Текст книги "Григорий Перельман и гипотеза Пуанкаре"

Автор книги: Олег Арсенов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 15 страниц)

ГРИГОРИЙ ПЕРЕЛЬМАН И ГИПОТЕЗА ПУАНКАРЕ

РЕШЕНИЕ ОДНОЙ ИЗ САМЫХ УДИВИТЕЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ МАТЕМАТИКИ

Москва 2010

Арсенов О. О.

А 85 Григорий Перельман и гипотеза Пуанкаре / Олег Арсенов. – М.: Эксмо, 2010. – 256 с.: ил. – (Люди науки).

ISBN 978-5-699-44145-7

УДК 515.1

ББК 22.152

Предисловие

«В настоящее время в связи с возросшей ролью математики в современной науке и технике необычно большое число будущих инженеров, биологов, экономистов, социологов и т. д. нуждается в серьезной математической подготовке, которая давала бы возможность математическими методами исследовать широкий круг новых проблем, применять современную вычислительную технику, использовать теоретические достижения в практике».

Академик А. Д. Александров, научный руководитель Г. Я. Перельмана

Рис. 1. Медаль Филдса (аверс)

Эта престижная награда Международного математического союза, иногда называемая аналогом Нобелевской премии для математиков, чеканится один раз в четыре года на Королевском монетном дворе Канады и вручается королем Норвегии после соответствующего решения очередного Всемирного математического конгресса.

-4-

Она была разработана известным канадским скульптором Р.-Т. Маккензи, изобразившим на аверсе лицо Архимеда из коллекции гемм Колумбийского университета в окружении латинской надписи, принадлежащей римскому поэту I века н. э. Манилиусу: «Выйти за круг обыденных представлений и ощутить себя хозяином Вселенной».

«Выдающийся российский математик, сотрудник Санкт-Петербургского отделения Математического института имени Стеклова РАН Григорий Перельман признан главным кандидатом на получение Филдсовской премии (FieldsMedal), имеющей статус Нобелевской премии по математике».

Российская газета, № 4151 (23 августа 2006 года)

«Российский математик Григорий Перельман, решивший гипотезу Пуанкаре, отказался от премии Математического института Клэя, которая составляет $1 млн. По слухам, ученый также не хочет принять Филдсовскую премию, главным кандидатом на которую он является».

Петербургские вести, электронный выпуск (31 мая 2010 года)

Рис. 2. Медаль Филдса (реверс)

Латынь на оборотной стороне гласит: «Всемирное собрание математиков награждает этой медалью за решение

-5-

нерешаемого». За надписью следует лавровая ветвь, а также знаменитая диаграмма с могилы Архимеда, содержащая цилиндр, вписанный в сферу (по легенде, Архимед завещал изобразить это на своем надгробии, считая своим важнейшим математическим достижением).

«Мировое математическое сообщество пришло к согласию, что Григорию Перельману в 2002 году удалось решить гипотезу Пуанкаре, с которой не могли справиться лучшие умы XX века. Частный математический институт США предложил присудить российскому математику премию в $1 млн за доказательство этой гипотезы. Заседание Всемирного союза математиков, на котором будет объявлен новый лауреат Филдсовской премии, состоится 22 августа 2006 года в Мадриде».

«Выдающийся российский математик Григорий Перельман стал лауреатом Премии тысячелетия Математического института Клэя (США) за доказательство гипотезы Пуанкаре. Это одна из семи величайших математических загадок, за решение которых Институт присуждает награду, учрежденную в 2000 году».

http://www.newsru.eom/russia/11jun2010/perelman.htm]

Этими и подобными новостями, касающимися загадочного поведения выдающего петербургского математика, уже несколько лет пестрят сообщения отечественных и зарубежных массмедиа. К глубокому сожалению, этот неожиданный ажиотаж вокруг имени гениального ученого связан отнюдь не с его великим вкладом в математическую науку. Все кружится вокруг его нежелания принять почести Всемирного математического союза и, главное, сенсационного отказа от головокружительного приза частного Математического института Клэя в 1 миллион долларов.

Современное общество с его прагматическими взглядами просто не в состоянии понять, как можно отказаться от преклонения перед золотым тельцом…

Впрочем, стоит лишь чуть глубже погрузиться в эту необычную историю, как многое начинает представать совершенно иным образом и за поверхностными репортажами

-6-

встает личная трагедия выдающейся личности, достойной высшей оценки своего интеллектуального вклада в копилку знаний человечества.

