N,z,q,r,c: ma la storia come continua

N,Z,Q,R,C: ma la storia come continua???????

di Emanuel Guariglia

 

Molti, una volta finito il Liceo Scientifico, pensano che oltre C vi sia "il nulla eterno".

Per " i molti", che hanno visto costruire nuovi insiemi numerici partendo da N (l'insieme numerico più semplice possibile e quello che rappresenta la realtà a noi più vicina) per arrivare a C (l'insieme  dei numeri complessi, ossia quello più difficile da capire e più lontano a noi), passando per Z,Q,R, tutto finirà qui.

Tutti sappiamo che i numeri complessi non sono nient'altro che coppie di numeri reali, rappresentabili quindi come vettori su un piano, detto piano complesso o di Argand -  Gauss: perciò si comportano con le stesse leggi della geometria piana.

Questa proprietà fa capire "ai più" che tale insieme ha di "complesso" solo il nome.

Poi, essendo C la chiusura algebrica di R, abbiamo in questo insieme risolto il problema, per il quale generalmente si introduce C, ossia quello delle radici di un’equazione algebrica di qualunque grado.

Sembra che tutto finisca qui, ossia che con C, che sembrerebbe essere il miglior insieme possibile e quello che risponda a tutti i problemi esistenti, tutto sia finito; ma forse "i più" non considerano che "la matematica è, tra le scienze, la più sorprendente" [2] : sarà quindi facile aspettarsi che dopo C, che per noi sembra "il miglior e più ampio insieme possibile”, vi sia qualcos’altro: infatti è così.

 

I QUATERNIONI DI HAMILTON [1]

 

Tutto si deve al famoso matematico irlandese William Rowan Hamilton (1805-1985) che passò un tempo considerevole nel tentativo di trovare un nuovo insieme i cui elementi fossero definibili come terne di numeri reali, che sperava potessero rendere un servizio alla geometria solida simile a quello reso da C a quella piana.

Ogni mattina, scendendo per la colazione su figli gli chiedeva: “Bè, papà, sai moltiplicare le terne?” ma per molto tempo fu costretto a rispondere scuotendo tristemente la testa: “No, le solo sommare e sottrarre”.

Hamilton scoprì infine  che la cosa corretta non era quella di usare tre coordinate, ma quattro, e inventò un nuovo sistema numero che chiamò quaternioni. E’ famosa la sua frase: “Né potei resistere all’impulso, per quanto fosse poco filosofico, di intagliare con un coltello su una pietra del ponte di Brougham la formula fondamentale con simboli i , j, k: i2 = j2 = k2 = i j k = -1”.

Il tipico quaternione,

 

a+bi+cj+dk

 

ha una parte scalare “unidimensionale e reale” a, ma la sua parte “immaginaria” è il vettore tridimensionale

 

v= bi +cj +dk

 

Si sommano nel modo ovvio, ma si moltiplicano usando

 

Regole di Hamilton

 

i2=j2=k2=-1

i j =k  j k =i  k i =j

j i= -k  k j=-i   i k=-j

 

per esempio,

 

(2+i)(3+j)=6+3i+2j+k

(3+j)(2+i)=6+3i+2j-k

ma

I quaternioni di Hamilton non sono commutativi!

 

Tuttavia i quaternioni soddisfano le proprietà associative e distributiva. I quaternioni di Hamilton sono davvero utili in geometria!

La rotazione di un angolo 2q attorno a un qualunque vettore unitario (ossia di lun­ghezza 1), bi + cj + dk, porta un qualsiasi altro vettore xi + yj + zk in

q -1(xi+yj+zk)q

 

dove q = cosq + (bi + ci + dk) sinq..

La misura appropriata della "grandezza" di un tipico quaternione a + bi + cj + dk è la sua norma a2 + b2 + c2 + d2, e una delle prime cose che Hamilton fece dopo la scoperta delle sue regole fu la verifica che la norma del prodotto di due quaternioni è precisamente il prodotto delle loro norme. Questo ci dà la famosa formula dei quattro quadrati

 

(a2+b2+c2+d2)(a 2+b2+g2+d2) =(aa- bb-- cg- dd)2 + (ab+ ba~+ cd  dg)2+(ag- bd+ ca+ db)2 + (ad+ +bg- cb+ da)2

 

già inviata da Eulero a Goldbach in una lettera del 15 aprile 1705, e usata da Lagrange nella sua dimostrazione dell'affermazione di Fermat che ogni intero è somma di quattro quadrati perfetti.

