно еще и потому, что содержит в себе ключ к гораздо более древней тайне: последовательности простых чисел, изучаемых со времен эпохи Античности.[24] Эратосфен был одним из первых, кто изучил эту последовательность чисел в III в. до н. э. Найдя решения уравнения Римана, вы, таким образом, получите массу информации о числах, которые занимают центральное место в арифметике.

Обозначив двадцать три проблемы математики, Гильберт не остановился на достигнутом. В последующие годы немецкий математик стремился создать для математики прочный, устойчивый и надежный фундамент, на котором могли бы базироваться все ее направления. Его целью была разработка уникальной теории, охватывающей все отрасли математики. Как вы помните, начиная с Декарта и описанной им системы координат геометрические задачи могут быть выражены на языке алгебры. Геометрия в какой-то степени становится подразделом алгебры. Но можно ли объединить две дисциплины в масштабах всей науки? Другими словами, можно ли создать такую супертеорию, которая объединила бы все ветви математики, для которой геометрия, теория вероятностей, алгебра или исчисление бесконечно малых величин будут всего лишь частными случаями?

Эта супертеория создана на основе теории множеств, сформулированной в конце XIX в. Георгом Кантором. Несколько предложений аксиоматизации этой теории были выдвинуты в начале XX в. В период с 1910 по 1913 г. британские математики Альфред Норт Уайтхед и Бертран Рассел опубликовали трехтомный труд под названием Principia Mathematica (с лат. – «Принципы математики»). В этой работе содержались аксиомы и логические правила, исходя из которых математика была воссоздана с нуля. Один из самых известных отрывков этой работы находится на триста шестьдесят второй странице первого тома, где Уайтхед и Рассел, воссоздавая арифметику, наконец дошли до доказательства теоремы 1 + 1 = 2! Это очень забавляло авторов, так как требовалось исписать так много страниц с использованием рассуждений, которые могут поставить в тупик неискушенных математиков, чтобы доказать простейшее равенство. Ради вашего интереса ниже приводится доказательство 1 + 1 = 2 на языке символов Уайтхеда и Рассела:

Не пытайтесь разобраться в этой последовательности символов, так как это абсолютно невозможно, не прочитав предыдущие 361 страницу![25]

После Уайтхеда и Рассела были сделаны и другие предложения по совершенствованию аксиом, и современная математика в значительной степени основывается на нескольких базовых аксиомах из теории множеств.

Всеобщая унификация также вызвала лингвистическую дискуссию, поскольку некоторые математики начали в это время говорить о необходимости использования единственного числа для определения дисциплины.[26] Даже сегодня встречаются еще много математиков, стремящихся навязать использование термина в единственном числе, но привычка уже глубоко засела в подсознании людей, и на текущий момент большинство склоняется к использованию формы множественного числа.

Несмотря на огромный успех теории множеств, Гильберт не был полностью удовлетворен результатом, и у него все еще оставались некоторые сомнения в достоверности аксиом, изложенных в «Принципах математики». Для того чтобы теорию можно было считать совершенной, она должна отвечать двум критериям: последовательности и полноты.

Последовательность подразумевает, что в теории не должно быть парадоксов. Не представляется возможным одновременно доказать справедливость утверждения и его противоположности. Если, например, с помощью одной из аксиом можно доказать, что 1 + 1 = 2, а также, что 1 + 1 = 3, теория непоследовательна, потому что она сама себе противоречит. Полнота же говорит о том, что в данной теории достаточно аксиом для того, чтобы иметь возможность доказать все верные в ее контексте утверждения. Если, например, в арифметической теории недостаточно аксиом, чтобы доказать, что 2 + 2 = 4, то она считается неполной.

Можно ли доказать, что «Принципы математики» соответствуют этим критериям? Можно ли быть уверенным, что мы никогда не столкнемся с парадоксами и что используемые аксиомы будут достаточно точными и универсальными, чтобы с их помощью выводить все возможные теоремы?

