Значимые фигуры. Жизнь и открытия великих математиков

В лихорадочной спешке молодой человек перебирал фундаментальные положения современной дифференциальной геометрии, начиная с концепции многомерного многообразия и понятия расстояния, определяемого метрикой. Это формула расстояния между любыми двумя точками, расположенными очень близко друг к другу. Он определил более сложные величины, известные сегодня как тензоры, привел общую формулу для кривизны, представленной как особый вид тензора, и записал дифференциальные уравнения, определяющие кратчайшее расстояние между точками. Кроме того, он пошел еще дальше, черпая, вероятно, вдохновение из общения с Вебером, и порассуждал о возможных взаимосвязях дифференциальной геометрии с физическим миром.

Эмпирические понятия, на которых базируются метрические определения пространства, – понятие твердого тела и светового луча – перестают работать при бесконечно малых расстояниях. Поэтому мы вольны предположить, что метрические отношения пространства в бесконечно малом масштабе не согласуются с гипотезами геометрии; мало того, мы просто обязаны предположить это, если таким образом мы можем получить более простое объяснение явлений.

Лекцию Римана ждал триумф, хотя Гаусс был единственным из присутствующих, кто, пожалуй, мог до конца понять сказанное. Оригинальность Римана произвела на Гаусса большое впечатление, и он сказал Веберу, что удивлен глубиной исследования. Рискованный выбор темы, сделанный под влиянием момента, оправдался в полной мере.

В дальнейшем озарения Римана развили Эудженио Бельтрами, Элвин Бруно Кристоффель и итальянская школа под руководством Грегорио Риччи и Туллио Леви-Чивита. Позже их работа очень пригодилась Эйнштейну при создании общей теории относительности. Если Эйнштейна интересовали очень большие пространства, то взгляд Римана в физике был сосредоточен на очень маленьком. Однако и то и другое восходит к Римановой лекции.

* * *

Семья Римана была бедной. Его отец Фридрих – лютеранский пастор и ветеран Наполеоновских войн; мать Шарлотта (урожденная Эбелль) умерла, когда Риман был еще ребенком. Кроме Бернхарда в семье были еще сын и четверо дочерей. До 10 лет мальчика обучал отец, а в 1840 г., когда Риман начал посещать местную школу в Ганновере, он поступил сразу в третий класс. Бернхард был очень стеснителен, но его математическая одаренность сразу бросалась в глаза. Директор школы разрешил Риману читать книги по математике из его личного собрания. Получив от него 900-страничный том Лежандра по теории чисел, Риман проглотил книгу за неделю.

В 1846 г. молодой человек отправился в Гёттингенский университет, где поначалу планировал изучать теологию. Гаусс, однако, распознал в нем математический талант и посоветовал сменить специализацию; Риман (с одобрения родителей) так и поступил. Со временем Гёттинген стал одним из лучших мест в мире для изучения математики, но в те дни, несмотря на присутствие Гаусса, математику там преподавали совершенно обыкновенно. Так что Риман перебрался в Берлин, где работал под руководством геометра Якоба Штайнера, алгебраиста и специалиста по теории чисел Дирихле и специалиста по теории чисел и комплексному анализу Готтхольда Эйзенштейна. Он изучал комплексный анализ и эллиптические функции.

Коши распространил дифференциальное и интегральное исчисление с действительных чисел на комплексные. Комплексный анализ появился на свет, когда возражения Беркли против флюксий Ньютона в конце концов получили достойный ответ от Карла Вейерштрасса, сформулировавшего строгое определение «предельного перехода». Одной из горячих тем в комплексном анализе середины XIX в. было исследование эллиптических функций, которые, помимо прочего, определяют длину дуги эллипса. Эти функции представляют собой глубокое обобщение тригонометрических функций. Фурье использовал одно базовое свойство тригонометрических функций – они являются периодическими и принимают те же значения при добавлении к аргументу функции 2π. Эллиптические функции имеют два независимых комплексных периода и повторяют те же значения на решетке из параллелограммов на комплексной плоскости. Они демонстрируют красивую связь между комплексным анализом и группами симметрии (переносами решетки). Эта идея используется в доказательстве Великой теоремы Ферма, данном Уайлсом. Кроме того, эллиптические функции появляются в механике, к примеру в выводе точной формулы для периода колебаний маятника. Более простая формула, которую выводят в школьном курсе физики, является аппроксимацией колебаний маятника для очень маленького угла.