Это потребовало немалой ловкости. Оператор необходимо снабдить чем-то, на что он может действовать. Операторы того типа, о которых говорилось выше, действуют на пространствах. Плоское двумерное пространство может послужить иллюстрацией общего принципа, если в качестве наглядного пособия взять лист миллиметровки, хотя при этом и придется представлять себе, что он продолжается по всем направлениям до бесконечности. Предположим, что мы повернули это пространство на 30 градусов против часовой стрелки, так что каждая точка в нем тем самым переместилась в некоторую другую точку (за единственным исключением точки, вокруг которой происходит вращение, — она-то остается на месте). Это вращение дает пример оператора. Характеристический многочлен этого конкретного оператора имеет вид x2 − √3x + 1
[182], а собственные значения равны 1/2√3 + 1/2i и 1/2√3 − 1/2i.
При желании для описания каждой точки в нашем пространстве можно ввести систему координат: для этого надо провести горизонтальную ось x и вертикальную ось y, пересекающиеся в точке вращения, и, как обычно, отложить расстояния в дюймах или сантиметрах вдоль этих осей. Тогда можно заметить, что наш оператор вращения отправляет точку (x, y) в новую точку с другими координатами — которые в действительности равны (1/2√3x + 1/2y, 1/2√3x − 1/2y). Для оператора самого по себе это, впрочем, большого значения не имеет — оператор существует и отправляет точки на плоскости в новые точки независимо от какой бы то ни было системы координат. Вращение остается вращением, даже если мы забыли нарисовать пару осей.
Операторы, применяемые в математической физике, разумеется, действуют на значительно более сложных пространствах, чем в нашем примере. Эти пространства не двумерны и даже не трехмерны (подобно обычному пространству, которое окружает нас в быту), и даже не четырехмерны (как пространство-время, возникающее в теории относительности). Они представляют собой абстрактные математические пространства с бесконечным числом измерений. Каждая точка в таком пространстве является функцией. Операторы преобразуют функции в другие функции, а на языке пространств и точек это выражается как отображение одной точки в другую.
Чтобы получить первое представление о том, каким образом функцию можно отождествить с точкой в пространстве, рассмотрим один простой класс функций — квадратичные многочлены p + qx + rx2. Семейство всех таких многочленов можно представить в трехмерном пространстве, если многочлену p + qx + rx2 поставить в соответствие точку с координатами (p, q, r). В том же духе, четырехмерное пространство будет моделировать кубические многочлены; пятимерное пространство — многочлены четвертой степени и т.п. Далее, поскольку некоторые функции можно записать в виде рядов, а ряд выглядит как бесконечный многочлен (например, ex записывается в виде 1 + x + 1/2x2 + 1/6x3 + 1/24х4 + …), становится понятно, как бесконечное число измерений может пригодиться при описании функций. На этом языке ex станет точкой в пространстве, заданной бесконечным набором координат (1, 1, 1/2, 1/6, 1/24, …).
Функции, с которыми имеет дело квантовая механика, — это волновые функции, которые определяют вероятность того, что частицы, составляющие описываемую систему, занимают определенные положения и имеют определенные скорости в данный момент времени. Другими словами, каждая точка в пространстве функций представляет некоторое состояние системы. Используемые в квантовой механике операторы кодируют наблюдаемые свойства системы; наибольшую известность имеет оператор Гамильтона, который кодирует энергию системы. Собственные значения оператора Гамильтона представляют собой уровни энергии в системе. Далее, каждое собственное значение определенным образом связывается с вполне определенной точкой (т.е. функцией) в бесконечномерном пространстве, называемой собственной функцией; она служит для представления состояния системы при заданном уровне энергии. Эти собственные функции играют ключевую роль при описании состояний системы. Всякое возможное состояние системы, любое ее физическое проявление дается некоторой линейной комбинацией собственных функций, в точности так же, как всякую точку в трехмерном пространстве можно записать в виде (x, y, z), т.е. в виде линейной комбинации точек (1, 0, 0), (0, 1, 0) и (0, 0, 1).
Ален Конн построил довольно своеобразное пространство, на котором предстояло действовать его риманову оператору. Простые числа встроены в это пространство некоторым способом, заимствованным из понятий алгебраической теории чисел. Дадим краткий обзор работы Конна.
V.
B основе построения всей классической физики лежат вещественные числа, такие как 22,45915771836…; поскольку такие числа не имеют замкнутого вида, требуется бесконечная последовательность десятичных разрядов, чтобы теоретически достичь полной точности. Реальные физические измерения, однако, носят приближенный характер, давая что-то вроде 22,459. Это рациональное число, равное 22 459/1000. Все, что есть в физическом эксперименте, можно, таким образом, выразить с помощью рациональных чисел — элементов из Q. Чтобы перейти от мира эксперимента к миру теории, надо пополнить поле Q (см. главу 11.v). Другими словами, требуется его расширить таким образом, чтобы для всякой имеющей предел бесконечной последовательности чисел из Q этот предел лежал бы или в самом Q, или в поле-расширении. Обычный и естественный способ такого пополнения приводит к вещественным числам R и комплексным числам С.
Однако в алгебраической теории чисел имеются и другие возможности для пополнения Q. В 1897 году прусский математик Курт Хензель
[183], работая над определенной задачей в теории алгебраических полей, ввел целое новое семейство объектов, подобных полю чисел вида а + b√2, которое мы рассматривали в главе 17.ii. Эти объекты называются p-адическими числами. Для каждого простого числа p имеется по одному из этих экзотических созданий, содержащих бесконечно много элементов. Кирпичики, из которых строится такое поле, — это обсуждавшиеся в главе 17.ii «циферблатные» кольца размера p, p2, p3, p4 и т.д. В моих обозначениях это кольца CLOCKp, CLOCKp2, CLOCKp3, …. Например, поле 7-адических чисел построено из CLOCK7, CLOCK49, CLOCK343, CLOCK2401, …. Помните приводившуюся ранее иллюстрацию того, как конечное поле можно использовать для построения бесконечного поля? Так вот, здесь используется бесконечное число конечных колец для построения нового бесконечного поля!
