Алекс в стране чисел. Необычайное путешествие в волшебный мир математики - Алекс Беллос

После 2000 года соревнования по складыванию кубика Рубика на скорость стали настоящим бумом, и ныне официальные турниры проводятся по всему миру каждую неделю. Чтобы обеспечить достаточную сложность исходного положения, правилами предписано, что кубики должны быть «перемешаны» в соответствии со случайной последовательностью вращений, которая генерируется компьютерной программой. Текущий рекорд в 7,08 секунды был установлен в 2008 году Эриком Аккерсдайком — 19-летним голландским студентом. Аккерсдайк также удерживает рекорд для кубика 2 × 2 × 2 (0,96 секунды), для кубика 4 × 4 × 4 (40,05 секунды) и для кубика 5 × 5 × 5 (1 минута и 16,21 секунды). Он также может собрать кубик Рубика ногами — показанное им время составляет 51,36 секунды и является четвертым результатом в мире. Однако Аккерсдайк далеко не так силен в соревнованиях по сборке кубика Рубика одной рукой (всего лишь 33-е место в мире) или с завязанными глазами (43-е место). Правила для манипуляции с завязанными глазами таковы: время отсчитывается от того момента, как кубик покажут участнику. Он должен изучить его, а затем уже вращать грани с завязанными глазами. Когда, по его мнению, задача решена, он просит судью остановить секундомер. Текущий рекорд в 48,05 секунды установил в 2008 году Вилле Сеппянен из Финляндии. Другие спортивные дисциплины в скоростном складывании кубика Рубика включают решение этой задачи на американских горках, под водой, палочками для еды, во время езды на велосипеде и в свободном падении.

С математической точки зрения наиболее интересно решение задачи за минимально возможное число ходов. Участникам соревнований дают кубик с официально перемешанными цветами и предоставляют 60 минут, чтобы изучить расположение, после чего требуется найти кратчайшую последовательность, ведущую к цели. В 2009 году Джимми Колл из Бельгии установил мировой рекорд — 22 хода. Заметим, что такое число ходов сумел найти очень проницательный человек, которому дали 60 минут на осмотр перепутанного кубика Рубика. Смог бы он предложить решение, состоящее из меньшего числа ходов для той же самой начальной конфигурации, если бы у него было 60 часов? Вопрос по поводу кубика Рубика, который занимал математиков более всего, таков: каково наименьшее n, такое что каждую конфигурацию можно привести в порядок за n или меньшее число ходов? Заметим попутно, что такое n получило прозвище «числа Бога». Нахождение «числа Бога» необычайно сложно потому, что в дело вовлечены очень большие числа. Имеется около 43 × 1018 (то есть 43 с 18 нулями) конфигураций кубика Рубика.

Если кубики в каждой из возможных конфигураций водрузить друг на друга, то получится башня, высота которой в восемь миллионов раз больше расстояния от Земли до Солнца и обратно. Анализ всех конфигураций одной за другой занял бы слишком много времени. Вместо этого математики стали рассматривать подгруппы конфигураций. Томас Рокицки, занимавшийся исследованием этой задачи около 20 лет, проанализировал набор из 19,5 миллиарда конфигураций и нашел способы решения их за 20 или меньшее число ходов. Затем он изучил около миллиона подобных наборов, каждый из которых содержит 19,5 миллиарда конфигураций, и снова нашел, что для решения достаточно 20 ходов. В 2008 году он доказал, что все оставшиеся конфигурации кубика Рубика приводятся к конфигурациям из этих наборов не более чем за два хода, а это значит, что верхняя граница для «числа Бога» равна 22.

Рокицки убежден, что «число Бога» равно 20. «На данный момент я разобрался примерно с 9 процентами всех конфигураций куба, и ни одно из них не потребовало 21 хода. Если и имеются конфигурации, требующие 21 или более ходов, то они исключительно редки». Проблема, стоящая перед Рокицки, не столько теоретическая, сколько логистическая. Просмотр всех возможных конфигураций куба требует невероятного количества компьютерной памяти и компьютерного времени. «Если использовать имеющиеся на данный момент методы, то понадобится около года работы 1000 современных компьютеров, чтобы доказать, что „число Бога“ равно 20», — говорит он.

Математика, присутствующая в кубике Рубика, долгое время была хобби Рокицки. Когда я спросил его, не думал ли он о том, чтобы исследовать математические аспекты других головоломок, например судоку, он отшутился: «И не пытайтесь отвлечь меня всякими другими заманчивыми проблемами. Математика этого кубика — уже достаточно серьезная задача!»

