Простая одержимость. Бернхард Риман и величайшая нерешенная проблема в математике - Джон Дербишир

В предыдущей главе мы рассмотрели математические предпосылки и некоторые исторические обстоятельства, которые привели к гипотезе Гильберта-Пойа. Эта гипотеза значительно опередила свое время и с полвека пролежала на полке невостребованной.

Эти полвека, однако, оказались очень насыщенными событиями в области физики — вообще самыми насыщенными за всю ее историю. В 1917 году, как раз примерно в то время, когда была выдвинута эта гипотеза, Эрнест Резерфорд открыл делимость атома; 15 лет спустя Кокрофт и Уолтон провели первый в мире эксперимент по искусственному делению атома. Это, в свою очередь, явилось шагом к работам Энрико Ферми и к первой управляемой цепной ядерной реакции, осуществленной в 1942 году, а затем к первому ядерному взрыву 16 июля 1945 года.

«Деление атома», как сообщают своим ученикам все без исключения преподаватели физики в старших классах, — название неправильное. Мы делим атомы всякий раз, как зажигаем спичку. То, о чем идет сейчас речь на самом деле, — это деление атомного ядра, т.е. сердца атома. Чтобы запустить ядерную реакцию — управляемую или уж как получится, — надо выстрелить субатомной частицей в атомные ядра какого-нибудь очень тяжелого элемента. Если сделать это некоторым определенным способом, то ядро расщепится, в свою очередь выстреливая при этом новые субатомные частицы. Эти частицы проникнут в ядра соседних атомов… и т.д., что и приведет к цепной реакции.

А ядра тяжелых элементов — весьма специфические создания. Их можно представлять себе как постоянно бурлящий и колышущийся сгусток из протонов и нейтронов, слипшихся вместе таким образом, что нелегко сказать, где кончается одна частица и где начинается другая. У по-настоящему тяжелых элементов, таких как уран, весь этот сгусток пульсирует на грани неустойчивости. Он может и в самом деле оказаться неустойчивым — это определяется точным соотношением между числом протонов и числом нейтронов — и в этом случае вполне способен разлететься на части по своему собственному усмотрению.

За несколько десятилетий развития ядерной физики в середине XX века возникла потребность хорошо понимать поведение этих странных созданий и, в частности, понимать, что произойдет, если попасть в них другой частицей. Дело в том, что ядро — этот колышущийся сгусток — может существовать в некотором числе состояний, одни из которых обладают большей энергией (здесь надо представлять себе по-настоящему энергичные пульсации), а другие — меньшей (вялые, ленивые пульсации). Если выстрелить частицей в ядро таким образом, чтобы ядро ее поглотило, но само не распалось на куски, то (поскольку энергия частицы не может никуда исчезнуть и поглощается ядром) ядро перейдет из состояния с меньшей энергией в состояние с более высокой энергией. Через некоторое время, утомившись своим пребыванием в возбужденном состоянии, ядро может испустить такую же частицу или, возможно, частицу совсем другого типа и снова оказаться в состоянии с меньшей энергией.

Как много существует энергетических уровней? Когда ядро переходит с уровня a на уровень b? Насколько энергетические уровни отстоят друг от друга и почему именно настолько? Подобная постановка вопроса по сути вводит задачу об исследовании атомного ядра в контекст более широкого круга задач — задач о динамических системах, т.е. о наборах частиц, каждая из которых во всякий момент времени занимает определенное положение в пространстве и имеет определенную скорость. По мере развития исследований в 1950-х годах стало ясно, что некоторые из наиболее интересных динамических систем, включая тяжелые ядра, слишком сложны и не поддаются точному математическому анализу в квантовой области. Число энергетических уровней оказалось слишком большим, а возможные конфигурации слишком многочисленны. Такая картина представляет собой самый устрашающий вариант «задачи многих тел» из классической (т.е. доквантовой) механики, где несколько объектов (например, планеты Солнечной системы) действуют друг на друга посредством гравитации.

Когда приходится иметь дело с таким уровнем сложности, точная математика сталкивается с целым рядом проблем, и поэтому исследования в этой области стали опираться на статистику. Если мы не можем определить, что произойдет точно, то, возможно, нам удастся выяснить, что скорее всего произойдет в среднем. Подобные статистические подходы широко развивались в классической механике начиная примерно с 1850 года, т.е. задолго до появления квантовой теории. В квантовом мире все устроено слегка по-другому, но там, по крайней мере, можно использовать значительный объем результатов, накопленных в классической теории. В конце 1950-х и начале 1960-х годов был создан основной аппарат и были разработаны статистические средства для анализа сложных квантовых динамических систем, подобных ядрам тяжелых элементов. Главными действующими лицами здесь были ядерные физики Юджин Вигнер и Фримен Дайсон. Главным же понятием оказались случайные матрицы.

II.

Случайная матрица — это именно то, что следует из ее названия: матрица, составленная из чисел, выбранных случайным образом. На самом деле не совсем случайным. Позвольте привести пример. Вот случайная (4×4)-матрица достаточно специального типа, важность которого я объясню чуть позже. Для экономии места будем все округлять до четырех знаков после запятой:

Первое, что можно заметить по поводу этой хитроумной штуковины, — данная матрица является эрмитовой: она обладает той самой как бы симметрией относительно главной диагонали, которая упоминалась в главе 17.v. Вспомним еще несколько фактов из той главы.

• С каждой (N×N)-матрицей связан многочлен степени N, называемый характеристическим многочленом.

• Нули характеристического многочлена называются собственными значениями матрицы.

• Сумма собственных значений называется следом матрицы (и равна сумме элементов, занимающих главную диагональ).

• В частном случае эрмитовых матриц все собственные значения вещественны и, следовательно, вещественны и коэффициенты характеристического многочлена, а также след.

Для матрицы из приведенного примера характеристический многочлен имеет вид

а собственные значения равны −3,8729, 0,0826, 1,5675 и 4,0864. След равен 1,8636.

Посмотрим теперь повнимательнее на те числа, из которых состоит приведенная выше матрица. Числа, которые мы видим, — вещественные числа на главной диагонали и также вещественные и мнимые части комплексных чисел, занимающих места недиагональных элементов, — случайны в некотором специальном смысле (диагональные случайны с небольшим уточнением, которое будет объяснено ниже). Они выбраны случайным образом из нормального гауссова распределения — знаменитой «колоколообразной кривой», которая повсеместно возникает в статистике.