Весь материал был подобран в период активных обсуждений с соратником и однокашником по любимому Физтеху Сергеем Коняевым. Как перед фолкнеровскими Флагами в пыли я склоняю голову в знак признательности перед тобой, Серёга.
Часть 1
В родстве со всем, что есть, уверясь И знаясь с будущим в быту, Нельзя не впасть к концу, как в ересь, В неслыханную простоту. Но мы пощажены не будем, Когда ее не утаим. Она всего нужнее людям, Но сложное понятней им.
Б.Л. Пастернак, стихотворение "Волны"
Содержание
Аннотация
1. Краткая история идеи "Многоваринтности" (multyvariable) сценариев:
Ньютон
Кант
Мопертюи, Лагранж
Максвелл
Гиббс
Больцман
Лиувилль
2. Теоретико-множественные модели и игровые стратегии в математике
Кантор
Фон Нейман
Улам
3. Прямо по времени и вспять по времени - интегралы по траекториям
Фейнман
Шеннон
4. Дороги, которые мы выбираем (The roads we take)
Фуко
Кант
Любищев
Аннотация
Есть в мире музыки особый жанр - вариации на тему, например, Рахманиновские вариации на тему Паганини или Корелли. Авторы данной статьи хотели бы, чтобы читатели отнеслись к изложенному ниже, как к вариациям на темы виртуальных частиц, физического вакуума, множества Вселенных Эверетта-Уилера, Фейнмановского подхода к квантовой механике на основе вариационного принципа Мопертюи-Лагранжа, стратегий игровых теорий, множеств Кантора, а также великой царицы тренда естественных наук - математики и множественности толкований следствий ее законов. Как известно: в капле воды отражается мир, а математическая культура - фрактал доводит до абсурда теорию подобий: мы не поднимаем на щит принцип дополнительности, но прибегаем к принципу неопределенности, мы не противопоставляем объектный (частиц и их методов) и волновой (процедурный) подходы в практике программирования и не ставим целью напомнить, что массовое производство пенициллина, к которому почти сорок лет шел Александр Флеминг, оказалось возможным в условиях Второй мировой войны. Наша цель - продемонстрировать на бесхитростных пространственно-временных и причинно-следственных цепочках, что понятия цельного и составного, простого и сложного, цели и средства, причины и следствия - в общем случае весьма условны, и инструментарий энтропии с легкой руки Клаузиуса тоже всего лишь вспомогательная дисциплина, хотя и умудряющаяся с таким блеском оставаться актуальной даже при истолковании смыслов нарративных текстов на рубеже третьего тысячелетия новыми вершителями истории, чтобы лишний раз не омрачаться единственностью исхода в отдельно взятой Вселенной, но и не затеряться от их вдруг взявшейся бесконечной множественности - как говорится: поступай как должно и будь что будет.
1. Краткая история идеи "Многоваринтности" (multyvariable) сценариев:
Ньютон
Кант
Мопертюи, Лагранж
Максвелл
Гиббс
Больцман
Лиувилль
Ньютон "Математические начала натуральной философии"
Особое место в размышлениях Ньютона принадлежит поиску математического описания движения. Отсюда берет начало раздел математики, ставший впоследствии математическим анализом (счисление), который Ньютон назвал "методом начальных и конечных отношений" (дифференциальное исчисление). Оппоненты утверждали, что "конечное отношение" двух "исчезающих" ( величин стремящихся к нулю ) представляют собой неопределенность и, следовательно, лишены всякого смысла. Ньютон писал: "Предельные отношения исчезающих количеств не есть суть отношения пределов этих количеств, а суть те пределы, к которым при бесконечном убывании количеств приближаются отношения их и к которым эти отношения могут подойти ближе, нежели на любую наперед заданную разность, но которых превзойти или достигнуть на самом деле не могут, ранее, чем эти количества уменьшатся бесконечно."
Важное значение имеют те "предельные отношения", которые характеризуют скорость изменения каких-либо величин, т.е. изменения в зависимости от времени. Ньютон назвал их "флюксиями" (производные). Вторая производная при этом звучала как "флюксия от флюксий", что особенно возмутило критика Ньютона епископа Дж. Беркли, который счел это нелепым изобретением, как призрак от призрака.
Следует принять во внимание, что сам Ньютон работал с бесконечными рядами - разложениями функций и оперировал несколькими первыми членами - что аналогично подходу, например Фейнмана, в теории возмущений квантовой механики - учитывать только несколько первых членов разложения бесконечного ряда.
А вот цитата из американского эссэ Владимира Набокова "Николай Гоголь", а затtм определение действительного числа через дедекондовое сечение на множестве рациональных чисел.
Владимир Набоков: "Знаменитый драматург как-то заявил, что если в первом действии на стене висит охотничье ружье, в последнем оно непременно должно выстрелить. Но ружья Гоголя висят в воздухе и не стреляют; надо сказать, что обаяние его намеков и состоит в том, что они никак не материализуются. Другие второстепенные персонажи даже не успевают предстать в полном облачении - так торопятся они вскочить в пьесу между двумя фразами. И тут же появляется еще один гомункул(совсем как маленькие твердые головки шаманов, выскакивающие у исследователя Африки в знаменитом рассказе). Обратите внимание, как новорожденный и еще безымянный Власович умудряется вырасти и в секунду прожить целую жизнь. Когда Чичиков приезжает на вечеринку к губернатору, случайное упоминание о господах в черных фраках, снующих при ослепительном свете вокруг напудренных дам: "Черные фраки мелькали и носились врозь и кучами там и там, как носятся мухи на белом сияющем рафинаде в пору жаркого июльского лета, когда старая ключница, рубит и делит его на сверкающие обломки перед открытым окном, дети все глядят, собравшись вокруг, а воздушные эскадроны мух, поднятые легким воздухом, влетают смело, как полные хозяева, и, пользуясь подслеповатостью старухи и солнцем, беспокоящим глаза ее, обсыпают лакомые куски, где вразбитную, где густыми кучами".
Действительными числами называются бесконечные десятичные дроби, которые порождаются дедекиндовыми сечениями в области рациональных чисел некоторым способом. А способ заключается в том, что мы берем некую конечную десятичную дробь слева на числовой оси от дедекиндова сечения, так что добавление дроби оперделенной положительной степени десятки в знаменателе перебрасывает получающееся число вправо от предполагаемого сечения, и тогда это сечение и несет ответственность за существование действительного числа..
А вот, что отвечает Иммануил Кант, полемизируя с Ньютоном в своих "Метафизических началах естествознания":
"Наук о природе возможно столько же, сколько имеется специфически различных вещей, и каждая из этих вещей должна иметь свой собственный внутренний принцип определений, относящихся к ее существованию. Но слово природа употребляется и в материальном значении, не как свойство, а как совокупность всех вещей, поскольку они могут быть предметами наших чувств, стало быть и опыта; тогда под этим словом понимается совокупность всех явлений, т. е. чувственно воспринимаемый мир, за вычетом всех объектов, не воспринимаемых чувствами.
Наукой в собственном смысле можно назвать лишь ту, достоверность которой аподиктична; познание, способное иметь лишь эмпирическую достоверность, есть знание лишь в несобственном смысле. Систематическое целое познания может уже по одному тому, что оно систематическое, называться наукой, а если объединение познаний в этой системе есть связь оснований и следствий, -- даже рациональной наукой. Но если эти ее основания или принципы (как, например, в химии) все же в конечном итоге лишь эмпиричны, а законы, из которых данные факты объясняются разумом, суть лишь эмпирические законы, то они не сопровождаются сознанием их необходимости (они достоверны не аподиктически), и тогда целое не заслуживает в строгом смысле названия науки, почему химию и надлежало бы называть скорее систематическим искусством, чем наукой.
Наука о природе в собственном смысле этого слова прежде всего предполагает метафизику природы. Ведь законы, т. е. принципы необходимости того, что относится к существованию вещи, имеют дело с понятием, не поддающимся конструированию, коль скоро существование нельзя изобразить ни в каком априорном созерцании. Вот почему наука о природе в собственном смысле и предполагает метафизику природы. Хотя эта последняя всегда должна содержать лишь те принципы, которые не эмпиричны (ведь именно потому она и называется метафизикой), однако она может либо трактовать о законах, делающих возможным понятие природы вообще, даже безотносительно к какому-либо определенному объекту опыта, стало быть не определяя природу той или иной вещи чувственно воспринимаемого мира, и тогда она составляет трансцендентальную часть метафизики природы; либо она занимается особой природой вещи того или много вида, о которой дано эмпирическое понятие, однако так, что для познания этой вещи не применяется никакой другой эмпирический принцип, помимо содержащегося в этом понятии (например, она полагает в основу эмпирическое понятие материи или мыслящего существа и затем ищет сферу того априорного познания об этих вещах, к которому разум способен).
Но чтобы стало возможным приложениематематики к учению о телах, лишь благодаря ей способному стать наукой о природе, должны быть предпосланы принципы конструирования, понятий, относящихся к возможности материи вообще; иначе говоря, в основу должно быть положено исчерпывающее расчленение понятия о материи вообще. Это -- дело чистой философии, которая для этой цели не прибегает ни к каким особым данным опыта, а пользуется лишь тем, что она находит в самом отвлеченной (хотя по существу своему эмпирическом) понятии, соотнесенном с чистыми созерцаниями в пространстве и времени (по законам, существенно связанным с понятием природы вообще), отчего она и есть подлинная метафизика телесной природы.
Дугие науки, поскольку они дают бесконечное многообразие созерцаний (чистых или эмпирических), а тем самым и бесконечное многообразие объектов мышления, никогда не достигают абсолютной законченности и могут расширяться до бесконечности подобно чистой математике и эмпирическому учению о природе.
Отсюда общеизвестные споры или по крайней мере неясность вопросов о возможности столкновения между реальностями, о возможности интенсивной величины и многих других, где рассудок научается лишь на примерах, заимствуемых из телесной природы, что создает условия, при которых указанные понятия только и могут иметь объективную реальность, т. е. значение и истинность. Таким именно образом выделенная в особую дисциплину метафизика телесной природы оказывает незаменимые услуги всеобщей метафизике, доставляя примеры (конкретные случаи) для реализации понятий и основоположений этой последней (собственно говоря, трансцендентальной философии), то есть позволяя придать смысл и значение чисто мысленной форме.
Ньютон в предисловии к своим "Математическим началам натуральной философии" говорит (заметив сначала, что геометрия из постулируемых ею механических приемов нуждается лишь в двух, а именно в умении вычерчивать прямую линию и круг): геометрия гордится, что со столь малым, заимствуемым извне, она способна дать столь много { Gloriatur Geometria, quod tarn paucis principiis aliunde petitis tarn multa praestet. Newton, Princ. Phil. Nat. Math. Prae-fat.}. О метафизике можно было бы, наоборот, сказать: она огорчена тем, что со столь многим, предлагаемым ей чистой математикой, она все же может сделать сталь мало. Однако и это немногое есть то, без чего сама математика не может обойтись, когда ее применяют к естествознанию, а потому, будучи вынуждена заимствовать здесь у метафизики, она может не стыдиться, если их видят вместе.
Это выдержки из статьи Ю.Л. Климонтовича о Больцмане и Дарвине. Мы не приводим в тексте полного заглавия этой статьи, дабы не нанести урон той точке зрения, которую и хотим оттенить на фоне других превалирующих или традиционных взглядов, оформляющих целые тренды развития естественных наук.
