home | login | register | DMCA | contacts | help | donate |      

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


my bookshelf | genres | recommend | rating of books | rating of authors | reviews | new | форум | collections | читалки | авторам | add



Глава 12. Гну, тяну, кручу как хочу

…Первые геометрические открытия [ребенка] являются топологическими. …Если вы попросите его срисовать квадрат или треугольник, он нарисует замкнут[ую окружность][50].

Жан Пиаже

Топология – это как раз та математическая дисциплина, которая позволяет переходить от локального к глобальному[51].

Рене Том

В одной старой шутке говорится, что тополог – это человек, неспособный отличить кофейную чашку от бублика. Хотя точнее было бы сказать, что это человек, для которого различие между ними несущественно. В топологии чашка и бублик эквивалентны, поскольку (если предположить, что и то и другое сделано из пластичного материала вроде глины) из первого можно постепенной деформацией получить второе: ручка чашки превращается в отверстие бублика, а самой чашке можно придать форму кольца вокруг этого отверстия. Слово “отверстие” здесь имеет четко определенное значение. В топологии отверстие обязано иметь два конца и пронизывать предмет насквозь, как дырка у бублика, или, говоря по-научному, у тора. То, что мы в быту часто называем отверстием, – например, просверленное в стене углубление под шуруп – для тополога таковым не является, потому что оно не имеет двух входов и его можно постепенно деформировать так, чтобы оно полностью сгладилось. Если в двух словах, топология изучает такие свойства объектов, которые остаются неизменными, когда форма объекта меняется, но при этом сам он не разрезается и в нем не проделываются новые отверстия. Топология – современное расширение геометрии, порождающее множество парадоксальных выводов и дающее о себе знать в самых неожиданных местах.

В 2016 году Нобелевская премия по физике была присуждена британским ученым Данкану Холдейну, Майклу Костерлицу и Дэвиду Таулессу за работы в области так называемых экзотических состояний материи. При определенных условиях – например, при очень низких температурах – свойства материалов могут неожиданно и резко меняться. Однажды февральским утром 1980 года немецкий физик Клаус фон Клитцинг, проводя эксперименты с переохлажденными сверхтонкими образцами из кремния, помещенными в мощное магнитное поле, обратил внимание на очень странное явление. Кремний вдруг стал или проводить электричество пакетами определенной величины – сначала один, за ним другой, вдвое больше, потом еще один, втрое больше, и так далее, – или не проводить вообще. Никаких промежуточных значений, как это происходит с обычным электрическим током, не было. Это явление известно как квантовый эффект Холла, а Клитцингу за открытия в этой области в 1985 году была присуждена Нобелевская премия по физике. В процессе эксперимента кремний, очевидно, внезапно перешел в какое-то новое физическое состояние, в котором, как всегда бывает в таких случаях, произошла перегруппировка атомов. Но теоретики тщетно пытались объяснить, как подобная перегруппировка могла произойти в слое кремния настолько тонком, что для перемещения атомов внутри него вверх или вниз просто не было места. Костерлицу и Таулессу пришла в гоехода спонтанно разделялись, образуя два миниатюрных вихря. Таулесс взялся произвести математические расчеты, объясняющие эти вихревые переходы, и обнаружил, что лучше всего явление формулируется в терминах топологии. Электроны в преобразующемся материале образуют так называемую топологическую квантовую жидкость: некое состояние, в котором они передвигаются совместно только на целое число шагов. Работая независимо от Таулесса, Холдейн обнаружил, что эти жидкости могут спонтанно появляться в сверхтонких слоях полупроводников даже в отсутствие сильных магнитных полей.

После объявления в Стокгольме лауреатов Нобелевской премии 2016 года один из членов Нобелевского комитета поднялся со своего места и достал из бумажного пакета булочку с корицей, бублик и (шведский) крендель. Между ними, отметил он, есть множество различий: разный вкус, например, – что-то соленое, что-то сладкое, – да и внешне они не похожи. Но для тополога из всех различий имеет значение только одно – количество отверстий: ноль в булочке, одно в бублике и два в кренделе. Лауреаты премии, объяснил он, нашли способ связать внезапный переход в экзотические физические состояния с изменениями в топологии, то есть фактически с “дырковатостью” соответствующих абстрактных структур. Своим открытием они указали путь к новой, чрезвычайно важной сфере применения дисциплины, породившей некоторые из самых невероятных результатов в математике.