I quaternioni sono anche utili per rappresentare gruppi nella matematica pura e non solo: infatti con essi si può rappresentare lo spin nella fisica delle particelle (ossia il momento angolare intrinseco di una particella o di un nucleo, che esiste anche quando la particella è in quiete, a differenza del momento angolare orbitale).

 

LA MACCHINA DEI QUATERNIONI [1]

 

 

La moltiplicazione dei quaternioni è rappresentabile molto bene graficamente.

Essa consiste in un rettangolo di carta con 1, i, I, k scritti in varie orientazioni e appeso a un'asta per mezzo di un robusto nastro da tappezzeria. L'asta è perpendicolare alla carta, e quindi il nastro è ruotato di almeno 90° in tutte le nostre figure. Due piccoli indicatori sono collocati a metà lungo i lati del nastro.

Le rotazioni che mandano x in

                                         

i -1xi     j--1x   k--1xk

sono delle semi - rotazioni.

Facendo una successione di queste, naturalmente la rotazione composta risultante è rivelata

dall’orientazione finale della carta. Ma il nostro indicatore di segno mostrerà anche il segno del

nostro prodotto di quaternione.

Dopo aver effettuato un qualsiasi numero di moltiplicazioni per i, j, k in questo modo, siete autorizzati a muovere la carta per semplificare il risultato, purché preserviate attentamente la sua orientazione per tutto il movimento.

Hamilton fu preceduto, per alcuni aspetti di questa sorprendente applicazione dei quaternioni, dal ricchissimo banchiere e matematico spagnolo Rodrigues.

 

 

 

GLI OTTETTI DI CAYLEY [1]

 

 

Ma, come è  d'aspettarsi, non finisce qui: infatti Arthur Cayley (1821-1895), uno dei maggiori algebristi del XIX secolo, a margine di una pagina di una delle sue innumerevoli pubblicazioni, con riferimento ai quaternioni che il suo amico Hamilton aveva da poco tempo scoperto, nel 1845 scrisse  :       “E’ possibile costruire una teoria analoga con 7 radici im­maginarie di -1"

Egli scopri un'algebra di "numeri" a otto di­mensioni, detti ottetti o numeri di Cayley, che sono stati usati per spiegare certe proprietà speciali degli spazi con sette e otto dimensioni.

Il tipico numero di Cayley è

 

a+ bio+ci1 + di2 + ei3 +fi4 +gi5 + hi6

 

dove ciascuna delle sette terne

 

(i0,i1,i3) (i1,i2,i4) (i2,i3,i5) (i3,i4,i6) (i4,i5,i0) (i5,i6,i0) (i6,i0,i2)

 

si comporta come la terna di Hamilton (i, j, k).

Qualunque  rotazione dello spazio otto - dimensionale può essere scritta nella forma

 

x  va in   ((((((xc1)c2)c3)c4)c5)c6)c7

 

 

per opportuni numeri di Cayley c1, c2, c3, c4, c5, c6, c7

Ma attenzione:  I numeri di Cayley non sono associativi, e quindi non si può scrivere questa formula nella forma

 

x c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7

 

Due risultati importanti, infine, sono quelli di :

§  Hurwitz, che nel 1898 dimostrò che le algebre dei numeri reali, dei nume­ri complessi, dei quaternioni e degli ottetti sono le uniche in cui tutti gli operatori di moltiplicazione per vettori unitari conservano le distanze.

§  J.F. Adams dimostrò nel 1956 che solo per n=1,2,4, e 8 è possibile trasformare l’insieme dei vettori n - dimensionali in un’algebra in cui la divisione (tranne quella per 0) sia sempre possibile.

 

Bibliografia

[1] John H. Conway e Richard K. Guy, Il Libro dei numeri,  Hoepli, Milano,1999, traduzione italiana di Alessandro Zaccagnini, pag.199 - 203

[2] G.H. Hardy, Apologia di un matematico, Garzanti, Milano, 1989