Программа Гильберта столкнулась с серьезной проблемой в 1931 г., когда молодой австрийский математик Курт Гёдель опубликовал свою статью под названием «О неразрешимых теоремах “Принципов математики” и других формальных математических систем» (от нем. Über formal unentscheidbare Sätze der Principia mathematica und verwandter Systeme). В этой статье приводилось доказательство того, что невозможно создать такую супертеорию, которая будет одновременно последовательной и полной! Если «Принципы математики» последовательны, то обязательно найдутся неразрешимые теоремы, которые нельзя будет ни доказать, ни опровергнуть. Поэтому невозможно определить, являются ли они истинными!

Изысканная катастрофа Гёделя

Теорема Геделя о неполноте является памятником математического мышления. Для того чтобы попытаться понять общий принцип, мы должны рассмотреть более подробно, что же такое математика. Вот два простейших арифметических утверждения:

A. Сумма двух четных чисел всегда будет четной.

B. Сумма двух нечетных чисел всегда будет нечетной.

Эти два утверждения достаточно понятные, и могут быть легко написаны на алгебраическом языке Виета. Немного подумав, вы увидите, что первое из этих утверждений, обозначенное как А, верное, в то время как второе, обозначенное как B, является ложным, так как сумма двух нечетных чисел всегда четная. Что приводит нас к следующим двум новым заявлениям:

С. Утверждение А верно.

Д. Утверждение Б ложно.

Эти два новых утверждения обладают некоторыми особенностями. Это не совсем математические утверждения, а скорее утверждения о математических утверждениях! Утверждения С и D, в отличие от А и В, могут априори не быть написаны на символическом языке Виета. Они не касаются ни чисел, ни геометрических фигур или какого-либо другого объекта арифметики, теории вероятности или исчисления бесконечно малых величин. Это то, что мы называем метаматематическими утверждениями, то есть такими, которые относятся к самой математике, а не к ее объектам изучения! Теорема – это математический объект. Утверждение, что теорема верна, является метаматематическим.

Различие может показаться тонким и незначительным, но только благодаря невероятно изобретательной формализации метаматематики Гёделю удалось доказать свою теорему. Открытие австрийского ученого позволило описать даже метаматематические утверждения на языке математики! Если рассматривать в своих рассуждениях утверждения как числа, предметом математики становятся не только числа, геометрия или теория вероятностей, но и сама математика!

Вещь, которая говорит сама о себе, это вам ничего не напоминает? Помните знаменитый парадокс Эпименида? Греческий поэт однажды сказал, что все критяне – лжецы. Эпименид сам был критянином, поэтому невозможно было определить, истинно или ложно это утверждение – в нем содержалось противоречие. Змея, кусающая себя за хвост. Вплоть до этого дня при формулировании математических утверждений самореферентные утверждения такого рода избегались. Но с помощью своей методики Гёделю удалось воспроизвести аналогичное явление в математике. Посмотрите на следующее утверждение:

G. Утверждение G нельзя доказать с помощью аксиом теории.

Это яркий пример метаматематического утверждения, но благодаря ловкости мысли Гёделя оно может быть выражено на языке математики. Поэтому стало возможным попытаться доказать G на основании аксиом теории. Рассмотрим два случая.

Предположим, что доказать утверждение G возможно; в этом случае оно неверно, то есть ложно, т. к., согласно утверждению G, оно не доказуемо. Если можно доказать ложное утверждение, то делаем вывод, что теория непоследовательна!

Теперь предположим, что доказать утверждение G невозможно. В этом случае утверждение G является истинным, и это означает, что аксиомы теории не в состоянии доказать утверждение, которое, тем не менее, верно! Таким образом, теория является неполной, поскольку есть истины, которые невозможно доказать с ее помощью.

Исходя из этого, в любом случае мы потерпим фиаско. Теория либо непоследовательна, либо неполна. Теорема о неполноте Гёделя определенно разрушила надежды Гильберта. И бесполезно пытаться обойти эту проблему, взяв за основу другую теорию, так как сделанный вывод применим не только к «Принципам математики», но и к любой другой теории, которая придет ей на смену. Уникальная и совершенная теория, с помощью которой можно доказать любую теорему, не может существовать в принципе.

Тем не менее надежда оставалась. Утверждение G, безусловно, неразрешимо, но необходимо признать, что оно не очень интересно с математической точки зрения и было сделано исключительно из стремления Гёделя применить парадокс Эпименида. Так, можно еще было надеяться, что значительные проблемы математики, которые вызывают подлинный интерес, не попадают в ловушку самореференции.