Возьмите две копии одной картинки. Одну из них разгладьте на столе, а вторую хорошенько помните (не разрывая) и положите сверху. Неоспоримый факт: как минимум одна точка изображения на мятой копии окажется непосредственно над соответствующей точкой на разглаженном листе. (Строго говоря, расчеты, объясняющие этот феномен, оперируют непрерывными величинами, а материя реального мира имеет зернистую природу, поскольку состоит из атомов и прочего, – и тем не менее получающийся результат служит весьма неплохим приближением.) Тот же эффект наблюдается и с трехмерными объектами: сколько бы вы ни мешали воду в стакане, как минимум одна из молекул после перемешивания окажется на том же месте, что и до него. Первым математиком, опубликовавшим доказательство этого феномена в начале XX века, был голландец Лёйтзен Брауэр, поэтому соответствующая теорема получила название “теорема Брауэра о неподвижной точке”.

В 1912 году Брауэр доказал еще одну любопытную теорему, сформулированную ранее выдающимся французским математиком Анри Пуанкаре, – так называемую теорему о причесывании ежа. Речь в ней идет о том, что, как бы вы ни старались пригладить иголки у свернувшегося в клубок ежа, невозможно добиться того, чтобы они лежали гладко в каждой точке, – где-то все равно будут стоять торчком. Брауэр (и Пуанкаре), правда, рассуждал не о ежах, а о более скучных вещах: непрерывном касательном векторном поле на сфере, которое должно иметь как минимум одну точку, где вектор обращается в ноль. Но суть та же самая. На практике это означает, например, следующее: поскольку скорость ветра у земной поверхности является векторным полем, теорема гарантирует, что на планете обязательно должно быть место, где ветер не дует. Еще одна общеизвестная метеорологическая истина, тесно связанная с теоремой о неподвижной точке, называется теоремой Борсука – Улама. Она гласит: в любой момент времени на Земле существуют две точки, расположенные на ее противоположных сторонах, где температура и давление абсолютно одинаковы. Вы вправе сказать, что подобное вполне может произойти и по чистой случайности, но теорема Борсука – Улама дает математическую гарантию, что это всегда так.

Еще один странный, но истинный факт, который выводится из теоремы Борсука – Улама, – это так называемая теорема о бутерброде. Согласно ей, любой бутерброд с ветчиной и сыром можно одним разрезом рассечь таким образом, чтобы в обоих получившихся кусочках было поровну и хлеба, и ветчины, и сыра. На самом деле для этого даже не обязательно, чтобы ингредиенты касались друг друга: хлеб может быть в хлебнице, сыр в холодильнике, а ветчина на столе. Или они вообще могут находиться в разных частях галактики. Так или иначе, всегда существует такой плоский разрез (другими словами, такая плоскость), который рассек бы все три объекта ровно напополам.

Все эти странные теоремы – о неподвижной точке, о причесывании ежа, о бутерброде, Борсука – Улама – уходят корнями в благодатную почву топологии (от греческого слова t'opos – “место”). В быту нам нечасто приходится с ней сталкиваться. Любой из нас знаком с геометрией – древней наукой о форме, размере и относительном расположении фигур вроде треугольников, эллипсов, пирамид, сфер и прочих. Топология связана и с геометрией, и с теорией множеств и изучает, как мы уже упоминали, свойства тел, которые не изменяются даже тогда, когда тело сгибают или растягивают, – эти свойства называют топологическими инвариантами. Примером такого инварианта может служить, скажем, число измерений, связность или количество элементов, составляющих тот или иной объект.

Начало топологии как дисциплине было положено в XVII веке, когда немецкий ученый-энциклопедист Готфрид Лейбниц поднял вопрос о разделении геометрии на две части: geometria situs, или геометрию положения, и analysis situs, то есть анализ, или разбор, положения. Первая, куда входит фактически та геометрия, что мы изучаем в школе, имеет дело со знакомыми нам понятиями: углами, длинами, фигурами, тогда как analysis situs занимается абстрактными структурами, независимыми от этих понятий. Швейцарский математик Леонард Эйлер впоследствии опубликовал одну из первых работ по топологии, в которой доказал, что невозможно прогуляться по всем семи мостам старого портового города Кёнигсберга в Пруссии (ныне – Калининград в России), не пройдя ни по одному из них дважды. Результат не зависел ни от размеров мостов, ни от расстояний между ними, а только от того, как они соединяли между собой участки суши – острова в русле реки и ее берега. Эйлеру удалось найти общее правило для решения такого рода задач и тем самым дать дорогу в жизнь новой области исследований – разделу топологии под названием “теория графов”[52].