"Людвиг Больцман назвал XIX столетие веком Дарвина. Он полагал тем самым, что теория эволюции Дарвина, основанная на принципе естественного отбора, является наиболее значительным открытием XIX века. В XIX веке были заложены и основы современной молекулярно-кинетической теории материи. Одним из ее основателей, наряду с Джеймсом Максвеллом, был сам Людвиг Больцман. Именно он предложил первое кинетическое уравнение для описания необратимых процессов в газах. При этом Больцман, фактически, радикально изменил модель макроскопической среды - разряженного газа. Вместо модели частиц газа, движение которых описывается системой обратимых уравнений Гамильтона, он использовал модель сплошной среды в шестимерном фазовом пространстве координат и компонент импульса. Больцман также ввел впервые и статистическое определение одной из основных характеристик термодинамики - энтропии. Он доказал знаменитую Н-теорему Больцмана, о возрастании энтропии во внешне замкнутой системе. Таким образом, Больцман характеризует систему не заданием координат и импульсов частиц газа, а функцией распределения частиц в шестимерном пространстве координат и импульсов. Больцман установил уравнение для этой функции распределения- кинетическое уравнение Больцмана. Точка сплошной среды, хотя ее размер и считается пренебрежимо малым по сравнению с характерными масштабами рассматриваемых в кинетической теории процессов, содержит большое число частиц. При переходе от уравнений для частиц системы к кинетическому уравнению сплошной среды теряется вся информация о движении частиц в пределах точек сплошной среды. С учетом внутренней незамкнутости удается переформулировать Н-теорему Больцмана с использованием функционала Ляпунова, который определяется разностью энтропий равновесного и неравновесного состояний. Наличие функционала Ляпунова показывает, что равновесное состояние, отвечающее максимуму энтропии является устойчивым. И все же именно Больцман определил XIX век, как век Дарвина. Тем самым на первое место он поставил теорию биологической эволюции. Теория эволюции Дарвина была первым шагом в теории эволюции открытых систем. Естественно, что возникновение Физики открытых систем было подготовлено трудами многих выдающихся исследователей. В их числе физик Людвиг Больцман, математики Анри Пуанкаре и Александр Ляпунов, и биолог Чарльз Дарвин. Принципиальным шагом в этом направлении была развитая Альбертом Эйнштейном, Марианом Смолуховским и Полем Ланжевеном теория броуновского движения - хаотического движения малых, но все же макроскопических частиц в жидкости. Его причиной являются толчки со стороны молекул жидкости. Средняя энергия броуновских частиц, в отличие от газа Больцмана, не остается неизменной. Система броуновских частиц, таким образом, представляет пример открытой системы."
Далее краткая биография Больцмана из открытой интернетовской библиотеки Википедии:
"Больцман (Boltzmann) Людвиг (20.2.1844, Вена, -- 5.9.1906, Дуино, близ Триеста), австрийский физик, один из основоположников статистической физики и физической кинетики Научные интересы Больцмана охватывали почти все области физики (и ряд областей математики). Автор работ по математике, механике, гидродинамике, теории упругости, теории электромагнитного поля, оптике, термодинамике и кинетической теории газов. Однако наибольшее значение имеют работы Больцмана по кинетической теории газов и статистическому обоснованию термодинамики. Б. обобщил (1868--71) полученный Дж. К. Максвеллом закон распределения скоростей газовых молекул на газы, находящиеся во внешнем силовом поле, и установил формулу "больцмановского распределения" (см. Больцмана статистика), которая проникла во все отделы статистической физики. Применяя статистические методы к кинетической теории идеальных газов, Больцма. вывел основное кинетическое уравнение газов, являющееся основой физической кинетики (см. Кинетика физическая). Важнейшая заслуга Больцмана -- исследование необратимых процессов и статистическая трактовка второго начала термодинамики. В 1872 Больцман ввёл т. н. Н-функцию, характеризующую состояние замкнутой макроскопической системы, и доказал, что с течением времени Н-функция не может возрастать (Н-теорема). Отождествив Н-функцию с энтропией S (с обратным знаком), Больцман связал энтропию с W -- вероятностью термодинамической: S = klnW. Это соотношение, выгравированное на памятнике Больцмана в Вене, даёт статистическое обоснование второму началу термодинамики и является основой статистической физики. Универсальная постоянная k названа в его честь Больцмана постоянной.
Больцман был убеждённым сторонником молекулярной теории. Он резко выступал против очень популярных в Австрии и Германии в конце 19 -- начале 20 вв. махизма и энергетизма, сторонники которого (Э. Мах, В. Оствальд и др.) отказывались от объяснения внутреннего механизма физических явлений и признавали лишь "чистое описание". Б. приходилось вести напряжённую идейную борьбу, чтобы отстоять право молекулярно-атомистической теории на существование; его труды не были приняты рядом его соотечественников. Возможно, это сыграло известную роль в трагическом конце Больцмана.
Далее приводятся выдержки из статьи Больцмана "О статистической механике":
"Я избрал темой моего доклада не просто кинетическую теорию молекул, но весьма узкую ее область. Я и не думаю отрицать, что эта область содержит много гипотетического; напротив, картина, ею рисуемая, смело выходит за рамки опыта. И тем не менее она заслуживает обсуждения с этой кафедры; так далеко идет мое доверие к гипотезам, когда они представляют в новом свете известные особенности наблюдаемых явлений и дают столь наглядную картину взаимоотношений между ними, какая недостижима другими средствами. Правда, мы не должны забывать, что это - гипотезы, способные к развитию и нуждающиеся в нем. Но отказаться от них мы должны будем тогда, и только тогда, когда все устанавливаемые объяснения будут заменены другими, более ясными и понятными.
К вопросам, упомянутым мною выше, столь старым, как сама наука, но не решенным еще и поныне, относится и вопрос о том, является ли материя непрерывной или состоит из дискретных частей (из большого, но не из бесконечно большого в математическом смысле числа индивидуумов). Это - трудный вопрос, лежащий на границе физики и философии.
Еще сравнительно недавно естествоиспытатели избегали заниматься обсуждением подобных вопросов. Но этот вопрос является для естествознания слишком важным, чтобы его можно было обойти молчанием. Его же нельзя обсуждать без того, чтобы не затронуть и ряд других, например: о сущности закона причинности, материи, силы и т. д., о которых как раз и говорили, что они не касаются естествоиспытателей и что их нужно предоставить целиком философии. В настоящее время положение вещей изменилось, и натуралисты с особой любовью занимаются обсуждением философских вопросов. И они совершенно правы. Первое правило при исследованиях природы - это никогда слепо не доверяться инструментам, с которыми работаешь; их следует тщательно проверять со всех сторон. Каким же образом мы можем верить прирожденным или исторически развивавшимся в нас понятиям и мнениям, тем более, что имеется много примеров, когда они вводили нас в заблуждение? Где же лежит граница между естествознанием и философией, на которой мы должны остановиться при рассмотрении элементарнейших начал?
Я надеюсь, что ни один из присутствующих философов не будет в претензии и не сочтет за упрек, если я чистосердечно скажу, что предоставление этих вопросов философии было, по всей вероятности, неудачным опытом. Философия сделала удивительно мало для их разъяснения. Исходя из своей односторонней точки зрения, она сделала так же мало, как и естествознание. Благоприятных результатов можно ожидать здесь только при взаимной поддержке обеих наук.
Мы будем исходить только из данных опыта и при образовании наших понятий и установления связи между представлениями не будем обращать внимания ни на что другое, кроме достижения наиболее адекватного выражения того, что дано нам в опыте. Что касается первого пункта, то самые разнообразные факты теории тепла, химии и кристаллографии указывают, что пространство, которое заполнено, по видимости, непрерывными телами, отнюдь не однородно и не заполнено материей непрерывно, но что в нем находится чрезвычайно большое количество отдельных индивидуумов - молекул и атомов, которые хотя и очень малы, но не бесконечно малы в математическом смысле этого слова. Мы можем вычислить их величину с помощью различных, совершенно не связанных между собою методов и всегда получаем одинаковый результат.
Мы будем здесь следовать установленным нами раньше философским принципам и потому постараемся возможно беспристрастнее исследовать самый процесс образования понятия и попытаемся сформировать его без противоречий и возможно целесообразно.
Тогда окажется, что мы не в состоянии определить бесконечность иначе, как предел все время возрастающей конечной величины; по крайней мере до сих пор никому не удавалось дать более или менее ясное понятие о бесконечности другим способом. Следовательно, если мы хотим описать континуум словами, мы должны обязательно мысленно представить себе большое, не конечное число частиц, имеющих определенные свойства, и исследовать комплекс, состоящий из этих частиц. Известные свойства этой совокупности могут приближаться к определенному пределу вместе с ростом числа частиц и с убыванием их величины. Тогда об этих свойствах можно будет утверждать, что он принадлежат также к континууму, и по моим воззрениям этo и будет единственно возможное непротиворечивое определение континуума, имеющего данные свойства.
Процесс мышления, при котором мы сначала исследуем свойства некоторого конечного комплекса, а затем даем возможность расти числу членов, составляющих этот комплекс, остается одним и тем же в обоих случаях; и если, как это часто случается, за исходный пункт физической теории принимается дифференциальное уравнение, то это есть не что иное, как сокращенное с помощью алгебраических знаков выражение того же самого процесса мышления.
Составные части нашего комплекса, дающего нам картину материальных тел, мы не можем считать находящимися все время в абсолютном покое, потому что тогда не было бы вообще никакого движения; мы не можем считать их находящимися и в относительном покое в одном и том же теле, так как иначе мы не могли бы понять свойств жидкостей. Далее, еще никому не удалось представить себе эти части, иначе чем подчиняющимися общим законам механики. Поэтому мы и выбираем для объяснения явлений природы совокупность очень большого числа очень малых, непрерывно движущихся и подчиняющихся, законам механики изначальных индивидуумов. Против этого воззрения было высказано возражение, которое мы можем сделать исходным пунктом соображений, являющихся конечной целью настоящего доклада. Уравнения механики совершенно не меняются, если изменить в них знак перед выражением времени. Поэтому все чисто механические процессы могут протекать как в одном направлении возрастающего времени, так и времени убывающего. Но мы уже в обыденной жизни замечаем, что прошедшее и будущее связаны не так, как направления направо и налево, но между родами этой связи имеется значительная разница.
Более точно этот вопрос ставится так называемым вторым законом механической теории тепла. Последний гласит, что когда произвольная система тел будет предоставлена самой себе и не подвержена действию других тел, то всегда может быть указано направление, в котором будет происходить каждое изменение состояния. Можно составить некоторую функцию состояния всех тел, энтропию, имеющую то свойство, что всякое изменение состояния будет происходить только в направлении, связанном с возрастанием этой функции, так что с течением времени она может только расти. Правда, так же, как принцип Галилея, этот закон получен путем абстракции, потому что невозможно получить систему тел, совершенно не подверженную воздействию других тел. Но так как вместе с другими законами он приводит нас всегда к верному результату, то мы считаем его справедливым так же, как мы это делаем по отношению к галилеевскому принципу.