В студенческие годы мне посчастливилось прослушать лекцию знаменитого математика, геометра и тополога прошлого века А. В. Погорелого, посвященную проблеме Пуанкаре. Уже тогда поразительно звучали некоторые мировоззренческие выводы, которые Алексей Васильевич делал, разъясняя смысл решений этой сложнейшей математической задачи и вытекающих из них следствий. Надо сказать, что академик Погорелый сочетал в себе редчайший дар блестящего ученого-исследователя и прекрасного педагога, поэтому многие его лекционные формулировки до сих пор поражают своей утонченностью. Помнится, и в тот раз, заканчивая рассказ о творчестве величайшего французского математика, физика и философа Анри Пуанкаре, академик Погорелый заметил, что, если кому-либо из нашего поколения удастся получить корректное решение проблемы Пуанкаре, это будет не только прорыв математической науки, но и новое миропонимание окружающей нас объективной реальности…

-7-

Введение. Магическая сила математики

«Да разве вся философия не похожа на запись, сделанную медом? На первый взгляд она выглядит великолепно. Но стоит взглянуть еще раз – и от нее остается только липкое пятно».

Альберт Эйнштейн

«Позиция, занятая физиками, должна напомнить нам о том, сколь значительная часть современной математики развилась из нашего непрестанного взаимодействия с окружающим физическим миром».

Моррис Клайн. Математика. Поиск истины

Рис. 3. Непостижимая простота и сложность Вселенной, описываемая математикой

«Вопреки впечатлению, которое обычно складывается у тех, кому довелось прослушать курс математики в стенах учебного заведения, математика – это не просто набор более или менее хитроумных приемов для решения задач. Математика открывает нам немало такого, о чем мы не знали и даже не подозревали, хотя речь идет о явлениях весьма существенных, и нередко ее выводы противоречат нашему чувственному

-8-

восприятию. Математика – суть нашего знания о реальном мире. Она не только выходит за пределы чувственного восприятия, но и оказывает на него воздействие».

Моррис Клайн. Математика. Поиск истины

Чтобы понять глубину творческого наследия великого французского ученого и хотя бы отчасти вникнуть в загадочные обстоятельства, окружающие некоторые разработки Пуанкаре, надо окунуться в научную атмосферу начала позапрошлого века…

К началу XIX века, по словам замечательного ученого, популяризатора и историка науки Морриса Клайна, математика напоминала величественное двухтысячелетнее дерево, прочно стоящее на почве физической реальности с могучими корнями и мощными ветвями, возвышающееся над всеми остальными областями знания. Мог ли кто-нибудь усомниться в том, что такому дереву суждено жить вечно! Действительно, убеждение в том, что природа основана на математических принципах, крепло с каждым днем. Задача математиков состояла в том, чтобы открывать эти принципы и познавать законы, управляющие Вселенной, а сама математика считалась инструментом, как нельзя лучше приспособленным для решения этой грандиозной задачи. Казалось, что нет границ познанию и что, в конце концов, можно разгадать все сокровенные загадки и тайны Мироздания.

Мало кто догадывался в то время, что в корнях великого математического древа давно уже копошатся черви сомнений и вот-вот на поверхность покажется нечто совершенно необычное и малопонятное – неевклидова геометрия. Трудно, но неизбежно возникает мысль, что сама по себе математика еще ничего не говорит о строении Космоса и тем более имеет мало общего с доказательством божественной природы Мироздания. Креационизм в лице священнослужителей получил страшный удар, подкрепленный атеизмом эпохи Просвещения, и никогда уже не смог претендовать на завоеванное кострами инквизиции место. Получалось, что именно человек является высшим разумом во Вселенной, ведь именно

-9-

он устанавливает порядок в Природе, выявляет ее простоту и математическую регулярность. Тут самое место еретической мысли, что в Природе вообще может быть не заложено никаких математических принципов. Вернее даже будет сказать, что математика – всего лишь некий довольно ограниченный план постижения окружающей реальности. Правда, это вполне осуществимый и достаточно рациональный план.

Моррис Клайн приводит слова юного французского гения Эвариста Галуа, так рано трагически ушедшего из жизни: «Эта наука – всего лишь одно из множества творений человеческого разума, более приспособленного к тому, чтобы изучать и искать истину, чем к тому, чтобы ее находить и познавать».