Эта странная математика. На краю бесконечности и за ним

Семь мостов Кёнигсберга через реку Преголя.


Эйлер также открыл ставшую знаменитой формулу многогранников (трехмерных тел с плоскими многоугольными гранями): В – Р + Г = 2, где В, Р и Г – число вершин, ребер и граней соответственно. И опять-таки она имеет прямое отношение к топологии – ведь она оперирует свойствами геометрических тел, не зависящими от количественных измерений.

Еще одним пионером в области топологии стал Август Мёбиус, изучивший свойства перекрученной на пол-оборота и свернутой в кольцо ленты, которая сегодня носит его имя – несмотря на то, что его соотечественник Иоганн Листинг опубликовал результаты собственных исследований ее свойств на несколько лет раньше, в 1861 году. Если полоску бумаги перекрутить на 180 градусов, а затем склеить концы вместе, получится кольцо с односторонней поверхностью – это легко проверить, ведя карандашом посередине полосы линию, пока та не вернется в исходную точку. Пол-оборота, соединение краев – и бумажная полоска превращается в ленту Мёбиуса, объект, который в глазах тополога коренным образом отличается от простого кольца или открытого с двух сторон цилиндра[53]. Любой разрыв в геометрическом теле или соединение вместе его концов превращает его в топологически новое тело. Отсюда следует еще одна особенность топологии: она хорошо подходит для описания внезапных скачкообразных изменений состояния системы – как обнаружили лауреаты Нобелевской премии по физике 2016 года.


Эта странная математика. На краю бесконечности и за ним

Лента Мёбиуса: объект, который, будучи вложенным в трехмерное пространство, имеет только одну “сторону”.


В обычной геометрии все фигуры считаются жесткими и невзаимозаменяемыми. Квадрат – всегда квадрат, треугольник – всегда треугольник, и первый никогда не может превратиться во второй. Прямые линии обязаны оставаться идеально прямыми, а кривые – кривыми. В топологии же объекты вправе терять свою структурную жесткость и становиться эластичными, оставаясь при этом самими собой по сути, – при условии, что в них не делается разрезов и склеек. Квадрат, например, можно растяжением и сжатием превратить в треугольник, но с точки зрения топологии он останется самим собой: про такие фигуры говорят, что они гомеоморфны. Точно так же обе эти фигуры идентичны кругу (то есть “заполненной” окружности). Если говорить о трех измерениях, то куб гомеоморфен шару (“заполненной” сфере). Иными словами, поверхность куба топологически идентична поверхности сферы. А вот тор, или бублик, от сферы принципиально отличается: как бы вы их ни сжимали и ни растягивали, одинаковых фигур из них не получить.

Количество отверстий в объекте называется родом его поверхности. Сфера и куб имеют род 0, обычный тор – род 1, крендель (то есть двойной тор, с двумя отверстиями) – род 2 и так далее. Трехмерная топология может учитывать и более сложные факторы, скажем, структуру окружающего пространства, благодаря чему формируются узлы. Чтобы избежать путаницы, стоит сразу оговориться, что в теории узлов большинство известных нам узлов таковыми не считаются. Математический узел отличается от привычного нам узла на веревке или на шнурках ботинок тем, что его концы соединены вместе, так что развязать его невозможно.

Истинный узел удобно представить себе в виде окружности или любой другой замкнутой петли, обитающей в трехмерном евклидовом пространстве. Распутать его не поможет никакое растягивание и перекручивание. Единственный способ создать истинный (математический) узел из куска бечевки – это соединить его концы вместе, например склеить. Простейший узел, который можно получить с помощью этого метода, – тривиальный (или незаузленный) узел, то есть обычная петля. А вот дальше все становится сложнее.

