Великая Теорема Ферма - [64]

Отличительной особенностью модулярных форм является их необычайно высокий уровень симметрии. Хотя большинство людей знакомо с повседневным понятием симметрии, в математике в термин «симметрия» вкладывают особый смысл. Объект считается обладающим симметрией, если его можно преобразовать дозволенным образом так, что преобразованный объект будет неотличим от исходного. Чтобы оценить необычайно высокую симметрию модулярной формы полезно сначала изучить симметрию какого-нибудь более знакомого объекта, например, простого квадрата.

Рис. 18. Простой квадрат обладает вращательной и зеркальной симметриями

Рис. 19. Плоскость, выложенная квадратами, помимо вращательной и зеркальной симметрий обладает еще и трансляционной симметрией

В случае квадрата одна из форм симметрий — вращательная. Если мы мысленно проведем через точку пересечения осей x и y прямую, перпендикулярную рисунку, то квадрат на рис. 18 можно повернуть на четверть оборота — и он будет неотличим от исходного квадрата. Квадрат будет неотличим от исходного и после поворота на пол-оборота, три четверти оборота и полный оборот.

Помимо вращательной симметрии квадрат обладает зеркальной симметрией. Если представить себе, что зеркало расположено вдоль оси x перпендикулярно плоскости рисунка, то верхняя половина квадрата отразится точно на нижнюю и наоборот, поэтому после преобразования квадрат будет неотличим от исходного. Аналогично, мы можем поставить три других зеркала (вдоль оси y и двух диагоналей). Во всех случаях отраженный квадрат будет неотличим от исходного квадрата.

Простой квадрат симметричен, поскольку обладает вращательной и зеркальной симметриями. Но не обладает трансляционной симметрией. Это означает, что если квадрат подвергнуть сдвигу в любом направлении, то наблюдатель тотчас же заметит перемещение, поскольку положение квадрата относительно осей x и y изменится. Но если бы вся плоскость была вымощена квадратами, как на рис. 19, то этот бесконечный набор квадратов обладал бы трансляционной симметрией. При сдвиге такой разбитой на квадраты бесконечной поверхности на расстояние, равное одной или нескольким длинам квадрата, сдвинутая мозаика была бы ничем не отличима от исходной.

Симметрия выложенных плитками поверхностей — идея довольно простая, но, как это нередко бывает со многими простыми на первый взгляд понятиями, в ней скрыто немало тонкостей. Например, в 70-е годы британский физик и большой любитель занимательных задач-головоломок Роджер Пенроуз начал прикидывать различные варианты разбиения одной и той же поверхности на плитки различной формы. В конце концов он обнаружил две особенно интересные формы, которые он назвал воздушным змеем и дротиком (см. рис. 20). Каждая из этих форм сама по себе не годится для замощения всей поверхности без пробелов и наложений плиток друг на друга, но вместе воздушные змеи и дротики позволяют разбивать поверхность на мозаики с различным рисунком. Змеи и дротики можно сочетать бесконечным числом способов, и хотя рисунки мозаик кажутся похожими, они сильно отличаются в деталях. Одна из таких мозаик представлена на рис. 20.

Рис. 20. Используя плитки двух различных форм Роджер Пенроуз сумел выложить ими всю плоскость. Однако мозаика Пенроуза не обладает трансляционной симметрией

Еще одна замечательная особенность мозаик Пенроуза заключается в том, что они обладает весьма ограниченным уровнем симметрии. На первый взгляд может показаться, что мозаика на рис. 20 обладает трансляционной симметрией, тем не менее любая попытка совместить мозаику с самой собой завершается неудачей. Мозаики Пенроуза оказались асимметричными, и этим они так привлекли математиков, что стали исходным пунктом в развитии целого нового направления.

Интересно отметить, что мозаики Пенроуза эхом отозвались в материаловедении. Кристаллографы всегда считали, что структура кристаллов опирается на принципы, лежащие в основе разбиения на квадраты, обладающего высоким уровнем трансляционной симметрии. Теоретически строение кристаллов зиждется на весьма регулярной периодической структуре. Но в 1984 году ученые обнаружили металлический кристалл сплава алюминия и марганца, построенный на тех же принципах, что и мозаики Пенроуза. Мозаика сплава алюминия и марганца вела себя, как мозаика из воздушных змеев и дротиков, порождая кристалл почти регулярный, но не совсем. Недавно одна из французских компаний использовала кристалл Пенроуза в покрытии для сковород.

Если отличительной особенностью мозаик Пенроуза является их ограниченная симметрия, то отличительная особенность модулярных форм — их бесконечная, неисчерпаемая симметрия. Модулярные формы, изучением которых занимались Танияма и Шимура, можно подвергать трансляциям (параллельным переносам, или сдвигам), перестраивать, переставлять фрагменты, отражать в зеркалах и поворачивать бесконечно многими способами, и при этом они останутся неизменными, что делает их наиболее симметричными математическими объектами. Когда французский математик-универсал Анри Пуанкаре изучал модулярные формы в XIX веке, он испытал огромные трудности, пытаясь справиться с их огромной симметрией. Пуанкаре признавался своим коллегам, что получив модулярную форму частного вида, он на протяжении двух недель просыпался каждое утро в надежде найти ошибку в своих вычислениях. И только на пятнадцатый день он понял, что модулярные формы действительно обладают предельно возможной симметрией.