Конечно, и тогда раздавались рассудительные голоса о том, что, даже если математика утратила свое место в цитадели истины, в физическом мире она прочно удерживает свои позиции. Профессор Клайн утверждает, что нельзя было обойти или недооценить главное: математика была и остается превосходным методом исследования, открытия и описания физических явлений. В некоторых областях физики, подчеркивает профессор Клайн, математика составляет саму суть нашего понимания физического мира. При этом даже если математические структуры сами по себе не отражают реальности физического мира, их, тем не менее, можно считать единственным ключом к познанию реальности. Неевклидова геометрия не только не уменьшила ценности математики в этом отношении и не подорвала доверия к ее результатам, но напротив, как это ни парадоксально, способствовала расширению ее приложений, поскольку математики, почувствовав большую свободу в исследовании радикально новых идей, обнаружили, что некоторые из них вполне применимы во многих областях человеческой деятельности.

Получилось так, что, несмотря на рост ее абстрактного содержания, роль математики в упорядочении знаний об окружающем мире непрерывно возрастала. Немаловажно, что при этом резко увеличивались масштаб и точность охвата природных явлений.

Моррис Клайн считает, что здесь мы сталкиваемся с явно парадоксальной ситуацией. Область знания, больше не пре-

-10-

тендующая на роль носителя истины, подарила нам прекрасно согласующуюся с повседневным опытом евклидову геометрию, необычайно точную гелиоцентрическую теорию Коперника и Кеплера, величественную и всеохватывающую механику Галилея, Ньютона, Лагранжа и Лапласа, а также физически необъяснимую, но имеющую весьма широкую сферу приложений теорию электромагнетизма Максвелла, теорию относительности Эйнштейна с ее тонкими и необычными выводами и позволила многое понять в строении атома. Все эти блестящие достижения опираются на математические идеи и рассуждения. Возможно, в отрасли знания, о которой идет речь, все-таки заключена некая магическая сила, позволившая ей одержать столько побед, хотя сражалась она под непобедимым знаменем истины?

Рис. 4. Альберт Эйнштейн (1879–1955) в молодости, во времена работы в Бернском патентном бюро

«…Возникает вопрос, который волновал исследователей всех времен. Почему возможно такое превосходное соответствие математики с реальными предметами, если сама она является произведением только человеческой мысли, не связанной ни с каким опытом? Может ли человеческий разум без всякого опыта, путем только размышления понять свойства реальных вещей?»

А. Эйнштейн. Работы по общефилософским вопросам  естествознания

-11-

Проблема мистической силы, таящейся в математических построениях, привлекала к себе многих выдающихся мыслителей. Сам великий Альберт Эйнштейн неоднократно обращался к вопросу: если аксиомы математики и принципы логики являются абстрактными умозрительными конструкциями, то почему вытекающие из них следствия так хорошо согласуются с реальной практикой?

Эти рассуждения так или иначе сводились к простому вопросу с поистине бездонным философским содержанием: почему математика сверхуниверсальна и вообще действует в нашем Мире?

Сначала считалось, что математики осознанно или, наоборот, неосознанно подбирают свои аксиомы именно таким образом, что выводимые из них следствия согласовываются с опытом. Профессор Клайн, в частности, считает, что первым эту идею высказал еще энциклопедист и просветитель Дени Дидро в своем труде «Мысли об интерпретации природы». Великий мыслитель сравнивал математика с игроком. И тот и другой играют, придерживаясь ими же придуманных абстрактных правил. И тот и другой сосредотачивают свои помыслы на исследовании некоего условного предмета, рожденного принятыми соглашениями и не имеющего основы в реальности. По мнению Клайна, именно таким образом действуют и создатели современных математических моделей. Их алгоритм внешне прост: берется одна из возможных моделей и сверяется с опытом. Если модель оказывается неадекватной, то ее переделывают, внося необходимые изменения. Тем не менее сама по себе возможность вывести из одной модели десятки, если не сотни, различных теорем, хорошо согласующихся с опытом и полностью применимых в окружающей нас физической реальности, сильно озадачивает уже многие поколения ученых. Наверное, где-то здесь лежат идеологические основы современнейших теорий Мультиверса – Вселенной, включающей в себя бесчисленное множество миров, в которых возможно абсолютно все.

