Хорошим примером может служить результат, который Рамануджан называл своей «мастер-формулой»[28]. Его доказательство включает в себя разложения в ряд, смену порядка суммирования и интегрирования и другие аналогичные приемы. Поскольку он использует при этом бесконечные процессы, каждый его шаг сопряжен с опасностью. Величайшие аналитики почти весь XIX век разбирались, когда подобные процедуры допустимы. Условия, которые, по Рамануджану, делают его формулу верной, чрезвычайно недостаточны. Тем не менее почти все результаты, которые он выводит из своей мастер-формулы, верны.
Часть самых поразительных работ Рамануджана относится к теории разбиений – одного из разделов теории чисел. Взяв некоторое натуральное число, мы спрашиваем, сколькими способами его можно разбить на слагаемые, то есть записать в виде суммы меньших натуральных чисел. К примеру, число 5 можно разбить на слагаемые семью разными способами:
5 4 + 1 3 + 2 3 + 1 + 1 2 + 2 + 1 2 + 1 + 1 + 1 1 + 1 + 1 + 1 + 1
Следовательно, число разбиений числа 5 составляет p(5) = 7. Величина p(n) стремительно растет с ростом n. К примеру, p(50) = 204 226, а p(200) равно внушительному 3 972 999 029 388. Простой формулы для p(n) не существует. Однако можно поискать приближенную формулу, задающую общий порядок величины p(n). Это задача аналитической теории чисел, причем одна из наиболее неподатливых. В 1918 г. Харди и Рамануджан преодолели технические трудности и вывели-таки приближенную формулу – довольно сложный ряд, включающий в себя комплексные корни 24-й степени из единицы. Затем они обнаружили, что при n = 200 одно только первое слагаемое дает первые 6 значащих цифр точного значения. Добавив к нему еще всего лишь 7 слагаемых, они получили число 3 972 999 029 388,004, целая часть которого равна точной величине. Они заметили, что этот результат «позволяет однозначно предположить, что можно получить формулу для p (n), которая не только будет выявлять его порядок величины и структуру, но и может быть использована для вычисления его точной величины для любого n», после чего доказали именно это. Должно быть, это один из редчайших случаев, когда поиск приближенной формулы в результате привел к точной формуле.
Кроме того, Рамануджан нашел в разбиениях кое-какие замечательные закономерности. В 1919 г. он доказал, что p(5k + 4) всегда делится на 5, а p(7k + 5) всегда делится на 7. В 1920 г. он заявил еще несколько аналогичных результатов: к примеру, p(11k + 6) всегда делится на 11; p(25k + 24) делится на 25; p(49k + 19), p(49k + 33), p(49k + 40) и p(49k + 47) делятся на 49; p(121k + 116) делится на 121. Обратите внимание: 25 = 52, 49 = 72, а 121 = 112. Рамануджан говорил, что, насколько он может судить, такие формулы существуют только для делителей вида 5a7b11c, но это оказалось неверным. Артур Аткин обнаружил, что p (17303k + 237) делится на 13, а в 2000 г. Кен Оно доказал, что соответствия такого рода существуют для всех простых модулей. Еще через год он и Скотт Алгрен доказали, что они существуют для всех модулей, не кратных 6.
Некоторые теоремы Рамануджана остаются недоказанными и по сей день. Одна из них, «сдавшаяся» около 40 лет назад, особенно значительна. В статье 1916 г. Рамануджан исследовал функцию τ (n), определенную как коэффициент при xn–1 в разложении
[(1 – x) (1 – x2) (1 – x3)…]24.
Таким образом, τ(1) = 1, τ(2) = –24, τ(3) = 252 и т. д. Эта формула исходит из глубокой и красивой работы XIX в. по эллиптическим функциям. Рамануджану τ(n) нужна была для решения задачи о степенях делителей n, и ему необходимо было знать, насколько она велика. Он доказал, что ее величина не превосходит n7, но предположил, что этот результат можно улучшить до n11/2. В качестве гипотезы он предложил две формулы:
τ(mn) = τ(m) τ(n),
если m и n не имеют общих делителей;
τ(pn+1) = τ(p) τ(pn) – p11τ (pn–1) для всех простых p.
С этими формулами несложно вычислить τ(n) для любого n. Луи Морделл доказал их в 1919 г., но гипотеза Рамануджана о порядке величины τ(n) пока сопротивляется всем усилиям.
В 1947 г. Андре Вейль, пересматривая старые результаты Гаусса, понял, что их можно применить к целым решениям различных уравнений. Следуя интуиции и воспользовавшись забавными аналогиями с топологией, он сформулировал серию технически довольно сложных результатов – гипотезы Вейля. Эти гипотезы заняли центральное место в алгебраической геометрии. В 1974 г. Пьер Делинь доказал их, а годом позже он и Ясутака Ихара вывели из них гипотезу Рамануджана. Тот факт, что для обоснования его невинной на первый взгляд гипотезы потребовался такой крупный и новаторский прорыв, указывает на масштаб и глубину интуиции Рамануджана.
