Текст книги "Самая сложная задача в мире. Ферма. Великая теорема Ферма"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 9 страниц)

Никколо Фонтана Тарталья.

Джироламо Кардано.

Очень рано произошло разделение этой науки. С одной стороны были геометры, которые пытались понять и дополнить результаты греков. Следует иметь в виду, что хотя и сохранилось несколько книг, многие из них погибли при различных исторических обстоятельствах, произошедших между эпохой эллинизма и Возрождения – в период, охватывающий около 2000 лет. Среди этих событий примечательно разрушение (или несколько разрушений) Александрийской библиотеки. Итак, математики эпохи Возрождения, убежденные в том, что потеряли огромную массу знаний, пытались заполнить бреши, которые история проделала в трудах Евклида, Архимеда, Диофанта, Птолемея и Аполлония. Они исповедовали греческий метод: строгие и красивые геометрические доказательства.

Однако в то же время другие математики, называемые ренетами, занимались решением более или менее практических задач. Их нанимали торговцы, хотя часто они также участвовали в состязаниях, на которых задавали друг другу задачи, требующие решения. Эти математики были первыми алгебраистами и исповедовали прагматический подход: строгость, совершенство и красота доказательства интересовали их меньше, чем эффективность их методов. В какой-то степени они были наследниками египтян и вавилонян. С одной стороны, благодаря деятельности ренетов уменьшилась значимость идеи доказательства, а с другой стороны, они культивировали традицию засекречивания знаний, в отличие от греков-постпифагорейцев, публиковавших свои результаты подобно тому, как это делается сегодня.

Итак, мы провели краткий обзор истории математики, чтобы исследовать природу доказательства согласно различным математическим традициям, от Пифагора до Возрождения. Данные традиции колеблются между секретностью и открытостью, строгостью и прагматизмом. Именно в этой питательной среде противоположных тенденций Ферма занимался своей работой. Французский математик и юрист жил в эпоху, когда закладывались основы современной математики: она во многом базировалась на древних традициях, но в то же время представляла нечто абсолютно новое, и Ферма сыграл немалую роль в зарождении этой науки.

Следует указать, что вся научная деятельность, как со стороны новых наследников греческой математики, так и со стороны ренетов, происходила практически полностью за пределами устаревших университетских заведений того времени, погруженных в тяжелую средневековую традицию. В этих университетах даже не существовало, собственно, кафедр математики. Не было ни профессоров, ни четкого списка дисциплин, которые должен был посещать каждый студент.

Сегодня для того чтобы стать математиком, нужно пройти несколько курсов и дисциплин, а также заниматься научной деятельностью под контролем компетентного руководителя. Ничего подобного не существовало в XVI и XVII веках. Один из самых великих историков математики, шотландец Эрик Темпл Белл (1883-1960), назвал Ферма "принцем любителей", но дело в том, что в то время все были в той или иной степени любителями. Немногие математики добивались финансирования своих исследований меценатами: большинство занимались другим делом и посвящали науке свое свободное время.

ЛИЧНАЯ И ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ЖИЗНЬ ФЕРМА

Так мы дошли до первого года XVII века. Пьер де Ферма родился 20 августа 1601 года. Его отец Доминик был процветающим торговцем, кожевником из Бомон-де-Ломани, поселка недалеко от Тулузы. Ферма чувствовал себя немного иностранцем, потому что в то время исторический центр Франции находился на севере и существовало недоверие к «гасконцам» – южным людям, таким как знаменитый д’Артаньян. Француз Рене Декарт (1596-1650), родившийся тоже во Франции, в Турени, использовал южное происхождение Ферма в качестве оскорбления своего соперника в математике. Ферма же, наоборот, озвучивал его с гордостью.

Его мать, Клер, относилась к тем, кого в дореволюционной Франции называли "дворянством мантии". Очень примечателен тот факт, что Ферма посвятил себя судейской должности: деньги отца-буржуа и связи семьи матери прочили молодому Пьеру карьеру адвоката.

Очень мало известно о его личной жизни в целом и еще меньше – о его детстве и отрочестве. У него был брат, Клеман, который также посвятил себя адвокатской деятельности, и две сестры, Луиза и Мария. Все указывает на то, что детство и юношеские годы Ферма спокойно протекали в Бомоне, где, возможно, он получил образование у монахов-кордельеров из монастыря Грансельв.