Самый простой нетривиальный узел – это трилистник. Если вы попросите кого-то завязать кусок веревки узлом, а потом соедините свободные концы, чаще всего получится именно такой. Более сложные узлы – восьмерка и те, что состоят из нескольких простых: например, прямой (известный также как рифовый) или бабий узел. И прямой, и бабий узлы состоят из двух трилистников.

Узлами с точки зрения математики первым заинтересовался Карл Гаусс в 1830-х годах. Он придумал способ вычислить коэффициент зацепления – число, показывающее, сколько раз две замкнутые кривые в трехмерном пространстве обвивают друг друга. Зацепления, как и узлы, занимают в топологии центральное место. Математические узлы и зацепления встречаются и в природе, например, в электромагнетизме и квантовой механике, а также в биохимии.

Точно так же как есть тривиальный узел, существует и тривиальное зацепление: две отдельных, никак не соединенных друг с другом окружности. Узлы – это тоже зацепления, но простые, состоящие из одной окружности; а можно создать и более сложные, если взять не одну окружность, а больше. Зацепление Хопфа, состоящее из двух однократно зацепленных окружностей, названо в честь немецкого тополога Хайнца Хопфа, хотя Гаусс изучал его на целое столетие раньше, а в изобразительном искусстве и символике оно встречалось и задолго до того. Основанная в XVI веке японская буддийская секта Бузан-ха использовала его в своем гербе. Любопытнее кольца Борромео, состоящие из трех окружностей. Необычно (и на первый взгляд кажется невозможным) в них то, что, хотя ни одно из колец не сцеплено ни с одним другим, все вместе они сцеплены: если удалить любое из трех, оставшиеся два легко разъединяются. Название колец происходит от фамилии знатной итальянской семьи Борромео, использовавшей их в своем гербе, однако сам символ уходит корнями в глубокую древность. На артефактах викингов он имеет вид трех сцепленных треугольников, известных как валькнут (что означает “узел павших”) или треугольник Одина. Тот же узор встречается и в различных религиозных контекстах, в том числе в убранстве старинных христианских храмов, где он символизирует Святую Троицу.

ционируют в биологических системах. Совершенно неожиданно для себя в середине 1990-х годов биологи открыли, что белки могут образовывать узлы и даже сцепленные кольца. Нам, чтобы завязать любой, пусть даже самый простой, узел, нужно целенаправленно продевать свободный конец веревки в петлю. Непонятно было, каким образом белки способны не только спонтанно осуществлять самосборку, но еще и умудряться завязываться при этом в узлы. Собственно, при построении большинства математических моделей, предсказывающих результат сворачивания белков на основании затрачиваемой энергии, образование любых структур, имеющих форму узлов, заведомо исключалось – настолько невозможным это казалось. Ученым еще только предстоит разобраться, как в белках образуются узлы – и зачем.

В начале 2017 года группа химиков из Манчестерского университета объявила о создании самого тугого узла за всю историю. Состоящий из 192 соединенных в цепочку атомов, он имеет в ширину всего 20 миллионных миллиметра – примерно в 2 000 раз тоньше человеческого волоса. Молекулярная нить, содержащая атомы углерода, азота и кислорода, перекрещивается восемь раз и скручивается в тройную спираль. Расстояние между точками перекрещивания нити – именно оно определяет, насколько узел тугой, – составило всего 24 атома.

Есть в научном мире и другие необычные топологические структуры. Одна из самых удивительных – уже упомянутая лента Мёбиуса. В 2012 году химики из Университета Глазго сообщили, что им удалось превратить симметричную кольцеобразную молекулу в асимметричную, добавив в кольцо молибден-кислородное звено с формулой Mo4O8. Добавленное звено перекрутило кольцо на пол-оборота, превратив его в ленту Мёбиуса.

Сделать самостоятельно ленту Мёбиуса под силу даже ребенку. Посложнее обстоят дела с другой односторонней поверхностью – бутылкой Клейна, названной в честь немецкого математика Феликса Клейна, впервые ее описавшего. Предполагают, что сначала она именовалась Kleinsche Fl"ache, что означает “поверхность Клейна”, но впоследствии название исказили и она превратилась в Kleinsche Flasche – “бутылку Клейна”. Так или иначе, это название прижилось, а возможно, даже способствовало популярности объекта, несмотря на то что слово “поверхность” точнее описывает его суть.