К сожалению, пришлось столкнуться с неизбежным подтверждением еще раз. В 1963 г. американский математик Пол Коэн доказал, что первые двадцать три проблемы Гильберта также принадлежали к этой странной категории неразрешимых утверждений. Невозможно их доказать или опровергнуть с помощью аксиом «Принципов математики». Если удастся найти решение первой проблемы, оно в любом случае будет частью другой теории. Но в этой новой теории, в свою очередь, появятся собственные пробелы и другие неразрешимые утверждения.

Особое место в XX в. занимали исследования не только основ математики, но и других направлений. Сложно описать все разнообразие подразделов математики, которые развивались в последние десятилетия. Остановимся отдельно на одном из самых ярких открытий прошлого века: множестве Мандельброта.

Эта удивительная математическая теория строится на анализе свойств некоторых числовых последовательностей. Выберите любое число, которое вам нравится, а затем составьте последовательность чисел, первый член которой будет равен 0, а каждый последующий будет равен квадрату предыдущего, к которому прибавляется выбранное число. Например, если вы выбираете число 2, то ваш числовой ряд будет начинаться следующим образом: 0, 2, 6, 38, 1446… Вы заметили, что 2 = 0² + 2, 6 = 2² + 2, 38 = 6² + 2, 1446 = 38² + 2 и так далее? Если вместо числа 2 выбрать –1, то вы получите следующую последовательность: 0, –1, 0, –1, 0… В таком ряду чередуются только числа 0 и –1, т. к. –1 = 0² – 1 и 0 = (–1)² – 1.

Эти два примера показывают, что в зависимости от того, какое число будет выбрано, полученный результат может принимать две совсем разные формы. Значения элементов последовательности могут стремиться к бесконечности, увеличиваясь все больше и больше, как в случае, если выбрать число 2. Также возможно, что последовательность будет ограниченной, то есть ее значения не отклоняются от определенных значений и остаются в ограниченном пространстве, как в случае с числом –1. Все числа, в том числе целые, дробные или даже мнимые, относятся к одной из этих двух категорий.

Эта классификация чисел может показаться довольно абстрактной, поэтому для наглядности лучше представить ее в геометрическом виде с использованием Декартовой системы координат. Поместим все действительные числа на горизонтальной оси, как мы делали ранее,[27] а мнимые числа – на вертикальной оси. Теперь закрасим точки, принадлежащие к двум категориям, разными цветами. Получится вот такая интересная фигура.

На этой схеме черным цветом выделены числа, на основании которых формируются ограниченные последовательности, а серым – числа, на основании которых образуются последовательности с бесконечным количеством элементов. Белый ореол за черной фигурой добавлен для того, чтобы было лучше видно мельчайшие детали даже невооруженным глазом.

Поскольку для каждой точки изображения необходимо было производить соответствующий расчет и анализ числового ряда, создание такой фигуры требовало проведения многочисленных вычислений. Именно поэтому ее удалось изобразить только в начале 1980-х гг., когда компьютеры достигли соответствующего технического уровня. Французский математик Бенуа Мандельброт был одним из первых, кто подробно изучил геометрические свойства этой фигуры, которую коллеги в конечном счете назвали в его честь.

Множество Мандельброта завораживает! Его контур представляет собой невероятное геометрическое кружево гармонии и точности. Если приблизить его границу, то можно разглядеть все больше и больше бесконечно малых и невероятно точных деталей. В самом деле, практически невозможно охватить на одной картинке все разнообразие элементов множества Мандельброта в деталях. Увеличенные участки отдельных элементов этой фигуры изображены на рисунке ниже.

Но еще более любопытной эту фигуру делает то, что она удивительно проста в определении. Если бы для описания ее построения требовалось составить многочисленные сложные уравнения, в которых присутствовали бы запутанные расчеты или необычные конструкции, то можно было бы сказать: «Конечно, эта фигура красивая, но она построена совершенно искусственным образом и потому малоинтересна». Но нет, данная фигура есть не что иное, как геометрическое представление элементарных свойств числовых последовательностей, которые определены несколькими словами. Из одного простого правила рождается такое геометрическое чудо.

