В конце 1980-х годов специалистам был известен ряд гипотез, в случае доказательства которых теорема Ферма также была бы доказана по меньшей мере для некоторых показателей степени. Среди этих гипотез — аbс-гипотеза, гипотеза Шпиро, гипотеза Войты, гипотеза Богомолова — Мияоки — Яу и другие. К удивлению многих, этот закрытый клуб должен был пополниться новым членом — гипотезой Таниямы — Симуры.

Гипотеза Таниямы — Симуры была сформулирована в 50-е и уточнена в 70-е годы XX века. В ней устанавливалось удивительное и неожиданное соотношение между двумя семействами математических объектов, на первый взгляд никак не схожих между собой: эллиптическими кривыми (тесно связанными с кубическими уравнениями, подобными тем, что изучал в свое время Диофант) и модулярными формами, разработанными французским математиком Анри Пуанкаре в конце XIX века. Эта гипотеза была плодом усилий двух японских математиков, Горо Симуры (р. 1930) и Ютаки Таниямы (1927–1958). Молодые ученые познакомились и впоследствии вместе работали в Токио, в опустошенной послевоенной Японии. Прекрасная история их сотрудничества, увы, была омрачена трагическим финалом.

* * *

* * *

Первый мир: эллиптические кривые

Приближенное значение длины кривой можно найти, соединив прямыми конечное множество точек этой кривой, как показано на рисунке:

По мере уменьшения отрезков сумма их длин все больше приближается к длине кривой. Этот процесс известен под названием полигонального приближения кривой. Для некоторых кривых существует значение L — максимально возможный предел полигонального приближения. В этом случае говорят, что кривая имеет длину дуги L. В ходе изучения длин дуг кривых были открыты так называемые эллиптические функции, а затем эллиптические кривые.

Немецкий математик Карл Теодор Вильгельм Вейерштрасс (1815–1897) доказал, что любая эллиптическая кривая определяется кубической кривой вида

у² = х³ + ах² + Ьх + с,

где a, b, с — вещественные числа. Для с = 0 и различных значений а и b эллиптические кривые обладают особым свойством, которое продемонстрировано на следующей странице.

Эллиптические кривые для с = 0 и различных значений а и Ь.

Важной задачей теории чисел, которую пытался решить еще Диофант, является поиск целых решений для уравнений подобного типа. Например, кубическое уравнение

у² = x³ — 2

также можно записать в виде

x³ — у² = 2.

Целое положительное решение этого уравнения равносильно тому, что натуральное число или числа находятся ровно «посередине» куба и квадрата любых других натуральных чисел. Первым из математиков на этот вопрос ответил не кто иной, как Пьер де Ферма, который доказал, что 26 — единственное число, которое удовлетворяет указанному условию, то есть х³ = 27 и у² = 25, следовательно, единственными целыми положительными решениями этого уравнения будут у = 5 и х = 3. Чтобы продолжить эту удивительную цепочку, связывающую главных героев нашей истории, добавим, что одним из современных математических инструментов, используемых при изучении эллиптических кривых, является теория Ивасавы — тема докторской диссертации Эндрю Уайлса. Последний неспроста говорил: «В некотором смысле все мои рассуждения следуют пути, проложенному Ферма».

Немецкий математик Карл Теодор Вильгельм Вейерштрасс, внесший важный вклад в теорию эллиптических кривых. Картина Конрада Фера.

Найти решения эллиптического уравнения в большинстве случаев практически невозможно, поэтому математики изучают их на «ограниченных» пространствах чисел, которые называются модулями. Чтобы понять, о чем идет речь, вспомним о том, как мы представляем часы в сутках. Если, например, речь идет о событии, которое произошло спустя 30 часов после полуночи, то очевидно, что это событие произошло в 6 утра (следующего дня). В уме мы подсчитали 24 целых часа (сутки), перешли к следующим суткам, а затем прибавили разницу, 30–24 = 6, чтобы точно определить час, когда произошло событие. На языке математики говорят, что часы в сутках описываются арифметикой по модулю 24 (по числу часов в сутках), и в этой арифметике, как мы уже увидели, выполняется равенство 30 = 6. Если вместо 30 часов мы будем говорить о 38, то событие произойдет в 14 часов, следовательно, в арифметике по модулю 24 верно равенство 38 = 14 (и, аналогично, 24 = 0). Вне зависимости от того, сколько часов прошло с определенного момента, 36 или 36000, значение часа всегда будет лежать в интервале от 0 до 23. В подобной арифметике определены привычные операции сложения, вычитания, умножения и деления и результатом любой такой операции опять-таки будет одно из 24 чисел, расположенных на интервале от 0 до 23.

* * *

* * *

Вернемся к эллиптическим уравнениям. Какие решения может иметь одно из таких уравнений, например, по модулю 2? Их может быть не более 4, а именно:

х = 0, у = 0,

х = 0, у = 1,

х = 1, у = 0,

х = 1, у = 1.

С помощью такого мощного инструмента, как модулярная арифметика, можно говорить не только об «абсолютных» решениях кубических уравнений, которые сложно обнаружить, но и о числе решений по каждому модулю. Так, любое эллиптическое уравнение определяется бесконечным E-рядом, где значением каждого элемента E₁, Е₂, Е₃… является число решений этого уравнения по модулю 1, 2, 3 и так далее. Для уравнения, имеющего два решения по модулю 2, например (0; 0) и (1; 0), член этого ряда Е₂ = 2.

Второй мир: модулярные функции

Модулярные формы в значительной степени являются творением Анри Пуанкаре, одного из самых выдающихся ученых всех времен, просветителя и философа науки. Так, некоторые его работы по математической физике непосредственно предшествовали теории относительности Эйнштейна. Пуанкаре был последним математиком, который обладал глубокими знаниями во всех разделах математики своего времени.

Сейчас это невозможно, так как современная математика охватывает слишком большое количество областей. Пуанкаре, который уже в юном возрасте стал известным математиком, обладал, подобно Эйлеру и Гауссу, фотографической и великолепной пространственной памятью. Возможно, это объясняет его успехи в созданной им дисциплине, топологии, которая изучает пространственные свойства объектов, остающиеся неизменными при определенных преобразованиях. Топология — царство, где правит симметрия, и очень немногие математические объекты обладают столь обширной симметрией, как модулярные формы.

Французская марка, посвященная Жюлю Анри Пуанкаре.

* * *

ПОСЛЕДНЯЯ ТЕОРЕМА ПУАНКАРЕ

Хотя ни одной из теорем не удалось стать такой же известной, как великая теорема Ферма, в математике существует несколько гипотез, доказательство каждой из которых становится настоящим историческим событием. Среди них — гипотеза Гольдбаха и «первая среди равных» гипотеза Римана, которые относятся к теории чисел, а также задача о равенстве классов Р и NP — ключевая задача вычислений. В топологии такой важной задачей является так называемая гипотеза Пуанкаре. К удивлению многих, в 2002–2003 годах российский математик Григорий Перельман опубликовал схему доказательства этой гипотезы, которое затем было дополнено другими учеными и в 2006 году было официально признано верным. Перельман, блестящий и в такой же степени экстравагантный математик, отказался от присужденной ему в том же году Филдсовской премии и, ссылаясь на то, что научный мир погряз в нечестности, спустя некоторое время полностью оставил математику. Как и для остальных задач, включенных Институтом Клэя в 1999 году в список семи задач тысячелетия, доказательство гипотезы Пуанкаре было оценено в один миллион долларов. В 2010 году Перельман отказался от этого вознаграждения.

Филдсовская медаль, от которой отказался Перельман, была присуждена ему за доказательство гипотезы Пуанкаре.

* * *

Получить какое-то визуальное представление модулярной формы невозможно. Достаточно сказать, что она находится в четырехмерном пространстве, которое подчиняется законам геометрии, мало похожим на привычные нам. В повседневной жизни нам известно, что через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести единственную прямую, параллельную данной, о чем писал еще Евклид. Однако начиная с XIX века известно, что это утверждение не является необходимым и продиктовано лишь соображениями удобства. Можно определить альтернативную геометрию, в которой параллельных прямых не существует вовсе либо, напротив, через данную точку можно провести бесконечно много прямых, параллельных данной. В последнем случае речь идет о так называемой гиперболической геометрии, в которой плоскость, представленная в двух измерениях, принимает следующие формы:

Параллельные линии в гиперболической геометрии.

В своеобразном мире гиперболической геометрии, где обитают модулярные формы, они обладают удивительными свойствами симметрии, подобно редчайшим цветам. Для определения модулярных форм математики используют так называемые бесконечные М-ряды, каждому из элементов которых соответствует число, означающее количество «ингредиента» 1, 2, 3, … модулярной формы.