В отличие от ленты Мёбиуса, у бутылки Клейна нет краев или границ, что роднит ее со сферой. Но в отличие от сферы, у бутылки Клейна нет внутренней и внешней стороны – они идентичны, – поскольку она представляет собой единую поверхность, переходящую саму в себя. В реальном мире мы с подобным обычно не сталкиваемся. Нам привычнее объекты вроде банок с бочонками или бутылок с божоле, имеющие четко определенные внутреннюю и внешнюю стороны, а значит, заключающие в себе определенный объем. Но поскольку бутылка Клейна не разделяет пространство на две различных области, то она ничего в себе и не заключает, а стало быть, ограничивает нулевой объем.


Эта странная математика. На краю бесконечности и за ним

Бутылка Клейна, погруженная в три измерения. Ее “внутренняя” и “внешняя” стороны на деле неразличимы. Обычными способами этого не добиться – ее невозможно вложить в трехмерное пространство, – поэтому в нем поверхность бутылки Клейна пересекает саму себя.


И сферы, и торы, и ленты Мёбиуса – все это примеры двумерных поверхностей, которые можно “вложить” в трехмерное пространство. У термина “вложение” есть строгое математическое определение, но, если по-простому, это все равно что поместить одно пространство внутрь другого, отличного от него. Важно помнить, что сферы, ленты Мёбиуса, бутылки Клейна и другие геометрические объекты – это все абстракции, свойства которых никак не зависят от пространства, в котором они находятся: от того, сколько в нем измерений, плоское оно или искривленное и так далее. Но кое-что при вложении в разные пространства все же меняется. Например, тор можно вложить в три измерения (именно в таком виде мы с ним обычно и сталкиваемся), и тогда у него появляются отверстие – настоящее, математическое отверстие – и внешняя и внутренняя стороны.

Кое-кто из читающих эту книгу, возможно, еще помнит автоматы с классической игрой “Астероиды”. Управляя космическим кораблем, игрок должен сбить как можно больше пролетающих мимо него астероидов и летающих тарелок. Казалось бы, ничего общего со знакомым бубликом-тором. Но топологически они совершенно идентичны: и то и другое имеет тороидальную форму. Отверстие в бублике – это признак, появляющийся в результате погружения тора в три измерения, а вовсе не постоянное свойство всех торов. В “Астероидах” тороидальная топология пространства проявляется не в отверстии, а в том, как объекты, исчезающие с одной стороны экрана, тут же появляются с другой. Еще тор можно вложить в четырехмерное пространство. Одним из результатов такого вложения может оказаться тор Клиффорда, названный в честь жившего в Викторианскую эпоху математика Уильяма Кингдона Клиффорда (он, кроме прочего, впервые предположил, что тяготение – это следствие геометрии пространства, в котором мы живем). В отличие от хорошо известного нам тора-бублика с четко различимыми внешней и внутренней сторонами, тор Клиффорда не разделяет пространство, а потому ни внутренней, ни наружной стороны у него просто нет.

То же и с бутылкой Клейна. Австрийско-канадский математик Лео Мозер в форме лимерика описал, как родилась идея этой поверхности:

Ленту Мёбиуса Клейн свято чтил,

Их двух лент он флакон сотворил.

“Просто склеить края,

И бутылка моя

Получается”, – он говорил.

Потому у бутылки Клейна и нет краев: когда концы двух лент Мёбиуса (c правой и левой закруткой) соединяются вместе, образуется единая связная поверхность. Еще один способ сделать бутылку Клейна – начать с квадрата. Нужно соединить вместе пару его противоположных сторон, а потом в получившемся цилиндре состыковать вторую пару сторон, предварительно перекрутив одну из них на пол-оборота. Вот только этот второй шаг, хоть он и кажется простым, невозможно осуществить в трехмерном пространстве. Чтобы заставить поверхность пройти сквозь саму себя, не проделывая в ней отверстия, без четвертого измерения не обойтись. Впрочем, это мелкое затруднение не мешает энтузиастам изготавливать трехмерные модели, которые почти идеально (но все же не совсем точно) воспроизводят бутылку Клейна. Среди таких умельцев есть настоящие эксперты своего дела: например, Клиффорд Столл из Окленда (Калифорния, США), возглавляющий компанию Acme Klein Bottle, и Алан Беннетт из Бедфорда (Англия), который изготовил для лондонского Музея науки целую серию бутылок Клейна, аналогичных лентам Мёбиуса с нечетным числом оборотов больше одного. Математики называют подобные модели “погружениями” бутылки Клейна в трехмерное пространство. Погружение – не то же самое, что вложение. Не углубляясь в технические детали, скажем лишь, что в трехмерной модели (то есть при погружении) бутылки Клейна всегда будет место, где ее поверхность пересекает сама себя. Истинная же бутылка Клейна не имеет такого самопересечения, и его действительно не будет при ее вложении в четырехмерное пространство.