В один из дней, после обеда, участники конференции перебрались в дом Тома Роджерса, в пригород Атланты. Роджерс — бизнесмен, которому сейчас уже не так мало лет, — организовал первую G4G в 1993 году, а все свое детство был почитателем Гарднера. Исходная идея Роджерса состояла в том, чтобы организовать мероприятие, на котором славившийся своей застенчивостью Гарднер мог бы встречаться со своими поклонниками. Роджерс решил пригласить почитателей трех областей интересов Гарднера — математики, фокусов и головоломок. Конференция имела такой успех, что в 1996 году была организована вторая. Гарднер присутствовал на первых двух, однако впоследствии ухудшившееся здоровье уже не позволяло ему принимать в них участие. Роджерс живет в одноэтажном доме, построенном в японском стиле и окруженном зарослями бамбука, соснами и садом с плодовыми деревьями, которые, когда я туда приехал, утопали в цвету. В саду некоторые гости собирались в команды, чтобы строить геометрические скульптуры из дерева и металла. Другие пытались разгадать головоломки, подсказки к которым были прикреплены к наружным стенам дома.

В доме я встретил Колина Райта — австралийца, который живет в городке Порт-Санлайт на полуострове Уиррал. Мальчишечьи рыжие, непослушные волосы и очки делают его похожим на типичного математика. Райт — жонглер.

— После того как я научился ездить на одноколесном велосипеде, мне показалось совершенно естественным заняться жонглированием, — говорит он.

Райт также поучаствовал в разработке системы математических обозначений для жонглирования. С первого взгляда это может показаться вещью не слишком важной, однако эта система привела международное жонглерское сообщество в сильное возбуждение. Оказалось, что, используя специальный язык, жонглеры смогли придумать новые трюки, которые раньше — на протяжении тысяч лет — даже не приходили им в голову.

— Коль скоро у вас есть язык, на котором вы можете говорить о проблеме, ваш мыслительный процесс сильно облегчается, — замечает Райт, доставая несколько шариков для демонстрации недавно изобретенного фокуса. — Математика — это не только примеры, вычисления и формулы. Математика занимается тем, что разбирает вещи на части, чтобы понять, как они работают.

Я спросил его, не является ли это просто потворством собственным прихотям, нет ли чего-то бесцельного или даже расточительного в том, что лучшие математические умы тратят время, работая над такими несущественными проблемами, как жонглирование, пересчитывание чешуек в сосновых шишках или решение головоломок.

— Математикам нужно предоставить возможность делать то, что они делают, — ответил он. — Даже гений не всегда может предугадать, что и когда окажется полезным.

Он приводит пример кембриджского профессора Г. X. Харди, который в 1940 году громогласно (и с гордостью) заявил, что теория чисел лишена каких бы то ни было практических применений; на самом же деле в наше время эта теория лежит в основе множества программ, обеспечивающих безопасность в Интернете. Райт считает, что математикам часто сопутствует «несуразный успех» — когда они находят применение для с виду бесполезных теорем, причем нередко это случается годы спустя после их открытия.

Один из самых очаровательных аспектов конференции G4G состоит в том, что всех приглашенных (их 300 человек) просят привезти подарок — «нечто, что вы подарили бы Мартину». На самом деле всех просят привезти подарки в количестве 300 экземпляров, потому что каждый в конце получает мешок, в котором лежат подарки от всех остальных участников. В тот год, когда я был участником конференции, в моем мешке оказались головоломки, приспособления для фокусов, книги, компакт-диски и кусок пластика, издававший звуки, подобные тем, что издает человек, выпивший слишком много кока-колы. Один мешок предназначался Мартину Гарднеру, и я взялся доставить ему его.

Гарднер жил в Нормане, штат Оклахома. В тот день, когда я приехал, в штате свирепствовали ураганные ветры. Съехав с федеральной трассы, я немного поплутал, но наконец нашел нужное место — дом, где живут старики, нуждающиеся в уходе. Рядом располагалась забегаловка, торгующая техасским фастфудом. Дверь в комнату Гарднера была всего в нескольких шагах от входа, нужно было лишь пересечь общий холл, где беседовали несколько престарелых обитателей дома. Рядом с гарднеровской дверью стоял ящик для корреспонденции. Он не пользуется электронной почтой, но посылает и получает писем больше, чем все остальные его соседи, вместе взятые.