Пьер начал изучать право в университете Тулузы до переезда в Бордо во второй половине 1620-х. Очень вероятно, что его математическое образование началось в Бордо, хотя не осталось никаких свидетельств того, предшествовал ли его интерес к этой дисциплине переезду в новый город, причины которого неясны. Есть мнение, будто Ферма выбрал Бордо именно для того, чтобы изучать математику, воспользовавшись чем-то вроде академического отпуска: он отошел от права для занятий тем, что было его страстью в течение всей жизни. Поскольку в этом городе было намного больше возможностей для изучения данной науки, чем в Тулузе, такое объяснение нельзя отбрасывать.

В Бордо занимался математическими исследованиями Франсуа Виет (1540-1603), также известный под своим латинизированным именем Францискус Виета. У нас будет возможность более глубоко исследовать его работу, но пока достаточно сказать, что он стал основателем символической алгебры. Его труды имели огромную важность, но, возможно, по географическим причинам, из-за отдаленности провинциального города от центра Франции, а также из-за отсутствия средств обмена научной информацией в то время, когда Ферма жил в Бордо, революционная работа Виета была практически неизвестна вне кружка его прямых учеников.

Ферма не встречался с Виетом, ушедшим из жизни, когда ему исполнилось два года, но познакомился с одним из его

учеников, Жаном де Бограном (ок. 1584-1640), который был его другом и коллегой до самой смерти. Дело в том, что уже в 1629 году, в возрасте 28 лет, Ферма впервые продемонстрировал свой математический талант, послав Бограну экземпляр своей реконструкции потерянной работы греческого геометра Аполлония Пергского (ок. 262-190 до н. э.) De locis plants, то есть "0 плоских геометрических местах". Значительная часть деятельности математиков XVI и XVII веков заключалась в попытках восстановить потерянные античные работы, основываясь на упоминаниях других математиков. Одним из главных источников были труды Палпа Александрийского (290-350), жившего через несколько веков после большинства математиков, о которых он писал. Действительно, Папп опубликовал около 400 теорем, взятых из работ классиков, которые он еще мог прочесть. И хотя не все их работы дожили до Возрождения, потерянные при поджоге Александрийской библиотеки и других подобных обстоятельствах, по крайней мере оставались эти небольшие обломки, отдельные камни, оставленные Паппом, способные в некоторой степени дать представление обо всей славе математических зданий античности.

После обучения в Бордо Ферма поступил в университет Орлеана. Там он в 1631 году получил степень лиценциата гражданского права, после чего, как было принято в то время, выкупил пост советника парламента Тулузы у вдовы предыдущего владельца этой должности, Пьера де Каррьера. Как следствие, благодаря своей мантии Ферма получил дворянство, которое позволило ему добавлять частицу "де" к своему имени: Пьер де Ферма. Кстати, то, что Ферма смог внести значительную сумму за должность (43500 фунтов), доказывает: его финансовое положение было весьма неплохим, каковым оно и оставалось в течение всей его жизни.

В дореволюционной Франции парламенты играли значительную политическую роль в качестве противовесов королю, который пытался насадить абсолютную власть. В частности, парламент Тулузы был королевской привилегией населению, которое жаловалось на удаленность от Парижа и на то, что особенности местного права в Лангедоке игнорируются в столице.

Пьер де Ферма начал изучать право в университете Тулузы и, проведя шесть лет в Бордо, во второй половине 1620-х годов, окончил изучение права в университете Орлеана в 1631 году.

Знаменитая фраза, записанная Ферма на полях страницы экземпляра •Арифметики· Диофанта, в которой после изложения теоремы греческого математика можно было прочесть: ·[...] я нашел этому поистине чудесное доказательство, но поля здесь слишком узки, чтобы записать его·. Речь шла о Великой теореме Ферма.