Разумеется, существуют и совершенно иные объяснения непостижимой эффективности действия математического

-12-

аппарата. Чаще всего при этом упоминают великого немецкого философа Канта, который утверждал, что мы не знаем и не можем знать природу. Человек, согласно Канту, настолько ограничен чувственными восприятиями, что его разум изначально наделен некими врожденными структурами, диктующими всем нам интуитивные суждения о пространстве и времени. Именно поэтому наш разум требует, чтобы окружающее пространство воспринималось в полном соответствии с законами евклидовой геометрии. Тут следует заметить, что немецкий мыслитель ничего не знал о неевклидовой геометрии, существование которой в реальном мире во многом опровергает его философские суждения. Иначе говоря, все окружающие нас явления мы видим сквозь призму врожденных математических представлений, поскольку «всеобщие и необходимые законы опыта принадлежат не самой природе, а только разуму, который вкладывает их в природу»(И. Кант. Критика чистого разума). Хотя многие выдающиеся мыслители первой половины прошлого века, например Эйнштейн и "Дрнольд Зоммерфельд, с усмешкой критиковали идею предписывания Природе ее законов как вопиющий пример человеческого высокомерия, идеи Канта получили дальнейшее развитие. Так, видный астроном и физик Артур Эддингтон считал, что мир человеческого опыта есть, по существу, творение нашего разума и что если бы мы только могли понять, как действует человеческое сознание, то нам неминуемо удалось бы вывести все естествознание, может быть лишь за исключением нескольких фундаментальных констант, зависящих от конкретной части пространственно-временного континуума, чисто теоретическими методами.

Между тем профессор Клайн так комментирует сложившуюся ситуацию: «Наделенные немногими и весьма ограниченными по своим возможностям органами чувств и головным мозгом, люди начали проникать в окружающий их загадочный мир. Используя собственный чувственный опыт и данные, полученные из экспериментов, люди выработали некий набор аксиом, применив к ним мощь своего разума. Целью их поисков было выявление порядка, лежащего в основе Мироздания.

-13-

Они стремились построить системы знания, которые противостояли бы мимолетности ощущений и могли бы служить основой для создания неких схем, способных объяснить окружающий Мир и помочь овладеть им. И главным продуктом человеческого разума стала математика. Она отнюдь не безупречно ограненный и идеально отшлифованный драгоценный камень, и даже непрерывная «доводка» не в состоянии устранить всех ее изъянов. И все же именно математика воплощает в себе звено, наиболее эффективно связывающее реальный Мир с миром чувственных восприятий, и остается поныне драгоценнейшим сокровищем человеческого разума, которое надлежит всячески оберегать. На протяжении долгого времени математика находилась в авангарде человеческой мысли и, несомненно, сохранит передовые позиции, даже если более тщательные исследования выявят в ней какие-нибудь новые изъяны.

Математическая мысль без устали бьется о скалистый берег, препятствующий ее проникновению на новые территории. Но даже гранитные утесы не выдерживают ее могучего натиска, не ослабевающего на протяжении столетий, и рушатся, открывая перед математикой новые просторы».

Рис. 5. Артур Стенли Эддингтон (1882–1944)

«…Там, где наука ушла особенно далеко в своем развитии, разум лишь получил от природы то, что им было заложено в при-

-14-

роду. На берегах неизвестного мы обнаружили странный отпечаток. Чтобы объяснить его происхождение, мы выдвигали одну за другой остроумнейшие теории. Наконец нам все же удалось восстановить происхождение отпечатка. Увы! Оказалось, что это наш собственный след…»

А. С. Эддингтон. Философия физики

Итак, окрыленные мнением выдающихся научных авторитетов о магической силе науки, давайте будем собирать нашу математическую головоломку, начиная с первого набора пазлов – тайн одного из последних ученых-универсалов…

-15-

Часть 1 Тайна Пуанкаре

-16-

«Трудно отделаться от ощущения, что эти математические формулы существуют независимо от нас и обладают своим собственным разумом, что они умнее нас, умнее тех, кто открыл их, и что мы извлекаем из них больше, чем было в них первоначально заложено…»

Генрих Герц

«Эти понятия анализа существуют самостоятельно вне нас, образуя единое целое, лишь часть которого беспрепятственно, хотя и несколько загадочно, открывается нам; это целое ассоциируется с другой совокупностью объектов, которые мы воспринимаем органами чувств».