Чтобы найти такие подходящие допущения, мы должны принять во внимание то, что мы предполагали для объяснения кажущихся непрерывными тел, а именно, что из каждого сорта атомов или общих механических индивидуумов чрезвычайно большое число должно находиться в самых разнообразных начальных положениях. Для математической обработки этого предположения была создана особая наука, имеющая своей целью не исследование движений единичной механической системы, но нахождение свойств целого комплекса многочисленных механических систем, исходящих из самых разнообразных начальных состояний. Честь систематизировать эту науку, изложить ее в стройном сочинении и дать ей характерное имя принадлежит одному из величайших американских ученых, быть может, величайшему в области абстрактного мышления и теоретического исследования,- Вилларду Гиббсу2, недавно умершему профессору Иэльского колледжа. Он назвал эту науку статистической механикой. Она распадается на две части. В первой части исследуются условия, при которых внешние свойства комплекса очень значительного числа механических индивидуумов не меняются, несмотря на оживленное движение этих индивидуумов. Эту часть я бы назвал статистической статикой. Вторая часть вычисляет постепенное изменение этих внешних свойств, если первые условия не соблюдены,- это я бы назвал статистической динамикой. Мы здесь не будем касаться той перспективы, какая открывается при применении этой науки к статистике живых существ, человеческого общества, к социологии, а не только к механическим тельцам, а только укажем на это.
Дело в том, что наука эта основывается на теории вероятностей. Последняя, правда, столь же точна, как и всякая другая математическая наука, если только дано понятие о равновероятных событиях. Но последнее понятие, как понятие основное, не может быть выведено из более простого и должно быть рассматриваемо, как данное; следовательно, дело обстоит так же, как в формулах метода наименьших квадратов, которые безупречны только при известных допущениях о равновозможных элементарных ошибках. Этими принципиальными затруд нениями объясняется, что даже наиболее простой результат статистической статики - доказательство максвелловского распределения скоростей между молекулами газа - до сих пор многими оспаривается.
Основные положения статистической механики являются строгими следствиями допущений и поэтому всегда будут оставаться справедливыми, как все строго обоснованные математические выводы. Но их приложение к объяснению явлений природы представляет прототип физической гипотезы. Если мы будем исходить из простейших основных предположений о равновозможных событиях, то найдем, что явления в агрегатах очень большого числа индивидуумов подчиняются тем же законам, что и действительные явления в природе. Поступательные и вращательные видимые движения должны постепенно все более и более переходить в невидимые движения мельчайших частиц, в так называемые тепловые движения, о которых Гельмгольц так характерно говорит: "упорядоченные движения всегда переходят в неупорядоченные; смесь различных веществ так же, как смесь различных температур, так же, как смесь более или менее оживленных молекулярных движений, должна переходить в более равномерное распределение". Что такое смешение с самого начала не было вполне совершенным, что мир, напротив, исходил из очень маловероятного начального состояния, это можно считать основной гипотезой всей теории, и можно сказать, что причина этого столь же мало известна, как и вообще причина, почему мир таков, каков он есть, а не иной. Здесь, однако, возможна и другая точка зрения: состояние, связанное с большой разностью скоростей, с большой разницей температур, является теоретически не абсолютно невозможным, оно только мало вероятно. Если мы, поэтому, предположим мир достаточно великим, то в нем, согласно законам теории вероятностей, могут появляться места размерами с наш звездный мир с маловероятным распределением состояний. Как при их образовании, так и при их разрушении временное течение процессов будет односторонним, и если в этих местах находятся мыслящие существа, то они должны получить о времени то же самое представление, какое имеем мы, несмотря на то, что течение времени для всего мира может быть и не односторонним процессом. Развитая здесь теория выходит из рамок опыта, но она обладает тем качеством, которое должна иметь подобная теория, а именно - она представляет нам данные опыта в очень своеобразном освещении и побуждает к дальнейшим размышлениям и исследованиям. В противоположность первому закону, второй принцип представляется, таким образом, простой теоремой теории вероятностей, на что указано было Гиббсом еще в 70-х годах прошлого столетия.
Я не избегал здесь философских вопросов в твердой надежде, что единодушное сотрудничество философии и естествознания даст новую пищу обеим наукам. Более того, я убежден, что только таким образом можно достигнуть действительно последовательных умозаключений. Если Шиллер обращался к естествоиспытателям и философам своего времени со словами: "да будет между нами вражда, еще рано заключать нам союз", то я думаю, что я ему не противоречу, если утверждаю, что теперь настало время для заключения между ними союза."
В математической физике, теорема Лиувилля, названная по имени французкого математика Жозефа Лиувилля, является ключевой теоремой в статистической и гамильтоновой механике. Она гласит, что функция распределения в фазовом пространстве постоянна вдоль траекторий системы - плотность точек системы около данной точки системы, движущихся через фазовое пространство постоянно во времени.
Функция распределения постоянна вдоль любой траектории в фазовом пространстве.
Эта процедура, часто используемая, чтобы получить квантовые аналоги классических систем, вовлекает описание классической системы, используя гамильтоновую механику. Классическим переменным тогда дают иное толкование, а именно, как квантовые операторы, в то время как скобки Пуассона заменены коммутаторами. В этом случае получается уравнение для ? матрицы плотности.
Уравнение Лиувилля верно для равновесных и неравновесных систем. Это фундаментальное уравнение неравновесной статистической механики. Обобщение на системы со столкновениями называется уравнением Больцмана.
Уиллард Гиббс
Обычной точкой зрения в изучении механики является та, при которой внимание направлено главным образом на изменения, происходящие с течением времени в данной системе. Основной проблемой является определение состояния системы по отношению к скоростям и конфигурации в любой требуемый момент, если ее состояние в этих отношениях было задано для некоторого определенного момента времени и основные уравнения выражают изменения, непрерывно происходящие в системе. Исследования такого рода часто упрощаются путем рассмотрения иных состояний системы помимо тех, через которые она действительно или по предположению проходит; но наше внимание обычно не выходит за пределы состояний, бесконечно мало отличающихся от тех, которые рассматриваются как действительные.
Для некоторых целей, однако, желательно принять более широкую точку зрения. Мы можем представить себе большое число систем одинаковой природы, но различных по конфигурациям и скоростям, которыми они обладают в данный момент, и различных не только бесконечно мало, но так, что охватывается каждая мыслимая комбинация конфигураций и скоростей. При этом мы можем поставить себе задачей не рассматривать прохождение определенной системы через всю последовательность ее конфигураций, а установить, как будет распределено все число систем между различными возможными конфигурациями и скоростями в любой требуемый момент, если такое распределение было задано для какого-либо момента времени.
В дальнейшем статистические исследования, по выражению Максвелла, были распространены на фазы (или состояния по конфигурации и скорости), сменяющие одна другую в данной системе с течением времени. Явное рассмотрение большого числа систем, их распределения по фазам и постоянства или изменения этого распределения с течением времени впервые встречается, вероятно, в статье Больцмана. Свойства канонически распределенных ансамблей систем по отношению к равновесию новых ансамблей, которые могут быть образованы путем комбинирования каждой системы одного ансамбля с каждой системой другого, не являются, таким образом, характерными только для них, поскольку аналогичные свойства могут принадлежать и многим другим распределениям.
Лагранж
Общий закон равновесия машин заключается в том, что силы относятся друг к другу обратно отношению скоростей точек, к которым они приложены, причем скорости должны измеряться по направлению этих сил. В этом законе заключается положение, которое обычно называют принципом виртуальных скоростей.
Интерес к трудам Гиббса связан с разными обстоятельствами исторического и научного характера. Термодинамика Кельвина-Клаузиуса, а также ее аксиоматическая форма, предложенная К.Каратеодори уже после кончины Гиббса, представляла собой законченную теорию. Но она не могла рассматриваться как достаточная основа для применения термодинамики в решении широкого круга естественнонаучных проблем, включая химические задачи. Основу современной химической термодинамики составляет теория Гиббса, объекты которой - многокомпонентные гетерогенные системы с переменными массой и составом, химическими превращениями и фазовыми переходами. С методологической точки зрения термодинамика Гиббса представляет собой самостоятельную логическую структуру с элементами аксиоматики.
Если говорить о термодинамике, то только в последние годы жизни Гиббс все-таки решил издать в более доступной форме "О равновесии гетерогенных веществ". Задуманное не было осуществлено, о чем можно сожалеть, потому что развитие термодинамики шло бы значительно интенсивнее. Но в ранние годы Гиббс не проявлял особого желания переиздать свои труды, адаптировав для широкого круга читателей. А предложения исходили даже от таких видных современников, как Дж.У.Рэлей. Он писал:
"Думали ли Вы издать какой-нибудь новый трактат, основанный на "Равновесии гетерогенных веществ"? Первая версия, хотя она и привлекает внимание, которого заслуживает, слишком сжата и трудна не только для большинства, но, можно сказать, для всех читателей. Я уверен, что нет никого, кто мог бы написать книгу по термодинамике так, как Вы сами".
Гиббс отвечал:
"Лично я пришел к выводу, что вся ошибка состояла в том, что книга вышла чересчур пространной Мне кажется, что когда я ее писал, у меня не было чувства времени как собственного, так и чужого" *.
Имена Гиббса и Гельмгольца в термодинамике тесно связаны, вспомним хотя бы уравнения Гиббса-Гельмгольца. Мы просто вынуждены предположить, что излюбленное место прогулок Гельмгольца - Философская тропа в горах над р.Неккар - было и местом многократных случайных встреч с молодым Гиббсом. Через два года после возвращения домой он назначается профессором математической физики Йельского университета и остается на этой должности до самой кончины, последовавшей 28 апреля 1903 г. Гиббс вел спокойную размеренную жизнь по раз и навсегда установленному режиму. Какие-либо поездки исключались, он любил пешие прогулки в одиночестве по окрестным живописным горам.
Хорошо известны отдельные факты, например лаконичное выступление в дискуссии "Математика - это язык" или приготовление салатов в качестве специалиста по гетерогенным равновесиям. Гиббс был счастливым человеком. Больцман называл его "одним из великих американских ученых, быть может, величайшим в области абстрактного мышления и теоретических исследований"
Сам Гиббс говорил, что одной из главных целей теоретического исследования в любой области знаний является поиск той точки зрения, с которой предмет предстает в его наибольшей простоте.
А.Мюнстер: "Знак неравенства (часто вызывающий недоразумения) относится к случаю, при котором возможны только односторонние виртуальные смещения и поэтому нельзя решить, является ли равновесное значение энтропии стационарной точкой в математическом смысле"
Р.Хаазе: "В литературе знак неравенства в формуле зачастую опускают, ограничивая возможные отклонения двусторонними изменениями, и представляют эти отклонения как обратимые изменения состояния в смысле равенства Это совершенно неправильно, так как возможное отклонение от равновесия соответствует не только обратимому, но и неосуществимому изменению состояния.
Знак равенства в случае двустороннего изменения потому имеет место, что наибольшее значение энтропии обусловливает стационарную точку..."
Позже Пригожин неоднократно подчеркивал необходимость глубокого анализа 2-го начала. Например, в нобелевской лекции он говорил: "И через сто пятьдесят лет после его формулировки второй закон термодинамики все еще представляется скорее программой, а не хорошо разработанной теорией в обычном смысле, так как ничего точного (кроме знака) о производстве энтропии не говорится. Даже область справедливости этого неравенства остается неопределенной".
Дэвид Бом
Так, уже получив степень доктора в 1943 году, он приступает к занятиям физикой плазмы и с удивлением для себя обнаруживает, что электроны в плазме больше не ведут себя как отдельные частицы, а, скорее, как часть какого-то большего, взаимосвязанного целого. Как свидетельствует его друг и коллега Дэвид Пратт, позднее он часто делился своим впечатлением и отмечал, что электронное море казалось ему в некотором смысле живым. Это впечатление возникло у него и немного позднее, когда он перешел в 1947 году в Принстон и занялся изучением поведения электронов в металлах.