Следует вспомнить бурную эпоху, в которой жил Ферма. Это были времена Людовика XIII, слабого и своенравного, и его властного министра, кардинала Ришелье. Не так много времени прошло с тех пор, как был убит король Генрих IV, гугенот, который обратился в католичество, потому что, по его словам, «Париж стоил мессы»; тогда Пьер был восьмилетним ребенком. Суровые религиозные войны между католиками и протестантами, закончившиеся вскоре после принятия Нантского эдикта (1598), провозгласившего терпимость к обоим вероисповеданиям, также были недавним прошлым. На самом деле Ришелье все еще воевал с протестантами в Ла-Рошели, не очень далеко от Бордо (данный эпизод описан Дюма в «Трех мушкетерах»). Кстати, в этой осаде участвовал и Рене Декарт. Кроме того, на жизнь Ферма пришлись Тридцатилетняя война (один из самых драматичных эпизодов в истории Европы, который по жестокости и страданиям гражданского населения может сравниться только с двумя мировыми войнами) и Фронда (восстания против Мазарини, когда деспотизм регентши Людовика XIV столкнул ее с парламентами и с частью провинциального дворянства).

Однако жизнь Ферма можно назвать спокойной. Он жил в эпоху великих событий, но политически не участвовал ни в одном из них. Нам даже не известны его политические взгляды. Через несколько месяцев после окончания университета Ферма женился на троюродной сестре со стороны матери, Луизе де Лонг. У четы было пятеро детей: Клеман-Самюэль, Жан, Клер, Катрин и Луиза. Первенец унаследовал должность отца и затем передал ее по наследству своему сыну. Жан стал архидьяконом, Клер вышла замуж и родила двух дочерей, ставших монахинями. Больше почти ничего не известно, но эти наброски позволяют нам представить размеренную буржуазную жизнь, без чрезмерных беспокойств, что удивительно с учетом бурной политической истории эпохи. Похоже, общественные потрясения почти не коснулись Ферма, несмотря на то что в течение своей судебной карьеры он занимал очень важные должности, которые, благодаря исторической оппозиции парламента Тулузы центральной власти, почти обязательно должны были поместить его в центр сложных политических конфликтов.

Парламенты были судебными, а не законодательными органами. Их отменили во время Французской революции, но в свое время они были большим противовесом королевскому абсолютизму. Следовательно, в течение всей своей профессиональной карьеры Ферма не только занимался правосудием, но также выступал посредником между противоположными политическими интересами. В частности, в Нантском эдикте было распоряжение об основании палат, в которых были бы представлены и защищаемы права обеих конфессий – католической и гугенотской.

В Кастре, городе недалеко от Тулузы, бастионе протестантов, Ферма был членом одной из этих палат с 1632 года, когда ему исполнился 31 год. Можно предположить существование здесь значительных конфликтов, но ничего подобного не видно по переписке Ферма, а она является практически единственным источником информации о его жизни. Некоторые биографы усматривают в этом неприятие им полемик и столкновений, а также, возможно, причину его увлечения математикой, которое отнимало у него много времени: наука помогала Ферма избегать конфликтов и противоречий его профессиональной жизни.

Действительно, мало в каких областях знания может быть столько уверенности и так невелико пространство для сомнений, как в математике. Есть глубокая ирония в том, что Ферма как раз жил в ту эпоху, когда из-за молодости этой дисциплины дебаты по ее поводу происходили на каждом шагу, а поскольку он был одним из самых ярких мыслителей века, то был неизбежно втянут в них, что было ему крайне неприятно.

Возвращаясь к описанию фактов из жизни ученого, отметим, что он всю жизнь поддерживал тесную связь со своим родным городом, Бомоном, в котором Ферма несколько раз был председателем Генерального совета. Однако представляется очевидным, что он мало путешествовал, проводя время между Тулузой, Кастром и Бомоном с редкими поездками в Бордо.

Кроме своих знакомых в Бордо, некоторых математиков из Тулузы и англичанина Кенельма Дигби, Ферма лично не был знаком почти ни с кем из своих коллег: практически все его общение с ними осуществлялось по переписке. Его жизнь в сравнении с бурной жизнью его соперника Декарта, который участвовал в Тридцатилетней войне, объехал пол-Европы и побывал при различных дворах, казалась мирной, буржуазной и провинциальной. Математика была для него секретным убежищем, когда, уставший от политических конфронтаций и грустных приговоров, Ферма скрывался у себя дома, чтобы почитать, поразмышлять, создавая новые миры и иногда сообщая о них своим корреспондентам.