Другое важное свойство бутылки Клейна, да и любой другой поверхности, связано с ориентируемостью. Большинство поверхностей, с которыми нам приходится иметь дело в физическом мире, “ориентируемы”. Это значит, что если нарисовать на такой поверхности маленькую круговую стрелку, указывающую либо одно, либо другое направление, а потом двигать ее вдоль всей поверхности, пока она не вернется на исходное место, то по возвращении стрелка будет указывать прежнее направление. Так будет, к примеру, если взять сферу или тор: и то и другое – ориентируемые поверхности. А вот попробуйте-ка сделать то же самое с бутылкой Клейна или лентой Мёбиуса – и увидите, что, обойдя всю поверхность, стрелка-путешественница изменит направление на противоположное, поскольку эти поверхности неориентируемы.

Топологам приходится то и дело мысленно переключаться между пространствами разной размерности. Чтобы оперировать при этом некими общими понятиями, они изобрели для себя целый словарь специальных терминов. С “вложением” и “погружением” мы уже знакомы. Еще один – “многообразие”: это обобщение термина “поверхность” в приложении к другим измерениям. Все то, что мы называем “поверхностью”, по определению двумерно, поэтому правильно говорить не “двумерная поверхность” (это тавтология), а “двумерное многообразие”. Сфера, тор, лента Мёбиуса и бутылка Клейна – все это примеры двумерных многообразий. Первые три из них можно вложить в трехмерное пространство, а бутылку Клейна – нет. Прямые и окружности – это одномерные многообразия, а кроме них есть еще (хоть мы и не способны толком их себе представить) трехмерные многообразия, четырехмерные и так далее. Одно из простейших трехмерных многообразий – это трехмерная сфера. Подобно обычной двумерной сфере, которая представляет собой поверхность, ограничивающую шар в трехмерном пространстве, трехмерная сфера – это объект, имеющий три измерения и образующий границу четырехмерного шара. Мы не можем точно представить себе, как выглядел бы трехмерный аналог поверхности, не говоря уже о границах в более высоких измерениях. Но, несмотря на эту нашу ограниченность, у математиков есть весь инструментарий, необходимый им, чтобы оперировать подобными понятиями.

При работе с высшими измерениями порой открываются совершенно неожиданные вещи. В четырехмерном пространстве, например, окружности не могут зацепляться, а обычных узлов просто не существует. То же касается и более высоких размерностей. В четырех измерениях происходит еще одна диковинная штука: сферы там могут “заузляться”. Представить, как это выглядит, мы не в силах – но ведь и двумерные существа так же были бы неспособны представить себе, как окружности могут быть заузлены и при этом не пересекать сами себя.

Как и все другие разделы математики, топология – динамично развивающаяся область знаний, в которой ежегодно делаются новые открытия и ждут своего решения старые и новые проблемы. Одна из наиболее важных – и в топологии, и в математике в целом – известна как гипотеза Пуанкаре. Ее важность не в каком-то очевидном практическом применении: вряд ли она поможет нам быстрее добраться до Марса или найти лекарство от старения. Ее значение для математики чисто теоретическое, оно связано с работой по классификации поверхностей (то есть многообразий) высших размерностей.

Гипотезу впервые выдвинул в 1900 году Анри Пуанкаре, один из основателей топологии как точной научной дисциплины. Многие почитают его как “последнего универсала” – эксперта во всех областях математики своего времени[54]. Пуанкаре разработал методику под названием “гомологии”, которая представляет собой, упрощенно говоря, способ определять и относить к той или иной категории отверстия в многообразиях. Здесь все не так очевидно, как может показаться, поскольку математические отверстия – штуки довольно хитрые, их не так просто заметить и сосчитать, как, скажем, дырки в кренделе или в старом носке. Двумерное пространство в “Астероидах”, например, топологически эквивалентно тору, хотя у тора есть совершенно очевидная дырка, а в пространстве “Астероидов” ее как-то не заметно. Нельзя забывать, что математические отверстия – это абстрактные понятия, которые бывает труднее себе представить, чем, допустим, дырку в бублике; а кроме того, они еще окружены “петлями” – так что гомологии можно определить и как способ анализа различных типов петель в многообразиях.

