«Эта странная математика. На краю бесконечности и за ним»

В книге «Эта странная математика. На краю бесконечности и за ним» (издательство «Corpus»), переведенной на русский язык Алексеем Глущенко, астроном Дэвид Дарлинг и математик Агниджо Банерджи рассказывают, какое отношение к проблемам реального мира имеют математические исследования простых чисел, бесконечности и хаоса — и рассуждают о том, где в ближайшее время нам стоит ожидать новых открытий. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным исследованиям бесконечности и результатам, которых на этом поприще добились ученые.

Отсюда туда не добраться

Бесконечное в математике всегда неконтролируемо,
пока не начнешь с ним правильно обращаться.
Джеймс Ньюмен

Ничего не могу с собой поделать — вопреки моей воле
бесконечность мучит меня.
Альфред де Мюссе

Имеет ли пространство предел? Было ли у времени начало и наступит ли когда-нибудь конец? Существует ли самое большое число? Даже в детстве мы задаем такие вопросы. У любого человека рано или поздно возникает интерес к бесконечности. Но бесконечность — это не какое-то туманное и расплывчатое понятие, а объект строгих исследований. И результаты этих исследований порой столь парадоксальны, что в них трудно поверить.

Безграничное — предмет дискуссий философов, теологов и искусствоведов. Американский джазовый гитарист и композитор Пэт Мэтини как-то сказал: «В музыкантах я ищу чувство бесконечности». Английский поэт и художник Уильям Блейк считал, что наши ощущения мешают нам оценить истинную природу вещей и что «если двери восприятия очистить, все сущее явится человеку таким, какое оно есть, — бесконечным». Французский писатель Гюстав Флобер предупреждал об опасности, подстерегающей тех, кто слишком об этом задумывается: «Чем ближе подходишь к бесконечности, тем больше погружаешься в ужас».

Ученым также приходится время от времени сталкиваться с бесконечностью, и эти встречи не всегда приятны. В 1930-х годах физики-теоретики, исследуя свойства элементарных частиц, обнаружили, что получающиеся при расчетах значения раздуваются до бесконечности, или, другими словами, стремятся к ней. Такое происходило, например, когда радиус электрона принимали за ноль, как это следовало из результатов экспериментов по электрон-электронному рассеянию. Расчеты показывали, что энергия окружающего частицу электрического поля в этом случае бесконечно велика, что абсурдно. Конфуза в конце концов удалось избежать с помощью математического приема под названием «перенормировка». В квантовой механике это сегодня стандартная уловка, хотя кое-кого из физиков до сих пор смущает ее произвольный характер.

Теперь посмотрим, что происходит на другом конце физической шкалы. Космологов интересует, ограниченны ли размеры Вселенной, или она простирается бесконечно во всех направлениях. Сегодня мы этого просто не знаем. Та часть Вселенной, которую мы можем видеть (по крайней мере, в принципе), — так называемая наблюдаемая Вселенная — имеет в поперечнике приблизительно 92 миллиарда световых лет, где световой год — это расстояние, преодолеваемое светом за один год. Наблюдаемая Вселенная — это та часть всей Вселенной, из которой свет успел с момента Большого взрыва достичь Земли. За ее пределами вполне может находиться гораздо большее по размерам, возможно бесконечное, пространство, добраться до которого нам никакими способами просто не под силу.

С тех самых пор, как Эйнштейн разработал общую теорию относительности, мы знаем, что пространство, в котором мы живем, может искривляться, подобно тому как искривлена, например, поверхность сферы — разница лишь в том, что наше пространство имеет три измерения, а не два. Если выразиться более строгим языком, пространство-время (а они неразрывно связаны друг с другом) далеко не всегда подчиняется знакомым нам еще со школы правилам геометрии. Нам точно известно, что в локальном масштабе пространство-время искривлено: вокруг любых объектов, имеющих массу, таких как Солнце или Земля, оно изгибается, словно лист резины, если на него положить груз. А вот является ли вся Вселенная искривленной (неевклидовой) или же плоской, мы пока не знаем. Этим живо интересуются космологи, поскольку от формы Вселенной в конечном итоге зависит ее судьба.

Если Вселенная в глобальном масштабе искривлена, то она может иметь замкнутую форму — как сфера или бублик. Тогда ее размеры будут ограниченны, хотя достичь рубежа или края все равно не получится, сколько ни старайся. Другой вариант — Вселенная в форме некоего седла, продолженного неопределенно далеко. В этом случае она может либо быть «открытой» и простираться бесконечно, либо все же иметь конечный размер. Кроме того, Вселенная в целом может быть и плоской — и опять-таки либо конечной, либо бесконечной. Независимо от того, какой из вариантов окажется истинным, если вначале Вселенная имела конечный размер, то она такой и останется (хотя может продолжить расти), а если она бесконечна, значит, такой всегда и была.