В значительной степени поворотным для Бома стало начало 50-х. В 1951 году он пишет свой классический труд "Квантовая теория", по праву считающийся одним из лучших изложений ортодоксальной, копенгагенской интерпретации квантовой механики. А. Эйнштейн, получив экземпляр книги, восторженно заявил, что никогда не видел столь ясного представления квантовой теории. Но сам Бом, еще когда только завершал свой труд, стал очень сильно сомневаться в справедливости именно такой интерпретации квантовой механики. Его сомнения укрепились после продолжительных обсуждений этой темы с Эйнштейном, который, как известно, был непримиримым оппонентом лидера копенгагенской школы Нильса Бора. И уже через год Бом публикует две статьи с изложением основных идей того, что позднее получило название причинной интерпретации квантовой механики, которая, как он сам говорил, "открывала двери для созидательного действия подлежащих, более тонких уровней реальности". Эту теорию еще называют квантовой теорией с локальными скрытыми переменными.
Эта была первая теоретическая манифестация его глубокой, почти мистической веры в то, что за всеми случайностями феноменального мира стоит некая скрытая, более тонкая, гармонизирующая целое Вселенной реальность. И над этой идеей в тех или иных вариантах он продолжал работать до конца своей жизни. Отвергая индетерминизм ортодоксальной квантовой теории, Бом полагал, что частицы двигаются по вполне однозначным траекториям, но определяемым не только обычными физическими законами, но и тем, что он назвал "квантовым потенциалом", управляющим движением частицы посредством так называемой "активной (или действующей) информации" обо всем окружении данной частицы, т.е. о Вселенной в целом. Бом сравнивал такое движение с кораблем, ведомым с помощью радара. Важным свойством квантового потенциала является то, что он не зависит от расстояния и, таким образом, обеспечивает прямую взаимосвязь между квантовыми системами. Это было, пожалуй, первым введением информации в саму ткань физической теории, что в настоящее время представляет собой фактически постулат квантовой теории информации и вычислений.
В 1959 году, еще работая в Бристоле, Бом и его студент Якир Ааронов открывают замечательный пример квантовой взаимосвязанности, эффект, получивший название эффекта Ааронова-Бома. Его суть заключается в том, что при определенных условиях электроны способны как бы "чувствовать" наличие магнитного поля, даже двигаясь в зонах, где само поле было нулевым. Эффект был подтвержден многочисленными экспериментами, но скептицизм многих физиков в отношении его не преодолен до сих пор.
Предложенная Бомом причинная интерпретация квантовой механики имела далеко идущие последствия не только на дальнейшее развитие его собственных взглядов, но и на развитие квантовой физики в целом. Причина в том, что, в отличие от множества других интерпретаций квантовой механики (например, волновой механики Шрёдингера или матричной механики Гейзенберга-Борна), просто надстраивающихся над существующим формализмом теории, теория Бома предполагала не только иной взгляд на саму квантовую реальность, но и иной способ ее описания, а, стало быть, и детектируемые экспериментальные следствия, отличные от предсказываемых обычной квантовой механикой.
Квантовая механика существенно нелокальна. Это, в частности, имеет то, для нас уже эпохальное, последствие, что две квантовые системы, взаимодействовавшие в какой-то момент времени (т.е. образовывавшие в этот момент единую квантовую систему), будут продолжать оказывать взаимное влияние и в последующие моменты, независимо от того, как далеко друг от друга они будут находиться (хоть на бесконечности). Такие состояния получили названия "спутанных" состояний (entangled states) и именно они лежат в основе современных квантовой криптографии, коммуникации, телепортации, вычислений.
Ветвистые вселенные Хью Эверетта III
По крайней мере, уже в 12 лет он написал "ученое" письмо самому Эйнштейну, который в своем ответе отметил завидную остроту ума юного дарования. Эйнштейн угадал правильно: именно это качество отличало Эверетта всю его жизнь.
По окончании школы Эверетт поступает на инженерно-химический факультет Католического Университета Америки (Вашингтон) и в 1953 году получает диплом бакалавра Magna Cum Laude. Получив поддержку Национального Научного Фонда и военного ведомства, Эверетт продолжает учебу в Принстонском университете, где в 1954 году на втором курсе аспирантуры переходит под руководство знаменитого Джона Арчибальда Уилера, одного из ведущих разработчиков американского ядерного проекта и, пожалуй, самого остроумного физика ХХ века. В какой-то мере это и предопределило неоднозначную научную судьбу Хью Эверетта III.
Собственно, в определенной мере теория, которая сделала Эверетта знаменитым, и была порождением его безудержного остроумия на пирушке, которую в 1954 году устроили Эверетт, Чарльз Мизнер и ассистент Нильса Бора Ааг Петерсен. Физики развлекаются по-своему. В этот раз Мизнер и Петерсен экзаменовали славящегося своей находчивостью Эверетта каверзными вопросами о парадоксах квантовой механики. Эверетт в ответ просто разгромил готовую диссертацию Мизнера (тот вынужден был разработать новую теорию) и на ходу сформулировал тезисы, ставшие основой его будущей теории.
Уже в сентябре 1955 года молодой аспирант представил Уилеру три статьи, в одной из которых был изложен первый вариант теории. Учитель высоко оценил работы, но направлять их в печать не спешил, так как небезосновательно опасался дилетантских перетолкований. Но степень магистра Эверетт в этом году получает.
В январе 1956 года Эверетт рассылает на рецензию свою 137-страничную работу "Теория вселенской волновой функции", на которую, судя по благодарностям в диссертации "Об основаниях квантовой механики", представленной в Принстон 1 марта 1957 года, прислали отзывы Бор, Греневальд, Петерсен, Штерн и Розенфельд.
Осенью 1956 года Эверетт принимает приглашение основать и возглавить Группу оценки систем вооружений Пентагона. В это время его увлекают компьютеры, и он прилагает массу усилий для выбивания из генералов финансирования на компьютеризацию. Публикует, в основном, статьи по теории игр, разрабатывает множество алгоритмов (наиболее эффективные из них получили название "алгоритмов Эверетта") и решает огромное множество задач от тактики ядерной войны до геополитических стратегий и от изучения НЛО до бизнес-планирования. Сам Эверетт очень гордился созданным им самим в конце 50-х - начале 60-х годов текстовым редактором.
В начале 1957 года, следуя рекомендациям Уилера, перерабатывает свою рукопись 1956 года в статью "Формулировка квантовой теории в терминах "соотносительных состояний"", к которой Уилер написал послесловие. В марте учитель и ученик разослали свои статьи на рецензии. Ответы прислали Петерсен, Греневальд и Норберт Винер. В июле статьи были опубликованы в Reviews of Modern Physic (Vol. 29, No. 3). Любопытно, что свои революционные пассажи о расщеплении и ветвлении миров Эверетт вставил уже в гранках и, скорее всего, без особого одобрения со стороны Уилера.
Эта встреча фактически положила конец активным занятиям Эверетта квантовой физикой и одновременно стала началом нового поворота (или ветвления) в его судьбе. Пытаясь в копенгагенском отеле "Остерпорт" заглушить свое разочарование с помощью веселящих напитков, Эверетт неожиданно приходит к идее применения множителей Лагранжа для решения оптимизационных задач. Черновик был набросан тут же на фирменных отельных листках, и в мае-июне 1963 года в "Operations Research" появилась соответствующая статья.
Согласно формализму квантовой механики, предоставленный самому себе квантовый объект может с некоторой вероятностью находиться сразу во всех допустимых для этого объекта состояниях, например, сразу во множестве положений в пространстве. Однако в момент наблюдения этот объект всегда обнаруживается в каком-то одном из допустимого множества состояний. Дело выглядит так, как будто функция, описывающая состояние микрообъекта, функция состояния или волновая функция, первоначально размытая по всему пространству состояний, в момент измерения мгновенно стягивается к какому-то определенному значению, и вероятность обнаружить микрообъект именно в этом состоянии задается квадратом модуля амплитуды функции состояния. Это явление получило название редукции или коллапса волновой функции. Даже вне обсуждения вопроса о физической реальности в квантовой механике и физического статуса волновой функции такое объяснение выглядело как контринтуитивное и не давало покоя многим теоретикам. Так, несколькими годами ранее Эверетта свою версию квантового реализма предложил Дэвид Бом.
Хью Эверетт предположил, что всякий микрообъект одновременно существует во множестве экземпляров, каждый из которых принадлежит своей особой параллельной вселенной, в которой ее поведение вполне детерминировано, и в момент измерения/наблюдения из этого множества миров выделяется один и именно тот, в котором этот микрообъект наблюдается. Но почему же тогда поведение микрообъектов имеет вероятностную природу?
Важный пункт расхождения с теорией коллапса фон Нейманна-Дирака заключался в том, что в теорию явным образом вводился сам наблюдатель, субъективные переживания которого трактовались также как состояния некоторой физической системы, соотносимые с состояниями наблюдаемого микрообъекта. Отсюда и понятие "соотносительных состояний" (relative states) в названии Эвереттовой интерпретации. По мысли Эверетта, только такой подход позволял бы описывать и всю вселенную как целое, так как она необходимо включает самого наблюдателя. Именно взаимодействие наблюдателя и его измерительных приборов с наблюдаемыми объектами, которое меняет как состояние наблюдателя и приборов, так и объекта, ответственно за вероятностный исход наблюдений. Как пишет сам Эверетт, "формальная теория объективно является непрерывной и причинной, тогда как субъективно она прерывна и вероятностна".
Самым фантастическим выводом из сделанных предположений является то, что всякий акт измерения (по сути, взаимодействия двух или большего количества квантовомеханически эволюционирующих систем) изменяет состояние и всей вселенной так, что "исходная" вселенная начинает ветвиться или расщепляться в соответствии с исходом каждого измерения на все увеличивающуюся серию параллельных вселенных, впрочем, взаимно ненаблюдаемых, но эволюционирующих вполне детерминистично до очередного расщепления.
"Эверетт выдвинул гипотезу для объяснения некоторых экстравагантных свойств квантового мира - например, того факта, что элементарная частица может, теоретически говоря, находиться сразу во многих местах пространства (с разной вероятностью в каждом из них), меж тем как измерение обнаруживает ее только в каком-то одном. В то время как Бор и другие представители так называемой Копенгагенской школы утверждали, что в момент измерения частица "мгновенно стягивается" в это место благодаря воздействию измерительного прибора, Эверетт высказал мысль, что каждая элементарная частица является в действительности совокупностью множества идентичных частиц - сегодня мы бы сказали "клонов" - в том смысле, что она одновременно принадлежит множеству параллельных вселенных, в каждой из которых находится на каком-то из мест; а в момент измерения, то есть фиксации частицы в данном месте, воздействие измерительного прибора "выделяет" из всего этого множества вселенных, то есть делает реальной какую-то одну, в которой исследуемая частица обнаруживается там, где она именно в этой Вселенной. Конечно, мысль о множестве параллельных вселенных может показаться чересчур фантастичной. Напомним, однако, что толкование "копенгагенцев" фантастично почти в той же мере, хотя и в ином роде. Ведь оно предполагает, что на каком бы расстоянии ни находились возможные места расположения частицы, все равно - в момент измерения, обнаруживающего ее в одном определенном месте, она стягивается к этому месту "мгновенно", то есть - в случае очень больших расстояний - со скоростью, превосходящей скорость света. А поскольку скорость света, как предельная в природе, определяет собой последовательность причин и следствий, то возможность ее превышения делает возможными ситуации, когда следствия будут происходить раньше своих причин!"