Исходное предположение Пуанкаре заключалось в том, что гомологий достаточно, чтобы определить, является ли то или иное трехмерное многообразие топологически эквивалентным трехмерной сфере. Но уже через несколько лет он сам опроверг эту гипотезу, построив контрпример: гомологическую сферу Пуанкаре, которая истинной трехмерной сферой не является, но имеет те же гомологии. После дальнейших исследований он сформулировал свою гипотезу в новом виде. Если говорить простым языком, она гласит, что любое конечное трехмерное пространство, не имеющее отверстий, может быть непрерывно деформировано в трехмерную сферу. Несмотря на все усилия математиков, в XX веке эта гипотеза так и осталась недоказанной. Ее значение было столь велико, что в 2000 году Математический институт Клэя включил ее в список семи важнейших проблем, за решение которых объявил вознаграждение в миллион долларов США. Три года спустя справедливость гипотезы Пуанкаре доказал российский математик Григорий Перельман в ходе доказательства другой близкой проблемы – гипотезы геометризации Тёрстона.

В 2006 году Перельману была присуждена Филдсовская премия, которую считают самой престижной наградой в математике и часто приравнивают по статусу к Нобелевской. Затем, в 2010 году, было объявлено, что его работа отвечает критериям для вручения 1 000 000 долларов от Математического института Клэя. Однако Перельман от обеих наград отказался, по всей видимости, по соображениям этического порядка. Во-первых, по его мнению, они не отражали важный вклад, который внесли в решение проблемы другие ученые, в первую очередь американский математик Ричард Гамильтон, чью работу Перельман развил и продолжил. Кроме того, он был недоволен неэтичным поведением некоторых исследователей, в особенности китайских математиков Чжу Сипина и Цао Хуайдуна, опубликовавших в 2006 году статью с результатами проверки доказательства Гамильтона – Перельмана, но при этом пытавшихся создать впечатление, что авторы доказательства – они сами. Позже они отозвали исходную статью, озаглавленную “Полное доказательство гипотез Пуанкаре и геометризации: приложение теории Гамильтона – Перельмана о потоках Риччи”, и опубликовали новый вариант, с более скромными формулировками. Но сделанного не вернуть: Перельман был глубоко разочарован как их поведением, так и отсутствием осуждения их действий со стороны других математиков. В интервью журналу The New Yorker в 2012 году он сказал: “Пока я был не на виду, у меня имелся выбор: либо поднять шумиху [по поводу нарушения этических норм], либо ничего не делать и позволить обращаться с собой как с послушной собачкой. Теперь, когда я стал настолько заметным, я не могу оставаться собачкой и молчать. Вот почему мне пришлось уйти”. Не совсем понятно, то ли Перельман навсегда ушел из математики, то ли работает себе спокойно над другими проблемами. Ясно одно: быть в центре внимания – не для него. “Меня не интересуют деньги и слава, – сказал он после присуждения ему награды Математического института Клэя. – Я не хочу находиться на всеобщем обозрении, как животное в зоопарке”. Так или иначе, решив наконец одну из самых важных и сложных задач топологии, он прочно занял свое место в истории.