Открытие такого рода неизбежно порождает дебаты о природе математики: является ли она человеческим изобретением или существует сама по себе? Математики открывают или создают? На первый взгляд, кажется, что множество Мандельброта можно назвать открытием. Эта фигура принимает такую необыкновенную форму не потому, что Мандельброт решил построить ее таким образом. Французский математик не стремился изобрести такую фигуру. Она появилась не по его воле. Графическое выражение исходной формулы не могло выглядеть иначе.

Тем не менее кажется весьма странным рассматривать возможность существования объекта, который не только является чисто абстрактным, но даже интерес к которому не относится к предмету теории математики. Абстрактные числа, треугольники и уравнения могут иметь прикладное значение для познания реального мира. Абстракция вплоть до этого момента всегда имела хотя бы отдаленное отражение в материальной Вселенной. Множество Мандельброта, кажется, не имеет ничего общего с реальным миром. Никакие физические явления, как известно, не принимают форму, каким-либо образом напоминающую его. Так в чем же смысл его изучения? Можно ли поставить его открытие в один ряд с открытием новой планеты в астрономии или новых видов животных в биологии? Или же это объект, который может изучаться только сам по себе? Другими словами, равна ли математика по своей значимости другим наукам?

Многие математики, без сомнения, ответят на этот вопрос «да». Тем не менее эта дисциплина занимает обособленное место в системе человеческого познания.

Одна из причин ее уникальности заключается в неоднозначной связи между математикой и красотой ее объектов.

Это правда, что практически во всех науках можно обнаружить нечто очень красивое. Например, в астрономии это небесные тела. Мы восхищаемся формой галактик, сверкающими хвостами комет или переливающимся светом туманностей. Вселенная в самом деле прекрасна. Это так. Но надо заметить, что, если бы она не была таковой, это не много бы поменяло. У астрономов нет выбора. Звезды – такие, какие они есть, и их необходимо было бы изучать, даже если бы они были совершенно непривлекательны. Кроме того, определения красоты и ее противоположности очень субъективны, но речь сейчас не об этом.

Математики, наоборот, в этом плане более свободны. Как мы уже видели, существует бесконечное количество способов определения алгебраических структур, и в каждом из них – бесконечное количество способов определения последовательностей, свойства которых могут быть изучены. Большинство из этих рядов чисел не будут выглядеть так же красиво, как выбранный Мандельбротом. В математике гораздо больше свободы выбора предмета исследования. Среди бесконечного количества теорий, которые могут быть изучены, часто для анализа выбирают только наиболее привлекательные.

Такой подход больше применим к творчеству. Симфонии Моцарта настолько красивы не случайно, а потому, что австрийский композитор сделал их такими. Из бесконечности музыкальных элементов можно с большей вероятностью получить ужасно некрасивое звучание. Нажмите случайным образом на клавиши фортепиано, и вы сами сможете в этом убедиться. Талант творческого человека в том, чтобы найти в этой бесконечности то немногое, что будет нас восхищать.

Точно так же талант математика отчасти в том, чтобы найти в бесконечном мире математики предметы исследования, заслуживающие наибольшего внимания. Если бы фигура Мандельброта не была такой красивой, то очевидно, что математики проявляли бы гораздо меньше интереса к ней. Она осталась бы неизвестной, подобно всем тем ужасным симфониям, которые никогда не будут играть.

Так кто же тогда математики в большей степени: ученые или творцы? Нельзя прямо ответить на этот вопрос. Можно ли быть только кем-то одним? Наука занимается поиском истины, и иногда истина бывает красива. Художник стремится к прекрасному, и иногда это совпадает с истиной. Для математика кажется немыслимым разделять эти понятия. Он одновременно ищет обе составляющие, не отделяет одно от другого. Он объединяет истинное и прекрасное, применимое и избыточное, стандартное и исключительное, будто используя сочетания цветов на своем бесконечном полотне.

Сам он при этом не всегда в полной мере отдает отчет, что делает. Математика, зачастую раскрывает свои секреты и истинную природу уже после смерти создателей. Пифагор, Брахмагупта, аль-Хорезми, Тарталья, Виет и другие создавали математику, не задумываясь о том, чем она станет сегодня. И, возможно, мы даже не осознаем всего того, к чему приведет развитие математики в грядущих столетиях. Только время может дать подлинную оценку математическому открытию.

Используемые сокращения: