Истина и красота. Всемирная история симметрии

Научно-популярная

Автор: Иэн Стюарт

Издательство: CORPUS

ISBN: 978-5-271-27178-6

Дата выпуска: 15 сентября 2010

Количество страниц: 464

Оригинальное название: Why Beauty Is Truth: A History of Symmetry

Оглавление
Предисловие

11
Глава 1
Вавилонские писцы

19
Глава 2
Имя на устах

43
Глава 3
Персидский поэт

64
Глава 4
Ученый игрок

80
Глава 5
Хитрый лис

106
Глава 6
Расстроенный врач и больной гений

122
Глава 7
Революционер-неудачник

153
Глава 8
Посредственный инженер и трансцендентный профессор

193
Глава 9
Пьяный вандал

212
Глава 10
Несостоявшийся солдат и хилый книжный червь

246

Глава 11
Служащий из бюро патентов

266
Глава 12
Квантовый квинтет

309
Глава 13
Пятимерный человек

344
Глава 14
Политический журналист

381
Глава 15
Математическая кутерьма

405
Глава 16
Искатели Истины и Красоты

429
Литература 438
Предметно-именной указатель 441


На протяжении многих веков симметрия оставалась ключевым понятием для художников, архитекторов и музыкантов, однако в ХХ веке её глубинный смысл оценили также физики и математики. Именно симметрия сегодня лежит в основе таких фундаментальных физических и космологических теорий, как теория относительности, квантовая механика и теория струн.

Начиная с Древнего Вавилона и заканчивая самыми передовыми рубежами современной науки, Иэн Стюарт прослеживает пути изучения симметрии и открытия её основополагающих законов. Эксцентричный Джироламо Кардано — игрок и забияка эпохи Возрождения, первым решивший кубическое уравнение, гениальный невротик и революционер-неудачник Эварист Галуа, в одиночку создавший теорию групп, горький пьяница Уильям Гамильтон, нацарпавший свое величайшее открытие на каменной кладке моста, и, конечно же, великий Альберт Эйнштейн — судьбы этих неординарных людей и блестящих учёных служат тем эффектным фоном, на котором разворачивается один из самых захватывающих сюжетов в истории науки.


В нижеследующем отрывке рассказывается история о попытке Софуса Ли применить для исследования дифференциальных уравнений методы теории групп, о стремлении Вильгельма Киллинга описать все возможные группы Ли и о том, какое отношение они имеют к физике (публикуется с разрешения издательства CORPUS).


«Наиболее важные уравнения в физике — те, что имеют дело с потоками жидкости, действием гравитации, движением планет, переносом тепла, распространением волн, действием магнетизма, распространением света и звука — это дифференциальные уравнения. Как впервые понял Ньютон, закономерности природы, как правило, принимают более простой вид и их легче сформулировать, если смотреть на скорости изменения величин, а не на сами интересующие нас величины.

Ли задал себе фундаментальный вопрос. Имеется ли для дифференциальных уравнений теория, аналогичная теории Галуа для алгебраических уравнений? Есть ли способ установить, когда дифференциальное уравнение можно решить заданными методами?

Ключевую роль здесь снова сыграла симметрия. Ли осознал, что некоторые из его результатов по геометрии можно было реинтерпретировать в терминах дифференциальных уравнений. К заданному решению конкретного дифференциального уравнения Ли мог применить преобразование (из конкретной группы) и доказать, что результат также является решением. Из одного решения получается много, причем все они связаны группой. Другими словами, группа состоит из симметрий данного дифференциального уравнения.

Здесь содержался прозрачный намек, что нечто прекрасное ожидало своего открытия. Вспомним о применениях симметрий, которые Галуа реализовал для алгебраических уравнений! А теперь представим себе нечто подобное для куда более важного класса дифференциальных уравнений!

Все группы, которые изучал Галуа, были конечными. Это значит, что число преобразований из группы — некоторое целое число. Группа всех перестановок на пяти корнях уравнения пятой степени, например, содержит 120 элементов. Однако многие разумные группы бесконечны, и среди них — группы симметрий дифференциальных уравнений.

Одна распространенная бесконечная группа представляет собой группу симметрии окружности; она содержит преобразования, которые поворачивают окружность на любой — какой угодно — угол. Поскольку имеется бесконечно много возможных углов, группа вращений окружности бесконечна. Обозначение для этой группы — SO(2). Здесь O означает «ортогональный» — это указывает, что преобразования являются движениями плоскости без деформаций, a S означает «специальный» и указывает на вращения, которые не переворачивают плоскость.

Окружности имеют, кроме того, бесконечно много осей отражательной симметрии. Если отразить окружность относительно любого диаметра, то получится та же самая окружность. Добавление отражений приводит к большей группе O(2).

Группы SO(2) и O(2) бесконечны, но это некоторый ручной вид бесконечности. Различные вращения можно задавать, указывая одно число — угол вращения. Когда два вращения выполняются одно за другим, соответствующие углы просто складываются. Ли назвал поведение такого типа «непрерывным», и в его терминологии SO(2) — непрерывная группа. А из-за того, что для указания угла требуется только одно число, группа SO(2) одномерна. То же имеет место и для O(2), поэтому все, что нам требуется, — это некоторый способ отличать отражения от вращений, а с этой задачей в алгебре справляются знаки плюс и минус.

Группа SO(2) представляет собой простейший пример группы Ли. Группа Ли соединяет в себе структуры двух типов: это и группа, и одновременно многообразие — некоторое многомерное пространство. В случае SO(2) многообразием является окружность, а групповая операция на двух точках окружности сводится к сложению соответствующих углов.

Ли открыл прекрасное свойство групп Ли: групповую структуру можно «линеаризовать». Это означает, что лежащее в основе группы искривленное многообразие можно заменить плоским эвклидовым пространством. Это касательное к многообразию пространство. Как это выглядит для SO(2), показано на рисунке.

Когда групповая структура линеаризована подобным образом, на касательном пространстве возникает своя собственная алгебраическая структура, которая представляет собой некую «инфинитезимальную» версию групповой структуры и описывает, как ведут себя преобразования, очень близкие к тождественному. То, что получается, называется алгеброй Ли данной группы. У нее такая же размерность, как и у группы, но ее геометрия значительно упрощается, становясь плоской.

Разумеется, за эту простоту приходится кое-чем заплатить: алгебра Ли ухватывает многие важные свойства соответствующей группы, но некоторые тонкие детали ускользают. А те свойства, которые не теряются, подвергаются тонким изменениям. Тем не менее массу всего о группе Ли можно узнать, переходя к ее алгебре Ли, и на большую часть вопросов легче ответить в формализме алгебр Ли.

Оказывается — и в этом и состояло одно из великих усмотрений, сделанных Ли, — что естественная алгебраическая операция на алгебре Ли дается не произведением AB, а разностью AB — BA, называемой коммутатором. Для таких групп, как SO(2), где AB = BA, коммутатор равен нулю. Но для таких групп, как SO(3) — группы вращений в трехмерном пространстве, — выражение AB — BA не равняется нулю, за исключением того случая, когда A и B или совпадают, или являются вращениями на прямой угол. Таким образом, геометрия групп проявляет себя в поведении коммутаторов.

<...>

При взгляде из дня сегодняшнего видно, что все дело в симметрии. Симметрия глубоко встроена в каждую область математики, и на ней базируется большинство основных идей математической физики. Симметрии выражают фундаментальную регулярность нашего мира, а это то, что двигает вперед физику. Непрерывные симметрии, такие как вращения, тесно связаны с природой пространства, времени и материи; из них вытекают различные законы сохранения, такие как закон сохранения энергии, который утверждает, что замкнутая система не может ни потерять, ни приобрести энергию. Эта связь была разработана Эмми Нетер, ученицей Гильберта.

Следующий шаг, разумеется, должен был состоять в том, чтобы разобраться с возможными группами Ли, подобно тому как Галуа и его последователи навели порядок со многими свойствами конечных групп. Здесь к охоте присоединяется второй математик.