Представление о том, что Вселенная всегда была бесконечной, на первый взгляд, противоречит общепринятой теории Большого взрыва, согласно которой разлет вещества и энергии происходил из области, изначально гораздо меньшей размера атома. Но никакого противоречия на самом деле нет: эта исходно крохотная область воплощала собой лишь размер наблюдаемой Вселенной (той самой, определяемой расстоянием, которое свет был способен преодолеть) через долю секунды с момента Большого взрыва. Вселенная же в целом вполне могла быть бесконечной изначально, хотя это и невозможно было бы увидеть. Что тот, что другой вариант — и бесконечную в пространстве и времени Вселенную, и конечную — не так-то просто охватить разумом, но представить себе конечную Вселенную, вероятно, все же труднее. Как писал философ Томас Пейн: «Неописуемо трудно понять, что пространство не имеет конца, но еще труднее понять его конечность. Выше сил человека постичь вечную протяженность того, что мы называем временем, но еще невозможнее представить время, когда не будет времени».

Данные, собранные на сегодня астрономами при изучении дальних галактик, позволяют предположить, что Вселенная имеет плоскую форму и бесконечную протяженность. Однако что именно означает слово «бесконечный» применительно к пространству и времени в реальной вселенной, не вполне очевидно. Мы никогда не сумеем доказать путем прямых измерений, что пространство и время не имеют конца, потому что никогда не сможем получить информацию с бесконечно дальнего расстояния. Еще одна сложность — сама природа пространства и времени. Физики считают, что существует минимально возможное расстояние и минимально возможное время, известные как планковская длина и планковское время соответственно. Иными словами, пространство и время не непрерывны, а имеют квантованную, зернистую природу. Планковская длина — просто крошечная, всего 1,6×10^–35 метра, или одна стоквинтиллионная размера протона. И планковское время, то есть промежуток времени, за который свет проходит расстояние, равное планковской длине, ничтожно мало — меньше 10^–43 секунды. И все же из-за наличия этой дискретности пространства-времени нужно очень осторожно говорить о бесконечности в контексте физической вселенной. Как обнаружили математики, не все бесконечности одинаковы.

Первыми свои мысли о бесконечности записали греческие и индийские философы древности еще две тысячи лет назад. Анаксимандр в VI веке до нашей эры считал источником происхождения всего сущего «апейрон» («беспредельность»). Спустя столетие его соотечественник Зенон из Элеи (местности, сегодня известной как Лукания в Южной Италии) впервые взглянул на бесконечность с математической точки зрения.

Зенон первым почувствовал опасности, что таит в себе бесконечность. Беспокойство вызывали описанные им парадоксы, в самом известном из которых Ахиллес состязается в беге с черепахой. Уверенный в своей победе, наш мифический герой дает черепахе фору. Но как же, спрашивает Зенон, может Ахиллес обогнать неторопливую рептилию? Ведь пока он добежит до того места, откуда черепаха начала свой путь, она уползет вперед. К тому времени, как Ахиллес преодолеет новое разделяющее их расстояние, черепаха продвинется еще дальше. И так далее, до бесконечности. Сколько бы Ахиллес ни добегал до того места, где только что была черепаха, ей каждый раз удастся уйти немного дальше. Очевидно, есть некое расхождение между тем, как мы порой представляем себе бесконечность и как все происходит в реальности. Сам же Зенон был настолько смущен и озадачен этим и другими парадоксами, что не только решил не задумываться больше о бесконечности, но и пришел к выводу, что движение невозможно!

Похожее потрясение испытали Пифагор и его последователи, убежденные, что все во вселенной в конечном счете можно описать целыми числами. Ведь даже обыкновенные дроби — это всего лишь одно целое число, деленное на другое. Но квадратный корень из 2 — длина гипотенузы прямоугольного треугольника с катетами по единице — никак не вписывался в эту стройную космическую схему. Это было «иррациональное» число, невыразимое в виде отношения двух целых чисел. Если попытаться представить его в виде десятичной дроби, количество знаков после запятой разрастается до бесконечности, а какой-либо четко повторяющейся группы цифр не возникает. Пифагорейцы всех этих тонкостей не знали, их беспокоило только то, что в их совершенный мир затесалось мерзкое чудище в виде квадратного корня из 2, а потому они тщательно скрывали его существование.