Действительно, ученый писал сотни писем, в которых детально раскрывал свои открытия, бросал вызов противникам или ввязывался в полемику. Главным его корреспондентом был монах ордена минимов Марен Мерсенн (1588-1648), страстный поклонник математики: благодаря ей он переписывался с большинством мыслителей того времени.

Тогда еще не было научных журналов, и их заменял Мерсенн, который был чем-то вроде эпистолярного центра, получавшего результаты от одних ученых и сообщавшего их другим. Хотя личный математический талант Мерсенна никогда не был выдающимся, его огромная заслуга состояла в способности понять, кто из его современников является великим ученым и какова важность его результатов. Кроме того, безусловно, очень ценными были созданные им "мосты", связывающие более или менее изолированных друг от друга любителей. Без Мерсенна Ферма остался бы никому не известной личностью, находившей отдых в математике в одиночестве своего кабинета. Однако именно благодаря монаху, который поделился его открытиями, математическая слава Ферма распространилась по всей Европе. Мерсенн жил в Париже и тесно общался с группой парижских математиков, среди которых выделялся Этьен Паскаль, отец Блеза. Участники этой группы сначала собирались в доме у кого-нибудь из них, а затем в келье самого Мерсенна, имевшего к тому времени уже 180 корреспондентов, живущих по всей Европе.

Мерсенн обожал полемику и наслаждался, сталкивая своих корреспондентов и участников группы между собой. Он твердо верил в то, что с помощью данного метода выявляется истина. Часто монах даже без разрешения делился с другими корреспондентами письмами, которые ему присылали конфиденциально, что вызывало немало недовольства. Для Мерсенна важнее верности и доверия своих корреспондентов было то, чтобы математические идеи распространялись публично и пылко отстаивались. Это убеждение стоило ему дружбы с Декартом. Впоследствии Французская академия наук была создана на основе данной группы ученых, объединившихся вокруг Мерсенна.

Марен Мерсенн познакомился с Ферма через друга последнего, Пьера де Каркави. Об этом сообщает сам Каркави в первом послании, которое он отправил Мерсенну 26 апреля 1636 года, начав тем самым плодотворную переписку. Каркави тоже был математиком-любителем. Он переехал в Париж из Тулузы в качестве королевского библиотекаря и не упустил возможности поговорить с деятельным монахом о математическом гении Ферма. В любом случае Ферма виделся с Мерсенном лично только один раз – в Бордо в 1654 году, когда тот возвращался в Париж после долгой поездки по Европе. Похоже, так протекала вся жизнь Ферма – между судейской должностью, позволявшей ему зарабатывать на хлеб своей семье, и тайной страстью к науке, которая сжигала его, когда ему не нужно было носить мантию. Можно сказать, что ученый обеспечивал свою жизнь с помощью права и зарабатывал бессмертие с помощью математики.

Насколько известно, Ферма серьезно болел только во время чумы 1652-1653 годов. Его положение было настолько критичным, что один из друзей ученого, Бернар Медон, объявил о его смерти своему голландскому корреспонденту Николасу Хейнсиусу. Через некоторое время Медон опроверг сам себя и сообщил Хейнсиусу счастливую новость о том, что Ферма все еще пребывает в числе живых. Любопытно, но чума даже помогла его карьере. Поскольку рост в судебной системе определялся строгой шкалой должностей, смерть многих юристов в эти мрачные годы быстро подняла Ферма в списке, так что он стал судьей высшего суда парламента, который рассматривал уголовные дела. В этой должности ему однажды пришлось приговорить к сожжению изгнанного священника, "злоупотреблявшего своими полномочиями", что привело его к сильнейшей депрессии, которая несколько недель мешала ему заниматься математикой.

Другой стороной деятельности Ферма, связанной с его профессией, был прием ходатайств подданных Короны, не имевших право действовать напрямую; они должны были проходить через такого советника, как Ферма, которого им нужно было убедить в целесообразности своего ходатайства. Согласно некоторым источникам, ученый выполнял эту функцию с сочувствием и добротой.