2. Теоретико-множественные модели и игровые стратегии в математике
Кантор
Фон Нейман
Улам
Конец формы
Станислав Улам.
Вопрос о существовании во многих структурах малого числа элементов, образующих подгруппы или подсистемы всюду плотные в структуре (то есть, выражаясь популярным языком, задача выбора из всего бесконечного многообразия объектов нескольких таких объектов, сочетанием которых можно получить с очень малой погрешностью, все другие объекты). За этим последовал наш не лишенный честолюбия штурм проблемы существования эргодических преобразований. Понятия и определения, связанные с этим вопросом, были заложены Больцманом ещё в ХIХ веке, пятью годами раньше его изучение составило центральную тему в работе фон Неймана, за которой последовали более впечатляющие результаты Дж. Д. Биркгофа. В своих работах, покончивших с затянувшейся неопределенностью, а также в книге о динамических системах Биркгоф ввел понятие "транзитивности". Окстоби и я работали над завершением этой проблемы, доказывая существование пределов в самой эргодической теореме.
Чтобы завершить разработку фундаментальных основ в отношении статистической механики, связанной с эргодической теоремой, нужно было доказать существование и, что более существенно, преобладание эргодических преобразований. Сам Дж. Д. Биркгоф работал над частными случаями динамических задач, но общих результатов все еще не было. Мы же хотели показать, что в каждом многообразии (пространстве, с помощью которого представлены все возможные состояния динамической системы) - в том его виде, в котором оно используется в статистической механике - эргодическое поведение закономерно.
Винер и Пэли написали книгу, рассматривающую вопросы суммируемости преобразований Фурье.
Джонни исследовал элементы непрерывных геометрий, которые не являются тем, что обычно принято считать "точками" в евклидовом пространстве; эта, так сказать, "бесточечная геометрия" - название, послужившее объектом для многочисленных нехитрых шуток.
Меня же никогда особо не интересовали чисто "грамматические" подходы. Вещи не затруднительные, которые легко представить на листе бумаги, кажутся мне менее интересными, чем вещи, имеющие под собой более реальную физическую основу или же основу абстрактную, но все же каким-то образом более "осязаемую". Должен признать, что, конечно, в некоторых случаях формализм как таковой, бесспорно, имеет огромную ценность - к примеру, он важен в методе, а точнее в системе обозначения диаграмм Фейнмана в физике. Идея здесь чисто типографическая, и сама по себе она не вносит ничего осязаемого в физическую картину, но, тем не менее, если система обозначений умело разработана, она может подтолкнуть ваши мысли в те направления, которые, возможно, окажутся полезными, новыми или даже ключевыми. Помимо этого существует (и является чрезвычайно важной) магия "алгоритмов", то есть символизм в математике. В самом вычислении раскрывается все чудо этой магии. Различные преобразования, генерирующие функции и другие тому подобные вещи происходят в математических приложениях каким-то почти сверхестественным образом.
Сколь огромно значение привычки! Она может в значительной степени определить характеристики или же природу самого мозга. Привычки влияют и, возможно, в существенной мере определяют выбор хода мыслей в работе человека. Стоит им укорениться (это, по моему мнению, может произойти очень быстро - иногда достаточно лишь несколько раз поддаться искушению), соответствующие "связи", "программы", "подпрограммы" тут же закрепляются.
Великая теория множеств Кантора, которая. Будучи технологически очень простой, несложной и незапутанной, концептуально очень глубока и замечательна.
Слово "клубиться" обозначает движение, к примеру, дым, при котором клубы дыми порождают друг друга. В природе оно почти столь же обыденно, как и движение волн, однако это слово может дать жизнь целой теории преобразований и новой гидродинамике.
Вундхайлера интересовала геометрия датского математика Схоутена, которая по Уламу была слишком формальной и символьной. Обозначения в ней были настолько запутанными, что я не преминул посмеяться над ее формулами, сказав, что они описывают геометрический объект всего-навсего как символ, как букву, "увешанную" справа и слева, сверху и снизу разнообразными индексами - словно игрушками на рождественской елке.
Во многих случаях математика - это бегство от реальности. Математики находят убежище в своем собственном монастыре и обретают счастье в занятиях, не связанных с мирскими делами. Для некоторых занятие математикой подобно принятию наркотика. Иногда похожую роль играют шахматы. Тем не менее, нельзя с уверенностью утверждать, что это единственный ответ; для многих других математика - это то, что получается у них лучше всего.
Как-то раз я отбил очередную атаку Биркгофа на иностранцев, сказав: "Скажите, какое удовольствие Вы находите в игре, исход которой зависит не от мастерства Вашего соперника, а от внешних обстоятельств? В чем удовольствие от победы в шахматах, одержанной над игроком, который вынужден делать неверные ходы, потому что нуждается в помощи своего соперника?"
Тогда мне пришло на ум, что одно время я размышлял над математикой, описывающей виды, которые могли бы иметь траектории небесных тел относительно движущейся системы координат и то, как с помощью соответствующего движения наблюдателя можно представить орбиты сложной конфигурации в виде более простых, принимая, что сам наблюдатель при этом находится в движении. Я назвал этот вопрос "Коперниковой задачей". Эта тема по сути действительно обозначает ряд топологических и метрических вопросов, исследовав которые, я получил ряд простых результатов.
Человек помнит доказательство благодаря тому, что он запоминает последовательность "приятных" и "неприятных" его моментов - простых и сложных. Сначала натыкаешься на трудность и делаешь усилие, чтобы одолеть ее, затем какое-то время все идет само-собой и вдруг вновь какая-то новая особенная хитрость, которую нужно запомнить. Это как идти по лабиринту, пытаясь запомнить повороты.
У Эверетта было одно качество ума, имевшее, так сказать, не вполне аддитивные следствия: настойчивость в размышлении. Непрерывное или почти непрерывное размышление в течение часа, во всяком случае для меня, да и, я думаю, для многих других математиков, более эффективно, чем размышление в течение двух получасовых интервалов. Вы словно взбираетесь по скользкому склону. Если остановитесь, то начинаете скользить вниз. И Эверетт обладал такой длительной выносливостью.
Эрдеш был несколько ниже среднего роста, очень нервный и беспокойный. В то время он существовал в своем вечном движении еще активнее, чем сейчас. - то и дело подпрыгивая и размахивая руками. Такие его выражения, как "эпсилон" в значении "ребенок", "раб" и "босс" для, соответсвенно, "мужа" и "жены", "захват" - "брак", "проповедь" - "лекция" и множество других известных сейчас во всем математическом мире.
Джонни сказал о том, что ведется одна крайне увлекательная работа, в которой я мог бы сослужить хорошую службу.
Не знаю почему - была ли то чистая случайность, невероятное совпадение или верно сработавшая эрудиция - но я тогда в шутку предостерег его: "Как ты знаешь, Джонни, я не очень сведущ ни в машиностроении, ни в экспериментальной физике, в действительности я не представляю даже, как работает сливной бачок в туалете, знаю только, что там происходит что-то вроде автокаталитического эффекта". Уже потом я узнал, что на самом деле слово "автокаталитический" употреблялось в связи с проектом атомной бомбы.
Затем произошло еще одно совпадение. Я сказал "Недавно я прочитал работу о ветвящихся процессах". В этой работе, написанной каким-то шведским математиком, рассматривались процессы, в которых частицы размножаются также, как к примеру, бактерии. Это была довоенная работа - изящная теория вероятностных процессов. Тут тоже можно было установить связь с математикой деления нейтронов. И Джонни вновь уставился на меня с изумлением и вяло улыбнулся.
Поскольку Джонни не мог и не собирался говорить мне, куда он едет, и упомянул только, что это юго-запад, я вспомнил старый еврейский анекдот о двух евреях из России, едущих в поезде. Один спрашивает другого: "Куда ты едешь?", а тот отвечает ему: "В Киев". На что первый говорит: "Ты лжец, ты говоришь мне, что едешь в Киев, чтобы я подумал, что ты на самом деле едешь в Одессу. Но я-то знаю, что ты едешь в Киев, так зачем же ты меня обманываешь?"
На доске были написаны длиннющие формулы, которые внушали мне ужас. Джонни прелставил меня человеку с косматыми бровями Эдварду Теллеру. Увидев всю эту сложность анализа, я был ошарашен и боялся, что никогда не смогу сделать хоть какой-то собственный вклад. Но когда я увидел, что эти уравнения изо дня в день оставались такими же, а не менялись ежечасно, как я предполагал вначале, ко мне вернулась и моя уверенность и надежда на то, чсто и я со своей стороны смогу сделать что-то в теоретической работе.
Как однажды выразился Фейнман Ханс Бете в своей работе в Лос-Аламосе, исполненный строгости и решительности, он был подобен невозмутимо плывущему вперед линкору, окруженному флотилией более мелких судов - более молодых теоретиков лаборатории.
Однажды я в шутку заметил Фейнману: "Когда-нибудь люди обнаружат, что один кубический сантиметр вакуума в действительности стоит 10000 долларов - ведь именно такому количеству энергии он эквивалентен". Он тут же согласился и добавил: "Верно, но это, безусловно, должен быть чистый вакуум!" И в самом деле, людям сейчас уже известно о поляризации вакуума. Существующая между двумя электронами и двумя протонами сила равна не е квадрат на эр квадрат, а бесконечному ряду, первым членом которого является это отношение. Она работает "сама на себя", как два почти-параллельных зеркала, показывающих "уходящие в бесконечность" отражения отражений.
Меня интересовала чисто типовая задача дерева разветвлений, в котором число потомков одного нейтрона, способного вызвать деление, может равняться нулю (нейтрон вследствие поглощения погибает), одному (нейтрон является продолжателем самого себя) или же двум, трем, четырем (то есть, нейтрон вызывает возникновение новых нейтронов), при этом для каждой такой возможности характерна своя вероятность. Задача заключается в том, чтобы проследить дальнейшее развитие процесса и цепочку возможностей через множество поколений.
Очень скоро Хокинс и я обнаружили фундаментальный прием, который позволял изучить математически такие ветвящиеся цепочки. Так называемая характеристическая функция, средство, придуманное Лапласом и применяемое при нормальном "суммировании" случайных переменных, оказалось именно тем инструментом, который был необходим для изучения процессов размножения. Позже мы узнали, что еще раньше те же соображения и в этой же связи высказывал статистик Лотка, Однако реальная теория таких процессов, основанная на операции итерации функции или сопряженных функции операторов, была заложена в Лос-Аламосе, в нашем небольшом отчете. После войны, в 1947 году, когда в Лос-Аламосе ко мне присоединился Эверетт, мы в значительной степени обобщили и развили эту работу. Еще через некоторое время Юджин Вигнер поднял в этой связи вопрос о первенстве. Он с радостью отметил, что мы проделали эту работу раньше, чем знаменитый математик Андрей Н. Колмогоров и другие русские, а также кто-то из чехов заявили о получении аналогичных результатов.
Я уважал общую любознательность Хокинса, его почти что уникальные познания фундаментальных положений научных теорий - не только концептуальных вопросов физики, но и биологии и даже экономики. Я отдавал должное его интересу и по-настоящему оригинальной работе в области, которая после того, как Винер и особенно Клод Шеннон формализовали ее, получила название "теории информации".
Два семинарских доклада, с которыми я выступил вскоре после моего возвращения, оказались не лишены удачных идей, которые впоследствии получили успешное развитие. Первый был по теме, которая позже получила название метода Монте-Карло, второй - о нескольких новых возможных методах гидродинамических расчетов.
Гидродинамические расчеты использовались в таких задачах, где не приходилось рассчитывать на какую-то точную формулу или четкое решение в традициях классического анализа. Их можно было бы охарактеризовать как расчеты "грубой силы", оперирующие фиктивными "частицами", которые в действительности были не элементами жидкости, а абстрактными точками. Для общего описания жидкости было целесообразно использовать коэффициенты бесконечных рядов (флюксии и флексии Ньютона), описывающих движение среды в виде абстрактных точек. Само движение описывается в целом несколькими бесконечными рядами, в которых каждый последующий член менее существенен, чем предыдущий. Рассмотрев только несколько первых членов, уже можно было заменить дифференциальные уравнения в частных производных с несколькими переменными на обыкновенные или какие-либо другие совершенно отличные уравнения для конечного числа абстрактных частиц. Сейчас такие расчеты широко используются.
Второе сообщение касалось вероятностных расчетов для класса физических проблем. Идея, названная впоследствии методом Монте-Карло, возникла у меня, когда во время болезни я играл в пасьянс. Как я заметил, получить представление о вероятности успешного исхода в пасьянс можно гораздо более практичным способом если, раскладывая карты или экспериментируя с процессом, отмечать долю успешных результатов, а не пытаться просчитывать все комбинаторные варианты, число которых вырастает эк4споненциально и которых бывает такое несметное множество, что оценить просто их всех не представляется возможным за исключением самых простых случаев. Последнее вызывает неприятное удивление, в каком-то смысле даже унижает умственные способности человека, заставляя почувствовать, насколько узки границы рационального и традиционного мышления. Как бы то ни было, в достаточно сложных задачах фактическая выборка оказывается эффективнее, чем рассмотрение всех цепочек возможностей.
Я подумал, что все это может быть одинаково справедливо для всех процессов с ветвящейся схемой событий. На каждой стадии процесса существует множество возможностей, определяющих судьбу нейтрона. Он может расщепиться по каким-нибудь углом, изменить свою скорость, поглотиться, породить другие нейтроны, вызвав деление намеченных ядер, и так далее. Сами по себе элементарные вероятности каждой из таких возможностей известны, отчасти благодаря знанию поперечных сечений. Проблема состоит в том, что необходимо знать, какая последовательность, какая ветвь из сотен тысяч или сотен миллионов будет в действительности иметь место. Можно написать дифференциальные уравнения или интегрально-дифференциальные уравнения для "ожидаемых величин", однако решить их или получить хотя бы приближенные представления о свойствах решения - совершенно иное дело.
Идея заключалась в том, чтобы испытать тысячи таких возможностей и на каждом этапе выбрать с помощью "случайного" числа с приемлемой вероятностью судьбу, или своего рода исход, и проследить, так сказать, ее линию вместо того, чтобы рассматривать абсолютно все ветви. Рассмотрев возможные судьбы для всего лишь нескольких тысяч возможных исходов, можно получить хорошую выборку и, следовательно, приближенное решение задачи. Кое-где здесь требовались машинные расчеты, и, так случилось, что как раз тогда в нашу жизнь начали входить вычислительные машины.
В шутку я предложил нанять для проведения расчетов по методу Монте-Карло несколько сотен китайцев из Тайваня, посадить их на корабль...
Монте-Карло - из-за присутствия в ней своеобразного элемента везения - получения случайных чисел.
Фактом является то, что "Монте-Карло" никогда не дает точного ответа; правильнее сказать, что он позволяет сделать выводы о том, каков ответ, каковы его погрешность и вероятность.
Я перефразировал бы одно из утверждений Лапласа. Он утверждает, что теория вероятностей - это ни что иное, как приложение математического анализа к здравому смыслу. Тогда метод Монте-Карло - это приложение здравого смысла к математическим формулировкам физических законов и процессов.
Банах как-то сказал мне: "Хорошие математики видят аналогии между теоремами или теориями, а лучшие математики видят аналогии между аналогиями".
Станислав Улам "Приключения математика"(Регулярная и хаотическая динамика, 2001)
Джон фон Нейман
"Слушая фон Неймана, начинаешь понимать, как должен работать человеческий мозг"
В процессе поиска доказательства теоремы математик следует примеру естествоиспытателя и широко использует индуктивные рассуждения, аналогию и т.п. Перечень того, чем занимается наука, именуемая математикой, предусмотрительно заменённый многоточием, обречен на неполноту, сколь бы длинным он ни был. Неполно и остенсивное определение математики: мы не можем указать перстом на нечто и сказать, что это и есть математика (работы одного математика, по фон Нейману, имеют отношение не более чем к одной четвёртой всей математики, работы различных математиков с необходимостью пересекаются и не образуют "полного покрытия" математики). Неполны и все другие определения математики: через отношение, противоположность, абстракцию, генетическое определение, семантическое и т.д.
Испытав в молодые годы сильное влияние гильбертовской аксиоматической школы, Джон фон Нейман начинал свою работу, к какой бы области она ни относилась, с составления перечня аксиом. Абстракция была его стихией. С. Улам писал: "Небезынтересно заметить, что во многих математических разговорах на темы, связанные с теорией множеств и родственными ей областями математики, явственно ощущалось формальное мышление фон Неймана. Большинство математиков, обсуждая подобные проблемы, исходят из интуитивных представлений, основанных на геометрических или почти осязаемых картинах абстрактных множеств, преобразований и т.д. Слушая фон Неймана, вы живо ощущали, как последовательно он оперирует с чисто формальными умозаключениями. Этим я хочу сказать, что основа его интуиции, позволявшей ему формулировать новые теоремы и отыскивать доказательства (как, впрочем, и основа его "наивной" интуиции), принадлежала к типу, который встречается гораздо реже. Если бы мы, следуя Пуанкаре, разделили математиков на два типа -- на обладающих зрительной и слуховой интуицией, то Джонни, по всей видимости, принадлежал бы ко второму типу. Однако его "внутренний слух" был весьма абстрактным. Речь шла скорее о некоей дополнительности между формальными наборами символов и игрой с ними, с одной стороны, и интерпретацией их смысла -- с другой. Различие между тем и другим в какой-то мере напоминает мысленное представление реальной шахматной доски и мысленное представление последовательности ходов на ней, записанных в шахматной нотации".
"Крайне простые в своей сущности, не требующие никаких предварительных познаний идеи и выводы великого основоположника теории множеств Георга Кантора являют собой образец подлинно математического стиля. Настоящая математика заключается не в нагромождении искусственных вычислительных приемов, а в умении получать нетривиальные результаты путем размышления при минимуме применяемого аппарата -- так охарактеризовали теорию множеств авторы известной популярной книги "Числа и фигуры" Г. Радемахер и О. Тёплиц.
"Наивная" теория множеств Г. Кантора вводила в математику не только новые фундаментальные понятия, но и новый тип рассуждений, при помощи которых создатель теории доказывал её основные теоремы. Необычность этих рассуждений состояла в том, что Г. Кантор, оперируя с бесконечными множествами, систематически применял логические приемы и принципы, которыми до него математики имели обыкновение пользоваться лишь при рассмотрении конечных множеств. Недоверие, с которым определённая часть математиков восприняла результаты Г. Кантора, было отчасти обусловлено именно этим обстоятельством.
Кроме того, вскоре выяснилось, что рассуждения, весьма близкие к тем, которые использовал в своих работах Г. Кантор, приводят к парадоксам, или антиномиям. Так, в 1897 г. (основные работы Г. Кантора по теории множеств вышли в 1872-1884 гг.) был открыт парадокс наибольшего ординального числа (парадокс Бурали--Форти), а в 1903 г. Б. Рассел поразил математический мир своим "парадоксом брадобрея".
Аксиоматика теории множеств в двух независимых вариантах была создана в 1908 г. Б. Расселлом и Э. Цермело, однако понадобилось ещё одно десятилетие, прежде чем теоретико-множественные представления проникли в сознание большинства математиков и стали его неотъемлемой частью. Для нового поколения математиков, вступивших на научное поприще в начале 20-х годов нашего столетия, теоретико-множественное мышление было не только естественным, но и характерным. Именно к этому поколению математиков и принадлежал фон Нейман.
Поставив перед собой цель "дать логически безупречное аксиоматическое изложение теории множеств", фон Нейман построил замечательную систему аксиом, не уступающую по простоте и "прозрачности" знаменитой гильбертовой системе аксиом евклидовой геометрии. Полный перечень аксиом системы фон Неймана занимает немногим более одной страницы печатного текста! Вводимые объекты подразделяются на два типа: один соответствует множествам, другой -- свойствам множеств в "наивной" теории множеств.
Гораздо более сочувственное отношение встречает у фон Неймана деятельность другой, менее радикальной группы (в неё, в частности, входят Э. Цермело, Л. Френкель и А. Шёнфлис). Работу этих математиков, так же как и свою собственную, фон Нейман считает далёкой от завершения, поскольку выбор аксиом в известной мере произволен. Он признаёт, что избранный представителями менее радикального представления подход не позволяет доказать невозможность возникновения антиномий, но поскольку "наивную" теорию множеств нельзя принимать слишком всерьёз, то по крайней мере её большую часть удаётся "реабилитировать", представив её в виде формальной системы, причём смысл термина "формальный" можно определить вполне точно".
В работех "Об одной проблеме непротиворечивости аксиоматической теории множеств" фон Нейман показал, что одна из "нетрадиционных" аксиом в предложенной им системе выводима из некоторых аксиом, лежащих в основе других систем. Поскольку ранее было показано, что эти аксиомы, в свою очередь, выводимы из аксиомы фон Неймана, то полученный результат означал, что "необычная аксиома эквивалентна обычным (в других системах).
Большая статья фон Неймана "К гильбертовой теории доказательства" (1927) посвящена важной проблеме непротиворечивости математики. Это глубокое исследование проникнуто духом гильбертовской программы построения всей математики финитными методами (иначе говоря, к рассмотрению должны допускаться лишь объекты, которые могут быть построены за конечное число шагов). Отметив неудовлетворительность решений проблемы непротиворечивости математики, предложенных другими авторами, фон Нейман, по словам С. Улама, "почти достиг предела того, что можно достичь, опираясь на гильбертову программу, т.е. строго финитными методами. Более того, фон Нейман высказал предположение о том, что аналогичным методом можно доказать непротиворечивость всего анализа. В настоящее время трудно отделаться от впечатления, что идеи, рождённые в трудах Гильберта и его школы, развитые со столь высокой степенью совершенства и затем революционизированные Гёделем, ещё не исчерпали себя. Быть может, мы находимся в середине другого великого процесса эволюции: "наивный" подход к теории множеств и формальные математические попытки охватить наши интуитивные представления о бесконечности в будущем, как мне кажется, сольются в "сверхтеории множеств". В истории математики неоднократно бывало, что интуиция или, лучше сказать, смутные предчувствия ведущих математиков относительно проблем современной им науки впоследствии входили в качестве составных частей в формальную "сверхсистему", предметом рассмотрения которой служило самое существо проблем исходной системы".
Весьма важным для дальнейшего развития математики оказался и второй "цикл", состоящий из одной-единственной работы "К теории стратегических игр", опубликованной в 1928 г. Давно уже ставшая классической и породившая огромное количество литературы, эта работа содержала доказательство знаменитой теоремы о минимаксе, ставшей краеугольным камнем возникшей гораздо позже теории игр.
Что утверждает теорема фон Неймана?
Предположим, что двое играют в некую игру, по правилам которой выигрыш одного игрока равен проигрышу другого (игра с нулевой суммой), и каждый из игроков волен выбирать из конечного, хотя, быть может, и очень большого, числа стратегий (конечная игра). Выбирая стратегию, игроки при оценке своих шансов на выигрыш (проигрыш) исходят из лестного для противника предположения о том, что тот всегда отвечает наивыгоднейшим для себя ходом. Следовательно, какой бы стратегии ни придерживался игрок, он всегда может рассчитывать лишь на ту ответную стратегию, при которой его выигрыш минимален (проигрыш максимален). Не желая рисковать, игрок должен остановить свой выбор на такой стратегии, при которой минимальный выигрыш максимален (соответственно максимальный проигрыш минимален).
Доказанная фон Нейманом теорема утверждает, что для любой конечной игры (двух игроков) с нулевой суммой существует "устойчивая" пара стратегий, для которых минимальный проигрыш одного игрока совпадает с максимальным выигрышем другого. Устойчивость стратегий означает, что каждый из игроков, отклоняясь от оптимальной стратегии, лишь ухудшает свои шансы и, внемля голосу рассудка, предпочитает вернуться к оптимальной стратегии.
В момент выхода в свет работы фон Неймана неожиданным было не только доказательство теоремы о минимаксе (в котором фон Нейман использовал теорему о неподвижной точке), но и утверждение теоремы. Лишь четверть века спустя математический мир по достоинству оценил небольшую работу фон Неймана. О том, сколь высоко ценил теорему о минимаксе сам фон Нейман, свидетельствует следующий факт.
"Флагманом" цикла работ по математическому обоснованию квантовой механики стала статья "Об основаниях квантовой механики" (1927 г.), написанная фон Нейманом совместно с Д. Гильбертом и Л. Нордгеймом. Новый подход, отличавшийся необычайной общностью, и был избран авторами статьи "Об основаниях квантовой механики" в качестве исходного пункта предпринятой ими (исторически первой) попытки строгого изложения квантовой механики.
С. Улам писал: "Помимо огромной дидактической ценности этого труда, излагавшего идеи новой квантовой теории в форме, отвечающей умонастроению математиков и способной пробудить их профессиональный интерес, он представляет собой вклад в науку, имеющий бесспорно первостепенное значение, если рассматривать его как рациональное изложение физической теории, основанной, как первоначально считали физики, на отнюдь не тривиальных и далеко не очевидных соображениях. Хотя утверждать, что в книге фон Неймана вводятся принципиально новые физические идеи, было бы неверно (и квантовая теория, созданная в те годы Шрёдингером, Гейзенбергом, Дираком и другими, образует не более чем фрагментарный теоретический скелет для ещё более поразительных физических явлений, открытых с тех пор), изложение фон Неймана приводит по крайней мере к одной логически и математически прозрачной основе для строгого обсуждения проблем".
Дирак исходил из предположения, что любой самосопряжённый оператор можно привести к диагональному виду. Поскольку в классе обычных функций операция приведения к диагональному виду осуществима не для каждого оператора, то Дирак пополнил запас обычных функций некоторыми идеальными элементами ("фикциями", по меткому выражению фон Неймана) с весьма необычными свойствами. Несобственные функции Дирака (за которыми в отечественной физико-математической литературе закрепилось название "обобщённые функции", или "дельта-функции Дирака", а за рубежом -- "распределений") равны нулю всюду, кроме одной точки, и обладают отличным от нуля интегралом Римана от минус до плюс бесконечности. С введением такого рода "монстров" можно было бы временно мириться, если бы они были органически связаны с новой теорией, как мирились некогда современники и ближайшие потомки Ньютона с флюксиями и флюэнтами, на языке которых излагалась новая тогда классическая механика. Но после выхода в свет работы фон Неймана "Математическое обоснование квантовой механики" (1927) стало ясно, что построение новой физической теории отнюдь не обязательно связывать с созданием теории обобщённых функций, отвечающей всем современным требованиям математической строгости.
Фон Нейман показал, что квантовая механика "по Дираку" допускает весьма естественное обоснование в терминах асиоматической теории гильбертова пространства и спектральной теории операторов. Выдержав суровую проверку временем, эти идеи фон Неймана вошли в золотой фонд современной теоретической физики.
По фон Нейману, состояния физических систем описываются векторами в гильбертовом пространстве, а измеримые физические величины (положение, импульс, энергия и т.д.) -- действующими на эти векторы неограниченными эрмитовыми операторами. Чтобы вдохнуть жизнь в свою схему квантовой механики, фон Нейману предстояло обобщить результаты своих предшественников (и прежде всего Д. Гильберта, Э. Шмидта и Ф. Рисса) на случай неограниченных операторов. Эта далеко не тривиальная задача была блестяще решена фон Нейманом в работе "Общая спектральная теория эрмитовых операторов" (1929), в которой впервые появилось весьма важное понятие гипермаксимального симметрического оператора (наиболее общего эрмитова оператора со спектральным разложением). Независимо от фон Неймана аналогичные результаты были получены М. Стоуном.
Операторная формулировка квантовой механики позволила фон Нейману подвести прочную основу под статистическую интерпретацию квантовомеханических утверждений. Исход измерения физической величины, производимого над системой, которая находится в определённом квантовом состоянии, по фон Нейману, описывается распределением вероятностей, зависящим от вектора этого состояния и спектрального разложения оператора измеряемой величины.
Формула для распределения вероятностей результатов измерения -- математический парафраз статистической интерпретации квантовой механики, предложенной в 1926 г. Максом Борном. Именно эта формула послужила для фон Неймана толчком к построению всей квантовой механики на теоретико-вероятностной основе, осуществлённому в работе, которая так и называлась: "Теоретико-вероятностное построение квантовой механики" (1927). Именно в этой статье фон Нейман ввёл матрицу плотности, ставшую одним из ключевых понятий квантовой статистики. (В современных работах матрицу плотности принято обозначать ?. В работе фон Неймана она обозначена U.)
Матрица плотности позволила фон Нейману получить квантовый аналог классической формулы для энтропии и тем самым заложить основы квантовой термодинамики, а позднее сформулировать и доказать для квантовых систем H-теорему и эргодическую теорему.
Фон Нейман, проявив глубокое понимание истинных причин статистического характера квантовомеханических утверждений и недюжинную физическую интуицию, показал, что неопределённость в теоретическом предсказании исхода измерения остаётся и при переходе к более широкой системе, включающей в себя как объект измерения, так и самого наблюдателя. Статистическая природа квантовомеханических утверждений, по фон Нейману, следует из первых принципов теории и, в частности, из представления квантовомеханических величин операторами в гильбертовом пространстве состояний.
"Множество различных операторных топологий, -- замечает известный специалист по функциональному анализу Р. В. Кадисон, -- предназначено отнюдь не для того, чтобы умножать число доказываемых теорем. Операторные топологии возникают в важных ситуациях, как правило, не оставляя исследователю свободы выбора. Они как бы пришиты к определённому месту в доказательстве. Фон Нейман первым осознал важность введения нужной операторной топологии в нужном месте, развил этот приём и широко использовал его".
Установление абстрактной структуры, скрывающейся за индивидуальными особенностями конкретного множества с заданными на нём операциями, -- вопрос далеко не праздный, и математики занимаются им отнюдь не из любви к терминологическим новшествам. Принадлежность множества с теми или иными операциями, или отношениями между элементами, к определённой разновидности структур как бы высвечивает его внутреннюю сущность. Свойства, "унаследованные" множеством от абстрактной структуры, как правило, глубже и фундаментальнее его индивидуальных свойств, которые, варьируются от множества к множеству и носят преходящий характер. По словам Н. Бурбаки, "структуры являются орудиями математика; каждый раз, когда он замечает, что между элементами, изучаемыми им, имеют место отношения, удовлетворяющие аксиомам структуры определённого типа, он сразу может воспользоваться всем арсеналом общих теорем, относящихся к структурам этого типа, тогда как раньше он был бы должен мучительно трудиться, сам выковывая средства, необходимые для того, чтобы штурмовать рассматриваемую проблему, причём их мощность зависела бы от его личного таланта и они были бы отягчены часто излишне стеснительными предположениями, обусловленными особенностями изучаемой проблемы".
Другой, не менее существенный вклад фон Нейман и Мюррей внесли в развитие теории неограниченных операторов. Оценивая его, Кадисон писал: "С момента своего зарождения теория неограниченных операторов в гильбертовом пространстве была неодолимым искушением для математиков, которым доводилось соприкасаться с ней. Элементарные, чисто формальные манипуляции самого разумного рода приносили столь высокие дивиденды, как решение пятой проблемы Гильберта или трудно добываемые результаты чисто аналитического характера. Многие из расчётов в квантовой теории в той или иной форме также связаны с неограниченными операторами. К сожалению, большая часть этих формальных манипуляций не допускает обоснования, и именно фон Нейман указал опасности, которыми отпугивает эта область математики. Тем не менее, когда формально столь привлекательные маневры с такой лёгкостью приводят к долгожданным результатам, то невольно начинаешь мечтать о "мире", в котором эти манёвры обоснованы. Фон Нейман не был исключением. Открыв факторы типа II1, Мюррей и фон Нейман сотворили именно такой "мир".
В конце 30-х годов внимание фон Неймана привлекла гидродинамика -- наука, включающая в себя "физику двух из трёх самых общих состояний материи -- жидкого и газообразного" (Дж. Биркгоф). Сложная система нелинейных уравнений, описывающая гидродинамические явления в традиционном варианте теории, допускает точное аналитическое решение лишь в исключительных случаях и обладает многими свойствами (например, допускает разрывы или неединственность решений), противоречащими всему опыту, накопленному классическим линейным анализом. В те годы эти свойства казались загадочными и непонятными. Неконтролируемые физические и математические допущения, вводимые для упрощения задачи, нередко противоречили основным предположениям теории и обесценивали получаемые приближённые результаты. Такое положение дел не могло удовлетворить фон Неймана, и он одним из первых понял несбыточность надежд на будущее развитие теории, которое позволило бы найти точные решения. В докладе на симпозиуме по движению масс газа космических размеров (1949) он писал: "Вопрос о том, реализуется ли в природе решение, найденное математическим путем, и можно ли исключить заранее существование нескольких решений с теми или иными хорошими или плохими свойствами, очень труден и неоднозначен. Этот вопрос обсуждался как в классической, так и более современной литературе на самых различных уровнях строгости и её прямой противоположности. Резюмируя, можно сказать, что в указанной области трудно прийти к какому-нибудь определённому выводу. Если воспользоваться математической терминологией, то положение, в котором мы сейчас находимся, можно назвать состоянием непрерывной неопределённости, поскольку обычные теоремы существования и единственности решения, которыми нам очень хотелось бы располагать, никогда и никем не были доказаны и, по всей видимости, неверны в своей традиционной форме.
Таким образом, гидродинамика оставляет огромный диапазон математических возможностей относительно допущения разрывов, требования разумного термодинамического поведения и т.д. Весьма вероятно, что существует некий набор условий, при котором каждая разумно поставленная задача допускает одно и только одно решение. Однако нам остаётся лишь догадываться, какие условия могут входить в него, и в поиске его мы можем полагаться почти исключительно на физическую интуицию. Следовательно, мы ни в чём не можем быть твёрдо уверены. О любом решении, с какой бы точностью оно ни было получено, мы не можем утверждать, что оно непременно должно существовать в природе".