Эти два примера иллюстрируют основную проблему, связанную с постижением бесконечности. Наше воображение без труда справляется с тем, что еще не достигло своего конца: мы всегда можем представить себе, как любое расстояние увеличивается еще на шаг, к любому количеству предметов добавляется еще один. Но бесконечность в обобщенном значении, как понятие, в голове не укладывается. Математики издавна бились с ней, поскольку привыкли в своей области иметь дело с точными величинами и тщательнейшим образом определенными понятиями. А как можно работать с объектами, которые точно существуют, но никогда не заканчиваются, — с числом вроде √2 (начинающимся с 1,41421356237… и продолжающимся все дальше и дальше без видимого порядка и предсказуемых повторов) или кривой, что прижимается к прямой все тес нее и теснее, — и при этом избежать встречи с бесконечностью? Аристотель предлагал возможное решение, утверждая, что бесконечность бывает двух видов. «Актуальная» (или «завершенная») бесконечность, которой, по мнению Аристотеля, в реальности не существует, — это безграничность полностью реализованная, фактически достигнутая (математически или физически) в какой-то момент времени. «Потенциальная» бесконечность, которую Аристотель считал очевидно проявляющейся в природе — например, в нескончаемом чередовании времен года или безграничной делимости слитка золота (про атомы он не знал), — это беспредельность, протекающая в не имеющем границ времени. Это принципиальное разграничение между актуальной и потенциальной бесконечностью просуществовало в математике более двух тысяч лет.

В 1831 году сам Карл Гаусс высказался по поводу «ужаса актуальной бесконечности» так:

…Я протестую против пользования бесконечной величиной в качестве законченной, каковое пользование в математике ни когда не дозволяется. Бесконечное является лишь façon de parler^*, между тем как речь идет собственно о пределах, к которым известные отношения приближаются произвольно близко, тогда как другим предоставляется возрастать без ограничения.

Ограничившись изучением потенциальной бесконечности, математики смогли разрабатывать такие важнейшие понятия, как бесконечные ряды, пределы и бесконечно малые величины, придя таким образом к математическому анализу, но не признавая при этом бесконечность в качестве самостоятельного математического объекта. И все же еще в Средние века они сталкивались с парадоксами и неразрешимыми задачами, а это значило, что от актуальной бесконечности нельзя просто отмахнуться. Эти неразрешимые задачи проистекали из принципа, согласно которому всем элементам одного набора объектов возможно найти пару в другом наборе объектов того же размера. Но вот когда этот принцип пытались применить к неограниченно большим наборам, он открыто противоречил продиктованной здравым смыслом идее, впервые высказанной Евклидом: что целое всегда больше, чем любая его часть. К примеру, казалось вполне возможным образовать пары из всех положительных целых чисел и только тех из них, которые являются четными: единице противопоставить двойку, двум — четыре, трем — шесть и так далее, несмотря на то что положительные целые числа включают в себя и четные тоже. Изучавший эту проблему Галилей первым предложил более просвещенный подход к бесконечности, заявив: «Бесконечность должна подчиняться иной арифметике, нежели конечные числа».

Понятие потенциальной бесконечности усыпляет нашу бдительность, заставляя думать, что к бесконечности можно подобраться поближе — нужно лишь зайти по дальше или идти подольше. А отсюда уже недалеко и до распространенного мифа о том, что бесконечность — это лишь что-то вроде очень большого числа и триллион или, скажем, триллион триллионов триллионов уже как-то ближе к бесконечности, чем, допустим, десять или тысяча. На самом деле все не так. Сколько ни двигайся по числовой оси, до какого числа ни считай, к бесконечности не приблизишься ни на йоту. Число 1 так же далеко от бесконечности (или так же близко к ней), как любое другое конечное число, какое бы громадное нам ни хватило фантазии назвать. Более того, в любом числе, сколь бы мало оно ни было, уже заключена бесконечность, так что двигаться вперед ко все большим и 2 большим числам в 2 поисках ее — мероприятие совершенно бесполезное. Суть в том, что бесконечность существует даже, например, в интервале между 0 и 1, поскольку тот содержит бесконечное количество дробей: ½, ⅓, ¼ и так далее. Бесконечность не имеет ничего общего с огромными конечными числами. Чтобы работать с ней, нам придется вырваться из их плена, перестать пользоваться ими как подпорками для нашего разумения.

Подробнее читайте:
Дарлинг, Дэвид; Банерджи, Агниджо. Эта странная математика. На краю бесконечности и за ним / Дэвид Дарлинг, Агниджо Банерджи; пер. с англ. Алексея Глущенко. — Москва : Издательство АСТ: CORPUS, 2021. — 304 с. (Элементы 2.0).