Еще одна проблема, много лет не дававшая покоя топологам, – гипотеза триангуляции. И она тоже не так давно была разрешена – правда, в этом случае исходное предположение было опровергнуто. В ней, по сути, ставится вопрос: возможно ли любое геометрическое пространство разделить на более мелкие фрагменты? Гипотеза предполагает, что да. Сферу, например, можно без остатка разделить на треугольные “плитки”. Правильный икосаэдр, или многогранник с двадцатью гранями в форме правильных треугольников, – вот грубое приближение сферы, однако его можно бесконечно улучшать, увеличивая число граней и меняя форму треугольников. Точно так же “триангулируется”, то есть разбивается на треугольники, и тор. Трехмерное пространство можно “нарезать” на произвольное количество тетраэдров. Но возможно ли триангулировать геометрические объекты во всех пространствах более высокой размерности, разбивая их на имеющиеся там аналоги треугольника? В 2013 году румынскому математику, тогда профессору Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Чиприану Манолеску удалось доказать, что это невозможно. Манолеску, вундеркинд и единственный человек, кому удалось три раза подряд набрать максимальное количество баллов на Международной математической олимпиаде, впервые столкнулся с проблемой триангуляции, будучи аспирантом в Гарварде в начале 2000-х годов. В то время он не решился заняться “неприступной задачей”, но годы спустя понял, что та самая теория, о которой он писал в своей кандидатской диссертации (посвященной так называемым гомологиям Флоера), – ключ к решению проблемы. Воспользовавшись результатами своих более ранних исследований, он сумел доказать, что в размерностях 5 и выше существуют многообразия, для которых триангуляция невозможна, – опровергнув тем самым гипотезу триангуляции. Это очень серьезное достижение, учитывая, что с использованием иных методов анализ даже четырехмерного пространства на возможность триангуляции – задача чересчур сложная.

В начале 1980-х американский геометр Уильям Тёрстон, умерший в 2012 году, задумал проект, в рамках которого предполагалось описать все существующие трехмерные многообразия. Для двух измерений подобная задача уже решена. Вот двумерные многообразия: сфера, тор, двойной тор (крендель), тройной тор и так далее. К ним можно добавить неориентируемые поверхности, такие как бутылка Клейна и проективная плоскость (она получается, если соединить края двух лент Мёбиуса с одинаковой закруткой). Тёрстон применял метод, позволяющий представить многие из этих двумерных многообразий многоугольниками. Например, если взять квадрат и соединить его противоположные стороны, получится тор. С двойным тором уже сложнее, но Тёрстон победил и его. Он получил двойной тор, попарно соединив определенные стороны восьмиугольника, вложенного в гиперболическую плоскость. Такое вложение позволяет избежать проблемы, возникающей при попытке сделать то же с обычным евклидовым восьмиугольником. Иначе бы двойной тор имел точку, общую для всех вершин восьмиугольника, сумма углов которого равнялась бы 1080 градусам, а не 360, как требуется. В гиперболической геометрии – той, что имеет дело с седловидными поверхностями, или, точнее, поверхностями, в любой своей точке искривляющимися противоположным образом по сравнению со сферой, – восьмиугольники правильного размера могут иметь углы 45 градусов, что решает проблему.

Тёрстон попытался сделать для трех измерений нечто похожее. В двух измерениях существует три вида однородных геометрий: эллиптическая, евклидова и гиперболическая. Эллиптическую и евклидову можно легко вложить в пространство. Гиперболическую же вложить невозможно, именно поэтому она была открыта много позднее. В трехмерном пространстве у каждой из этих геометрий есть свой аналог, но кроме них в нем есть и другие – всего восемь. Так же как и в двух измерениях, самая сложная для понимания и работы – гиперболическая. В 2012 году Яну Аголу удалось составить перечень всех гиперболических многообразий (в то время только этот случай еще ждал своего разрешения). Некоторые из использованных им методов, на первый взгляд, не имеют никакого отношения к исходной задаче: скажем, он строил комплексы из кубов различных размеров и анализировал гиперплоскости, рассекающие эти кубы пополам. У подобных многообразий есть практическое применение: например, ряд космологов предполагает, что Вселенная в целом имеет эллиптическую геометрию и представляет собой конечное многообразие – додекаэдр, определенные грани которого отождествлены. Такое многообразие возможно классифицировать, используя методику Агола.

Разумеется, в топологии и сейчас есть множество нерешенных проблем, и, вероятно, так будет всегда – ведь чем больше мы расширяем границы познанного, тем яснее понимаем, как многого еще не знаем. Но топология сегодня – уже не та узкоспециализированная, абстрактная область знаний, какой она была больше ста лет назад. Она имеет уйму практических применений, в том числе в робототехнике, физике конденсированного состояния, квантовой теории поля. А идеи топологии используются почти во всех областях математики.


Глава 11. Самое большое число | Эта странная математика. На краю бесконечности и за ним | Глава 13. Господь Бог, Гёдель и поиск истины