<...>

Цель, которую он исходно перед собой ставил, была невероятно амбициозна: описать все возможные группы Ли. Лицей не приобретал журналы, в которых публиковался Ли, и Киллинг имел очень ограниченное представление о его работах, но в 1884 году независимо открыл роль алгебр Ли. Таким образом, Киллинг знал, что каждая группа Ли связана с алгеброй Ли, и быстро понял, что исследовать алгебры Ли должно быть проще, чем группы Ли, поэтому его задача свелась к классификации всех возможных алгебр Ли.

Эта задача оказалась безнадежно сложной — теперь мы знаем, что скорее всего у нее просто нет внятного ответа в том смысле, что нет простой конструкции, которая произвела бы все алгебры Ли в рамках единообразной и прозрачной процедуры. Поэтому Киллингу пришлось согласиться на нечто менее амбициозное: описать основные «кирпичики», из которых можно собрать все алгебры Ли. Это несколько похоже на желание описать все возможные архитектурные стили, но придерживаться при этом некоторого списка из допустимых форм и размеров кирпича.

Эти «кирпичики» известны как простые алгебры Ли. Они выделены свойствами, очень похожими на идею Галуа о простой группе — группе без нормальных подгрупп, не считая тривиальных. На самом деле простые группы Ли имеют простые алгебры Ли, и обратное тоже почти верно. Потрясающе, что Киллинг преуспел в перечислении всех возможных простых алгебр Ли. Математики называют подобные теоремы классификацией.

В глазах Киллинга эта классификация была предельной версией чего-то гораздо более общего, и его огорчал ряд ограничительных предположений, которые ему пришлось сделать, чтобы добиться хоть какого-то результата. Особенно ему докучала необходимость предполагать простоту, что заставило его перейти к алгебрам Ли над комплексными числами, а не над вещественными. Первые ведут себя лучше, но менее прямым образом связаны с геометрическими проблемами, владевшими воображением Киллинга. Из-за этих, им же наложенных, ограничений он не считал, что его работа заслуживает опубликования.

<...>

Киллинг выразил это таким образом: «Корни простой системы соответствуют простой группе. Обратно, можно рассматривать корни простой группы как порожденные некоторой простой системой. Таким образом получаются простые группы. Для каждого l имеются четыре структуры, а при l = 2, 4, 6, 7, 8 к ним добавляются исключительные простые группы». Здесь слово «группа» используется как сокращение выражения «инфинитезимальная группа», что в наши дни называется алгеброй Ли, а l — размерность системы корней.

Четыре структуры, о которых говорит Киллинг, — это алгебры Ли su(n), so(2n), so(2n + 1) и sp(2n), соответствующие семействам групп SU(n), SO(2n), SO(2n + 1) и Sp(2n) — унитарным группам, ортогональным группам в пространстве четной размерности, ортогональным группам в пространстве нечетной размерности и симплектическим группам в пространстве четной размерности.

Симплектические группы служат симметриями переменных «координата-импульс», введенных Гамильтоном в его формулировке механики, и число размерностей всегда четно, потому что переменные координата-импульс объединены в пары. Помимо этих четырех семейств Киллинг утверждал существование в точности шести других простых алгебр Ли.

Он был почти прав. В 1894 году французский геометр Эли Картан заметил, что две Киллинговы 56-мерные алгебры — это на самом деле одна и та же алгебра, рассматриваемая двумя различными способами. Это означает, что имеется только пять исключительных простых алгебр Ли, соответствующих пяти исключительным простым группам Ли: старая знакомая Киллинга G2 и четыре других, которые сейчас называются F4, E6, Е7 и E8.

Во многих отношениях эти пять исключительных групп Ли кажутся теперь гораздо более интересными, чем четыре бесконечных семейства. Они представляются важными в физике частиц, как мы увидим позже; они определенно важны и в математике. И у них есть тайное единство, до конца не проясненное, роднящее их с кватернионами Гамильтона и даже с еще более любопытным их обобщением — октонионами. Но об этом — в свое время».

Получить ссылку на материал

Спасибо!

Также вы можете подписаться на обновления сайта:

Оставить комментарий

Добавить комментарий