У нас есть достоверное свидетельство того, что ученый являлся представителем парламента Тулузы по связям с могущественным канцлером Пьером Сегье. Пост канцлера был одним из самых значимых во Франции, сегодня он соответствует посту министра юстиции. В частной петиции Ферма просил Сегье, чтобы жителей Аквитании освободили от уплаты некоего налога, поскольку, согласно аргументам ученого, любая попытка собрать его силой неизбежно приведет к нежелательным гражданским волнениям.

Как бы то ни было, создается впечатление, что карьера парламентария никогда не представляла для Ферма большого интереса. Сам он при случае признавался Мерсенну в своих опасениях, что особого назначения, запрошенного им у Сегье, не будет из-за провала его "деятельности в Кастре", о которой нет других сведений. Несколькими годами позже управляющий Лангедоком написал отчет знаменитому министру Жану-Батисту Кольберу, высказывая свое мнение о президенте парламента, прямом руководителе Ферма, и о его советниках. Он отозвался о главном герое этой книги как о судье не очень лестно:

«Ферма, человек большой эрудиции, имеет контакты с учеными по всему миру. Но он обычно очень занят [своей эрудицией]; он нехорошо ведет свои дела и часто путается. Он не входит в число друзей президента».

Таким образом, Ферма предстает перед нами как сдержанный, почти застенчивый человек. Он был склонен к компромиссам до такой степени, что, с одной стороны, находился на высочайшей должности в учреждении, открыто противостоявшем Короне, а с другой – имел хорошие отношения с королевским двором.

ЛИЧНОСТЬ ФЕРМА КАК МАТЕМАТИКА

Черты замкнутого характера Ферма решительно повлияли на его научную карьеру. Как рассказывает один из главных его биографов, Майкл Шон Махони, его математическая переписка лишена самовлюбленности, которая характеризует Рене Декарта или Джона Уоллиса. Мерсенну он признавался, что не ищет славы и «лишен амбиций». Возможно, это было не совсем так. Ясно, что Ферма гордился своей карьерой в судебном деле и высокими постами, до которых он дослужился; точно так же он ожидал признания и за свой вклад в математику. Тем не менее его амбиции были в каком-то смысле скромными. Ферма было достаточно признания своих коллег, а не славы среди широкой публики: когда он не получил этого признания, то отреагировал довольно болезненно, разочарованный безразличием и враждебностью некоторых своих современников.

Данная особенность его личности ("самый ленивый из людей" – говорит он Мерсенну о себе), возможно, объясняет, почему Ферма никогда в жизни не публиковался под своим именем и почему он, насколько это было возможно, избегал того, чтобы приводить доказательства результатов, о которых объявлял в своей переписке.

Традиция секретности в математике зародилась еще в пифагорейской школе; но если у подобной закрытости в античности имелись мистические корни, то реисты продолжили ее из прагматических соображений. Это был эквивалент современной защиты авторских прав.

Со своей стороны Мерсенн боролся именно против такой секретности, пересылая письма, которые были адресованы ему. Твердо убежденный в том, что только дебаты вызовут прогресс в математике, монах ордена минимов в Париже заложил эту новую традицию, пытаясь убедить своих корреспондентов в необходимости открывать свои тайны. Но несмотря на дар убеждения, ему так и не удалось уговорить Ферма опубликовать официальную работу. Мерсенна и членов его кружка Ферма, должно быть, сводил с ума: блестящий математик, он выдавал результаты по капле, не приводя в большинстве случаев доказательств своих теорем.

Несколько раз Ферма пользовался этой секретностью, которой так дорожили реисты, и бросал вызов соперникам, предлагая им решить задачу, которую он сам уже решил. Подобный вид игр и загадок, казалось, доставлял ему большое удовольствие, особенно когда, как случалось не единожды, соперничество превращалось в откровенную вражду. Итак, Ферма ограничивался тем, что частично объяснял свои идеи в письмах, которые посылал главным образом Мерсенну, и иногда делился докладами и маленькими рукописными трактатами. При жизни была опубликована только одна его книга, в качестве приложения к другой и под псевдонимом. Скрытность математика разочаровывала многих его друзей. Медон просил Хейнсиуса воспользоваться своим положением и убедить саму королеву Швеции Кристину повлиять на Ферма, чтобы тот опубликовался. Однако Мерсенн, Жиль де Роберваль, Блез Паскаль и Христиан Гюйгенс потерпели в этом поражение.