Шарль Эрмит

«Мы не должны выносить то или иное математическое утверждение за рамки математической языковой практики и в свою очередь рассматриваем последнюю как неотъемлемую часть нашего общего языка. Математика как его функциональная часть служит для того, чтобы многое сообщать об объектах окружающего мира. Именно здесь лежит ключ к ответу на вопрос о конвенционализме. Принимаемые нами соглашения должны как-то „работать“, то есть помогать нам каким-то образом следовать природе, „подражать“ ей. Можно было бы, например, принять решение изменить наши математические соглашения, исключив, скажем, понятие иррационального числа. Но оно необходимо в наших взаимоотношениях с природой, а именно природа в конечном счете служит мерилом нужности принимаемых нами соглашений, как математических, так и всех прочих».

Уильям Барретт. Иллюзия техники

-17-

Рис. 6. Жюль Анри Пуанкаре (1854–1912)

«Можно ли утверждать, что некоторые явления, возможные в евклидовом пространстве, были невозможны в неевклидовом, так как опыт, констатируя эти явления, прямо противоречил бы гипотезе о неевклидовом пространстве?

По моему мнению, подобный вопрос не может возникнуть…»

А. Пуанкаре. Принципы естествознания

От личности выдающегося французского ученого конца XIX – начала XX века Анри Пуанкаре так и веет таинственностью. Раньше все разговоры среди историков науки так или иначе вращались вокруг его неоднозначного вклада в создание теории относительности. Дело в том, что хотя отцом специальной теории относительности, не говоря уже об общей теории относительности, почти во всех учебниках называется исключительно Альберт Эйнштейн, у него был целый ряд предшественников. Это прежде всего Гендрик Антон Лоренц (1853–1928), Джордж Френсис Фицджеральд (1851–1901) и Джозеф Лармор (1857–1942). Однако возглавляет этот ряд разработчиков физического релятивизма, безусловно, сам Пуанкаре.

О настоящей драме идей, сопутствующей созданию этой величайшей теории в истории науки, читатели могут подроб-

-18-

но узнать в научно-популярной книге О. Фейгина «Теория относительности для всех». Мы же сосредоточим внимание на других сторонах творчества французского ученого, посвященного основаниям математической науки, ну и, конечно же, его знаменитой проблеме Пуанкаре (которую также называют гипотезой, теоремой и задачей), решить которую спустя столетие удалось российскому математику Григорию Яковлевичу Перельману.

Чтобы вникнуть в философскую подоплеку математических проблем, которыми занимался Пуанкаре, прислушаемся к комментариям его современного коллеги Морриса Клайна, также во многом исповедующего конвенционализм. Так, профессор Клайн считает, что роль математики в современной физике несравненно шире, чем просто удобного инструмента исследования. Под этой ролью часто понимают обобщение и систематизацию (в символах и формулах) явлений, наблюдаемых и устанавливаемых с помощью физического эксперимента, и последующее извлечение из формул дополнительной информации, не обнаруживаемой ни наблюдением, ни экспериментом и не вытекающей из непосредственно полученных данных. Однако такое толкование роли математики далеко не исчерпывает всех ее достижений. Математика составляет сущность естественнонаучных теорий, и ее приложения в XIX и XX веках на основе чисто математических конструкций представляются нам еще более удивительными, чем все ее прежние успехи, достигнутые в эпоху, когда математики оперировали понятиями, навеянными непосредственно физическими явлениями. Тем не менее было бы неверно приписывать одной лишь математике такие достижения современной науки, как радиоэлектроника, аэрокосмическая индустрии, ядерная энергетика, да и, по сути, вся инженерно-техническая физика. Вклад математики более фундаментален и существенен, чем вклад экспериментальной науки.

Вообще, в своих рассуждениях Моррис Клайн настойчиво выдвигает тезис, что независимо от того, насколько приемлемы объяснения эффективности математики, есть основания утверждать, что новая физика – это наука не столько

-19-

механическая, сколько математическая. Здесь профессор Клайн приводит наглядный пример: хотя Максвелл при создании теории электромагнитного поля пытался изобрести механическую модель эфира, в своем окончательном виде его теория была, в сущности, математической; «физическая реальность», которую описывают уравнения Максвелла, представляют собой смутное, «бесплотное» понятие электромагнитного поля. Даже Ньютон построил свои законы движения как чисто математическую структуру.

Возможно ли, что знанием математических соотношений и структур исчерпывается фундаментальное содержание физической науки? Тогда надо считать, что математическое описание Вселенной и есть окончательная реальность!

Между тем любые модельные представления, используемые для большей наглядности, так или иначе будут представлять собой отступление от физической реальности окружающего Мира. Получается, что за пределы математических формул мы каждый раз выходим на свой страх и риск!

-20-