Введение
В истории предпринималось несколько попыток создать единую теорию математики. Некоторые из наиболее авторитетных математиков в академической среде высказывали мнение, что вся эта дисциплина должна быть уложена в одну теорию. Объединение математических областей называется математической консолидацией: "Под консолидацией двух или более концепций или теорий Ti понимается создание новой теории, которая включает в себя элементы всех Ti в единую систему, достигающую более общих следствий, чем можно получить из любой отдельной Ti".
Историческая перспектива
Процесс объединения может рассматриваться как способ определения того, что составляет математику как дисциплину. Например, механика и математический анализ обычно объединялись в один предмет в XVIII веке, будучи связанными концепцией дифференциального уравнения, в то время как алгебра и геометрия считались существенно различными областями. Сегодня мы рассматриваем анализ, алгебру и геометрию, но не механику, как части математики, поскольку они прежде всего являются дедуктивными формальными науками, а механика, подобно физике, должна опираться на наблюдения. При этом существенной потери содержания не происходит, и аналитическая механика в прежнем понимании теперь выражается в терминах симплектической топологии, основанной на более современной теории многообразий.
Математические теории
Термин "теория" используется в математике в неформальном смысле для обозначения самосогласованного набора определений, аксиом, теорем, примеров и так далее. (Примеры включают теорию групп, теорию Галуа, теорию управления и K-теорию.) В частности, он не подразумевает гипотетичность. Таким образом, термин "объединяющая теория" скорее относится к социологической терминологии, используемой для изучения деятельности математиков. Он не обязательно предполагает наличие каких-либо предположений, аналогичных неоткрытому научному принципу. В математике нет аналогов таким концепциям, как "протомир" в лингвистике или гипотеза Геи. Тем не менее, в истории математики было несколько случаев, когда наборы отдельных теорем оказывались частными случаями единого объединяющего результата, или когда единый подход к развитию области математики мог быть успешно применен к нескольким её разделам.
Геометрические теории
Известным примером стала разработка аналитической геометрии, которая в руках таких математиков, как Декарт и Ферма, показала, что многие теоремы о кривых и поверхностях особых типов можно сформулировать на алгебраическом языке (тогда новом), и каждую из них можно было доказать, используя одни и те же методы. То есть теоремы были очень похожи алгебраически, даже если геометрические интерпретации различались. В 1859 году Артур Кейли инициировал унификацию метрических геометрий посредством использования метрик Кейли — Клейна. Позже Феликс Клейн использовал эти метрики для создания основы неевклидовой геометрии. В 1872 году Феликс Клейн отметил, что многие ветви геометрии, разработанные в течение XIX века (аффинная геометрия, проективная геометрия, гиперболическая геометрия и т. д.), можно рассматривать единообразно. Он достиг этого, рассматривая группы, относительно которых геометрические объекты были инвариантны. Эта унификация геометрии известна как Эрлангенская программа. Общая теория угла может быть унифицирована с инвариантной мерой площади. Гиперболический угол определяется через площадь, очень близкую к площади, связанной с натуральным логарифмом. Круговой угол также имеет интерпретацию площади, если он относится к окружности с радиусом, равным квадратному корню из двух. Эти площади инвариантны относительно гиперболического и кругового вращений соответственно. Эти аффинные преобразования осуществляются элементами специальной линейной группы SL(2, ℝ). Исследование этой группы выявляет сдвиги, которые увеличивают или уменьшают углы наклона, но разности углов наклона остаются неизменными. Третий тип угла, также интерпретируемый как площадь, зависящая от разности углов наклона, является инвариантным благодаря сохранению площади при сдвиге.
Через аксиоматизацию
В начале XX века многие области математики стали рассматриваться посредством определения полезных наборов аксиом и последующего изучения их следствий. Так, например, исследования "гиперкомплексных чисел", которыми занималось Кватернионное общество, были формализованы на аксиоматической основе как разделы теории колец (в данном случае, в виде ассоциативных алгебр над полем комплексных чисел). В этом контексте понятие факторкольца является одним из наиболее мощных объединяющих инструментов. Это было общее изменение методологии, поскольку до этого момента потребности практических приложений приводили к тому, что значительная часть математики преподавалась посредством алгоритмов (или процессов, близких к алгоритмическим). Арифметика до сих пор преподается таким образом. Это развитие шло параллельно с оформлением математической логики как самостоятельной ветви математики. К 1930-м годам символическая логика была достаточно полно интегрирована в математический аппарат. В большинстве случаев изучаемые математические объекты могут быть определены (хотя и не единственным образом) как множества или, более неформально, как множества, наделённые дополнительной структурой, такой как операция сложения. Теория множеств в настоящее время служит универсальным языком для развития математических направлений.
Бурбаки
Причина развития аксиоматики была серьезно подхвачена группой математиков Бурбаки. Доведенная до крайности, эта позиция, как считалось, требовала развития математики в максимально возможной общности. Начало велось с самых общих аксиом, а затем осуществлялась специализация, например, путем введения модулей над коммутативными кольцами, и переход к векторным пространствам над действительными числами допускался лишь в случае крайней необходимости. Развитие шло таким образом, даже когда наибольший интерес представляли сами специализации – то есть, конкретные теоремы. В частности, эта точка зрения не придавала большого значения областям математики (таким как комбинаторика), объекты изучения которых зачастую являются частными, или встречаются в ситуациях, лишь поверхностно связанных с более аксиоматическими разделами науки.