Фон Нейман, накопивший за годы войны уникальный опыт численных расчётов на быстродействующих машинах первого поколения (в создании которых он принимал непосредственное участие), усматривал выход из затруднений в особом подходе к использованию вычислительных машин, получившем название эвристического подхода.
Накопление сведений об изучаемом явлении на нестрогом, эвристическом уровне на основе численного эксперимента, создание интуитивной схемы явления, проверка её на следующем этапе численного эксперимента и, наконец, построение строгой теории -- таковы основные этапы эвристического подхода к исследованию нелинейной задачи по фон Нейману.
Одно из крупнейших событий в современной математической физике, заставившее специалистов отрешиться от "линейного наследия", подтвердившее правильность пророческих слов Л. И. Мандельштама о необходимости выработки "нелинейного" мышления, -- открытие солитона -- произошло в русле идей именно эвристического подхода.
В 1949 г. С. Улам, Дж. Паста и Э. Ферми решили проверить при помощи численного эксперимента, выполняется ли одна из основных гипотез статистической механики -- гипотеза о равнораспределении энергии по степеням свободы для системы нелинейных осцилляторов (системы грузиков с пружинками, возвращающая сила которых пропорциональна кубу смещения грузиков из положения равновесия). Выяснилось, что никакой тенденции к равнораспределению не наблюдается: энергия локализуется то в одной, то в другой группе мод (колебаний с определённой частотой), не "расплываясь". Возникший парадокс был разрешён лишь в начале 60-х годов Н. Забуским и М. Д. Крускалом, которые показали, что Ферми, Паста и Улам в своём численном эксперименте наблюдали уединённую волну, за которой в 1838 г. скакал верхом на коне Дж. Скотт-Расселл и которая является решением нелинейного дифференциального уравнения в частных производных третьего порядка Кортевега--де Фриза (1895). Сохраняя форму, уединённая волна не позволяла энергии распределиться по степеням свободы. В проведённом ими численном эксперименте, многократно повторенном впоследствии целой армией исследователей, Забуский и Крускал обнаружили, что при столкновении уединённые волны уравнения Кортевега--де Фриза ведут себя, как упругие частицы, и назвали их солитонами (от англ. solitary wave -- уединённая волна, "он" -- окончание названий для частиц (фотон, протон, нейтрон, мюон и т.д.). Открытие солитона привлекло внимание исследователей к сказочному миру нелинейных явлений и послужило стимулом к разработке мощных аналитических методов решения отдельных классов нелинейных уравнений (в частности, к созданию знаменитого метода обратной задачи теории рассеяния).
Без эвристической прикидки в наше время не обходится ни одно серьёзное исследование нелинейной проблемы.
Фон Нейман принадлежит к числу создателей эффективного численного метода решения многомерных задач математической физики -- метода Монте-Карло. Преимущество этого метода состоит в том, что он "срабатывает" там, где отказывают другие численные методы, и позволяет находить решения, казалось бы, безнадёжных задач.
Метод Монте-Карло, или, как его ещё называют, метод статистических испытаний, основан на замене решаемой задачи некоторой вероятностной моделью. Параметры модели дают приближённое решение исходной задачи. Например, площадь фигуры, вписанной в единичный квадрат, можно найти, если наугад разбросать по квадрату точки (координаты точек -- случайные величины, равномерно распределённые на единичном отрезке) и подсчитать, какую долю от общего числа точек составляют те, которые попали на фигуру. Вычисление многомерного интеграла по методу Монте-Карло основано на той же идее, и имеет преимущество по сравнению с обычными кубатурными формулами, число точек в которых быстро возрастает с размерностью пространства.
После того как вероятностная модель найдена, для решения задачи по методу Монте-Карло необходимо иметь датчик случайных чисел, позволяющий генерировать случайные точки с нужным распределением вероятности. Один из первых и наиболее простых датчиков был предложен фон Нейманом и основан на выборе "середины произведения": произвольное 2n-значное двоичное число возводится в квадрат (состоящий из 4n цифр), из которого вырезается n-значное число, стоящее в середине (от n+1 до 3n-го знака). После многократного повторения возникает некоторая последовательность псевдослучайных чисел (правда, с распределением, отличающимся от равномерного).
Эта мысль находит подтверждение в следующем замечании С. Улама: "Мы уже упоминали о способности фон Неймана, сравнительно редкой у математиков, общаться с физиками, понимать их язык и почти мгновенно, без малейшего промедления преобразовывать его в математические схемы и выражения. Затем, разобравшись в существе задачи, фон Нейман переводил их снова в выражения, общепринятые у физиков... Фон Нейман с необычайной лёгкостью производил прикидочные оценки и алгебраические и численные выкладки в уме, не прибегая к карандашу и бумаге. Эта способность, несколько напоминающая способность играть в шахматы вслепую, нередко производила сильное впечатление на физиков. У меня создалось впечатление, что фон Нейман, размышляя, не прибегал к зримым образам физических объектов, а предпочитал рассматривать их свойства как логические следствия из основных физических допущений. С каким блеском он умел играть в эту дедуктивную игру!"
В конце 40-х годов, накопив колоссальный практический опыт в создании быстродействующих вычислительных машин, фон Нейман приступил к созданию общей математической (или, как предпочитал называть её сам фон Нейман, логической) теории автоматов.
По Берксу, теория автоматов -- это наука об основных принципах, общих для искусственных автоматов (цифровых вычислительных машин, аналоговых вычислительных машин, управляющих систем) и естественных автоматов (нервной системы человека, самовоспроизводящихся клеток, организмов в эволюционном аспекте).
В планы фон Неймана входило создать систематическую теорию, математическую и логическую по форме, которая упорядочила бы понятия и принципы, касающиеся структуры и организации естественных и искусственных систем, роли языка и информации в таких системах, программирования и управления такими системами. Теория автоматов лежит на стыке разных дисциплин, объединяет различные подходы (с точки зрения логики, теории связи, физиологии), но в конце концов ей предстоит стать отдельной самостоятельной дисциплиной.
Различия между теорией автоматов фон Неймана и кибернетикой Винера несущественны и обусловлены скорее личным вкусом и опытом их создателей, чем принципиальными соображениями. Теория автоматов фон Неймана, принимавшего активное участие в разработке и создании современных быстродействующих ЭВМ первого поколения, основное внимание уделяет цифровым вычислительным машинам и дискретной математике (главным образом, комбинаторике и логике). Кибернетика Винера, принимавшего в годы войны участие в разработке прибора управления артиллерийским зенитным огнём, сосредоточивает внимание на следящих системах и непрерывной математике (классическом анализе). Винер всячески подчеркивает важность обратной связи для управления и целенаправленного поведения, фон Нейман, по существу, используя обратную связь и в конструкции машин, и в блок-схемах программ, не считает необходимым специально подчеркивать это.
Разумеется, Винер сознавал важность цифровых вычислительных машин, а фон Нейман отнюдь не принадлежал к числу принципиальных противников непрерывного в математике. Предвосхищая успехи синергетики, фон Нейман намеревался построить непрерывную модель самовоспроизведения, основанную на нелинейных дифференциальных уравнениях в частных производных, которые описывают систему химически реагирующих и диффундирующих веществ. В этой связи небезынтересно отметить, что в 1952 г. независимо от фон Неймана аналогичную модель структурообразования предложил в работе "Химическая основа морфогенеза" английский математик А. Тьюринг, внёсший немалый вклад в развитие теории автоматов. В 1936 г. в Принстон приехал на два года, заниматься математической логикой, Алан Тьюринг (1912-1954). Здесь он опубликовал свою знаменитую работу об универсальных вычислительных машинах: машины Тьюринга реально не осуществимы, но они показывают принципиальную возможность решения любых задач с помощью элементарных арифметических действий. Идея захватила фон Неймана: он предложил Тьюрингу место ассистента для совместной работы. Тьюринг отказался, вернулся в Англию, где в годы войны стал искуссным дешифровальщиком немецких сообщений.
Аксиоматизация поведения элементов означает следующее. Мы принимаем, что элементы имеют некоторые вполне определённые внешние функциональные характеристики, т.е. что их следует считать "чёрными ящиками". Это означает, что их рассматривают как автоматы, внутреннюю структуру которых нет необходимости раскрывать и которые, по предположению, реагируют на некоторые точно определённые раздражители (стимулы) посредством точно определённых реакций.
Установив это, мы можем перейти к изучению более сложных организмов, которые можно построить из этих элементов, -- их структуры, функционирования, связей между элементами и общих теоретических закономерностей, обнаруживаемых в том сложном синтезе, который представляют собой рассматриваемые организмы".
Сравнивая особенности функционирования естественных и искусственных автоматов, фон Нейман обратил внимание на то, что живые автоматы и, в частности, человеческий мозг работают с непостижимой надёжностью, несмотря на сравнительно низкую надёжность их деталей. Можно ли смоделировать эту особенность живых организмов при помощи искусственных автоматов? Можно ли, и если можно, то как построить надёжный автомат из ненадёжных компонент? Можно ли понизить порог ошибки до заданного значения? Эти вопросы были разобраны в статье фон Неймана "Вероятностная логика и синтез надёжных организмов из ненадёжных компонент", написанной на основе пяти лекций, прочитанных в январе 1952 г. в Калифорнийском технологическом институте. - Шеннон.
"Как показывает заглавие, -- подчёркивает фон Нейман во введении, -- основным предметом статьи является роль ошибки в логике и в физическом орудии логики -- синтезировании автоматов. Поэтому ошибка рассматривается не как исключительное событие, результат или причина какой-то неправильности, но как существенная часть рассматриваемого процесса. Значение понятия ошибки в синтезировании автоматов вполне сравнимо со значением обычно учитываемого фактора правильной логической структуры, которая имеется в виду.
Предлагаемая трактовка ошибки является неудовлетворительной и даётся лишь для определённой ситуации. По убеждению автора, которого он придерживается уже много лет, ошибку следует рассматривать при помощи термодинамических методов, так же, как это делается с информацией в работах Л. Сциларда и К. Шеннона".
По фон Нейману, каждую компоненту допустимо рассматривать как чёрный ящик с определённым числом входов и выходов. Если бы сигнал на выходе был функцией сигналов на входе, то мы имели бы надёжную компоненту, срабатывающую с вероятностью 1. Если же сигнал на выходе при заданных сигналах на входе возникает с вероятностью меньше 1, то компонента ненадёжна. Можно ли, располагая неограниченным запасом ненадёжных компонент, построить надёжный вариант любого заданного автомата?
Фон Нейман решает эту задачу двумя способами. Первое решение (автоматы с простыми линиями) позволяет понижать вероятность ошибки лишь до некоторого уровня. Суть решения состоит в построении из трёх ненадёжных одинаковых линий и смесителей, производящих сравнение сигналов на выходах подключённых к ним компонент, более надёжной системы, выполняющей ту же функцию.
Второе решение фон Нейман называет трюком с кратными линиями. Двоичный выход машины заменяется пучком из многократно повторенного двоичного выхода, и значение сигнала на выходе определяется "большинством голосов" -- значением сигнала на большей части линий в пучке. Схема идеального автомата, построенного из надёжных компонент, преобразуется: каждая линия заменяется пучком линий, а каждый орган -- аналогом, производящим операции с выходным сигналом большинства линий. Фон Нейман приводит оценки избыточности для второй схемы. Оказывается, что при замене органа, не срабатывающего с вероятностью 1/200, при избыточности 60 000 на единицу уровень ошибки понижается до 10