Связующее звено: гипотеза Таниямы — Симуры

В середине 1950-х годов Япония все еще пыталась оправиться от последствий Второй мировой войны. Экономика страны понемногу восстанавливалась, но жизнь по-прежнему была непростой. От недостатка средств пострадали и университеты. Оплачиваемых должностей научных сотрудников было немного, и за них разворачивалась жесткая конкуренция. Если сфера интересов исследователя была слабо связана с практикой, то ситуация становилась еще сложнее. Трудности, которые предстояло преодолеть тем, кто хотел заниматься чистой математикой, могли охладить пыл даже самых настойчивых кандидатов.

Этих трудностей не испугался молодой Ютака Танияма, восьмой ребенок в семье провинциального врача. Из-за враждебности окружающих и проблем со здоровьем ему пришлось в юном возрасте переехать в столицу без средств к существованию, чтобы поступить в университет и продолжить занятия математикой. В 1954 году он подружился с выдающимся коллегой, Горо Симурой, который был на год старше. Друзья часто встречались в дешевых кафе, чтобы обсудить вопросы теории чисел — наиболее привлекательной области для них обоих. Сложно было подобрать более разных по характеру людей: Танияма был очень рассеян, работал урывками, по ночам, и настолько не интересовался чем-либо помимо математики, что его считали эксцентричным. Симура вставал очень рано и начинал работать на рассвете, был организованным и педантичным. В отличие от своего друга, который постоянно носил один и тот же серый костюм и никогда не завязывал шнурков, Симура следил за внешним видом и свободно общался с другими коллегами.

Друзей объединял интерес к последним открытиям на международной математической арене, и в 1955 году они решили организовать симпозиум по теории чисел и пригласить авторитетных математиков со всего мира. Из 36 задач, представленных вниманию участников симпозиума, четыре предложил Танияма. В них очень смутно описывалась связь между модулярными формами, которые на тот момент не привлекали большого внимания специалистов, и диофантовыми уравнениями. Танияма заметил, что члены E-ряда для некоторых эллиптических уравнений точно соответствуют членам М-ряда для определенных модулярных форм, но не мог объяснить фундаментальных причин этого любопытного совпадения.

На симпозиуме обсуждались эти и другие вопросы. По некоторым источникам, блестящий французский математик Андре Вейль в неформальной беседе с Таниямой подсказал ему, что он обнаружил глубокую общую взаимосвязь между модулярными формами и эллиптическими уравнениями. Позднее было показано, что в действительности все было не совсем так. Однако ошибочная трактовка событий настолько укоренилась, что гипотезу Таниямы — Симуры стали называть гипотезой Симуры — Вейля или Таниямы — Симуры — Вейля. Эту ошибку лишь много лет спустя устранил американский математик Серж Ланг, который восстановил истинное положение вещей.

Как бы то ни было, первое предположение Таниямы, высказанное в очень расплывчатой форме, не вызвало большого интереса. Единственным, кто изначально считал эту догадку очень важной, был верный друг Таниямы Симура. Много лет друзья вместе работали над этой гипотезой, стремясь точнее сформулировать ее.

В 1957 году Симуру пригласили работать в Принстон. Он считал, что там сможет обменяться опытом с уважаемыми специалистами и продолжить работу над темой, но трагические события помешали реализации этого амбициозного проекта. 17 ноября того же года Танияма решил покончить с собой. В предсмертной записке он написал: «До вчерашнего дня у меня не было цели покончить с собой. <…> Причину моего самоубийства я не могу и сам понять, но это не результат какого-то конкретного события, нет никаких особенных причин. Единственное, что я точно знаю, — я потерял веру в будущее. <…> Во всяком случае, я не могу отрицать, что это будет предательством с моей стороны, но прошу простить меня за это последнее осознанное действие, которое я совершаю в своей жизни». Ему было 35 лет.

Его кончина не поколебала решимости Симуры, который хотел завершить общее дело в память о своем гениальном друге. В течение многих лет Симура уточнял гипотезу, которая в упрощенном виде гласит, что все эллиптические кривые являются модулярными. Со временем эта гипотеза стала известна под названием гипотезы Таниямы — Симуры. Как сказал американский математик Барри Мазур (о нем мы поговорим немного позже), это была «удивительная гипотеза… но в тот момент ее проигнорировали, так как она слишком опередила свое время. Когда она была представлена, никто не решился доказать ее, столь противоречивой она была. Она объединяет два мира: мир эллиптических кривых и мир модулярных форм. Эти разделы математики были очень подробно изучены, но по отдельности. И вдруг появилась гипотеза Таниямы — Симуры, которая навела на мысль о существовании связующего звена между этими двумя мирами. Математики любят наводить мосты…»

Танияма не дожил до того дня, когда его гениальная догадка оформилась в один из красивейших результатов современной математики. Теперь имена Таниямы и его друга Симуры занимают почетное место в истории математики, и, что более удивительно, их работа заложила фундамент для доказательства самой знаменитой теоремы в теории чисел и математике в целом.