Соперничающая теория категорий
Теория категорий — это объединяющая теория математики, разработанная во второй половине XX века. В этом отношении она является альтернативой и дополнением к теории множеств. Ключевая идея с "категорической" точки зрения заключается в том, что математика требует не только определенных видов объектов (группы Ли, банаховы пространства и т. д.), но и отображений между ними, сохраняющих их структуру. В частности, это проясняет, что именно означает, когда математические объекты считаются одинаковыми. (Например, все ли равносторонние треугольники одинаковы, или имеет значение размер?) Со́ндерс Мак-Лейн предположил, что любое понятие, достаточно часто встречающееся в различных областях математики, заслуживает выделения и самостоятельного изучения. Теория категорий, пожалуй, лучше приспособлена для этого, чем любой другой современный подход. Недостатком использования так называемой абстрактной ерунды является некоторая общность и абстрактность в смысле отрыва от корней в конкретных задачах. Тем не менее, методы теории категорий постепенно завоевывают признание в многочисленных областях (от D-модулей до категорической логики).
Объединение теорий
В меньшем масштабе сходство между наборами результатов в двух различных областях математики ставит вопрос о существовании объединяющей структуры, которая могла бы объяснить эти параллели. Мы уже упомянули пример аналитической геометрии, а в более общем виде алгебраическая геометрия всесторонне развивает связи между геометрическими объектами (алгебраическими многообразиями или, в более общем случае, схемами) и алгебраическими объектами (идеалами); краеугольным результатом здесь является теорема Гильберта о нулях, которая, грубо говоря, показывает, что существует естественное взаимно однозначное соответствие между этими двумя типами объектов. Другие теоремы также можно рассматривать в этом свете. Например, основная теорема теории Галуа утверждает, что существует взаимно однозначное соответствие между расширениями поля и подгруппами группы Галуа этого поля. Гипотеза Таниямы — Шимуры для эллиптических кривых (теперь доказанная) устанавливает взаимно однозначное соответствие между кривыми, заданными как модулярные формы, и эллиптическими кривыми, заданными над рациональными числами. Область исследований, иногда называемая «Монструозным светом», установила связи между модулярными формами и конечной простой группой, известной как «Монстр», начиная с единственного неожиданного наблюдения о том, что в обеих областях очень естественным образом возникает довольно необычное число 196884. Другая область, известная как программа Лэнглендса, также начинается с, казалось бы, случайных сходств (в данном случае между результатами теории чисел и представлениями определенных групп) и ищет построения, из которых оба набора результатов вытекали бы как следствия.
Последние разработки в области модульной теории
Известным примером является гипотеза Танияма — Шимуры, ныне теорема о модулярности, которая утверждала, что каждую эллиптическую кривую над рациональными числами можно соотнести с модулярной формой (таким образом, чтобы сохранялась связанная с ней L-функция). Существуют трудности с отождествлением этого с изоморфизмом в строгом смысле этого слова. Некоторые кривые были известны как эллиптические кривые (рода 1) и модулярные кривые еще до формулировки гипотезы (около 1955 года). Наиболее удивительной частью гипотезы было её расширение на факторы якобианов модулярных кривых рода > 1. До формулировки гипотезы, вероятно, казалось маловероятным, что таких рациональных факторов будет «достаточно»; и на самом деле, числовые подтверждения были незначительными до 1970-х годов, когда таблицы начали подтверждать её справедливость. Случай эллиптических кривых с комплексным умножением был доказан Шимурой в 1964 году. Эта гипотеза оставалась нерешенной на протяжении десятилетий, прежде чем была доказана в общем виде. Фактически, программа (или философия) Лэнглендса скорее напоминает сеть взаимосвязанных гипотез; она действительно постулирует, что общая теория автоморфных форм регулируется L-группами, введенными Робертом Лэнглендсом. Его принцип функториальности относительно L-группы обладает большой объяснительной силой в отношении известных типов подъёмов автоморфных форм (которые теперь более широко изучаются как автоморфные представления). Хотя эта теория в некотором смысле тесно связана с гипотезой Танияма — Шимуры, следует понимать, что гипотеза фактически работает в противоположном направлении. Она требует существования автоморфной формы, исходя из объекта, который (в очень абстрактном смысле) принадлежит категории мотивов. Важным сопутствующим моментом является то, что подход Лэнглендса отличается от всего направления развития, вызванного феноменом «чудовищного лунного света» (связями между эллиптическими модулярными функциями, представленными в виде рядов Фурье, и групповыми представлениями группы Монстра и других спорадических групп). Философия Лэнглендса ни предвосхищала, ни могла включить в себя это направление исследований.
Гипотезы изоморфизма в К-теории
Другой случай, который пока менее разработан, но охватывает широкий спектр математики, — это гипотетический фундамент некоторых областей K-теории. К долгосрочной проблеме, известной как гипотеза Баума — Коннеса, присоединились другие гипотезы, объединенные в группу, называемую гипотезами об изоморфизмах в K-теории. Среди них — гипотеза Фаррелла — Джонса и гипотеза Боста.