Среди самых загадочных изобретений Рамануджана – «ложные тета-функции», которые он описал в последнем письме к Харди в 1920 г.; подробности были позже найдены в его потерянном блокноте. Якоби ввел тета-функции как альтернативный подход к эллиптическим функциям. Они представляют собой бесконечные ряды, которые преобразуются очень простым способом, если к переменной добавляются подходящие константы, а эллиптические функции можно строить путем деления одной тета-функции на другую. Рамануджан определил несколько аналогичных рядов и заявил большое число формул с их использованием. В то время вся идея представлялась всего лишь упражнением в обращении со сложными рядами, не связанным ни с чем больше в математике. Сегодня мы понимаем, что дело обстоит совсем не так. Эти ряды имеют важные связи с теорией модулярных форм, которые возникают в теории чисел и также связаны с эллиптическими функциями.
Аналогичная, но самостоятельная концепция – тета-функция Рамануджана – недавно оказалась полезной в теории струн – самой популярной попытке физиков объединить теорию относительности и квантовую механику.
Поскольку Рамануджан работал в такой необычной манере и получал верные результаты нестрогими методами, иногда возникают предположения, что мыслительные процессы Рамануджана были особыми или необычными. По рассказам, Рамануджан и сам говорил, что богиня Намагири являлась к нему во сне и сообщала формулы. Однако он вполне мог говорить так, просто чтобы избежать неловких обсуждений. По словам его жены С. Янаки Аммал Рамануджан, у него «никогда не было времени пойти в храм, потому что он был постоянно одержим математикой». Харди писал, что, по его мнению, «все математики мыслят, по существу, одинаково и Рамануджан не был исключением». При этом, правда, он добавлял: «Он сочетал в себе мощь обобщения, чувство формы и способность к быстрой модификации гипотез, которые зачастую просто поражали».
Рамануджан не был величайшим математиком своего времени, не был и самым плодовитым; но его репутация зиждется не только на его замечательной судьбе и трогательной истории «бедный мальчик выходит в люди». Идеи Рамануджана были достаточно влиятельными при его жизни, а теперь, с годами, они лишь набирают влияние. Брюс Берндт считает, что Рамануджан не только не был старомодным, но, напротив, обогнал свое время. Иногда проще доказать одну из замечательных формул Рамануджана, чем разобраться, каким образом он в принципе мог до нее додуматься. А многие из глубочайших идей Рамануджана только сейчас начинают получать достойную оценку. Я оставляю последнее слово Харди:
Один дар, которым обладает его математика, отрицать невозможно: это глубокая и несокрушимая оригинальность. Вероятно, он был бы более великим математиком, если бы его поймали и немного приручили в юности; он открыл бы больше нового, и это новое было бы, несомненно, более значительным. С другой стороны, он был бы меньше Рамануджаном и больше европейским профессором, и потерь здесь, возможно, было бы больше, чем приобретений.
22. Неполны и неразрешимы. Курт Гёдель
Стереотипный образ математика – помимо того что все они пожилые мужчины – обязательно предусматривает их странность. Определенно, это люди не от мира сего. Как минимум они эксцентричны. А иногда и просто безумны.
Мы уже видели, что большинство математиков не укладывается в этот образ; правда, в основном это все же мужчины, но ситуация резко изменилась за последние несколько десятилетий. Согласен, к завершению карьеры математики, как правило, действительно становятся пожилыми, но кто из нас не стареет? Единственный способ избежать этого – умереть молодым, как Галуа. Известность и ответственность, как правило, появляются с возрастом, так что нет ничего удивительного в том, что среди лидеров этой науки преобладают именно пожилые.
Математик, с головой погруженный в исследования, может легко показаться человеком не от мира сего, но, как настойчиво уверяет один мой коллега-биолог, математики вовсе не рассеянны: они просто сосредоточены на чем-то. Если человек хочет решить сложную математическую задачу, он должен сосредоточиться. У некоторых математиков (математика ни в коем случае не единственная профессия, для которой это характерно) отвлеченность от сиюминутного мира переходит в эксцентричность. Возможно, самым очевидным примером чудака-математика может служить Пал Эрдёш, который никогда не занимал никакой академической должности и не имел собственного дома. Он путешествовал от одного коллеги к другому, проводя где ночь на диване в гостиной, а где и несколько месяцев в свободной комнате. При этом он написал невероятное количество (1500) исследовательских статей и сотрудничал с поразительным числом (500) разных математиков.