Отказ ученого, возможно, также был вызван огромным количеством работы, которую потребовало бы строгое формулирование результатов. Ферма был человеком с огромной математической интуицией, и часто собственные небольшие заметки убеждали его в том, что он прав. Превращение этих заметок в формальное доказательство, согласно стандартам греческой геометрии, предполагало больший труд, отнимающий много времени, которым Ферма не хотел жертвовать. Он работал для себя; его доказательства, частичные или полные, предназначались для личного пользования. Подобно шахматисту, угадывающему, как сделать мат в пять ходов, Ферма в доказательстве доходил только до того места, которое считал необходимым.

Его заметки были просто напоминаниями для самого себя, ключами, благодаря которым перед ним снова представала идея, возникшая как раз перед тем, как он ее вкратце записал.

Но есть и другая причина, о которой мы поговорим позже, когда расскажем о том, как Ферма развил наследие Виета.

Как бы то ни было, убеждение остальных в правильности своих результатов не входило в круг его интересов. Ученый думал, что другие смогут воспроизвести его рассуждения, а если не смогут – тем хуже для них. В любом случае попытки убеждать были бы, судя по всему, потерей его ограниченного времени: Ферма предпочитал посвятить его поиску новых результатов, а не доказательству того, что и так выглядело очевидным.

[Если возникнет] любая часть моей работы, которая будет достойна публикации, я отказываюсь от того, чтобы в ней появлялось мое имя.

Ферма в письме Робервллю, 1637 год

Его собственная профессиональная карьера способствовала такому отношению, поскольку не давала ему достаточно досуга для занятий математикой. Так, вся научная жизнь Ферма характеризуется результатами, о которых он объявлял очень осторожно, едва намеченными идеями, никогда не доведенными до завершения, презрением к заполнению пробелов и деталям, а также отсутствием доказательств. Вкратце его методы можно назвать полнейшей противоположностью тому, чем занимался Евклид с его систематическим и строгим подходом и выверенными доказательствами, которые имели огромное значение для поколений математиков. В этом смысле Ферма был намного ближе к реистской традиции, чем к античной строгости.

Все эти записки, наброски и беспорядочные бумаги привел в порядок, систематизировал и опубликовал (по крайней мере все, что смог найти и осмыслить) его наследник, первенец Клеман-Самюэль. Он унаследовал не только должности отца, но и, по крайней мере частично, страсть к математике.

Помимо прочего, в 1670 году сын опубликовал комментарии к Диофанту, собрав все пометки отца на полях. Именно так до нас дошла знаменитая теорема, которая явно была просто пометкой, сделанной Ферма для себя самого. Он никогда ни с кем не делился ею целиком; единственное оставшееся свидетельство о ней – заметка на полях, которую Клеман-Самюэль, верный памяти отца, расшифровал и посмертно опубликовал.

Ферма обсуждал частные результаты теоремы; но общая формулировка, в том виде, в каком она появляется в его случайной записи, почти точно затерялась бы.

Судьба научной работы иногда зависит от воли некоего человека, который сочтет, что она важна. И таким волоском в случае Ферма стала любовь Клемана-Самюэля к своему отцу и к памяти о нем.

Итак, мы, наконец, пришли к этому полю, на котором Ферма записал свою дьявольскую теорему. "Я нашел, – утверждает он, – этому поистине чудесное доказательство, но поля здесь слишком узки, чтобы записать его".

Любопытно, что в течение веков всегда говорили о Великой теореме Ферма. В математике любой недоказанный результат известен как предположение, или гипотеза. Так, у нас есть гипотеза Римана, гипотеза Гольдбаха и до недавнего времени у нас была гипотеза Пуанкаре, которая, после того как была доказана, превратилась в теорему Пуанкаре – Перельмана. Дело в том, что только доказанные результаты заслуживают звания теоремы.

Но по какой-то причине утверждение Ферма всегда было известно как теорема; возможно, потому что другие утверждения ученого были постепенно доказаны и оставалось только последнее. Следовательно, теореме Ферма понадобилось 350 лет, чтобы оправдать свое название.