Эпсилон-гипотеза

В глазах математического сообщества гипотеза Таниямы — Симуры и последняя теорема Ферма не имели ничего общего, разве что обе они являлись гипотезами. Но, как мы уже заметили, поиск соотношения между на первый взгляд совершенно разными понятиями, никак не связанными между собой, — одна из главных задач математики. В данном конкретном случае неожиданные параллели обнаружил немецкий математик Герхард Фрай, который занимался теорией чисел. Его привлекала взаимосвязь между этой областью и алгебраической геометрией, и блестящим примером этому служила гипотеза Таниямы — Симуры. В 1978 году он ознакомился с работами американского математика Барри Мазура и был очень впечатлен ими. В них устанавливалась связь между такими понятиями, как модулярность и эллиптические кривые, и Фрай стал работать над тем, чтобы сделать эту взаимосвязь более явной (исходная статья Мазура по этой теме называлась «Модулярные кривые и идеал Эйзенштейна», и среди наиболее увлеченных ее читателей были Кен Рибет и Эндрю Уайлс). Фрай начал вынашивать удивительную идею, которую постарался окончательно оформить за те несколько недель, пока был в Гарварде, где преподавал Мазур. Наконец, в 1984 году на нескольких математических конференциях, прошедших в районе Обервольфах в Германии, Фрай сформулировал гипотезу, которая открыла новый, революционный путь к доказательству последней теоремы Ферма.

Его гипотеза звучала так: пусть дано произвольное решение уравнения этой теоремы, например, а^p + b^р = с^р. Тогда существует эллиптическая кривая вида у² = х(х — а^p)(х + b^p), где а, b и с — целые, положительные и взаимно простые, а р — простое число, большее 2. Эта кривая принадлежит к особой группе эллиптических кривых, названных позднее кривыми Фрая и обладающих очень интересной особенностью: они не являются модулярными. Но гипотеза Таниямы — Симуры утверждала, что все эллиптические кривые являются модулярными. Отсюда следует, что если гипотеза Таниямы — Симуры верна, то «отклонений», подобных кривым Фрая, то есть кривых, которые одновременно являются эллиптическими и немодулярными, не существует. Если же гипотеза Фрая была верна, учитывая, что все возможные решения уравнения теоремы Ферма представляли собой кривую Фрая, то гипотеза Таниямы — Симуры о несуществовании таких кривых означала бы, что уравнение теоремы не имеет решений, следовательно… теорема Ферма доказана! Как мы увидим чуть позже, эта неожиданная связь между гипотезами стала для Уайлса точкой опоры, на которой основывалось его доказательство.

Хотя идеи Фрая были очень привлекательными, было ясно, что его гипотеза все еще недостаточно конкретна, чтобы другие математики могли заняться ее доказательством. Для окончательного оформления предположения немецкого математика в виде гипотезы, требовались «математические мускулы». Говоря о «математических мускулах» в контексте математики последних 75 лет, невозможно обойти вниманием французского математика Жан-Пьера Серра (р. 1926). Он — один из всего двух математиков (второй — американец Джон Григгс Томпсон), которые были удостоены двух престижнейших премий по математике: Филдсовская премия была вручена Серру в 1954-м, а Абелевская — в 2003 году. Серр — самый молодой из лауреатов Филдсовской премии: он получил ее в возрасте 27 лет. Его достижение равносильно получению двух Нобелевских премий.

Французский математик Жан-Пьер Серр на церемонии вручения Абелевской премии 3 июня 2003 года

 _{(фотография предоставлена Институтом Абеля)}

Серр, который в 1955 году участвовал в семинаре, проводимом Таниямой и Симурой, заинтересовался гипотезой Фрая и написал письмо своему коллеге и соотечественнику Жан-Франсуа Местру. Позднее он оформил это письмо в виде статьи. В этой статье он использовал формулировки, несколько отличающиеся от тех, которыми пользовался Фрай (заполнив пробелы с помощью так называемых модулярных представлений Галуа), и предположение Фрая официально стало считаться гипотезой. Если эта гипотеза, получившая название эпсилон-гипотезы, была верна, то между гипотезой Таниямы — Симуры и великой теоремой Ферма устанавливалась следующая взаимосвязь: если первая была верной, то вторая — ложной, и наоборот.

* * *

РУКА, КАЧАЮЩАЯ КОЛЫБЕЛЬ

Американец Барри Мазур (р. 1937) — одна из наиболее выдающихся фигур в теории чисел последних лет. Во многом благодаря его статье «Модулярные кривые и идеал Эйзенштейна» на модулярность снова обратили внимание молодые математики, в частности, Фрай, Рибет и Уайлс. Мазур называл теорию чисел разделом математики, где «без всяких усилий появляется бесчисленное множество задач. Они, как цветы, приятно пахнут, но их шипы больно колют любого, кто пытается прикоснуться к ним».

ГЕРХАРД ФРАЙ, МАТЕМАТИК И КРИПТОАНАЛИТИК

Фрай родился в 1944 году в немецком округе Тюбинген. Он поступил в местный университет, где занимался физикой и математикой. Его специализацией была теория чисел. Среди его наиболее важных достижений, помимо эпсилон-гипотезы, — метод, известный как спуск Вейля, используемый для решения эллиптических кривых на конечных полях. Открытие этого метода положило конец одному из перспективных направлений криптографии.

* * *

От гипотезы к теореме

Привлекательность эпсилон-гипотезы была такова, что попытки доказать ее предпринимали все специалисты по теории чисел. Среди них был блестящий молодой математик из США Кеннет Рибет, еще в 1985 году получивший должность профессора в Калифорнийском университете в Беркли. Рибет учился у Мазура в Гарварде, где защитил докторскую диссертацию. Он, как и его учитель, был очарован тем, что между теорией чисел и алгебраической геометрией существует удивительная связь, которую в свое время открыл Куммер, и что эта связь может повлиять на способ доказательства теоремы Ферма. Рибет занялся доказательством эпсилон-гипотезы и наконец увидел свет в конце туннеля. Предоставим ему слово:

«Я был абсолютно поражен. Я вернулся домой, спотыкаясь, будто витая в облаках. Я сел и снова проверил все доказательство и увидел, что оно было верно, действительно верно. Я посетил конференцию (Международный конгресс математиков, который проводился в университете Беркли, Сан-Франциско, в 1986 году. — Примеч. автора), рассказал об этом немногим, и вскоре об этом узнали почти все. Ко мне подходили и спрашивали: „Вы правда доказали эпсилон-гипотезу?" Я помедлил около минуты и вдруг сказал: „Да. Я доказал ее"».

Это простое, искреннее признание помогает понять, что может происходить в голове у математика, когда он находит посреди океана неведения крупицу истины, подлинной истины, ведь математик как никто другой стремится к истине в самом точном и абсолютном смысле этого слова. Сам Рибет позднее вспоминал, что когда был докторантом, то говорил о великой теореме Ферма, перефразируя Гаусса: «Это одна из тех задач, о которых нельзя сказать ничего полезного». В то время Рибет не подозревал, какую роль в ее доказательстве сыграет его работа всего через несколько лет. Эпсилон-гипотеза ушла в прошлое — на смену ей пришла теорема Рибета. Теперь к доказательству последней теоремы Ферма могли приступить математики последнего поколения.

И что теперь?

Все стало окончательно ясно: тот, кто докажет гипотезу Таниямы — Симуры, докажет последнюю теорему Ферма. Легко сказать, но трудно, очень и очень трудно сделать. В конце концов, с момента симпозиума, на котором Танияма представил первоначальный вариант гипотезы, прошло почти 40 лет, и до сих пор никто ни на шаг не смог приблизиться к ее доказательству. Подавляющее большинство специалистов по теории чисел считали, что эта гипотеза будет доказана лишь спустя много десятилетий. Вспомним слова Мазура: «Удивительная гипотеза… но в тот момент ее проигнорировали, так как она слишком опередила свое время». Значительные трудности представлял тот факт, что и модульных форм, и эллиптических кривых (связь между этими математическими объектами устанавливала гипотеза) бесконечно много. Тот, кто рискнул бы взяться за громадный труд по доказательству гипотезы Таниямы — Симуры, должен был бы решить не только основную задачу, но и множество более мелких, но столь же трудных. Малейшая ошибка могла свести на нет результаты многолетнего труда. Если сравнить теорему Ферма с математическим Эверестом, то можно сказать, что Танияма, Симура, Мазур, Фрай, Серр и Рибет нашли новый путь к вершине, ранее незаметный, но на этом пути беспрестанно бушевал сильнейший ветер.